咸水/微咸水入渗对土壤渗透性和盐分阳离子运移的影响*

李 慧，林 青，徐绍辉

（青岛大学环境科学与工程学院，山东青岛 266071）

随着社会经济的快速发展，干旱半干旱地区面临着严峻的水资源短缺问题，咸水、微咸水的开发利用为灌溉农业的可持续发展提供了潜在的水源[1]。微咸水一般指矿化度为 2～5 g·L-1的含盐水，其下限值有时确定在 1 g·L-1[2]，上限值在实际应用中会有一定程度扩展至6 g·L-1[3]。咸水多指 5～10 g·L-1的含盐水，10～50 g·L-1多指为盐水[4]。中国微咸水资源分布广泛，尤其在易发生干旱的华北和西北以及沿海地带，广泛分布着矿化度为 2～5 g·L-1的微咸水资源[5]。已有研究表明，春旱时土壤溶液浓度一般达到14 g·L-1，极端情况下甚至可以达到 30～80 g·L-1，用矿化度 3 g·L-1的微咸水灌溉后，土壤溶液浓度可下降至6～10 g·L-1[6]。 微咸水灌溉不仅会引起盐分在土壤中的累积，产生土壤次生盐碱化，影响作物生长；而且也会造成土壤溶液化学成分和土壤结构稳定性的变化，导致土壤物理性能退化，影响作物根系的延伸、降雨或灌溉水在土壤中的运动、盐分的淋洗效果、透气性以及土壤中的化学反应等。已有诸多学者探讨了微咸水灌溉对作物的生长、产量及对土壤次生盐碱化等的影响[7-16]。然而咸水/微咸水灌溉入渗对土壤渗透性能影响的研究相对较少，且已有的研究大多关注较低浓度盐分入渗对土壤渗透性能的作用机理，如李法虎等[17]通过低浓度盐分入渗试验认为非碱土中稳定饱和水力传导度随着灌溉水盐浓度的增加而减小，在碱土中与之相反。Bhardwaj 等[18]研究发现用处理过的含少量盐的废水灌溉后，土壤水力传导性及团聚体稳定性高于含盐河水及中度含盐水的处理，且三者均低于未处理的样品。Shang 等[19]模拟灌溉处理后废水和盐碱溶液的试验，结果显示灌溉水类型和溶液中钠离子浓度决定了土壤饱和导水率（K0），但灌溉频率不影响土壤K0，模拟灌溉土壤 2 年K0减少幅度小于1 年。唐胜强和佘冬立[20]采用1 g·L-1的微咸水进行一维降水头积水入渗试验，发现微咸水可增加粉砂土与壤土的饱和导水率。盛丰等[21]研究发现适宜的盐分浓度有利于提高土壤团聚体的稳定性、抑制土壤板结、改善土壤入渗性能。

当用高浓度盐分（微咸水/咸水）灌溉时，它们会对土壤渗透性能产生怎样的影响，值得进行深入分析。在此基础上，土壤渗透性能的变化又会如何控制盐分阳离子 Na+、Ca2+和 Mg2+的运移过程，更是一个亟待解决的科学问题，类似研究尚未见文献报道。为了揭示较高浓度盐分入渗时常见阳离子Na+、Ca2+和 Mg2+对土壤渗透性和运移特征的作用机理，本文开展不同浓度、不同盐分溶液入渗的室内土柱实验，以期为咸水/微咸水灌溉地区土壤物理化学性能维护和作物健康生长提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

土样取自青岛市即墨区农田 0～30 cm 表层土壤，其理化性质如表1 所示，按照土水比1︰5 获得的土壤浸提液电导率为0.16 dS·m-1。本研究中用到的主要实验仪器有：电子天平（FR224CN 型，奥豪斯仪器有限公司）、pH 计（HS-3C 型，上海精科仪器有限公司）、ORP 电极（连接到 pH 计上使用）、电导率仪（雷磁 DDB-303A，上海精科仪器有限公司）、电感耦合等离子发射光谱仪（ICP，Optima 8000型，PerkinElmer 公司）以及有机玻璃土柱（高40 cm，内径6 cm）。

表1 供试土壤理化性质Table 1 Physical and chemical properties of the tested soil

1.2 土柱填装及试验方法

在直径6 cm、高40 cm 的有机玻璃土柱底部铺设2 cm 厚的纯净石英砂，将风干、研磨后的土样过2 mm 的筛子，然后以给定土壤容重1.3 g·cm-3分层均匀地装进有机玻璃柱内，为防止土壤颗粒堵塞出水口，在土柱的出水口处添加一层定性滤纸，使液体均匀地流出土柱，装填完成后的土样高 30 cm，试验使用两套实验装置，进行两组重复试验。土柱侧面布设5 个测压管，用硅胶管与测压板相连，各相邻测压管间距6 cm，土柱另一侧高度方向设置4个取样孔，分别在沿土柱高度方向的8 cm、16 cm、22 cm、28 cm 处（由上往下）。有机玻璃柱的上端控制水头装置由溢流口充当，下端也有一水头控制装置，固定在实验支架上；在土柱底部安装一出水管连接下端控水头装置，用作排水，试验过程中土柱上下端始终保持10 cm 的水头差。

试验开始阶段，先从底部由下而上，用去离子水饱和土柱24 h，然后转换方向由上而下继续饱和土柱，以更好地排除土柱中的气泡，饱和土壤，待测压管中的读数稳定后，分别输入 3、5、10 g·L-1NaCl、MgCl2、CaCl2盐溶液，共9 种处理，直至出流液的阳离子浓度不再发生变化后停止试验。试验过程中每隔 3 小时记录各测压管中的水头高度h和出流量Q，同时收集侧边及底部出流液水样，测定出流液中的盐分阳离子浓度及 pH 和电导率（EC）值。实验装置如图1 所示。

土壤的渗透系数K根据达西定律，按下式计算：

式中，Q为出水口流量，L·d-1；x为任意两测压管之间的距离，cm；d 为土柱的直径，cm；h为两测压管之间的水头差，cm。

本文采用相对渗透系数来描述渗透性的变化，相对渗透系数为实测渗透系数K与初始渗透系数K0之比，K/K0越小，说明渗透性能降低程度较大。将土柱从上到下分为 A（4～10 cm）、B（10～16 cm）、C（16～22 cm）、D（22～28 cm）四段。

图1 实验装置图Fig. 1 Scheme of the experimental device

2 结果与讨论

2.1 不同入渗处理土柱各层段渗透性能变化

2.1.1 不同浓度Na+溶液对土壤渗透性能影响3、5 和 10 g·L-1NaCl 溶液入渗时土壤各层（4～10 cm、10～16 cm、16～22 cm、22～28 cm 即 A、B、C、D 四段）渗透性能随时间变化过程如图2 所示。在入渗的初始阶段，输入3、5 和10 g·L-1NaCl 溶液土壤相对渗透系数分别降为初始值的 0.83%～0.85%、0.77%～0.85%和0.74%～0.84%，这说明在入渗初始阶段 Na+浓度越高，对土壤渗透性降低影响越大。持续输入溶液3 h 后，三种不同浓度 NaCl 溶液情况下土柱各段的渗透性能均开始回升，这主要是土壤中交换性 Na+置换出土壤中的 Ca2+、Mg2+使得土壤孔隙增加。随着入渗试验持续进行，土柱各层段的渗透系数开始缓慢下降，且逐渐趋于稳定。至试验结束时，输入 3、5、10 g·L-1NaCl 溶液土柱 A 段的渗透系数分别降为初始值的 90%、55%、50%；B段的渗透系数分别降为初始值的70%、80%、75%；C 段的渗透系数分别降为初始值的83%、73%、67%；D 段的渗透系数分别降为初始值的 80%、76%、72% 。由此可以看出，输入不同浓度 NaCl 溶液，土柱各段渗透系数整体上呈下降趋势；NaCl 溶液浓度越高，入渗结束时土柱各段相对渗透系数减小得越多。这说明 Na+浓度越高，土壤渗透性降低就越大，且随着 Na+浓度增大，其对表层土壤渗透性的影响程度大于下层。

图2 不同浓度 NaCl 溶液入渗时土柱各段渗透性变化Fig. 2 Variation of permeability of NaCl solution with section of the soil column relative to concentrations of the solution

一般认为土壤渗透性能的大小与土壤中 Na+数量、黏粒的迁移沉积密切相关。Na+数量越多，使土壤中部分交换性 Ca2+、Mg2+被交换性 Na+取代，交换性 Na+增多容易引起土壤分散、膨胀，破坏土壤团聚体的稳定性[21]，使土壤孔隙减小，出现土壤板结与渗透性差的现象，因此，随着NaCl 溶液入渗的进程，土壤的渗透性能降低。图 2 中 3 g·L-1NaCl溶液入渗过程中，土柱A 段的渗透系数在6～30 h 出现了渗透性能大于初始值的现象，这主要是适宜浓度的NaCl（3 g·L-1）利于抑制土壤黏粒的分散，促进土壤颗粒絮凝，使渗透性能增大[22]；由于持续地输入Na+，30 h 之后土壤的渗透性能主要受Na+的影响，渗透性能逐步减小。而10 g·L-1NaCl 溶液入渗时，B 段渗透性能大于初始值，这可能是由于土壤中交换出大量的Ca2+、Mg2+使得孔隙暂时性的增加，今后会继续进行试验，探讨B 段渗透性增加的原因。有研究指出土壤中黏粒随水流一起迁移运动时，使渗透性有可能增大（黏粒的迁移使土壤孔隙增大），也有可能降低（黏粒堵塞孔喉）[23]，对于土柱中不同层段的渗透性降低程度的不同，可以用黏粒的运动来解释，黏粒除了受范德华力之外，还受自身重力的影响向下运动，高浓度（5、10 g·L-1）的NaCl溶液下A 段因强烈的吸附作用使Na+数量增加，黏粒也因为较大的范德华力相互之间发生碰撞、挤压形成较大体积的胶团，难以向下运动，而其余三段，土壤中的黏粒在受自身重力向下运动时，在整体渗透性能降低的前提下，B 段渗透性能降低的程度最小，C 段的渗透性能降低最大。而在较低浓度3 g·L-1NaCl 溶液入渗时，因Na+浓度较低，表层土壤中黏粒因自身重力向下迁移较多，使B 段的渗透性能降低较为严重。

2.1.2 不同浓度 Ca2+、Mg2+溶液对土壤渗透性能影响 3、5、10 g·L-1的 CaCl2、MgCl2溶液入渗时土柱各段的相对渗透系数随入渗时间的变化见图3。由图中可以看出，土柱各段相对渗透系数随着CaCl2、MgCl2溶液的不断注入整体上呈上升趋势，且随着Ca2+、Mg2+浓度增加，上升趋势减缓。这主要是土壤中Ca2+、Mg2+浓度的增加，使扩散双电子层向黏粒表面压缩，土壤颗粒之间的排斥力降低，土壤中颗粒较小的粒子粘结到一起形成较大的土壤团聚体，利于土壤中颗粒的凝聚，使土壤中大孔隙增加，渗透性增强，在某种程度上有利于土壤的透水和透气能力[24-25]。

3、5 和 10 g·L-1的 CaCl2溶液入渗至试验结束时，土柱各层相对渗透系数由上到下（四层段）分别增大至初始值的1.61 倍、1.58 倍、1.55 倍和1.48倍（3 g·L-1），1.51 倍、1.38 倍、1.31 倍和 1.27 倍（5 g·L-1），1.32 倍、1.31 倍、1.30 倍和 1.27 倍（10 g·L-1）。由此可见，随着CaCl2溶液的不断注入，表层土壤的渗透性能的增加大于底层土壤，且随着Ca2+浓度的增加，土柱各段的渗透性能增加的趋势减小。这是由于 Ca2+入渗过程中，表层土壤置换出来的 Na+随入渗溶液向下迁移，使表层土壤渗透性能大于下部土壤，Ca2+浓度越大，置换出来的 Na+越多，向下迁移的 Na+越多，故入渗溶液中 Ca2+浓度越大，提升渗透性的能力越差。3 g·L-1MgCl2溶液入渗至结束时，土柱各层相对渗透系数由上到下分别增加为初始值的1.48 倍、1.38 倍、1.42 倍、1.34倍，相对渗透系数由上往下依次减小，且由图3 可以看出，B、C 段在整个过程中增加的趋势几乎相似，差距较小；5、10 g·L-1MgCl2溶液入渗至结束时，土柱各层相对渗透系数由上到下分别增加为初始值的 1.45 倍、1.49 倍、1.40 倍、1.47 倍（5g·L-1），1.23倍、1.28 倍、1.12 倍、1.22 倍（10 g·L-1），相对渗透系数由大到小依次为B、D、A、C 段。有研究[26]指出，较大的Mg2+水合数会导致黏土夹层和双电子层的膨胀，这将不可避免地增加黏土的膨胀和分散，而 Ca2+由于较小的水合数较 Mg2+更易于絮凝。另有研究[27]证明 Mg2+对土壤黏粒弥散的促进效应大约是Na+的5%，这可能是导致图中5、10 g·L-1高浓度Mg溶液入渗过程中A 段渗透性能增加程度较小的原因。部分弥散的黏土颗粒随灌溉水的剪切力和自身重力的作用向下运动，在C 段积聚，从而导致C 段的渗透性能升高的最小。而由于土壤黏粒对Ca2+的吸附选择性大于Mg2+，因此，相同条件下Mg2+系统中将有更多的可交换Na+存在于黏粒表面，使得整体上Mg2+入渗对土壤渗透性能的提升作用小于Ca2+。

图3 不同浓度 CaCl2、MgCl2 溶液入渗时土柱各段渗透性变化Fig. 3 Variation of permeability of CaCl2 or MgCl2 solution through various sections of the soil column relative to concentration of the solution

2.2 不同入渗处理土柱整体渗透性变化

九种入渗水质整体土柱的平均渗透系数随入渗时间变化如图4 所示，土柱整体渗透系数按公式（1）计算。由图4 可知，入渗水质对土柱整体渗透系数的影响程度显著不同，在相同的入渗时间内，入渗结束时，通入 3 g·L-1NaCl 、5 g·L-1NaCl 、10 g·L-1NaCl 的土柱相对渗透系数分别降为初始值的0.74%、0.61%、0.58%。这说明Na+对土柱整体的渗透性能起到了严重的阻碍作用，Na+浓度越大，土柱整体的相对渗透系数越小；主要是土壤溶液中 Na+含量的增加，使土壤团聚结构分散，土壤孔隙减小，降低了土壤的导水性能[21]。图 4 中，随着 Mg2+和Ca2+浓度的增加，土柱整体的相对渗透系数增加，由图4 可得到其提高土壤渗透性由大到小的顺序分别为 3 g·L-1CaCl2、5 g·L-1MgCl2、5 g·L-1CaCl2、3 g·L-1MgCl2、10 g·L-1CaCl2、10 g·L-1MgCl2，试验结束时，渗透系数分别增大为初始值的1.58 倍、1.46 倍、1.40 倍、1.40 倍、1.31 倍、1.22 倍。已有的研究[28-29]表明，土壤中钙镁离子含量的增加，有利于增强土壤的絮凝作用，增加土壤的有效孔隙，能够加速排盐效应，使土壤中 Na+大量排出，从而改善土壤的导水性能。结合图 2、图 3 可以看出，整个土柱的平均渗透系数与土柱各层中最小的渗透系数基本保持一致，这表明土壤整体的渗透性能由最小的渗透性能所在层决定。

2.3 相对渗透系数与时间的相关关系

为定量分析整个土柱的渗透性能随时间的变化特征，将上述试验的土柱整体相对渗透系数（用y表示）与时间（用x表示）进行回归分析，结果见表2。由表中的回归方程与R2可知土柱整体渗透系数y与时间x之间成二次方关系，CaCl2、MgCl2处理后的R2值在 0.92～0.97 之间，NaCl 处理后的R2值在 0.74～0.82 之间，可见 Ca2+、Mg2+处理下的土柱整体相对渗透系数与时间的相关性较Na+好。三种浓度 NaCl 处理下 5 g·L-1NaCl 的R2值最大，这说明5 g·L-1NaCl 土柱整体相对渗透系数与时间的相关性较好。MgCl2处理下的试验中3 g·L-1MgCl2的R2最大，因此，浓度较小的 MgCl2处理下的土柱整体渗透系数与时间相关性较好。CaCl2处理下的试验中 3、10 g·L-1的R2均为 0.97，说明其低浓度或高浓度处理下土柱整体渗透系数与时间的相关关系均较好。

图4 不同浓度溶液入渗时整个土柱渗透性随时间变化Fig. 4 Temporal variation of permeability of the solution through the entire soil column relative to concentration of the solution

表2 土柱整体相对渗透系数与时间的回归方程Table 2 Regression equation of overall relative permeability coefficient with duration of the test of the soil column

2.4 不同入渗处理出流液电导率及pH

图 5 给出了不同条件下土壤出流液电导率与pH 随时间的变化。电导率在入渗初期增速较快，第15 小时左右逐渐趋于稳定。浓度相同的NaCl、CaCl2出流液稳定，电导率差别不大，其两者与MgCl2有较大差别。10 g·L-1NaCl、CaCl2和 MgCl2出流液电导率稳定在 16.5、15.0、9.3 dS·m-1；5 g·L-1NaCl、CaCl2和 MgCl2出流液电导率稳定在 8.4、7.6、4.7 dS·m-1；3 g·L-1NaCl、CaCl2和 MgCl2出流液电导率稳定在 5.1、5.0、3.1 dS·m-1。由此可以看出，稳定出流液电导率、土壤积盐程度的大小依赖于入渗溶液的种类和浓度；土壤积盐程度由大到小依次为：Na＞Ca＞Mg，且浓度越大土壤积盐越严重。

图5 不同浓度条件下出流液电导率和pH 的变化Fig. 5 Variation of conductivity and pH of the outflow under different concentration of the solution

保持入渗溶液的pH 为6，输入3、5、10 g·L-1CaCl2、MgCl2的出流液 pH 在入渗结束时稳定在6.50～6.60、6.65～6.75 之间；输入 NaCl 溶液的土壤出流液 pH 随着出流液体积的增加而增大，在入渗结束时三种浓度的pH 稳定在7.2～7.3 之间，造成土壤轻微碱化，这表明盐分离子的种类对土壤 pH 的影响大于盐分离子浓度，且影响土壤 pH 的主要离子为Na+。一般认为 Na+的水解是导致出流液pH 较高的主要原因，土壤黏粒吸附的Na+进入土壤溶液，而溶液中的H+进入交换相，从而导致土壤溶液pH 的升高，而钙镁离子入渗过程中，土壤pH 受控于土壤胶体上的交换性Na+和水溶性的添加Ca2+、Mg2+后，土壤中的含量减少，Ca2+、Mg2+与土壤中Na+发生离子交换反应，交换出来的钠离子向下迁移运动，水溶性钠离子消失后，钙镁离子继续与土壤胶体上的交换性钠离子反应，使得土壤中钠离子含量降低，从而降低土壤pH[30]。

2.5 不同入渗处理土壤盐分阳离子的运移过程

咸水/微咸水入渗改变了土壤渗透性，与此同时，渗透性又如何影响盐分阳离子的运移过程，也是一个值得探讨的科学问题。图6 中显示了3、5、10 g·L-1NaCl 入渗时土柱 8、16、22、28 cm 位置处Ca2++Mg2+、Na+随时间的变化特征。由图 6 可知，Ca2++Mg2+在土柱8、16、22、28 cm 出流最大峰值分别为 0.076、0.190、0.332、0.368 g·L-1（3 g·L-1NaCl），0.511、0.700、0.733、0.835 g·L-1（5 g·L-1NaCl）和 1.667、1.787、1.698、2.831 g·L-1（10 g·L NaCl）。由此可以看出，Ca2++Mg2+浓度随着入渗深度和Na+浓度的增加而增加，输入10 g·L-1NaCl 溶液的土壤中置换出来的 Ca2++Mg2+远高于其他两个浓度；这是由于土壤溶液中 Na+浓度越高，被置换出来的Ca2+、Mg2+越多，表层土壤中被置换出来的 Ca2+、Mg2+随入渗溶液向下迁移，使土壤底部Ca2+、Mg2+含量较高。不同浓度 Na+的迁移规律相似，随着持续输入NaCl 溶液，土柱各层Na+浓度不断增大，经过约40 h 后基本达到一个定值，此时土壤中Na+的吸附反应也基本达到了稳定状态。入渗结束时，出流液中 Na+浓度基本维持在 1 g·L-1（3 g·L-1NaCl）、2.2 g·L-1（5 g·L-1NaCl）、4.6 g·L-1（10 g·L-1NaCl）。由图 6 可以看出，3、5、10 g·L-1NaCl 溶液入渗，土柱各段 Na+含量最多的分别是 B 段（3 g·L-1NaCl）、A 段（5 g·L-1NaCl）、A 段（10 g·L-1NaCl），这与图2 中3、5、10 g·L-1NaCl 溶液入渗，土壤相对渗透系数最小段相一致。从图6 中可以发现，上层土壤的 Na+含量大于下层土壤，且土壤各层钠离子含量相互之间差距不大，随着入渗溶液浓度的升高，入渗过程中进入土壤中的 Na+数量随之增加，使得 Na+置换出的 Ca2+、Mg2+数量越多，而Ca2++Mg2+浓度随着入渗深度和浓度的增加而增加，土壤积盐情况越严重。

图6 不同浓度NaCl 溶液入渗下土壤中Ca2++Mg2+、Na+浓度随时间变化Fig. 6 Temporal variation of concentration of Ca2++Mg2+ and Na+ in the soil relative to concentration of the NaCl solution tested

3 结 论

通过室内土柱试验，设置了3 种盐分（NaCl、MgCl2、CaCl2）3 个浓度梯度（3、5、10 g·L-1），研究不同浓度的咸水/微咸水对土壤渗透性能及溶质运移的影响，得出如下结论：（1）对土柱整体的渗透性而言，NaCl 溶液浓度越高土壤渗透性能降低程度越大；CaCl2、MgCl2溶液均能提升土柱的渗透性能，但提升程度会随着溶液浓度的升高而逐渐放缓。其中3 g·L-1CaCl2对于提升土壤的渗透性能最为显著。这说明在利用微咸水/咸水灌溉或者碱土盐渍土改良的过程中可以适当加入钙制剂，利于洗盐，从而缓解土壤盐渍化。（2）对于土柱各层的渗透性，NaCl 溶液浓度越高，表层土壤的渗透性降低得越大；CaCl2、MgCl2溶液浓度越小，表层土壤的渗透性能增加得越大；溶液对表层土壤渗透性能的影响大于下层。（3）土壤含盐量主要取决于入渗水的种类及浓度；在NaCl 溶液长期灌溉过程中，对土壤中的Ca2+、Mg2+影响程度较大，且在灌溉过程中容易发生土壤积盐的情况，入渗溶液浓度越高，积盐越严重。因此，在利用咸水/微咸水灌溉时，要根据土壤的具体情况，合理配置灌溉水质，必要时结合改良措施，以避免对土壤渗透性能及作物生长的影响。