盐水入渗和有植物条件下室内层状土壤水盐运移的研究

李睿冉，刘思岐，刘 旭

（1.山东水利职业学院，山东日照276826；2.北京市南水北调团城湖管理处，北京100195；3.日照市土地发展集团，山东日照276826）

0 引言

自然界中的土壤大多呈层状结构，对水盐运移以及植被生长具有重要影响。由于层状土的土壤质地不均导致上下两层基质势连续而含水率不连续，影响了水分运动的速率，所以层状土的水分运动规律不同于均质土。国内外学者在均质土入渗和蒸发规律研究的基础上对非均质土的入渗和蒸发规律进行了大量的试验研究，取得了突破性的进展[1,2]，许多学者利用不同方法从不同角度研究分析了层状土壤水分运动规律和土壤水分对于植物生长的影响，取得了丰富的研究成果。研究结果表明：砂层的存在对水流入渗起到阻水减渗的作用，当湿润峰穿过界面后，入渗率变为常数[3]；无论下层土质比表层土质粗还是细，当下层土壤质地和导水性质不同于表层土壤时，其作用都将是降低入渗率[4]。无论是上细下粗型层状土，还是上粗下细型层状土，土壤都可看作是均质的，并且入渗过程由细质土来控制[5]。层状结构土壤的阻水减渗作用是由于土壤质地的变化使交界面以上的水分沿水平方向的运移速度增大，沿垂直方向的运移速度减小[6]。当地下水位超出特征长度时土壤蒸散发速率会大幅度降低[7]。SHOKRI 等将特征长度的研究拓展到层状土，发现均质壤土特征长度明显大于上层为砂土的层状土壤[8]。层状土壤的土层排序（位置）以及厚度都会对水盐运移产生重要影响[9]。具有相同厚度、相同土质的土壤，土层排序不同，可导致累积入渗量和入渗率不同，而且指流的形成和发育也出现不同[10]。在层状土中，黏土夹层的存在对潜水蒸发和伴随的盐分迁移起到阻滞作用，但阻滞程度受到黏土层水力特性、层位、厚度、地下水埋深等的综合影响，黏土层厚度越大或层位越浅，越不利于盐分的冲洗和淋溶[11,12]。对于粗质夹层来说，夹砂层对蒸发条件下的盐分运动起到明显的抑制作用[13]。张瑞喜等研究了上层覆砂对潜水蒸发和盐分运移的影响，认为覆砂具有抑盐效应；随覆砂厚度的增加，抑盐效果显著[14]。

层状土中优先流的产生也会影响到盐分的运移。PORRO等通过对层状土溶质运移试验结果的分析，认为传统的对流弥散方程同样适用于层状土；但当层状土中有指流发生时，传统的对流弥散方程在模拟优先流方面可能具有一定欠缺[15]。例如JAVAUX 和VANCLOOSTER[16]通过对现场非饱和入渗试验的观测，发现砂性土层中有黏性夹层会造成明显的不均匀流场，利用传统的对流弥散模型拟合得到的弥散度很大，不符合实际。郭会荣等根据室内土柱实验获取的穿透曲线对饱和条件下土壤溶质优先运移的一般规律进行了分析，并计算分析了定量评价优先流的指标[17]。

土壤水分对于植物生长影响的研究已经有很多。TURNER[18]的研究结果表明：植物通过减少生物量来适应土壤的干旱；李文华等[19]通过研究植物各个部分的生物量及其比值来反映植物对水分胁迫的响应；JENSEN 等[20]发现植物发生水分胁迫时体内的化学物质的异常要早于植物叶水势的降低；上官周平[21]研究了玉米在水分胁迫作用下光合速率的变化，发现光合速率会随着水分胁迫的加剧而逐渐变小；DAVIES 等[22]的研究表明：植物可以利用根系合成的化学物质来抵抗水分胁迫，也能通过合成降低叶水势的物质来调节叶水势，达到减少水分蒸腾的目的，同时增加植物的吸水能力。层状土壤不同土层的性质及其土层之间的相互影响会导致土壤持水性的差异，而在干旱地区，植物生长的决定性因子就是土壤含水量[23,24]。

以往对层状土壤水盐运移的研究多关注于单纯的入渗、蒸发过程，很少研究指流和溶质运移对变化边界的响应；在进行水盐运移研究时多关注均质土或土层差异较小的情况，很少考虑土壤水力特性差异较大的强异质层状土壤对水盐运移产生的影响。因此有必要通过室内层状土水盐运移试验，研究上细下粗层状土中指流的形成和发育特征以及溶质的分布、穿透规律等，从而深入研究强异质层状土条件下的水盐运移规律，有助于地下水污染问题的防治、提高农业用水的效率和盐碱地的防治。

1 研究方法及内容

1.1 研究方法

本文主要针对表面栽种植物的上细下粗型强异质层状土柱（上层为壤土，下层为粗粒径河砂）进行室内积水入渗及蒸发试验，探究上细下粗层状结构土壤中层状土水盐运移规律。同时，为了解植物水分利用情况，进行了区分植物蒸腾、棵间蒸发的试验。试验地点为中国农业大学水利与土木工程学院水环境实验室。

1.2 研究内容

（1）土柱水盐运移试验。通过表面栽种植物的上细下粗型强异质层状土柱的室内水盐运移试验，分析层状土在盐水（0.1 mol/L 的NaCl 溶液）入渗过程中的入渗率、累积入渗量、土壤含水率和土壤中盐分浓度随时间变化的规律，并在入渗基础上进行蒸发试验，分析蒸发过程中土壤含水率和土壤中盐分浓度随时间变化的规律，探究表面栽种植物的上细下粗型强异质层状土对水盐运移的影响。

2 植物生长条件下的室内层状土柱水盐运移试验

2.1 试验土壤

试验中使用土壤取自中国农业大学上庄试验站，下层为粗质河砂。壤土及河砂的颗粒分析结果和水力特性参数分别见表1 和表2。表2 中壤土及河砂的饱和含水率θs采用相应均质土柱定水头积水入渗试验结束时烘干法实测土柱剖面平均含水率表示，而饱和导水率Ks则用稳定入渗率表示，初始含盐量接近为0。

表1 土壤颗粒组成 %Tab.1 Soil particle composition

表2 土壤水力特性参数Tab.2 Parameters of soil hydraulic characteristics

2.2 试验装置

进行了层状土柱水盐运移试验，为了方便对照，同时进行了相同条件下均质壤土的水盐运移试验。试验装置主要由土柱、供水装置、水盐监测装置和称重装置4 部分组成，见图1。

图1 土柱入渗试验装置示意图（单位：cm）Fig.1 Schematic diagram of soil column infiltration test device

试验所用有机玻璃柱内径和高分别为18.3 cm、85 cm，沿土柱垂直方向每隔10 cm处开一个直径为3 cm的小孔，插入土壤三参数传感器用于监测水盐动态，在土柱底部设有排气、排水室。供水装置采用马氏瓶（内径9 cm，高45 cm），利用其固定水头供水并进行入渗量的测量。水盐监测装置采用土壤三参数传感器（型号EM50），传感器上连接数据采集器用以观测记录土壤含水率和电导率随时间的变化。称重装置采用电子秤（精度为0.1 g，量程为70 kg）。

均质土柱（壤土）和层状土柱（壤土+河砂）的土样装填高度均50 cm，层状土柱中下层河砂厚度为20 cm，上层壤土厚度为30 cm。壤土的设计干密度为1.45 g/cm3，设计入渗试验土壤初始含水率为10%，设计积水水头为2 cm。均质土柱共埋设4 个土壤三参数传感器探头，埋设深度z分别为5、15、25、35 cm；层状土柱在上层均质土层中埋设3 个土壤三参数传感器探头，埋设深度z分别为5、15、25 cm（由于下层河砂粒径太大易对仪器造成损坏，故未在下层埋设探头）。

2.3 试验方案

试验设计2 个处理，分别为均质土柱（壤土）、层状土柱（壤土+河砂）的水盐运移试验，两种处理均是在表面栽种富贵竹的情况下进行，其中入渗试验和蒸发试验的时间间隔为24 h。

3 区分棵间蒸发、植物蒸腾试验

3.1 试验土壤

本试验是区分土壤表面蒸发及植物蒸腾的附加试验，试验土壤、用水及供水装置与土柱水盐运移试验相同，入渗装置为2 个相同的透明有机玻璃土柱（内径18.3 cm，高度20 cm），土柱底端两侧设有排气孔（减少禁锢空气对入渗产生的影响）。蒸散发量采用电子秤（精度0.1 g）测量。

[21]刘悠翔：《东南亚才是中国网文的海外第一粉丝团》，http://www.infzm.com/content/123740，2017年3月24日。

2 个土柱中填装均质壤土，填装高度为12 cm，底层铺设3 cm 反滤层，其中一个土柱表面栽种富贵竹。壤土的设计干容重和初始含水率与一维土柱水盐运移试验相同，入渗时的设计积水水头为2 cm。

3.2 试验方案

试验设计2种处理，一种处理是表面不栽种富贵竹，仅有土面蒸发；另一种处理是表面栽种富贵竹，并将土面利用塑料薄膜盖住阻止棵间蒸发，仅存在植物蒸腾。2种处理在相同条件下进行蒸散发试验。其中在试验进行大约到600 h 时，为了让试验环境恢复到初始状态，100 h 后继续进行2 种处理下的试验。

4 试验结果及分析

4.1 累积入渗量

累积入渗量即入渗开始后一段时间内，通过地表单位面积入渗到土壤中的总水量。根据记录马氏瓶读数得到的实测数据，均质土柱、层状土柱入渗试验的累积入渗量随时间的变化规律对比见图2。由图2 可见：均质土柱和层状土柱的累积入渗量随时间变化的大体趋势基本相同，都是随水分下渗而增加，均质土的变化是非线性的，层状土柱是先非线性变化，后线性变化。通过对比分析层状土柱及均质土柱的累积入渗量可知：湿润锋进入河砂层后，相应时段内层状土柱的累积入渗量小于均质土柱的累积入渗量，说明土柱下层铺设的河砂层可以使入渗水量减小，具有减渗作用，这与王文焰等人的研究结果一致[3]。

图2 均质土柱和层状土柱累积入渗量随时间的变化Fig.2 Cumulative infiltration of homogeneous soil columnⅠand layered soil column with time

4.2 入渗率

根据记录马氏瓶读数得到的实测数据，均质土柱、层状土柱入渗试验的入渗率随时间的变化规律见图3。层状土柱稳定入渗率为0.016 cm/min。湿润锋进入石英砂层后，相应时刻层状土入渗率低于均质土柱的入渗率，说明石英砂层起到了降低入渗率的作用，这与MILLER 和GARDNER 等人的研究成果一致[4]。层状土柱在入渗进行到400 min 左右时，入渗率突然增大，最终稳定在0.035 cm/min，推测原因是发生指流或者边壁流，从而导致入渗率突变，但该想法有待进一步验证。

图3 均质土柱和层状土柱入渗率随时间的变化Fig.3 The change of infiltration rate of homogeneous soil column and layered soil column with time

4.3 土壤体积含水率分布

根据均质土柱、层状土柱在整个水盐运移过程中的实测含水率数据，研究土柱内部土壤水分传感器探头附近的土壤含水率随时间的变化规律。

入渗过程的体积含水率变化见图4 和图5。随着入渗的进行，均质土柱和层状土柱的土壤体积含水率均从上至下依次骤升随后趋于平稳，含水率骤升时刻即湿润峰到达的时刻，这与黄风等[25]研究结果：在一定深度范围内随着土壤的深度加深含水率逐渐增大一致。由图4可见，均质壤土土柱埋深分别为15、25和35 cm 的3个探头测得的土壤体积含水率在升高的过程中与5 cm 的浅层土壤不同，具体表现为含水率曲线依次变缓并且出现波动，曲线上升需要的时间增加，该现象随着深度增加越发明显，在35 cm 层波动最大。这种现象产生的原因可能是在装土的过程中土壤夯实不均匀或者土柱中空气较难排出，湿润锋前端空气阻力增加，导致水分在入渗的过程中湿润锋不稳定从而产生指流[26,27]。图4 中不同深度趋于稳定时的饱和体积含水率略有差异。由图5 可见，层状土土柱15 cm 及25 cm 深度的体积含水率相比5 cm 层的体积含水率的波动较大，且在与河砂层相近的25 cm 层，土壤体积含水率随时间变化200 min 左右保持不变，推测是由于水分运动到层状土的土层交界面处时湿润锋不稳定而产生指流，导致体积含水率随时间的变化也随之出现停滞。对比均质土柱（图4）与层状土柱（图5）的体积含水率随时间的变化曲线，可以发现均质土柱在15 cm 和25 cm 深处的体积含水率变化较快，原因是层状土有阻水减渗作用，水分向下运动速度较慢。

图4 均质土柱传感器探头实测入渗体积含水率随时间的变化Fig.4 Change of measured volumetric water content of infiltration with time by probe of homogeneous soil column sensor

图5 层状土柱传感器探头实测入渗体积含水率随时间的变化Fig.5 Change of volumetric water content

蒸发过程的体积含水率变化见图6 和图7，随着蒸发过程的进行，均质土柱和层状土柱均出现从上至下各层土壤含水率依次减小。由图6可见，与其他深度相比，5 cm深度土壤体积含水率从开始突然下降，从蒸发开始至300 h 左右，15、25、35 cm 深度的体积含水率下降速度趋于平稳，300 h 之后含水率迅速降低。原因是实验室风速较小，前期蒸发速率较低，下层水分不断向上移动，导致各层水分向上蒸发同时接受下层补给，所以变化不大。从300 h 往后，随着土壤表层含水率的降低，导水率逐渐低于潜在蒸发速率，下层水分向上补给的速率减小，但是上层蒸发的速率不变，各层水分减少，所以体积含水率的减小较为明显。另外，外界环境温度的上升对潜在蒸发速率也有促进作用。由图7可见，层状土柱试验在5 cm 深度的体积含水率变化曲线也发生骤减，由于层状土柱与均质土柱的试验是同时进行的，所以含水率骤减的原因与均质土柱相同。层状土土柱25 cm 层含水率小于15 cm 层含水率，推测原因可能是25 cm 层下河砂有阻水作用，阻止了水分向上的补给。

对比均质土土柱与层状土土柱含水率随时间的变化可知，层状土土柱的体积含水率随时间减小量明显大于均质土土柱，在外界条件相同的情况下，壤土层水分向上移动的速率不变，那么造成这种现象的原因可能是河砂粒径过大，当蒸发到土层交界面处时，河砂层由于孔隙过大导致其含水率较低，水分向上补给的速率降低甚至不向上供水，而探头所测为上层土壤的体积含水率，所以壤土层的体积含水率变化大于相同深度的均质土，上层土壤水分降低较均质土明显。由此看出，层状土柱粗砂层有阻止水分运动的作用。

由图6 和图7 可以看出，层状土土柱及均质土土柱在蒸发后期蒸发量减小，体积含水率趋于平稳，减小量较少，原因是在蒸发后期，土壤体积含水率较低，蒸发速率达到一个稳定值，蒸发进入第3阶段；与此同时，土壤中的含水率降低到一定程度时，植物出现水分胁迫，蒸散用水减少，所以蒸腾量减小，体积含水率降低不明显。

图6 均质土柱传感器探头实测蒸发体积含水率随时间的变化Fig.6 Variation of evaporation volume moisture content measured by homogeneous soil column sensor probe with time

图7 层状土柱传感器探头实测蒸发体积含水率随时间的变化Fig.7 Change of water content of evaporation volume measured by sensor probe with time in Layered soil column

4.4 土壤盐分浓度分布

根据均质土柱、层状土柱的实测电导率以及所率定的电导率与浓度之间的关系，得到相应的土壤盐分浓度值，从而研究土柱内部土壤三参数传感器探头附近土壤的盐分浓度随时间的变化规律，见图8～图11。通过对比均土柱和层状土柱的盐分浓度随时间的变化曲线，可知层状土柱盐分变化缓于均质土柱，原因是盐分随着水分运动，层状土有阻水减渗的作用，所以在入渗条件下盐分变化与水分存在相似规律。

入渗过程中的盐分浓度变化见图8 和图9，从整体来看，土壤盐分的迁移是随着水分的运动而进行的，盐分在壤土中发生弥散。土柱中由上至下各层土壤的含盐量随着入渗过程的进行出现先骤升后趋于稳定的现象，最终盐分浓度均稳定在0.1 mol/L左右。

图8 均质土柱传感器探头实测入渗含盐量随时间的变化Fig.8 Change of salinity in infiltration measured by homogeneous soil column sensor probe with time

图9 层状土柱传感器探头实测入渗含盐量随时间的变化Fig.9 Change of salt content measured by layered soil column Ⅱ-2 sensor probe with time

蒸发过程盐分浓度变化见图10 和图11，盐分浓度随时间变化的整体趋势是逐渐减小，5 cm 深度当体积含水率低于一定值时，盐分浓度无法通过传感器探头测出，所以盐分浓度为零。由图10可见，从蒸发开始至350 h左右，均质土柱各深度盐分变化不明显，从350 h往后，除5 cm 层外其他各层盐分浓度突然降低。随蒸发过程的进行，土柱中各层的水分减少，盐分浓度应随之升高，但是试验测得结果却与此相悖，推测原因之一是由于含水率过小，盐分无法完全溶解，部分以结晶形式析出，导致探头无法测得；其二是由于土壤三参数传感器（EM50）对于盐分的测定存在较大的误差，导致实际数据与理论偏差较大，在体积含水率低于一定值时，盐分浓度无法通过传感器探头测出。以上想法还有待进一步验证。

图10 均质土柱传感器探头实测蒸发含盐量随时间的变化Fig.10 Change of evaporation salt content measured with time by probe of homogeneous soil column sensor

图11 层状土柱传感器探头实测蒸发含盐量随时间的变化Fig.11 Change of evaporation salt content measured by sensor probe with time in layered soil column

4.5 区分蒸发、蒸腾试验的结果

根据电子秤记录，将试验2种处理的累积蒸发量进行整理计算，计算植物蒸腾和棵间蒸发的累积蒸散发总量。利用植物蒸腾总量和棵间蒸发总量随时间变化的斜率计算植物蒸腾速率和棵间蒸发速率，求得植物蒸腾速率与棵间蒸发速率之比，利用该比例区分一维土柱水盐运移试验的棵间蒸发量和植物蒸腾量，结果应用于数值模拟。由于蒸发过程中，水分随蒸发进行而降低，盐分浓度随水分蒸发而升高，所以当蒸散发总量达到一定值时，棵间蒸发会被抑制，植物会受到水盐胁迫的影响。

研究表明，植物在土壤含水率较低的情况下会产生水分胁迫，在水分胁迫条件下，植物的水分利用效率与蒸腾速率有明显的相关关系[28,29]。植物的耐盐性视植物而异，即植物在盐分干扰下有持续生长的能力[30]。几乎所有植物在盐分作用下其生长都会受到影响，但由于植物细胞结构和生理机制的不同，盐分对其的抑制效果也不尽相同[31]。宋立奕[32]对青檀幼苗的光合生理特征变化研究表明，盐分含量的增加会使蒸腾速率降低。

根据试验数据整理发现（见图12），在蒸散发总量达到4.5 cm时，蒸发受到抑制，棵间蒸发所占比例有所下降。当蒸散发总量小于4.5 cm 时，植物蒸腾速率与棵间蒸发速率之比约为0.1；大于4.5 cm时，比值约为0.23。

图12 植物蒸腾量及土面蒸发量随时间的变化Fig.12 Changes of plant evapotranspiration and soil surface evapotranspiration with time

5 结论

本文监测了有植物生长的室内层状土柱在入渗及蒸发条件下的水盐运移情况，并且通过区分蒸发、蒸腾的附加试验分析出蒸散发中蒸发、蒸腾速率之比。通过室内层状土柱试验具体分析了下层粗质多孔介质对累积入渗量、入渗率、蒸发量、含水率、含盐量的影响。主要研究内容及结论如下。

（1）有植物生长的室内层状土入渗条件下的水盐运移试验。层状土入渗的初始阶段，上层壤土中水分的入渗属于均质入渗，湿润锋较为平整，累积入渗量呈非线性变化。随着入渗的进行，湿润锋在经过壤土和河砂的交界面时稍有停顿，累积入渗量由非线性变成线性，入渗率出现波动，出现指流情况下入渗率会突然增加，最终进入稳定入渗阶段，600 min内层状土的累积入渗量小于均质土，下层河砂有一定的阻水减渗作用。层状土在接近河砂交界面层，由于指流的存在，体积含水率的变化波动较大。盐分随水分运动并且主要受水流情况的影响，上层壤土中盐分运移受结构影响，盐分的弥散作用变小。由于植物根部可能存在一定的阻滞作用，土壤也存在一定吸附作用，导致入渗结束时各层土壤的盐分浓度小于入渗的盐分浓度。

（2）有植物生长的室内层状土蒸发条件下的水盐运移试验。层状土蒸发过程的初始阶段，表层受外界环境影响体积含水率骤降，除表层外其他各层在蒸发初期体积含水率变化不大，受到土壤层状结构影响，蒸发进行到一定程度时，交界面以下河砂含水率较低，基本不向上供水，导致上层状土体体积含水率下降明显，所以层状土柱粗砂层有阻止水分运动的作用。层状土柱的盐分浓度在蒸发过程中应随水分的减少而增加，呈现累积效果，但是由于随蒸发的进行，含水率降低到一定程度，盐分不能完全溶解，另外又由于仪器误差及盐分析出，所以实测盐分浓度呈下降趋势。

（3）区分棵间蒸发、植物蒸腾的室内试验。盐分存在会抑制蒸发，且水分过低或者盐分浓度过高时，植物会出现水盐胁迫，在蒸散发总量达到一定值时，棵间蒸发受到抑制，植物蒸腾也有受到影响，植物蒸腾与棵间蒸发比例有所改变，根据试验数据整理发现这个蒸散发总量的分界值约为4.5 cm，在蒸散发总量小于4.5 cm 时，植物蒸腾速率与棵间蒸发速率之比约为0.1；在蒸散发总量大于4.5 cm 时，植物蒸腾速率与棵间蒸发速率之比约为0.23。