3.2　入渗水矿化度对土壤水盐运移特性的影响分析

与传统的淡水灌溉不同,微咸水由于含有较多的盐分离子,用其进行滴灌会对入渗土壤的理化性质产生较大影响,改变土壤入渗特性,导致土壤中水盐运移也与传统的淡水入渗条件下有所差别(王全九等,2015)。因此,为了高效、安全地利用微咸水资源,有必要准确掌握微咸水入渗下的土壤水盐运移规律。

3.2.1　入渗水矿化度对土壤湿润体特性的影响

3.2.1.1　入渗水矿化度对滴灌湿润体分布的影响

图3.9为不同入渗水矿化度条件下单点源入渗湿润锋推进图。由图3.9可知,各处理下湿润锋形状相似,均是以滴头为中心的1/4椭圆形,随着入渗时间的增加,各处理下的水平湿润锋推进距离和垂直湿润锋推进距离均逐渐增大,即湿润体体积随入渗时间的增大而增大。每一处理下,在相同的入渗时间内,水平湿润锋推进距离均明显大于垂直湿润锋推进距离,这是因为试验所用的土壤为黏壤土,导致水分在水平方向运动较快,而在垂直方向运动较慢。进一步比较不同入渗水矿化度下湿润锋推进图可知,随着入渗水矿化度增大,水平湿润锋最大推进距离先减小后增大,垂直湿润锋最大推进距离先增大后减小。这可能由两方面的原因造成：一是因为采用微咸水滴灌提高了土壤的盐分浓度,促进土壤颗粒絮凝,使其形成团粒结构增大了土壤大孔隙,最终土壤渗透能力增强,水分垂直向下入渗能力增强而表层不易形成积水,因此水平方向湿润锋推进距离减小；二是因为随着入渗时间的延长,入渗水矿化度越高,进入到土壤中的钠离子含量越多,而钠离子的增多会导致土壤胶体分散度加大,影响团粒结构,使得土壤导水能力反而下降,造成水平方向更易积水,运动更快,垂直方向相对运动变慢(王全九等,2004；吴忠东等,2005,2007；肖振华等,1998)。在这两方面原因的共同作用下,导致入渗水矿化度小于3g/L时,矿化度越大,水平湿润锋越小,垂直湿润锋越大；入渗水矿化度大于3g/L时,矿化度越大,水平湿润锋越大,垂直湿润锋越小。

同时,对灌水结束时的湿润锋采用椭圆方程[式(3.4)]进行拟合,拟合结果见表3.5。由表3.5可知,湿润锋形状采用椭圆方程拟合时,拟合的决定系数在0.87以上,说明不同入渗水矿化度处理下湿润锋形状可采用椭圆方程描述。同时,随着矿化度增大,参数a先减小后增大,参数b先增大后减少,这是因为参数a为椭圆的长半径,即最大水平湿润锋推进距离,参数b为椭圆的短半径,即最大垂直湿润锋推进距离。

3.2.1.2　水平湿润锋和垂直湿润锋推进规律分析

图3.10不同入渗水矿化度条件下单点源入渗水平湿润锋和垂直湿润锋随时间变化图。由图3.10可知,随着入渗时间增大,水平湿润锋和垂直湿润锋均增大,但增大幅度逐渐减小。同一时间,随着入渗水矿化度增大,水平湿润锋最大推进距离先减小后增大,垂直湿润锋最大推进距离先增大后减小。采用乘幂函数[式(3.5)]对不同入渗水矿化度处理下湿润锋推进距离与时间的关系进行拟合,拟合结果见表3.6,其中决定系数最小为0.9564,说明不同处理下水平湿润锋推进距离和垂直湿润锋推进距离与时间符合乘幂关系。参数a表示第一个时刻末湿润锋推进距离,由表3.6可知,随着入渗水矿化度增大,水平湿润锋的参数a先减小后增大,垂直湿润锋的参数a先增大后减小。

3.2.2　入渗水矿化度对土壤水分运移规律的影响

3.2.2.1　入渗水矿化度对水平方向土壤含水率分布的影响

图3.11为不同入渗水矿化度条件下水平方向土壤含水率分布图。由图3.11可知,不同入渗水矿化度处理下土壤含水率沿水平方向变化趋势一致,均为随着水平距离增大,土壤含水率逐渐减少。但入渗水矿化度不同,土壤含水率分布的范围不同,入渗水矿化度为0g/L、1.7g/L、3g/L、4g/L、5g/L时土壤含水率在水平方向分布的范围分别为0～24cm、0～23cm、0～20cm、0～21cm和0～22cm,随着入渗水矿化度增大,水平方向分布的范围先减小后增大。

3.2.2.2　入渗水矿化度对垂直方向土壤含水率分布的影响

图3.12为不同入渗水矿化度条件下垂直方向土壤含水率分布图。由图3.12可知,不同入渗水矿化度处理下土壤含水率沿深度变化趋势一致,均为随着深度增大,土壤含水率逐渐减小。但入渗水矿化度不同,土壤含水率分布的范围不同,入渗水矿化度为0g/L、1.7g/L、3g/L、4g/L、5g/L时土壤含水率在垂向分布的范围分别为0～11cm、0～12cm、0～14.5cm、0～14cm和0～13cm,随着入渗水矿化度增大,垂向分布的范围先增大后减小。

3.2.2.3　入渗水矿化度对土壤含水率空间分布的影响

图3.13为不同入渗水矿化度条件下单点源入渗土壤含水率分布图。由图3.13可知,各处理下土壤含水率分布规律一致,土壤含水率均是以滴头为中心,向四周逐渐减小,呈1/4椭圆状分布,各处理对应的含水率值在滴头附近最大,距离滴头越远,含水率值越小。从图3.13中可以看出,入渗水矿化度不同,土壤含水率在水平方向和垂直方向分布的范围不同,水平方向,随着入渗水矿化度增大,含水率的分布范围先减小后增大,垂直方向,随着入渗水矿化度增大,含水率的分布范围先增大后减小。这是由入渗水矿化度和随水进入土壤的钠离子对土壤导水能力共同影响的结果。随着入渗水矿化度的增大,土壤溶液中盐分浓度逐渐增大,扩散双电子层向黏粒表面压缩,土壤颗粒之间的排斥力降低,增强了土壤胶体的絮凝作用,有助于形成团粒结构,增加了土壤大孔隙的比例使得其导水能力增加；而入渗水矿化度增大的同时,随水进入土壤的钠离子逐渐增多,导致胶体分散度加大,黏粒扩张明显,对土壤导水能力又产生抑制效果,这就表明当入渗水矿化度大于3g/L时,钠离子的作用大于矿化度的作用,反之入渗水矿化度小于3g/L时,钠离子的作用不显著。

3.2.3　入渗水矿化度对土壤盐分运移规律的影响

3.2.3.1　土壤盐分水平方向变化分析

图3.14为不同入渗水矿化度条件下水平方向土壤电导率分布图。由图3.14可知,不同入渗水矿化度处理下土壤电导率沿水平方向变化趋势一致,均为随着水平距离增大,土壤电导率先保持一个相对较小值,然后在湿润锋处急剧增大,超过湿润锋处土壤电导率又骤降至土壤初始电导率,这是因为盐分在土壤中主要依靠对流作用运移,盐分主要累积在湿润锋附近。由图3.14进一步分析可知,入渗水矿化度越高,土壤电导率越大,其中在水平方向0～12cm区域,入渗水矿化度为0g/L、1.7g/L时的土壤电导率比土壤初始电导率低,而入渗水矿化度为3g/L、4g/L、5g/L时的土壤电导率比土壤初始电导率高。这主要由两方面原因造成：一方面,盐随水动,水分向前运动可使盐分向湿润锋聚集,造成0～12cm区域盐分下降；另一方面,微咸水在入渗的同时也把盐分带入到土壤内,所以造成入渗水矿化度越高,土壤电导率也越高。

3.2.3.2　土壤盐分垂直方向变化分析

图3.15为不同入渗水矿化度条件下垂直方向土壤电导率分布图。由图3.15可知,不同入渗水矿化度处理下土壤电导率沿深度变化趋势一致,均为随着深度增大,土壤电导率先保持一个相对较小值,然后在湿润锋处急剧增大,超过湿润锋处土壤电导率又骤降至土壤初始电导率。当入渗水矿化度小于3g/L时,在0～4cm深度范围内出现不同程度的脱盐区,当入渗水矿化度大于3g/L时,土壤盐分均有所增加,且入渗水矿化度越大盐分含量越高。

3.2.3.3　土壤盐分空间分布分析

图3.16为不同入渗水矿化度条件下单点源入渗土壤电导率分布图。由图3.16可知,不同入渗水矿化度处理下,土壤电导率空间分布规律一致,即以滴头为中心,向四周依次可以分为低盐区、盐分累积区和盐分不变区。低盐区在滴头附近呈1/4椭圆状分布,入渗水矿化度越大,低盐区土壤电导率越小。盐分累积区分布在低盐区外侧,呈1/4椭圆带状分布,其原因是在土壤中盐随水动,盐分累积在水分运动的前锋,因此灌水结束时滴灌土壤盐分累积区与湿润前锋的分布一致。盐分不变区是盐分累积区外层土壤电导率没有变化的区域,这是因为滴灌时水分没有运动到该区域,所以土壤盐分也没有发生改变。