鈉鹽溶液與淡水交替供水方式對紅壤水鹽運移特征的影響

李 平，王 輝，歐陽贊

（湖南農業大學水利與土木工程學院，長沙 410128）

0 引 言

我國南方亞熱帶地區存在水質性缺水和季節性缺水問題，可多次利用的再生水具有儲量大[1]、水源穩定、成本低等優點，將其用于灌溉對于緩解亞熱帶地區用水短缺問題具有重要現實意義。再生水中含有較高濃度的Na+和Cl-等鹽分離子[2]，可達到甚至超過3 g/L[3]，Na+隨灌水進入土壤后易使土壤顆粒膨脹分散，引起土壤孔隙堵塞[4]，最終導致土壤入滲能力降低[5]，造成潛在土壤鹽堿化危險。因此要高效科學使用再生水，降低鹽分對土壤的負面影響，需要制定出科學的灌溉方式。

為改善再生水中Na+對土壤入滲特性的不利影響，國內外學者已圍繞供水方式開展了大量研究，并指出交替供水方式可改善土壤入滲特性[6]和降低土壤鹽漬化風險[7,8]，是一種可推行的供水方式。辛朗[9]等采取3.5 g/L 微咸水，設置淡咸咸、淡咸淡和咸淡淡3種交替灌水方式，以研究咸淡水交替灌溉對北方沙壤土鹽分運移的影響，結果表明咸淡淡交替灌溉方式降低了土壤表層鹽分含量，而淡咸咸和淡咸淡交替灌溉增加了土壤表層鹽分含量。劉靜妍[10]等研究了5.02 g/L 咸水在咸淡交替灌溉和淡咸交替灌溉下北方壤質土壤水鹽運移特征的影響，發現淡咸交替灌溉下土壤鹽分積累在土柱兩端，咸淡交替灌溉下土壤鹽分含量隨深度的增加而增加。也有研究表明咸淡交替供水方式可降低土壤表層的鹽分含量，淡咸交替供水方式可降低土壤中層的鹽分含量[11]。同一種礦化度入滲水，不同交替供水方式對土壤鹽分運移的影響差異顯著[12]。而對于同一種供水方式，入滲水礦化度不同，對土壤水鹽運移的影響也不同，劉小媛[13]等采用2、3、4、5 g/L 礦化度水進行室內土柱入滲試驗研究其對北方鹽堿地土壤入滲特性的影響，結果表明礦化度越高，土壤濕潤鋒運移距離、累積入滲量和土壤含水量均呈增大的趨勢。儂文蓮[14]等認為灌水礦化度越高，會導致土壤鹽分積聚。上述研究表明土壤質地、供水方式和灌水礦化度均對土壤性質有顯著影響，供水方式和灌水礦化度不同，對土壤滲透性和水鹽分布規律的影響不同，不合理的供水方式會影響當地土壤的水鹽平衡，造成土壤鹽堿化[12]。

然而，目前的研究主要關注北方干旱鹽堿土壤地區，特別是土壤質地為沙質或壤質土壤條件下的單一礦化度交替入滲機理和土壤水鹽分布的研究。而以亞熱帶黏質紅壤地區為研究背景的研究較少，缺乏針對咸淡交替供水以及鹽分濃度差異等因素對土壤入滲特性和水鹽分布的影響的報道。南方亞熱帶地區夏季氣溫高、降雨多，導致土壤頻繁干濕交替。然而，交替供水方式對亞熱帶地區土壤入滲過程的作用機制尚未明晰。為此，采用一維垂直土柱入滲試驗，研究不同鈉鹽濃度條件下交替供水方式對紅壤入滲特性和土壤水鹽分布特征的影響，并探求交替供水的合理方式與鹽分濃度水平，以期為亞熱帶地區再生水灌水方式提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 供試土壤和試驗用水

本試驗開展于湖南省長沙市（113°7′33" E，28°11′45"N），屬于我國亞熱帶紅壤區。采用隨機多點法采集田間表層0～20 cm 土壤，經自然風干，去除石塊根系等雜物，碾碎過2 mm 篩，攪拌混合均勻后備用。根據國際制土壤質地分級標準，使用比重計法測定土壤顆粒組成，供試紅壤屬黏土（56%黏粒、32%粉粒、12%沙粒）。初始土壤質量含水率為3.95%，土壤pH 值為4.33、EC值為28.80 μS/cm。試驗用水基本指標如表1所示。

表1 供水水質基本指標Tab.1 Basic indicators of water supply and water quality

1.2 試驗設計

試驗于2022 年3-8 月在湖南農業大學水文過程模擬實驗室進行。為模擬再生水中較高鈉鹽濃度對入滲能力的影響，并避免其他離子的干擾，配制5、10 g/L NaCl 溶液作為入滲溶液，設置咸淡混合（SF 混合）、咸淡交替（SF）、淡咸交替（FS）、咸淡咸淡交替（SFSF）、淡咸淡咸交替（FSFS）5 種供水方式，并以淡水入滲（CK）為對照。為了便于試驗結果對比分析，確保供水總鹽量相等，根據預試驗結果，當灌水定額為1 300 mL 時，各處理下水分均不會滲出土柱，因此各處理入滲水量均設置為1 300 mL，其中鈉鹽水和淡水供水量均為650 mL，并按照灌水模式逐一進行入滲。每個處理重復3次，具體處理情況如表2所示。

表2 試驗設計Tab.2 Design of experiments

通過一維垂直土柱入滲試驗，測定不同濃度鈉鹽溶液與淡水在不同供水方式下紅壤入滲過程。試驗裝置主要包括試驗土柱和供水設備2 部分，供水設備為馬氏瓶。土柱（內徑10 cm、高50 cm）和馬氏瓶（內徑5 cm、高50 cm）均由亞克力管制作而成，供水水頭控制在2 cm 左右。裝填土樣前，在土柱管底部放置濾紙，防止土壤顆粒流失。將過2 mm 篩的土樣按田間干容重1.3 g/cm3，均勻填裝至土柱管內，每5 cm 分層打毛，裝填高度為45 cm，土柱裝填完成后靜置24 h。試驗開始前，為防止入滲水對試樣的沖刷，在土柱內土壤表面墊一層濾紙。入滲過程中，以先密后疏的時間間隔讀取馬氏瓶中水面下降高度，記錄濕潤鋒運移距離。單輪供水結束后，立即進行下一輪供水。等待馬氏瓶和土柱積水層的水分均完全滲入土壤后，試驗結束。利用土鉆每5 cm 分層取土，稱量濕重。利用烘干法測定土壤含水率。在土水比1∶5 下獲取懸浮試樣，利用梅特勒Seven Excellence S470-B 多功能測試儀（Mettler Toledo，Switzerland）測定土壤EC值。

1.3 土壤水分入滲模型

描述土壤水分入滲模型常用Kostiakov 模型、Philip 模型和Holton 模型等3種入滲模型，其中Kostiakov 模型只需要確定時間t，公式簡單且準確，Philip 模型較適用于入滲時間不長的均質土壤入滲情況，Horton 模型較適用于田間土壤入滲情況。本試驗采用Kostiakov模型和Philip模型對土壤入滲過程的參數進行擬合分析，并采用回歸估計標準誤差（Root mean squared error，RMSE）對模擬值和觀察值之間的一致性進行統計分析。RMSE值越小，表示模擬值與觀察值的一致性越好、偏差越小，即模型的模擬結果越準確、可靠。

Kostiakov入滲模型：

式中：I為累積入滲量，cm；t為入滲歷時，min；b、c為經驗常數。

Philip入滲模型：

式中：S為吸滲率，cm/min0.5；其余符號意義同前。

回歸估計標準誤差計算公式為：

式中：n為樣本數；Si為模型擬合值；Oi為實測值。

1.4 數據處理

采用Excel 2016進行圖表繪制和土壤入滲參數求解，使用SPSS 22 軟件對各指標進行統計分析和入滲模型擬合，用Duncan 分析法對各處理間差異進行多重比較（差異顯著性P<0.05），并根據均方根誤差RMSE、決定系數R2和模型參數作為評價各模型的擬合效果。

2 結果與分析

2.1 咸淡交替供水方式對紅壤濕潤鋒運移距離的影響

不同鈉鹽濃度下交替供水方式對紅壤濕潤鋒運移距離的影響變化如圖1所示。隨入滲時間的增加，各處理濕潤鋒運移距離不斷增加，增加的速度隨時間的增加呈減緩趨勢，即單位時間內濕潤鋒運移距離逐漸減小。就不同鈉鹽濃度而言，入滲結束時，SF-10、FS-10、SFSF-10 和FSFS-10 濕潤鋒運移距離分別比SF-5、FS-5、SFSF-5 和FSFS-5 小5.54%、4.45%、6.53%和11.24%；就不同供水方式而言，5 g/L 下入滲結束的歷時表現為：FSFS-5

圖1 紅壤濕潤鋒運移距離隨入滲時間的變化Fig.1 Variation of the movement distance of the wet front of red soil with infiltration time

2.2 咸淡交替供水方式對紅壤累積入滲量的影響

不同鈉鹽濃度下交替供水方式對累積入滲量的影響變化如圖2所示。各處理累積入滲量均隨時間推移而增加且增速逐漸降低。入滲時間在100 min 以內，各處理的累積入滲量間無明顯差異；入滲100～360 min 各處理之間的累積入滲量差異逐漸增大，此區間不同供水方式間累積入滲量數值大小表現為：FSFS-5>CK>SFSF-5>FS-5>SF 混合-5>SF-5 和FSFS-10>CK>SFSF-10>FS-10>SF 混合-10>SF-10；360 min 后各處理入滲趨于穩定，累積入滲量的差異不再增加。入滲時刻為360 min時，各處理的累積入滲量存在較大差異，因此對比分析入滲時刻為360 min時各處理的累積入滲量，此時FSFS-5和FSFS-10 分別較SFSF-5、SFSF-10 累積入滲量大21.28%、4.94%，FS-5 和FS-10 分別較SF-5、SF-10 累積入滲量大8.70%、9.60%。結果表明累積入滲量隨交替次數的增加而增加，并且在相同入滲歷時與交替次數下，淡水作為初始水質的處理累積入滲量較大，其中FSFS-5 處理同一時刻的累積入滲量明顯高于其他處理，入滲性能較強。

圖2 紅壤累積入滲量隨入滲時間的變化Fig.2 Variation of cumulative infiltration of red soil with infiltration time

如表3 所示，土壤累積入滲量I與土壤濕潤鋒運移距離Zf在相同入滲時間下存在數量關系，可用線性關系式I=mZf表示，m可表示為土壤濕潤鋒推進單位距離所需水量，也可表示土壤持水能力[15]。其中擬合系數R2>0.967，RMSE為0.993～1.407，說明該關系式可較好地描述不同供水方式和不同鈉鹽濃度下土壤累積入滲量與土壤濕潤鋒運移距離之間的關系。由表3可知，供水方式和鈉鹽濃度均對紅壤的持水性影響顯著（p<0.05）。就不同鈉鹽濃度而言，SF混合-5、SF-5、SFSF-5、FSFS-5處理對應的m值均小于SF混合-10、SF-10、SFSF-10、FSFS-10處理對應的m值，說明持水能力隨鈉鹽濃度的增大而增大；就不同供水方式而言，SF 混合-5的m值小于5 g/L 條件下其他交替供水方式對應的m值，SF混合-10的m值小于10 g/L 下其他交替供水方式對應的m值，其中FSFS-5 處理m值最大，與CK 相比，FSFS-5 的m值較CK 對應的m值大5.45%。結果表明交替供水的方式可提高土壤的持水能力，其中FSFS-5相比其他處理濕潤鋒推進單位距離所需水量更大，持水能力較強。

表3 累積入滲量與濕潤鋒運移距離的線性回歸結果Tab.3 Linear regression between accumulated infiltration and transport distance of wetting front

2.3 咸淡交替供水方式下紅壤入滲模型擬合

為定量分析不同交替供水方式不同鈉鹽濃度下對紅壤入滲過程的影響，采用Kostiakov模型和Philip模型擬合累積入滲量隨入滲時間的變化，結果如表4所示。各模型擬合的決定系數R2>0.993（p<0.05），表明Kostiakov模型和Philip模型均能較好地描述不同交替供水方式不同鈉鹽濃度下紅壤累積入滲量與入滲時間的關系。Philip 模型中S值表示土壤吸滲率，就不同供水方式而言，FSFS 交替供水對應的S值大于其他供水方式對應的S值，表現為：FSFS>CK>SFSF>FS>SF 混合>SF；就不同鈉鹽濃度而言，FSFS-5 處理比FSFS-10 處理的S值大8.26%，說明FSFS-5 處理入滲性能較強。除FS 和CK 處理外，其他處理Kostiakov 模型對應的RMSE值均小于Philip 模型對應的RMSE值，說明淡水和FS 交替供水處理下Philip 模型較Kostiakov 模型更能準確地描述紅壤累積入滲量隨入滲歷時的變化，Kostiakov模型更適合描述不同鈉鹽濃度下SF混合、SF、SFSF、FSFS處理下紅壤入滲特征。

表4 入滲模型參數擬合結果Tab.4 Infiltration model parameter fitting results

2.4 咸淡交替供水方式對紅壤水分分布的影響

交替供水方式與鈉鹽濃度對土壤含水率的影響如圖3 所示。隨土層深度增加，不同供水方式下土壤含水率在表層（0～7.5 cm）差異較大，其他土層深度差異不明顯，其中在土層深度2.5 cm 處差異最大。就不同供水方式而言，5 g/L 下各處理在土層深度2.5 cm 處土壤含水率表現為SFSF-5>FSFS-5>FS-5>CK>SF 混合-5>SF-5，其中SFSF-5、FSFS-5 和FS-5 的土壤含水率較CK 的土壤含水率高12.49%、10.64%和7.21%，SF 混合-5 和SF-5 的土壤含水率較CK 的土壤含水率分別低4.98%和7.25%；10 g/L各處理的土壤含水率在土層深度2.5 cm處表現為FSFS-10>SFSF-10>FS-10>CK>SF-10>SF 混合-10，其中FSFS-10、SFSF-10 和FS-10 的平均土壤含水率較CK 的平均土壤含水率高14.46%、13.88%和3.29%，SF-10 和SF 混合-10的土壤含水率較CK 的土壤含水率低5.05%和7.70%。就不同鈉鹽濃度而言，5 g/L 和10 g/L 在同一供水方式的土壤含水率無明顯差異。結果表明FSFS、SFSF、FS 交替供水處理能夠提高表層（0～7.5 cm）土壤的持水能力。

圖3 土壤含水率隨土層深度分布Fig.3 Soil moisture content is distributed with soil depth

2.5 咸淡交替供水方式對紅壤鹽分分布的影響

電導率(EC)可以直觀反映出土壤中的鹽分含量[16]，交替供水方式及鈉鹽濃度對土壤電導率的影響如圖4所示。供水方式的差異導致土壤鹽分分布不同，在交替供水方式中，最后一輪供水水質為鈉鹽溶液處理的EC值明顯高于最后一輪供水水質為淡水的處理，表明最后一輪供水水質對表層EC值影響較大。就不同供水方式而言，SF-5 和SF-10 處理EC值表現為先增加后減小，EC值的拐點在22.5 cm 處，相較于SF 混合-5 和SF 混合-10，該處SF-5 和SF-10 處理的EC值分別增大了43.87%和41.27%，此處屬于根系分布較密集的區域，土壤鹽分含量高會對作物生長產生負面影響；FS-5 和FS-10 均表現為隨土層深度的增加EC值減小，鹽分較多積累在0～17.5 cm土層深度內，FS-5 和FS-10 在0～17.5 cm 土層深度內平均EC值分別比CK-5 和CK-10 增多了22.15%和40.85%；SFSF 處理在12.5 cm、17.5 cm 和22.5 cm 處存在拐點，EC值表現為先增后減再增再減的現象，其中12.5 cm 處EC值最大，相較于SF混合-5 和SF 混合-10 處理，此處SFSF-5 和SFSF-10 處理EC值分別大28.28%和42.05%；FSFS 處理在12.5 cm、17.5 cm 處存在拐點，EC值呈現先增后減再增再減的趨勢，在2.5～12.5 cm 范圍內鹽分含量高，此范圍內，FSFS-5 和FSFS-10 分別比SF 混合-5 和SF 混合-10 處理EC值平均小32.17%和30.68%。就不同鈉鹽濃度而言，10 g/L 與5 g/L 鈉鹽溶液在同一供水方式下EC分布規律一致，在同一深度下，鈉鹽濃度越高，EC值越大。結果表明土壤剖面鹽分分布主要受交替供水方式的影響，而鹽分累積程度主要受鈉鹽濃度的影響，濃度越高，越易積鹽。

3 討 論

本文研究了2 種鈉鹽濃度溶液與淡水分別在5 種不同交替供水方式條件下對紅壤水鹽運移特征的影響。研究結果顯示，同一交替供水方式下鈉鹽濃度越大，濕潤鋒運移距離越短，與蔣茜等[17]研究結果基本一致。不同交替供水入滲特性產生差異的原因是：相較于其他處理，首輪入滲水質為鈉鹽溶液的交替供水方式有SF和SFSF。在SF處理中，首輪入滲過程進入土壤中的Na+數量最多，易造成土壤顆粒膨脹和土壤團聚體分散，堵塞土壤過水通道，從而降低土壤的入滲能力[18]，并導致后續入滲速度減慢；而FSFS和SFSF處理增加了交替次數，淡水可將鹽分離子淋洗至下層，減少了鹽分在土壤表層積聚，進而緩解了Na+對土壤理化性質的惡化。因此在同一入滲歷時下，紅壤累積入滲量隨交替次數的增加而增加。吳忠東等[19]對北方鹽堿地土壤進行了微咸水與淡水交替淋洗試驗，探究咸淡水與淡水在不同交替供水方式下對土壤入滲性的影響；研究結果顯示，首輪采用微咸水供水時，土壤中大孔隙增多，增強了土壤滲透性，從而縮短了土壤入滲歷時。此結果與本試驗存在較大差異，其原因是土壤質地不同導致的，因為不同質地的土壤具有不同的土壤結構、導水性能和持水性能等[20]。與北方鹽堿土相比，南方典型紅壤團聚體的主要膠結物質是土壤中的黏粒。當土壤中大量的黏粒吸水膨脹后，會降低土壤大孔隙和傳導孔隙[17]。同時，隨著鹽分濃度增加，Na+隨入滲水進入土壤中的數量也在增多，大量的Na+進一步導致了土顆粒膨脹分散，從而降低了土壤的滲透性[21]，最終導致土壤入滲能力減弱。

目前學者廣泛應用Philip 模型和Kostiakov 模型[22]，通過利用不同模型對土壤水分入滲過程進行模擬，可有效探究出土壤水分運動過程規律。Philip 模型較適合模擬均質土壤水分運動過程，Kostiakov 模型適合描述短時間內的土壤水分運動過程[23]。本研究利用Philip 模型和Kostiakov 模型進行分析和比較，通過決定系數R2、均方根誤差RMSE和模型參數的評估，選出最合適的入滲模型。研究結果顯示，Philip 模型更適合描述淡水和FS 交替供水處理下紅壤累積入滲量隨入滲歷時的變化，而Kostiakov 模型更適合描述不同鈉鹽濃度下SF 混合、SF、SFSF、FSFS處理下紅壤入滲特征。

通過分析交替供水對紅壤鹽分分布的影響表明，同一供水方式下EC分布規律一致，在同一深度下，鈉鹽濃度越高，EC值越大。朱成立等[24]研究結果也表明，黏壤質土壤EC值隨著鹽溶液濃度的增加而增加。其原因有2個方面：一方面，隨著入滲水濃度的增加，入滲過程中帶入土壤的鹽分含量也增多[25]，因此EC值增大；另一方面，鹽分濃度的增加會引起土壤黏粒含量發生變化，影響土壤的入滲性質，導致土壤入滲性能變差，鹽分淋洗作用不足，導致土壤鹽分含量增高[26]。土壤鹽分分布受供水方式的影響，尤其是最后一輪供水方式對表層EC值具有顯著影響。表現為最后一輪供水方式為鈉鹽溶液的處理EC值顯著高于最后一輪供水方式為淡水處理的EC值。其原因是最后一輪入滲水為鈉鹽溶液時，鹽分不易隨水下滲，而是在土壤表層積聚，而當最后一輪入滲水為淡水時，淡水對鹽分離子有一定的淋洗作用，使得鹽分隨水逐漸下滲到較深層的土壤中，由于經歷了前期的交替供水，土壤的理化性質已發生變化，入滲性能已經降低，使得淋洗的鹽分不能完全抵達到濕潤鋒邊緣位置，只能將鹽分淋洗至土壤表層下方[18]。

值得注意的是，本試驗土壤EC值隨土層深度分布出現了拐點現象。其原因是，首輪供水采用鈉鹽溶液時，使得土壤表層EC值迅速增加，隨后使用淡水供水時，土壤鹽分和土壤基質勢發生改變，入滲率降低，減輕了淋溶效果，表層鹽分只下移到中間層，導致上層EC值減小，中間層EC值增加。劉靜妍等[8]對比研究了2種交替供水方式（淡咸交替供水方式、咸淡交替供水方式）對黏壤土鹽分分布的影響，結果顯示，在淡咸交替供水方式下，土壤EC值出現兩端積鹽現象，降低了土壤中間層的鹽分含量；而在咸淡交替供水方式下，整體土壤EC值增大，表層的含鹽量較低；這2 種交替供水方式下土壤EC值也出現了拐點現象，與本試驗結果類似。當入滲水定額相同時，整體上FSFS 處理在10～35 cm 土層深度內平均EC值比其他供水方式的EC值小，說明FSFS 交替供水方式降低了鹽分在作物根區累積程度。這表明FSFS 交替供水有利于降低鹽分對土壤的負面影響，可作為本次試驗下的最優供水方式。本試驗僅在室內條件下進行，所得結果具有局限性，因此還需進行大田試驗進行驗證。在利用再生水進行灌溉時，應考慮再生水中鹽分濃度、交替次數、交替次序、交替間歇時間以及農作物各生育期抗鹽脅迫能力等因素。

4 結 論

本文采用室內一維垂直土柱入滲試驗，探究了5、10 g/L鈉鹽溶液與淡水在5種供水方式下對亞熱帶典型紅壤入滲及水鹽分布的影響。

（1）在相同交替供水方式下，鈉鹽濃度越大，濕潤鋒運移距離越短，并且在同一入滲歷時下，紅壤累積入滲量隨交替次數的增加而增加。

（2）模型I=mZf能較好描述不同供水方式不同鹽分濃度下土壤累積入滲量與土壤濕潤鋒運移距離的關系，5 g/L 淡咸淡咸交替處理推進單位距離所需水量最大，具有較高的持水性；Philip 模型更適合描述淡水和淡咸交替供水下紅壤累積入滲量隨入滲歷時的變化，Kostiakov 模型更適合描述咸淡混合、咸淡交替、咸淡咸淡交替、淡咸淡咸交替下紅壤入滲特征。

（3）土壤剖面鹽分分布主要受交替供水方式的影響，而鹽分累積程度主要受鈉咸濃度的影響，濃度越高，越易積鹽。5 g/L 淡咸淡咸交替處理能增強土壤入滲能力，降低鹽分在作物根區的累積程度，為最優交替供水方式和鈉鹽濃度水平。