内蒙孪井灌区土壤盐分淋洗过程的室内模拟及分析*

刘贯群,朱良超,孙蓓蓓,王 娟

(中国海洋大学1.海洋环境与生态教育部重点实验室;2.环境科学与工程学院,山东青岛266100)

内蒙孪井灌区土壤盐分淋洗过程的室内模拟及分析*

刘贯群1,2,朱良超2,孙蓓蓓2,王 娟2

(中国海洋大学1.海洋环境与生态教育部重点实验室;2.环境科学与工程学院,山东青岛266100)

通过室内土柱淋洗实验,对比分析孪井灌区2种典型土质砂壤土及砂土淋洗前后土壤和淋滤液中盐分的变化特征,并利用各自的实验数据拟合出累积淋滤液体积和与之相对应的盐浓度间的关系曲线。结果表明,淋洗过程使2种土质的离子组成均发生显著变化,由原来的以Cl-—Na+为主转变为以HC—Ca2+为主,同时二者淋滤液浓度均随累积渗漏量的增加呈幂函数降低。整个实验过程砂壤土所收集的累积淋滤液体积为7.05 PV(孔隙体积,pore volume),脱盐率为71%,砂土的累积淋滤液体积为7.01 PV,脱盐率为84%,表明灌溉脱盐作用与土质有关,砂土较砂壤土易脱盐。利用实验数据拟合获得的2种土质累积淋滤液体积和与之对应的盐浓度关系曲线,相关程度良好,基本上可以用于模拟灌溉条件下灌区土壤盐分的脱除过程。

盐分;淋洗;拟合

迄今灌溉农业地区的土壤次生盐渍化问题仍是一个全球性尚待解决的问题[1]。特别对于生态脆弱的干旱地区,由于降水稀少蒸发量极大,农业生产离不开灌溉,但这些地区在享受灌溉之利的同时又受灌溉不当引起的土壤次生盐渍化的威胁。研究土壤盐分运移规律是认识盐渍土发生演变和防治土壤盐渍化的理论基础。

土壤盐分运移规律的研究方式有多种,利用土柱模拟的方式具有实验条件易于控制,且节省人力、物力,可较全面地进行盐分淋洗规律性研究的优点而深受广大研究者的青睐。冯永军等利用室内土柱实验对滨海盐渍土的盐分运动规律及其影响因素进行了研究,并利用相关分析和通径分析,得出了土壤盐分含量、主要盐分离子、土体构型、黏粒含量等对盐分运移的影响程度[2]。肖娟等通过室内小土柱试验,研究了不同水质(不同的钠吸附比SAR和盐分摩尔分数)对2种土壤(黏壤土,壤质黏土)水力传导度和盐分淋洗效率的影响,得出了水质对盐分淋洗量的影响不大而对盐分淋洗时间的影响很大[3]。Li Zhigang等应用一系列土柱实验研究了融化的盐冰入渗水对土壤中盐分的再分配问题,实验结果证实了在季风气候地区,融化的盐冰水在改善土壤盐渍化方面具有积极的作用[4]。

孪井灌区于1994年底正式引黄灌溉,灌溉方式以大水漫灌为主。引黄灌溉是使该区包气带脱盐的过程[5]。灌期,灌溉水与土壤溶液相互作用,并在向下渗漏的过程中带走部分盐分,携带着大量盐分的渗漏水使地下水位持续抬高,当超过其临界深度时,盐分又会通过毛细管上升,聚集到地表,从而可能诱发土壤次生盐渍化。本文对孪井灌区漫灌条件下典型土壤盐分的脱除规律进行了室内模拟研究,并通过数据拟合的方法定量研究了累积灌溉渗漏量与渗漏液浓度的关系,为灌区土壤盐渍化的防治、水资源的优化配置以及农业生产的稳定发展提供了科学依据。

1 研究区概况

孪井灌区位于内蒙古阿拉善左旗南部的嘉尔嘎勒赛汉镇,东南两侧与贺兰山南端余脉低山丘陵的山前地带连接,西邻腾格里沙漠,北接十三道梁草场,地形为四面隆起中心偏东的闭流盆地。地理坐标为105°16′E～105°30′E,37°50′N～37°58′N,海拔高程1 330～1 440 m,规划控制面积14 567 ha,净灌溉面积11 467 ha。本区属大陆性干旱气候,冬季严寒,夏季酷热,降水稀少,蒸发强烈,年均蒸发量是降雨量的19倍,日照充足,太阳辐射强,风大沙大,无霜期短,为典型的生态脆弱区。

研究区分布的主要地层为上第三系中新统和下第三系渐新统。第四系不很发育,但广布整个盆地,尤其是全新统风成砂组成的沙丘和沙地遍布表层。该区包气带的基本岩性,下部为第三系砂岩、含砾砂岩,局部为砂质泥岩;上部多为第四系砂壤土和砂类土组成的双层结构。

2 材料与方法

2.1 供试土样

表1 供试土样基本物理性质Table 1 Physical properties of test soil

表2 供试土样基本化学性质Table 2 Chemical properties of test soil

2.2 实验装置

实验土柱均由5 mm厚的有机玻璃管制成,内径8 cm,总长度90 cm。土柱的下部装2 cm石英砂作为反滤层,以防止土粒堵塞出水孔,上部铺设3 cm砾石层,以防加水时扰动土层。土柱下方出口用橡胶管与锥形瓶连接,用于收集淋滤液。用马氏瓶控制供水水头。

2.3 实验设计

在野外,灌区包气带盐分的动态分布特征受降雨、蒸发、灌溉方式、地下水埋深、土壤质地等多种因素的影响[6]。由于研究区处于生态脆弱的干旱地区,降雨稀少且地下水埋藏深度较大,一般在10～60 m之间,最浅的地方也有6 m,几乎对土壤积盐无影响,因此土壤质地是影响土壤盐分动态的关键因素[7]。为了更加清楚地掌握不同质地土壤的脱盐规律,本文将上层砂壤土与下层砂土分开进行淋洗实验。其中砂壤土每层装填高度为25 cm,土体总高度为75 cm,与野外剖面高度一致。砂土层的实际高度为300 cm,若在室内建立如此高的土柱进行实验,操作难度较大,因此将每层装填高度设为5 cm,土体总高度为60 cm。

灌溉方式和蒸发对土壤盐分运动的影响也不容忽视。灌区实际灌溉方式为间歇性的。根据各种植作物各个生育阶段的需求,设定灌溉时间及灌溉量。其中灌溉时间多集中在5～8月,相邻2次灌溉过程至少间隔15 d,尤其是作物收割后至来年下1个种植周期,耕地一直处于裸露状态,这期间蒸发对土壤水分平衡的影响过程不可忽略。室内实验要想完全模拟这一自然过程难度较大,且蒸发排泄并不带走盐分[8],因此实验采取连续淋洗的方式。实验过程所收集的淋滤液相当于野外灌溉过程中的渗漏水分,通过计算得出的灌区次灌溉水分渗漏量(见表3)将实验与野外情况结合起来。

表3 各平衡项相关参数取值及计算结果Table 3 The related parameter values of each equipartition terms and results

另外供水水头对水分向下运移的速率也有一定的影响。根据所收集的灌溉资料,将砂壤土的淋洗水头控制在6 cm。实际灌溉过程中灌溉水经上层砂壤土进入下层砂土,因此砂土并无入渗水头。室内实验在保证水分能够进入土柱的情况下尽量降低其水头。

淋洗用水采用蒸馏水,实验过程中遵循先密后疏的时间间隔收集淋滤液,并测量其体积、电导。当2种土质的累积收集淋滤液体积约达到各自孔隙体积的7倍时,停止淋洗,此时土体盐分均已降至较低值。

200例AC术后存在中危因素补充治疗73例，高危因素26例，附件转移6例，术后无危险因素未补充治疗95例。

2.4 测试内容及方法

2.4.1 测试项目

① 实验前供试土样的基本理化性质,包括土样粒度、孔隙度、含盐量、主要可溶盐离子含量以及电导率

② 实验过程中所收集的土柱淋滤液的体积、电导,并测量淋洗前期电导变化较明显的淋滤液的主要可溶盐离子含量

③ 实验后供试土样的基本化学性质

2.4.2 测试方法

① 孔隙度:土柱反饱和法

② 土壤浸提液:土水比1∶5,振荡3 min,静置1 h,过滤

③ 含盐量:主要阴阳离子累加法,计算公式如式(1),式中各项单位保持一致,均为mg/100g土。

④ 电导率:用DDSJ-308A型电导率仪测定

⑤ p H:用PHS-3C型酸度计测定

⑥ Ca2+,Mg2+,K+,Na+,Cl-,S浓度:由DIONEX ICS-3000离子色谱仪测定

⑦ HCO3-浓度:用指示剂滴定法

3 实验结果及分析

3.1 2种土质淋洗前后土壤盐分组成变化

淋洗前后2种土质的含盐量及主要可溶盐分的比例关系发生了显著变化。如图1所示,淋洗前砂壤土盐分含量极不均匀,3层分别为40.9,95.2,210.8 mg/100 g土,呈现出上小下大的趋势。表层阳离子以Ca2+,Na+含量较高,下层则以Na+占绝大多数,达75%以上。阴离子表层以HCO3-为主;下层以Cl-,S为主。砂土淋洗前含盐量主要分布在100～300 mg/100 g土之间,阳离子以Na+为主,阴离子均以Cl-为主,其次为S。虽然所取2种土质均未受灌溉影响,但砂壤土表层受到了天然降雨的直接影响,含盐量明显小于下层,离子组成也与下层存在一定差异。淋洗结束后2种土质的含盐量均降至较低水平,砂壤土在30 mg/100 g左右,砂土则主要在25 mg/100 g左右。二者的离子组成基本一致,对于阳离子,Ca2+占主导,阴离子以HC为主。这说明Cl-,S有很强的迁移性,尤其是Cl-。总体来说,土壤中盐分离子组成由原来的以Cl-—Na+为主转变为以HC—Ca2+为主。整个剖面土体盐分变化情况与野外多年灌溉监测数据的变化趋势一致[9]。

图1 淋洗前后土壤可溶盐分毫克当量变化曲线Fig.1 Milligram equivalent variation curves of soil soluble salt before and after leaching

为了进一步研究各盐分离子的脱除率差异,由式(2)分别计算2种土质整个土体中各盐分离子的平均脱盐率:

式(2)中R为计算离子的平均脱除率;C1为淋洗前整个土体中计算离子的平均含量,mg/100g土;C2为淋洗后整个土体中计算离子的平均含量,mg/100g土。C1,C2的计算方法见式(3),式中C为C1或C2,mg/100g土;当C为C1时Ci为淋洗前i土层中计算离子的含量,当C为C2时Ci为淋洗后i土层中计算离子的含量,mg/100g土;n为整个土体的土层数;mi为i土层的土体质量,100g;m为整个土体的总质量,100g。

计算结果见表4,分别对2种土体中的盐分离子按照脱盐率大小进行排序,砂壤土的阳离子为Na+>K+>Mg2+>Ca2+,阴离子为Cl->S>HC,砂土的阳离子排序则为Na+>Mg2+>Ca2+>K+,阴离子为Cl->S>HC。2种土质的阴离子排序相同,Cl-和S的脱除率均较高,在90%以上,而HC不但没有减少反而增加。阳离子中K+的位置在不同土质中的变化较大,这与它们的初始离子构成有关,砂壤土表层K+的毫克当量为11.50%,而Mg2+为5.75%,K+含量大于Mg2+;而在砂土中K+的平均毫克当量仅为0.49%,Mg2+却达到了7.96%,二者含量相差一个数量级,K+远小于Mg2+。

利用式(2)也可计算各个土层的盐分脱除率,式中C1为某一土层淋洗前计算离子的含量,mg/100g土,C2为该土层淋洗后计算离子的含量,mg/100g土。计算结果见表4,可看出每种土质各个土层间的盐分脱除率也存在差异,尤其是砂壤土,3个土层间的脱盐率差异较大,但他们基本呈现相同的规律,即当相邻两土层间的原始含盐量差异较大时,含盐量越高,相应的脱盐率越大,而当相邻两层间的原始含盐量相近时,上层的脱盐率大于下层,这与方生等的研究结果一致[10]。总之淋洗过程缩小了各土层间的含盐量差距。

3.2 淋滤液盐浓度的动态变化特征

通过淋滤液浓度和电导率关系曲线(见图2)将所测得的淋滤液电导率转换为盐浓度,从图3可见2种土质的次收集淋滤液浓度随着累积收集淋滤液体积的增加均呈幂函数降低。淋洗初期,土壤盐分含量较高且大孔隙中的盐分很容易在对流作用下被淋洗水带走,淋滤液浓度较高,表明淋洗脱盐作用非常明显,大多数盐分是在初次淋洗被带走的。随着淋洗时间的延长,土壤易溶盐含量不断降低,且未被淋洗的盐分大多集中在小孔隙中,主要通过弥散作用进入对流区,这一过程相对于对流作用要缓慢的多[11]。因此淋滤液浓度显著降低,基本降至稳定范围。可见灌溉水量的多少直接影响到土壤中的盐分含量,但过量的灌溉对盐分降低的贡献不大。若用PV代表土体的孔隙体积,实验结束时,砂壤土的累积渗漏淋滤液体积为7.05PV,砂土为7.01PV。结合表3,砂壤土的盐分脱除率为71%,而砂土为84%,显而易见,砂土较砂壤土易脱盐。

图2 含盐量与电导率关系曲线Fig.2 The relation curve between the salt concentration and the electrical conductivity

图3 淋滤浓度变化曲线Fig.3 The change curves of salt concentration in the leachate

表4 淋洗前后土壤可溶盐分的含量变化及相应脱除率Table 4 The concentrations of soil soluble salt before and after leaching and related ratios of desalting(a)砂壤土Sandy loam

淋滤液中盐分离子随累积收集体积的变化情况(见图4)与土壤中盐分离子的变化相对应,2种土质淋洗液中阳离子基本以Na+为主,除了砂土的初始淋滤液中Mg2+的毫克当量相对较大,这正与它们不同的阳离子脱盐率排序相一致。阴离子则都由刚开始的Cl-、S占主导逐渐转变成以HC为主,说明Cl-和S的脱除速率较快,在淋洗不久即已达到较低浓度,而淋洗过程中HC的浓度并没有显著降低。

图4 淋滤液中可溶盐分的毫克当量变化曲线Fig.4 Milligram equivalent variation curves of soil soluble salt in the leachate

3.3 土壤含盐状况的估算

本实验中所收集的淋滤液相当于野外灌溉过程中的灌溉渗漏水,通过建立灌区双层结构包气带水分平衡方程得到野外实际灌溉过程中每次灌溉对应的水分渗漏量,与实验数据相结合即可得到随着灌溉过程的进行灌溉渗漏液浓度变化情况,具体过程如下:

适用于孪井灌区层状包气带水分平衡方程为:

式(3)中S I为研究土层水分渗漏量,I为灌溉量,其中砂壤土的渗漏量相当于砂土的灌溉量,S W1为灌前土层含水量,由野外监测数据获得,Q持为田间持水量。

位于研究剖面附近的坑1为老灌区,自1994年灌区建立时开始灌溉,其岩性结构与研究剖面相同,均为双层结构,上层为砂壤土下层为砂土,且土质分界线均位于0.75 m处。将其灌溉渗漏量近似为研究剖面的灌溉渗漏量。坑1主要种植作物为玉米,根据其各个生育阶段的需求,每年共灌水6次。分别利用式(4)对其1 a的这6次灌溉过程进行水分平衡计算,各参数取值及计算结果如表3。从表中可以看出尽管春灌的灌溉量较大,但由于前一种植周期结束后,土体长时间处于裸地蒸发状态,灌前土壤含水量很低,砂壤土的渗漏量不大,而下层砂土层更是无渗漏发生。之后的连续灌水使土壤灌前含水量升高,砂土层下边界发生渗漏。一水渗漏量最高,达72.8 mm。整个6次灌溉过程自3.75 m土体下边界共渗漏183.8 mm,渗漏量较大,造成了水资源浪费。

砂壤土的平均田间持水量为19.4%,砂土为10.0%[7],则

75 cm砂壤土层持水量:Q持=19.4%×75×10=145.5 mm;

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

用幂函数关系对图3中的散点进行拟合,得到2种土质的累积淋滤液渗漏量和与之对应的淋滤液盐浓度之间的关系式,如下:

式中y为淋滤液浓度,g/L;x为用PV表示的累积收集淋滤液体积;R为相关系数。2条曲线的R2均大于0.99,表明曲线的相关性良好。由于在野外灌溉过程中灌溉水经上层砂壤土携带一定盐分进入砂土,而上式是用蒸馏水淋滤得出的关系式,因此灌区实际砂土灌溉渗漏液浓度为式(6)计算结果加上对应的上层砂壤土的盐浓度。将表3中的次灌溉渗漏量转化为孔隙体积表示的形式,并用上述方法计算首年灌溉对应的渗漏液浓度,结果见表5。从表中可看出砂土层的渗漏液浓度明显大于砂壤土。随着灌水量的增加,2种土质的渗漏液浓度下降速度均较快。经6次灌水过程,砂壤土渗漏液浓度由1.98 g/L降至0.41 g/L,砂土则由55.15 g/L降至16.59 g/L。

表5 由孔隙体积表示的灌溉渗漏量及对应的渗漏液浓度Table 5 The volume of irrigation leakage in the form of pore volume and the related salt concentration in the leachate

4 结论

本文以室内土柱模拟实验研究了内蒙孪井灌区砂壤土和砂土2种土质在漫灌淋洗条件下的脱盐规律,得出:

(1)淋洗过程使2种土质的盐分离子组成发生了显著变化,由原来的以Cl-—Na+为主转变为以HC—Ca2+为主。土质对脱盐有明显的影响,砂壤土累积收集淋滤液体积为7.05PV,脱盐率为71%;砂土的累积淋滤液体积为7.01PV,脱盐率为84%。因此,砂土较砂壤土更易于脱盐。二者盐分离子的脱盐率排序也有所不同,砂壤土的阳离子排序为Na+>K+>Mg2+>Ca2+,而砂土为Na+>Mg2+>Ca2+>K+,这与它们的初始阳离子构成差异有关,阴离子排序则均为Cl->S>HC。

(2)随着累积淋滤液体积的增加,2种土质的淋滤液浓度均经历了急剧下降、缓慢下降直至相对稳定的动态过程,变化轨迹符合幂函数方程。淋洗液中盐分离子的变化规律与土壤淋洗前后盐分组成的变化趋势相对应。

(3)利用实验数据拟合获得的2种土质累积淋滤液体积和与之对应的盐浓度关系曲线,相关程度良好,基本上可以用于模拟灌溉条件下土壤盐分的脱除过程。

[1] 王遵亲,祝寿全,俞仁培,等.中国盐渍土[M].北京:科学出版社,1993.

[2] 冯永军,陈为峰,张蕾娜,等.滨海盐渍土水盐运动室内实验研究及治理对策[J].农业工程学报,2000,16(3):38-42.

[3] 肖娟,雷廷武,江培福,等.水质对饱和土壤盐分淋洗效率的影响[J].太原理工大学学报,2006,37(6):642-645.

[4] Li Zhigang,Liu Xiaojing,Zhang Xiumei,et al.Infiltration of melting saline ice water in soil columns:Consequences on soil moisture and salt content[J].Agricultural Water Management,2008,95(4):498-502.

[5] 王秉忱,刘贯群,邱汉学,等.引黄灌溉对孪井包气带盐分的淋洗[J].工程勘察,2003,(3):19-23.

[6] 吕刚,吴祥云.土壤入渗特性影响因素研究综述[J].农业工程科学,2008,24(7):494-499.

[7] 刘贯群.内蒙孪井灌区地下水数值模拟及土壤盐渍化预报[D].青岛:青岛海洋大学,2002.

[8] Scofield C S.Salt balance in irrigated areas[J].Journal of Agriculture Research,1940,61:17-39.

[9] 刘贯群,王言思,宋涛,等.内蒙孪井灌区土壤盐分运移规律分析[J].中国海洋大学学报:自然科学版,2009,39(5):999-1004.

[10] 方生,陈秀玲.华北平原大气降水对土壤淋洗脱盐的影响[J].土壤学报,2005,42(5):730-736.

[11] 马东豪,王全九,苏莹,等.微咸水入渗土壤水盐运移特征分析[J].灌溉排水学报,2006,25(1):62-66.

[12] 刘贯群,王淑英,郑西来,等.内蒙孪井灌区地下水数值模拟及土壤盐渍化分析[J].中国海洋大学学报:自然科学版,2004,34(6):1013-1017.

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

国家自然科学基金项目:引黄灌溉对干旱区深埋潜水的补给及环境效应(40572171)资助

2010-03-17;

2010-05-13

刘贯群(1964-),男,教授,博导,主要从事水资源与水环境方面的研究。E-mail:lguanqun@ouc.edu.cn

责任编辑 庞 旻