內(nèi)蒙孿井灌區(qū)土壤鹽分淋洗過程的室內(nèi)模擬及分析*

劉貫群,朱良超,孫蓓蓓,王 娟

(中國海洋大學1.海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點實驗室;2.環(huán)境科學與工程學院,山東青島266100)

內(nèi)蒙孿井灌區(qū)土壤鹽分淋洗過程的室內(nèi)模擬及分析*

劉貫群1,2,朱良超2,孫蓓蓓2,王 娟2

(中國海洋大學1.海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點實驗室;2.環(huán)境科學與工程學院,山東青島266100)

通過室內(nèi)土柱淋洗實驗,對比分析孿井灌區(qū)2種典型土質砂壤土及砂土淋洗前后土壤和淋濾液中鹽分的變化特征,并利用各自的實驗數(shù)據(jù)擬合出累積淋濾液體積和與之相對應的鹽濃度間的關系曲線。結果表明,淋洗過程使2種土質的離子組成均發(fā)生顯著變化,由原來的以Cl-—Na+為主轉變?yōu)橐訦C—Ca2+為主,同時二者淋濾液濃度均隨累積滲漏量的增加呈冪函數(shù)降低。整個實驗過程砂壤土所收集的累積淋濾液體積為7.05 PV(孔隙體積,pore volume),脫鹽率為71%,砂土的累積淋濾液體積為7.01 PV,脫鹽率為84%,表明灌溉脫鹽作用與土質有關,砂土較砂壤土易脫鹽。利用實驗數(shù)據(jù)擬合獲得的2種土質累積淋濾液體積和與之對應的鹽濃度關系曲線,相關程度良好,基本上可以用于模擬灌溉條件下灌區(qū)土壤鹽分的脫除過程。

鹽分;淋洗;擬合

迄今灌溉農(nóng)業(yè)地區(qū)的土壤次生鹽漬化問題仍是一個全球性尚待解決的問題[1]。特別對于生態(tài)脆弱的干旱地區(qū),由于降水稀少蒸發(fā)量極大,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)離不開灌溉,但這些地區(qū)在享受灌溉之利的同時又受灌溉不當引起的土壤次生鹽漬化的威脅。研究土壤鹽分運移規(guī)律是認識鹽漬土發(fā)生演變和防治土壤鹽漬化的理論基礎。

土壤鹽分運移規(guī)律的研究方式有多種,利用土柱模擬的方式具有實驗條件易于控制,且節(jié)省人力、物力,可較全面地進行鹽分淋洗規(guī)律性研究的優(yōu)點而深受廣大研究者的青睞。馮永軍等利用室內(nèi)土柱實驗對濱海鹽漬土的鹽分運動規(guī)律及其影響因素進行了研究,并利用相關分析和通徑分析,得出了土壤鹽分含量、主要鹽分離子、土體構型、黏粒含量等對鹽分運移的影響程度[2]。肖娟等通過室內(nèi)小土柱試驗,研究了不同水質(不同的鈉吸附比SAR和鹽分摩爾分數(shù))對2種土壤(黏壤土,壤質黏土)水力傳導度和鹽分淋洗效率的影響,得出了水質對鹽分淋洗量的影響不大而對鹽分淋洗時間的影響很大[3]。Li Zhigang等應用一系列土柱實驗研究了融化的鹽冰入滲水對土壤中鹽分的再分配問題,實驗結果證實了在季風氣候地區(qū),融化的鹽冰水在改善土壤鹽漬化方面具有積極的作用[4]。

孿井灌區(qū)于1994年底正式引黃灌溉,灌溉方式以大水漫灌為主。引黃灌溉是使該區(qū)包氣帶脫鹽的過程[5]。灌期,灌溉水與土壤溶液相互作用,并在向下滲漏的過程中帶走部分鹽分,攜帶著大量鹽分的滲漏水使地下水位持續(xù)抬高,當超過其臨界深度時,鹽分又會通過毛細管上升,聚集到地表,從而可能誘發(fā)土壤次生鹽漬化。本文對孿井灌區(qū)漫灌條件下典型土壤鹽分的脫除規(guī)律進行了室內(nèi)模擬研究,并通過數(shù)據(jù)擬合的方法定量研究了累積灌溉滲漏量與滲漏液濃度的關系,為灌區(qū)土壤鹽漬化的防治、水資源的優(yōu)化配置以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的穩(wěn)定發(fā)展提供了科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

孿井灌區(qū)位于內(nèi)蒙古阿拉善左旗南部的嘉爾嘎勒賽漢鎮(zhèn),東南兩側與賀蘭山南端余脈低山丘陵的山前地帶連接,西鄰騰格里沙漠,北接十三道梁草場,地形為四面隆起中心偏東的閉流盆地。地理坐標為105°16′E～105°30′E,37°50′N～37°58′N,海拔高程1 330～1 440 m,規(guī)劃控制面積14 567 ha,凈灌溉面積11 467 ha。本區(qū)屬大陸性干旱氣候,冬季嚴寒,夏季酷熱,降水稀少,蒸發(fā)強烈,年均蒸發(fā)量是降雨量的19倍,日照充足,太陽輻射強,風大沙大,無霜期短,為典型的生態(tài)脆弱區(qū)。

研究區(qū)分布的主要地層為上第三系中新統(tǒng)和下第三系漸新統(tǒng)。第四系不很發(fā)育,但廣布整個盆地,尤其是全新統(tǒng)風成砂組成的沙丘和沙地遍布表層。該區(qū)包氣帶的基本巖性,下部為第三系砂巖、含礫砂巖,局部為砂質泥巖;上部多為第四系砂壤土和砂類土組成的雙層結構。

2 材料與方法

2.1 供試土樣

表1 供試土樣基本物理性質Table 1 Physical properties of test soil

表2 供試土樣基本化學性質Table 2 Chemical properties of test soil

2.2 實驗裝置

實驗土柱均由5 mm厚的有機玻璃管制成,內(nèi)徑8 cm,總長度90 cm。土柱的下部裝2 cm石英砂作為反濾層,以防止土粒堵塞出水孔,上部鋪設3 cm礫石層,以防加水時擾動土層。土柱下方出口用橡膠管與錐形瓶連接,用于收集淋濾液。用馬氏瓶控制供水水頭。

2.3 實驗設計

在野外,灌區(qū)包氣帶鹽分的動態(tài)分布特征受降雨、蒸發(fā)、灌溉方式、地下水埋深、土壤質地等多種因素的影響[6]。由于研究區(qū)處于生態(tài)脆弱的干旱地區(qū),降雨稀少且地下水埋藏深度較大,一般在10～60 m之間,最淺的地方也有6 m,幾乎對土壤積鹽無影響,因此土壤質地是影響土壤鹽分動態(tài)的關鍵因素[7]。為了更加清楚地掌握不同質地土壤的脫鹽規(guī)律,本文將上層砂壤土與下層砂土分開進行淋洗實驗。其中砂壤土每層裝填高度為25 cm,土體總高度為75 cm,與野外剖面高度一致。砂土層的實際高度為300 cm,若在室內(nèi)建立如此高的土柱進行實驗,操作難度較大,因此將每層裝填高度設為5 cm,土體總高度為60 cm。

灌溉方式和蒸發(fā)對土壤鹽分運動的影響也不容忽視。灌區(qū)實際灌溉方式為間歇性的。根據(jù)各種植作物各個生育階段的需求,設定灌溉時間及灌溉量。其中灌溉時間多集中在5～8月,相鄰2次灌溉過程至少間隔15 d,尤其是作物收割后至來年下1個種植周期,耕地一直處于裸露狀態(tài),這期間蒸發(fā)對土壤水分平衡的影響過程不可忽略。室內(nèi)實驗要想完全模擬這一自然過程難度較大,且蒸發(fā)排泄并不帶走鹽分[8],因此實驗采取連續(xù)淋洗的方式。實驗過程所收集的淋濾液相當于野外灌溉過程中的滲漏水分,通過計算得出的灌區(qū)次灌溉水分滲漏量(見表3)將實驗與野外情況結合起來。

表3 各平衡項相關參數(shù)取值及計算結果Table 3 The related parameter values of each equipartition terms and results

另外供水水頭對水分向下運移的速率也有一定的影響。根據(jù)所收集的灌溉資料,將砂壤土的淋洗水頭控制在6 cm。實際灌溉過程中灌溉水經(jīng)上層砂壤土進入下層砂土,因此砂土并無入滲水頭。室內(nèi)實驗在保證水分能夠進入土柱的情況下盡量降低其水頭。

淋洗用水采用蒸餾水,實驗過程中遵循先密后疏的時間間隔收集淋濾液,并測量其體積、電導。當2種土質的累積收集淋濾液體積約達到各自孔隙體積的7倍時,停止淋洗,此時土體鹽分均已降至較低值。

200例AC術后存在中危因素補充治療73例，高危因素26例，附件轉移6例，術后無危險因素未補充治療95例。

2.4 測試內(nèi)容及方法

2.4.1 測試項目

① 實驗前供試土樣的基本理化性質,包括土樣粒度、孔隙度、含鹽量、主要可溶鹽離子含量以及電導率

② 實驗過程中所收集的土柱淋濾液的體積、電導,并測量淋洗前期電導變化較明顯的淋濾液的主要可溶鹽離子含量

③ 實驗后供試土樣的基本化學性質

2.4.2 測試方法

① 孔隙度:土柱反飽和法

② 土壤浸提液:土水比1∶5,振蕩3 min,靜置1 h,過濾

③ 含鹽量:主要陰陽離子累加法,計算公式如式(1),式中各項單位保持一致,均為mg/100g土。

④ 電導率:用DDSJ-308A型電導率儀測定

⑤ p H:用PHS-3C型酸度計測定

⑥ Ca2+,Mg2+,K+,Na+,Cl-,S濃度:由DIONEX ICS-3000離子色譜儀測定

⑦ HCO3-濃度:用指示劑滴定法

3 實驗結果及分析

3.1 2種土質淋洗前后土壤鹽分組成變化

淋洗前后2種土質的含鹽量及主要可溶鹽分的比例關系發(fā)生了顯著變化。如圖1所示,淋洗前砂壤土鹽分含量極不均勻,3層分別為40.9,95.2,210.8 mg/100 g土,呈現(xiàn)出上小下大的趨勢。表層陽離子以Ca2+,Na+含量較高,下層則以Na+占絕大多數(shù),達75%以上。陰離子表層以HCO3-為主;下層以Cl-,S為主。砂土淋洗前含鹽量主要分布在100～300 mg/100 g土之間,陽離子以Na+為主,陰離子均以Cl-為主,其次為S。雖然所取2種土質均未受灌溉影響,但砂壤土表層受到了天然降雨的直接影響,含鹽量明顯小于下層,離子組成也與下層存在一定差異。淋洗結束后2種土質的含鹽量均降至較低水平,砂壤土在30 mg/100 g左右,砂土則主要在25 mg/100 g左右。二者的離子組成基本一致,對于陽離子,Ca2+占主導,陰離子以HC為主。這說明Cl-,S有很強的遷移性,尤其是Cl-。總體來說,土壤中鹽分離子組成由原來的以Cl-—Na+為主轉變?yōu)橐訦C—Ca2+為主。整個剖面土體鹽分變化情況與野外多年灌溉監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化趨勢一致[9]。

圖1 淋洗前后土壤可溶鹽分毫克當量變化曲線Fig.1 Milligram equivalent variation curves of soil soluble salt before and after leaching

為了進一步研究各鹽分離子的脫除率差異,由式(2)分別計算2種土質整個土體中各鹽分離子的平均脫鹽率:

式(2)中R為計算離子的平均脫除率;C1為淋洗前整個土體中計算離子的平均含量,mg/100g土;C2為淋洗后整個土體中計算離子的平均含量,mg/100g土。C1,C2的計算方法見式(3),式中C為C1或C2,mg/100g土;當C為C1時Ci為淋洗前i土層中計算離子的含量,當C為C2時Ci為淋洗后i土層中計算離子的含量,mg/100g土;n為整個土體的土層數(shù);mi為i土層的土體質量,100g;m為整個土體的總質量,100g。

計算結果見表4,分別對2種土體中的鹽分離子按照脫鹽率大小進行排序,砂壤土的陽離子為Na+>K+>Mg2+>Ca2+,陰離子為Cl->S>HC,砂土的陽離子排序則為Na+>Mg2+>Ca2+>K+,陰離子為Cl->S>HC。2種土質的陰離子排序相同,Cl-和S的脫除率均較高,在90%以上,而HC不但沒有減少反而增加。陽離子中K+的位置在不同土質中的變化較大,這與它們的初始離子構成有關,砂壤土表層K+的毫克當量為11.50%,而Mg2+為5.75%,K+含量大于Mg2+;而在砂土中K+的平均毫克當量僅為0.49%,Mg2+卻達到了7.96%,二者含量相差一個數(shù)量級,K+遠小于Mg2+。

利用式(2)也可計算各個土層的鹽分脫除率,式中C1為某一土層淋洗前計算離子的含量,mg/100g土,C2為該土層淋洗后計算離子的含量,mg/100g土。計算結果見表4,可看出每種土質各個土層間的鹽分脫除率也存在差異,尤其是砂壤土,3個土層間的脫鹽率差異較大,但他們基本呈現(xiàn)相同的規(guī)律,即當相鄰兩土層間的原始含鹽量差異較大時,含鹽量越高,相應的脫鹽率越大,而當相鄰兩層間的原始含鹽量相近時,上層的脫鹽率大于下層,這與方生等的研究結果一致[10]?？傊芟催^程縮小了各土層間的含鹽量差距。

3.2 淋濾液鹽濃度的動態(tài)變化特征

通過淋濾液濃度和電導率關系曲線(見圖2)將所測得的淋濾液電導率轉換為鹽濃度,從圖3可見2種土質的次收集淋濾液濃度隨著累積收集淋濾液體積的增加均呈冪函數(shù)降低。淋洗初期,土壤鹽分含量較高且大孔隙中的鹽分很容易在對流作用下被淋洗水帶走,淋濾液濃度較高,表明淋洗脫鹽作用非常明顯,大多數(shù)鹽分是在初次淋洗被帶走的。隨著淋洗時間的延長,土壤易溶鹽含量不斷降低,且未被淋洗的鹽分大多集中在小孔隙中,主要通過彌散作用進入對流區(qū),這一過程相對于對流作用要緩慢的多[11]。因此淋濾液濃度顯著降低,基本降至穩(wěn)定范圍。可見灌溉水量的多少直接影響到土壤中的鹽分含量,但過量的灌溉對鹽分降低的貢獻不大。若用PV代表土體的孔隙體積,實驗結束時,砂壤土的累積滲漏淋濾液體積為7.05PV,砂土為7.01PV。結合表3,砂壤土的鹽分脫除率為71%,而砂土為84%,顯而易見,砂土較砂壤土易脫鹽。

圖2 含鹽量與電導率關系曲線Fig.2 The relation curve between the salt concentration and the electrical conductivity

圖3 淋濾濃度變化曲線Fig.3 The change curves of salt concentration in the leachate

表4 淋洗前后土壤可溶鹽分的含量變化及相應脫除率Table 4 The concentrations of soil soluble salt before and after leaching and related ratios of desalting(a)砂壤土Sandy loam

淋濾液中鹽分離子隨累積收集體積的變化情況(見圖4)與土壤中鹽分離子的變化相對應,2種土質淋洗液中陽離子基本以Na+為主,除了砂土的初始淋濾液中Mg2+的毫克當量相對較大,這正與它們不同的陽離子脫鹽率排序相一致。陰離子則都由剛開始的Cl-、S占主導逐漸轉變成以HC為主,說明Cl-和S的脫除速率較快,在淋洗不久即已達到較低濃度,而淋洗過程中HC的濃度并沒有顯著降低。

圖4 淋濾液中可溶鹽分的毫克當量變化曲線Fig.4 Milligram equivalent variation curves of soil soluble salt in the leachate

3.3 土壤含鹽狀況的估算

本實驗中所收集的淋濾液相當于野外灌溉過程中的灌溉滲漏水,通過建立灌區(qū)雙層結構包氣帶水分平衡方程得到野外實際灌溉過程中每次灌溉對應的水分滲漏量,與實驗數(shù)據(jù)相結合即可得到隨著灌溉過程的進行灌溉滲漏液濃度變化情況,具體過程如下:

適用于孿井灌區(qū)層狀包氣帶水分平衡方程為:

式(3)中S I為研究土層水分滲漏量,I為灌溉量,其中砂壤土的滲漏量相當于砂土的灌溉量,S W1為灌前土層含水量,由野外監(jiān)測數(shù)據(jù)獲得,Q持為田間持水量。

位于研究剖面附近的坑1為老灌區(qū),自1994年灌區(qū)建立時開始灌溉,其巖性結構與研究剖面相同,均為雙層結構,上層為砂壤土下層為砂土,且土質分界線均位于0.75 m處。將其灌溉滲漏量近似為研究剖面的灌溉滲漏量?？?主要種植作物為玉米,根據(jù)其各個生育階段的需求,每年共灌水6次。分別利用式(4)對其1 a的這6次灌溉過程進行水分平衡計算,各參數(shù)取值及計算結果如表3。從表中可以看出盡管春灌的灌溉量較大,但由于前一種植周期結束后,土體長時間處于裸地蒸發(fā)狀態(tài),灌前土壤含水量很低,砂壤土的滲漏量不大,而下層砂土層更是無滲漏發(fā)生。之后的連續(xù)灌水使土壤灌前含水量升高,砂土層下邊界發(fā)生滲漏。一水滲漏量最高,達72.8 mm。整個6次灌溉過程自3.75 m土體下邊界共滲漏183.8 mm,滲漏量較大,造成了水資源浪費。

砂壤土的平均田間持水量為19.4%,砂土為10.0%[7],則

75 cm砂壤土層持水量:Q持=19.4%×75×10=145.5 mm;

300 cm砂土層持水量:Q持=10.0%×(375-75)×10=300.0 mm

用冪函數(shù)關系對圖3中的散點進行擬合,得到2種土質的累積淋濾液滲漏量和與之對應的淋濾液鹽濃度之間的關系式,如下:

式中y為淋濾液濃度,g/L;x為用PV表示的累積收集淋濾液體積;R為相關系數(shù)。2條曲線的R2均大于0.99,表明曲線的相關性良好。由于在野外灌溉過程中灌溉水經(jīng)上層砂壤土攜帶一定鹽分進入砂土,而上式是用蒸餾水淋濾得出的關系式,因此灌區(qū)實際砂土灌溉滲漏液濃度為式(6)計算結果加上對應的上層砂壤土的鹽濃度。將表3中的次灌溉滲漏量轉化為孔隙體積表示的形式,并用上述方法計算首年灌溉對應的滲漏液濃度,結果見表5。從表中可看出砂土層的滲漏液濃度明顯大于砂壤土。隨著灌水量的增加,2種土質的滲漏液濃度下降速度均較快。經(jīng)6次灌水過程,砂壤土滲漏液濃度由1.98 g/L降至0.41 g/L,砂土則由55.15 g/L降至16.59 g/L。

表5 由孔隙體積表示的灌溉滲漏量及對應的滲漏液濃度Table 5 The volume of irrigation leakage in the form of pore volume and the related salt concentration in the leachate

4 結論

本文以室內(nèi)土柱模擬實驗研究了內(nèi)蒙孿井灌區(qū)砂壤土和砂土2種土質在漫灌淋洗條件下的脫鹽規(guī)律,得出:

(1)淋洗過程使2種土質的鹽分離子組成發(fā)生了顯著變化,由原來的以Cl-—Na+為主轉變?yōu)橐訦C—Ca2+為主。土質對脫鹽有明顯的影響,砂壤土累積收集淋濾液體積為7.05PV,脫鹽率為71%;砂土的累積淋濾液體積為7.01PV,脫鹽率為84%。因此,砂土較砂壤土更易于脫鹽。二者鹽分離子的脫鹽率排序也有所不同,砂壤土的陽離子排序為Na+>K+>Mg2+>Ca2+,而砂土為Na+>Mg2+>Ca2+>K+,這與它們的初始陽離子構成差異有關,陰離子排序則均為Cl->S>HC。

(2)隨著累積淋濾液體積的增加,2種土質的淋濾液濃度均經(jīng)歷了急劇下降、緩慢下降直至相對穩(wěn)定的動態(tài)過程,變化軌跡符合冪函數(shù)方程。淋洗液中鹽分離子的變化規(guī)律與土壤淋洗前后鹽分組成的變化趨勢相對應。

(3)利用實驗數(shù)據(jù)擬合獲得的2種土質累積淋濾液體積和與之對應的鹽濃度關系曲線,相關程度良好,基本上可以用于模擬灌溉條件下土壤鹽分的脫除過程。

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Indoor Simulation and Analysis on Soil Salt Leaching Process in Luanjing Irrigation Area,Inner Mongolia

LIU Guan-Qun1,2,ZHU Liang-Chao2,SUN Bei-Bei2,WANGJun2
(Ocean University of China,1.Key Lab of Marine Environmental Science and Ecology,Ministry of Education;2.College of Environmental Science and Engineering,Qingdao 266100,China)

By the indoor column leaching experiments,the variation characteristics of salt and ion compositions were contrasted and analyzed in two typical soil and their leachate in Luanjing Irrigation。The two typical soils were sandy loam and sand.The relation curve between the accumulation leachate volume and the corresponding salt concentration was determined by fitting experimental data.The results show that the main ion compositions in two soils are changed remarkably from Cl-—Na+transformed into HC—Ca2+.The salt concentration of their leachate decreases by power function with the increasing of accumulative leachate volume.During the experiment,the accumulative leachate volume of sandy loam is 7.05 PV(pore volume)and its desalting ratio is 71%,while the accumulative leachate volume of sand is 7.01 PV and its desalting ratio is 84%.This show that the desalination of irrigation relates to the soil texture and desalination in sand is larger than that in sandy loam.The relation curve of each soil between the accumulation leachate volume and the corresponding salt concentration fits well.They can be used to simulate the desalting process during irrigation in the Irrigation area.

salt;leaching;curve-fitting

S156

A

1672-5174(2010)09-109-08

國家自然科學基金項目:引黃灌溉對干旱區(qū)深埋潛水的補給及環(huán)境效應(40572171)資助

2010-03-17;

2010-05-13

劉貫群(1964-),男,教授,博導,主要從事水資源與水環(huán)境方面的研究。E-mail:lguanqun@ouc.edu.cn

責任編輯 龐 旻