河套灌区不同掺沙量对重度盐碱土壤水盐运移的影响

周利颖，李瑞平，苗庆丰，窦 旭，田 峰，于丹丹，孙晨云

河套灌区不同掺沙量对重度盐碱土壤水盐运移的影响

周利颖，李瑞平※，苗庆丰，窦 旭，田 峰，于丹丹，孙晨云

（内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，呼和浩特 010018）

采用室内土柱模拟试验，研究不同掺沙量对土壤入渗特征与水盐运移的影响。共设置了CK（不掺沙）、S1（掺沙2%）、S2（掺沙4%）、…、S15（掺沙30%）16个试验处理，测定不同处理试验期间土壤含水率和含盐量的变化。结果表明：1）随着土壤表层掺沙量的增加，土壤的累积入渗量与湿润峰运移速度都呈逐渐增加的趋势；当掺沙比例为18%～24%时，土壤稳定入渗速率在0.065～0.091 mm/min之间；掺沙比例为26%～30%时，土壤稳定入渗速率大于0.1 mm/min，土壤持水能力较低。2）不同处理在7、11、15 d的土壤平均含水率差异显著（<0.05），适当增大掺沙量可以有效促进土壤水分向下运移，掺沙比例过大会降低土壤的持水能力。3）当掺沙比例小于24%时，不同处理7 d的土壤含盐量差异显著（<0.05）；S9～S12处理在20 d时30 cm土层的土壤含盐量相比不掺沙的处理降低90%以上，能够同时保证土壤的脱盐能力和持水能力。4）Kostiakov模型能够很好地在本研究中对土壤水分入渗过程进行模拟。该研究结果可为表层土壤掺沙改良河套灌区重度盐碱地提供理论支持。

入渗；盐分；土壤；重度盐碱地；掺沙；水盐运移；模型模拟

0 引 言

内蒙古河套灌区的土壤盐渍化问题严重制约当地农业的可持续发展，灌区的盐渍化耕地面积约为39.4万hm2，占总耕地面积的68.65%[1]。土壤盐渍化影响作物的生长和发育，因此需要进行合理的耕作措施，通过改变土壤盐分运动来改善作物的生长环境[2-3]。近年来针对盐碱土壤的改良措施有很多，例如覆盖秸秆和枯草等措施能够有效抑制蒸发，有利于土壤生态过程逐渐向良性转化[4-8]，但不能达到土壤快速脱盐的目的。地下埋设秸秆或砂层的脱盐系数较大，需要的淋洗定额小[9-10]，但具有埋设距离过小时工作量大、距离过大时脱盐不均的缺点。深耕深松措施可以降低淋洗后盐碱土壤的含盐量，使土壤的理化性状得到改善[11-12]，但对于重度盐碱地所需的淋洗时间较长。灌区的重度盐碱地主要分布于总干、总排干两侧和乌梁素海周边、套区地势低洼的地带，土壤具有粉粒含量大、物理性质差的特点，采用土壤掺沙的方法能够通过改变土壤的机械组成来提高土壤的入渗速率，从而达到使土壤快速脱盐的目的。

目前有许多国内外学者对掺沙条件下土壤水盐运移规律做了深入研究，发现表层掺沙能够增大土壤的有效孔隙度，从而使盐碱土壤的水盐运移规律发生改变[13-15]。另一方面，掺沙可以使土壤的团粒结构增强，增大保水、蓄水能力[16-17]。土壤表层掺沙不仅能够增大土壤的入渗能力，还可以提高掺沙层以下的土壤含水率，可有效地抑制土壤水分的蒸发和表层盐分的累积[18-20]，从而显著提高作物产量。因此，灌区表层掺沙可以有效解决土壤粉粒含量多、入渗速度慢的问题，研究不同掺沙量条件下土壤入渗与水盐运移机理，是改良重度盐碱地的重要依据。

盐碱土壤的成因类型不同，其治理方法也多种多样。掺沙压盐的方法目前虽已被众多学者认可，但是合理掺沙仍然是这一措施的核心问题，掺沙量过大会导致工作量大、成本高，掺沙量过小不起作用。因此，本文针对河套灌区紧邻排干沟的土壤粉粒含量高、盐渍化程度严重的问题，以乌拉特前旗田间排干沟附近的一块荒地为研究对象，采用室内一维垂直定水头法探讨不同掺沙量对重度盐碱化土壤入渗与水盐运移的影响，研究不同时间段土壤水盐动态变化、土壤累积入渗量和湿润锋运移距离等入渗特征指标，分析掺沙后土壤水盐变化及其入渗规律，评价Philip模型、Kostiakov模型、Horton模型3种入渗模型的适用性，旨在揭示掺沙压盐的机理，为河套灌区重度盐碱土壤改良提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选取巴彦淖尔市乌拉特前旗西山咀农场田间紧邻排干沟的重度盐碱弃耕地，采集0～40 cm土层作为供试土壤，土壤晾干粉碎后过1 mm筛备用，试验土壤的物理性质如表1所示。试验选用的沙子为风积沙，砂粒体积分数为96.71%，粉粒体积分数为2.95%，黏粒体积分数为0.34%，盐分质量分数为1.89 g/kg。

表1 试验地土壤物理性质

1.2 试验方法

采用有机玻璃土柱对表层掺沙试验进行模拟，有机玻璃柱直径9 cm，高45 cm，底端为多孔有机玻璃板，土柱装土之前先放置1张与土柱相同直径的滤纸，可以防止多孔板被土粒堵塞，土柱四周共有8个间距为5 cm的采样孔。每隔5 cm按照容重大小分层装土，0～30 cm按照设计掺沙量进行掺沙，30～40 cm装填原状土，参考李文斌等[14]的研究成果将掺沙量设计为不掺沙（CK）、2%（S1）、4%（S2）、…、30%（S15），共设16个试验处理，设置3组重复试验，试验装置如图1所示。顶部预留5 cm灌水，装土深度为40 cm。装土完成后将土柱过夜放置以达到平衡状态，然后利用蒸馏水对土柱进行定水头灌水。土柱上方覆盖保鲜膜防止蒸发，以不掺沙土柱入渗完成的时间为试验结束的时间。

试验于2019年10月15日开始进行，48个土柱同时利用马氏瓶灌水并保持5 cm水头，土柱和马氏瓶表面均标有刻度，便于观测湿润峰深度和马氏瓶水位。为测定土柱中土壤水盐运移情况，分别在开始的3、7、11、15 d对土柱中的土壤进行采样。通过取样孔采集土样，并将土样装入密封袋中。采用烘干法[21]测得土壤质量含水率，同时测定25 ℃时土水质量比为1:5的土壤浸提液的电导率，然后按下式计算土壤盐分含量[22]：

=3.471EC+0.015（1）

式中EC为土壤电导率，mS/cm；为土壤含盐量，g/kg。

图1 土柱试验图

1.3 入渗模型

1）Philip入渗模型

()=0.5-0.5+f（2）

式中()为土壤入渗速率，mm/min；为时间，min；f为模型参数，代表土壤稳定入渗速率，mm/min；为模型参数，代表土壤吸渗率，mm/min1/2。

2）Kostiakov入渗模型

()=at（3）

式中为模型参数，指入渗开始后第1个单位时段末的累积入渗量，在数值上等于第1个单位时段内的平均入渗率，mm/min；为模型参数，表示土壤水分入渗速率随时间变化的快慢程度，无量纲。

3）Horton入渗模型

()=f+(0−f)e-kt（4）

式中0为土壤初始入渗速率，mm/min；为模型参数，代表衰减指数。

1.4 数据处理

利用Excel 2019进行数据处理，在Origin 2018软件中进行绘图。利用SPSS 20.0软件对土壤含水率和含盐量进行显著性分析，显著性水平为0.05。应用Matlab 2016软件进行土壤水分入渗的拟合。模型的评价指标为均方根误差和决定系数。

2 结果与分析

2.1 掺沙量对重度盐碱化土壤水分入渗的影响

2.1.1 掺沙量对累积入渗量的影响

图2为不同掺沙量盐碱土壤的累积入渗量随时间的变化过程线。由图2可以看出，每个处理的累积入渗量都是随着时间的延长而逐渐增加，在初期累积入渗量增加速度较快，随着时间的延长入渗速度逐渐变缓。任一时刻，掺沙量越大的处理累积入渗量越大，22 d的土壤累积入渗量在56.8～127.1 cm之间。入渗结束时（22 d），S1、S2、S3、…、S15处理的累积入渗量相比于CK处理分别增加了5%、11%、18%、22%、28%、34%、41%、48%、57%、65%、72%、80%、89%、105%、124%，表明掺沙处理不同程度地增加了水体在土壤中的入渗量，可使单位时间内湿润锋体内的储水量增大

2.1.2 掺沙量对湿润锋的影响

由图3可知，土壤的湿润峰深度随着时间的变化趋势与累积入渗量相似，开始时湿润峰运移速度较快，不同处理随着时间的增加湿润峰运移的速度逐渐变缓，掺沙比例越大的处理湿润峰到达40 cm越快。CK入渗40 cm历时22 d，S15历时3 d。

注：CK为不掺沙，S1、S2、…、S15分别代表掺沙2%、4%、…、30%。下同。

图3 各处理湿润峰运移距离随时间的变化曲线

2.1.3 掺沙量对入渗速率的影响

入渗速率受土壤含水率、质地和构造等多种因素的影响[23]。图4为不同掺沙量条件下土壤入渗速率随时间的动态变化过程，各处理入渗速率随时间的变化趋势相同，都呈先快速减小后趋于稳定的变化趋势。这是因为入渗初期的土壤含水率很低，土壤水的吸力较高，从而使得初始入渗速率较大[24]。随着时间的推移，土壤水吸力随着含水率的增加逐渐减小，最后趋于稳定。由图4可知，任一时刻，土壤的入渗速率都随掺沙量的增加逐渐增大。不同掺沙处理的土壤入渗速率均大于CK处理，各处理的入渗速率随掺沙量的增加呈逐渐递增的趋势，尤其在0～40 min较为明显，掺沙可以起到提高土壤入渗速率的作用。所有处理的初始入渗速率在1.61～6.72 mm/min之间，30 min的土壤入渗速率在0.42～1.06 mm/min范围内，S1、S2、S3、…、S15处理的土壤稳定入渗速率分别是CK处理的1.1、1.3、1.5、1.8、2.1、2.3、2.7、3.1、3.6、4.1、4.5、5.1、5.7、6.2、6.8倍，由此可见，土壤稳定入渗速率随着掺沙比例的增大效果逐渐显著，掺沙比例较小时的土壤稳定入渗速率增加较慢，S9处理的稳定入渗速率为0.065 mm/min，达到了1 a秸秆全量深翻还田的效果[25]。S9～S12处理的土壤稳定入渗速率在0.065～0.091 mm/min之间，S13～S15处理的土壤稳定入渗速率大于0.1 mm/min，相当于3～4 a秸秆全量深翻还田的改良措施[25]，土壤的排水能力与释水能力虽然增强，但土壤的持水性能会降低。

图4 各处理入渗速率随时间的变化

2.2 掺沙量对重度盐碱化土壤水分和盐分淋洗效果的影响

2.2.1 掺沙量对土壤水分的影响

从土壤水分动态变化来看（图5），在3 d时，CK～S4处理在25～30 cm土层的土壤含水率均为风干含水率，S5～S10处理在30 cm土层的土壤含水率为风干含水率，而S11～S15处理土壤水分含量已高于风干含水率。不同处理在7、11、15 d的土壤平均含水率差异显著（<0.05），3 d时不同掺沙量土壤15 cm土层的含水率存在显著差异（<0.05），含水率在26.09%～28.43%范围内，此时土壤含水率随着掺沙量的增大呈逐渐增加的变化趋势，说明掺沙增加了土壤水分向下运移的速度，这是因为掺沙措施使土壤中的砂粒含量增加，土壤有效孔隙度增加[14]，从而加快了土壤水分的入渗速度，快速入渗会使土壤水分滞留在土壤表面的时间减少，使得表层水分更快地渗入深层土壤。由图5可知，在15 d时，CK～S6处理5 cm土层含水率为33.61%～36.23%，S7～S11处理5 cm土层含水率为30.06%～31.82%，S12～S15处理5 cm土层含水率为27.35%～29.55%，说明灌水后期土壤含水率随着掺沙量的增加呈降低的趋势，因此适当增大掺沙量可以有效促进土壤水分向下运动，也为土壤盐分向下迁移提供了动力，但土壤表层掺沙过量会使土壤的持水性能下降，这是因为土壤中的砂粒比表面积小，影响了土壤的蓄水能力，从而使土壤的持水能力下降。所以对盐碱地表层适量掺沙可以增加土壤水分入渗速度，从而达到快速脱盐的目的，过度的掺沙量会降低土壤的持水能力，另一方面从经济状况考虑，向盐碱土地大量运送沙子的成本也是昂贵的。

2.2.2 掺沙量对盐分淋洗效果的影响

土壤盐分分布主要受土壤结构和含水率的影响，表层掺沙能够改善土壤结构，提高了土壤水分入渗速率，从而提高了淋洗效率[26]。图6为不同掺沙量土壤盐分随时间变化的动态分布过程。试验采样区为重度盐碱土，盐渍化程度极其严重。“盐随水走”，所有处理的土壤盐分峰值都随着时间的推移向下运移。不掺沙处理CK的土壤盐分运移速度最慢，在15 d时30 cm土层处的土壤含盐量为71.88 g/kg，当掺沙量小于8%（CK～S4）时，在7 d时30 cm土层的含盐量均在67 g/kg以上，此时土柱的表层含盐量最低，并且含盐量随土层深度增加而增大，各处理不同土层的盐分含量均以0～15 cm土层最低，在15 cm土层以后的增加趋势明显，这是因为土壤盐分随着土壤水分逐渐由上向下运移，并累积在湿润峰附近，造成了上层脱盐、下层积盐的现象。当掺沙比例小于24%（CK～S12）时，7 d的土壤含盐量差异显著（<0.05），15 cm土层的含盐量在1.00～13.45 g/kg范围内，S10处理的含盐量为3.85 g/kg。在3 d的土壤积盐层随掺沙比例的增加逐渐下降，CK～S4处理的土壤盐分累积在20 cm土层，S5～S9处理在25 cm土层累积，S10～S15处理的土壤盐分累积层在30 cm，S10～S15处理的30 cm土层3d时的土壤含盐量在21.95～73.38 g/kg之间，并且呈逐渐减小的变化趋势，S10处理的下层盐分逐渐降低标志着脱盐过程的开始，说明土壤表层掺沙能够有效促进土壤淋盐过程，掺沙措施通过改善土壤结构而影响土壤水分的运移和分布，进一步影响土壤盐分的分布。

图5 各处理土壤水分动态分布

综合土壤入渗与水盐运移的动态变化分析可知，灌区重度土壤表层适宜的掺沙比例在18%～24%（S9～S12）之间，掺沙比例26%～30%的土壤稳定入渗速率较大，会导致土壤的持水能力下降。S9～S12处理在20 d时30 cm土层的土壤含盐量比不掺沙的处理降低90%以上，能够同时保证土壤的脱盐能力和持水能力。当掺沙比例为18%～24%时，此时土壤的持水能力较大，脱盐效果较为显著。土壤盐分降低的原因包括2个方面：1）由于掺沙本身会降低灌水前土壤含盐量的初始值；2）土壤水分的迁移速度随着掺沙量的增大而增加，土壤盐分的淋洗速度加快，这是土壤掺沙比例增加会使得脱盐速度加快的主要原因，表明表层掺沙具有改良重度盐碱地的潜力。

图6 各处理土壤盐分动态分布

2.3 不同掺沙量条件下重度盐碱化土壤入渗模型分析

为了进一步探索不同掺沙量条件下土壤入渗速率与时间的关系以及各入渗模型的适用性，将入渗速率随时间变化的过程利用Philip模型、Kostiakov模型和Horton模型3个入渗模型进行拟合，不同模型拟合结果如表2所示。其中决定系数2越接近1，表明方程变量对时间与土壤入渗速率的拟合程度越好；均方根误差RMSE越趋近于0，说明方程变量对土壤入渗速率的解释能力越强，模型的拟合度越佳。由表2可知，Philip模型的2在0.933～0.997之间，RMSE在0.063～0.931 mm/min之间，说明Philip模型对时间与土壤水分入渗速率的关系拟合程度较好，土壤吸湿率在6.465～22.16 mm/min1/2之间，随着土壤掺沙量的增大而逐渐增加，这是因为土壤掺沙增加了土壤的毛管孔隙，从而提高了土壤的吸水性能。稳定入渗速率f在−0.157～−0.030 mm/min范围内，不仅与实际的f符号相反，而且与真实值相差较多，说明Philip模型对重度盐碱地掺沙试验的适用性较低。Kostiakov模型的2在0.993～0.998之间，各处理的RMSE在0.042～0.341 mm/min范围内，2个参数的拟合精度都较高，说明该模型对于入渗速率随时间的变化的拟合度良好。Horton模型拟合的f过高，实际的f在0.018～0.123 mm/min范围内，其模拟值与真实值不符。综上可知，Kostiakov模型适合于分析河套灌区重度盐碱地不同掺沙量条件下土壤水分的入渗过程。

由表2可知，Kovstiakov入渗模型的经验系数呈现显著增大的变化趋势（<0.05），的变化范围在4.011～15.443 mm/min之间，说明掺沙可使参数代表的第1个单位时段末的累积入渗量明显增加，表明掺沙对增加土壤水分入渗效果明显。参数随着掺沙量的增加呈现逐渐降低的趋势，大小在−0.685～−0.612（无量纲）范围内，变化幅度较小。

表2 各处理3种土壤水分入渗模型拟合结果

注：f代表土壤稳定入渗速率；代表土壤吸渗率；指入渗开始后第1个单位时段末的累积入渗量；表示土壤水分入渗速率随时间变化的快慢程度；代表衰减指数。2为决定系数，RMSE为均方根误差。

Note: fis stable infiltration rate of soil;is soil permeability;is cumulative infiltration amount during the first time duration after infiltration;is change rate of soil moisture infiltration rate with time;is attenuation index.2indicates determination coefficient, RMSE indicates root mean square error.

3 讨 论

本文针对重度盐碱土壤粉粒含量大、物理性质差的特点，将风积沙当作物理调理剂在表层掺加，结果表明5 cm定水头条件时的适宜掺沙比例在18%～24%之间，这与李文斌等[14]的试验结论一致，掺沙20％时的黏质土壤呼吸强度大于掺沙10%、30%和40%[14]，且本文侧重于对土壤入渗、水盐运移进行研究。但试验结论存在2点不足：1）仅考虑到了将表层土壤盐分淋洗到深层，而没有考虑土壤表层返盐的现象，可结合暗管排水排盐技术，排出深层土壤盐分，从而达到改良重度盐碱土地的效果；2）本文是在5 cm定水头条件下进行长时间的灌溉淋洗，试验条件在实际中难以实现，河套灌区对盐碱地进行大水淋洗的压力水头通常在0～5 m之间[27]，土壤的入渗速率会随着压力水头的增加而降低，压力水头对粉壤土的影响程度相比于砂壤土更大[28]。在实际应用中，不同作物的适宜压力水头不同，水头增大时可通过适当减少掺沙量来降低土壤水分入渗速度，这有待进一步研究。

4 结 论

本文以河套灌区重度盐碱化土壤为研究对象，采用室内土柱灌溉试验，研究了表层不同掺沙量条件下重度盐碱化土壤入渗与水盐运移过程，以及入渗模型的适用性，结论如下：

1）土壤表层掺沙会提高土壤水分入渗性能，入渗速度和湿润峰深度都随掺沙比例的增大而增加。

2）不同处理在7、11、15 d的土壤平均含水率差异显著（<0.05）。当掺沙比例为18%～24%时，土壤稳定入渗速率在0.065～0.091 mm/min之间；掺沙比例为26%～30%时，土壤稳定入渗速率大于0.1 mm/min，土壤持水能力较低。

3）当掺沙比例小于24%时，不同处理在7 d的土壤平均含盐量差异显著（<0.05）；掺沙比例为18%～24%的处理在20 d时，30 cm土层的土壤含盐量比不掺沙的处理降低90%以上，能够同时保证土壤的脱盐能力和持水能力。

4）Kostiakov模型可以很好地模拟本研究中的土壤水分入渗过程，模型拟合的2较高（0.993～0.998），RMSE最小（0.042～0.341 mm/min），掺沙会使第1个单位时段末的累积入渗量明显增加。

综上可知，河套灌区改良重度盐碱地表层掺沙适宜的比例为18%～24%。由于土壤盐渍化程度过于严重，宜采用表层掺沙脱盐与暗管排水排盐技术相结合的措施，以达到变荒地为耕地的目的，这有待进一步研究。

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Effects of different sand ratios on infiltration and water-salt movement of heavy saline-alkali soil in Hetao irrigation area

Zhou Liying, Li Ruiping※, Miao Qingfeng, Dou Xu, Tian Feng, Yu Dandan, Sun Chenyun

(010018,)

Sand mixing measures can change the mechanical composition and texture of soil, thereby improving the efficiency of fertilizer utilization. The surface sand mixing in irrigation area can effectively solve the problem of soils with high silt content. This study explored the water-salt transport mechanisms of heavy saline-alkali soils with different contents of sand. Laboratory soil column experiments were carried out to compare the effects of different sand ratio on infiltration characteristics and water-salt transport under continuous distilled water irrigation. The soil samples were taken from 0-40 cm abandoned heavy saline-alkali farmland in Bayannur City of Inner Mongolia, China. It was located in Hetao irrigation area. In the laboratory experiments, a total of 16 treatments were set up: CK (without sand), S1(2%), S2(4%), S3(6%)…S15(30%). The results showed that: 1) With the increase of sand ratio at the surface layer of soil, the cumulative infiltration and the rate of wetting front were increased at the same time. Compared with the treatment of CK, the steady infiltration rate of soil increased by 1.1, 1.3, 1.5, 1.8, 2.1, 2.3, 2.7, 3.1, 3.6, 4.1, 4.5, 5.1, 5.7, 6.2 and 6.8 times, respectively. It indicated that the steady infiltration rate of soil increased significantly with the increase of sand mixing ratio. When the sand mixing ratio was 18%-24%, the stable infiltration rate was 0.065-0.091 mm/min; when the sand mixing ratio was 26%-30%, the stable infiltration rate was more than 0.1 mm/min, and the water holding capacity of soil was low. 2) The mean soil moisture among treatments was significant different (<0.05) at 7, 11 and 15 days, the rate of water infiltration could be increased by increasing the proportion of soil sand, and a large proportion of sand would reduce the water holding capacity of soil. 3) When the sand-mixing ratio were less than 24%, the total salt content of the soil at day 7 was significantly different among treatments (<0.05). The total salinity content at day 3 was 21.95-73.38 g/kg in 30 cm soil layer, showing a decreasing trend. 4) the Kostiakov model could well fit the infiltration process of soil water in this study.The empirical coefficient in Kostiakov infiltration model showed a significant increase trend. Its change range was between 4.011 and 15.443 mm/min, which indicated that the average infiltration rate during the first period was increased when sand ratio was increased. The effects of adding sand in soils on increasing soil water infiltration was obvious. Therefore, the measures of mixing sand in the surface layer of heavy saline-alkali farmland would be an effective way to alleviate soils salinization.

infiltration; salt; soils; heavy saline-alkali soil; sand mixing; water-salt transport; model simulation

周利颖，李瑞平，苗庆丰，等. 河套灌区不同掺沙量对重度盐碱土壤水盐运移的影响[J]. 农业工程学报，2020，36(10)：116-123.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.10.014 http://www.tcsae.org

Zhou Liying, Li Ruiping, Miao Qingfeng, et al. Effects of different sand ratios on infiltration and water-salt movement of heavy saline-alkali soil in Hetao irrigation area[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(10): 116-123. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.10.014 http://www.tcsae.org

2020-01-30

2020-05-10

内蒙古自治区科技重大专项（zdzx2018059）；国家自然科学基金项目（51839006、51769021）。

周利颖，主要从事灌溉理论与新技术研究。Email：1475531298@qq.com

李瑞平，博士，教授，博士生导师，主要从事节水灌溉与农业水利信息化技术研究。Email：nmglrp@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.10.014

S156.4

A

1002-6819(2020)-10-0116-08