干濕循環對土壤斥水性的影響①

楊 松，王 磊，周明凱，馬澤慧，李 銘

干濕循環對土壤斥水性的影響①

楊 松，王 磊，周明凱，馬澤慧，李 銘

(云南農業大學水利學院，昆明 650201)

處于地表的各類土壤總是處于不斷的干濕循環過程，土壤性質也會因此而發生改變。本文通過試驗對干濕循環過程中斥水性土壤的“斥水–親水”特性展開研究，試驗結果表明：干濕循環對斥水性土壤的接觸角及斥水性有重要影響。在干濕循環過程中，增濕時的初始狀態不同則其初始接觸角會發生變化，土壤斥水性對初始狀態的敏感性隨著黏粒含量的增加而增大。干濕循環開始時，土壤越干則初始接觸角越大。當黏土和黏壤土試樣含水量減小時，增濕或脫濕過程中滴水穿透時間(water drop penetration time，WDPT)先增加后減小，在某一時刻達到峰值，試樣含水量相同時，脫濕過程所對應的WDPT要明顯小于增濕過程，兩種類型的土樣在干濕循環中均沒有臨界含水量。隨著含水量的降低，壤質砂土的WDPT是不斷增加的，且干濕循環過程中斥水性砂土并沒有出現峰值，存在明顯的臨界含水量。

斥水性；接觸角；干濕循環；WDPT；躺滴法

處于地表的土層由于各種因素的影響，其斥水性可能會發生改變。土壤斥水性會導致土壤中水分分布不均勻，增加地表徑流，斥水性土壤中還可能產生優先流從而增加地下水污染的風險等[1-5]。當由親水礦物組成的土壤顆粒被有機物覆蓋或有機物顆粒混合到親水的土壤中都有可能造成土壤斥水，如：植物燃燒后，草木灰和一些有機化合物通過蒸發、冷凝過程的傳遞機制，最終凝結到土壤顆粒上并因此造成土壤斥水[6]。用廢水或再生水對農作物進行灌溉時，水中的殘留物由于土壤的過濾作用而停留在土壤表層，并可能因此造成土壤斥水[7-8]。影響土壤斥水性的因素很多，酸性土壤相對于堿性土壤更容易產生斥水性，通過在酸性土壤中加入石灰可以很好地降低土壤的斥水性[9]。相同的接觸角(contact angle，CA)下，砂土比黏土的斥水性更大，因此可以通過在斥水性砂土中加入黏土的方法來改善其斥水性[10-11]。很多情況下，隨著土壤含水量增大，土壤的斥水性會降低甚至消失，然而其機理目前并沒有統一定論[12]。

連續固體物質可以通過接觸角的大小來反映固體表面的浸潤性，當接觸角小于90°時為親水，當接觸角大于90°時為斥水。然而，對于土壤顆粒，即使接觸角小于90°也會出現明顯的斥水現象，Shirtcliffe等[13]把土顆粒簡化為理想的等直徑球體顆粒，并在球體顆粒緊密堆積的基礎上計算出了土壤濕潤時的接觸角大概為50°。Yang和Lu[14]及楊松等[15]通過計算土顆粒間的毛細力，給出了理想狀態下親水與斥水的接觸角變化區間。雖然不能以一個確定的接觸角大小來衡量土壤的親水或斥水性，但接觸角越大土壤的斥水性就越強，因此接觸角仍然被廣泛用于評價土壤的斥水性[16-17]。測量土壤接觸角的方法主要有3種：躺滴法、毛細上升法和Wilhelmy平板法。其中，躺滴法所測出的是液體處于亞穩定狀態的表觀接觸角；毛細上升法測出的是前進接觸角，且接觸角要小于90°；Wilhelmy平板法測出的則是前進接觸角或后退接觸角[16]。除用接觸角來衡量土壤斥水性外，滴水穿透時間(water drop penetration time，WDPT)法和酒精溶液入滲 (molarity of an ethanol droplet，MED) 法由于操作簡單且能迅速評價土壤的斥水等級而得到廣泛應用[18-19]。

表層土壤在自然環境中總是處于不斷的干濕循環過程，相同的基質吸力下土壤增濕和脫濕所對應的含水量是不同的，即，土水特征曲線(SWCC)存在明顯的滯回效應，接觸角是造成滯回效應的主要原因之一。同時，含水量和接觸角都是影響土壤斥水性的關鍵因素，那么干濕循環會對土壤的斥水性造成什么影響呢？本文將就此展開討論，采用躺滴法和WDPT法對不同斥水程度的3種土壤在干濕循環過程中的斥水特性展開研究，并對其機理進行分析，以為進一步認識土壤“斥水–親水”轉化本質提供相應的基礎。

1 材料與方法

1.1 供試土壤與試樣制備

3種供試土壤分別取自云南昆明市郊不同的天然風化土坡，土壤風干碾碎后過2 mm篩備用。3種土壤的基本物理性質如表1所示。

本研究通過在土壤中混合不同含量的十八胺來得到不同斥水程度的試驗土樣。配制試驗土樣前先將純土在105 ℃下烘干12 h，之后取出冷卻，再在烘干土中加入十八胺并攪拌均勻。每種土樣十八胺的加入量按占比土壤的質量分數計，分別為0.1%、0.2% 和0.4%。本文用字母H、P、S分別代表黏壤土、黏土和壤質砂土，H0.1表示十八胺加入量為0.1% 的黏壤土，其余符號以此類推。

表1 供試土壤的基本物理性質

1.2 土樣接觸角測量

用躺滴法對土樣接觸角進行測量。取長度為7.2 cm，寬度為2 cm左右的雙面膠帶粘貼到載玻片上，將配置好的斥水土壤顆粒均勻覆蓋于載玻片上，再在土壤顆粒上加一個載玻片，并用質量為200 g的砝碼壓住載玻片，持續時間為2 min，移開砝碼及土壤顆粒上的載玻片，反復輕輕磕碰下層載玻片以去除多余的土壤顆粒，直到膠帶表面覆蓋有一層薄薄的土壤顆粒，且土壤顆粒分布均勻無明顯凸起。接觸角測量在JC2000型接觸角測量儀上進行。

為反映干濕循環對接觸角測量結果的影響，設計如下試驗方案：首先通過JC2000型接觸角測量儀的自動加樣器在待測試樣表面注入體積為5 μl的液滴，測量接觸角的大小(圖1A)，記為：CAd；隨后繼續通過自動加樣器使試樣表面的液滴體積增大一倍，即液滴體積變為10 μl，保持周圍環境不變，直到液滴完全蒸發(通過光學顯微鏡看不到液體)，在相同的位置再次注入體積為5 μl的液滴，測量接觸角的大小(圖1B)，記為CAw。每個載玻片試樣在5個不同的部位重復上述步驟，取平均值作為最后接觸角的測量結果。CAd對應于第1次干濕循環的初始接觸角，CAw則反映了第2次干濕循環的初始接觸角。

1.3 土樣干濕循環過程中的WDPT測量

將混合十八胺后的土樣制成環刀樣，環刀的直徑為61.8 mm，高20 mm，控制每種試樣的干密度為1.2 g/cm3。制樣前需預先根據土壤的風干質量含水量及擊實筒(或環刀)體積計算出用土量(用土量要稍微多余計算值)，并加水攪拌均勻，將土樣放入保濕箱內靜置24 h后，黏壤土和黏土在擊實筒內擊實后用環刀取樣，壤質砂土直接用環刀制樣，并取剩余土樣測其含水量。其中，黏壤土制樣含水量為440 g/kg，黏土制樣含水量為410 g/kg，壤質砂土的制樣含水量為240 g/kg，由于制樣含水量較高，3種試樣制成后不用進行飽和，直接進行脫濕試驗。為保證相同的脫濕環境，試樣脫濕采用低溫烘干法，即將制好的試樣放入烘箱，保持烘箱溫度為50 ℃，每隔15 min取出試樣并進行稱重，確定試樣含水量，進行WDPT試驗。WDPT試驗的操作步驟為：用滴管在土樣表面的不同位置滴上7滴去離子水(圖2)，每個水滴體積約為30 μl，用秒表記錄每個水滴完全滲入土樣所用的時間，去掉1個最長時間和1個最短時間，取剩余5個時間的算術平均值即為土樣在該狀態下的WDPT。當土樣烘干后含水量基本不變(連續兩次含水量變化小于1 g/kg)時，試樣脫濕試驗結束。

脫濕試驗結束后，將試樣置于密封性良好的保鮮盒中，均勻噴灑去離子水于土樣表面，每次噴水量約為5 ml，之后將保鮮盒密封靜置2 h，后取出土樣稱重，確定試樣含水量，進行WDPT試驗，試驗步驟和脫濕過程一致。

圖1 P0.1試樣的CAd和CAw

圖2 P0.4試樣的WDPT測量試驗

2 結果與分析

2.1 土壤的初始接觸角

用躺滴法測量土壤顆粒初始接觸角的試驗結果如圖3所示，不同類型的土壤，在不同的干燥狀態(增濕的初始狀態)其接觸角不同。在圖3A中，H0.1、H0.2和H0.4試樣的CAd分別為：80°、86°、115°，而在試樣的同一位置測量初始液滴完全蒸發后的土樣接觸角CAw則分別減小為：55°、65°、71°；隨著十八胺含量的增大，CAd和CAw增大，相同十八胺含量的土樣CAw總是小于CAd。另外兩種土樣也出現同樣的規律(圖3B和圖3C)。同一試樣比較CAd和CAw的差值ΔCA可以發現，壤質砂土3個試樣(S0.1、S0.2和S0.4)ΔCA分別為：20°、20°、30°，而黏土3個試樣(P0.1、P0.2、P0.4)的ΔCA則達到了：52°、35°、40°，黏壤土的ΔCA則介于二者之間。較大的ΔCA意味著較明顯的接觸角滯后，3種土樣最大的區別是黏粒含量，由此可見，黏粒含量越大的土壤ΔCA越大，對干濕循環的初始狀態也越敏感。

圖3 不同土樣的CAd和CAw

2.2 土壤斥水性隨干濕循環變化

干濕循環過程中不同斥水性土壤的WDPT試驗結果如圖4所示。圖4A和圖4B分別為黏壤土脫濕和增濕過程中的WDPT，從圖中可以看出，隨著含水量的減小，增濕或脫濕過程中WDPT先增加后減小，在某一時刻達到峰值，當土樣的含水量相同時，脫濕過程所對應的WDPT要明顯大于增濕過程，以H0.2土樣為例，H0.2土樣的初始接觸角為86°，脫濕過程中，含水量為300 g/kg時對應的WDPT為最大值72 s，而增濕過程中含水量為300 g/kg對應的WDPT達到1 356 s，遠遠大于脫濕過程所對應的WDPT。黏土干濕循環中WDPT所表現出來的規律與黏壤土相似(圖4C、D)，但值得注意的是，同種土壤具有不同的初始接觸角的土樣，初始接觸角越大并不能表明WDPT越長，如P0.1試樣在脫濕過程中的峰值WDPT要長于P0.2和P0.4，而脫濕過程中P0.1、P0.2和P0.4的WDPT都比較接近。

壤質砂土WDPT隨含水量變化關系曲線與黏壤土、黏土明顯不同，如圖4E、F所示，隨著含水量的降低，壤質砂土WDPT不斷增加，整個脫濕或增濕過程均沒有出現峰值，即壤質砂土的含水量越小則斥水性越強。與黏土和黏壤土不同，當含水量小于某個值時，壤質砂土WDPT迅速增加，壤質砂土增濕或脫濕過程中存在明顯的臨界含水量。

3 討論

3.1 干濕循環過程中土壤的接觸角與斥水性

固體表面傾斜到一定角度時，其上的液滴會滑動，如圖5所示，處于滑動液滴前端的固液接觸角為前進接觸角，此時固體被液體濕潤，固體增濕。處于滑動液滴后端的固液接觸角為后退接觸角，此時液體從固體表面退出，固體脫濕。前進接觸角對應于增濕，后退接觸角對應于脫濕，前進接觸角總大于后退接觸角[20]。然而，本研究通過躺滴法測出的土壤顆粒增濕和脫濕所對應的接觸角卻與此相反：增濕時的接觸角小于脫濕時的接觸角，由此可見，用前進接觸角或后退接觸角來反映增濕或脫濕只適用于動態情況，即外力式增濕或外力式脫濕[21]。自然界中的斥水性土壤，降雨后雨水很難入滲，其增濕方式應以凝結式增濕為主，脫濕則主要以蒸發式脫濕為主。斥水性土壤的增濕或脫濕并不能用動態接觸角(前進接觸角或后退接觸角)來反映其斥水程度，其增濕或脫濕過程中所對應的接觸角仍然是介于前進接觸角和后退接觸角間的表觀接觸角，因此用躺滴法在同一位置、不同的干濕循環狀態下測出的接觸角是不同的。

圖4 干濕循環中WDPT隨含水量變化關系曲線

圖5 固體表面的前進接觸角和后退接觸角

在干濕循環WDPT試驗中，黏土和黏壤土土樣均表現出了比較一致的規律：含水率相同時，增濕時WDPT要明顯長于脫濕。這是因為干濕循環過程中土壤的含水量雖然相同，但其土壤水分分布形態卻有很大的區別，通過噴水對斥水性土壤進行增濕，土壤含水量增加到一定值后就不再上升，增濕過程土壤含水量的升高是因為相對濕度上升，孔隙較小的毛細管先發生凝結，直到相對濕度不再升高，毛細凝結也就停止，所以增濕穩定時含水量遠遠小于土壤的飽和含水量。脫濕過程則與此相反，孔徑較大的土壤孔隙先發生蒸發，因此增濕和脫濕過程含水量相同時，氣孔隙水的分布情況是明顯不同的，這也是造成干濕循環中WDPT出現明顯區別的主要原因。

3.2 斥水性土壤的臨界含水量

隨著含水量增加，當含水量到達某一值后，斥水性土壤可能由斥水變為親水，此時對應的含水量被稱為臨界含水量。采用WDPT評價土壤斥水性，一般以5 s作為斥水和不斥水的分界點[7]。通常情況下，隨著含水量的增加，土壤斥水性是不斷減小的，并且當含水量達到臨界含水量時，土壤斥水性消失[22-25]。但并不是所有的土壤都會表現出隨含水量減小斥水性不斷增加[26]。本文試驗中黏壤土和黏土在干濕循環中，其斥水性都出現了峰值，而壤質砂土則符合隨含水量降低斥水性不斷增大的一般規律。事實上，在相同的固-液接觸角下，土壤顆粒接近于球狀的土壤其斥水性要比以片狀土壤顆粒為主的土壤斥水性更強。因此，土壤質地是影響土壤斥水性的一個重要因素。

4 結論

1)土壤干濕循環過程中，不同干燥狀態(增濕的初始狀態)對應不同的初始接觸角，黏粒含量越多的土壤對干燥狀態越敏感，土壤初始狀態越干則初始接觸角越大。

2)當黏土和黏壤土含水量減小時，增濕或脫濕過程中WDPT先增加后減小，在某一時刻達到峰值，試樣含水量相同時，脫濕過程所對應的WDPT要明顯小于增濕過程，兩種類型的土樣在干濕循環中均沒有臨界含水量。

3)隨著含水量的降低，壤質砂土的WDPT是不斷增加的，整個脫濕或增濕過程均沒有出現峰值，壤質砂土的含水量越小則斥水性越強。與黏土和黏壤土不同，當含水量小于某個值時，壤質砂土WDPT迅速增加，壤質砂土增濕或脫濕過程中存在明顯的臨界含水量。

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Effect of Drying-Wetting Cycles on Soil Water Repellency

YANG Song, WANG Lei, ZHOU Mingkai, MA Zehui, LI Ming

(College of Water Conservancy, Yunnan Agricultural University, Kunming 650201, China)

On the earth’s surface, all kinds of soils are always in continuous drying-wetting cycles, which can result in the changes of soil properties. An experiment was conducted to study to the repellent - hydrophilic characteristics of repellent soils in drying-wetting cycles. The results showed that drying-wetting cycles had important impacts on soil-water contact angle and hydrophobicity. When the soil is in drying or wetting, different initial states caused different contact angles. As clay particles increasing, the susceptibility of soil repellency increased to initial states. At the beginning of drying-wetting cycle, the drier sample usually corresponded to the higher contact angle. As water content decreased in loam or clay soil samples in drying-wetting cycle, the WDPT increased and then decreased, and reached the maximum at a certain water content. Under the same water content, the WDPT in drying was significantly lower than that in wetting, there was no threshold water content in the two soil samples. But the WDPT of sand soil samples increased with water content decreasing, no peak appeared in the drying-wetting cycle, and had obvious critical water content.

Water repellent soil; Contact angle; Drying-wetting cycles; WDPT; Sessile drop method

國家自然科學基金項目(41662021，41867038)資助。

楊松(1982—)，男，云南昆明人，博士，副教授，主要從事農業水土工程方面的研究工作。E-mail：yscliff007@126.com

S147.2

A

10.13758/j.cnki.tr.2019.06.021