張瑞慶,何振嘉,孫增慧*

(1.陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司,陜西 西安 710075; 2.陜西地建土地工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司,陜西 西安 710021; 3.陜西地建關(guān)天投資建設(shè)有限公司,陜西 寶雞 721001)

土壤水分入滲直接決定降雨和灌溉水有效利用程度,嚴(yán)重影響地表徑流和土壤侵蝕程度,是研究農(nóng)田水文過程的重要環(huán)節(jié).土壤水分入滲受土壤內(nèi)在特性影響的同時(shí),還受降雨特性、灌溉水水質(zhì)等外在因素影響.大量研究結(jié)果表明,影響水分入滲的土壤物理特性主要有土壤質(zhì)地、容重、水穩(wěn)性團(tuán)粒含量等,這些特性均與土壤孔隙直接相關(guān).土壤孔隙是水分入滲過程中的主要通道,土壤較大尺度孔隙量及分布狀況直接影響土壤水分的運(yùn)移狀態(tài)[1].具體而言,同一質(zhì)地的土壤容重越小,孔隙度就越大,儲水空間則越多,水分入滲率會隨土壤容重減小而增大;土壤質(zhì)地越粗,粒徑越大,土壤入滲性能越強(qiáng),反之則弱[2].近年來,灌溉過程中水質(zhì)對土壤水分入滲過程的影響逐步受到廣泛關(guān)注.已有研究結(jié)果表明,水中溶質(zhì)的類型及含量均會對水的表面張力、密度以及黏滯系數(shù)等產(chǎn)生一定影響,水分在土壤中的運(yùn)動(dòng)也會由此發(fā)生變化[3-4].土壤的水力傳導(dǎo)度與土壤溶液中可交換陽離子的組成、含量及可溶性電解質(zhì)濃度有關(guān),水力傳導(dǎo)度隨著鈉吸附比增加而減小[5].灌溉水中鈉離子的增加可導(dǎo)致土壤顆粒收縮以及膠體顆粒的分散和膨脹,進(jìn)而影響土壤的滲透性[6-7].

晉陜蒙能源區(qū)(110°22′～112°19′E,36°43′～38°43′N)有著豐富的煤炭資源,總面積約為5.44×104km2,是中國特大型煤炭化工基地,也是中國生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)[8].該區(qū)土壤類型主要為風(fēng)沙土和黃綿土,風(fēng)沙土結(jié)構(gòu)松散,結(jié)構(gòu)性和保水保肥性差,極易發(fā)生水土流失[9].此外,晉陜蒙能源區(qū)有1/3的面積分布著砒砂巖,砒砂巖成巖程度低,砂粒間膠結(jié)作用弱,結(jié)構(gòu)性差,無水時(shí)堅(jiān)硬如石,遇水后松軟如泥.由于砒砂巖中蒙脫石親水性和吸附性較強(qiáng),而風(fēng)沙土漏水漏肥,兩者性質(zhì)上有一定的互補(bǔ).隨砒砂巖添加比例的增加,砒砂巖與沙復(fù)配后的人工復(fù)配土壤質(zhì)地可由砂土向壤砂土、砂壤以及粉壤土轉(zhuǎn)變[10].為恢復(fù)該區(qū)域土地生產(chǎn)力,近年來一些學(xué)者將砒砂巖與風(fēng)沙土按照一定比例進(jìn)行復(fù)配成為人工復(fù)配土壤,并取得了良好的沙地整治效果[11].土壤水分入滲與土壤質(zhì)地和水質(zhì)息息相關(guān),水質(zhì)對復(fù)配土水分入滲研究對指導(dǎo)農(nóng)業(yè)灌溉有著重要的意義.

文中以砒砂巖與沙土7種復(fù)配比例后的人造土壤為研究對象,利用地下水和天然積水進(jìn)行室內(nèi)模擬土柱試驗(yàn),研究水質(zhì)對人工復(fù)配土壤入滲過程的影響,明晰水質(zhì)在不同土壤質(zhì)地中的入滲情況,為深入分析人工復(fù)配土壤入滲過程以及土壤水分運(yùn)動(dòng)模型構(gòu)建提供理論依據(jù),同時(shí)為不同水質(zhì)條件下的田間灌溉提供參考.

1 材料與方法

1.1 供試土壤

研究中選擇陜北榆林市榆陽區(qū)小紀(jì)汗鄉(xiāng)(109°37′50.69″E,38°22′49.01″N)的砒砂巖和風(fēng)沙土作為復(fù)配土材料,其粒徑分布見表1,φ1為顆粒組成.

表1 砒砂巖與風(fēng)沙土的機(jī)械組成

將所采集的砒砂巖和風(fēng)沙土自然風(fēng)干,土壤含水量(質(zhì)量含水量,下同)統(tǒng)一控制在2.5%左右,避免土壤初期含水量對試驗(yàn)結(jié)果的影響,研磨過孔徑2 mm篩;然后,將砒砂巖(F)與風(fēng)沙土(S)按照7種不同體積比[V(F)∶V(S)]為0∶1,1∶5,1∶2,1∶1,2∶1,5∶1,1∶0充分混合后備用.利用MS-200型馬爾文激光粒度儀測定不同質(zhì)量配比下土壤的顆粒組成見表2,τ為復(fù)配比例,φ2為粒徑比例.隨砒砂巖添加比例的增加,砒砂巖與沙復(fù)配后的人工復(fù)配土壤質(zhì)地由砂土及壤砂土向砂壤土、粉砂壤土轉(zhuǎn)變.

表2 復(fù)配土壤的機(jī)械組成

1.2 入滲試驗(yàn)用水的基本性質(zhì)

分別用地下水和天然積水進(jìn)行土壤入滲試驗(yàn),以揭示水質(zhì)對不同砒砂巖與沙配比的人工復(fù)配土壤入滲過程的影響.地下水為西安地區(qū)居民飲用地下水,天然積水取自于陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司富平中試基地放置半年以上的人工湖水.鈉吸附比SAR、電導(dǎo)率EC是評估灌溉水質(zhì)的重要指標(biāo),因此試驗(yàn)中著重關(guān)注這2項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo).試驗(yàn)用水的基本性質(zhì)見表3.

表3 不同水質(zhì)的基本性質(zhì)

1.3 人工復(fù)配土壤入滲過程

在室內(nèi)將不同質(zhì)量配比的土壤進(jìn)行一維垂直入滲試驗(yàn).人工復(fù)配土壤薄層積水入滲試驗(yàn)中,所用有機(jī)玻璃柱直徑為5 cm、高為35 cm.7種復(fù)配土柱土壤為均質(zhì)土柱,高度均為30 cm.土柱土壤容重為1.4 g/cm3,每層高5 cm裝入土柱;為減少對土壤入滲過程的影響,土柱每層間進(jìn)行夯實(shí)并層間打毛.將裝好的土柱靜置24 h,使土柱土壤含水量達(dá)到均勻.此外,土柱表層墊置濾紙,以利于均勻入滲.在每個(gè)處理土柱底層放置玻璃球,供水容器為馬氏瓶,并保持土柱在恒定水頭3 cm條件下進(jìn)行水分入滲.試驗(yàn)開始后,需要記錄馬氏瓶不同時(shí)刻的水面讀數(shù),然后進(jìn)行濕潤鋒運(yùn)移曲線繪制.入滲時(shí)間從入滲開始記錄,至濕潤鋒到達(dá)30 cm深度時(shí)停止.試驗(yàn)中忽略蒸發(fā)對土壤水分入滲過程的影響.

試驗(yàn)中,入滲水量以馬氏瓶上的讀數(shù)為準(zhǔn),同時(shí)監(jiān)測濕潤鋒推進(jìn)位置和對應(yīng)入滲時(shí)間.當(dāng)讀取第1個(gè)濕潤鋒推進(jìn)距離時(shí),選擇試驗(yàn)柱圓筒壁四周可見濕潤區(qū)首次出現(xiàn)最遠(yuǎn)位置的桶壁為濕潤鋒觀測面,此時(shí)對應(yīng)的距離為該濕潤鋒的推進(jìn)距離.后續(xù)觀測的濕潤鋒推進(jìn)距離,都是在濕潤鋒管側(cè)面向下量取到可見濕潤區(qū)的最遠(yuǎn)位置.

試驗(yàn)過程中,定時(shí)記錄馬氏瓶壁的水分入滲刻度,前20 min每隔1 min記錄1次,20 min后每隔5 min記錄馬氏瓶刻度,直到試驗(yàn)結(jié)束,用于計(jì)算水分入滲率和累積入滲量.

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SigmaPlot 10.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和作圖,SPSS 22.0軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析和回歸分析,采用最小顯著極差法(LSD法)進(jìn)行多重比較,顯著性水平P<0.05,極顯著水平P<0.01.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 水質(zhì)對人工復(fù)配土壤入滲時(shí)間的影響

圖1為不同水質(zhì)下人工復(fù)配土壤的入滲時(shí)間t,在人工復(fù)配土壤質(zhì)地為粉壤土、砂壤土和壤砂土?xí)r(砒砂巖與沙復(fù)配比例τ為1∶0,5∶1,2∶1,1∶1,1∶2),天然積水的入滲時(shí)間顯著高于(P<0.05)地下水的入滲時(shí)間.

注:同一復(fù)配比例下的不同字母表示處理間差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)

其中復(fù)配比例1∶0處理下,天然積水和地下水的入滲時(shí)間差異最大.在人工復(fù)配土壤質(zhì)地為壤砂土和砂土?xí)r(砒砂巖與沙復(fù)配比例為1∶5,0∶1),天然積水和地下水的入滲時(shí)間差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05).由此表明,人工復(fù)配土壤水分入滲時(shí)間受水質(zhì)影響的同時(shí)還受土壤質(zhì)地的影響.在天然積水入滲下,不同砒砂巖與風(fēng)沙土復(fù)配比例下的入滲時(shí)間,按復(fù)配比例排序由大到小為1∶0,5∶1,2∶1,1∶1,1∶2,1∶5,0∶1;地下水條件下,不同砒砂巖與風(fēng)沙土復(fù)配比例下的入滲時(shí)間變化規(guī)律與天然積水入滲略有不同,入滲時(shí)間按復(fù)配比例排序由大到小為1∶0,5∶1,2∶1≈1∶1,1∶2,1∶5,0∶1.

2.2 水質(zhì)對人工復(fù)配土壤入滲率的影響

圖2為不同水質(zhì)作用下人工復(fù)配土壤入滲率i隨時(shí)間變化曲線,可以看出,不同水質(zhì)在不同砒砂巖與沙復(fù)配比例下的入滲變化趨勢基本一致,均表現(xiàn)為隨時(shí)間呈冪函數(shù)下降趨勢.擬合曲線從開始入滲后在很短時(shí)間內(nèi)由陡峭變?yōu)槠骄?逐漸趨于不變.在相同比例的人工復(fù)配土壤中,天然積水的入滲率顯著低于地下水處理.天然積水與地下水的入滲率隨人工復(fù)配土壤中砒砂巖含量降低而增大;同一時(shí)間下,砒砂巖與沙比例為1∶0處理中的入滲率最低,0∶1處理中的入滲率最大.

注:左邊為地下水,右邊為天然積水

表4為不同水質(zhì)人工復(fù)配土壤穩(wěn)定入滲率.

表4 不同水質(zhì)人工復(fù)配土壤穩(wěn)定入滲率

分析可知,同一水質(zhì)下,不同復(fù)配比例下的入滲率隨著砒砂巖含量增加呈先增高后降低再增加的趨勢;對于砒砂巖,風(fēng)沙土復(fù)配比例為1∶1時(shí),入滲率較比例2∶1和1∶2下的入滲率降低.隨著入滲時(shí)間的增加,不同配比的人工復(fù)配土壤入滲率逐漸趨于穩(wěn)定,但τ為1∶0處理中的穩(wěn)定入滲率最小,天然積水和地下水下穩(wěn)定入滲率分別為0.05和0.10 mm/min;τ為0∶1時(shí)穩(wěn)定入滲率最大,入滲率分別為1.60和1.80 mm/min.

2.3 水質(zhì)對人工復(fù)配土壤累積入滲量的影響

圖3為不同水質(zhì)作用下人工復(fù)配土壤累積入滲量θ隨時(shí)間變化曲線.

圖3 不同水質(zhì)作用下人工復(fù)配土壤累積入滲量隨時(shí)間變化曲線

表5為不同水質(zhì)人工復(fù)配土壤累積入滲量與時(shí)間擬合經(jīng)驗(yàn)方程,決定系數(shù)R2均在0.903以上,且地下水的人工復(fù)配土壤累積入滲量的擬合度均高于天然積水的擬合度.

表5 不同水質(zhì)下人工復(fù)配土壤累積入滲量與時(shí)間的經(jīng)驗(yàn)擬合方程

分析可知,在入滲初期,地下水不同的人工復(fù)配土壤中均具有較高的入滲率,即入滲初期的累積入滲量曲線斜率較大,隨著入滲時(shí)間的延長,不同人工復(fù)配土壤累積入滲量不斷增加.對于同一質(zhì)地的人工復(fù)配土壤,相同入滲時(shí)間的地下水累積入滲量均大于天然積水(見圖3、表5).

同一水質(zhì)條件下在相同入滲時(shí)間內(nèi),不同砒砂巖與風(fēng)沙土復(fù)配比例下累積入滲量由大到小按復(fù)配比例排序?yàn)?∶1,1∶5,1∶2,1∶1,2∶1,5∶1,1∶0.

2.4 水質(zhì)對人工復(fù)配土壤濕潤鋒運(yùn)移的影響

圖4為不同水質(zhì)作用下復(fù)配土壤濕潤鋒運(yùn)移距離L的情況.分析可知,不同水質(zhì)垂直向下運(yùn)移距離均隨入滲時(shí)間延長而增大,且入滲初期濕潤鋒移動(dòng)速度較快,而后運(yùn)移速率逐漸減慢.

圖4 不同水質(zhì)作用下復(fù)配土壤濕潤鋒運(yùn)移的情況

不同水質(zhì)在不同配比的人工復(fù)配土壤中濕潤鋒運(yùn)移規(guī)律相似,均表現(xiàn)為地下水作用下濕潤鋒運(yùn)移快,天然積水慢.當(dāng)入滲時(shí)間為9 min時(shí),地下水在復(fù)配比例為1∶0,5∶1,2∶1,1∶1,1∶2,1∶5,0∶1的復(fù)配土壤中的濕潤鋒運(yùn)移距離分別為5.0,6.0,10.6,10.1,19.4,26.0和30.3 cm;天然積水濕潤鋒的運(yùn)移距離分別為2.2,2.5,5.0,6.4,8.3,17.0和28.3 cm,隨著砒砂巖含量的降低,地下水與天然積水濕潤鋒推進(jìn)率差異減小,因此,水質(zhì)對不同土壤濕潤鋒推進(jìn)距離的影響在一定程度上也由土壤質(zhì)地狀況決定.

3 討 論

3.1 水質(zhì)對人工復(fù)配土壤水分入滲的影響

不同水質(zhì)下,同一復(fù)配比人工復(fù)配土天然積水的入滲率顯著低于地下水(如圖2所示).這是因?yàn)樘烊环e水電導(dǎo)率較高、鈉離子含量較多,其入滲后溶液中的鈉離子使土壤原有的團(tuán)聚體分散,黏粒的絮凝狀態(tài)因而改變,其分散程度增大,造成土壤孔隙阻塞,土壤孔隙度減少,導(dǎo)致土壤入滲率降低,入滲時(shí)間延長[12].另外,天然積水中的高鈉吸附比,天然積水入滲后增加了土壤中的鈉離子,鈉離子會引起土壤顆粒的膨脹和分散,從而改變土壤物理特性[13].土壤的透水性和透氣性變差,故土壤的導(dǎo)水和持水能力因鈉離子增加而隨之降低.因此,入滲水質(zhì)電導(dǎo)率和進(jìn)入土壤溶液中鈉離子數(shù)量是影響土壤的導(dǎo)水和持水能力的重要因素.

3.2 人工復(fù)配土質(zhì)地對土壤水分入滲的影響

同一水質(zhì)下,砒砂巖含量越多,入滲率越慢[14],主要是因?yàn)閺?fù)配土中隨砒砂巖含量增加,土壤質(zhì)地由砂土到粉壤土轉(zhuǎn)變,土壤容重、非毛管孔隙度減少,總孔隙度與毛管孔隙度均增加,土壤黏粒含量增多使土壤中的細(xì)小孔隙增加,對水分的吸力加強(qiáng),持水量增大,導(dǎo)致土壤水分的入滲率減小,累積入滲量減小,濕潤鋒運(yùn)移時(shí)間長.這與吳忠東等[15]的研究結(jié)果一致,不同復(fù)配土入滲率不同進(jìn)而導(dǎo)致了濕潤鋒推進(jìn)距離的差異.研究中,在同一種水質(zhì)入滲下,砒砂巖混合比例高與低之間的時(shí)間差值較大,全砒砂巖濕潤鋒的運(yùn)移時(shí)間達(dá)到了全風(fēng)沙土的26.8倍,表明在風(fēng)沙土中添加砒砂巖可有效解決風(fēng)沙土滲漏過快的問題,在風(fēng)沙土中加入砒砂巖可增加水分的留持時(shí)間,提高風(fēng)沙土的持水性,這與甄慶等[16]研究結(jié)果一致.陳娟等[17]在研究荒漠草原不同土壤類型水分入滲特征時(shí)也發(fā)現(xiàn),風(fēng)沙土結(jié)構(gòu)松散,滲透性好,在單位時(shí)間內(nèi)的累積入滲量最大;黏重、結(jié)構(gòu)緊實(shí),硬度較大的基巖風(fēng)化殘積土水分不易下滲,累積入滲量較小.馬文梅等[18]研究表明風(fēng)沙土累積入滲量最大,黃土次之,砒砂巖最小,這與文中研究結(jié)果一致.

4 結(jié) 論

1) 與質(zhì)地較粗的沙土相比,復(fù)配土壤中砒砂巖含量較高的土壤入滲過程受水質(zhì)影響更加明顯;相同土質(zhì)中,天然積水的入滲時(shí)間要長于地下水.但在砒砂巖與沙比例為0∶1的處理中,天然積水與地下水之間的差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.水質(zhì)影響土壤入滲過程同時(shí)還受到土壤質(zhì)地的綜合影響.

2) 水質(zhì)對土壤累積入滲量的作用程度因土壤質(zhì)地狀況不同而異.同一種質(zhì)地土壤,相同時(shí)間內(nèi)地下水的累積入滲量要高于天然積水.同一水質(zhì)下,相同時(shí)間內(nèi)累積入滲量在砒砂巖與沙比例為0∶1的處理中最大,研究結(jié)果可為人工復(fù)配土壤田間灌溉水質(zhì)選擇提供參考.

3) 濕潤鋒推進(jìn)過程受水質(zhì)影響,同時(shí)也受土壤質(zhì)地的影響.在濕潤鋒推進(jìn)距離從0～30 cm時(shí),在所有復(fù)配比例中,地下水濕潤鋒運(yùn)移均快于天然積水,且隨著砒砂巖比例增加,不同水質(zhì)間的濕潤鋒運(yùn)移差異增大.