仲軒野，朱成立,2，柳智鵬，王 潔，謝修會(huì)

(1.河海大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，南京 210098；2.南方地區(qū)高效灌排與農(nóng)業(yè)水土環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098；3.江蘇省農(nóng)村水利科技發(fā)展中心，南京 210029；4.連云港市贛榆區(qū)國(guó)土資源局，江蘇 連云港 222100)

0 引 言

新疆地區(qū)淡水資源不足，農(nóng)業(yè)用水占總用水量比例約95%，且當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)發(fā)展迅速，對(duì)灌溉用水的需求進(jìn)一步增加[1]。淡水資源不足成為制約新疆地區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素。在我國(guó)，微咸水一般指礦化度為2～5 g/L的含鹽水[2]，微咸水已成為淡水資源的重要補(bǔ)充。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量研究，結(jié)果表明在良好的灌排配套條件下微咸水可用于冬小麥、棉花等作物的灌溉[3-5]。

由于人類和自然活動(dòng)作用，田間土壤常呈現(xiàn)出層狀結(jié)構(gòu)。從構(gòu)造特征方面來分, 層狀土壤主要可歸為2類：第1類是具有較小滲透性的細(xì)質(zhì)土覆蓋具有較大滲透性的粗質(zhì)土；第2類是具有較大滲透性的粗質(zhì)土覆蓋具有較小滲透性的細(xì)質(zhì)土[6]。王文焰[7]、盧修元[8]分別研究2類層狀土壤對(duì)入滲的影響，得出層狀特性對(duì)土壤入滲、溶質(zhì)遷移過程有重要影響[9]。因此研究層狀土壤的入滲規(guī)律對(duì)研究農(nóng)田中溶質(zhì)運(yùn)移等問題具有重要價(jià)值。

目前，已有的研究主要側(cè)重于均質(zhì)土壤不同水質(zhì)入滲[4,10,11]或?qū)訝钔寥赖霛B[12]，而不同礦化度對(duì)層狀土入滲規(guī)律的影響研究較少。本文針對(duì)不同礦化度對(duì)入滲規(guī)律的影響以及層狀土對(duì)入滲特征影響的特點(diǎn)，進(jìn)行了垂直一維積水入滲試驗(yàn)，通過觀測(cè)累積入滲量、濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速度、入滲后土壤剖面含水率曲線及含鹽量曲線變化規(guī)律，分析不同礦化度水分在層狀土的入滲規(guī)律，為研究含鹽水在層狀土壤入滲提供了參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2018年7-9月在河海大學(xué)節(jié)水園區(qū)節(jié)水與農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)區(qū)地處北緯31°86′，東經(jīng)118°60′，屬亞熱帶濕潤(rùn)氣候，年平均氣溫15.9 ℃，最高氣溫43 ℃，最低氣溫-12.1 ℃，冬冷夏熱、四季分明。

1.2 供試土壤基本性質(zhì)

供試土壤取自新疆且末縣農(nóng)二師三十八團(tuán)團(tuán)場(chǎng)墾區(qū)，墾區(qū)位于塔克拉瑪干沙漠南緣，北靠沙漠，南依昆侖山，屬大陸性干旱氣候；年平均降雨量15.0 mm，年平均氣溫11.0 ℃左右。根據(jù)國(guó)際制土壤質(zhì)地分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，供試土壤為沙質(zhì)壤土和壤土，其基本物理性質(zhì)見表1。

表1 供試土壤基本物理性質(zhì)

注：田間持水率以質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計(jì)。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用高1 m，直徑30 cm有機(jī)玻璃桶進(jìn)行土柱試驗(yàn)，供試土壤自然風(fēng)干后過2 mm篩，每層5 cm壓實(shí)裝入桶中，表面刮毛后裝入下一層，填土總深度80 cm，壤土夾層厚10 cm，距土表50 cm。土表鋪置濾紙以利于均勻入滲。利用馬氏瓶供水，控制積水深度2 cm，設(shè)置4種處理：入滲水礦化度分別為0，1，3，5 g/L。入滲過程中記錄濕潤(rùn)鋒運(yùn)移深度和馬氏瓶水位刻度以及對(duì)應(yīng)入滲時(shí)間，由此可知濕潤(rùn)鋒運(yùn)移深度、累積入滲量隨入滲時(shí)間的變化關(guān)系。當(dāng)入滲濕潤(rùn)鋒到達(dá)70 cm深度時(shí)停止供水。入滲結(jié)束后，每隔10 cm取土測(cè)定含水率與含鹽量。

1.4 指標(biāo)測(cè)定方法

土壤含水率采用烘干法測(cè)量。土壤浸提液電導(dǎo)率與土壤含鹽量呈顯著正相關(guān)關(guān)系[13]，因此可以表征土壤中含鹽量。利用水土比為5∶1的浸提法提取土壤浸提液，采用DDS-307電導(dǎo)儀測(cè)定電導(dǎo)率。

2 結(jié)果與分析

2.1 層狀土累積入滲量隨時(shí)間變化特征

為對(duì)比入滲水不同礦化度對(duì)層狀土入滲特征的影響，將各處理入滲水濕潤(rùn)鋒到達(dá)和穿過夾層土壤界面的時(shí)間和累積入滲量列于表2。其中T1為濕潤(rùn)鋒到達(dá)夾層土壤界面的時(shí)間，I1為到達(dá)夾層界面時(shí)的累積入滲量，T2為濕潤(rùn)鋒穿過夾層時(shí)間，I2為穿過夾層的累積入滲量。

表2 濕潤(rùn)鋒到達(dá)夾層界面的時(shí)間和累積入滲量

由表2可知：在0～3 g/L礦化度范圍內(nèi)，礦化度越高濕潤(rùn)鋒到達(dá)和穿過夾層界面需要時(shí)間越短，累積入滲量越大；礦化度達(dá)到5 g/L，濕潤(rùn)鋒到達(dá)和穿過夾層界面需要的時(shí)間增加，累積入滲量減小。入滲水礦化度存在臨界值3 g/L，此時(shí)濕潤(rùn)鋒到達(dá)和穿過夾層界面需要的時(shí)間最短，累積入滲量最大。

為便于描述，將層狀土入滲過程分為2個(gè)階段：第1階段，濕潤(rùn)鋒達(dá)到界面之前，該階段水分運(yùn)動(dòng)為均質(zhì)土層中水分運(yùn)動(dòng)；第2階段，濕潤(rùn)鋒進(jìn)入夾層內(nèi)，水分運(yùn)動(dòng)與均質(zhì)土壤中水分運(yùn)動(dòng)存在較大差異。各處理累積入滲量隨時(shí)間變化曲線見圖1。各處理總體趨勢(shì)一致，第1階段累積入滲量與累積入滲時(shí)間2者呈非線性關(guān)系，第2階段2者符合線性關(guān)系。此結(jié)論與盧修元[8]、范嚴(yán)偉[14]針對(duì)第2類層狀土壤夾層對(duì)入滲的影響研究結(jié)論相符。

圖1 累積入滲量與入滲時(shí)間的關(guān)系

由圖1可知：在相同入滲時(shí)間，礦化度為0～3 g/L時(shí)，累積入滲量隨礦化度提高而增大，礦化度大于3 g/L后，累積入滲量反而減小。在濕潤(rùn)鋒未達(dá)到夾層界面前，各處理累積入滲量均隨時(shí)間呈非線性變化。入滲開始時(shí)，入滲速率快，隨著濕潤(rùn)鋒向下推進(jìn)，入滲速率變緩。當(dāng)濕潤(rùn)鋒穿過夾層界面后，進(jìn)入階段2即穩(wěn)滲階段，各處理累積入滲量隨時(shí)間呈線性變化，并可用線性關(guān)系公式I=a1T+b1描述穩(wěn)滲階段入滲過程。各處理線性關(guān)系見表3。

表3 穩(wěn)滲階段I-T線性關(guān)系

由表3可知：入滲水礦化度為0～3 g/L，隨礦化度增大，參數(shù)a1增大；礦化度為5 g/L時(shí)參數(shù)a1大于1 g/L時(shí)的參數(shù)a1，小于3 g/L時(shí)的參數(shù)a1。即穩(wěn)定入滲階段，入滲水礦化度為3 g/L時(shí)，穩(wěn)滲率最大。

在入滲過程中，濕潤(rùn)鋒到達(dá)同一深度時(shí)，各處理入滲速率變化曲線見圖2。由圖2可知，當(dāng)入滲水礦化度不同時(shí)，在同一深度，入滲速率V(3 g/L)>V(5 g/L)>V(1 g/L)>V(0 g/L)。在0～3 g/L范圍內(nèi)，入滲速率與礦化度呈正相關(guān)關(guān)系，大于3 g/L后入滲速率與礦化度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。表明入滲水礦化度對(duì)入滲速率有明顯改變，在0～3 g/L范圍內(nèi)礦化度的提高有利于促進(jìn)入滲，大于臨界值3 g/L后不利于提高入滲速率。

圖2 入滲速率與入滲深度關(guān)系

2.2 層狀土濕潤(rùn)鋒隨時(shí)間變化規(guī)律

由于夾層界面處水分運(yùn)移受土壤質(zhì)地與土水勢(shì)不連續(xù)的影響，濕潤(rùn)鋒推進(jìn)與時(shí)間關(guān)系在含夾層土壤與在均質(zhì)土壤中變化規(guī)律不同[12]。各處理濕潤(rùn)鋒推進(jìn)深度與入滲時(shí)間關(guān)系見圖3。由圖3可知：各處理入滲過程中，在水分未達(dá)到夾層界面前，濕潤(rùn)鋒推進(jìn)深度與入滲時(shí)間呈非線性關(guān)系，隨著入滲時(shí)間延長(zhǎng)，水分進(jìn)入夾層界面后，濕潤(rùn)鋒推進(jìn)深度與入滲時(shí)間轉(zhuǎn)為線性關(guān)系。在第1階段，上層土體水分不飽和，濕潤(rùn)鋒隨時(shí)間變化的曲線與在均質(zhì)土體中相似[8]，當(dāng)濕潤(rùn)鋒到達(dá)夾層界面時(shí)，由于夾層的阻水作用，使上層土壤含水量增大，直到其能量開始大于分界面能量水平，水分才能繼續(xù)入滲，此時(shí)進(jìn)入穩(wěn)滲階段[15]。用線性關(guān)系H=a2T+b2描述進(jìn)入穩(wěn)滲階段濕潤(rùn)鋒隨時(shí)間變化過程，見表4。

圖3 濕潤(rùn)鋒深度與入滲時(shí)間關(guān)系

入滲水礦化度/(g·L-1)a2b2R200.181023.3160.996810.182626.4760.995630.210224.1770.998950.209524.4510.9994

由表4可知：在穩(wěn)滲階段，礦化度為0～3 g/L時(shí)，斜率a2隨礦化度提高而增大，即入滲速率隨礦化度提高而增大。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因是入滲溶液鹽分濃度增大，增加了土壤含鹽量，擴(kuò)散雙電子層降低了土壤顆粒間的排斥力，使土壤粒子物理穩(wěn)定性下降，有利于粒子絮凝，提高土壤導(dǎo)水率[9]；但隨入滲水礦化度進(jìn)一步提高，進(jìn)入土壤的Na+數(shù)量增加，會(huì)引起土壤顆粒膨脹和分散，使土壤的透水性變差，因而導(dǎo)致入滲速率下降[16]。

2.3 入滲結(jié)束后土壤剖面水分分布特征

為對(duì)比各處理對(duì)夾層土壤水分分布的影響，將入滲結(jié)束后土壤剖面質(zhì)量含水率記錄于圖4。由于在試驗(yàn)過程土壤表層積水的存在，土柱表層土壤質(zhì)量含水率基本達(dá)到飽和含水率。

入滲結(jié)束后，夾層位置處土壤質(zhì)量含水率較其他深度更高，符合盧修元[8]在研究沙土中黏土夾層對(duì)入滲過程影響中，發(fā)現(xiàn)入滲水穿過分界面在夾層內(nèi)入滲，濕潤(rùn)鋒推進(jìn)單位距離需要更多水量的結(jié)果，說明了夾層土壤對(duì)水分入滲具有阻滲作用[7,8]。

入滲水在礦化度為0～3 g/L時(shí)，各深度土層的土壤質(zhì)量含水率隨水分礦化度提高而增大，到達(dá)5 g/L時(shí)，土壤質(zhì)量含水率反而下降。造成這種現(xiàn)象主要原因是隨著入滲水溶液中鹽分濃度的增大，土壤顆粒間排斥力降低，增強(qiáng)了土壤膠體的凝絮作用，因而土壤持水能力有所增加[17]；隨著入滲水礦化度進(jìn)一步增大，鹽分離子引起土壤顆粒分散，使土壤的透水性變差，降低持水能力[18]。

2.4 入滲結(jié)束后土壤剖面鹽分分布特征

由圖5可知：除礦化度為0的入滲水以外，其他3種礦化度入滲水在入滲過程中均會(huì)為土壤帶入額外的鹽分積累。從礦化度為0的水分入滲后鹽分剖面看，上層土體(0～50 cm)含鹽量降低，下層土體(60～75 cm)含鹽量增高，表明上層的土體鹽分被淋洗下行，并在下層土體中積累。3，5 g/L礦化度水分入滲后，上層土體鹽分比0礦化度水分入滲后高，說明隨著入滲水的礦化度提高，入滲水對(duì)上層土體有一定淋洗作用，但提高了土壤的整體含鹽量。

圖5 入滲結(jié)束后土壤剖面含鹽量隨礦化度變化曲線

3 結(jié) 論

以含壤土夾層的沙壤土為研究對(duì)象，分析了4種不同礦化度水分對(duì)夾層土入滲的影響，包括累積入滲量、入滲速率、濕潤(rùn)鋒與入滲時(shí)間的關(guān)系及入滲結(jié)束后土壤剖面質(zhì)量含水率、含鹽量，結(jié)果如下。

(1)沙壤土中壤土夾層對(duì)不同礦化度水分入滲均有阻滲作用，入滲結(jié)束后壤土夾層質(zhì)量含水率大于其他深度土層，因而壤土夾層有利于入滲結(jié)束后土壤水分保持。

(2)水分礦化度為0～3 g/L時(shí)，入滲后土壤質(zhì)量含水率、入滲速率隨礦化度提高而增大；當(dāng)水分礦化度大于3 g/L時(shí)，土壤含水率、入滲速率反而下降。說明礦化度為0～3 g/L時(shí)，入滲溶液礦化度提高有利于增大土壤導(dǎo)水能力和持水能力。

(3)各處理水分入滲結(jié)束后，土體整體含鹽量與入滲水礦化度有正相關(guān)關(guān)系。夾層界面以上土體鹽分脫鹽，夾層及下層土體積鹽。