董立霞，譚軍利,2,3*，李淼，李存云，王西娜

(1. 寧夏大學土木與水利工程學院，寧夏 銀川 750021； 2. 寧夏節(jié)水灌溉與水資源調控工程技術研究中心，寧夏 銀川 750021； 3. 旱區(qū)現代農業(yè)水資源高效利用教育部工程研究中心，寧夏 銀川 750021； 4. 寧夏大學農學院，寧夏 銀川 750021)

壓砂地是在土表覆蓋一層10～15 cm厚的砂礫混合層，其主要功能是減少土壤水分蒸發(fā)、保蓄雨水、抑制鹽分表聚等[1].近年來，為穩(wěn)定壓砂地西瓜產量而采用地下微咸水進行灌溉，但微咸水水質及微咸水離子成分對壓砂地土壤水分入滲以及水鹽分布規(guī)律的影響卻并不清楚.EGGLETON等[2]研究發(fā)現土壤中鹽分累積量與灌溉水的含鹽量有密不可分的聯系，一定濃度的微咸水灌溉可以將表層土壤的鹽分淋洗至作物主根區(qū)以下，降低土壤表層鹽分，調節(jié)土壤鹽分含量，為作物正常生長提供較好的水鹽環(huán)境.壓砂地能夠顯著提高土壤水的入滲能力[3]，改變土壤有機碳氮的含量[4].覆砂下砂礫層具有抑制土壤中毛管水的上升，削弱水分的蒸發(fā)，降低晝夜溫差，保持田間水土的作用.

鈉吸附比 (sodium adsorption ratio, SAR) 表征的是鈉離子和其他陽離子相對含量的指標[5].增加灌溉水鈉吸附比會引起土壤中鈣、鎂離子發(fā)生沉淀，鈉離子相對增加，而鈉離子含量增加會引起土壤中導水率的降低，也會引起土壤中水分運動方式的改變.增加入滲溶液的鈉吸附比會使土壤的團聚體熟化，土壤膨脹，黏粒擴散，水分運動方式接近活塞流，土壤對水和空氣的滲透性減弱，降低土壤飽和導水率[6-7].

水質對土壤水分的入滲有顯著影響，一定濃度的微咸水灌溉可以使表層土壤鹽含量降低，礦化度為3 g/L時可以提高土壤入滲速率，降低土壤鹽分含量[8].在灌溉水入滲過程中，土壤被濕潤的部位與干土層有明顯交界面稱為濕潤鋒.濕潤鋒上土壤含水量高，在重力及干土層毛管作用力下推動濕潤鋒不斷向下運動.容重、土壤初始含水率、飽和導水率等對土壤濕潤鋒的運移都有一定的影響[9-10].土壤孔隙多少及性質對入滲有很大影響.覆砂下灌溉水最初入滲受控于地表粗質砂層，而濕潤鋒進入下層較細質土層后，入滲率減小且只受控于土層.

研究人員在灌溉水質對土壤非飽和水入滲的影響的研究上已做了大量工作[11]，但覆砂下土壤水分入滲實際上是在覆砂層和土壤層2個差異巨大的層次之間的入滲過程.相較于裸土入滲，覆砂土壤入滲其實質是在地表水頭和砂層飽和水頭下進行，這種條件下灌溉水鹽度和鈉吸附比對土壤水分入滲的影響以及水鹽分布并不清楚.由此，文中通過室內土柱模擬試驗，擬探討微咸水的鹽度和鈉吸附比對壓砂地土壤水分入滲及水鹽分布的影響，為壓砂地利用微咸水灌溉提供理論依據.

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗土樣取自銀川市西夏區(qū)平吉堡農場玉米地耕作地，供試土壤為砂壤土，土壤容重為1.45 g/cm3，田間持水量為17.4%.土壤樣品經風干、碾壓、去除雜質后過1 mm篩.試驗所用砂石采自中衛(wèi)市沙坡頭區(qū)興仁鎮(zhèn)壓砂地.砂石取回后采用標準砂石套篩篩分，將不同粒徑的砂石用自來水多次沖洗后并用蒸餾水清洗，最后烘干待用.按照如表1所示砂石級配重新混勻，并測得砂石容重為1.9 g/cm3，表中d為砂石粒級，η為比例.

表1 砂層顆粒級配

地下水電導率值ECw為1.98～3.01 dS/m，鈉吸附比值SAR為10.2～15.8 (mmol/L)0.5，pH為 7.59～8.82.按照當地地下水離子組成，用NaCl，CaCl2和MgSO4按照質量比2∶1∶2配置不同的鹽度灌溉水.同時改變這3種試劑的比例，配置相同鹽度不同鈉吸附比的灌溉水.

1.2 試驗設計

土柱裝置包括有機玻璃柱和馬氏瓶2個部分，土柱直徑18.4 cm，高100 cm，馬氏瓶直徑與有機玻璃柱相同，高40 cm.據實際土壤容重為1.45 g/cm3填裝土，每5 cm為1層，在每1層裝入土樣后壓實并將表面土壤刮毛.最上層10 cm裝入砂石混合物以模擬壓砂條件.所有材料裝完后讓其平衡過夜.試驗過程保持恒定水頭5 cm，觀察并記錄馬氏瓶中的入滲水量和土柱濕潤鋒位置.當濕潤鋒達到土層45 cm深度時停止供水并迅速將上層積水放出.同時以5 cm為間距從土柱取樣孔中采集土壤樣品.一部分土壤樣品用烘干法測定土壤含水率；另一部分土壤樣品風干后磨細過1 mm篩孔，采用電導率儀(雷磁DDS-307)測定水土質量比為5∶1的土壤懸液電導率EC.

表2 試驗設計

1.3 數據處理

采用Excel 2016處理數據，利用Origin 2018進行數據擬合計算.

2 試驗結果與分析

2.1 灌溉水鹽度對土壤水分入滲的影響

由圖1，2可以看出，在水分入滲的前6 min，累積濕潤鋒DA和累積入滲量VA隨時間t增加較快，Y0，Y1，Y2，Y3和Y4的DA平均運移速率分別為3.57，3.18，3.50，3.75和3.85 cm/min，入滲速率較快.各處理的平均入滲速率在2.10～2.38 cm/min. 6 min之后，DA和VA隨時間的增大而變慢，Y0，Y1，Y2，Y3，Y4的DA平均運移速率分別為0.54，0.48，0.58，0.59，0.59 cm/min,相應的入滲速率分別為0.22，0.16，0.21，0.20和0.19 cm/min.入滲前6 min內，除處理Y1(EC=1.0 dS/m)的入滲速率小于蒸餾水的外，其他微咸水處理的入滲速率都有所提高.這說明土壤的入滲速率隨灌溉水鹽度增加而增大.

圖1 灌溉水鹽度對累積濕潤鋒與時間關系的影響

圖2 灌溉水鹽度對累積入滲量與時間關系的影響

入滲初期，灌溉水鹽度對DA的影響不明顯，DA在9.1～11.3 cm.隨著入滲時間的延長，灌溉水鹽度對DA的影響逐漸變大，入滲結束時DA最大值與最小值差值為9.7 cm.不同處理的DA深度從大到小依次為Y4，Y3，Y2，Y0，Y1，說明增加灌溉水中鹽分含量促進了水分在土壤中的運移速度.這是因為灌溉水中的鹽分離子與土壤中的自由離子結合，改變了土壤的化學組成、空間結構或理化性質.

入滲過程中孔隙流為主要入滲方式，影響孔隙流入滲的主要因素為灌溉水的重力，考慮理想狀態(tài)下的自由落體運動公式，時間采用其平方根值.DA與時間的平方根擬合呈顯著的線性關系，其相關系數均大于0.99，置信區(qū)間為95%.表明在壓砂地上微咸水入滲過程中孔隙流是主要的灌溉水入滲方式，重力是影響孔隙流的主要因素，這與樊麗琴等[12]研究結果相似.

入滲結束時，處理Y4的VA最大，為24.3 cm，Y1的最小為22.0 cm，但都小于處理Y0的累積入滲量.這說明灌溉水鹽度阻礙了水分的入滲，但微咸水處理之間VA差異不具有統計學意義.累積入滲量與時間的平方根呈冪函數關系，冪函數隨時間的延長土壤中VA也增大，擬合冪函數方程中其指數代表入滲速率的變化速率，冪指數越小VA也越小.隨著入滲的時間的延長，VA隨時間的變化趨于穩(wěn)定.

2.2 灌溉水鈉吸附比對土壤水分入滲的影響

灌溉水鈉吸附比對土壤入滲累積濕潤鋒與時間關系的影響如圖3所示.入滲前6 min，鹽度一定條件下隨著灌溉水鈉吸附比的增大，濕潤鋒運移速率減小，平均濕潤鋒運移速率從大到小依次為X0，X1，X2，X3，處理X3的較X0減小了22%.6 min之后，平均濕潤鋒運移速率隨鈉吸附比增加呈現先增大后減小的趨勢，處理X1最大，為0.52 cm/min.在入滲初期內，土壤中鈉離子的濃度增加，致使土壤顆粒的分散、黏土顆粒的膨脹和土壤團聚體的破壞.鈉吸附比越高，土壤結構的團粒結構破壞越嚴重，土壤的滲透性越低.入滲過程中，灌溉水鈉吸附比對DA的影響與初期類似.不同鈉吸附比下DA和時間的平方根呈線性關系.入滲結束時處理X1的DA最大，擬合方程的截距也最大，X3的DA最小，同時其擬合方程截距最小.

圖3 灌溉水鈉吸附比對土壤入滲累積濕潤鋒與時間關系的影響

灌溉水鈉吸附比對土壤累積入滲量與時間關系的影響如圖4所示.在灌溉水鹽度一定的條件下，VA與灌溉水鈉吸附比呈負相關關系，處理X3的VA較X1的減小了18.4%.這是因為鈉離子本身帶電量相對較小，其水化能力也較小，土壤中鈉離子能夠使土壤顆粒離散，所以灌溉水中鈉離子增大，土壤顆粒產生結塊現象，造成土壤孔隙阻塞，土壤中的宏觀孔隙減少，使土體的物理特性發(fā)生改變，從而影響土壤水分的入滲.入滲結束時，處理X0與X1的VA最大，為24.3 cm.灌溉水鈉吸附比影響下的VA和時間的平方根關系呈極顯著的冪函數關系.冪指數反映入滲速率的變化速率的快慢，處理X1下冪指數最大，為0.68；而處理X3的冪指數最小，為0.45.這表明隨著灌溉水的鈉吸附比增加，冪指數呈下降趨勢，入滲速率呈下降趨勢.

圖4 灌溉水鈉吸附比對土壤累積入滲量與時間關系的影響

2.3 灌溉水鹽度對土壤水分和鹽分分布的影響

圖5 灌溉水鹽度對土壤含水率分布的影響

圖6 灌溉水鹽度對土壤平均含水率分布的影響

圖7 灌溉水鹽度對土壤電導率分布的影響

圖8 灌溉水鹽度對土壤平均電導率分布的影響

2.4 灌溉水鈉吸附比對土壤水分和鹽分分布的影響

圖9為灌溉水鈉吸附比對土壤含水率分布的影響.由圖可以看出，0～45 cm的土層土壤含水率平均值隨鈉吸附比的增加，土壤平均含水率先增大后減小，處理X2(SAR=12.7(mmol/L)0.5)時土壤含水率最大，達24.10%.這是由于灌溉水帶入較多鈉離子，鈉離子與土壤中鈣、鎂離子發(fā)生置換，被土壤表層固體顆粒吸附，使得土壤分散，造成土壤膨脹，土壤孔隙阻塞，土壤入滲率降低.這與吳忠東等[7]在裸地上的研究結果類似.他們發(fā)現增加灌溉水SAR引起土壤導水能力變差.

圖9 灌溉水鈉吸附比對土壤含水率分布的影響

圖10 灌溉水鈉吸附比對土壤電導率分布的影響

FEIGIN等[12]研究發(fā)現土壤鈉離子含量和土壤電導率是灌溉水鹽分對土壤影響的主要形式.在鹽度一定的條件下，不同灌溉水鈉吸附比處理的0～30 cm土層電導率差異不大，最大電導率和最小電導率分別是在X2(SAR=12.7(mmol/L)0.5)和 X1(SAR=7.0(mmol/L)0.5)下取得，其平均值分別為0.29 dS/m和0.21 dS/m.30～45 cm土壤電導率呈明顯的上升趨勢，其中處理X0較30 cm的增大了40.7%.

從圖11可以看出，0～10 cm和20～30 cm土層土壤pH值隨灌溉水鈉吸附比增加而升高，X3的 0～30 cm平均pH值較X0的升高了3.0%； 30 cm以下土層pH值不同處理之間差異不具有統計學意義.總之，增加灌溉水鈉吸附比導致土壤pH值升高.

圖11 灌溉水鈉吸附對土壤pH的影響

3 結 論

1) 在試驗范圍內，累積濕潤鋒深度隨灌溉水鹽度增加而增加，但降低了累積入滲量；當灌溉水鹽度增加到一定程度(如EC=7.5 dS/m)，顯著降低了剖面土壤含水率，濕潤層平均含水率較去離子水降低了40%，而鈉吸附比對土壤含水率影響不大.

2) 無論是灌溉水鹽度還是鈉吸附比條件下累積濕潤鋒與時間的平方根均呈線性關系，累積入滲量與時間的平方根呈冪函數關系.

3) 土壤鹽度與灌溉水鹽度呈冪函數正相關關系，增加灌溉水鈉吸附比對土壤鹽度影響較小，但提高了土壤pH值.