加氧微咸水溶氧量對土壤水鹽運移特征的影響

孫 燕 朱夢杰 王全九，2 張繼紅

(1.西安理工大學省部共建西北旱區生態水利國家重點實驗室， 西安 710048；2.中國科學院水利部水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室， 陜西楊凌 712100)

0 引言

中國淡水資源匱乏嚴重制約著農業生產的發展[1]，為了構建節水型社會，維持國家的長治久安，當務之急就是解決淡水資源匱乏的問題[2]。在擁有豐富微咸水資源的華北、西北旱區開發利用微咸水緩減淡水不足問題就顯得極其重要。然而長期利用微咸水灌溉會使作物根區的電導率增加，出現堿化現象[3-5]，土地發生次生鹽堿化，成為影響植物生長和微生物活動的主要因素[6-9]。因此，如何防止土壤次生鹽堿化的發生成為開發利用微咸水的重點研究內容。

加氧灌溉技術的可持續且不破壞生態系統的特點使其受到國內外學者的廣泛關注。加氧灌溉技術是21世紀初一項通過增加灌溉水中的溶氧量從而提高灌水效率與作物產量的加氧灌溉新技術。朱艷等[10]通過對加氧淡水灌溉和地下滴灌的對比，揭示了氧氣含量與土壤呼吸速率的關系，認為土壤含氧量是影響土壤呼吸速率的重要因子。有研究表明，加氧灌溉改善了土壤壓實對土壤的不利影響[11]，而土壤壓實則直接影響到土壤水分的傳輸和儲存[12]。BHATTARAI等[13]通過曝氣水的地下灌溉試驗也發現，加氧灌溉能夠增大土壤的通氣量，改善土壤的通氣性。胡繼杰等[14]通過在化學加氧和微納米氣泡加氧灌溉條件下的3種不同品種水稻栽培試驗，得出采用加氧淡水灌溉可以改善水稻田的土壤氧化還原狀況的結論。利用加氧淡水灌溉還能增加土壤中N2O的排放[15]以及提高土壤部分酶活性[16]。此外，有研究表明，加氧灌溉技術改善了鹽分對土壤的不利影響[11]，從而創造出良好的根區土壤環境，有利于作物吸收養分，促進作物生長[17-19]。鹽漬土中采用曝氣水進行滴灌可以降低鹽分對大豆的毒害，提高大豆的耐鹽性[20]，加氧微咸水灌溉還能提高番茄的耐鹽性[21]，促進番茄生長、提高番茄品質[22]。謝恒星等[23]通過溫室甜瓜的淡水栽培試驗，得出采用2 d 1次的加氧頻率處理的地下滴灌方式的綜合效益最好。綜上所述，加氧灌溉技術對改善鹽分脅迫、改善作物根際通氣狀況、促進作物根系的生長發育以及提高根系對水分和養分的吸收轉化能力都具有十分重要的意義，此外，由于淡水資源不足，利用微咸水代替淡水進行加氧灌溉就顯得刻不容緩。

然而，加氧微咸水入滲對土壤水鹽運移特征影響和如何定量分析其入滲過程仍需進一步研究分析。本文利用微納米發泡器對微咸水進行不同水平的加氧處理，開展加氧微咸水在鹽堿土入滲條件下的水鹽運移及其對入滲模型參數的影響研究，明確加氧微咸水對土壤入滲特征的影響，為微咸水安全高效利用及鹽脅迫土壤可持續利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試土樣取自陜西鹵泊灘，采集表層0～20 cm土樣。土樣經風干、碾壓，去除雜物過2 mm篩后進行各種指標的測定。采用激光粒度分析儀(Mastersizer 2000型，馬爾文儀器有限公司，英國)進行機械組成測定，土樣物理性砂粒、黏粒體積分數分別為63.58%、36.42%，根據卡欽斯基土粒分級標準判定為中壤土。試驗土壤初始體積含水率為0.022 cm3/cm3，飽和體積含水率為0.472 cm3/cm3，土壤初始含鹽量為5.48 g/kg。

供試微咸水由氯化鈉試劑(質量分數大于等于99.50%，分析純AR)和自來水配置而成，礦化度設置為2 g/L，自來水溶氧量約為9.0 mg/L。試驗前對微咸水進行不同水平的加氧處理，分別為不加氧處理和加氧處理，其中不加氧處理為對照(CK)，加氧處理微咸水溶氧量分別為11.5、14.0、16.5、19.0 mg/L。加氧處理采用微納米氣泡快速發生裝置，加氧過程中采用HQ40型便攜式溶氧儀監測微咸水溶氧量變化。

1.2 試驗方法

試驗于2018年8月在西安理工大學省部共建西北旱區生態水利國家重點實驗室進行，采用一維垂直土柱入滲系統開展不同加氧水平(9.0、11.5、14.0、16.5、19.0 mg/L)的微咸水入滲試驗，共計5個處理，每個處理設置3次重復，共計15個試驗土柱。其中溶氧量9.0 mg/L為不加氧處理，作為試驗對照(CK)。試驗系統包括試驗土柱和馬氏瓶，試驗土柱采用內徑5 cm、高45 cm、壁厚5 mm的有機玻璃材質制成，在土柱外壁貼有刻度線(刻度值自上往下逐漸減小)，便于試驗過程中定量記錄濕潤鋒變化情況。土柱裝土高度設置為40 cm，以容重1.4 g/cm3分8層(每層5 cm)裝填，并在層與層之間打毛銜接。馬氏瓶為土柱提供穩定不變水頭，設置高度為50 cm。

試驗過程中將水頭高度控制在1～2 cm，采用先密后疏原則分別記錄前600 min所對應的馬氏瓶內水位和土柱內濕潤鋒高度，600 min時停止供水并立即將土柱內表層水吸出。入滲結束后分層取樣，取樣深度分別為0～1 cm、5～6 cm、10～15 cm、濕潤鋒面。采用干燥法((105±2)℃)測定土壤質量含水率，通過轉換獲得土壤體積含水率。采用DDS-307型電導儀測定水土質量比為5∶1的土壤浸提液的電導率，通過計算轉換獲得土壤含鹽量。

1.3 入滲模型

為了分析加氧微咸水溶氧量對現有入滲模型相關參數的影響，分別采用PHILIP入滲模型[24]和代數入滲模型[25]分析加氧微咸水的入滲特性。

對于均質土壤一維積水垂直入滲，PHILIP入滲模型的累積入滲量表達式為

(1)

式中I——累積入滲量，反映土壤水分入滲前期的入滲能力[26]，cm

S——吸滲率，反映土壤依靠毛管力吸收或者放出水分的能力[27-28]，cm/min0.5

t——入滲時間，min

因此入滲率公式對應為

(2)

式中i——入滲率，cm/min

一維垂直積水入滲的代數模型既能很好地描述累積入滲量，還能描述積水入滲后不同土層深度的含水率分布，代數模型具體為

(3)

(4)

式中Zf——濕潤鋒深度，cm

θr——相對不動水體積含水率，cm3/cm3

α——非飽和導水率和土壤水分特征曲線綜合形狀系數

θ——土壤體積含水率，cm3/cm3

Z——任意土壤深度，cm

θs——土壤飽和體積含水率，cm3/cm3

2 結果與討論

2.1 加氧微咸水溶氧量對微咸水入滲特征的影響

圖1為不同溶氧量加氧微咸水累積入滲量隨時間變化過程。由圖1可知，不同溶氧量微咸水(9.0、11.5、14.0、16.5、19.0 mg/L)累積入滲量隨時間增加而增加。在入滲時間相同時，累積入滲量隨微咸水溶氧量增加呈先增加后減小變化趨勢，微咸水溶氧量為14.0 mg/L時土壤累積入滲量最大。溶氧量為11.5、14.0、16.5 mg/L的加氧微咸水累積入滲量相比于不加氧處理分別提高12.64%、18.39%、9.20%，而溶氧量為19.0 mg/L的加氧微咸水累積入滲量相比于不加氧處理降低2.87%。由此可知，微咸水溶氧量為14.0 mg/L的加氧微咸水累積入滲量增加幅度最大。

圖1 加氧微咸水入滲對累積入滲量的影響Fig.1 Effect of oxygenated brackish water infiltration on cumulative infiltration

圖2為不同溶氧量微咸水入滲下濕潤鋒深度隨時間的變化曲線。由圖2可知，在微咸水不同溶氧量(9.0、11.5、14.0、16.5、19.0 mg/L)入滲條件下濕潤鋒深度隨時間增加而增加，變化規律與累積入滲量一致。相同入滲時間下，微咸水加氧處理后，濕潤鋒深度均有不同程度的變化，濕潤鋒深度隨溶氧量增加先增加后減小，微咸水溶氧量為14.0 mg/L時濕潤鋒深度最大，19.0 mg/L時濕潤鋒深度最小。溶氧量為11.5、14.0、16.5 mg/L的加氧微咸水濕潤鋒深度相比于不加氧處理分別增加4.50%、9.00%、4.50%，而溶氧量為19.0 mg/L的加氧微咸水濕潤鋒深度相比于不加氧處理降低1.84%，微咸水溶氧量為14.0 mg/L的加氧微咸水濕潤鋒深度變化最大。

圖2 加氧微咸水入滲對濕潤鋒運移的影響Fig.2 Effect of oxygenated brackish water infiltration on wetting front migration

在微咸水溶氧量9.0、11.5、14.0 mg/L入滲條件下，入滲時間相同時，累積入滲量和濕潤鋒深度隨溶氧量增加而增加，這是由于隨著入滲水溶氧量的增加，增加了濕潤體與未濕潤土壤之間的氧氣濃度差，氧氣濃度差在推動氧氣擴散的同時，加速了土壤水分的入滲，或者由于微納米氣泡具有較大的比表面積和表面張力的特點[29]，提高了土壤中水分的運動速率，因此累積入滲量和濕潤鋒深度隨溶氧量的增加而增加。在微咸水溶氧量14.0、16.5、19.0 mg/L入滲條件下，入滲時間相同時，累積入滲量隨溶氧量增加而減少，這是因為盡管氧氣濃度差、較大比表面積和表面張力在一定程度上能夠加速土壤水分入滲，但是氧氣含量增加也加速了氧氣氣泡間的融合，當溶氧量超過一定程度時，產生大氣泡的幾率增加[30]，當大氣泡對于土壤水分入滲的阻力作用大于氧氣濃度差對土壤水分的促進作用時，隨著溶氧量的增加累積入滲量和濕潤鋒深度就會相應減小。

2.2 加氧微咸水溶氧量對土壤水鹽分布的影響

在微咸水不同初始溶氧量(9.0、11.5、14.0、16.5、19.0 mg/L)入滲條件下，不同土層深度(0～20 cm)土壤體積含水率的變化如圖3所示。由圖3可知，土壤含水率隨土層深度的增加而減少，表層土壤的含水率最大，由于入滲時間較長，表層土壤含水率均接近飽和體積含水率，土壤底層含水率最小，均接近初始體積含水率。相同入滲時間下，同一土層深度土壤含水率隨著溶氧量的增加基本呈先增加后減小的趨勢，最大值出現在溶氧量14 mg/L處理，在土壤表層、5、10、15 cm以及濕潤鋒處，溶氧量為14.0 mg/L處理的土壤含水率分別高于對照7.60%、12.90%、18.00%、20.10%、3.00%。溶氧量為9.0、11.5、14.0、16.5、19.0 mg/L的微咸水入滲濕潤體平均含水率分別為0.360、0.380、0.390、0.370、0.350 cm3/cm3，即濕潤體平均含水率隨著溶氧量的增加呈先增加后減小的趨勢，最大值出現在14.0 mg/L，高于對照8.33%，最小值出現在19.0 mg/L，低于對照2.78%。

圖3 加氧微咸水入滲對土壤含水率的影響Fig.3 Effect of oxygenated brackish water infiltration on soil moisture content

微咸水溶氧量對土壤含水率分布的影響可能是由于當微咸水溶氧量從對照增加至14.0 mg/L時，進入土壤的微納米氣泡在自身增壓破裂時對土壤顆粒產生一定的沖擊作用[31]，從而導致土壤總孔隙增大，使得更多水分保存下來，土壤含水率增大。而當微咸水溶氧量由14.0 mg/L進一步增大至19.0 mg/L時，氧氣含量的增加使微小氣泡融合大氣泡的機率增加[30]，大氣泡占據了較大的土壤孔隙，減少了土壤水分所占孔隙，土壤含水率相應減少，有研究表明，相對于不加氧灌溉，加氧灌溉使土壤含氧量增加[13]，降低土壤的體積含水率[32]。由此可見，在一定的濃度范圍內，加氧微咸水入滲能夠改善土壤水分分布狀況，使更多的水分儲存在作物根區，有利于作物生長。

在微咸水不同初始溶氧量(9.0、11.5、14.0、16.5、19.0 mg/L)入滲條件下，不同土層深度含鹽量的變化如圖4所示。由圖4可知，加氧微咸水入滲條件下，含鹽量隨著土層深度的增加呈逐漸增加趨勢。在濕潤鋒面以上，微咸水加氧處理土壤含鹽量基本小于對照組，不同土層深度含鹽量隨著溶氧量的增加呈先減小后增大的趨勢；在濕潤鋒面處，微咸水加氧處理土壤含鹽量均大于對照組，土壤含鹽量隨著溶氧量的增加呈先增大后減小的趨勢。加氧微咸水入滲下的土壤含鹽量減去對照組土壤含鹽量后與對照組含鹽量相比，如比值為負值時定義為相對脫鹽率(%)，比值為正值時定義為相對積鹽率(%)。由于各處理在0～10 cm土層范圍內均表現出脫鹽效果，因此計算得出0～10 cm土層深度內，在不同微咸水溶氧量入滲條件下，土壤相對脫鹽率和相對積鹽率的變化(表1)。由表1可知，0～10 cm土層范圍內加氧處理微咸水入滲均表現出相對脫鹽狀態，平均相對脫鹽率隨著入滲微咸水溶氧量增加分別為-16.4%、-35.4%、-20.1%、-0.2%。由此可見，在一定的濃度范圍內，加氧微咸水入滲能提高灌溉水的淋洗脫鹽效率，使大量鹽分淋洗到土壤底層，有利于作物生長。

圖4 加氧微咸水入滲對土壤含鹽量的影響Fig.4 Effect of oxygenated brackish water infiltration on soil salinity

綜上所述，在一定濃度范圍內，相比于不加氧處理，加氧微咸水入滲能提高土壤含水率和濕潤體平均含水率，改善土壤水分分布狀況，使更多水分儲存在土壤根區供作物根系利用；能增大土壤的相對脫鹽率，使更多鹽分淋洗至根區土壤底部，減少鹽分對作物根系的脅迫作用，從而創造出有利于作物生長的根區土壤環境。

2.3 加氧微咸水溶氧量對入滲模型參數的影響

分別采用PHILIP入滲模型式(1)、(2)和代數入滲模型式(3)、(4)對加氧微咸水入滲實測數據進行處理，獲得各入滲模型參數值及決定系數R2，結果如表2所示，其中式(3)是將累積入滲量I和濕潤鋒深度Zf的實測數據進行擬合。通過比較表2中PHILIP模型和代數模型擬合的決定系數發現，兩模型的平均決定系數分別為0.975、0.991，兩入滲模型都可以較好描述加氧微咸水入滲過程。

表2 入滲模型擬合參數及R2Tab.2 Infiltration model fitting parameters and determination coefficient

圖7 土壤含水率理論值與實測值Fig.7 Theoretical and measured values of soil moisture content

吸滲率S通常能夠反映土壤依靠毛管力吸收水分能力[27-28]，對于PHILIP模型，吸滲率S隨著微咸水溶氧量的增加呈先增加后減小的趨勢，表明土壤入滲能力隨著微咸水溶氧量的增加先增大后減少，這與累積入滲量及濕潤鋒的變化規律一致。當微咸水溶氧量為14.0 mg/L時，吸滲率S最大，高出對照17.10%；當微咸水溶氧量為19.0 mg/L時，吸滲率S較小，低于對照6.90%。將吸滲率與微咸水溶氧量之間的關系采用二次多項式進行擬合，見圖5。擬合結果顯示，擬合R2為0.958，吸滲率S與微咸水溶氧量之間呈較好的二次多項式關系，擬合公式為

S=-0.002O2+0.049O-0.047

(5)

式中O——溶氧量，mg/L

圖5 溶氧量對吸滲率的影響Fig.5 Effect of dissolved oxygen content on infiltration rate

對于代數模型，綜合形狀系數α隨微咸水溶氧量的增加呈先減小后增大的趨勢，當微咸水溶氧量為14.0 mg/L時，綜合形狀系數α最小，低于對照72.20%；當微咸水溶氧量為19.0 mg/L時，綜合形狀系數α最大，高于對照29.30%。將綜合形狀系數α與微咸水溶氧量之間的關系采用二次多項式進行擬合，見圖6。擬合R2為0.700，擬合結果顯示，綜合形狀系數α與微咸水溶氧量之間呈較好的二次多項式關系，擬合公式為

α=0.008O2-0.197O+1.406

(6)

圖6 溶氧量對綜合形狀系數的影響Fig.6 Effect of dissolved oxygen content on overall shape factor

2.4 代數模型描述加氧微咸水入滲下的土壤含水率剖面準確性分析

將擬合得到的綜合形狀系數α代入式(4)可以計算土壤含水率，計算土壤含水率和實測值之間的關系見圖7。由圖可以看出，含水率剖面計算值與實測值比較吻合。為了更好地說明代數模型的計算效果，對土壤含水率計算值和實測值之間進行誤差分析。結果顯示，隨著溶解氧的增大，各處理的平均絕對誤差分別為2.20%、1.90%、2.00%、0.80%、2.30%，由此可見，代數模型能夠較為準確計算加氧微咸水一維垂直入滲條件下的土壤含水率。

3 結論

(1)在微咸水不同溶氧量入滲條件下，入滲時間相同時，累積入滲量和濕潤鋒深度隨溶氧量增加先增加后減小，微咸水溶氧量為14.0 mg/L時累積入滲量和濕潤鋒深度最大。

(2)相同入滲時間下，同一土層深度土壤含水率隨著溶氧量的增加基本呈先增加后減小的趨勢，最大值出現在溶氧量14.0 mg/L處理。此外，相比于不加氧處理，微咸水加氧處理入滲條件下均能提高灌溉水淋洗脫鹽效率。

(3)加氧微咸水入滲條件下代數模型和PHILIP模型都能較好描述土壤入滲過程。PHILIP模型中吸滲率S隨著微咸水溶氧量的增加呈先增加后減小的趨勢，最大值出現在14.0 mg/L，代數入滲模型中綜合形狀系數α則呈現相反的規律，最小值出現在14.0 mg/L，且代數模型能夠擬合加氧微咸水一維垂直入滲條件下的土壤含水率。