梁嘉平, 史文娟, 王全九,2

(1.西安理工大學 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點實驗室培育基地,陜西 西安 710048; 2.黃土高原土壤侵蝕與旱地農業(yè)國家重點實驗室, 陜西 楊凌 712100)

石膏對土壤水分入滲特性的影響

梁嘉平1, 史文娟1, 王全九1,2

(1.西安理工大學 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點實驗室培育基地,陜西 西安 710048; 2.黃土高原土壤侵蝕與旱地農業(yè)國家重點實驗室, 陜西 楊凌 712100)

[目的] 分析石膏對土壤水分入滲特性的影響，以期為土壤入滲模型及石膏更好地應用于生產實際、土壤改良等領域提供科學依據。 [方法] 采用室內一維土柱模擬試驗，利用垂直一維入滲代數模型分析在施加石膏前期，其對土壤水分運動特性的影響。 [結果] 在施加石膏前期，與對照組相比，隨著石膏施量的增加，累積入滲量分別減小了10.2%，16.15%，30.73%和40.38%；入滲率分別減小了18.78%，21.07%，42.13%和54.82%；土壤剖面含水量顯著降低。利用垂直一維入滲模型對土壤水分入滲資料進行分析可知，與對照組相比，隨著石膏施量的增加，土壤飽和導水率逐漸減小，且分別減小了18.42%，36.84%，59.21%和75.00%；而非飽和土壤水吸力分配系數β與土壤水分特征曲線和非飽和導水率綜合形狀系數α無明顯變化規(guī)律。預測值累積入滲量與實測累積入滲量之間的接近程度較高，相關性較好，且決定系數R2均在0.99以上，且均方根誤差小于0.5，說明在施加石膏前期，其可以有效地削弱土壤的入滲能力，減少水分滲漏，降低入滲速率，而且還可以改變土壤水分的分布狀況，且利用垂直一維入滲模型可以較好地分析石膏對土壤水分特征的影響。 [結論] 石膏可以有效地降低土壤的入滲能力和導水特性。

鹽堿地; 石膏; 垂直一維代數模型; 累積入滲量

土壤退化已成為人類面臨的重大威脅，鹽堿地和土壤次生鹽堿化是人類面臨的一個世界性生態(tài)環(huán)境問題。中國新疆等干旱地區(qū)，降雨稀少，蒸發(fā)強烈，土壤鹽堿化嚴重，鹽堿類型的低產田達1.133×106hm2，約占總耕地面積的1/3[1]。而且堿化土壤和鹽堿性土壤具有減小土壤導水率和入滲率的特性，這是因為鹽堿土壤和堿化土壤吸附了大量的交換性鈉，而高濃度交換性鈉可使土壤顆粒分散，進而堵塞土壤孔隙，阻礙土壤水分的入滲[2]。為了解決這一問題，石膏被作為一種化學改良劑來提供鈣離子置換出土壤膠體上的交換性鈉，尤其在美國和歐洲國家石膏被應用到農業(yè)中改良鹽堿土已經有長達250 a的歷史[2-3]。國外研究學者Rasouli[4]，Blum[5]和Mitchell[6]等基于大田試驗，應用石膏改良鹽堿土壤，結果表明，石膏不僅能夠改善土壤的理化特性，還能提高作物產量。國內研究學者呂二福良等[7]通過石膏不同施加方法改良鹽堿化土壤，結果表明，當石膏與土壤混施時石膏利用充分，堿化土壤改良效果明顯。王金滿等[8]等利用石膏改良鹽堿土壤，結果表明，石膏能夠提高向日葵的出苗率。但上述研究均是石膏長期改良后的結果，而石膏的溶解度較低，在施加石膏初期勢必也會涉及到土壤水分運動這一關鍵因素的變化，但在施加石膏前期，關于石膏對土壤水分運動的影響鮮有報道。鑒于此，本研究采用室內一維土柱模擬試驗，利用垂直一維代數模型分析了石膏對土壤水分入滲特性的影響，以期為土壤入滲模型及石膏更好地應用于生產實際、土壤改良等領域提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 供試土樣

供試土樣取自新疆塔里木河流域巴音郭楞管理局水利科研所(灌溉試驗站)田間試驗小區(qū)(41°35′N，86°10′E)，采用環(huán)刀法和烘干法測定的土壤容重和初始含水率分別為1.64 g/cm3和0.004 8 cm3/cm3。去除土樣中的枯枝、異物，放在陰涼、干燥的實驗室內，讓其風干，過2 mm 篩以留備用。采用Mastersizer 2000激光粒度分析儀測定供試土壤的機械組成，測定結果詳見表1。

表1 供試土樣的機械組成 %

1.2 試驗方法

入滲試驗中，將石膏與上述土壤按照質量比(0，1.8%，3.6%，5.4%，7.2%)分別混合均勻，然后將混合后的土樣按容重為1.64 g/cm3分層(5 cm)裝入內徑為5 cm、高為46 cm的透明有機玻璃，裝土高度為40 cm，并采用相同規(guī)格的馬氏瓶供水。在裝填的過程中，層間刮毛，裝填完成后應在土壤表面放置一層濾紙，防止供水初期水流沖刷土壤表面，并保證水流均勻下滲。入滲過程中，用秒表計時，并記錄濕潤鋒運移距離和馬氏瓶的水位，通過計算獲得濕潤鋒和累積入滲量隨入滲時間的變化關系。入滲結束時，全部停止供水，并迅速吸干土壤表層積水，從表層至濕潤鋒處每隔2 cm 提取土樣，以測定各處理土壤剖面不同深度處的含水率。為了保證試驗結果的可靠性,每個處理都進行了2次重復試驗，經過分析兩次重復試驗結果基本一致。

1.3 基本理論

王全九等[9]根據達西定律用數學方法描述出一維垂直水分運動基本方程，利用Parlange假定和Brooks-Corey模型推求出垂直一維非飽和土壤水分運動代數模型來描述土壤水分運動過程。

1.3.1 入滲率 垂直一維非飽和土壤水分入滲率計算公式為：

(1)

式中：i——入滲率(cm/min)；β——非飽和土壤吸力分配系數(1/cm)；α——土壤水分特征曲線和非飽和導水率綜合形狀系數(無量綱)；ks——飽和導水率(cm/min)；zf——濕潤鋒(cm)。

令ks/β=a，ks=b；將公式(1)轉化為i-1/zf的線性函數：

(2)

將實測數據代入公式(2)擬合求解a，b，獲得飽和導水率ks和非飽和土壤吸力分配系數β。

1.3.2 含水率 垂直一維非飽和土壤水分含水率計算公式為：

(3)

將公式(3)轉化為

(4)

令(θ-θr)/(θs-θr)=M，1-z/zf=N；得公式(5)如下:

M=Nα

(5)

則公式(5)為M-N的冪函數，利用實測數據求得非飽和導水率綜合形狀系數α。

式中：θ——土壤剖面實測含水率(cm3/cm3)；θs——飽和含水率(cm3/cm3)；θi——初始含水率(cm3/cm3)；θr——滯留含水率(cm3/cm3)。

1.3.3 累積入滲量 垂直一維非飽和土壤累積入滲量計算公式為：

(6)

由于供試土壤初始含水率較小，假定θr=θi，那么公式(6)變化為公式(7)。

(7)

式中：I——累積入滲量(cm)；t——入滲時間(min)。

2 結果分析

2.1 不同石膏施量對土壤水分入滲特征的影響

2.1.1 不同石膏施量對累積入滲量的影響 由圖1可以看出，在整個入滲過程當中，隨著入滲時間的增大，累積入滲量逐漸增大。入滲初期，各處理之間的累積入滲量相差不大，石膏對累積入滲量的影響比較

微弱，但隨著時間的推移，尤其在在200 min以后的同一入滲歷時，石膏對累積入滲量的影響開始顯現，隨著石膏施量的增加，累積入滲量呈減小趨勢，并逐漸拉開差距，入滲結束時，累積入滲量分別減小了10.2%，16.15%，30.73%，40.38%。由此可得，石膏可以有效減緩土壤水分的入滲量。

2.1.2 石膏施量對入滲率的影響 由圖1可知，在整個入滲過程當中，隨著入滲時間的增大，入滲率起初逐漸減小，最終基本趨于穩(wěn)定。隨著時間的推移，尤其在200 min以后，各處理的入滲率基本趨于穩(wěn)定入滲狀態(tài)，石膏對入滲率的影響比較明顯，且隨著石膏施量的增加，同一入滲歷時的入滲率呈減小趨勢，入滲結束時，穩(wěn)滲率從對照組的0.018 8 cm/min減小到石膏施量為7.2%的0.008 5 cm/min，與對照組相比，隨著石膏施量的增加，入滲率分別減小了18.78%，21.07%，42.13%，54.82%。綜上所述，石膏可以有效削弱土壤的入滲。

由達西定律可知，土壤水力傳導度和土水勢梯度決定了土壤水分入滲量，而土壤質地、干容重、含水率和基質勢共同決定了土壤水力傳導度[10]。本研究不同處理是在土壤質地、干容重、含水率基本相同的條件下進行的垂直一維入滲試驗。因此，基質勢為影響土壤水力傳導度的主要因素。而基質勢又由土壤結構和土壤孔隙分部狀況決定[11]。在灌溉水中，石膏的溶解度較小，大約為30 meq/L[12]，而且石膏顆粒小，因此在土壤中加入石膏后，小顆粒會進入土壤孔隙堵塞水流通道，改變土壤結構和土壤孔隙的分布狀況，進而影響入滲水流的有效過水斷面面積,進而影響土壤水力傳導度的大小，那么土壤水分入滲量和入滲速率便會隨著石膏施量的增大，呈現出逐漸減小的變化規(guī)律。

圖1 不同石膏施量對累積入滲量、入滲率的影響

2.2 不同石膏施量對土壤剖面含水率的影響

為了進一步分析石膏對土壤水分分布的影響，將不同石膏施量對土壤剖面含水率的分布情況繪于圖2。由圖2可知，處理組的土壤剖面含水率均低于對照組的土壤剖面含水率，且隨著土壤剖面深度的增加顯著減??；此外，在同一土壤剖面深度處，隨著石膏施量的增加，土壤剖面含水率顯著減小。說明石膏不僅可以降低土壤的持水量，而且還可以改變土壤水分的分布狀況，以防止農田水分的深層滲漏。

圖2 不同石膏施量對土壤剖面含水量的影響

2.3 不同石膏施量對垂直一維入滲模型參數的影響

為了進一步分析不同石膏施量對土壤水分入滲特征的影響，利用王全九提出的垂直一維入滲代數模型對試驗資料進行處理。通過公式(2)和公式(5)對實測資料進行擬合求解，獲得垂直一維入滲模型參數ks，α和β，擬合效果較好，決定系數R2均在0.97以上，其結果見表2。從表中可以看出，與對照組相比，隨著石膏施量的增加，土壤飽和導水率呈減小趨勢，且分別減小了18.42%，36.84%，59.21%，75%；而非飽和土壤水吸力分配系數β與土壤水分特征曲線和非飽和導水率綜合形狀系數α無明顯變化規(guī)律。

土壤飽和導水率ks是指土壤在飽和狀態(tài)、即土壤孔隙全部充滿水時的土壤導水速率，其數值近似于土壤穩(wěn)定入滲速率，是表征土壤水分入滲能力的重要參數之一[13]，而且土壤飽和導水率是土壤質地、容重、孔隙分布特征的函數，其中孔隙分布特征對飽和導水率的影響最大[14]。將石膏加入土壤中，由于石膏的溶解度較小，當水分開始入滲時，小顆粒隨水進入土壤孔隙中，堵塞水流通道，改變了土壤空隙分布特征，進而減小了土壤的飽和導水率。而且，隨著石膏施量的增大，飽和導水率呈顯著的減小趨勢。綜上所述，石膏可以明顯的削弱土壤的入滲能力。

表2 垂直一維入滲代數模型的擬合參數

2.4 垂直一維入滲模型分析

為了進一步分析垂直一維入滲模型所描述的土壤水分運動特征關系之間的準確性，利用公式(2)和公式(5)所求參數ks和α，根據公式(7)預測土壤水分入滲量，并與另一組數據(重復組)的實測累計入滲量分析比較，并進行回歸分析，用均方根誤差來反映預測值與實測值的接近程度。分析結果可見(表3)，不同石膏施量下，利用公式(7)預測的累積入滲量能夠很好,模擬實際水分入滲過程。表3可以看出，利用公式(7)預測的累積入滲量雖然略小于實測累積入滲量，但是通過回歸分析可知，不同施量下的預測值與實測值的相關性很好，決定系數R2均在0.99以上，且均方根誤差都小于0.5，誤差較小，預測值與實測值的接近程度較高。由此可見，公式(7)可以較好地模擬土壤水分的入滲量。

表3 實測與預測累積入滲量的回歸分析

3 討 論

石膏對土壤水分入滲特性以及土壤剖面含水率的影響均較大，不僅可以有效減少土壤水分的入滲，削弱土壤的入滲能力，而且還可以降低土壤的持水能力，改變土壤水分的分布狀況。從石膏自身性質來看，它呈白色粉末狀，顆粒較小，且在灌溉水中的溶解度較小，大約為30 meq/L[12]。因此，石膏與土壤混合后，小顆粒便會進入土壤孔隙當中，且其溶解度較小，所以在灌水時容易堵塞土壤水分入滲通道，改變土壤結構和孔隙分布狀況，進而削弱土壤的入滲能力和土壤的持水能力，減少水分入滲量和土壤剖面的的含水率；再利用垂直一維入滲模型分析石膏對土壤水分的影響，進一步驗證了石膏可以明顯降低土壤水分的導水能力，這一結果與AL-Kayssi等[12]的研究結果一致。由此可見，可以考慮將石膏應用于防止農田水分深層滲漏以及坡地水土流失防治等領域。

4 結 論

(1) 在施加石膏前期，其可以有效的削弱土壤的入滲能力，減少土壤的入滲水量，降低入滲速率，而且還可以降低土壤的持水能力，改變土壤水分的分布狀況。與對照組相比，隨著石膏施量的增加，累積入滲量分別減小了10.2%，16.15%，30.73%和40.38%；入滲率分別減小了18.78%，21.07%，42.13%和54.82%；土壤剖面含水量顯著降低。

(2) 利用垂直一維入滲模型對土壤水分入滲資料擬合求解，擬合效果較好。其結果顯示，與對照組相比，隨著石膏施量的增加，土壤飽和導水率逐漸減小，且分別減小了18.42%，36.84%，59.21%和75%；而非飽和土壤水吸力分配系數β與土壤水分特征曲線和非飽和導水率綜合形狀系數α無明顯變化規(guī)律。

(3) 垂直一維入滲模型可以較好地分析石膏對土壤水分入滲特征的影響。利用垂直一維入滲模型獲得土累積入滲量的預測值與重復組累積入滲量的實測數據進行對比分析，其結果顯示，累積入滲量的預測值與實測值之間的接近程度較高，相關性很好，決定系數R2均在0.998以上，且均方根誤差小于0.5。

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Effects of Gypsum on Soil Water Infiltration Characteristics

LIANG Jiaping1, SHI Wenjuan1, WANG Quanjiu1,2

(1.StateKeyLaboratoryBaseofEco-hydraulicEngineeringinAridArea，Xi’anUniversityofTechnology,Xi’an，Shaaxxi710048,China; 2.StateKeyLaboratoryofSoilErosionandDry-landFarmingonLoessPlateau,Yangling，Shaaxxi712100,China)

[Objective] The effects of gypsum on soil water infiltration characteristics were studied to provide basis for soil infiltration modeling and the application of gypsum in the fields of production practice, soil improvement and so on. [Methods] An experiment using one-dimensional infiltration vertical soil column was conducted to test the influences of gypsum on the soil moisture infiltration characteristics. [Results] The results indicated with increasing of gypsum content, the cumulative infiltrations were reduced by 10.2%, 16.15%, 30.73% and 40.38% respectively, and the infiltration rates reduced by 18.78% and 21.07%, 42.13% and 54.82% in the early stage of gypsum application. Moreover, soil profile water content decreased significantly too. The data of soil moisture infiltration were analyzed by the vertical one dimensional infiltration model. In the model, saturated hydraulic conductivities reduced by 18.42%, 36.84%, 59.21% and 75.00% respectively, while the changes of distribution coefficient and comprehensive shape coefficient were not obvious with the increasing of gypsum content. The cumulative infiltration was highly correlated with the measured cumulative infiltration, having a coefficient of determination(R2) over than 0.998, and root mean square error less than 0.5. So, this study indicated gypsum could not only be able to weak effectively the soil infiltration capacity and reduce water leakage, but also can change the distribution of soil moisture. The vertical one-dimensional infiltration model performed well in analyzing the influences of gypsum on soil water characteristics. [Conclusion] Gypsum can effectively reduce the infiltration capacity of the soil and change the characteristics of water transmissibility.

saline alkali land; gypsum; vertical one-dimensional infiltration model; cumulative infiltration value

2016-05-06

2016-05-13

國家自然科學基金項目“旱區(qū)鹽堿地膜下滴灌間作棉田水鹽遷移機制及土壤-植物系統(tǒng)響應”( 51379173); 陜西省教育廳重點實驗室科研計劃項目(16JS085); 新疆維吾爾自治區(qū)科技計劃項目(2011301033)

梁嘉平(1990—),男(漢族),甘肅省崇信縣人，碩士研究生,研究方向為農業(yè)水土資源與生態(tài)環(huán)境。E-mail:liangjpxaut@163.com。

史文娟(1972—),女(漢族),陜西省西安市人,博士,教授,主要從事農業(yè)水土資源與生態(tài)環(huán)境方面的研究。E-mail:shiwj@xaut.edu.cn。

10.13961/j.cnki.stbctb.2016.06.027

A

1000-288X(2016)06-0160-05

S278， 157.2

文獻參數： 梁嘉平, 史文娟, 王全九, 等.石膏對土壤水分入滲特性的影響[J].水土保持通報，2016,36(6)：1640-164.