土壤中鈉離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)philip模型參數(shù)的影響

我國(guó)鹽堿地主要分布在沿海鹽土和海洋土壤、黃淮海平原鹽堿地、東北松嫩平原鹽土和堿地、半沙漠地區(qū)的鹽土和青海極端干旱的鹽土五個(gè)區(qū)域。總面積約913.105公頃。中國(guó)是一個(gè)擁有眾多農(nóng)業(yè)大國(guó)和近幾億個(gè)農(nóng)業(yè)耕地的嚴(yán)重問(wèn)題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2005年中國(guó)人均耕地面積為0.1.14平方米，世界人均耕地面積為43.7%。因此，我們需要對(duì)堿土進(jìn)行改善和利用。鹽堿地的利用和改良是一個(gè)歷史問(wèn)題,目前改良鹽堿地最普遍的方法是以排為主,重視灌溉沖洗,將可溶性鹽隨著水分的入滲運(yùn)動(dòng)而移走。但是我國(guó)是干旱缺水問(wèn)題十分嚴(yán)重的國(guó)家之一,而灌溉沖洗對(duì)水資源的需求量很大,為解決這個(gè)問(wèn)題,目前我們正在進(jìn)行節(jié)約淡水型鹽堿荒地開(kāi)發(fā)利用技術(shù)。此項(xiàng)技術(shù)的前期準(zhǔn)備是用咸水灌溉鹽堿荒地,清洗部分鹽分,然后利用透水地膜疊加降水,控制土壤鹽分運(yùn)動(dòng)方向,達(dá)到改良鹽堿荒地的目的。但是由于鹽堿土壤中鈉離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高,土壤的物理化學(xué)性質(zhì)惡化,灌溉水不容易入滲,為節(jié)約淡水型鹽堿荒地開(kāi)發(fā)利用技術(shù)的進(jìn)行帶來(lái)了很大的困難。本研究試圖對(duì)不同鈉離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的土壤進(jìn)行入滲試驗(yàn),分析討論土壤中鈉離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)土壤入滲能力的影響及其數(shù)量關(guān)系,為節(jié)約淡水型鹽堿荒地開(kāi)發(fā)利用技術(shù)及鹽堿地的改良提供科學(xué)支撐。1材料和方法1.1試驗(yàn)土壤本試驗(yàn)選取山西省太原盆地邊緣黃土丘陵區(qū)表層耕作土壤為供試土樣。所選土樣的鹽分本底值和各種離子含量如表1所示。1.2土壤中離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測(cè)定試驗(yàn)土柱設(shè)計(jì)含水量為4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù));干容重分兩個(gè)等級(jí),分別為1.345,1.624g/cm3,作為兩個(gè)例證;設(shè)計(jì)8個(gè)水平的鈉離子質(zhì)量分?jǐn)?shù),所取土壤(不添加氯化鈉)作為一個(gè)水平,在供試土樣中按0.3,0.5,1,1.5,2,2.5,3g/kg的比例填加氯化鈉作為7個(gè)水平,配置后土樣的離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)見(jiàn)表1。將試驗(yàn)土樣風(fēng)干、碾碎后,過(guò)2mm細(xì)篩,配以所需的含水量和鈉離子,攪拌均勻放置三天以上,使水和鈉離子分布均勻。裝土?xí)r分層填裝,每層土厚2cm.1.3物理模型的組成本試驗(yàn)所采用的主要儀器為室內(nèi)土壤水分入滲儀。室內(nèi)土壤水分入滲儀由馬氏筒和滲吸筒兩大組成部分。馬氏筒為試驗(yàn)土柱提供恒定水頭,并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)供水和計(jì)量。滲吸筒內(nèi)裝供試土壤,共同構(gòu)成入滲土壤物理模型。滲吸筒內(nèi)徑7.1cm,高65cm,用有機(jī)玻璃管材制作,其底端配置均布小孔的多孔板,以保證滲吸筒內(nèi)的土壤的通氣性。如圖1所示。2試驗(yàn)結(jié)果與分析2.1鈉離子的含量對(duì)土壤的滲透能力有影響2.1.1鈉離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)土壤細(xì)菌粒徑的影響圖2所示為干容重分別為1.345g/cm3(圖2-a)和1.624g/cm3(圖2-b)具有不同鈉離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)土壤的累積入滲量隨時(shí)間的變化過(guò)程線。由圖2可以看出:無(wú)論在何種容重條件下,鈉離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)都對(duì)土壤的累積入滲量產(chǎn)生影響。隨著鈉離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,在相同時(shí)間內(nèi)土壤的累積入滲量減少;鈉離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)低的土壤的累積入滲量曲線始終位于鈉離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)高的土壤的累積入滲量曲線之上。在容重為1.345g/cm3的供試土樣中,鈉離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.646g/kg增加到3.346g/kg,180min內(nèi)的累積入滲量從7.25cm減少到1.88cm;在容重為1.624g/cm3的供試土樣中,鈉離子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.346g/kg增加到2.846g/kg,180min內(nèi)的累積入滲量從5.69cm減少到2.60cm.2.1.2交換性鈉離子對(duì)土壤水分運(yùn)動(dòng)及分布的影響表2所示為干容重分別為1.345g/cm3和1.624g/cm3具有不同鈉離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的土壤在不同時(shí)段內(nèi)的入滲率。由表2可以看出:在同一鈉離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下,土壤的入滲率隨時(shí)間逐漸變小,最后趨于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定值;在同一個(gè)土壤容重條件下,相同時(shí)間段內(nèi)的土壤的平均入滲率隨著鈉離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而降低。在入滲開(kāi)始后的30min內(nèi),平均入滲率下降的幅度很大,30min以后平均入滲率下降的幅度逐漸變小,120min后平均入滲率趨于一個(gè)穩(wěn)定的值。干容重為1.345g/cm3的土樣,鈉離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.646g/kg增加到3.346g/kg,10min時(shí)入滲率由0.197cm/min減少到0.106cm/min,變化幅度為0.091cm/min,減少了46.2%,60min時(shí)入滲率由0.044cm/min減少到0.007cm/min,變化幅度為0.037cm/min,減少了84.1%.土壤中鈉離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大時(shí),pH值一般大于8.5,在這樣高的堿度條件下土壤溶液中鈣、鎂離子的溶解度明顯下降,土壤溶液中陽(yáng)離子組成為鈉離子,占絕對(duì)優(yōu)勢(shì),土壤膠體上吸附的鈣、鎂等離子容易被鈉離子交換到土壤溶液中,土壤膠體上吸附的交換性鈉離子濃度增高。土壤膠體在交換性鈉的影響下水化度增大,膠體的擴(kuò)散雙電層DDL厚度和電動(dòng)電位增加,電動(dòng)電位的升高使土壤遇水容易膠溶分散。隨著交換性鈉濃度的增加,土壤的分散度增加,使土壤中的大孔隙崩塌變成小孔隙,小孔隙變成更小的孔隙,土體的結(jié)構(gòu)性變差。當(dāng)有水分入滲時(shí)候,土壤粘粒隨水分的運(yùn)動(dòng)下移沉積,形成致密的透水性差的塊狀或柱狀的堿化層。山西省應(yīng)縣是鹽堿程度比較嚴(yán)重的地區(qū)。測(cè)試結(jié)果表明鹽堿地耕作層土壤的平均容重均在1.5g/cm3以上,而當(dāng)?shù)氐姆躯}堿耕作層土壤的平均容重在1.3g/cm3左右,由此可知:鹽堿地的土壤容重比當(dāng)?shù)仄渌躯}堿地的土壤容重明顯增大,這就是由于交換性鈉離子引起土壤團(tuán)聚體和粘粒的分散,導(dǎo)致土壤大孔隙和小孔隙的崩塌累積,容重增大。土壤中的大孔隙變小致使土壤的水力傳導(dǎo)度變小。水力傳導(dǎo)度是指單位梯度下的土壤水分的通量或滲透流速。而通量是相對(duì)單位面積并且是對(duì)全部土壤斷面面積(即孔隙和土粒所占面積的總和)而言的。交換性鈉離子濃度的增多導(dǎo)致土壤中大孔隙和小孔隙的崩塌累積,致使土壤孔隙的實(shí)際過(guò)水面積減少,因而單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位土壤面積的水量也隨之減小;另一方面,土壤孔隙越小,水流在其中流動(dòng)所受的阻力越大,孔隙中水流的實(shí)際流速降低。這樣,交換性鈉離子的增多使土壤的水力傳導(dǎo)度降低,影響了土壤水分的入滲速度。2.2ip入滲模型描述本試驗(yàn)的土壤水分入滲過(guò)程可用Philip入滲模型來(lái)描述:i(t)=12St?12+A.i(t)=12St-12+A.式中:S為吸滲率,A為穩(wěn)定入滲率。2.2.1土壤入滲模型參數(shù)a的確定由表2可以看出,隨著入滲時(shí)間的增加,土壤的入滲率逐漸變小,當(dāng)入滲時(shí)間達(dá)120min后,入滲率逐漸趨于穩(wěn)定,其值接近或大于土壤的水力傳導(dǎo)度,這個(gè)入滲率稱為穩(wěn)定下滲強(qiáng)度或穩(wěn)定入滲率,記為A。隨著入滲時(shí)間的增長(zhǎng),入滲模型參數(shù)A對(duì)土壤入滲率的大小起主要作用。圖3所示為容重1.624g/cm3和1.345g/cm3兩組供試土樣,不同w(Na+)與土壤的穩(wěn)滲之間的擬合曲線。可以看出穩(wěn)滲率與w(Na+)之間有良好的負(fù)相關(guān)關(guān)系,擬合方程式如下:容重1.345g/cm3,A=0.2534w(Na+)-0.3448,R2=0.9653;容重1.624g/cm3,A=0.1511w(Na+)-0.1642,R2=0.99571.2.2.2土柱中鈉離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)a的影響土壤入滲模型參數(shù)S值在數(shù)值上等于第一個(gè)時(shí)段末的入滲量,是反映土壤入滲能力的一個(gè)重要指標(biāo),在入滲初期,模型參數(shù)S對(duì)土壤的入滲率的大小起主要作用。圖4所示為w(Na+)與吸滲率S之間的關(guān)系圖。由圖4可知:w(Na+)與吸滲率S之間成負(fù)相關(guān)關(guān)系,擬合方程式為:容重1.345g/cm3,S=0.0111w(Na+)-1.2029,R2=0.9677;容重1.624g/cm3,S=0.0076w(Na+)-0.849,R2=0.875.由圖3,圖4可知:吸滲率S和穩(wěn)定入滲率A都隨著土柱中鈉離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而變小,其變化過(guò)程可以用冪函數(shù)來(lái)表征。最小的R2=0.875,這表明吸滲率S和穩(wěn)定入滲率A都與鈉離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)具有密切的相關(guān)性。3土壤理化性質(zhì)的變化1)土壤鈉離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)土壤入滲能力的影響明顯。土壤中鈉離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)由低到高,相同時(shí)間內(nèi)的土壤的累積入滲量減小,相同時(shí)刻的土壤的入滲率降低。2)土壤中鈉離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,使土壤膠體上吸附的鈣、鎂等離子更容易被鈉離子交換到土壤溶液中,土壤膠體上吸附的交換性鈉離子濃度增高。土壤膠體在交換性鈉的影響下水化度增大,膠體的擴(kuò)散雙電層D