羅 朋

（山西省水利水電科學(xué)研究院，山西 太原 030002）

為緩解區(qū)域水危機(jī)，尤其是在淡水資源缺乏而咸水資源較豐富的鹽堿地分布區(qū)，充分利用區(qū)域內(nèi)的水土資源，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，采用先進(jìn)的灌水方法是未來(lái)農(nóng)業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。鹽漬土是一種世界性的低產(chǎn)土壤，由于我國(guó)水資源短缺和土地資源的日益減少和退化，實(shí)行節(jié)水灌溉，提高土壤生產(chǎn)能力，改良和利用鹽漬化土壤已成為提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、合理利用水資源和土地資源的一個(gè)重要問(wèn)題。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)鹽堿土的灌溉利用及改良方面做了大量的研究工作，特別是在鹽堿土壤中實(shí)施節(jié)水灌溉對(duì)土壤水鹽運(yùn)動(dòng)和作物生長(zhǎng)的影響是許多學(xué)者十分關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題，這就需要了解不同灌溉條件下的土壤水鹽運(yùn)動(dòng)規(guī)律。在不同節(jié)水灌溉方式對(duì)土壤水鹽運(yùn)移的研究方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在噴灌、重力滴灌及地下滲灌做了一些研究工作[1-3]，關(guān)于不同水頭對(duì)土壤水鹽運(yùn)動(dòng)的影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者大多研究了入滲水頭對(duì)土壤水分運(yùn)動(dòng)的影響[4-5]，對(duì)在鹽堿土壤中不同入滲水頭對(duì)土壤水分運(yùn)動(dòng)的影響的研究還較少。實(shí)際上，研究不同水頭對(duì)土壤水分變化的影響，對(duì)鹽堿土壤的水鹽運(yùn)移特征有重要作用，它是鹽堿土實(shí)施重力滴灌和地下滲灌技術(shù)的一個(gè)重要理論依據(jù)。本文針對(duì)鹽堿土在不同入滲水頭條件下土壤水分運(yùn)移特征進(jìn)行分析，通過(guò)室內(nèi)土柱試驗(yàn)來(lái)揭示不同入滲水頭下鹽堿土垂直入滲對(duì)土壤中水分運(yùn)移的影響進(jìn)行模擬，為在節(jié)水灌溉條件下鹽堿地區(qū)的水分管理、鹽堿土壤的改良提供可靠的理論依據(jù)和現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 供試土壤

土樣取自甘肅省民勤縣雙茨鄉(xiāng)裕民村，取土深度40 cm。土樣的選取共分5個(gè)采樣點(diǎn)兩個(gè)地方，取回后土壤經(jīng)過(guò)摻拌過(guò)2 mm篩子，使土樣均勻并經(jīng)自然風(fēng)干。采用烘干法測(cè)定風(fēng)干土壤初始含水率為2.51%，采用重量法測(cè)得土壤初始含鹽量為1.634%。

1.2 試驗(yàn)處理和方法

為研究鹽土在垂直入滲條件下，入滲水頭和初始容重對(duì)鹽土水分含量變化的影響，進(jìn)行了一維垂直入滲試驗(yàn)。試驗(yàn)裝置包括試驗(yàn)土柱、供水設(shè)備及其他測(cè)量裝置。入滲水采用無(wú)二氧化碳的蒸餾水。土柱試驗(yàn)土壤容重分別為 1.35 g/cm3，1.45 g/cm3和 1.50 g/cm3，進(jìn)行了在5個(gè)不同入滲水頭（2.5 cm，5 cm，10 cm，15 cm，20 cm）下的垂直入滲試驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

土壤入滲特性是反映土壤入滲過(guò)程中濕潤(rùn)鋒隨時(shí)間的變化規(guī)律以及土壤累積入滲量和入滲速率的變化特征。在積水入滲條件下，土壤中水分的運(yùn)動(dòng)過(guò)程受表層土壤與下層土壤的水勢(shì)梯度（基質(zhì)勢(shì)梯度）及重力作用的影響，使水在土壤孔隙中做不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)。

2.1 濕潤(rùn)鋒與時(shí)間的擬合關(guān)系

對(duì)試驗(yàn)處理下濕潤(rùn)鋒的推進(jìn)距離與入滲時(shí)間的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)關(guān)系進(jìn)行分析，表明濕潤(rùn)鋒的推進(jìn)距離和入滲時(shí)間關(guān)系可用冪函數(shù)來(lái)描述：

式中：l——濕潤(rùn)鋒推進(jìn)距離，cm；

t——推進(jìn)時(shí)間，min；

a，b——擬合參數(shù)。

對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)資料進(jìn)行擬合[6]，擬合結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同水頭作用下濕潤(rùn)鋒與時(shí)間的關(guān)系擬合參數(shù)

由表1可以看出，不同容重以及不同水頭條件下的土壤濕潤(rùn)鋒遷移與入滲時(shí)間的關(guān)系均呈顯著的冪函數(shù)相關(guān)。

在濕潤(rùn)鋒遷移距離和入滲時(shí)間的關(guān)系式中，系數(shù)a為第一分鐘末的濕潤(rùn)鋒推進(jìn)距離，它是土壤質(zhì)地、土壤初始含水量等因素控制條件下反映土壤濕潤(rùn)鋒推進(jìn)速度快慢的重要參數(shù)之一，也是反映入滲初期施加在土壤表面水勢(shì)梯度大小的重要因子。

在同一種土容重條件下，隨著入滲水頭的增加，冪函數(shù)中的系數(shù)a呈增加趨勢(shì)，而指數(shù)參數(shù)b則呈降低趨勢(shì)。為定量描述入滲水頭對(duì)參數(shù)a和b的影響，繪出不同水頭與參數(shù)a和b的關(guān)系，如圖1所示。

由圖1可以看出，在三種土壤容重條件下，參數(shù)a與入滲水頭的關(guān)系呈對(duì)數(shù)函數(shù)相關(guān)，同一水頭條件下，容重對(duì)參數(shù)a的影響較小，說(shuō)明初期的土壤入滲主要受土壤表層與干土層水勢(shì)梯度的影響，水頭的增加提高了水勢(shì)梯度，使?jié)駶?rùn)鋒前進(jìn)速率增加，表現(xiàn)為參數(shù)a增大。同時(shí)參數(shù)b與入滲水頭的關(guān)系呈線性負(fù)相關(guān)，但與土壤容重相比，入滲水頭對(duì)參數(shù)b的影響很小，土壤容重與參數(shù)b符合二次拋物線關(guān)系。

將參數(shù)a與入滲水頭的關(guān)系式和土壤容重與參數(shù)b的關(guān)系代入（1）式，就得到了考慮入滲水頭和土壤容重條件下濕潤(rùn)鋒的推進(jìn)距離和入滲時(shí)間的擬合關(guān)系，如式（2）所示：

2.2 累積入滲量與時(shí)間的擬合關(guān)系

圖1 γ=1.50入滲水頭、容重和參數(shù)a，b的關(guān)系

由試驗(yàn)各處理下的累積入滲量與入滲時(shí)間的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)關(guān)系分析得出，不同土壤容重在不同入滲水頭條件下累積入滲量隨時(shí)間的變化曲線趨勢(shì)與濕潤(rùn)鋒的推進(jìn)距離和入滲時(shí)間關(guān)系曲線基本相同。分析表明，累積入滲量隨時(shí)間關(guān)系曲線也可用冪函數(shù)來(lái)描述，即常用的Kostiakov入滲經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：I——累積入滲量，cm；

t——推進(jìn)時(shí)間，min；

A，B——擬合參數(shù)。

在累積入滲量和時(shí)間的變化關(guān)系式中，系數(shù)A為第一分鐘末的累積入滲量，在土壤質(zhì)地、土壤初始含水量等因素一定的情況下，它是反映土壤入滲能力大小的重要參數(shù)之一。隨著入滲時(shí)間的增加，進(jìn)入土體的水分逐漸增加，被濕潤(rùn)的土體越來(lái)越大，即累積入滲量隨時(shí)間逐漸增加。

表2 不同水頭作用下累積入滲量與時(shí)間擬合參數(shù)值

由表2可以看出，參數(shù)A和參數(shù)B都隨入滲水頭的增大而增大，且入滲擬合相關(guān)系數(shù)R均在0.99以上，呈顯著冪函數(shù)關(guān)系。入滲初期，土體結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生較大的變化，入滲過(guò)程主要靠基質(zhì)勢(shì)梯度和重力梯度影響作用進(jìn)行增滲。隨著入滲的進(jìn)行，在入滲水頭壓力和重力的作用下，使土體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，表層土體發(fā)生消散和分散，并受壓力而致密，從而減小土壤的空隙，使土壤的導(dǎo)水性和透水性相對(duì)減弱，也就是土壤水分輸運(yùn)速度減慢，導(dǎo)致土壤入滲各個(gè)參數(shù)的整體減慢。

為定量描述入滲水頭對(duì)參數(shù)A和參數(shù)B的影響，繪出不同水頭與A和B的關(guān)系，如圖2所示。

由圖2可以看出，三個(gè)容重對(duì)參數(shù)A在入滲水頭的影響很小，這是因?yàn)锳為入滲初始第一分鐘末的累積入滲量，說(shuō)明初期的土壤入滲主要受土壤表層與干土層水勢(shì)梯度的影響，水頭的增加提高了水勢(shì)梯度，使?jié)駶?rùn)鋒前進(jìn)速率增加，表現(xiàn)為參數(shù)A增大；同一水頭條件下，隨著容重的增大，參數(shù)A也增大，但影響較小。同時(shí)可以看出，同一容重下參數(shù)B與入滲水頭呈線性正相關(guān)，隨著入滲水頭的增大，參數(shù)B增大；同一入滲水頭下，隨著容重的增大，參數(shù)B增大，且隨入滲水頭的增大各容重間參數(shù)B增大的差異變大。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)鹽堿土垂直一維入滲試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，研究了不同入滲水頭下濕潤(rùn)鋒、累積入滲量與時(shí)間的關(guān)系，結(jié)果表明：一是隨著入滲水頭的增加，入滲速率逐漸減小，濕潤(rùn)鋒和累積入滲量均可表示為時(shí)間的冪函數(shù)，且相關(guān)性很好，提出了考慮入滲水頭和土壤容重條件下濕潤(rùn)鋒的推進(jìn)距離和入滲時(shí)間的關(guān)系式；二是不同土壤容重在不同入滲水頭條件下，累積入滲量隨時(shí)間的變化也可用冪函數(shù)來(lái)描述，其中參數(shù)A受土壤容重和入滲水頭的影響較小，而參數(shù)B隨著入滲水頭的增加呈線性增加趨勢(shì)，隨著土壤容重的增加呈降低趨勢(shì)。

圖2 γ=1.50入滲水頭、容重和參數(shù)A和B的關(guān)系

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