磁化強(qiáng)度對磁電一體活化水土壤水鹽運(yùn)移特征的影響

王全九 李宗昱 張繼紅 解江博 韋 開 孫 燕

(1.西安理工大學(xué)省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 西安 710048；2.中國科學(xué)院水利部水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西楊凌 712100)

0 引言

我國水資源短缺，提高灌溉用水效率是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)高效用水的重要任務(wù)。國內(nèi)眾多學(xué)者從完善灌溉制度、改進(jìn)灌排方式等方面開展了大量研究[1-2]，取得了良好效果。為了進(jìn)一步提高灌溉水的生產(chǎn)能力，一些學(xué)者采用物理技術(shù)(磁化、去電子化)對淡水或微咸水進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)淡水或微咸水的表面張力、pH值、溶解氧濃度、接觸角等理化性質(zhì)均發(fā)生了改變[3-9]，這些理化性質(zhì)的改變可以提高灌溉水的利用效率，進(jìn)一步應(yīng)用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域[10-11]。國內(nèi)外大量研究表明，利用磁化水灌溉可以加快土壤水分入滲，促進(jìn)土壤上層鹽分向下運(yùn)移，提高鹽分淋洗效率，改善土壤及作物生長環(huán)境[12-20]。文獻(xiàn)[21-23]通過研究活化水在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，利用磁化和去電子化微咸水入滲可以增加上層土壤的保水能力，促進(jìn)土壤水鹽運(yùn)移，提高土壤脫鹽率，改善作物根系生長環(huán)境，并且磁化水的入滲特征和鹽分淋洗效率對不同的磁化強(qiáng)度有不同的響應(yīng)，即隨著磁化強(qiáng)度的增加，磁化水活化性能先增加后減小，具有良好的二次函數(shù)關(guān)系。關(guān)于去電子水在農(nóng)業(yè)灌溉領(lǐng)域的研究較少，一些研究表明，利用去電子水灌溉可以改善作物的生長環(huán)境，提高冬小麥的生長速率和產(chǎn)量[24]，并且對土壤的鹽分脅迫有一定的緩沖作用[25-26]。

綜上所述，通過磁化、去電子化可以改變水的物理性質(zhì)，利用磁化水和去電子水進(jìn)行灌溉，能夠促進(jìn)土壤水分入滲、提高鹽分淋洗效率，增強(qiáng)上層土壤的保水能力。目前，活化水主要包括磁化水和去電子水[22]，關(guān)于磁化與去電子組合處理淡水或微咸水的研究尚未見報道，土壤水入滲特征及鹽分淋洗效率與磁電一體活化水的磁化強(qiáng)度之間的關(guān)系尚不清楚。因此，本文通過一維垂直土柱入滲試驗(yàn)，定量分析不同磁化強(qiáng)度的磁電一體活化水對土壤水鹽運(yùn)移特征的影響，并建立磁化強(qiáng)度與入滲模型參數(shù)之間的關(guān)系，為磁電一體活化方法在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用提供理論依據(jù)和指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)所用磁電一體灌溉水活化系統(tǒng)如圖1所示，該系統(tǒng)主要由水箱(100 L)、蠕動泵(YT600-1J型)、不同磁化強(qiáng)度的磁化器(包頭鑫達(dá)磁性材料廠)、去電子器(W600DELF型)組成，并通過直徑25 mm PVC管道連接而成。磁化強(qiáng)度設(shè)為0.1、0.2、0.4、0.8 T，并與去電子設(shè)備構(gòu)成不同磁化強(qiáng)度的磁電活化系統(tǒng)。水箱中裝滿自來水，通過蠕動泵控制自來水以0.5 m/s的恒定流速流過裝有不同磁化器和去電子器的管道，水流切割磁感線，理化性質(zhì)發(fā)生改變[7]，通過去電子器時，由一根電阻不超過5 Ω的接地導(dǎo)線將水中電子導(dǎo)入地下[7]，得到不同磁化強(qiáng)度的磁電一體活化水。

圖1 活化水制備系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic of activated water preparation system1.水箱 2.進(jìn)水管 3.止水閥 4.蠕動泵 5.磁化器 6.去電子器 7.出水管 8.接地導(dǎo)線 9.接地銅棒

入滲系統(tǒng)主要包括有機(jī)玻璃土柱和馬氏瓶。有機(jī)玻璃土柱內(nèi)徑8 cm，高50 cm，外側(cè)貼有刻度紙，便于讀取濕潤鋒運(yùn)移深度。馬氏瓶內(nèi)徑8 cm，高50 cm，為入滲提供穩(wěn)定的入滲水頭。試驗(yàn)用土取自新疆維吾爾自治區(qū)庫爾勒地區(qū)，利用激光粒度分析儀(Mastersizer 2000型，馬爾文儀器有限公司，英國)測定土壤的機(jī)械組成，確定試驗(yàn)用土為砂壤土，土壤容重為1.63 g/cm3，初始含水率為0.01 cm3/cm3，飽和含水率為0.35 cm3/cm3，初始含鹽量為8.8 g/kg。

1.2 試驗(yàn)方法與過程

試驗(yàn)以未處理的自來水作為對照，自來水通過不同磁化強(qiáng)度(0.1、0.2、0.4、0.8 T)的磁電一體灌溉水活化系統(tǒng)進(jìn)行處理，共計(jì)5種入滲用水，每種水的入滲試驗(yàn)設(shè)置3次重復(fù)。將自來水和不同磁化強(qiáng)度的磁電一體活化水裝入馬氏瓶中，試驗(yàn)土樣裝入土柱中，裝土高度45 cm，裝土?xí)r保證層與層之間的土樣充分接觸，并在土柱頂部放一張濾紙。調(diào)整馬氏瓶與土柱的位置，控制入滲水頭在1 cm左右。開始入滲試驗(yàn)后，利用秒表計(jì)時并記錄馬氏瓶中水柱高度變化和濕潤鋒運(yùn)移深度，到達(dá)入滲終點(diǎn)(濕潤鋒運(yùn)移深度達(dá)到30 cm)時，停止計(jì)時，同時記錄此時馬氏瓶讀數(shù)，停止供水。入滲結(jié)束，拆卸有機(jī)玻璃土柱，提取濕潤體0、5、10、15、20、25、30 cm處的土樣，用于測量土樣的含水率和含鹽量。

1.3 入滲模型

利用Philip入滲模型分析不同磁化強(qiáng)度磁電一體活化水的入滲特征，進(jìn)一步探究不同磁化強(qiáng)度對入滲模型參數(shù)的影響。

由于本試驗(yàn)是短時入滲，Philip入滲模型[27]的累積入滲量的表達(dá)式為

I=St0.5

(1)

式中I——累積入滲量，cm

S——吸濕率，cm/min0.5

t——入滲時間，min

2 結(jié)果與分析

2.1 磁化強(qiáng)度對磁電一體活化水入滲特征的影響

2.1.1對累積入滲量的影響

圖2(圖中CK表示對照， DM1、DM2、DM4、DM8分別表示磁化強(qiáng)度為0.1、0.2、0.4、0.8 T的磁電一體活化水，下同)為不同磁化強(qiáng)度磁電一體活化水入滲對土壤累積入滲量的影響。由圖2可知，對照和磁電一體活化水的累積入滲量均隨著入滲時間的增加而增加，在入滲時間到達(dá)20 min前，對照與磁電一體活化水入滲的累積入滲量相差不大。20 min后，磁電一體活化水的累積入滲量均大于對照，在入滲時間到達(dá)210 min時，DM1、DM2、DM4、DM8對應(yīng)的累積入滲量較對照增加了18.05%、29.17%、33.33%、18.06%。這是因?yàn)榇呕腿ル娮踊幚砭棺詠硭睦砘再|(zhì)發(fā)生了變化[3,7,28]，提高了自來水的入滲能力[8]，而將兩種活化技術(shù)結(jié)合之后自來水的理化特性同樣會發(fā)生改變，甚至這種改變效應(yīng)可以疊加，使得磁電一體活化水入滲時可以進(jìn)入到土壤更小的孔隙中，累積入滲量增加。同時發(fā)現(xiàn)，入滲時間相同時，磁電一體活化水入滲的累積入滲量隨著磁化強(qiáng)度的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，其中磁化強(qiáng)度為0.4 T的磁電一體活化水的累積入滲量最大。這說明不同的磁化強(qiáng)度對磁電一體活化水入滲的累積入滲量有不同的影響，可能存在最佳磁化強(qiáng)度的磁電一體活化水。

圖2 不同磁化強(qiáng)度對累積入滲量的影響Fig.2 Effect of different magnetization intensities on cumulative infiltration

2.1.2對濕潤鋒運(yùn)移的影響

圖3為不同磁化強(qiáng)度磁電一體活化水入滲對濕潤鋒運(yùn)移的影響。從圖中可以看出，當(dāng)入滲時間到達(dá)50 min后，與對照相比，濕潤鋒運(yùn)移到相同深度時，磁電一體活化水入滲用時明顯小于對照，當(dāng)達(dá)到入滲終點(diǎn)時(濕潤鋒運(yùn)移深度達(dá)到30 cm)，與對照相比，DM1、DM2、DM4、DM8用時減少了16.38%、21.25%、27.53%、19.86%。這是因?yàn)樽詠硭?jīng)過磁化或者去電子化處理后表面張力、粘度減小[7,28]，可以加快自來水入滲，提高入滲速率，而將自來水經(jīng)過磁化與去電子組合處理后，理化特性同樣會發(fā)生改變，故可以提高入滲速率。從試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，磁電一體活化水到達(dá)入滲終點(diǎn)的時間隨著磁化強(qiáng)度的增加呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢，當(dāng)磁化強(qiáng)度為0.4 T時，入滲用時最短，與磁化強(qiáng)度對累積入滲量的影響結(jié)果一致，磁電一體活化水存在最佳磁化強(qiáng)度。

圖3 不同磁化強(qiáng)度對濕潤鋒運(yùn)移深度的影響Fig.3 Effect of different magnetization intensities on wet front migration depth

2.2 磁化強(qiáng)度對磁電一體活化水入滲模型參數(shù)的影響

表1為利用Philip入滲模型(式(1))對入滲數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合獲得的吸濕率S。擬合決定系數(shù)均高于0.99，說明Philip模型的擬合結(jié)果較好。從表中可以發(fā)現(xiàn)，磁電一體活化水對應(yīng)的吸濕率S均大于對照。

表1 磁電一體活化水對應(yīng)的吸濕率Tab.1 Moisture absorption of magnetization-de-electronic activation water

表1中磁化強(qiáng)度H與吸濕率S之間的關(guān)系如圖4所示，并對磁化強(qiáng)度H與吸濕率S之間的關(guān)系進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果為

S=-0.854 4H2+0.749 1H+0.513 4

(2)

擬合決定系數(shù)R2=0.85。由圖4可知，吸濕率S隨著磁化強(qiáng)度H的增加先增加后減小，最大吸濕率對應(yīng)的磁化強(qiáng)度在0.4 T附近，根據(jù)式(2)計(jì)算，當(dāng)吸濕率S最大時，磁化強(qiáng)度為0.44 T。

圖4 磁化強(qiáng)度與吸濕率S的關(guān)系Fig.4 Relationship between magnetization intensity and moisture absorption rate S

2.3 磁化強(qiáng)度對磁電一體活化水入滲土壤水鹽分布的影響

2.3.1對土壤含水率分布的影響

圖5為不同磁化強(qiáng)度磁電一體活化水入滲對土壤含水率分布的影響。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，土壤含水率隨著入滲土層深度的增加而減小。入滲過程中，由于表層土壤存在穩(wěn)定的入滲水頭，長期處于過飽和狀態(tài)，含水率幾乎等于飽和含水率，故表層土壤的含水率差異不明顯。為了分析不同情況下土壤含水率分布差異，重點(diǎn)分析5 cm深度以下的土層土壤含水率。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，相同土層深度磁電一體活化水對應(yīng)的含水率均大于對照，與對照相比，DM1、DM2、DM4、DM8對應(yīng)的15 cm深度的土壤含水率增加了3.9%、6.5%、10.1%、4.9%，土壤含水率隨著磁化強(qiáng)度的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，其中0.4 T磁電一體活化水對應(yīng)的各層土壤含水率最大。

圖5 不同磁化強(qiáng)度對土壤含水率分布的影響Fig.5 Effect of different magnetization intensity on soil water content distribution

2.3.2對土壤鹽分分布的影響

圖6為不同磁化強(qiáng)度磁電一體活化水入滲對不同土層含鹽量分布的影響。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，不同土層鹽分分布的趨勢基本一致，表層土壤的含鹽量基本接近于0，隨著入滲的進(jìn)行，土層深度越深，土壤的含鹽量越高。圖中豎線表示供試土壤初始含鹽量，豎線左側(cè)為脫鹽區(qū)，豎線右側(cè)為積鹽區(qū)，脫鹽區(qū)與積鹽區(qū)的分界線大致在土層深度22 cm處。在土層深度為5～22 cm的脫鹽區(qū)，磁電一體活化水對應(yīng)的同一深度土壤含鹽量均小于對照。分析15 cm處的土壤含鹽量，與對照相比，DM1、DM2、DM4、DM8對應(yīng)的土壤含鹽量減少了13.8%、6.6%、27.1%、19.7%，其中磁化強(qiáng)度0.4 T對應(yīng)的土壤含鹽量最小。而在積鹽區(qū)同一土層土壤含鹽量與脫鹽區(qū)相反，磁電一體活化水對應(yīng)的同一土層土壤含鹽量均大于對照，其中磁化強(qiáng)度0.4 T對應(yīng)的土壤含鹽量最大。這是由于入滲過程中上層土壤的鹽分溶于水中，隨著入滲的進(jìn)行將上層土壤的鹽分淋洗，使大量的鹽分聚集于積鹽區(qū)，而磁電一體活化水由于磁化和去電子化的作用，水的表面張力、粘度等理化特性發(fā)生了改變[3,7-8]，大的締合水分子集團(tuán)變?yōu)樾〉木喓纤肿蛹瘓F(tuán)[29]，使得水分能夠進(jìn)入土壤更小的孔隙中，淋洗的鹽分比對照更多，故在脫鹽區(qū)磁電一體活化水淋洗的鹽分越多，則在積鹽區(qū)積累的鹽分也越多。分析濕潤鋒處土壤含鹽量可以發(fā)現(xiàn)，不同處理水入滲在濕潤鋒的含鹽量差異明顯，與對照相比， DM1、DM2、DM4、DM8對應(yīng)的濕潤鋒處的含鹽量增加了10.3%、8.1%、13.5%、4.7%，其中磁化強(qiáng)度為0.4 T時對應(yīng)的濕潤鋒處的含鹽量最大，這與脫鹽區(qū)分析的結(jié)果一致。

圖6 不同磁化強(qiáng)度對土壤鹽分分布的影響Fig.6 Effect of different magnetization intensity on soil salt distribution

2.4 磁化強(qiáng)度對土壤滯留鹽分濃度的影響

為進(jìn)一步闡明不同磁化強(qiáng)度磁電一體活化水對土壤水鹽運(yùn)移的影響，分析不同磁化強(qiáng)度磁電一體活化水對應(yīng)的土壤滯留鹽分濃度變化特征。土壤滯留鹽分濃度是指入滲結(jié)束后某層土壤的含鹽量與該層土壤含水率的比值，而整個濕潤體的含鹽量與總?cè)霛B量的比值定義為平均土壤鹽分濃度。圖7為不同入滲水對應(yīng)的土壤滯留鹽分濃度(圖中豎線代表土壤初始鹽分濃度)。從圖中可以看出，豎線左側(cè)脫鹽區(qū)的土壤滯留鹽分濃度有明顯的差別，土層深度相同時，磁電一體活化水對應(yīng)的滯留鹽分濃度均小于對照，分析10～15 cm深度處的土壤滯留鹽分濃度，與對照相比，DM1、DM2、DM4、DM8對應(yīng)的土壤滯留鹽分濃度減小了15.2%、11.9%、34.9%、26.1%，可以發(fā)現(xiàn)磁化強(qiáng)度對磁電一體活化水入滲的土壤滯留鹽分濃度有顯著的影響，磁化強(qiáng)度為0.4 T時對應(yīng)的土壤滯留鹽分濃度最小。

圖7 不同磁化強(qiáng)度對土壤滯留鹽分濃度的影響Fig.7 Effect of different magnetization intensity on soil retained salt concentration

2.5 磁化強(qiáng)度對土壤鹽分淋洗效果的影響

圖8(圖中不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05))為不同磁化強(qiáng)度下磁電一體活化水下的土壤脫鹽率。從圖中可以看出，不同磁電一體活化水對應(yīng)的土壤脫鹽率均大于對照，并且隨著磁化強(qiáng)度的增加，磁電一體活化水對應(yīng)的脫鹽率呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，磁化強(qiáng)度為0.4 T時磁電一體活化水對應(yīng)的脫鹽率最高。與對照相比，DM1、DM2、DM4、DM8對應(yīng)的土壤脫鹽率增加了8.2%、10.3%、18.5%、13.1%。

圖8 不同入滲水下的脫鹽率Fig.8 Desalting rate corresponding to different infiltration water

為了進(jìn)一步分析磁化強(qiáng)度對磁電一體活化水淋洗鹽分效果的影響，定義脫鹽區(qū)某一土層中被淋洗的鹽分總量與通過該土層總水量的比值為鹽分淋洗效率，單位為g/L。表2為不同磁化強(qiáng)度磁電一體活化水對應(yīng)的不同土層鹽分淋洗效率，0～5 cm深度土壤的鹽分淋洗效率差異不顯著(P>0.05)。這是因?yàn)椴煌呕瘡?qiáng)度的磁電一體活化水通過表層土壤的總水量相差不大，致使表層土壤含水率均接近飽和，鹽分向下淋洗總量接近，鹽分淋洗效率接近甚至小于對照。與對照相比，不同磁化強(qiáng)度磁電一體活化水對應(yīng)土層深度在5 cm以下的鹽分淋洗效率均增大。分析整個脫鹽區(qū)(0～20 cm)鹽分淋洗效率，與對照相比，DM1、DM2、DM4、DM8對應(yīng)的整體鹽分淋洗效率增加了4.2%、2.6%、4.7%、3.8%，0.4 T磁電一體活化水對應(yīng)的鹽分淋洗效率最大。

2.6 磁電一體活化水在農(nóng)業(yè)灌溉領(lǐng)域的實(shí)用價值及經(jīng)濟(jì)效益分析

通過以上分析可以發(fā)現(xiàn)，磁電一體活化水可以顯著提高土壤水分入滲能力和鹽分淋洗效率，與對照相比，磁電一體活化水對應(yīng)的累積入滲量增加了18.05%～33.3%，入滲用時減少了16.38%～27.53%，同一土層含水率增加了3.9%～10.1%，脫鹽區(qū)同一土層含鹽量減少了6.6%～27.1%，脫鹽區(qū)同一土層滯留鹽分濃度減少了11.9%～34.9%，脫鹽率增加了8.2%～18.5%，脫鹽區(qū)鹽分淋洗效率增加了2.6%～4.7%。與傳統(tǒng)灌溉水相比，利用磁電一體活化水壓鹽治理鹽堿土可以提高水的利用效率，達(dá)到節(jié)約用水的效果；利用磁電一體活化水灌溉，土壤含水率高，含鹽量低，可以為作物創(chuàng)造更適宜的根區(qū)土壤環(huán)境。磁電一體活化水制備方法簡單，成本較低，只需在灌溉水源處增設(shè)活化水制備設(shè)備，具有很強(qiáng)的實(shí)用價值和經(jīng)濟(jì)效益，故磁電一體活化水在鹽堿地治理和農(nóng)業(yè)灌溉領(lǐng)域有非常大的應(yīng)用前景。

表2 鹽分淋洗效率Tab.2 Salt leaching efficiency g/L

3 結(jié)論

(1)磁電一體活化水可以促進(jìn)土壤水分入滲，并且對磁化強(qiáng)度有不同的響應(yīng)。與對照相比，磁電一體活化水的累積入滲量顯著增加，入滲用時顯著縮短，入滲時間相同時，累積入滲量隨著磁化強(qiáng)度的增加呈先增加后減小的趨勢，入滲結(jié)束用時隨著磁化強(qiáng)度的增加呈先減小后增加的趨勢，磁化強(qiáng)度為0.4 T時累積入滲量最大、入滲用時最短。

(2)磁電一體活化水對應(yīng)的吸濕率S均大于對照，并且隨著磁化強(qiáng)度H的增加，吸濕率S呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。建立了吸濕率S與磁化強(qiáng)度H之間的擬合公式，得出磁化強(qiáng)度為0.44 T時的磁電一體活化水吸濕率最大。

(3)磁電一體活化水入滲可以提高土壤鹽分的淋洗效率，并且適當(dāng)?shù)拇呕瘡?qiáng)度可以提高磁電一體活化水的利用效率。與對照相比，磁電一體活化水入滲對應(yīng)的含水率增加，含鹽量和土壤滯留鹽分濃度降低，脫鹽率與鹽分淋洗效率增大，且脫鹽率隨著磁化強(qiáng)度的增加呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律。研究表明，磁化強(qiáng)度為0.4 T時，磁電一體活化水的含水率、脫鹽率、鹽分淋洗效率達(dá)到最大，含鹽量和土壤滯留鹽分濃度最低。

(4)磁電一體活化水在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域有非常大的應(yīng)用潛力。與傳統(tǒng)大水壓鹽治理鹽堿土相比，磁電一體活化水壓鹽可以提高水分利用效率，達(dá)到節(jié)約用水的效果，緩解我國淡水資源短缺的問題；與傳統(tǒng)灌溉水相比，磁電一體活化水灌溉的土壤含水率更高，根區(qū)土壤鹽分濃度更低，為作物創(chuàng)造更加良好的生長環(huán)境。磁電一體活化水的制備成本較低，方法簡單，具有良好的實(shí)用價值。