不同矿化度对层状土入渗规律的影响研究

仲轩野，朱成立,2，柳智鹏，王 洁，谢修会

(1.河海大学农业工程学院，南京 210098；2.南方地区高效灌排与农业水土环境教育部重点实验室，南京 210098；3.江苏省农村水利科技发展中心，南京 210029；4.连云港市赣榆区国土资源局，江苏 连云港 222100)

0 引 言

新疆地区淡水资源不足，农业用水占总用水量比例约95%，且当地农业发展迅速，对灌溉用水的需求进一步增加[1]。淡水资源不足成为制约新疆地区农业可持续发展的重要因素。在我国，微咸水一般指矿化度为2～5 g/L的含盐水[2]，微咸水已成为淡水资源的重要补充。国内外学者对此进行了大量研究，结果表明在良好的灌排配套条件下微咸水可用于冬小麦、棉花等作物的灌溉[3-5]。

由于人类和自然活动作用，田间土壤常呈现出层状结构。从构造特征方面来分, 层状土壤主要可归为2类：第1类是具有较小渗透性的细质土覆盖具有较大渗透性的粗质土；第2类是具有较大渗透性的粗质土覆盖具有较小渗透性的细质土[6]。王文焰[7]、卢修元[8]分别研究2类层状土壤对入渗的影响，得出层状特性对土壤入渗、溶质迁移过程有重要影响[9]。因此研究层状土壤的入渗规律对研究农田中溶质运移等问题具有重要价值。

目前，已有的研究主要侧重于均质土壤不同水质入渗[4,10,11]或层状土壤淡水入渗[12]，而不同矿化度对层状土入渗规律的影响研究较少。本文针对不同矿化度对入渗规律的影响以及层状土对入渗特征影响的特点，进行了垂直一维积水入渗试验，通过观测累积入渗量、湿润锋运移速度、入渗后土壤剖面含水率曲线及含盐量曲线变化规律，分析不同矿化度水分在层状土的入渗规律，为研究含盐水在层状土壤入渗提供了参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2018年7-9月在河海大学节水园区节水与农业生态试验场内进行，试验区地处北纬31°86′，东经118°60′，属亚热带湿润气候，年平均气温15.9 ℃，最高气温43 ℃，最低气温-12.1 ℃，冬冷夏热、四季分明。

1.2 供试土壤基本性质

供试土壤取自新疆且末县农二师三十八团团场垦区，垦区位于塔克拉玛干沙漠南缘，北靠沙漠，南依昆仑山，属大陆性干旱气候；年平均降雨量15.0 mm，年平均气温11.0 ℃左右。根据国际制土壤质地分级标准，供试土壤为沙质壤土和壤土，其基本物理性质见表1。

表1 供试土壤基本物理性质

注：田间持水率以质量百分数计。

1.3 试验设计

采用高1 m，直径30 cm有机玻璃桶进行土柱试验，供试土壤自然风干后过2 mm筛，每层5 cm压实装入桶中，表面刮毛后装入下一层，填土总深度80 cm，壤土夹层厚10 cm，距土表50 cm。土表铺置滤纸以利于均匀入渗。利用马氏瓶供水，控制积水深度2 cm，设置4种处理：入渗水矿化度分别为0，1，3，5 g/L。入渗过程中记录湿润锋运移深度和马氏瓶水位刻度以及对应入渗时间，由此可知湿润锋运移深度、累积入渗量随入渗时间的变化关系。当入渗湿润锋到达70 cm深度时停止供水。入渗结束后，每隔10 cm取土测定含水率与含盐量。

1.4 指标测定方法

土壤含水率采用烘干法测量。土壤浸提液电导率与土壤含盐量呈显著正相关关系[13]，因此可以表征土壤中含盐量。利用水土比为5∶1的浸提法提取土壤浸提液，采用DDS-307电导仪测定电导率。

2 结果与分析

2.1 层状土累积入渗量随时间变化特征

为对比入渗水不同矿化度对层状土入渗特征的影响，将各处理入渗水湿润锋到达和穿过夹层土壤界面的时间和累积入渗量列于表2。其中T1为湿润锋到达夹层土壤界面的时间，I1为到达夹层界面时的累积入渗量，T2为湿润锋穿过夹层时间，I2为穿过夹层的累积入渗量。

表2 湿润锋到达夹层界面的时间和累积入渗量

由表2可知：在0～3 g/L矿化度范围内，矿化度越高湿润锋到达和穿过夹层界面需要时间越短，累积入渗量越大；矿化度达到5 g/L，湿润锋到达和穿过夹层界面需要的时间增加，累积入渗量减小。入渗水矿化度存在临界值3 g/L，此时湿润锋到达和穿过夹层界面需要的时间最短，累积入渗量最大。

为便于描述，将层状土入渗过程分为2个阶段：第1阶段，湿润锋达到界面之前，该阶段水分运动为均质土层中水分运动；第2阶段，湿润锋进入夹层内，水分运动与均质土壤中水分运动存在较大差异。各处理累积入渗量随时间变化曲线见图1。各处理总体趋势一致，第1阶段累积入渗量与累积入渗时间2者呈非线性关系，第2阶段2者符合线性关系。此结论与卢修元[8]、范严伟[14]针对第2类层状土壤夹层对入渗的影响研究结论相符。

图1 累积入渗量与入渗时间的关系

由图1可知：在相同入渗时间，矿化度为0～3 g/L时，累积入渗量随矿化度提高而增大，矿化度大于3 g/L后，累积入渗量反而减小。在湿润锋未达到夹层界面前，各处理累积入渗量均随时间呈非线性变化。入渗开始时，入渗速率快，随着湿润锋向下推进，入渗速率变缓。当湿润锋穿过夹层界面后，进入阶段2即稳渗阶段，各处理累积入渗量随时间呈线性变化，并可用线性关系公式I=a1T+b1描述稳渗阶段入渗过程。各处理线性关系见表3。

表3 稳渗阶段I-T线性关系

由表3可知：入渗水矿化度为0～3 g/L，随矿化度增大，参数a1增大；矿化度为5 g/L时参数a1大于1 g/L时的参数a1，小于3 g/L时的参数a1。即稳定入渗阶段，入渗水矿化度为3 g/L时，稳渗率最大。

在入渗过程中，湿润锋到达同一深度时，各处理入渗速率变化曲线见图2。由图2可知，当入渗水矿化度不同时，在同一深度，入渗速率V(3 g/L)>V(5 g/L)>V(1 g/L)>V(0 g/L)。在0～3 g/L范围内，入渗速率与矿化度呈正相关关系，大于3 g/L后入渗速率与矿化度呈负相关关系。表明入渗水矿化度对入渗速率有明显改变，在0～3 g/L范围内矿化度的提高有利于促进入渗，大于临界值3 g/L后不利于提高入渗速率。

图2 入渗速率与入渗深度关系

2.2 层状土湿润锋随时间变化规律

由于夹层界面处水分运移受土壤质地与土水势不连续的影响，湿润锋推进与时间关系在含夹层土壤与在均质土壤中变化规律不同[12]。各处理湿润锋推进深度与入渗时间关系见图3。由图3可知：各处理入渗过程中，在水分未达到夹层界面前，湿润锋推进深度与入渗时间呈非线性关系，随着入渗时间延长，水分进入夹层界面后，湿润锋推进深度与入渗时间转为线性关系。在第1阶段，上层土体水分不饱和，湿润锋随时间变化的曲线与在均质土体中相似[8]，当湿润锋到达夹层界面时，由于夹层的阻水作用，使上层土壤含水量增大，直到其能量开始大于分界面能量水平，水分才能继续入渗，此时进入稳渗阶段[15]。用线性关系H=a2T+b2描述进入稳渗阶段湿润锋随时间变化过程，见表4。

图3 湿润锋深度与入渗时间关系

入渗水矿化度/(g·L-1)a2b2R200.181023.3160.996810.182626.4760.995630.210224.1770.998950.209524.4510.9994

由表4可知：在稳渗阶段，矿化度为0～3 g/L时，斜率a2随矿化度提高而增大，即入渗速率随矿化度提高而增大。产生这一现象的主要原因是入渗溶液盐分浓度增大，增加了土壤含盐量，扩散双电子层降低了土壤颗粒间的排斥力，使土壤粒子物理稳定性下降，有利于粒子絮凝，提高土壤导水率[9]；但随入渗水矿化度进一步提高，进入土壤的Na+数量增加，会引起土壤颗粒膨胀和分散，使土壤的透水性变差，因而导致入渗速率下降[16]。

2.3 入渗结束后土壤剖面水分分布特征

为对比各处理对夹层土壤水分分布的影响，将入渗结束后土壤剖面质量含水率记录于图4。由于在试验过程土壤表层积水的存在，土柱表层土壤质量含水率基本达到饱和含水率。

入渗结束后，夹层位置处土壤质量含水率较其他深度更高，符合卢修元[8]在研究沙土中黏土夹层对入渗过程影响中，发现入渗水穿过分界面在夹层内入渗，湿润锋推进单位距离需要更多水量的结果，说明了夹层土壤对水分入渗具有阻渗作用[7,8]。

入渗水在矿化度为0～3 g/L时，各深度土层的土壤质量含水率随水分矿化度提高而增大，到达5 g/L时，土壤质量含水率反而下降。造成这种现象主要原因是随着入渗水溶液中盐分浓度的增大，土壤颗粒间排斥力降低，增强了土壤胶体的凝絮作用，因而土壤持水能力有所增加[17]；随着入渗水矿化度进一步增大，盐分离子引起土壤颗粒分散，使土壤的透水性变差，降低持水能力[18]。

2.4 入渗结束后土壤剖面盐分分布特征

由图5可知：除矿化度为0的入渗水以外，其他3种矿化度入渗水在入渗过程中均会为土壤带入额外的盐分积累。从矿化度为0的水分入渗后盐分剖面看，上层土体(0～50 cm)含盐量降低，下层土体(60～75 cm)含盐量增高，表明上层的土体盐分被淋洗下行，并在下层土体中积累。3，5 g/L矿化度水分入渗后，上层土体盐分比0矿化度水分入渗后高，说明随着入渗水的矿化度提高，入渗水对上层土体有一定淋洗作用，但提高了土壤的整体含盐量。

图5 入渗结束后土壤剖面含盐量随矿化度变化曲线

3 结 论

以含壤土夹层的沙壤土为研究对象，分析了4种不同矿化度水分对夹层土入渗的影响，包括累积入渗量、入渗速率、湿润锋与入渗时间的关系及入渗结束后土壤剖面质量含水率、含盐量，结果如下。

(1)沙壤土中壤土夹层对不同矿化度水分入渗均有阻渗作用，入渗结束后壤土夹层质量含水率大于其他深度土层，因而壤土夹层有利于入渗结束后土壤水分保持。

(2)水分矿化度为0～3 g/L时，入渗后土壤质量含水率、入渗速率随矿化度提高而增大；当水分矿化度大于3 g/L时，土壤含水率、入渗速率反而下降。说明矿化度为0～3 g/L时，入渗溶液矿化度提高有利于增大土壤导水能力和持水能力。

(3)各处理水分入渗结束后，土体整体含盐量与入渗水矿化度有正相关关系。夹层界面以上土体盐分脱盐，夹层及下层土体积盐。