蔣茜，吳鳳平，譚 帥，王 輝，宋城業(yè)，陳婷，李芊芊，孟志雄

積水入滲下不同礦化度水對紅壤水鹽運(yùn)移特征的影響

蔣茜，吳鳳平，譚 帥*，王 輝，宋城業(yè)，陳婷，李芊芊，孟志雄

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，長沙 410128）

【】探討積水入滲條件下礦化度對酸性紅壤水鹽運(yùn)移特征的影響，為我國南方非常規(guī)水合理利用提供參考。采取土柱入滲試驗(yàn)，以蒸餾水灌溉（CK）為對照，探究不同礦化度水（1、2、3、5、10 g/L）入滲下南方紅壤水分動態(tài)運(yùn)移、水鹽分布及土壤pH值變化，并量化礦化度與入滲模型參數(shù)關(guān)系。與CK相比，1～10 g/L處理抑制紅壤水分入滲，同一時刻累積入滲量表現(xiàn)為CK>1 g/L處理>5 g/L處理>2 g/L處理>3 g/L處理>10 g/L處理。5 g/L處理持水能力顯著高于其他處理（<0.05），單位時間濕潤鋒運(yùn)移距離小于CK和1、2 g/L處理。Kostiakov公式較Philip方程能更精確描述1～3 g/L處理紅壤累積入滲量隨時間變化，礦化度大于3 g/L時則相反。紅壤累積入滲量與濕潤鋒運(yùn)移距離符合線性關(guān)系，紅壤持水能力、入滲模型參數(shù)與礦化度關(guān)系均滿足三次多項(xiàng)式（2>0.95，<0.06）。1～5 g/L處理可使5～25 cm土壤平均含水率增加0.09%～4.61%，各處理土壤值和Na+、Cl-質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨深度增加呈減小趨勢，礦化度對25～40 cm范圍土壤鹽分的影響小于上層土壤。與CK相比，1～5 g/L處理加劇紅壤酸化，10 g/L處理則增加土壤pH值。礦化度對土壤酸化和分散作用程度不同是造成紅壤水鹽運(yùn)移特征差異的原因，南方紅壤區(qū)非常規(guī)水安全利用需綜合考慮礦化度作用下土壤水鹽、酸堿環(huán)境變化。

礦化度；紅壤；一維入滲；入滲模型；水鹽分布

0 引言

【研究意義】非常規(guī)水利用在有效降低南方地區(qū)淡水資源消耗、緩解季節(jié)性干旱等方面具有重要作用。因產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)及水文地質(zhì)條件差異，非常規(guī)水中鹽分離子難以去除、鹽分變化范圍較大[1-2]。礦化度是影響土壤鹽分的主要因素，利用礦化度較高的非常規(guī)水灌溉易造成根區(qū)土壤鹽分積累[3-4]。同時，進(jìn)入土壤的鹽分離子與土壤原有化學(xué)元素和土壤顆粒發(fā)生作用，改變土壤結(jié)構(gòu)和能量狀態(tài)[5-6]，進(jìn)而影響土壤水鹽運(yùn)動。紅壤為南方地區(qū)典型土壤之一，具有弱酸性、孔隙度較低、質(zhì)地黏重等特征，確定礦化度對紅壤水鹽運(yùn)移特征的影響將為南方地區(qū)非常規(guī)水資源開發(fā)利用提供參考依據(jù)?！狙芯窟M(jìn)展】在砂質(zhì)粉壤土入滲特征研究上，吳忠東等[7]指出土壤入滲能力隨礦化度增加逐漸增強(qiáng)，通常在礦化度為3 g/L時存在峰值，而后土壤入滲能力隨礦化度增加逐漸減弱。劉小媛等[8]研究0～5 g/L微咸水入滲重度鹽堿土壤后發(fā)現(xiàn)相同入滲歷時內(nèi)累積入滲量、濕潤鋒運(yùn)移距離隨礦化度增加呈增大趨勢。胡傳旺等[9]以南方典型酸性土壤為研究對象探討高礦化度（5～25 g/L）鹽溶液入滲下紅壤水分運(yùn)動特征，發(fā)現(xiàn)灌水礦化度高于5 g/L會抑制土壤入滲，并降低土壤pH值，對土壤產(chǎn)生酸化作用。另有研究表明，因土壤酸化造成的土壤結(jié)構(gòu)破壞會降低可導(dǎo)水孔隙率[10]。【切入點(diǎn)】上述研究表明，礦化度對酸性土壤的響應(yīng)特征區(qū)別于中性或堿性土壤，即土壤性質(zhì)顯著影響入滲過程。但目前有關(guān)不同礦化度水對土壤入滲特征的研究多以北方地區(qū)土壤為研究對象，南方地區(qū)酸性土壤的入滲研究尚不多見，且礦化度對酸性土壤入滲過程的作用機(jī)制仍不清晰，較低礦化度（<5 g/L）對其水鹽運(yùn)移特征的影響及參數(shù)定量研究相對缺乏?！緮M解決的關(guān)鍵問題】為此，采用定水頭一維垂直土柱入滲試驗(yàn)，研究不同礦化度水作用下紅壤水鹽運(yùn)移特征并定量表征礦化度與入滲模型參數(shù)之間的關(guān)系，探討紅壤的酸化、分散作用對紅壤入滲過程的作用機(jī)理，以期為非常規(guī)水資源利用、酸性土壤水鹽運(yùn)移模型構(gòu)建提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試土壤取自湖南長沙（113°16'46"E，28°32'49" N），土地利用類型為荒地。利用隨機(jī)、多點(diǎn)法（10個點(diǎn)）采集表層0～20 cm土樣，去除土樣中的枯枝、異物并置于干燥、陰涼的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)使其自然風(fēng)干，過2 mm篩備用。利用比重法測定土壤顆粒組成，按國際制土壤質(zhì)地分級標(biāo)準(zhǔn)，供試紅壤屬黏土（12%砂粒，32%粉粒，56%黏粒）。土壤干體積質(zhì)量和初始質(zhì)量含水率分別為1.240 g/cm3和0.051 g/g，土壤初始pH值、值為4.33、28.8 μS/cm，土壤初始Na+、Cl-質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.068、0.058 g/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

試驗(yàn)于2019年8月15日—9月30日在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)灌溉排水工程實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。為簡化離子作用對紅壤入滲能力的影響，配置5種質(zhì)量濃度（1、2、3、5、10 g/L）的NaCl溶液模擬不同礦化度水入滲，并以蒸餾水（礦化度接近于0）作為對照（CK），每個處理重復(fù)3次。

采用一維垂直定水頭法測定不同礦化度水作用下紅壤入滲過程。為便于觀測入滲過程，土柱和供水設(shè)備均由有機(jī)玻璃管制成，其中土柱的內(nèi)徑為8 cm，高為50 cm；供水設(shè)備為內(nèi)徑5 cm，高50 cm的馬氏瓶。按照1.24 g/cm3的體積質(zhì)量，將土樣分9層（每層厚為5 cm）裝入有機(jī)玻璃柱內(nèi)。填裝土樣前，在有機(jī)玻璃柱底部放置紗布和濾紙，防止土壤顆粒流失。裝填每層土樣時，用卷著的硬紙片將土樣緩慢送入有機(jī)玻璃柱底部并用攪拌棒將土壤均勻攪拌，使其填裝均勻并在層與層之間刮毛。待土柱裝填完成，在土柱表面放一層濾紙，防止試驗(yàn)過程中溶液對土柱表面的沖刷。試驗(yàn)過程中，供水水頭控制在2 cm。按照時間由密至疏的原則，記錄馬氏瓶水位高度及對應(yīng)土柱的濕潤鋒運(yùn)移距離。當(dāng)濕潤鋒深度達(dá)到35 cm時，停止供水，迅速吸干土柱表層積水。由表層至濕潤鋒處，用土鉆每5 cm采取土樣。利用烘干法測定土壤質(zhì)量含水率，并結(jié)合土壤干體積質(zhì)量得到土壤體積含水率。在土水比1∶5下獲取懸浮試樣，使用梅特勒Seven Excellence S470-B多功能測試儀（Mettler Toledo, Switzerland）和PXSJ-216F離子計（上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司，中國上海）分別測定土壤、pH值和Na+、Cl-質(zhì)量分?jǐn)?shù)。試驗(yàn)裝置如圖1所示。

1.3 入滲模型及評價標(biāo)準(zhǔn)

為分析不同礦化度條件下紅壤的積水入滲規(guī)律，本研究采用Kostiakov公式和Philip方程描述紅壤入滲過程，以探討灌水礦化度對紅壤入滲參數(shù)的影響。土壤入滲經(jīng)驗(yàn)公式[11]：

=at， （1）

式中：為累積入滲量（cm）；為入滲歷時（min）；、均為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

圖1 試驗(yàn)裝置示意

Philip[12]通過推求土壤水分運(yùn)動基本方程的半解析解，提出Philip一維入滲公式。在入滲時長較短的情況下，該公式可表示為：

=0.5， （2）

式中：為吸滲率（cm/min0.5）；其他符號意義同式（1）。

采用決定系數(shù)（2）及均方根誤差（）作為評價Kostiakov公式和Philip方程描述土壤水分入滲效果的指標(biāo)參數(shù)，其中2的值越接近于1，值越小，表示入滲模型對紅壤入滲特征的擬合效果越好。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)均為3次重復(fù)的平均值，誤差線為標(biāo)準(zhǔn)差，所用土壤含水率均為體積含水率。使用Excel進(jìn)行圖表繪制和土壤入滲參數(shù)求解。使用SPSS 22（IBM Corp，USA）對各指標(biāo)先進(jìn)行單因素方差分析，若存在顯著性差異（<0.05），則利用最小顯著性差異法（LSD）進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同礦化度水灌溉下紅壤累積入滲量

圖2為不同礦化度作用下紅壤累積入滲量隨入滲歷時的變化。各處理累積入滲量隨時間變化類似，均表現(xiàn)出累積入滲量隨時間推移而增加的趨勢，且增長速率逐漸降低。

入滲初期，曲線重合度高，礦化度對累積入滲量的影響不明顯。隨入滲歷時增加，各處理土壤累積入滲量差異漸顯，同一時刻1～10 g/L處理累積入滲量均低于CK，表明礦化度對紅壤水分入滲具有抑制作用，單位時間內(nèi)累積入滲量減少，紅壤入滲能力降低。單位時間內(nèi)紅壤累積入滲量表現(xiàn)為：CK>1 g/L處理>5 g/L處理>2 g/L處理>3 g/L處理>10 g/L處理。相較于CK（14.76 cm），入滲結(jié)束時（濕潤鋒運(yùn)移距離達(dá)到35 cm），1、2、3、10 g/L處理累積入滲量分別降低1.53%、2.03%、1.75%、8.00%，5 g/L處理累積入滲量增加4.32%，而160 min后5 g/L處理同一時刻水分入滲速度低于CK和1 g/L，說明5 g/L處理水分下滲能力較前期有明顯減弱。

為定量分析積水入滲下灌水礦化度對紅壤入滲特征的影響，采用Kostiakov公式和Philip方程擬合累積入滲量隨時間變化，擬合結(jié)果見表1。由表1可知，各擬合方程的決定系數(shù)2均高于0.98（<0.05），表明Kostiakov公式和Philip方程均能較好地反映不同礦化度下紅壤累積入滲量與時間的關(guān)系。1～3 g/L處理Kostiakov公式對應(yīng)（0.072～0.141）均小于Philip方程對應(yīng)（0.136～0.212），5 g/L及以上則表現(xiàn)出相反的規(guī)律，說明礦化度<5 g/L時Kostiakov公式較Philip方程能夠更準(zhǔn)確地描述不同礦化度水入滲下紅壤累積入滲量隨入滲歷時的變化，Philip方程更適合描述5、10 g/L處理下紅壤入滲特征。

圖2 紅壤累積入滲量隨入滲歷時的變化

表1 入滲公式參數(shù)擬合結(jié)果及關(guān)系

注 同列不同小寫字母表示處理在5%水平差異顯著；表示灌溉水礦化度。

Kostiakov公式中，表示第一個計時單位（1 min）后的累積入滲量，表示累積入滲量的衰減程度。由表1可知，礦化度對值影響顯著（<0.05）。其中，在5 g/L時存在最大值（1.292），1、2、3 g/L和10 g/L處理下值顯著低于CK，且表現(xiàn)為隨礦化度的增加而降低。礦化度對影響顯著（<0.05）。1～10 g/L處理下的隨礦化度的增加呈先減小后增加的趨勢，在5 g/L時存在最小值（0.441），累積入滲量衰減程度顯著低于其他處理（<0.05），1、2、3 g/L和10 g/L處理下值均大于CK（0.521），1～3 g/L對應(yīng)值無明顯差異。說明在該試驗(yàn)條件下，礦化度為5 g/L時會增加紅壤初始累積入滲量，但入滲量累積程度會隨入滲時間增加而顯著減低；1、2、3、10 g/L初始累積入滲量均低于CK，但累積入滲量衰減程度大于CK。Philip方程中，吸滲率是反映土壤入滲能力的指標(biāo)，越小表示土壤的入滲能力越低。礦化度顯著降低紅壤入滲能力（<0.05）。1～10 g/L處理對應(yīng)的較CK分別降低0.066、0.160、0.212、0.062、0.436 cm/min0.5，其中1 g/L和5 g/L處理下紅壤的入滲能力較CK降低幅度小于6.28%，入滲能力相對接近于CK。通過回歸分析發(fā)現(xiàn)，礦化度與入滲模型參數(shù)可用三次多項(xiàng)式進(jìn)行描述（2>0.95，<0.06），該結(jié)果可為不同礦化度下紅壤入滲參數(shù)的確定提供簡單、快速的方法。

2.2 不同礦化度水灌溉下紅壤濕潤鋒運(yùn)移距離

不同礦化度水灌溉下紅壤濕潤鋒運(yùn)移距離隨入滲歷時的變化如圖3所示。相同入滲時間內(nèi)，1～10 g/L處理濕潤鋒運(yùn)移距離均小于CK，與累積入滲量隨時間變化一致。入滲初期曲線斜率較大且重合度高，濕潤鋒推進(jìn)速度快，礦化度對紅壤濕潤鋒運(yùn)移影響不明顯。隨入滲歷時增加，濕潤鋒推進(jìn)速率趨于穩(wěn)定，單位時間內(nèi)不同處理濕潤鋒運(yùn)移距離差異增大。0～160 min內(nèi)濕潤鋒運(yùn)移距離隨入滲歷時變化表現(xiàn)為CK>1 g/L處理>5 g/L處理>2 g/L處理>3 g/L處理>10 g/L處理；入滲歷時超過160 min，同一時刻5 g/L處理濕潤鋒運(yùn)移距離小于CK、1 g/L處理和2 g/L處理，與入滲后期累積入滲量變化規(guī)律存在一定差異，說明5 g/L處理下土壤對水分的吸持作用較強(qiáng)，水分在土壤中的運(yùn)移速度下降。1～5 g/L處理到達(dá)固定濕潤鋒運(yùn)移距離所需入滲時間較CK（192 min）分別增加2.60%、22.40%、48.96%、28.65%；10 g/L處理入滲時間最長，較CK增加1.55倍。

圖3 紅壤濕潤鋒運(yùn)移距離隨入滲歷時的變化

2.3 不同礦化度水灌溉下累積入滲量與濕潤鋒關(guān)系

根據(jù)實(shí)測結(jié)果，同一時刻累積入滲量與濕潤鋒運(yùn)移距離之間存在一定的數(shù)量關(guān)系。如表2所示，線性關(guān)系式=f能較好描述不同礦化度水入滲下紅壤累積入滲量與濕潤鋒運(yùn)移距離f之間關(guān)系（2>0.99，<0.4）。系數(shù)為直線斜率，可作為濕潤鋒推進(jìn)單位距離所需水量，亦可反映不同處理土壤剖面的持水能力[13]。由表2可知，礦化度對紅壤持水能力影響顯著（<0.05），具體表現(xiàn)為1～10 g/L處理下值隨礦化度的增加整體呈先增加后減小的趨勢，并在5 g/L存在最大值（0.453），說明5 g/L處理推進(jìn)單位距離所需水量最大，具有較高的持水能力。礦化度為1～3 g/L時值均小于CK（0.418），但較CK對值影響不顯著，即不顯著降低紅壤持水能力。10 g/L處理下值最?。?.386），持水能力差。礦化度與參數(shù)滿足三次多項(xiàng)式關(guān)系（2>0.95，<0.02），在確定灌溉水量和控制水分下滲距離等方面具有一定參考價值。

表2 累積入滲量與濕潤鋒運(yùn)移距離的線性回歸關(guān)系

2.4 不同礦化度水灌溉下紅壤水分分布

為對比礦化度對紅壤剖面體積含水率的影響，入滲結(jié)束后0～40 cm范圍內(nèi)紅壤剖面含水率的分布見圖4。由圖4可知，土壤含水率隨深度增加而降低，總體變化規(guī)律為：土壤含水率在0～10 cm急劇減小，CK和1～10 g/L處理土壤含水率較表層土壤含水率分別降低19.13%、8.78%、13.71%、11.60%、17.16%、13.19%；10～30 cm土壤含水率變化幅度較小，30～40 cm土壤含水率再次降低，濕潤鋒處土壤含水率表現(xiàn)為5 g/L處理>1 g/L處理>CK>2 g/L處理>3 g/L處理>10 g/L處理。從土壤含水率的整體分布來看，10 g/L處理土壤含水率明顯低于CK，5～20 cm深度范圍內(nèi)1～5 g/L處理土壤平均含水率較CK（0.441 cm3/cm3）分別增長4.02%、0.09%、4.61%、2.73%。根據(jù)植物耐鹽程度和水量需求，可適當(dāng)增加灌溉水礦化度。

圖4 土壤含水率隨深度分布

2.5 不同礦化度水灌溉下紅壤鹽分和pH值分布

灌水后紅壤在不同礦化度處理下土壤、pH值及Na+、Cl-分布見圖5。由圖5（a）可知，同一深度土壤值隨礦化度增加而增大，各處理土壤值隨深度增加整體呈減小趨勢。0～25 cm各處理土壤值差異明顯；25～40 cm土壤平均值較0～25 cm土壤值分別降低54.87%、59.86%、50.41%、27.68%、40.46%，其中1～3 g/L處理土壤值與CK差異較小。該結(jié)果說明礦化度對土壤值的影響隨入滲深度的增加而降低，較低礦化度不顯著增加25～40 cm范圍內(nèi)土壤值。

由圖5（b）可知，CK土壤Na+質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨土層深度變化不明顯，與土壤初始Na+隨土層深度變化曲線基本重合。1～10 g/L處理Na+隨土層深度增加呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，且土壤Na+質(zhì)量分?jǐn)?shù)和積累深度隨灌溉礦化度增加而增大。0～20 cm是1～5 g/L處理下Na+主要累積范圍，Na+質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大值較表層土壤分別增長32.09%、24.49%、25.38%、6.61%，10 g/L處理該范圍內(nèi)Na+質(zhì)量分?jǐn)?shù)整體較大，穩(wěn)定在1.595～1.669 g/kg；20～35 cm各處理Na+質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨土層深度增加下降幅度較大且在30～35 cm處存在最小值，較最大值降低53.54%～70.57%；濕潤鋒處Na+增加。由圖5（c）可知，CK的Cl-在土壤中隨土層深度分布的曲線與初始值分布規(guī)律基本一致。1～10 g/L處理Cl-在土壤中的分布整體呈隨土層深度增加而減小，30～35 cm范圍內(nèi)Cl-質(zhì)量分?jǐn)?shù)較土壤表面降低60.77%～84.14%，濕潤鋒處Cl-增加。0～20 cm同一深度Cl-質(zhì)量分?jǐn)?shù)表現(xiàn)為10 g/L處理>5 g/L處理>2 g/L處理>1 g/L處理>3 g/L處理>CK，20～40 cm范圍內(nèi)CK和1～3 g/L處理Cl-差異較小，均小于5、10 g/L處理。

由圖5（d）可知，1～5 g/L處理土壤pH值整體小于CK，10 g/L處理土壤pH值大于CK，表明礦化度為1～5 g/L時會導(dǎo)致土壤酸化，而高礦化度增加土壤pH值。礦化度影響土壤pH值在土壤中的垂直分布，土壤pH值隨深度增加呈先減小后增加的趨勢，其中5 g/L處理在25～30 cm出現(xiàn)最低值（3.691），1、2、3、10 g/L土壤pH最低值較5 g/L分別增加4.77%、0.35%、0.49%、16.91%，表明5 g/L處理在下層土壤引起的土壤酸化程度高于其他處理。

圖5 土壤剖面鹽分、Na+、Cl-和pH值分布

3 討論

灌水礦化度在3 g/L及以下可促進(jìn)砂質(zhì)壤土、粉質(zhì)黏壤土等土壤水分入滲，且土壤入滲能力隨礦化度增加而增大[7-8,14]，而本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)1～3 g/L處理對紅壤水分入滲具有抑制作用，紅壤累積入滲量、濕潤鋒推進(jìn)距離均表現(xiàn)為CK>1 g/L處理>2 g/L處理>3 g/L處理。研究結(jié)果存在差異的原因一方面是入滲水為單一溶質(zhì)NaCl溶液，另一方面是礦化度作用下土壤質(zhì)地通過改變土壤孔隙尺寸和分布來影響土壤水力傳導(dǎo)度[15]。與砂質(zhì)壤土、粉質(zhì)黏壤土等砂性強(qiáng)、質(zhì)地較粗的土壤相比，南方紅壤穩(wěn)定性團(tuán)聚體主要膠結(jié)物質(zhì)為土壤中的黏粒、游離氧化鐵鋁，大量黏粒吸水膨脹并相互黏結(jié)使土壤大孔隙和傳導(dǎo)孔隙變小[16-17]。同時，入滲水中Na+與土壤膠體顆粒及原有Ca2+、Mg2+、Al3+等離子的交換反應(yīng)進(jìn)一步改變土壤結(jié)構(gòu)和孔隙特征[18-20]。土壤部分孔隙崩塌，黏粒在水流作用下運(yùn)動造成孔隙堵塞，阻礙土壤水分下滲[21-22]。交換出的陽離子與氫氧根離子生成的沉淀物隨水分下滲堵塞孔隙，也可能是抑制紅壤水分下滲的原因之一[23]。Saejiew等[24]研究表明高礦化度可增加絮凝能力并抑制土壤顆粒的膨脹分散作用，提高土壤大孔隙比例和滲透性。本試驗(yàn)5 g/L處理下隨入滲水進(jìn)入表層土壤的離子數(shù)量增加，擴(kuò)散雙電子層向黏粒表面壓縮，土壤顆粒間排斥力降低促進(jìn)土壤膠體絮凝[7]，使土壤入滲能力在短暫時間內(nèi)得到提高，土壤初始累積入滲量大于其他處理。此外，部分研究指出土壤團(tuán)聚體的結(jié)構(gòu)性和穩(wěn)定性因酸化作用增強(qiáng)而減弱，酸化作用會降低紅壤可導(dǎo)水孔隙率[25-26]。0～15 cm范圍內(nèi)5 g/L處理土壤pH值相對高于1～3 g/L處理，表明土壤被酸化和破壞程度低于1～3 g/L，水分下滲所受阻礙作用相對較小。隨入滲歷時增加，5 g/L處理土壤pH值不斷降低且達(dá)到最低值，對土壤結(jié)構(gòu)破壞性增強(qiáng)導(dǎo)致其土壤累積入滲量增加程度和濕潤鋒推進(jìn)速度明顯降低。10 g/L處理明顯抑制紅壤水分入滲并降低紅壤持水能力，與胡傳旺等[18]得到高鹽質(zhì)量濃度（≥10 g/L）降低土壤入滲能力的研究結(jié)論一致，這歸因于土壤顆粒表面吸附的陽離子飽和與土壤堿度增加[27]，高質(zhì)量濃度Na+對黏粒的分散作用導(dǎo)致土壤孔隙堵塞，進(jìn)而降低水分滲透能力[28-29]。由此可見，礦化度對土壤酸化、分散作用不同使水分運(yùn)動存在差異性。

從土壤鹽分分布來看，Na+積累量和積累深度隨礦化度增加而增大，在土壤中隨深度的分布整體呈先增加后減小的趨勢，而土壤值和Cl-質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨土壤深度的增加而降低，主要是鹽分遷移不僅受水分運(yùn)動的影響，土壤溶液中鹽分離子與土壤固相離子之間的交換作用也影響可溶性鹽離子的遷移過程[30]。其中0～20 cm范圍3 g/L處理Cl-質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于CK而低于其他處理，可能是濕潤過程中土壤的膨脹能力使土壤孔隙狀況發(fā)生變化，通過影響水分運(yùn)動改變Cl-移動性[31]，有待進(jìn)一步研究。上層土壤對水分的吸持作用強(qiáng)烈，入滲溶液與土壤的充分接觸交換出H+，同時水分下滲將土壤中其他被交換出的陽離子淋洗至下層，使土壤pH值隨深度分布呈先減小后增加的趨勢。與CK比較，1～5 g/L處理引起土壤酸化，10 g/L處理則增加土壤pH值，主要是因?yàn)?～5 g/L處理下Na+分散作用強(qiáng)于溶液濃度的絮凝作用，土壤顆粒對H+的吸附作用減弱，導(dǎo)致水中電解OH-減少，pH值下降。礦化度為10 g/L時，土壤膠體吸附的Na+達(dá)到一定飽和度，引起交換性陽離子水解，進(jìn)而增加土壤pH值[27,32]。

4 結(jié)論

1）不同礦化度作用下紅壤累積入滲量表現(xiàn)為CK>1 g/L處理>5 g/L處理>2 g/L處理>3 g/L處理>10 g/L處理，紅壤濕潤鋒運(yùn)移距離因礦化度對紅壤水分吸持力的影響而存在差異。Kostiakov公式和Philip方程均可描述紅壤累積入滲量隨時間變化過程，且礦化度與入滲模型參數(shù)間的關(guān)系滿足三次多項(xiàng)式（2>0.95，<0.06）。

2）與CK相比，1～3 g/L處理紅壤持水能力未顯著降低，5 g/L處理紅壤持水能力明顯高于其他處理，10 g/L則相反。三次多項(xiàng)式可較好描述紅壤持水能力與礦化度的關(guān)系（2>0.95，<0.02）。與CK相比，1～5g/L處理可使5～20 cm土壤平均含水率增加0.09%～4.61%。

3）土壤值、Na+和Cl-質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨土壤深度增加整體呈減小趨勢，土壤pH值隨土壤深度增加呈先減后增趨勢，灌水礦化度<5 g/L時一定程度上會酸化紅壤。

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The Effects of Concentration of Ponding-Infiltration Water on Water and Salt Movement in Soils

JIANG Xi, WU Fengping, TAN Shuai*, WANG Hui, SONG Chengye, CHEN Ting, LI Qianqian, MENG Zhixiong

（College of Water Resources and Civil Engineering, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China）

【】Seasonal water shortage in southern China has made water supply unable to meet the demand and using unconventional water as a supplementary resource for irrigation can partly relieve this pressure. The widely distributed red soils in southern China are weakly acidic characterized by low porosity, and to what extent irrigating such soils with salt-rich unconventional water affects their transport properties is poorly understood.【】This paper is to fill this gap by systematically studying the effect of irrigation water salinity on water flow and solute movement in the red soil aimed to improve unconventional water irrigation management in these regions. 【】The experiment was conducted in repacked columns with distilled-water irrigation taken as control (CK); the concentration of the irrigation water ranged from 1.0 to 10 g/L. In each treatment, we measured spatial distribution of water and salt in the soil profile, as well as pH at the end of infiltration.【】Compared with CK, saline water irrigation impeded water infiltration, with the impedance increasing with salinity concentration. Water-holding capacity of the soil did not show noticeable change when the salinity was less than 3 g/L, but increased significantly when the salinity was 5 g/L (<0.05). Water infiltrating rate decreased as time elapsed, and 160 min after inception of the infiltration, the advancing speed of saline water front became slower than that of freshwater. Both Kostiakov and Philip formulate can accurately describe the change of cumulative infiltration with time, with the former working better when salinity was less than 3 g/L and the latter more accurate in other treatments. The cumulative infiltration linearly increased with the advancing distance of the wetting front, while the water-holding capacity and infiltration parameters varied with salinity in a way that could be described by a cubic polynomial function with2>0.95 and<0.06. Irrigating with saline water in the range of 1～5 g/L increased water content in the 5～25 cm of soil by 0.09%～4.61%. It was found that, Na+and Cl-content decreased with soil depth, and that the effect of irrigation water salinity on soil salinity was more significant in the top 0～25 cm soil than in the subsoil. Compared with CK, irrigating with water at salinity 1～5 g/L acidified soil, while when the water salinity increased to 10 g/L it alkalized the soil. 【】Irrigation water salinity not only modulates water flow and solute movement in the red soil but also affects its physical properties. Our results showed that irrigating the red soil with unconventional water in southern China should consider the consequences for water and salt redistribution, as well as soil acidification or alkalinization.

salinity; red soil; one-dimensional infiltration; infiltration model; water and salt distribution

S273.5

A

10.13522/j.cnki.ggps.2020617

1672 - 3317（2021）07 - 0081- 08

蔣茜, 吳鳳平, 譚帥, 等. 積水入滲下不同礦化度水對紅壤水鹽運(yùn)移特征的影響[J]. 灌溉排水學(xué)報, 2021, 40(7): 81-88.

JIANG Xi, WU Fengping, TAN Shuai, et al. The Effects of Concentration of Ponding-Infiltration Water on Water and Salt Movement in Soils[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2021, 40(7): 81-88.

2020-11-03

湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目（18C0156）；湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)青年科學(xué)基金項(xiàng)目（18QN21）；湖南省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項(xiàng)目（S201910537011）

蔣茜（1997-），女。碩士研究生，主要從事土壤水鹽運(yùn)移研究。E-mail: 2414538384@qq.com

譚帥（1990-），女。講師，主要從事土壤溶質(zhì)運(yùn)移和水-土-作物關(guān)系研究。E-mail: tans90@163.com

責(zé)任編輯：陸紅飛