磁化微咸水一維水平吸滲特征與水分運動參數(shù)分析

單魚洋 李曉菊 王全九,2 馬晨光 張繼紅 韋 開

(1.西安理工大學省部共建西北旱區(qū)生態(tài)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(yè)國家重點實驗室， 陜西楊凌 712100)

0 引言

淡水資源短缺嚴重制約著我國農業(yè)生產力的發(fā)展。為了緩解淡水資源不足、提高水資源利用率，科學合理地開發(fā)利用微咸水已成為緩解水資源供需矛盾的重要途徑之一[1]。然而，微咸水灌溉容易引發(fā)土壤鹽漬化，導致土壤結構變差，從而影響作物生長和產量[2-3]。因此，對微咸水進行科學處理、改善微咸水理化品質，成為微咸水安全、高效利用的關鍵。

大量研究表明，磁化后水的理化特性發(fā)生顯著改變[4-5]，其表面張力減小[6]、粘滯系數(shù)增加[7]，磁化水理化性質的改變程度與水體中離子含量有關[8-9]。基于對磁化水理化性質的認識，磁化水處理技術逐漸應用于農業(yè)灌溉領域。GHANATI等[10]研究發(fā)現(xiàn)，磁化水灌溉可以有效提高玉米產量和品質，玉米植株籽粒中的鐵與鈣含量分別提高了235%和185%。MAHESHWARI等[11]研究表明，磁化水尤其是磁化鹽水能夠有效提高控制環(huán)境條件下芹菜和雪豆的產量與水分生產力。SURENDRAN等[12]研究指出，不同鹽度的灌溉水經過磁化處理后對豌豆生長和產量提高均有明顯的改善作用。卜東升等[13]通過3年的大田試驗研究了磁化水膜下滴灌對新疆棉田土壤脫鹽效果的影響，結果表明，磁化水能夠有效降低土壤含鹽量、促進棉花生長發(fā)育、提高棉花產量和品質。萬曉等[14]研究發(fā)現(xiàn)，高礦化度灌溉水通過磁化處理后可以有效提高絨毛白蠟的光合作用，促進其生長，從而減輕鹽分對植物的傷害。劉秀梅等[15]研究表明，磁化微咸水灌溉能夠改變土壤鹽基離子的交換特性和離子組成，對降低土壤鹽分積聚有良好的作用。雖然磁化微咸水在農業(yè)灌溉應用方面取得了諸多成果，但是對于磁化微咸水在土壤中的運動規(guī)律尚缺乏清晰的認識，這不利于磁化微咸水在農業(yè)灌溉領域的進一步應用。

近年來，研究者嘗試通過室內土柱試驗來揭示磁化微咸水在土壤中的運動狀況。VLADIMIR[16]通過大型室內垂直土柱試驗發(fā)現(xiàn)，磁化水入滲能夠將土壤上層鹽分向下淋洗，降低了土壤中鹽分累積速率。王全九等[17-18]通過大量室內一維垂直積水入滲試驗發(fā)現(xiàn)，微咸水經過磁化處理后土壤入滲速率及濕潤鋒遷移速率顯著降低，礦化度與磁場強度均對入滲模型參數(shù)有顯著影響，磁化微咸水鹽分淋洗效應在磁場強度為300 mT時最佳。為了進一步了解磁化微咸水在田間的水分運動狀況，有必要對磁化微咸水入滲下的土壤水分特征曲線、非飽和導水率曲線及非飽和擴散率曲線等土壤水分運動參數(shù)進行深入研究。WANG等[19-20]提出了采用水平吸滲數(shù)據(jù)推求土壤水分動力參數(shù)的方法，這為獲得磁化微咸水入滲下的土壤水分運動參數(shù)提供了便利。本文采用300 mT磁感應強度恒定磁場對不同礦化度(0.14、2、3、4、6 g/L)微咸水進行磁化處理，并基于一維水平土柱吸滲試驗，比較不同礦化度磁化與未磁化微咸水水平吸滲與土壤含水率分布特征，分析磁化微咸水礦化度對入滲模型參數(shù)、飽和導水率及土壤水分運動參數(shù)的影響，研究磁化微咸水入滲下的土壤水分運動特性，為磁化微咸水灌溉技術的合理利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試土樣取自陜西省渭南市富平縣鹵泊灘(34°42′N、108°57′E)，采集深度為0～20 cm的耕作層。將土樣碾壓、風干，去除雜物且過2 mm篩后備用。采用激光粒度分析儀(Mastersizer2000型，馬爾文儀器有限公司，英國)測定土壤機械組成，黏粒、粉粒和砂粒體積分數(shù)分別為8.37%、49.98%、41.65%，土壤質地為粉壤土(國際制土壤質地分類標準)。環(huán)刀法測定土壤容重為1.46 g/cm3，土壤初始體積含水率與土壤飽和體積含水率分別為0.033、0.420 cm3/cm3，pH值為8.4。

試驗所用微咸水由自來水和氯化鈉配置而成，自來水礦化度為0.14 g/L，pH值為7.2。設置5個礦化度處理，分別為0.14、2、3、4、6 g/L。采用王全九等[17]所述的磁化水裝置(磁化器磁場強度為300 mT)與磁化方法對不同礦化度微咸水進行磁化處理，并移入馬氏瓶內待用。

1.2 試驗方法

試驗于2019年6月6日在西安理工大學省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點實驗室進行，采用一維水平土柱吸滲系統(tǒng)開展不同礦化度(0.14、2、3、4、6 g/L)的非磁化微咸水(CK)與磁化微咸水(M)入滲試驗，共計10個處理，每個處理進行3次重復，總計30個水平土柱試驗。一維水平土柱吸滲系統(tǒng)(圖1)由馬氏瓶和水平土柱兩部分構成，而水平土柱由水室和土室兩部分構成。馬氏瓶直徑為5 cm，高為50 cm，用于補充水室。水室內徑為8 cm，長為10 cm，前端設有進水閥，上端設有加水閥，下端設有排水閥。土室與水室內徑相同，長為50 cm，上部每隔5 cm設置一個取土孔，取土孔直徑為1.5 cm。裝土柱時，先用橡皮塞將土室取土孔塞緊，然后將土樣按容重1.46 g/cm3、每5 cm一層分層裝入土室，并將層與層之間打毛，避免出現(xiàn)分層現(xiàn)象。裝土完畢后，在土體頂部放置一張濾紙，然后通過帶孔法蘭盤將土室和水室緊密連為一體。組裝好的水平土柱放置在水平試驗臺上，調整工作臺高度，使馬氏瓶出水口與水室前端進水閥在同一水平上，然后通過乳膠管相連接。吸滲試驗以5個土柱為一組，30個土柱試驗分6組完成。試驗開始時，通過加水閥在水室內蓄滿水，在整個截面上為土室供水，同時打開馬氏瓶出水管止水夾及時補充水室，保持吸滲的過程中水室始終充滿水。采用秒表按照先密后疏的原則分別記錄各處理的入滲時間、濕潤鋒運移位置和馬氏瓶水位的變化。本試驗控制吸滲時間相同，各處理均在入滲900 min后停止供水，并迅速打開出水閥將水室中的積水放出，依據(jù)實際入滲深度從上側取土孔處分層取出土樣測定對應的含水率。

采用定水頭法測定不同礦化度磁化微咸水入滲下的土壤飽和導水率。選用直徑為8 cm、高為20 cm的較短的有機玻璃土柱，在土柱底部填放紗布和濾紙，防止土壤顆粒流失堵塞出流孔口，同樣按土壤容重1.46 g/cm3、每5 cm一層分層裝入土柱中，裝土高度10 cm。先將土柱置于不同礦化度磁化微咸水中充分飽和，然后控制水頭3 cm左右，打開出流閥，記錄一定時間段內的滲透水量，各試驗重復3次。

1.3 基本原理

PHILIP[21]水平一維吸滲公式累積入滲量可表示為

I=St0.5

(1)

式中I——累積入滲量，cm

S——土壤吸滲率，cm/min0.5

t——入滲時間，min

土壤水分運動參數(shù)是模擬和預測土壤水分運動的基礎，BROOKS等[22]提出的土壤水分特征曲線和土壤非飽和導水率的表達式為

(2)

(3)

m=3n+2

式中Se——土壤有效飽和度

θ——土壤含水率，cm3/cm3

θr——土壤滯留含水率，當土壤初始含水率較低時，認為滯留含水率與初始含水率相等，cm3/cm3

θs——土壤飽和含水率，cm3/cm3

h——土壤水吸力，cm

hd——進氣吸力，cm

n——形狀系數(shù)

K(h)——土壤非飽和導水率，cm/min

Ks——土壤飽和導水率，cm/min

m——經驗系數(shù)

水平一維土壤水分運動基本方程與定解條件可表示為

(4)

式中x——水平距離，cm

D(θ)——非飽和土壤水分擴散率，cm2/min

θi——土壤初始含水率，cm3/cm3

WANG等[19]提出了根據(jù)水平吸滲試驗資料推求BROOKS-COREY模型參數(shù)的方法，計算式為

(5)

(6)

式中a——參數(shù)，當初始含水率很小時，近似為1

A1和A2可以由水平吸滲過程中的累積入滲量I、入滲率i與濕潤鋒深度xf擬合獲得，即

I=A1xf

(7)

i=A2/xf

(8)

WANG等[20]提出了根據(jù)水平吸滲試驗資料推求非飽和土壤水分擴散率的簡單方法，計算式為

(9)

(10)

(11)

式中Ds——土壤水分飽和擴散率，cm2/min

L——擴散率系數(shù)

2 結果與分析

2.1 不同礦化度磁化微咸水對土壤入滲特征的影響

圖2(圖中不同小寫字母表示同一入滲水礦化度下磁化與非磁化處理間差異顯著(P<0.05))為入滲結束時(900 min)不同礦化度磁化與未磁化微咸水的最終累積入滲量與濕潤鋒深度。由圖2a可知，磁化與未磁化微咸水最終累積入滲量均隨著入滲水礦化度先增大后減小，入滲水礦化度為3 g/L時最終累積入滲量最大，相比淡水(0.14 g/L)增加了18.81%。相同礦化度下，磁化與未磁化微咸水最終累積入滲量差異性顯著(P<0.05)，礦化度0.14、2、3、4、6 g/L磁化微咸水最終累積入滲量相對于未磁化微咸水分別降低了7.72%、11.50%、12.10%、10.56%、9.85%。由圖2b可知，最終濕潤鋒深度也隨著入滲水礦化度先增大后減小，入滲水礦化度為3 g/L時最終濕潤鋒深度最大。相同礦化度下，磁化與未磁化達到最終濕潤鋒深度差異性顯著(P<0.05)，礦化度0.14、2、3、4、6 g/L磁化微咸水相對于未磁化微咸水最終濕潤鋒深度分別降低了9.56%、13.76%、17.17%、14.07%、12.94%。以上表明，入滲水礦化度增加能夠在一定程度上增加土壤入滲速率，而磁化處理不同程度地降低了微咸水的入滲速率與濕潤鋒推進速度，且其作用效果與微咸水礦化度有關，這與王全九等[17]不同礦化度磁化微咸水垂直一維積水入滲的累積入滲量與濕潤鋒變化特征一致。其原因主要是微咸水礦化度在一定程度導致擴散雙電子層向黏粒表面壓縮，土壤顆粒之間的排斥力降低，促進顆粒間絮凝與團聚體形成，增加了土壤孔隙數(shù)量，進而加快水分入滲[23]；入滲水經過磁化處理后，表面張力減小[24]，粘滯系數(shù)增加[25]，從而降低了土壤的導水性能[17]，濕潤鋒的推進速度也隨之降低，而隨著入滲水礦化度的增加，水中順磁性物質數(shù)量的增加強化了磁場對入滲水的作用[8]。入滲結束時(900 min)，礦化度0.14、2、3、4、6 g/L磁化與未磁化微咸水，濕潤體平均含水率分別為0.363 3、0.367 4、0.358 0、0.363 8、0.361 8 cm3/cm3和0.370 7、0.377 0、0.379 9、0.378 6、0.374 6 cm3/cm3，磁化微咸水濕潤體平均含水率相對于未磁化微咸水分別增加了2.03%、2.62%、6.11%、4.08%、3.55%。這是由于磁化處理導致入滲水的締合態(tài)水分子團簇結構分散成自由單體和二聚體分子[6,26]，更多的水分進入土壤小孔隙，從而提高了濕潤體含水率。

2.2 不同礦化度磁化微咸水對土壤含水率分布的影響

不同礦化度磁化與未磁化微咸水在入滲結束后土壤剖面含水率如圖3所示。由圖可以看出，隨著水平距離的增加，土壤含水率逐漸減小。在水平吸滲過程中，由于土體前端與水室相接，導致前端3～5 cm土壤含水率處于飽和或近飽和狀態(tài)。入滲結束后不同礦化度、磁化與未磁化微咸水中間土層含水率差異顯著，且不同水平距離土壤含水率分布情況不同。在水平距離0～25 cm，磁化處理對應的土壤含水率大于未磁化處理，水平距離大于25 cm，未磁化處理土壤含水率逐漸接近并大于磁化處理土壤含水率。對比不同處理水平距離0～25 cm土壤平均含水率，礦化度0.14、2、3、4、6 g/L磁化微咸水相對于未磁化微咸水土壤含水率分別增加了4.21%、3.24%、5.23%、3.92%、2.47%。這一方面是由于磁化處理增加了入滲水黏度[25]，導致水分在前部土壤中滯留時間增加，進入后面土壤的水分減少；另一方面是由于微咸水經過磁化處理后，締合態(tài)水分子團簇結構變得更加分散[6,26]，使水分子能夠進入并濕潤更小土壤孔隙。

2.3 不同礦化度磁化微咸水對入滲模型參數(shù)與土壤飽和導水率的影響

利用PHILIP入滲模型對累積入滲量與入滲時間的關系進行擬合，結果見表1。PHILIP入滲模型對磁化與非磁化微咸水入滲過程擬合效果很好，決定系數(shù)不小于0.972。吸滲率S反映基質勢梯度對土壤入滲的影響，磁化微咸水吸滲率S隨礦化度的增加先增大后減少，且均小于同一礦化度未磁化微咸水吸滲率，礦化度0.14、2、3、4、6 g/L磁化微咸水相對于未磁化微咸水吸滲率S分別降低了7.71%、11.42%、12.11%、10.49%、9.85%。說明磁化處理能夠降低土壤水分入滲能力，這與磁化水對土壤水分入滲過程的影響結果一致，而磁化處理后入滲水表面張力減小是導致土壤吸滲率S降低的重要原因。

表1 PHILIP入滲模型參數(shù)擬合結果Tab.1 Fitting results of PHILIP infiltration model parameters

實測的未磁化微咸水飽和導水率Ks與礦化度C之間的關系見圖4a。由圖4a可以看出，與吸滲率S的變化規(guī)律相似，隨著入滲水礦化度的增加，飽和導水率Ks先增大后減小，當微咸水礦化度為3 g/L時，Ks取得最大值。采用二項式進行擬合，擬合方程為

Ks=-0.000 4C2+0.002 5C+0.004
(R2=0.820 4)

(12)

采用相對飽和導水率ΔKs分析磁化微咸水礦化度對土壤飽和導水率的影響程度。由圖4b可知，相對飽和導水率ΔKs隨C也呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，采用二項式進行擬合，擬合結果顯示，相對飽和導水率ΔKs同礦化度之間呈現(xiàn)較好的二次多項式關系，擬合方程為

ΔKs=-0.015 5C2+0.092 6C+0.092 4
(R2=0.919 4)

(13)

根據(jù)式(12)可知，隨著入滲水礦化度的升高，磁化處理對于土壤飽和導水率的影響也逐漸增大，當?shù)V化度大于3 g/L時，磁化效果逐漸降低。這一實測結果驗證王全九等[17]根據(jù)垂直一維積水入滲數(shù)據(jù)推求所得的不同礦化度磁化微咸水飽和導水率變化規(guī)律。

2.4 不同礦化度磁化微咸水入滲對BROOKS-COREY模型參數(shù)的影響

根據(jù)水平吸滲試驗數(shù)據(jù)，利用式(7)、(8)對系數(shù)A1、A2進行擬合，結果如表2所示。擬合結果較好，擬合決定系數(shù)均不小于0.957。磁化微咸水的系數(shù)A1均大于未磁化微咸水，而系數(shù)A2均小于未磁化水。由此可知，入滲相同距離時，磁化微咸水的累積入滲量大于未磁化水，而入滲速率小于未磁化水，這與磁化與非磁化微咸水累積入滲量和濕潤鋒變化規(guī)律一致。

表2 系數(shù)A1和A2擬合結果Tab.2 Fitting results of coefficient A1 and A2

將擬合的A1、A2和實測的飽和導水率Ks代入式(5)、(6)，推求出形狀系數(shù)n、進氣吸力hd與經驗系數(shù)m，結果如表3所示。不同礦化度磁化與未磁化微咸水入滲條件下，形狀系數(shù)n隨著礦化度增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。入滲水礦化度為3 g/L時形狀系數(shù)n相對淡水(0.14 g/L)降低了10.69%，而進氣吸力hd變化趨勢正好相反，進氣吸力hd相對增加了33.97%。微咸水經過磁化處理后，形狀系數(shù)n相對減小，幅度為19.24%～52.31%，而進氣吸力hd相對增大，幅度為22.52%～48.94%。由此可見，入滲水理化特性的變化能夠對土壤水分運動參數(shù)產生重要影響。

表3 BROOKS-COREY模型參數(shù)反推結果Tab.3 Reversed results of BROOKS-COREY model parameters

為了更清楚地顯示磁化與未磁化微咸水入滲下土壤水分運動特性，將反推的形狀系數(shù)n、進氣吸力hd與經驗系數(shù)m代入式(2)、(3)，得到礦化度0.14、3、6 g/L磁化與未磁化微咸水入滲下土壤水分特征曲線(圖5)與非飽和導水率曲線(圖6)。由圖5可以看出，土壤水吸力隨著土壤含水率的增加迅速降低，磁化微咸水的土壤水分特征曲線相比未磁化微咸水更陡，相同土壤水吸力能夠吸持更多的磁化微咸水，當土壤水吸力為800 cm時，礦化度0.14、3、6 g/L磁化微咸水土壤含水率相比未磁化微咸水增加22.22%、45.00%、33.33%，這與入滲結束后土壤含水率的分布情況一致。說明在土壤質地相同時，磁化微咸水理化特性的變化也能夠在一定程度上增加土壤水吸力。由圖6可以看出，土壤非飽和導水率隨著土壤含水率的增加迅速增加，在土壤未達到飽和前，磁化微咸水的土壤非飽和導水率均低于未磁化水，且其增長速率也小于未磁化微咸水，這是磁化微咸水最終累積入滲量小于未磁化微咸水最終累積入滲量的原因。

2.5 不同礦化度磁化微咸水對土壤水分擴散率的影響

將A1、A2代入式(10)、(11)，推求出土壤水分飽和擴散率Ds和系數(shù)L，結果見表4。不同礦化度磁化與未磁化微咸水水平吸滲條件下，土壤水分飽和擴散率Ds隨著礦化度增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，入滲水礦化度為3 g/L時土壤水分飽和擴散率Ds相對淡水(0.14 g/L)增加了161.18%。微咸水經過磁化處理后，土壤飽和擴散率Ds相對增加，幅度為37.98%～133.61%。這說明入滲水理化特性的變化對土壤水分的擴散過程具有重要影響。

為了更清楚地顯示磁化與未磁化微咸水入滲下土壤水分擴散特征，將表4中的土壤水分飽和擴散率Ds和系數(shù)L代入式(9)，得到礦化度0.14、3、6 g/L磁化與未磁化微咸水入滲下土壤水分非飽和擴散率(圖7)。由圖7可以看出，只有達到一定的土壤含水率，土壤水分才會開始擴散，土壤水分擴散率隨含水率增大而逐漸增大，高含水率下的擴散率遠大于低含水率下的擴散率。磁化微咸水土壤水分開始擴散的含水率大于未磁化微咸水，礦化度0.14、3、6 g/L磁化與未磁化微咸水入滲下土壤水分開始擴散的含水率分別為0.230 4、0.191 7、0.223 4 cm3/cm3和0.315 4、0.332 8、0.321 6 cm3/cm3。這主要是因為在土壤水分吸滲過程中，滲入土壤的水分首先要滿足土壤顆粒表面所吸持的膜狀水，其次要進入土壤細小孔隙，然后才成為自由水向前擴散[23]。入滲水經過磁化處理后，水分子團簇結構更加分散[6,26]，能夠充分進入土壤小孔隙。只有當土壤小孔隙充分填滿，達到較高的土壤含水率時，磁化微咸水才能夠向前擴散，這就進一步解釋了磁化微咸水最終濕潤鋒深度小于未磁化微咸水。

表4 土壤水分飽和擴散率Ds與系數(shù)LTab.4 Soil saturated diffusivity Ds and parameter L

3 結論

(1)磁化微咸水的土壤水分入滲速率及濕潤鋒運移速率顯著降低，最終累積入滲量與濕潤鋒深度均小于未磁化微咸水，而濕潤體平均含水率顯著提高，礦化度0.14、2、3、4、6 g/L磁化微咸水相對于未磁化微咸水的土壤濕潤體平均含水率分別增加了2.03%、2.62%、6.11%、4.08%、3.55%；磁化微咸水入滲能夠增強土壤持水能力，有利于改善土壤水分分布，不同礦化度磁化微咸水在水平距離0～25 cm的土壤平均含水率相對于未磁化微咸水增加了2.47%～5.23%。

(2)磁化微咸水處理對PHILIP入滲模型參數(shù)影響顯著，相對于未磁化微咸水，不同礦化度磁化微咸水吸滲率S降低了7.71%～12.11%；磁化與未磁化微咸水飽和導水率Ks、相對飽和導水率ΔKs均與入滲水礦化度呈現(xiàn)較好的二次多項式關系，在礦化度為3 g/L時，飽和導水率Ks和相對飽和導水率ΔKs均達到最大。

(3)磁化微咸水處理對BROOKS-COREY模型參數(shù)影響顯著，微咸水經過磁化處理后，形狀系數(shù)n相對減小了19.24%～52.31%，而進氣吸力hd相對增大了22.52%～48.94%；磁化微咸水土壤水分特征曲線比未磁化微咸水更陡，磁化微咸水的土壤非飽和導水率及其增長速率均低于未磁化水；微咸水經過磁化處理后，土壤水分飽和擴散率Ds相對增加了37.98%～133.61%，土壤水分開始擴散的含水率也有所增加。