覆砂下微咸水盐度和钠吸附比对水盐入渗及分布的影响

董立霞，谭军利,2,3*，李淼，李存云，王西娜

(1. 宁夏大学土木与水利工程学院，宁夏 银川 750021； 2. 宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心，宁夏 银川 750021； 3. 旱区现代农业水资源高效利用教育部工程研究中心，宁夏 银川 750021； 4. 宁夏大学农学院，宁夏 银川 750021)

压砂地是在土表覆盖一层10～15 cm厚的砂砾混合层，其主要功能是减少土壤水分蒸发、保蓄雨水、抑制盐分表聚等[1].近年来，为稳定压砂地西瓜产量而采用地下微咸水进行灌溉，但微咸水水质及微咸水离子成分对压砂地土壤水分入渗以及水盐分布规律的影响却并不清楚.EGGLETON等[2]研究发现土壤中盐分累积量与灌溉水的含盐量有密不可分的联系，一定浓度的微咸水灌溉可以将表层土壤的盐分淋洗至作物主根区以下，降低土壤表层盐分，调节土壤盐分含量，为作物正常生长提供较好的水盐环境.压砂地能够显著提高土壤水的入渗能力[3]，改变土壤有机碳氮的含量[4].覆砂下砂砾层具有抑制土壤中毛管水的上升，削弱水分的蒸发，降低昼夜温差，保持田间水土的作用.

钠吸附比 (sodium adsorption ratio, SAR) 表征的是钠离子和其他阳离子相对含量的指标[5].增加灌溉水钠吸附比会引起土壤中钙、镁离子发生沉淀，钠离子相对增加，而钠离子含量增加会引起土壤中导水率的降低，也会引起土壤中水分运动方式的改变.增加入渗溶液的钠吸附比会使土壤的团聚体熟化，土壤膨胀，黏粒扩散，水分运动方式接近活塞流，土壤对水和空气的渗透性减弱，降低土壤饱和导水率[6-7].

水质对土壤水分的入渗有显著影响，一定浓度的微咸水灌溉可以使表层土壤盐含量降低，矿化度为3 g/L时可以提高土壤入渗速率，降低土壤盐分含量[8].在灌溉水入渗过程中，土壤被湿润的部位与干土层有明显交界面称为湿润锋.湿润锋上土壤含水量高，在重力及干土层毛管作用力下推动湿润锋不断向下运动.容重、土壤初始含水率、饱和导水率等对土壤湿润锋的运移都有一定的影响[9-10].土壤孔隙多少及性质对入渗有很大影响.覆砂下灌溉水最初入渗受控于地表粗质砂层，而湿润锋进入下层较细质土层后，入渗率减小且只受控于土层.

研究人员在灌溉水质对土壤非饱和水入渗的影响的研究上已做了大量工作[11]，但覆砂下土壤水分入渗实际上是在覆砂层和土壤层2个差异巨大的层次之间的入渗过程.相较于裸土入渗，覆砂土壤入渗其实质是在地表水头和砂层饱和水头下进行，这种条件下灌溉水盐度和钠吸附比对土壤水分入渗的影响以及水盐分布并不清楚.由此，文中通过室内土柱模拟试验，拟探讨微咸水的盐度和钠吸附比对压砂地土壤水分入渗及水盐分布的影响，为压砂地利用微咸水灌溉提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验土样取自银川市西夏区平吉堡农场玉米地耕作地，供试土壤为砂壤土，土壤容重为1.45 g/cm3，田间持水量为17.4%.土壤样品经风干、碾压、去除杂质后过1 mm筛.试验所用砂石采自中卫市沙坡头区兴仁镇压砂地.砂石取回后采用标准砂石套筛筛分，将不同粒径的砂石用自来水多次冲洗后并用蒸馏水清洗，最后烘干待用.按照如表1所示砂石级配重新混匀，并测得砂石容重为1.9 g/cm3，表中d为砂石粒级，η为比例.

表1 砂层颗粒级配

地下水电导率值ECw为1.98～3.01 dS/m，钠吸附比值SAR为10.2～15.8 (mmol/L)0.5，pH为 7.59～8.82.按照当地地下水离子组成，用NaCl，CaCl2和MgSO4按照质量比2∶1∶2配置不同的盐度灌溉水.同时改变这3种试剂的比例，配置相同盐度不同钠吸附比的灌溉水.

1.2 试验设计

土柱装置包括有机玻璃柱和马氏瓶2个部分，土柱直径18.4 cm，高100 cm，马氏瓶直径与有机玻璃柱相同，高40 cm.据实际土壤容重为1.45 g/cm3填装土，每5 cm为1层，在每1层装入土样后压实并将表面土壤刮毛.最上层10 cm装入砂石混合物以模拟压砂条件.所有材料装完后让其平衡过夜.试验过程保持恒定水头5 cm，观察并记录马氏瓶中的入渗水量和土柱湿润锋位置.当湿润锋达到土层45 cm深度时停止供水并迅速将上层积水放出.同时以5 cm为间距从土柱取样孔中采集土壤样品.一部分土壤样品用烘干法测定土壤含水率；另一部分土壤样品风干后磨细过1 mm筛孔，采用电导率仪(雷磁DDS-307)测定水土质量比为5∶1的土壤悬液电导率EC.

表2 试验设计

1.3 数据处理

采用Excel 2016处理数据，利用Origin 2018进行数据拟合计算.

2 试验结果与分析

2.1 灌溉水盐度对土壤水分入渗的影响

由图1，2可以看出，在水分入渗的前6 min，累积湿润锋DA和累积入渗量VA随时间t增加较快，Y0，Y1，Y2，Y3和Y4的DA平均运移速率分别为3.57，3.18，3.50，3.75和3.85 cm/min，入渗速率较快.各处理的平均入渗速率在2.10～2.38 cm/min. 6 min之后，DA和VA随时间的增大而变慢，Y0，Y1，Y2，Y3，Y4的DA平均运移速率分别为0.54，0.48，0.58，0.59，0.59 cm/min,相应的入渗速率分别为0.22，0.16，0.21，0.20和0.19 cm/min.入渗前6 min内，除处理Y1(EC=1.0 dS/m)的入渗速率小于蒸馏水的外，其他微咸水处理的入渗速率都有所提高.这说明土壤的入渗速率随灌溉水盐度增加而增大.

图1 灌溉水盐度对累积湿润锋与时间关系的影响

图2 灌溉水盐度对累积入渗量与时间关系的影响

入渗初期，灌溉水盐度对DA的影响不明显，DA在9.1～11.3 cm.随着入渗时间的延长，灌溉水盐度对DA的影响逐渐变大，入渗结束时DA最大值与最小值差值为9.7 cm.不同处理的DA深度从大到小依次为Y4，Y3，Y2，Y0，Y1，说明增加灌溉水中盐分含量促进了水分在土壤中的运移速度.这是因为灌溉水中的盐分离子与土壤中的自由离子结合，改变了土壤的化学组成、空间结构或理化性质.

入渗过程中孔隙流为主要入渗方式，影响孔隙流入渗的主要因素为灌溉水的重力，考虑理想状态下的自由落体运动公式，时间采用其平方根值.DA与时间的平方根拟合呈显著的线性关系，其相关系数均大于0.99，置信区间为95%.表明在压砂地上微咸水入渗过程中孔隙流是主要的灌溉水入渗方式，重力是影响孔隙流的主要因素，这与樊丽琴等[12]研究结果相似.

入渗结束时，处理Y4的VA最大，为24.3 cm，Y1的最小为22.0 cm，但都小于处理Y0的累积入渗量.这说明灌溉水盐度阻碍了水分的入渗，但微咸水处理之间VA差异不具有统计学意义.累积入渗量与时间的平方根呈幂函数关系，幂函数随时间的延长土壤中VA也增大，拟合幂函数方程中其指数代表入渗速率的变化速率，幂指数越小VA也越小.随着入渗的时间的延长，VA随时间的变化趋于稳定.

2.2 灌溉水钠吸附比对土壤水分入渗的影响

灌溉水钠吸附比对土壤入渗累积湿润锋与时间关系的影响如图3所示.入渗前6 min，盐度一定条件下随着灌溉水钠吸附比的增大，湿润锋运移速率减小，平均湿润锋运移速率从大到小依次为X0，X1，X2，X3，处理X3的较X0减小了22%.6 min之后，平均湿润锋运移速率随钠吸附比增加呈现先增大后减小的趋势，处理X1最大，为0.52 cm/min.在入渗初期内，土壤中钠离子的浓度增加，致使土壤颗粒的分散、黏土颗粒的膨胀和土壤团聚体的破坏.钠吸附比越高，土壤结构的团粒结构破坏越严重，土壤的渗透性越低.入渗过程中，灌溉水钠吸附比对DA的影响与初期类似.不同钠吸附比下DA和时间的平方根呈线性关系.入渗结束时处理X1的DA最大，拟合方程的截距也最大，X3的DA最小，同时其拟合方程截距最小.

图3 灌溉水钠吸附比对土壤入渗累积湿润锋与时间关系的影响

灌溉水钠吸附比对土壤累积入渗量与时间关系的影响如图4所示.在灌溉水盐度一定的条件下，VA与灌溉水钠吸附比呈负相关关系，处理X3的VA较X1的减小了18.4%.这是因为钠离子本身带电量相对较小，其水化能力也较小，土壤中钠离子能够使土壤颗粒离散，所以灌溉水中钠离子增大，土壤颗粒产生结块现象，造成土壤孔隙阻塞，土壤中的宏观孔隙减少，使土体的物理特性发生改变，从而影响土壤水分的入渗.入渗结束时，处理X0与X1的VA最大，为24.3 cm.灌溉水钠吸附比影响下的VA和时间的平方根关系呈极显著的幂函数关系.幂指数反映入渗速率的变化速率的快慢，处理X1下幂指数最大，为0.68；而处理X3的幂指数最小，为0.45.这表明随着灌溉水的钠吸附比增加，幂指数呈下降趋势，入渗速率呈下降趋势.

图4 灌溉水钠吸附比对土壤累积入渗量与时间关系的影响

2.3 灌溉水盐度对土壤水分和盐分分布的影响

图5 灌溉水盐度对土壤含水率分布的影响

图6 灌溉水盐度对土壤平均含水率分布的影响

图7 灌溉水盐度对土壤电导率分布的影响

图8 灌溉水盐度对土壤平均电导率分布的影响

2.4 灌溉水钠吸附比对土壤水分和盐分分布的影响

图9为灌溉水钠吸附比对土壤含水率分布的影响.由图可以看出，0～45 cm的土层土壤含水率平均值随钠吸附比的增加，土壤平均含水率先增大后减小，处理X2(SAR=12.7(mmol/L)0.5)时土壤含水率最大，达24.10%.这是由于灌溉水带入较多钠离子，钠离子与土壤中钙、镁离子发生置换，被土壤表层固体颗粒吸附，使得土壤分散，造成土壤膨胀，土壤孔隙阻塞，土壤入渗率降低.这与吴忠东等[7]在裸地上的研究结果类似.他们发现增加灌溉水SAR引起土壤导水能力变差.

图9 灌溉水钠吸附比对土壤含水率分布的影响

图10 灌溉水钠吸附比对土壤电导率分布的影响

FEIGIN等[12]研究发现土壤钠离子含量和土壤电导率是灌溉水盐分对土壤影响的主要形式.在盐度一定的条件下，不同灌溉水钠吸附比处理的0～30 cm土层电导率差异不大，最大电导率和最小电导率分别是在X2(SAR=12.7(mmol/L)0.5)和 X1(SAR=7.0(mmol/L)0.5)下取得，其平均值分别为0.29 dS/m和0.21 dS/m.30～45 cm土壤电导率呈明显的上升趋势，其中处理X0较30 cm的增大了40.7%.

从图11可以看出，0～10 cm和20～30 cm土层土壤pH值随灌溉水钠吸附比增加而升高，X3的 0～30 cm平均pH值较X0的升高了3.0%； 30 cm以下土层pH值不同处理之间差异不具有统计学意义.总之，增加灌溉水钠吸附比导致土壤pH值升高.

图11 灌溉水钠吸附对土壤pH的影响

3 结 论

1) 在试验范围内，累积湿润锋深度随灌溉水盐度增加而增加，但降低了累积入渗量；当灌溉水盐度增加到一定程度(如EC=7.5 dS/m)，显著降低了剖面土壤含水率，湿润层平均含水率较去离子水降低了40%，而钠吸附比对土壤含水率影响不大.

2) 无论是灌溉水盐度还是钠吸附比条件下累积湿润锋与时间的平方根均呈线性关系，累积入渗量与时间的平方根呈幂函数关系.

3) 土壤盐度与灌溉水盐度呈幂函数正相关关系，增加灌溉水钠吸附比对土壤盐度影响较小，但提高了土壤pH值.