土壤潤(rùn)濕性對(duì)土壤優(yōu)先流形成的影響

郭溫凱　李寧　李一菲　錢天偉

摘要：通過室內(nèi)土柱試驗(yàn)研究土壤潤(rùn)濕性對(duì)優(yōu)先流形成的影響，并采用時(shí)間矩方法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合，分析潤(rùn)濕性對(duì)水分運(yùn)動(dòng)的影響。同時(shí)，采用保守性的示蹤劑曙紅Y染色示蹤來直觀地觀察不同潤(rùn)濕性土柱中水分運(yùn)動(dòng)的特性，特別是優(yōu)先流的形成。結(jié)果表明：普通石英砂柱中沒有形成優(yōu)先流現(xiàn)象，親水性石英砂在水分運(yùn)動(dòng)的前鋒有不明顯的優(yōu)先流存在，而疏水性石英砂土柱中形成典型的優(yōu)先流現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：改性介質(zhì)；土壤濕潤(rùn)性；穿透曲線；優(yōu)先流

中圖分類號(hào)：S152.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1002—1302（2016）01—0323—03

優(yōu)先流是指土壤水沿大孔隙、裂隙、蟲穴洞以及作物根系等優(yōu)先流通道，繞過大部分土壤基質(zhì)快速通過土壤介質(zhì)的現(xiàn)象。優(yōu)先流是一種常見的土壤水分和溶質(zhì)運(yùn)移形式，受到包括土壤結(jié)構(gòu)、溫度、質(zhì)地、水分含量等許多因素的影響，其形成原因復(fù)雜多樣，一種眾所周知的簡(jiǎn)單情形就是多孔介質(zhì)中孔隙的隨機(jī)分布導(dǎo)致一些較大的孔隙連在一起而形成優(yōu)勢(shì)通道，當(dāng)水流在重力作用下滲入多孔介質(zhì)時(shí)會(huì)傾向于沿著這樣的優(yōu)勢(shì)通道形成優(yōu)先流。濕潤(rùn)鋒不穩(wěn)定性也是優(yōu)先流在土壤中產(chǎn)生的機(jī)制之一，由濕潤(rùn)鋒的不穩(wěn)定性引起的優(yōu)先流通常稱為重力驅(qū)動(dòng)的指狀流。除了不穩(wěn)定的引力外，穩(wěn)定毛細(xì)管作用力也對(duì)濕潤(rùn)鋒形成擾動(dòng)，結(jié)果也影響指流鋒的大小和速度。由于在土壤中毛細(xì)管作用力取決于其接觸角，所以優(yōu)先流在土壤發(fā)展中會(huì)受到接觸角的影響。然而，受接觸角影響的優(yōu)先流很少被人研究。

潤(rùn)濕是一種表面現(xiàn)象，是指一種流體從固體表面置換成另一種流體的過程。固體表面積不容易改變和表面不均勻，導(dǎo)致物質(zhì)的潤(rùn)濕性仍很難確定，實(shí)際應(yīng)用中可用接觸角來衡量。土壤斥水性是指水分不能或很難濕潤(rùn)土壤顆粒表面的物理現(xiàn)象，具有斥水性的土壤稱為斥水土壤，斥水性土壤水分的下滲過程易出現(xiàn)指流（優(yōu)先流的一種）。土壤斥水性會(huì)導(dǎo)致土壤水分不均勻分布，使水中攜帶的溶質(zhì)（污染物）更快地進(jìn)入地下水，加速土壤和地下水污染，同時(shí)優(yōu)先流的形成還會(huì)降低土壤持水能力，較快的疏干表層土壤水進(jìn)而造成提前干旱，加強(qiáng)地表徑流和侵蝕，并影響農(nóng)藥、殺蟲劑等藥效的充分發(fā)揮，減少植物對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收。

本研究通過化學(xué)方法對(duì)石英砂進(jìn)行改性，來模擬潤(rùn)濕性不同的土壤，并通過示蹤試驗(yàn)和模擬計(jì)算研究潤(rùn)濕性對(duì)土柱中優(yōu)先流形成的影響，為進(jìn)一步研究溶質(zhì)運(yùn)移動(dòng)態(tài)及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

不同潤(rùn)濕性石英砂的制備：石英砂過125目篩（粒徑≤0.02 cm），用去離子水洗凈后，放人烘箱中120℃烘干，得到普通石英砂。將處理后石英砂浸于Piranha溶液（98%濃硫酸和30%雙氧水按體積比7：3混合而成）中，水浴加熱（80℃）至溶液無氣泡冒出；取出石英砂用大量去自來水沖洗，直到?jīng)_洗水的pH值接近中性為止，再用大量去離子水沖洗，沖洗完后再次放人烘箱中，100℃烘干，即可得到親水性石英砂；將親水性石英砂用十八烷基三氯硅烷（OTS，C₁₈H₃₇C₁₃si）浸泡，使它們的表面硅烷化，制成疏水性石英砂。改性石英砂的潤(rùn)濕性可通過滴水穿透時(shí)間（WDPT）法、乙醇溶液入滲（MED）法以及毛細(xì)上升法進(jìn)行驗(yàn)證。

經(jīng)OTS改性后的疏水性石英砂進(jìn)行WDPT和MED試驗(yàn)，結(jié)果顯示斥水性等級(jí)均為極度斥水。由于WDPT和MED的測(cè)定結(jié)果無法表征材料親水性程度，所以對(duì)于親水性的石英砂再用毛細(xì)上升法測(cè)定接觸角，進(jìn)一步比較石英砂的親水性。經(jīng)Piranha溶液浸泡后的石英砂與水的接觸角為17.34°，而未經(jīng)改性的普通石英砂與水的接觸角為40.25°，說明酸化后的石英砂的潤(rùn)濕性最強(qiáng)，普通石英砂次之，但兩者均為親水性介質(zhì)。

1.2試驗(yàn)方法

1.2.1試驗(yàn)步驟 分別用親水性石英砂、普通石英砂、疏水性石英砂3種石英砂均勻填充6 cm×30 cm有機(jī)玻璃試驗(yàn)柱，土柱上下均有進(jìn)出水孔。采用馬氏瓶供去離子水飽和土柱，然后從土柱上端用蠕動(dòng)泵注入Br-溶液（C_Br=0.17 mmol/L），供液6 h后換去離子水繼續(xù)供液，土柱底部采用部分收集器對(duì)流出液進(jìn)行收集。

為了更加清晰觀察水流在土柱中的運(yùn)動(dòng)情況，同時(shí)進(jìn)行了染色試驗(yàn)。分別用親水性石英砂、普通石英砂、疏水性石英砂3種石英砂均勻填充6 cm×30 cm的有機(jī)玻璃試驗(yàn)柱，土柱上下均有進(jìn)出水孔。采用馬氏瓶供去離子水飽和土柱，調(diào)節(jié)蠕動(dòng)泵流速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)（0.25 mL/s）后，向土柱頂部供濃度為5 g/L的曙紅Y示蹤劑溶液5 mL，之后換成去離子水繼續(xù)供液1 h后停止供水。試驗(yàn)結(jié)束后將整個(gè)土柱剖開，觀測(cè)示蹤劑的運(yùn)動(dòng)軌跡。

1.2.2測(cè)試方法 根據(jù)GB/T 23845—2009《無機(jī)化工產(chǎn)品中溴化物測(cè)定通用方法》測(cè)定流出液中Rr-的濃度。（1）繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。依次使用移液槍精確移取0.01 g/L溴化物標(biāo)準(zhǔn)液1.2、1.4、1.6、1.8、2.0 mL與0.001 g/L溴化物標(biāo)準(zhǔn)液0、1.0、2.0、4.0、6.0、8.0、10.0 mL于25 mL容量瓶中，加入0.5 mL乙酸-乙酸鈉緩沖溶液、3滴酚紅溶液，搖勻；隨后準(zhǔn)確加入0.4 mL氯胺T溶液，搖勻；1 min后加入0.4 mL硫代硫酸鈉溶液，搖勻；使溶液脫氯，用水稀釋至刻度，搖勻，放置5 min，以試劑空白為參比，于590 nm波長(zhǎng)處使用1 cm比色皿測(cè)定其吸光度。標(biāo)準(zhǔn)曲線以容量瓶中的溴化物含量為橫坐標(biāo)，對(duì)應(yīng)吸光度為縱坐標(biāo)。（2）測(cè)定流出液中Rr-的濃度。使用移液槍精確移取10.0 mL流出液于25 mL容量瓶中，隨后加入乙酸-乙酸鈉緩沖溶液、酚紅溶液、氯胺T溶液和硫代硫酸鈉溶液，其加入量與繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線溴化物標(biāo)準(zhǔn)液中的投加量一致，然后稀釋至刻度線，測(cè)定其吸光度。

2結(jié)果與分析

2.1 Br-在3種不同潤(rùn)濕性土柱中的穿透曲線

從圖1可以看出，疏水性石英砂土柱中溴的穿透速度快于親水性石英砂土柱、普通石英砂土柱；另外，親水性石英砂土柱穿透曲線具有不對(duì)稱性和拖尾特征。

2.2時(shí)間矩方法

時(shí)間矩方法常用于穿透曲線的濃度分析研究，它屬于描述穿透曲線特征的一種統(tǒng)計(jì)學(xué)方法。時(shí)間矩定義如下：

2.3曙紅Y示蹤試驗(yàn)

為了更好地觀察試驗(yàn)柱中水流運(yùn)動(dòng)的具體路徑，采用曙紅Y染色示蹤，試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)土柱進(jìn)行剖分。從圖2可以觀察到普通石英砂沒有形成優(yōu)先流現(xiàn)象，親水性石英砂的水流運(yùn)動(dòng)速度快于普通石英砂，而且在水分運(yùn)動(dòng)的前鋒有不明顯的優(yōu)先流存在；在疏水性石英砂中形成典型的優(yōu)先流現(xiàn)象。

3結(jié)論

從時(shí)間矩陣法的計(jì)算結(jié)果來看，疏水性石英砂穿透時(shí)間最短，親水性石英砂的穿透時(shí)間最長(zhǎng)，疏水性石英砂形成了優(yōu)先流現(xiàn)象，親水性石英砂沒有形成明顯的優(yōu)先流。結(jié)合曙紅Y染色示蹤的試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，普通石英砂沒有形成優(yōu)先流，親水性石英砂的水流運(yùn)動(dòng)速度快于普通石英砂，而且在水分運(yùn)動(dòng)的前鋒有不明顯的優(yōu)先流存在，與穿透曲線結(jié)果不符，這可能是由于親水性石英砂柱子中形成了死孔隙，導(dǎo)致一部分水以較快速度流過土柱，同時(shí)死孔隙中的溶質(zhì)又與可動(dòng)區(qū)存在溶質(zhì)擴(kuò)散，這種可動(dòng)與不可動(dòng)區(qū)域間的溶質(zhì)交換導(dǎo)致穿透曲線的拖尾和不對(duì)稱；同時(shí)，疏水性石英砂形成典型的優(yōu)先流現(xiàn)象，其柱中水流速相對(duì)其他2類石英砂柱也明顯更快。