溶质类型与矿化度对土壤水分扩散率的影响

溶质类型与矿化度对土壤水分扩散率的影响󰀁

郭全恩1,2,󰀁王益权1,󰀁马忠明2,󰀁车宗贤2,󰀁南丽丽3,󰀁徐世文3,󰀁刘延东3(1󰀁西北农林科技大学资环学院,陕西󰀁杨凌󰀁712100;󰀁2󰀁甘肃省农业科学院土壤肥料与节水农业研究所,甘肃󰀁兰州󰀁730070;3󰀁甘肃农业大学草业学院,甘肃󰀁兰州󰀁730070)摘󰀁要:󰀁以甘肃省秦安县果园石灰性土壤为研究对象,采用水平土柱入渗法,探讨了不同矿化度下(1g/L、3g/L、5g/L、10g/L)的三种钠盐(NaCl、Na2SO4和Na2CO3)对石灰性土壤水分扩散率的影响。结果表明:在水盐复合迁移体系中盐分与水分迁移具有不同步性,影响不同步性的因子与盐分类型有很大关系。NaCl对水分移动速度有促进,但对于水分扩散率有抑制,而Na2SO4和Na2CO3对水分移动速度和水分扩散率均有抑制。盐溶液对土壤基膜特性的影响程度要高于对传输液体特性的影响程度。NaCl和Na2SO4的盐溶液对土壤基膜特性和传输液体特性的影响要比Na2CO3溶液明显。关键词:󰀁溶质类型;矿化度;土壤基膜特性;石灰性土壤;土壤水分扩散率中图分类号:󰀁S156.4.1󰀁S161󰀁󰀁󰀁文献标识码:A󰀁󰀁󰀁文章编号:1000-6060(2011)01-0086-05(86~90)

󰀁󰀁在干旱和半干旱地区,由于淡水资源的缺乏,解决水资源供需矛盾,将劣质水(包括咸水和微咸水)充分合理利用农业灌溉,已成为世界各国关注的热点问题。中国在微咸水利用方面也有较快的发展,新疆、河北、辽宁、内蒙古、甘肃、宁夏等地都有利用微咸水灌溉方面的报道󰀁1󰀁,实践表明,只要利用合理,微咸水不但不会导致土壤盐渍化,而且可使作物增产󰀁2󰀁。但是,甘肃省秦安县葫芦河流域石灰性土壤,是当地果树栽培的主要土壤,由于该区域多年干旱少雨,长期利用微咸水灌溉,导致土壤次生盐渍化的发生,对当地苹果生产已经构成了严重威胁󰀁3󰀁。近年来,采用微咸水灌溉对土壤盐分累积的影响受到关注,对垂直入渗过程中土壤水盐运移的研究颇多󰀁4-8󰀁,而对水平入渗过程中土壤水盐运移报道较少,杨香云等人采用KCl、KH2PO4、(NH4)2SO43种不同溶质,对棕壤土水分扩散率的影响进行了研究󰀁9󰀁。宋新山等人对松嫩平原盐碱土水分扩散率进行了研究󰀁10󰀁。白军红等人用去离子水对天然盐碱化湿地土壤水分扩散率进行了模拟研究󰀁11󰀁。但有关NaCl、Na2SO4和Na2CO3三种钠盐对石灰性次生盐渍化土壤水分扩散率的影响还未见报道。由于在盐渍化土壤,绝大多数土壤盐分的危害来自于NaCl、Na2SO4、Na2CO3。为此,本研究以甘肃省秦安县果园石灰性次生盐渍化土壤为研究对象,探讨不同矿化度的三种钠盐(NaCl、Na2SO4、Na2CO3)对土壤水分扩散率的影响,旨在为室内水盐运移模型的建立和田间微咸水灌溉提供科学依据。1󰀁材料与方法1.1󰀁供试土壤供试土壤取自甘肃省秦安县兴国镇郑川村果园表层土样,有机质含量为10.52g/kg,CaCO3含量为134.8g/kg,pH为8.54,电导率为251󰀁s/cm。土壤颗粒分析采用国际制划分标准,分析仪器是MS2000激光粒度仪,土壤砂粒(0.02~2mm)含量为252.0g/kg,粉砂粒(0.002~0.02mm)含量为539.3g/kg,粘粒(<0.002mm)含量为208.7g/kg,属粉砂粘壤土。1.2󰀁试验设计本试验选择NaCl、Na2SO4和Na2CO3三种盐分类型,每种盐分类型设4个矿化度的处理,即1,3,5和10g/L,同时用蒸馏水作为对照。即共13个处理,第34卷󰀁第1期2011年1月󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁ARID󰀁LAND󰀁GEOGRAPHY󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁Vo.l34󰀁No.1Jan.󰀁2011

󰀁收稿日期:2010-04-24;󰀁修订日期:2010-06-15基金项目:甘肃省自然科学研究基金项目(0803KJZA040)和甘肃省国际合作项目(090WCGA902)资助作者简介:郭全恩(1974-),男,甘肃天水人,助研,博士,主要从事水盐运移及盐碱土改良等方面的研究.E󰀁mai:lqnguo@sina.com通讯作者:王益权(1957-),男,博士,教授,博士生导师,研究方向为土壤物理每个处理重复3次。1.3󰀁试验方法采用水平土柱入渗法󰀁12󰀁。入渗试验柱是用有机玻璃制成的,柱体分为3段:水室段,长5cm,连接马氏瓶,控制水室内液面与试样段土样的高度相同,以消除重力势和压力势对土壤水分扩散的影响;滤层段,长1cm,内填石英砂缓冲水流,使水流保持层流状态;试样段,共36节,前4节每节长2cm,其余每节长1cm,总长度为40cm,填装供试土样。供试实验装置如图1所示。

图1󰀁实验装置Fig.1󰀁Experimentalfacility实验于2009年4月在甘肃省农业科学院土壤肥料与节水农业研究所实验室进行。不同盐分类型和浓度的处理均是用图1实验装置分次进行,每次做1个处理,3个重复。实验前,首先在土柱底端装入1cm高的石英砂,然后把烘干过的土样过2mm筛,按容重为1.3g/cm3分层(每2cm装一层)装入土柱,用马氏瓶供给不同矿化度的水分,让水分从土柱的一端流入另一端,当湿润峰前进到一定的距离时,关掉水源,停止供水,从湿润峰端开始迅速用刀子切片取土样测定土壤水分含量。土壤水分的测定用烘干法。2󰀁结果与讨论2.1󰀁溶质类型与矿化度对湿润峰移动平均速率的影响土壤水分水平扩散的驱动力主要是基质势,科学论断只是反映了土壤性状与水分移动状况基本关系。事实上,移动水分的物理状态和化学类型也不同程度地左右着水分在土壤中的移动能力。从图2可以看出,不同盐分类型和矿化度的入渗溶液在水平入渗期间,对湿润峰移动平均速率有着极为明显的影响。对NaCl而言,当NaCl的矿化度为1g/L时,湿润峰移动的平均速率最大,为0.084cm/min,高于纯水的扩散速率,随着其矿化度的增大,湿润峰移动平均速率逐渐减小,当NaCl的矿化度为5g/L时,湿润峰移动的平均速率最小,为0.058cm/min;当NaCl的矿化度为10g/L,湿润峰移动的平均速率略有增加,为0.063cm/min。对于中性的Na2SO4和碱性的Na2CO3溶液而言,各水平处理的湿润峰移动平均速率均小于纯水,湿润峰移动平均速率与其矿化度关系呈现出先增大而后减小的趋势。即当Na2SO4和Na2CO3的矿化度均为1g/L时,其湿润峰移动平均速率分别为0.042cm/min和0.043cm/min,湿润峰移动平均速率较小,当Na2SO4和Na2CO3的矿化度均为3g/L时,湿润峰移动平均速率最大,分别为0.050cm/min和0.049cm/min,随后随着矿化度的增大其湿润峰移动平均速率逐渐减小。Na2SO4的矿化度为10g/L和Na2CO3的矿化度为5g/L是实验所有处理中湿润峰移动平均速率最小的,分别为0.039cm/min和0.031cm/min。这是因为各类盐溶液在低矿化度时改变水分物理性质作用,对微团聚体稳定性影响不显著,只有在高矿化度时会显著改变土壤微团聚体的稳定性,导致导水孔隙的赌塞,因此高矿化度时水分扩散速率才会有明显的降低。当前生产实践中出现的不少斥水性退化土壤,其中土壤团聚作用被破坏是原因之一。

图2󰀁溶质类型与矿化度对湿润峰移动平均速率的影响Fig.2󰀁Effectofsolutetypeandmineralizationonaveragevelocityofthehumidpeaktransfer具有相同陪伴阳离子类型的不同无机盐类而言,其阴离子的化学性状对于土壤水分移动能力的影响表现得较为明显。比较NaCl、Na2SO4和871期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁郭全恩等:溶质类型与矿化度对土壤水分扩散率的影响󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁Na2CO3三种盐之间湿润峰移动平均速率,NaCl处理的湿润峰移动平均速率均明显大于Na2SO4和Na2CO3处理。这是因为土壤中移动较快的Cl-离子,在水分移动期间几乎会随湿润峰而一起移动,在峰面上易形成较高的溶质势梯度,促进了水分前进的速度;移动相对较慢的SO-24和CO-23则相反,不仅不会在湿润峰面上形成较高的溶质势,相反因离子移动较慢,甚至和土壤中其它Ca+2、Mg+2结合,限制了其它离子扩散,增加了水分延伸区的溶质势而限制了水分湿润峰的移动速度。而Na2SO4和Na2CO3之间湿润峰移动平均速率比较,在矿化度较小(<3g/L)时,二者差异不明显,在矿化度较大(>5g/L)时,Na2SO4处理的湿润峰移动平均速率明显大于Na2CO3处理。因此,可以说在水盐复合溶液中,各种盐分离子与水分迁移时具有不同程度的同步性,其同步程度与盐分离子类型和矿化度有明显的关系,易迁移性离子与水分子扩散的同步性明显地要比难迁移性离子与水分子扩散的同步性高。2.2󰀁溶质类型与矿化度对土壤水分扩散率的影响由于水分动力学参数受多种因素和土壤过程的影响,如土壤质地、结构、有机物质含量、胶体上离子的类型等一系列土壤静态性质的影响,也受诸如水分移动过程中土壤胶体颗粒的胀缩过程、土壤结构崩解与孔隙的堵塞、土壤胶体上离子解离与交换过程、土壤空气的阻碍等影响,除此以外,也受土壤溶液组成与浓度的影响,尤其是在盐渍化土壤和咸水灌溉的土壤中,水质对于水分动力学参数的影响显得更为重要。由图3可知,虽然在土壤介质中运动液体的溶质类型及矿化度有所不同,但土壤水分扩散率与含水量之间的关系均符合指数函数D(󰀁)=aeb󰀁变化规律,其相关系数r均达到极显著水平(r>0.857)。

图3󰀁溶质类型与矿化度对土壤水分扩散率的影响Fig.3󰀁Effectofsolutetypeandmineralizationonsoilwaterdiffusivity88󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁干旱区地理󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁34卷󰀁󰀁模型参数a的物理意义是指当含水量为零时的土壤水分扩散能力,在某种意义上它反映着土壤基质传输水分的潜在能力,取决于土壤基模的一系列性状。由图3可知,与蒸馏水(CK)处理相比,土壤溶液中盐分类型对土壤基模性质产生了明显影响,导致土壤基模传输水分的能力均不同程度地下降,下降幅度与纯水处理相差1到3个数量级,其中影响程度相对较小的是碱性Na2CO3,而影响程度较为明显的是中性NaCl和Na2SO4。模型参数b表示水分扩散率随含水量的变化速率,很大程度上依赖于液体性质,3种盐处理的b值虽然也均大于纯水处理,但是其差值却没有a的差值那样大,说明盐溶液对土壤基模性质的影响程度高于对传输液体性质的影响程度。同样Na2CO3的影响程度相对较小,而中性NaCl和Na2SO4的影响程度较为明显。不同矿化度处理间b值变化没有明显的规律性。不同盐分类型和矿化度的处理土壤水分扩散率随容积含水量增加而增大,且绝大多数处理均在土壤含水量低于0.25cm3/cm3时,扩散率D(󰀁)随土壤含水量增加而变化极为缓慢;只有当土壤含水量高于0.25cm3/cm3,扩散率D(󰀁)随土壤含水量的升高才急剧地增加。在NaCl、Na2SO4和Na2CO3三种盐之间,当入渗溶液的矿化度分别为1,3和10g/L时,随容积含水量的增加,土壤水分扩散率增加的速率是Na2SO4>Na2CO3>NaC,l尤以矿化度为1g/LNa2SO4处理土壤水分扩散率增加速率最为明显;当入渗溶液的矿化度分别为5g/L时,随容积含水量的增加,土壤水分扩散率增加的速率是NaCl>Na2SO4>Na2CO3。3󰀁结论(1)不同盐分类型对以湿润峰为指标的水分移动速度和以含水量为依据的水分扩散率的影响不同。在水盐复合迁移体系中盐分与水分迁移具有不同步性,影响不同步性的因子与盐分类型有很大关系。NaCl对水分移动速度有促进,但对于水分扩散率有抑制,而Na2SO4和Na2CO3对水分移动速度和水分扩散率均有抑制。这体现了水质盐分类型对石灰性土壤水分扩散率的影响。(2)土壤溶液中盐分类型对土壤基模性质产生着明显的作用与影响,导致土壤基模传输水分的能力均不同程度地下降,其中影响程度相对较小的是碱性Na2CO3,而影响程度较为明显的是中性NaCl和Na2SO4。(3)盐溶液对土壤基模性质的影响程度要高于对传输液体性质的影响程度。盐溶液对传输液体性质的影响程度是:Na2CO3的影响程度相对较小,而中性NaCl和Na2SO4的影响程度较为明显。