微咸水灌溉对斥水土壤水盐运移的影响_刘春成

2011年 8月 Transactions of the CSAE Aug. 2011 39

微咸水灌溉对斥水土壤水盐运移的影响

刘春成，李 毅※，郭丽俊，关冰艺，廖轶群，王 娟

（西北农林科技大学水利与建筑工程学院 旱区农业水土工程教育部重点实验室，杨凌 712100）

摘 要：土壤斥水性影响着作物的产量，为了研究微咸水灌溉对斥水土壤水盐运移的影响，进行了室内土柱微咸水入渗试验。对比了不同矿化度和斥水程度对两种土质水盐运移的影响，探讨了微咸水入渗后土壤斥水性的变化特征。结果表明，不斥水土壤的入渗能力随矿化度的增加而增加。亲水和斥水土壤的入渗率均可采用Kostiakov公式简单模拟。斥水土壤入渗能力在矿化度为1 g/L时达到最大，超过1 g/L后则随矿化度的增大而减小。微咸水入渗的累积入渗量与湿润锋推进距离呈良好的线性关系，斥水性土壤中的相同剖面水盐的含量比不斥水的减小。微咸水入渗后土壤产生了一定的斥水性。该研究表明微咸水灌溉对盐渍化土壤的水盐分布和斥水性均有一定程度的影响。 关键词：水，盐，入渗量，斥水性，微咸水，矿化度 doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2011.08.007

中图分类号：S152.7 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2011)-08-0039-07

刘春成，李 毅，郭丽俊，等. 微咸水灌溉对斥水土壤水盐运移的影响[J]. 农业工程学报，2011，27(8)：39－45. Liu Chuncheng, Li Yi, Guo Lijun, et al. Effect of brackish water irrigation on water and salt movement in repellent soils[J]. Transactions of the CSAE, 2011, 27(8): 39－45. (in Chinese with English abstract)

0 引 言

随着人口的不断增加、工农业的快速发展，粮食生产和淡水资源供应面临更大的压力，合理开发利用微咸水资源成为当今世界的热点问题。任何土壤，都含有一定的盐分，少量盐分的存在能够刺激某些作物的生长，增加作物产量[1]。但是，盐分含量超过一定限度后会减少作物产量，并使品质变劣[2]。

国外对微咸水的利用研究已经取得了许多成果，如盐分累积对树木活力的影响[3]、最佳微咸水灌溉制度[4]、地下微咸水的使用易造成作物根区矿化度的上升[5]和模

目前国内很多学者对拟分析土壤中水盐垂直运动规律[6]。

微咸水的利用进行了研究，并取得了一定的成果。如，微咸水滴灌条件下，生育期内土壤剖面上的平均盐分总量变化及其相关离子对土壤结构与作物的影响[7]、地下水埋深与盐分水平对夏玉米形态指标的影响[8]及其棉花微咸水膜下滴灌灌溉制度的优越性[9]的试验验证。但目前的微咸水研究均未涉及到土壤斥水性问题。

土壤斥水性是指水分不能或很难湿润土壤颗粒表面的物理现象，具有斥水性的土壤称为斥水土壤[10-11]。降雨后，往往只能湿润斥水土壤表层薄薄的一层，对作物正常生长有严重影响。土壤斥水性会导致土壤水分的不均

匀分布[13]；斥水土壤表面干燥易造成水土流失；斥水土壤灌溉和降雨后会加强地表径流和侵蚀[13]，这些都极其不利于农业生产和环境的可持续发展。

土壤斥水性初步研究在1960s年代，1970s才得到普遍关注。国外在土壤含水率、温度和颗粒大小对土壤斥水性的影响[14]、斥水土壤含水率分布的预测[15]、积水高度与斥水土壤入渗特征的关系[16]等方面均有了一定程度的研究。国内有关斥水性的研究起步晚，研究的学者比较少。杨邦杰[11-12]探讨了水热运动模型在斥水土壤中的应用，并建立了采用沟种之后的斥水土壤水热运动数值模型。在滴水穿透时间法与酒精溶液入渗法的相关性[17]、土壤斥水性与着火强度和土层深的关系[18]及其与土壤含水率最佳拟合模型[19]、农田土壤斥水性与理化性质的空间变异性[20]、覆膜开孔蒸发条件下斥水土壤水盐变化规律[21]和垂向剖面土壤斥水特征及其与理化性质的关系[22]也进行了研究，但微咸水灌溉对斥水土壤水盐运移的影响研究还不多见。

本文针对斥水土壤在不同矿化度的微咸水条件下土壤水盐运移特征进行分析，研究微咸水入渗过程中土壤水盐及各种离子剖面的动态变化，分析微咸水矿化度对土壤水盐分布的影响，为微咸水的合理利用提供一定的科学依据。

1 材料与方法

1.1 土壤斥水性基本分类

按照Dekker和Jungerius[23]提出的斥水性分类标准，斥水性按入渗时间可分为5个等级：0级，无斥水性（＜5 s）；1级，轻微斥水性（5～60 s）；2级，强烈斥水性（＞60～600 s）；3级，严重斥水性（＞600～3 600 s）；4级，极度斥水性（＞3 600 s）。目前常用的方法有滴水穿透时间法（WDPT）和酒精溶液入渗法（MED）[17]。

收稿日期：2010-12-30 修订日期：2011-06-30

基金项目：国家自然科学基金（50709028）；西北农林科技大学基本科研业务费专项资金（QN2009087）

作者简介：刘春成（1986－），男，安徽界首人，研究方向为水文学及水资源。杨凌 西北农林科技大学水利与建筑工程学院，712100。 Email: liuchuncheng986@sohu.com. ※通信作者：李毅（1974－），女，陕西武功人，博士，副教授，主要从事农业水资源利用研究。杨凌 西北农林科技大学水利与建筑工程学院，712100。Email:liyikitty@126.com

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农业工程学报 2011年

1.2 供试土壤的基本性质

供试土样为塿土和盐碱土。按照土壤盐化程度的一般分级标准[25]，盐碱土属于强盐土，塿土属于非盐化土。

土壤经风干、碾碎、过筛（孔径2 mm）后备用。采用吸管法对2种供试土样进行颗粒分析，分析结果如表1。

表1 供试土壤的颗粒组成等基本理化性质

Table 1 Particle composition and basic physical and chemical

properties of tested soils

供试取样

黏粒粒径

粉粒粒径砂粒粒径 土壤质初始盐质土样 地点

(<0.001 mm) (0.001～0.05 /% (>0.05～2 mm) 地(国际量分数

mm) /% /%

制) /% 塿土 陕西

杨凌 6.5 78.7 14.9 粉壤土0.16

盐碱

土

玛纳11.97 67.01 21.02 粉壤土3.34

斯县

1.3 试验装置与方案

试验在西北农林科技大学农业水土工程教育部重点实验室进行。按1 kg土加0.40 g的表面活性斥水材料（十八烷基伯胺）配成微弱斥水程度土样。塿土和盐碱土设计土壤体积质量分别为1.35和1.45 g/cm3，分层（5 cm）装入土柱，装土高度为50 cm。为对比不同矿化度的微咸水和不同斥水程度对土壤入渗的影响，试验以矿化度和斥水度为主要控制因子。由于斥水程度比较高时土壤难以入渗，因此斥水程度取0级和1级。为了分析不同矿化度的微咸水对土壤入渗特征的影响，以NaCl质量浓度分别为0、1、3和5 g/L的微咸水进行入渗试验，每个土柱的湿润锋推进到33 cm位置后取样分析。

试验系统主要包括供水装置(马利奥特瓶，简称马氏瓶)、试验土柱和固定支架组。试验土柱是利用高为60 cm，内直径为8.5 cm的有机玻璃管制作而成。用马氏瓶进行自动供水并控制积水高度恒定。试验过程中用秒表记时，记录马氏瓶水位变化，并观测土柱湿润锋变化过程。试验结束后沿垂向提取土样，用烘干法测定土壤含水率，利用电导率仪法测定土壤含盐量，利用原子吸收分光光度计测定Na+离子含量，利用滴定法测定Cl-离子含量。

2 结果与分析

2.1 矿化度和斥水程度对土壤累积入渗量的影响

2.1.1 不同矿化度微咸水条件下土壤累积入渗量的对比

为对比不同矿化度微咸水灌溉对土壤累积入渗量的影响，以盐碱土为例点绘不同矿化度微咸水灌溉条件下土壤的累积入渗量随时间变化曲线，见图1。

a. 盐碱土，不斥水

b. 盐碱土，弱斥水

注：控制湿润锋均为33 cm

图1 累积入渗量随时间的变化

Fig.1 Variations of cumulative infiltration versus time

由图1a，对于无斥水性的土壤，在控制湿润锋均为33 cm的情况下，微咸水的矿化度越高，入渗历时越短，矿化度为0的水入渗历时最长。在相同时间内累积入渗量随矿化度的增大而增大。造成这一现象的主要原因是随着溶液中盐分浓度的增大，扩散双电子层向黏粒表面压缩，土壤颗粒间的排斥力降低，从而增强了土壤胶体的絮凝作用，有利于形成团粒结构，使得土壤导水能力增加[26]，所以，在湿润锋一定的情况下，蒸馏水的入渗历时最长。

由图1b，对于弱斥水性的土壤，在控制湿润锋一定的情况下为33 cm时，一定时间后，累积入渗量由大到小依次是矿化度为1、3、5、0 g/L，最后时差别越来越小。这是因为当矿化度在一定限度内，矿化度对土壤结构起主要作用，土壤入渗能力随矿化度的增大而增强；但是，超过这一限度时，矿化度和钠离子（抑制土壤中的离子交换反应）共同影响土壤结构,导致入渗能力随矿化度的增大而减小。 2.1.2 不同矿化度含Na+溶液灌溉条件下土壤入渗率变化规律

基于累积入渗量观测资料可计算不同条件下入渗率的变化过程。在对斥水土壤蒸馏水入渗的试验研

究中，刘春成等[27]

采用Green-Ampt模型、Philip模型、Kostiakov公式及指数模型分别对斥水土壤的入渗率时间变化进行模拟，结果表明Kostiakov 公式在不斥水土壤和斥水土壤中的适用性都较好。Kostiakov公式具体写为

it=Bt-c （1）

式中，it为时刻入渗率，mm/min；t为入渗历时，min；B，c分别为入渗参数。

将不同土壤在不同斥水程度和灌溉水矿化度下的由Kostiakov公式拟合土壤入渗率的相关参数列于表2。

由表2可以看出，Kostiakov公式在微咸水灌溉条件下在斥水土壤中的适应性较好。对于非盐渍土，B值在不斥水土壤中随矿化度的增加而增大，而在斥水土壤中则减小，c值变化不大。对于盐渍土，淡水（0～2 g/L）、微咸水条件下B值都分别随矿化度的增加而增大，但在淡水和微咸水交界处产生突变，可能是土壤盐分的影响。

第8期 刘春成等：微咸水灌溉对斥水土壤水盐运移的影响 表2 采用Kostiakov公式拟合土壤入渗率的相关参数 Table 2 Parameters of soil infiltration rate fitted by Kostiakov

equation

土壤类型及斥水程度

矿化度/(g⋅L-1)

B

c

R2

41

可采用线性关系进行表达，写为

I=nZf （2）

式中，I为累积入渗量，cm；Zf为湿润锋推进距离，cm；n为拟合参数，不同条件下的拟合参数见表3。

表3 累积入渗量与湿润锋推进距离关系的拟合参数 Table 3 Fitted parameters for relationship between cumulative

infiltration and wetting front

土壤类型及斥水程度

矿化度/（g﹒L-1）

n

R2

0 21.82 0.99

塿土-不斥水

1 23.95 0.98 3 25.42 0.93 0 16.48 -0.66 0.90

塿土

不斥水

1 21.51 -0.60 0.90 3 29.09 -0.65 0.93 5 30.33 -0.66 0.93 0 5.09 -0.77 0.95

塿土

弱斥水

1 3.76 -0.69 0.93 3 4.15 -0.68 0.91 5 2.16 -0.63 0.96 0 13.44 -0.78 0.93

盐碱土

1 46.44 -0.92 0.91 不斥水

3 4.83 -0.60 0.73 5 8.94 -0.59 0.90 0 1.20 -0.52 0.

盐碱土

1 6.50 -0.68 0.92 弱斥水

3 4.25 -0.65 0.97 5 6.19 -0.69 0.94

注：B，c入渗参数。

2.1.3 斥水性对土壤累积入渗量的影响

为了直观地对比斥水性对土壤入渗特性的影响，以盐碱土为示例，将累积入渗量变化绘于图2。

图2 累积入渗量随时间变化(盐碱土)

Fig.2 Variations of cumulative infiltration volume versus time

(saline-alkali soil)

由图2可以看出，斥水性对土壤的入渗过程有着明显的影响。在矿化度相同的条件下（如0），对同一质地的土壤，极大地增加了斥水土壤的入渗历时，不斥水土壤累积入渗量的增加梯度远大于斥水土壤，且同一时间（如20 000 min），不斥水土壤的累积入渗量（109 mm）远远大于斥水土壤71 mm）。对于具有弱斥水性的土壤，相同时间内，微咸水入渗的累积入渗量大于淡水的，但是随着入渗历时的延长，这种趋势愈来愈不明显，到最后趋近于相同。 2.2 湿润锋推进距离与累积入渗量的关系

根据实测结果，同一时刻湿润锋推进距离与累积入渗量之间有一定的定量关系，对不同矿化度的微咸水和斥水性条件下实测的湿润锋推进距离及其与累积入渗量

5 25.39 0.93 0 25.36 0.96

塿土-弱斥水

1 33.93 0.97 3 39.30 0.80 5 26.03 0.87 0 27.06 0.76

盐碱土-不斥水

1 21.63 0.99 3 22.25 0.98 5 24.76 0.92 0 21.47 0.99

盐碱土-弱斥水

1 23.94 0.99 3 21.42 0.99 5 21.72 0.99

注：n为拟合参数。

由表3可以看出，累积入渗量与湿润锋推进距离呈良好的线性关系，R2均在0.80以上(除盐碱土在不斥水且矿化度为0 g/L时为0.76外)。n值的变化具有一定的随机性。 2.3 土壤水盐运移变化特征 2.3.1 湿润土层含水率的变化

为了直观地对比斥水性和矿化度对土壤剖面含水率的影响，将入渗介绍后盐碱土土壤剖面含水率的分布绘图3。

图3 累积入渗量随时间变化(盐碱土)

Fig.3 Variations of cumulative infiltration volume versus time

(saline-alkali soil)

（42

农业工程学报 2011年

由图3可知，对于不斥水盐碱土，不同水质入渗后，土层表层含水率基本接近。不斥水土壤总体变化规律是：在0～3 cm深度范围内，土壤含水率急剧减小；在>3～24 cm深度范围内土壤含水率变化很小。在>24～33 cm深度范围内，土壤含水率再次减小，但其变化幅度较0～3 cm深度范围小。土壤湿润深度一定时，入渗水矿化度越高，剖面含水率相对较大，尤其在3～24 cm深度范围内更为明显。与不斥水土壤相同的是，在不同供水矿化度条件下，入渗后斥水土壤的表层土壤含水率基本接近；在0～3 cm深度范围内，含水率急剧减小。斥水与不斥水土壤入渗特征的区别在于：在>3～33 cm深度范围内，剖面含水率基本以同样的梯度递减；土壤湿润深度一定时，剖面含水率在入渗水矿化度为1 g/L时较大，3、5 g/L的非常接近，矿化度为的最小，这和入渗量的变化一致；在同一湿润锋处，不同水质入渗后的剖面含水率的变化较不斥水土壤的小。

2.3.2 湿润土层内盐分的分布

淡水入渗时，土壤中的盐分随水分的运移而运移，且上层土壤盐分向下层运移，这样土壤将出现上层脱盐、下层积盐的现象。用微咸水进行灌溉时，由于微咸水中含有盐分离子，它进入土壤后，可能会与土壤中的盐分发生某种物理化学反应，因此土壤脱盐区变化特征有别于淡水淋洗过程。而且土壤斥水性的存在对土壤盐分的分布也有着一定的影响。图4显示了入渗介绍后不同供水矿化度条件下不同斥水度盐碱土中入渗后土壤盐分的剖面分布。

图4 土壤含盐量的剖面分布

Fig.4 Distributions of soil salt content in profiles

由图4a可知，对于不斥水土壤，相同湿润锋处，土

壤剖面含盐量的差别较小，可见受灌溉水矿化度的影响较小，因为盐分含量由初始含盐量和灌溉水矿化度共同影响。大约在0～15 cm存在明显的脱盐区（低于初始含盐水平的区域）。

由图4b可知，对于弱斥水土壤，脱盐深度较不斥水土壤小，脱盐区大约为0～5 cm。盐分含量也由初始含盐量和灌溉水矿化度共同影响。 2.3.3 湿润土层Na+的变化

土壤中Na+含量过高，会阻碍土壤胶体的离子交换反应，引起土壤黏粒膨胀和团聚体分散，降低了土壤的水气透性，对作物的生长发育有着很大的危害，因此对Na+的迁移值得研究。图5显示了入渗结束后斥水和不斥水盐碱土中Na+含量的剖面分布。

图5 土壤Na+含量的剖面分布

Fig.5 Distributions of soil Na+ content in profiles

由图5a和图5b可知，土壤中Na+含量的剖面分布则受灌溉水矿化度和土壤初始Na+含量的共同影响。土壤没

有斥水性的情况下，Na+

含量在0～15 cm范围内属于

“脱Na+区”，而后则开始“积Na+”，入渗水质Na+浓度越高，相同湿润深层内Na+含量越高。而斥水性的存在则缩短了“脱Na+区”。

2.3.4 湿润土层Cl-的变化

土壤中Cl-含量过高，会使作物无法正常生长，因此有必要对Cl-浓度进行一定的分析。图6显示了盐碱土中Cl-含量在斥水和不斥水土壤的的剖面分布。

由图6a和图6b可知，土壤中Cl-含量的剖面分布则受灌溉水矿化度和土壤初始Cl-含量的共同影响。盐碱土

没有斥水性的情况下，Cl-含量在0～25 cm范围内属于

“脱Cl-区”，而后则开始“积Cl-”，入渗水质Cl-浓度越高，

第8期 刘春成等：微咸水灌溉对斥水土壤水盐运移的影响

43

相同湿润深层内Cl-含量越高。而斥水性的存在则减小了“积Cl-”量。

图6 土壤含Cl-的剖面分布

Fig.6 Distributions of soil Cl- content in profiles

由图6a和图6b可知，土壤中Cl-含量的剖面分布则受灌溉水矿化度和土壤初始Cl-含量的共同影响。盐碱土

没有斥水性的情况下，Cl-含量在0～25 cm范围内属于

“脱Cl-区”

，而后则开始“积Cl-”，入渗水质Cl-浓度越高，相同湿润深层内Cl-含量越高。而斥水性的存在则减小了“积Cl-”量。

2.4 微咸水入渗对土壤斥水性的影响

微咸水入渗会造成土壤积盐，盐分的存在会在一定程度上对土壤结构造成破坏。盐分的存在或某些离子的存在是否会引起土壤斥水性，目前尚未可知。图7显示了塿土和盐碱土在微咸水入渗后滴水穿透时间的变化过程。由图7a可知，对于塿土微咸水入渗后，矿化度为3、5 g/L的在大部分剖面都有了微弱的斥水性。由图7b可知，对于盐碱土微咸水入渗后，不同剖面均产生了斥水性。可能是土壤中盐分的含量会引发一定的斥水性，或是某些离子的缘故，比如Na+会破坏土壤结构，使得通透性较差。

图7 土壤斥水性的剖面分布

Fig.7 Distributions of soil water-repellency in profiles

3 结 论

1）不斥水土壤的入渗能力随矿化度的增加而增加。而斥水土壤入渗能力在矿化度为1 g/L时达到最大，超过后则随矿化度的增大而减小。

2）湿润土层剖面含水率、含盐量及其Na+、Cl-浓度在相同湿润锋处随灌溉水矿化度的增加而增大，土壤斥水性虽然不会改变整体趋势，但会减小它们的含量。

3）微咸水灌溉条件下，Kostiakov公式在斥水土壤中的适应性较好。

4）微咸水入渗后，土壤产生了一定的斥水性。至于具体的原因有待进一步验证。

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第8期 刘春成等：微咸水灌溉对斥水土壤水盐运移的影响

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Effect of brackish water irrigation on water and salt movement in

repellent soils

Liu Chuncheng, Li Yi, Guo Lijun, Guan Bingyi, Liao Yiqun, Wang Juan

※

(Key Laboratory of Agricultural Soil and Water Engineering in Arid and Semiarid Areas, Ministry of Education, College of Water

Resources and Architecture Engineering, Northwest Agriculture and Forestry University, Yangling 71200, China)

Abstract: The existence of soil water-repellency had impacts on crop yields. In order to study soil water and salt movements of water-repellent soils irrigated by brackish water, laboratory soil column infiltration experiments were conducted. Impacts of different mineralization degrees and different water-repellency degrees on the movements of soil water and soil salt were compared for two soil textures. The variations of soil water-repellency during infiltration were also discussed. The results showed that infiltration ability of non-water-repellent soils increased with the increase of mineralization degrees. Both the infiltration rates of wettable and repellent soils could be simply fitted by Kostiakov equation. For the water repellent soils, the infiltration ability was largest at mineral degree of 1g/L, but decreased with the increase of mineralization degree when mineralization degree were larger than 1g/L. There was good linear relationship between cumulative infiltration and the wetting front distance when irrigated by brackish water. Soil water content and soil salt content at the same depth of the water repellent soil profiles were smaller than those of the wettable soil profiles. To some extent, soil water repellency was caused after irrigated by brackish water. This work indicated that brackish water irrigation had some impacts on distributions of soil water and soil salt as well as water-repellency of salinized soil.

Key words: water, salts, infiltration, water repellency, brackish water, mineralization degree