张瑞庆,何振嘉,孙增慧*

(1.陕西省土地工程建设集团有限责任公司,陕西 西安 710075; 2.陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司,陕西 西安 710021; 3.陕西地建关天投资建设有限公司,陕西 宝鸡 721001)

土壤水分入渗直接决定降雨和灌溉水有效利用程度,严重影响地表径流和土壤侵蚀程度,是研究农田水文过程的重要环节.土壤水分入渗受土壤内在特性影响的同时,还受降雨特性、灌溉水水质等外在因素影响.大量研究结果表明,影响水分入渗的土壤物理特性主要有土壤质地、容重、水稳性团粒含量等,这些特性均与土壤孔隙直接相关.土壤孔隙是水分入渗过程中的主要通道,土壤较大尺度孔隙量及分布状况直接影响土壤水分的运移状态[1].具体而言,同一质地的土壤容重越小,孔隙度就越大,储水空间则越多,水分入渗率会随土壤容重减小而增大;土壤质地越粗,粒径越大,土壤入渗性能越强,反之则弱[2].近年来,灌溉过程中水质对土壤水分入渗过程的影响逐步受到广泛关注.已有研究结果表明,水中溶质的类型及含量均会对水的表面张力、密度以及黏滞系数等产生一定影响,水分在土壤中的运动也会由此发生变化[3-4].土壤的水力传导度与土壤溶液中可交换阳离子的组成、含量及可溶性电解质浓度有关,水力传导度随着钠吸附比增加而减小[5].灌溉水中钠离子的增加可导致土壤颗粒收缩以及胶体颗粒的分散和膨胀,进而影响土壤的渗透性[6-7].

晋陕蒙能源区(110°22′～112°19′E,36°43′～38°43′N)有着丰富的煤炭资源,总面积约为5.44×104km2,是中国特大型煤炭化工基地,也是中国生态环境脆弱区[8].该区土壤类型主要为风沙土和黄绵土,风沙土结构松散,结构性和保水保肥性差,极易发生水土流失[9].此外,晋陕蒙能源区有1/3的面积分布着砒砂岩,砒砂岩成岩程度低,砂粒间胶结作用弱,结构性差,无水时坚硬如石,遇水后松软如泥.由于砒砂岩中蒙脱石亲水性和吸附性较强,而风沙土漏水漏肥,两者性质上有一定的互补.随砒砂岩添加比例的增加,砒砂岩与沙复配后的人工复配土壤质地可由砂土向壤砂土、砂壤以及粉壤土转变[10].为恢复该区域土地生产力,近年来一些学者将砒砂岩与风沙土按照一定比例进行复配成为人工复配土壤,并取得了良好的沙地整治效果[11].土壤水分入渗与土壤质地和水质息息相关,水质对复配土水分入渗研究对指导农业灌溉有着重要的意义.

文中以砒砂岩与沙土7种复配比例后的人造土壤为研究对象,利用地下水和天然积水进行室内模拟土柱试验,研究水质对人工复配土壤入渗过程的影响,明晰水质在不同土壤质地中的入渗情况,为深入分析人工复配土壤入渗过程以及土壤水分运动模型构建提供理论依据,同时为不同水质条件下的田间灌溉提供参考.

1 材料与方法

1.1 供试土壤

研究中选择陕北榆林市榆阳区小纪汗乡(109°37′50.69″E,38°22′49.01″N)的砒砂岩和风沙土作为复配土材料,其粒径分布见表1,φ1为颗粒组成.

表1 砒砂岩与风沙土的机械组成

将所采集的砒砂岩和风沙土自然风干,土壤含水量(质量含水量,下同)统一控制在2.5%左右,避免土壤初期含水量对试验结果的影响,研磨过孔径2 mm筛;然后,将砒砂岩(F)与风沙土(S)按照7种不同体积比[V(F)∶V(S)]为0∶1,1∶5,1∶2,1∶1,2∶1,5∶1,1∶0充分混合后备用.利用MS-200型马尔文激光粒度仪测定不同质量配比下土壤的颗粒组成见表2,τ为复配比例,φ2为粒径比例.随砒砂岩添加比例的增加,砒砂岩与沙复配后的人工复配土壤质地由砂土及壤砂土向砂壤土、粉砂壤土转变.

表2 复配土壤的机械组成

1.2 入渗试验用水的基本性质

分别用地下水和天然积水进行土壤入渗试验,以揭示水质对不同砒砂岩与沙配比的人工复配土壤入渗过程的影响.地下水为西安地区居民饮用地下水,天然积水取自于陕西省土地工程建设集团有限责任公司富平中试基地放置半年以上的人工湖水.钠吸附比SAR、电导率EC是评估灌溉水质的重要指标,因此试验中着重关注这2项水质指标.试验用水的基本性质见表3.

表3 不同水质的基本性质

1.3 人工复配土壤入渗过程

在室内将不同质量配比的土壤进行一维垂直入渗试验.人工复配土壤薄层积水入渗试验中,所用有机玻璃柱直径为5 cm、高为35 cm.7种复配土柱土壤为均质土柱,高度均为30 cm.土柱土壤容重为1.4 g/cm3,每层高5 cm装入土柱;为减少对土壤入渗过程的影响,土柱每层间进行夯实并层间打毛.将装好的土柱静置24 h,使土柱土壤含水量达到均匀.此外,土柱表层垫置滤纸,以利于均匀入渗.在每个处理土柱底层放置玻璃球,供水容器为马氏瓶,并保持土柱在恒定水头3 cm条件下进行水分入渗.试验开始后,需要记录马氏瓶不同时刻的水面读数,然后进行湿润锋运移曲线绘制.入渗时间从入渗开始记录,至湿润锋到达30 cm深度时停止.试验中忽略蒸发对土壤水分入渗过程的影响.

试验中,入渗水量以马氏瓶上的读数为准,同时监测湿润锋推进位置和对应入渗时间.当读取第1个湿润锋推进距离时,选择试验柱圆筒壁四周可见湿润区首次出现最远位置的桶壁为湿润锋观测面,此时对应的距离为该湿润锋的推进距离.后续观测的湿润锋推进距离,都是在湿润锋管侧面向下量取到可见湿润区的最远位置.

试验过程中,定时记录马氏瓶壁的水分入渗刻度,前20 min每隔1 min记录1次,20 min后每隔5 min记录马氏瓶刻度,直到试验结束,用于计算水分入渗率和累积入渗量.

1.4 数据处理

采用SigmaPlot 10.0软件进行数据整理和作图,SPSS 22.0软件对试验数据进行单因素方差分析和回归分析,采用最小显著极差法(LSD法)进行多重比较,显著性水平P<0.05,极显著水平P<0.01.

2 试验结果与分析

2.1 水质对人工复配土壤入渗时间的影响

图1为不同水质下人工复配土壤的入渗时间t,在人工复配土壤质地为粉壤土、砂壤土和壤砂土时(砒砂岩与沙复配比例τ为1∶0,5∶1,2∶1,1∶1,1∶2),天然积水的入渗时间显著高于(P<0.05)地下水的入渗时间.

注:同一复配比例下的不同字母表示处理间差异具有统计学意义(P<0.05)

其中复配比例1∶0处理下,天然积水和地下水的入渗时间差异最大.在人工复配土壤质地为壤砂土和砂土时(砒砂岩与沙复配比例为1∶5,0∶1),天然积水和地下水的入渗时间差异不具有统计学意义(P>0.05).由此表明,人工复配土壤水分入渗时间受水质影响的同时还受土壤质地的影响.在天然积水入渗下,不同砒砂岩与风沙土复配比例下的入渗时间,按复配比例排序由大到小为1∶0,5∶1,2∶1,1∶1,1∶2,1∶5,0∶1;地下水条件下,不同砒砂岩与风沙土复配比例下的入渗时间变化规律与天然积水入渗略有不同,入渗时间按复配比例排序由大到小为1∶0,5∶1,2∶1≈1∶1,1∶2,1∶5,0∶1.

2.2 水质对人工复配土壤入渗率的影响

图2为不同水质作用下人工复配土壤入渗率i随时间变化曲线,可以看出,不同水质在不同砒砂岩与沙复配比例下的入渗变化趋势基本一致,均表现为随时间呈幂函数下降趋势.拟合曲线从开始入渗后在很短时间内由陡峭变为平缓,逐渐趋于不变.在相同比例的人工复配土壤中,天然积水的入渗率显著低于地下水处理.天然积水与地下水的入渗率随人工复配土壤中砒砂岩含量降低而增大;同一时间下,砒砂岩与沙比例为1∶0处理中的入渗率最低,0∶1处理中的入渗率最大.

注:左边为地下水,右边为天然积水

表4为不同水质人工复配土壤稳定入渗率.

表4 不同水质人工复配土壤稳定入渗率

分析可知,同一水质下,不同复配比例下的入渗率随着砒砂岩含量增加呈先增高后降低再增加的趋势;对于砒砂岩,风沙土复配比例为1∶1时,入渗率较比例2∶1和1∶2下的入渗率降低.随着入渗时间的增加,不同配比的人工复配土壤入渗率逐渐趋于稳定,但τ为1∶0处理中的稳定入渗率最小,天然积水和地下水下稳定入渗率分别为0.05和0.10 mm/min;τ为0∶1时稳定入渗率最大,入渗率分别为1.60和1.80 mm/min.

2.3 水质对人工复配土壤累积入渗量的影响

图3为不同水质作用下人工复配土壤累积入渗量θ随时间变化曲线.

图3 不同水质作用下人工复配土壤累积入渗量随时间变化曲线

表5为不同水质人工复配土壤累积入渗量与时间拟合经验方程,决定系数R2均在0.903以上,且地下水的人工复配土壤累积入渗量的拟合度均高于天然积水的拟合度.

表5 不同水质下人工复配土壤累积入渗量与时间的经验拟合方程

分析可知,在入渗初期,地下水不同的人工复配土壤中均具有较高的入渗率,即入渗初期的累积入渗量曲线斜率较大,随着入渗时间的延长,不同人工复配土壤累积入渗量不断增加.对于同一质地的人工复配土壤,相同入渗时间的地下水累积入渗量均大于天然积水(见图3、表5).

同一水质条件下在相同入渗时间内,不同砒砂岩与风沙土复配比例下累积入渗量由大到小按复配比例排序为0∶1,1∶5,1∶2,1∶1,2∶1,5∶1,1∶0.

2.4 水质对人工复配土壤湿润锋运移的影响

图4为不同水质作用下复配土壤湿润锋运移距离L的情况.分析可知,不同水质垂直向下运移距离均随入渗时间延长而增大,且入渗初期湿润锋移动速度较快,而后运移速率逐渐减慢.

图4 不同水质作用下复配土壤湿润锋运移的情况

不同水质在不同配比的人工复配土壤中湿润锋运移规律相似,均表现为地下水作用下湿润锋运移快,天然积水慢.当入渗时间为9 min时,地下水在复配比例为1∶0,5∶1,2∶1,1∶1,1∶2,1∶5,0∶1的复配土壤中的湿润锋运移距离分别为5.0,6.0,10.6,10.1,19.4,26.0和30.3 cm;天然积水湿润锋的运移距离分别为2.2,2.5,5.0,6.4,8.3,17.0和28.3 cm,随着砒砂岩含量的降低,地下水与天然积水湿润锋推进率差异减小,因此,水质对不同土壤湿润锋推进距离的影响在一定程度上也由土壤质地状况决定.

3 讨 论

3.1 水质对人工复配土壤水分入渗的影响

不同水质下,同一复配比人工复配土天然积水的入渗率显著低于地下水(如图2所示).这是因为天然积水电导率较高、钠离子含量较多,其入渗后溶液中的钠离子使土壤原有的团聚体分散,黏粒的絮凝状态因而改变,其分散程度增大,造成土壤孔隙阻塞,土壤孔隙度减少,导致土壤入渗率降低,入渗时间延长[12].另外,天然积水中的高钠吸附比,天然积水入渗后增加了土壤中的钠离子,钠离子会引起土壤颗粒的膨胀和分散,从而改变土壤物理特性[13].土壤的透水性和透气性变差,故土壤的导水和持水能力因钠离子增加而随之降低.因此,入渗水质电导率和进入土壤溶液中钠离子数量是影响土壤的导水和持水能力的重要因素.

3.2 人工复配土质地对土壤水分入渗的影响

同一水质下,砒砂岩含量越多,入渗率越慢[14],主要是因为复配土中随砒砂岩含量增加,土壤质地由砂土到粉壤土转变,土壤容重、非毛管孔隙度减少,总孔隙度与毛管孔隙度均增加,土壤黏粒含量增多使土壤中的细小孔隙增加,对水分的吸力加强,持水量增大,导致土壤水分的入渗率减小,累积入渗量减小,湿润锋运移时间长.这与吴忠东等[15]的研究结果一致,不同复配土入渗率不同进而导致了湿润锋推进距离的差异.研究中,在同一种水质入渗下,砒砂岩混合比例高与低之间的时间差值较大,全砒砂岩湿润锋的运移时间达到了全风沙土的26.8倍,表明在风沙土中添加砒砂岩可有效解决风沙土渗漏过快的问题,在风沙土中加入砒砂岩可增加水分的留持时间,提高风沙土的持水性,这与甄庆等[16]研究结果一致.陈娟等[17]在研究荒漠草原不同土壤类型水分入渗特征时也发现,风沙土结构松散,渗透性好,在单位时间内的累积入渗量最大;黏重、结构紧实,硬度较大的基岩风化残积土水分不易下渗,累积入渗量较小.马文梅等[18]研究表明风沙土累积入渗量最大,黄土次之,砒砂岩最小,这与文中研究结果一致.

4 结 论

1) 与质地较粗的沙土相比,复配土壤中砒砂岩含量较高的土壤入渗过程受水质影响更加明显;相同土质中,天然积水的入渗时间要长于地下水.但在砒砂岩与沙比例为0∶1的处理中,天然积水与地下水之间的差异不具有统计学意义.水质影响土壤入渗过程同时还受到土壤质地的综合影响.

2) 水质对土壤累积入渗量的作用程度因土壤质地状况不同而异.同一种质地土壤,相同时间内地下水的累积入渗量要高于天然积水.同一水质下,相同时间内累积入渗量在砒砂岩与沙比例为0∶1的处理中最大,研究结果可为人工复配土壤田间灌溉水质选择提供参考.

3) 湿润锋推进过程受水质影响,同时也受土壤质地的影响.在湿润锋推进距离从0～30 cm时,在所有复配比例中,地下水湿润锋运移均快于天然积水,且随着砒砂岩比例增加,不同水质间的湿润锋运移差异增大.