亮藍示蹤土壤水分運移的適宜濃度研究

華 瑞, 徐學選, 張少妮

(1.西北農(nóng)林科技大學 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 2.中國科學院 水土保持研究所,陜西 楊凌 712100; 3.陜西華地房地產(chǎn)估價咨詢有限公司, 陜西 西安 710065)

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亮藍示蹤土壤水分運移的適宜濃度研究

華 瑞1, 徐學選2, 張少妮3

(1.西北農(nóng)林科技大學 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 2.中國科學院 水土保持研究所,陜西 楊凌 712100; 3.陜西華地房地產(chǎn)估價咨詢有限公司, 陜西 西安 710065)

盡管亮藍是一種廣泛用于研究土壤水分運移的染色劑，但其自身的吸附作用是否影響水分自由運移、如何選擇適宜的染色濃度等尚需研究。此次使用5種濃度的亮藍溶液在3種土壤中進行土柱入滲試驗，對比不同亮藍濃度下的穩(wěn)定出流速率、水分穿透時間、濕潤鋒與染色峰偏離情況，尋求亮藍染色劑在土壤水分運移示蹤研究中的適宜濃度。結果表明：(1) 在0～2.0 g/L濃度范圍內(nèi)，亮藍染色劑的添加未影響到水向土體入滲行為，即亮藍染色劑示蹤土壤入滲是可行的。(2) 染色劑濃度為1.5 g/L時，水分穿透土柱的時間、穩(wěn)定出流速率最接近對照(0.0 g/L)，但各濃度之間差異很小；而以染色鋒面與水的濕潤鋒面之差計算的遲滯系數(shù)值判斷，黑壚土適宜的亮藍溶液為1.5 g/L，黃綿土1.5～2.0 g/L和砂土2.0 g/L濃度。(3) 遲滯系數(shù)與土壤黏粒含量存在極顯著正相關關系，有一定吸附能力的亮藍溶液更適合黏粒含量低的土壤。綜合考慮，三類土壤采用1.5～2.0 g/L染色濃度研究土壤水分運移是可行的。

亮藍; 入滲速率; 水分穿透時間; 穩(wěn)定出流速率; 遲滯系數(shù)

在土壤水分運移路徑的研究中，染色法因可顯示土壤濕潤進程，且操作方便，花費低，往往被選用。亮藍，屬水溶性非偶氮類著色劑，其分子式為C37H34N2Na2O9S3，其具有低背景值[1-2]、低毒[3-5]、高溶解度[6]、易檢測[7]等優(yōu)勢，且可與土壤顏色產(chǎn)生鮮明對比(尤其是在大田試驗中)[5]，因此被多數(shù)研究所采用。如Forrer等[8]介紹了利用亮藍染色劑研究土壤優(yōu)勢流；吳慶華等[9]提出利用不同土層染色劑的染色面積比的變異系數(shù)評價優(yōu)先流；Wang等[10]挖取不同的土壤縱剖面，用亮藍和淀粉—碘化鉀兩種染色劑分別示蹤土壤大孔隙及土壤大孔隙流。盡管多數(shù)學者采用亮藍作為研究土壤水分、溶質運移的染色劑，但其用量卻出現(xiàn)一個寬泛的范圍，如王在敏等[11]采用亮藍FCF染色示蹤劑，研究膜下滴灌條件的水鹽運移規(guī)律，使用亮藍溶液濃度為10 g/L；呂文星[12]采用染色法研究三種土地利用方式(荒地、玉米地和柑橘地)優(yōu)先流及其對硝態(tài)氮運移影響，染色劑選用4 g/L亮藍溶液；邱琳等[13]使用染色法對大孔隙進行定量分析時采用亮藍示蹤劑濃度為3 g/L；章明奎等[14]用亮藍溶液染色鑒定旱耕地土壤磷優(yōu)勢流途徑，試驗選擇的亮藍溶液濃度為2 g/L；章明奎[15]在研究重金屬在土壤中優(yōu)勢流遷移時，使用的亮藍溶液為2 g/L。上述研究選用亮藍染色劑的濃度均缺少試驗依據(jù)。一般在使用染色法時，采用染色面積或染色峰變化情況分析水分或溶液在土壤中運移狀況，但并未注意到染色劑濃度變化是否影響到濕潤鋒運移速度、出現(xiàn)染色鋒與濕潤鋒的脫離[16]。據(jù)我們應用亮藍溶液染色農(nóng)林草地土壤的實踐看，1 g/L濃度已可非常清晰地給出染色區(qū)域，以往的濃度存在偏大的可能。

鑒于此，此次試驗旨在探討在0～2.0 g/L范圍內(nèi)，亮藍溶液濃度對三種不同土壤入滲能力的影響，采用遲滯系數(shù)(Retardation Coefficient，R)量化染色劑與水分運移之間的差異。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

選取陜西省長武縣黃綿土、侵蝕嚴重的黑壚土及陜西省楊凌區(qū)砂土為供試土壤，三種土壤均取自地表0—30 cm，黃綿土取自塬面耕地，黑壚土取自塬邊林地，而砂土取自渭河邊。經(jīng)自然風干后過2 mm篩子，利用馬爾文激光粒度儀測定其機械組成，見表1，按國際粒級制分級。使用重鉻酸鉀法測得黃綿土、黑壚土及砂土的有機質含量分別是9.92，10.81，2.13 g/kg。

1.2 試驗裝置

試驗裝置由供水裝置、土箱和收集裝置組成，供水裝置是由馬氏瓶(Φ=8.0 cm)及輸水管(皮質)組成。土箱材質為有機玻璃(厚1.0 cm)，其規(guī)格大小為30 cm×1.9 cm×70 cm(長×寬×高)。收集裝置為0.8 cm厚的PVC漏斗，土箱滲出的水經(jīng)漏斗流入塑料燒杯進行收集。

表1 供試土壤機械組成

1.3 試驗方法

(1) 試驗準備。前期準備包括土壤準備、土箱裝土和染色溶液配制三方面。

土壤準備：將自然風干后過2 mm篩子的土樣，灑水濕潤，黃綿土、黑壚土控制土壤含水率在13%(約相當于50%田間持水量)，沙土控制在6%左右，配好后用塑料袋進行密封。

土箱裝土：土箱土柱高度設為60 cm。為避免石英砂和底層土壤堵塞出流孔，需先在土箱底部鋪設濾紙，后加入3 cm石英砂，作反濾層。取出土樣，充分混合均勻，裝土時，每5 cm裝一層，每層打毛，黑壚土及黃綿土容重控制在1.3 g/cm，渭河砂土容重控制在1.65 g/cm。土樣裝入完成后，在土表鋪設1 cm石英砂，可避免初進水時對土表沖刷，并在石英砂表面鋪一層濾紙。

染色溶液配制：亮藍溶液濃度設定值為0，0.25，0.5，1.0，1.5，2.0 g/L 5個值。每次配制2 L溶液，用漏斗倒入馬氏瓶，記錄初始馬氏瓶刻度。注意，在放置馬氏瓶時，其水面高度應用馬氏瓶通氣管的最低端即發(fā)泡點持平。

(2) 試驗過程。試驗過程中，記錄馬氏瓶中溶液體積變化，即記錄刻度值，前10 min，每隔1 min記錄，10 min至30 min中，每隔5 min記錄，30 min至60 min每隔10 min記錄，后每隔30 min記錄。并且，在試驗過程中拍攝圖片以記錄濕潤峰和染色峰變化過程，前30 min每隔5 min進行拍照，30 min至60 min每隔10 min拍照，后每隔30 min拍照。整個試驗過程，直至出流液量達到穩(wěn)定時，停止試驗。試驗進行3個重復。

(3) 圖片處理及數(shù)據(jù)分析。試驗中拍攝的圖片經(jīng)Photoshop CS6幾何校正及ArcGIS 9.3編輯處理，得到各濃度溶液不同時間濕潤鋒和染色峰變化情況，并使用ArcGIS 9.3處理得出濕潤面積及染色面積。使用Sigmaplot 12.5軟件和SPSS 19進行數(shù)據(jù)分析。

(4) 遲滯系數(shù)。計算遲滯系數(shù)可量化染色劑與水分運移之間的差異，用同一時間濕潤面積與染色面積的比值計算R值，即遲滯系數(shù)R越大，染色劑與水分運移兩者之間差異越大，越不適宜表征水分在土壤剖面運移狀況。Allaire-Leung等[17]提出用長度方法和時間方法表達遲滯系數(shù)。

而本次試驗結果顯示濕潤鋒和染色峰具有不均一性，且時間方法與長度方法結果相同，因此，選擇同一時間濕潤面積與染色面積的比值作為遲滯系數(shù)，即，

(1)

式中：R為遲滯系數(shù)；VH2O為水在土箱內(nèi)運移速度；Vdye表示染色劑在土壤中運移速度；t，表示溶液入滲時間；SH2O表示濕潤面積；Sdye為染色面積。

2 結果與分析

2.1 不同濃度亮藍對入滲速率影響

黃綿土、黑壚土和砂土在不同濃度亮藍溶液條件下，入滲速率的變化情況見圖1(3個重復試驗的平均值)。圖1可知，對于黃綿土和黑壚土，6種入滲溶液的入滲速率曲線相當重合，特別是，在60 min后，六條曲線基本重合，表明了亮藍溶液濃度在0～2.0 g/L范圍內(nèi)的變化并未影響到黑壚土和黃綿土的穩(wěn)定入滲率。圖1可看出各濃度下，3類土壤入滲速率均在0～10 min時間內(nèi)快速下降，在60 min后達到相對穩(wěn)定狀態(tài)。對于砂土而言，不同亮藍溶液濃度，其入滲速率變化趨勢與黑壚土、黃綿土仍具有一致性；但入滲速率曲線在10～60 min時段有明顯區(qū)別，在60 min后曲線的重合情況并不如黑壚土和黃綿土，穩(wěn)定入滲速率變化范圍3.0～3.97 mm/min，不同濃度穩(wěn)定入滲率大?。?.25>1.5>0.5>1.0>2.0>0 g/L，有染色劑的溶液入滲速率較純水都大，但染色劑濃度增加時這種趨勢反而弱化(除了1.5 g/L濃度)，說明砂土中染色劑的存在有加速入滲的可能，低濃度時這種加速作用更大。但染色劑濃度大小對入滲速率的作用經(jīng)差異性檢驗并不顯著，可認為染色劑的加入對入滲影響不大。

總體上而言，亮藍染色劑對黑壚土、黃綿土這種黏粒占一定比例的土壤水分入滲的速率影響可以不計，但對于黏粒含量偏低的砂土雖有影響，但也很小。

2.2 不同濃度亮藍溶液對出流狀況的影響

(1) 不同濃度亮藍溶液對水分穿透時間的影響。由圖2可知，對于黑壚土和黃綿土兩種土壤，在0～2.0 g/L范圍內(nèi)，水分穿透時間變化趨勢相同，均呈“N”形；對于黃綿土，亮藍溶液1.0～1.5 g/L時水分穿透時間最接近對照(0.0 g/L)；對于黑壚土，水分穿透時間在濃度為1.5～2.0 g/L時最接近對照(0.0 g/L)；而就砂土而言，不同濃度亮藍溶液水分穿透時間趨于一致，變化范圍為27～35 min?？傮w來說，對于3種土壤，水分穿透時間最短的亮藍溶液濃度基本約在1.0 g/L。在濃度為1.5 g/L 時，可視為3類土水分穿透時間最接近對照(0.0 g/L)，即適宜濃度為1.5 g/L。

圖1 相同土壤不同濃度亮藍溶液入滲速率隨時間的變化

圖2 水分穿透時間隨亮藍溶液濃度的變化

(2) 不同濃度亮藍溶液對穩(wěn)定出流速率的影響。圖3所為不同濃度亮藍溶液出流量達到穩(wěn)定后，所測得的穩(wěn)定出流速率?？砂l(fā)現(xiàn)，在所研究亮藍溶液濃度范圍內(nèi)，黑壚土和黃綿土均呈平穩(wěn)狀態(tài)，黑壚土在1.0 g/L濃度下其穩(wěn)定出流速率略大，黃綿土則沒有體現(xiàn)出濃度對其的影響。而對于砂土，曲線呈雙峰曲線，出現(xiàn)兩個峰值分別出現(xiàn)在濃度為0.25 g/L和1.5 g/L，最小值出現(xiàn)在濃度為2.0 g/L時，此時只有在濃度為0.5～1.0 g/L或1.5～2.0 g/L與對照接近。由于砂土穩(wěn)定入滲速率遠大于其他兩類，且隨濃度變化出現(xiàn)了波動，因此，濃度對穩(wěn)定入滲速率的影響主要是對砂質土壤。

圖3 穩(wěn)定出流速率隨亮藍溶液濃度的變化

綜上而言，根據(jù)水分穿透時間、穩(wěn)定出流速率判別，在0～2.0 g/L范圍內(nèi)，亮藍溶液濃度為1.5 g/L時，其3類土與對照(0.0 g/L)最為接近，可視為適宜濃度。

2.3 不同濃度亮藍溶液在土壤入滲過程中的遲滯系數(shù)

2.3.1 不同濃度亮藍溶液的遲滯系數(shù)比較 圖4(黃綿土)可以看出，與黑壚土類似，所有濃度遲滯系數(shù)在0～60 min變化較為明顯，都處于上升狀態(tài)，遲滯系數(shù)大小順序為：0.25>0.5>1.5>1.0>2.0 g/L；在180 min時，1.5 g/L濃度亮藍溶液遲滯系數(shù)小于1 g/L；值得注意的是，在420 min時，1.5 g/L濃度亮藍溶液遲滯系數(shù)開始小于2.0 g/L濃度亮藍溶液，但二者之間遲滯系數(shù)差距僅為0.03。圖4(黑壚土)為黑壚土中，5個濃度亮藍溶液遲滯系數(shù)變化情況，其變化范圍是1.92～3.95；遲滯系數(shù)在0～60 min內(nèi)發(fā)生了較大改變，均有不同程度的上升；在入滲30 min時，不同濃度亮藍溶液遲滯系數(shù)大小順序為：0.25>0.5>1.5>1.0>2.0 g/L，入滲60 min時，發(fā)生了改變，變?yōu)?.25>0.5>1.0>2.0>1.5 g/L；60 min后，遲滯系數(shù)達到相對穩(wěn)定狀態(tài)，大小順序與60 min時一致，并未發(fā)生改變，亮藍溶液1.5 g/L濃度遲滯系數(shù)最小，即，亮藍溶液濃度為1.5 g/L時，濕潤面積與染色面積比最小。對于砂土，不同濃度亮藍溶液遲滯系數(shù)變化范圍在1.23～1.72。由圖4(砂土)可以得出，10 min后，遲滯系數(shù)逐漸達到穩(wěn)定狀態(tài)，遲滯系數(shù)大小順序變?yōu)椋?.25>0.5>1.0>1.5>2.0 g/L，亮藍溶液濃度為2.0 g/L時，遲滯系數(shù)最小。

總體上而言，5個濃度亮藍溶液在供試土壤—黃綿土、黑壚土及砂土中入滲所產(chǎn)生的遲滯系數(shù)有著一定程度上的不同：對于黑壚土，在遲滯系數(shù)達到相對穩(wěn)定時，1.5 g/L濃度下亮藍溶液遲滯系數(shù)最小；對于砂土，濃度為2.0 g/L亮藍溶液遲滯系數(shù)最小；對于黃綿土，遲滯系數(shù)達到相對穩(wěn)定費時較長，約60 min，1.5 g/L～2.0 g/L亮藍濃度適合用于其染色示蹤試驗。

圖4 相同土壤類型不同濃度亮藍溶液遲滯系數(shù)隨時間的變化

2.3.2 土壤粘粒含量與遲滯系數(shù)相關分析 國外研究人員指出亮藍溶液易吸附在土壤顆粒中[17]。按照國際制土壤質地分級標準，得到供試土壤黑壚土、砂土及黃綿土黏粒(<0.002 mm)含量分別是：14.55%，2.26%，16.05%。選取遲滯系數(shù)與黏粒進行相關分析，得出二者存在極顯著正相關關系，相關系數(shù)為0.822，這表明遲滯系數(shù)會隨著黏粒含量的增大而增大，原因應是亮藍易吸附在黏粒含量高的土壤中。

并且由2.2可以得出，就遲滯系數(shù)而言，砂土<黑壚土<黃綿土。黏粒含量越低的土壤類型越適宜使用亮藍溶液做染色示蹤試驗，即在所選三個土壤中砂土最適宜用亮藍染色劑進行示蹤試驗，其次是黑壚土，最后是黃綿土。

3 結 論

室內(nèi)條件下，在黃綿土、黑壚土和砂土3種土壤填充的土箱中，研究5個不同濃度亮藍溶液入滲狀況，得出以下結論：在0～2.0 g/L范圍內(nèi)，亮藍染色劑濃度的變化并未影響到入滲速率。亮藍溶液濃度變化會引起黑壚土和黃綿土溶液穿透時間有所不同，即有所遲滯，一般在1.5 g/L最接近沒有染色劑的水分入滲，但染色劑濃度對砂土影響較?。痪头€(wěn)定出流速率而言，黑壚土和黃綿土基本不隨著濃度變化而改變，而砂土穩(wěn)定出流速率隨濃度變化而出現(xiàn)波動；亮藍溶液濃度在1.5 g/L時，水分穿透時間及穩(wěn)定出流速率與無染色劑最為接近。亮藍染色劑更適用于砂質土壤，黏粒含量增加時，應注意染色劑的濃度。如果是研究入滲速率，染色劑濃度變化并未影響到試驗結果，但如果是區(qū)分染色路徑和研究優(yōu)先流，則需要控制染色濃度。對于3種土壤來說，以遲滯系數(shù)為指標，1.5～2.0 g/L是合適的染色濃度，此時染色峰與濕潤鋒能最大程度接近。對比已有研究，已有研究的亮藍濃度往往偏高，或引起溶液穿透土壤時間延長、染色鋒與濕潤鋒更加偏離，進而會造成對于優(yōu)先流的入滲貢獻評價偏差。

本次試驗土箱中選用均質土壤進行研究，屬基礎性的階段，而在研究水分運移路徑和優(yōu)先流時，研究對象更多選用的是原狀土，遲滯系數(shù)等可能因此發(fā)生改變，有待進一步深入研究。

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Research for Suitable Brilliant Blue Concentrations to Trace Soil Water Movement

HUA Rui1, XU Xuexuan2, ZHANG Shaoni3

(1.InstituteofSoilandWaterConservation,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China;2.InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciences,Yangling,Shaanxi712100,China;3.ShaanxiHuadiRealEstateAppraisalandConsultingCo.,LTD.Xi′an710065,China)

Although brilliant blue is one of dyes which is widely used to trace water movement path, there is a need to examine whether the absorption of brilliant blue affects the water movement and how researchers can choose a more suitable dying concentration. In order to determine the suitable concentration of brilliant blue by comparing steady effluent rate, water breakthrough time and the condition of deviation between wetting front and dying front, this infiltration experiment is set in three soil types by using 5 brilliant blue concentrations. The results are demonstrated as follows. (1) Among the ranges of 0～2.0 g/L, the addition of brilliant blue has no apparent effect on the infiltration behavior, namely, it is feasible to use brilliant blue to trace water infiltration. (2) When the brilliant blue concentration is 1.5 g/L, the water breakthrough time and steady effluent rate are almost close to control group (0.0 g/L), but differences are small between different concentrations; however, according to the retardation coefficient (R) caused by the differences between dying front and wetting front, the most suitable concentration for Heilu soil is 1.5 g/L brilliant blue , 1.5～2.0 g/L brilliant blue for loessial soil and 2.0 g/L brilliant blue for sandy soil. (3) There is significant positive correlation betweenRand clay content. Brilliant blue, which has adsorption capacity, is most suitable for the soils whose clay contents are low. By comprehensive consideration, it is feasible to use 1.5～2.0 g/L brilliant blue to trace soil water movement.

brilliant blue; infiltration rate; water breakthrough time; steady effluent rate; retardation coefficient

2015-12-05

2016-01-05

國家自然科學基金(41471439；41171421)

華瑞(1990—),女,河南省鶴壁市人,碩士研究生,主要研究方向:土壤水分入滲。E-mail:hua937061979@163.com

徐學選(1966—),男,陜西省大荔縣人,研究員,主要研究方向:生態(tài)水文。E-mail:xuxuexuan@nwsuaf.edu.cn

S152.7+2

A

1005-3409(2016)06-0073-05