王 震　賈永剛,2　連勝利

(1.中國海洋大學 海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點實驗室， 山東　青島　266100；

2.中國海洋大學　環(huán)境巖土工程研究所， 山東　青島　266100)

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不同礦化度水淋洗對鹽堿土電阻率及水鹽運移的影響試驗*

王 震1賈永剛1,2連勝利1

(1.中國海洋大學 海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點實驗室， 山東青島266100；

2.中國海洋大學環(huán)境巖土工程研究所， 山東青島266100)

摘要：為了了解各種礦化度水質(zhì)淋洗鹽漬土后土體電阻率的變化和水鹽運移規(guī)律，利用濱海鹽漬土完成室內(nèi)試驗，通過自主研發(fā)改進型高密度電阻率探桿監(jiān)測系統(tǒng)調(diào)控不同礦化度淋洗水質(zhì)、時間、含水率變化三個因素，分別研究了不同礦化度水質(zhì)淋洗后表層(0~10 cm)土壤電阻率隨含水率和時間的變化，以及礦化度對土壤水分運移速率的影響，并獲得土體水鹽運移的一般規(guī)律。試驗結(jié)果表明：不同礦化度水質(zhì)淋洗后，隨含水率的增加，電阻率均降低，礦化度越高，電阻率總體值越低。不同礦化度水質(zhì)淋洗后，對土壤表層電阻率隨含水率的變化進行擬合，得到均符合指數(shù)函數(shù)的衰減規(guī)律。淋洗后，土壤表層電阻率隨時間推移表現(xiàn)出增大的現(xiàn)象。淋洗水質(zhì)礦化度越高，水鹽運移速率越大。不同礦化度水質(zhì)淋洗后，土體垂向上表現(xiàn)出鹽分重新分布的變化規(guī)律，表現(xiàn)為土壤電阻率隨著深度增大而逐漸減小的趨勢。

關鍵詞：淋洗；礦化度；電阻率；含水率；水鹽運移

0前言

由于全世界幾乎各個國家都面臨干旱及淡水資源匱乏的問題，轉(zhuǎn)化咸水(劣質(zhì)水)已經(jīng)證明是十分可行的方案，因而國內(nèi)外學者對微咸水、咸水灌溉，淋洗鹽漬土等方面進行了大量的研究工作。

Feigen[1]研究說明在灌溉水質(zhì)中,土壤中交換性鈉百分率和電導率的變化是含鹽量變化對土壤的主要影響。Padole和Bhalkar[2]的黏性土壤實驗顯示: 土壤鈉吸附比和灌水鈉吸附比、土壤電導率和灌水電導率呈正相關關系。Triantafilis[3]等在新南威爾士北部的山地進行試驗研究，分別用電導率為0.4、1.4、4.0、9.0 ds/m的微咸水、咸水澆灌土壤，實驗證明灌溉1.4 ds/m電阻率的微咸水并沒有危害農(nóng)業(yè)生產(chǎn)；而4.0、9.0 ds/m的咸水則產(chǎn)生了不容忽視的的副作用。Zartman和Gichuru[4]在佛羅里達州研究了砂質(zhì)石灰性鹽漬土及實施咸水灌溉前后理化性質(zhì)的變化，4年的咸水灌溉，前后對土壤溶液進行化驗,其電導率由灌溉之前的0.4 ds/m增長到現(xiàn)在的6.0 ds/m , 土壤導水率下降顯著，同時持水曲線與土壤容重變化不大。Al-Busaidi等[5]進行室內(nèi)試驗，研究了咸水灌溉和淋洗對土壤鹽分的影響，結(jié)果表明淋洗越充分越能降低土壤含鹽量，并增加土壤含水率，同時發(fā)現(xiàn)灌溉水量和水質(zhì)決定了土壤中含鹽量的重新分布。

國內(nèi)在這方面的研究起步較晚，馬東豪等[6]用室內(nèi)垂直入滲試驗的方法，證明了脫鹽深度隨入滲水量變大而呈現(xiàn)冪函數(shù)增長,而土壤初始含水量和入滲水礦化度的變大導致脫鹽深度的降低。郭太龍等[7]分析了入滲水礦化度對入滲過程的影響，分析了鹽分的分布特征，建立入滲水礦化度和土壤總鹽量之間的數(shù)學模型，總結(jié)了土壤剖面的鹽分運移規(guī)律。王艷[8]利用土壤電導率的變化模擬了不同礦化度水入滲過程中土壤鹽分變化。李彬[9]分析了吉林省大安市蘇打堿土含鹽量與電導率的關系，結(jié)果表明，土壤含鹽量與電導率之間具有良好的線性相關性。李玲[10]通過控制變量法進行了電阻率測試的室內(nèi)試驗，得到含鹽量與飽和度變化影響電阻率變化的經(jīng)驗公式。然而國內(nèi)對微咸水、咸水的研究目前尚處于探索階段，對土壤電阻率表征水鹽運移方面的研究也比較缺乏，研究成果基本未普遍推廣應用。

國內(nèi)外研究表明了解鹽漬土的水鹽運移規(guī)律對于指導農(nóng)業(yè)發(fā)展意義重大，而灌溉、淋洗條件是影響水鹽分布的重要因素，并且土壤電阻率的變化一定程度上也可以反映該物理過程。目前，學者對淋洗過程中土壤含鹽量、入滲量、含水量、離子變化特征等進行了探討，但對微咸水、咸水等不同水質(zhì)淋洗后，土壤電阻率與含水率之間的關系以及作物根系生長土壤表層含鹽量變化的研究較少?；趪?63計劃“風暴過程中海底沉積物再懸浮通量原位監(jiān)測技術”自主研發(fā)的改進型高密度電阻率探針監(jiān)測系統(tǒng)，結(jié)合土柱試驗，本文探討了不同礦化度水質(zhì)淋洗后土壤電阻率、含水率及水鹽運移的空間變化規(guī)律和影響因素。

1材料與方法

1.1試驗材料

1.1.1供試土樣

供試土樣取自黃河三角洲海港潮灘，土壤經(jīng)風干、碾壓、過篩(2 mm)后測定其相關的物理化學特性。土壤顆粒組成的測定采用篩分法和吸管法，測定結(jié)果如表1所示，經(jīng)分析土壤質(zhì)地為粉質(zhì)土。按照水土比5:1進行浸提，測得土樣鹽分離子組成和初始含鹽量見表2，根據(jù)鹽堿土分類標準判斷，屬于氯鹽類鹽土。

表1　供試土壤的顆粒組成

表2　供試土壤鹽分組成

1.1.2供試水質(zhì)

試驗所用淋洗水質(zhì)是用化學試劑配置而成，分別配置了礦化度1、2、3、4.5 g/L試驗水質(zhì)、各離子具體含量如表3所示。

表3　淋洗水礦化度、離子組成

1.1.3試驗儀器及裝置

(1) 試驗儀器：分析天平、2 mm篩、鋁盒、烘箱、燒杯、量筒、密度計、秒表、離子色譜儀(ISC-900)、其它實驗室常用玻璃儀器。

(2) 土柱裝置：直徑16 cm、高40 cm的硬質(zhì)PVC管。管底由下至上鋪設粒徑由大變小的厚砂石5 cm作為反濾層。在管側(cè)面10 cm以下，為了便于取樣用于分析，每隔5 cm開一直徑為10 mm的圓形取樣口。

(3) 電阻率監(jiān)測系統(tǒng)：主要包括3個區(qū)域：上位機軟件、下位機硬件、電阻率傳感器[11]，其總體結(jié)構框架和實物如圖1所示。

圖1　電阻率監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構框架和實物

1) 電阻率傳感器：可分為測量和控制兩部分。電阻率探桿遵循wenner原理，采用環(huán)形電極同軸等間距布設，從下往上A、M、N、B為4個電極銅環(huán)，組成一個wenner組合；當通電采集第一輪數(shù)據(jù)時，A和B為供電電極，M和N為測量電極，因此得到M和N中點位置電阻率值，以此類推，4個電極分別往上移一個電極，得到下一測量位置電阻率值；直到整個探桿上的電極組合完全采到數(shù)據(jù)后，第一輪工作結(jié)束。設置采集間隔時間，接著進行第二輪數(shù)據(jù)采集，以此實現(xiàn)對鹽漬土在垂直方向上不同時空水鹽運移的遠程原位動態(tài)監(jiān)測。并通過排線與下位機實現(xiàn)簡單可靠的連接。

2) 下位機硬件：下位機硬件設備包括GPRS模塊、采集控制芯片和自容存儲器。由采集控制芯片負責調(diào)控傳感器，同時將采集的數(shù)據(jù)在自容存儲器進行記錄并且通過GPRS模塊將數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)缴衔粰C。

3) 上位機軟件：負責處理解碼實時接收數(shù)據(jù)，實時繪制出電阻率曲線波動圖。

1.2試驗方法

首先將厚砂石反濾層填到土柱底部5 cm高度，隨后將電阻率探桿垂直放入土柱中心位置。接著將供試土樣填裝到土柱高度35 cm，并壓實以保證土樣的各向均質(zhì)性。土柱上方留有5 cm左右水頭，淹沒電阻率探桿電極環(huán)數(shù)30個，試驗裝置分為4組。向土柱上方澆灌蒸餾水，使得土壤水分含量近似達到田間持水狀態(tài)。分別用礦化度為1、2、3、4.5 g/L的水質(zhì)，從土柱上方淋洗，在試驗過程中觀察并記錄水質(zhì)到達每一個取樣口處所用的時間變化。直到土柱底部有淋溶液滲出，停止淋洗，并吸干表層積水。淋洗后，隨著時間的推移，當探桿電極環(huán)20~30個(表層0~10 cm處)監(jiān)測到的電阻率平均值發(fā)生變化時，取表層(0~10 cm)少量土樣進行含水率的測定，并記錄表層電阻率平均值和此刻時間變化。

1.3數(shù)據(jù)分析

計算淋洗后表層(0~10 cm)變化的電阻率平均值和相對應的表層(0~10 cm)含水率以及時間變化，并記錄水質(zhì)到達每一個取樣口處的時間。利用Origin 8.0對表層電阻率平均值與含水率、時間變化、以及整個土柱剖面電阻率隨時間的變化作圖分析，同時對淋洗歷時與土壤深度作有關分析。

2結(jié)果與分析

2.1土壤表層電阻率隨含水率的變化

在一定濃度范圍內(nèi)土壤溶液中，電導率和含鹽量呈正相關，溶液的滲透壓隨含鹽量的升高而升高，而且電導率隨滲透壓的增大而增大,反之亦然。由此可得，通過土壤溶液的電導率數(shù)據(jù)可以推算出土壤含鹽量，特別是當幾類鹽之間的比值不變時，通過土壤溶液電導率值計算總鹽分濃度是近乎沒有誤差的[12]。而電阻率是表征物質(zhì)導電性的基本參數(shù)，導電性越好的物質(zhì)電阻率值越低，反之，導電性越差的物質(zhì)電阻率越高，所以電阻率與電導率呈負相關關系，所以本文用電阻率表征土壤含鹽量的變化。而土壤表層0~10 cm處的鹽分變化將直接對作物根系吸收養(yǎng)分產(chǎn)生作用，所以對土壤表層電阻率進行研究意義重大。土壤表層平均電阻率與含水率的關系如圖2所示。

圖2　不同礦化度水淋洗后表層電阻率平均值隨含水率的變化

由圖2可知：1 g/L水質(zhì)淋洗后，當含水率<22%時，土壤將非常干燥，沒有形成連續(xù)的土壤孔隙水通道，基本測不到電流通過，所以電阻率很大。含水率在22%～26%之間時，電阻率從將近5Ω·m迅速下降到2Ω·m左右，這就是所謂的“過渡階段”[13~14]，即當含水率達到一定范圍內(nèi)時，土體形成較連續(xù)的孔隙水通道，電阻率下降很快。顧名思義, 鹽漬土含有大量鹽分, 而且一旦含水率上升，鹽分溶解迅速，土壤溶液導電能力也迅速增強，導致了鹽漬土“過渡階段”范圍較窄。含水率>26%時，電阻率變化幅度減小，基本保持穩(wěn)定不變。對1 g/L水質(zhì)淋洗后，土壤電阻率與含水率進行擬合，得出了擬合公式：y=2.1+1.07e-118.1x，R2=0.984，即電阻率隨含水率增加而變化的規(guī)律符合指數(shù)函數(shù)衰減。分別對2、3、4.5 g/L不同礦化度水淋洗后，土壤表層電阻率隨含水率的變化進行擬合，如圖2中所示，其衰減趨勢基本相同，并也符合指數(shù)函數(shù)衰減。但高礦化度水淋洗后土壤電阻率波動幅度振幅比較小，總體值也小一些，低礦化度時電阻率總體值偏高，易產(chǎn)生突變。由此可見4種水質(zhì)淋洗后，土壤電阻率隨含水率的變化趨勢基本相同，也反映出了鹽分和水分的共同作用。

2.2土壤表層電阻率隨時間的變化

由于不同礦化度水質(zhì)含有各種成分復雜的鹽分離子，當這些離子進入土壤后，會與土壤顆粒表面的膠體及原有的化學成分發(fā)生一系列物理化學反應，致使土壤結(jié)構和土壤孔隙發(fā)生變化[15]，其電阻率也隨之發(fā)生變化。因此隨著時間的推移，土壤表層(0~10 cm)鹽分離子含量發(fā)生變化，因而導致其電阻率發(fā)生相應變化，詳見圖3。

圖3　不同礦化度水淋洗后表層電阻率隨時間的變化

總體來說，淋洗后，表層電阻率隨著時間的推移，表現(xiàn)出增大的結(jié)果。這種現(xiàn)象主要除了體現(xiàn)在含水率方面外，也體現(xiàn)在離子含量方面。不同礦化度水淋洗處理后土壤鹽分含量均下降，土壤中主要鹽分離子Na+、Cl-含量降低，游離態(tài)離子減少，電導率減小，電阻率增大。1 g/L礦化度水質(zhì)導致電阻率增大速率明顯高于其它水質(zhì)，主要是因為1 g/L水質(zhì)鹽分離子含量本來就少，加之淋洗掉土壤中的鹽分離子，所以造成電阻率速率變化快。為了更好的了解電阻率的變化趨勢，可建立電阻率與時間的變化關系式，判定系數(shù)較高。根據(jù)擬合出的不同水質(zhì)淋洗后的土壤電阻率與時間的指數(shù)函數(shù)相關關系，可推算出以下經(jīng)驗公式：

y = A1·exp(-x/t1) + y0

式中：y為電阻率，x為時間，A1、y0為常數(shù)，擬合結(jié)果如表3所示。

表3　不同水質(zhì)淋洗條件下電阻率隨時間變化參數(shù)確定

2.3土壤水鹽運移受礦化度的影響

2.3.1對運移速率的影響

不同礦化度水在淋洗過程中到達土柱底部所用時間、淋洗速率等都有所差異[16]，如圖4所示。高礦化度運移速率要明顯高于低礦化度運移速率，1、2、3、4.5 g/L礦化度水運移到土柱底部所需時間分別為179、151、142、134 min。因此運移到相同深度礦化度愈高，所用時間越少。產(chǎn)生這種規(guī)律是因為伴隨淋洗水礦化度的變大，土壤鹽分濃度升高，擴散雙電子層朝黏粒表面擠壓，減弱了土壤顆粒相互之間的排斥力，從而顆粒間絮凝作用加強，團聚性增強, 土壤結(jié)構更穩(wěn)固，進而土壤中大孔隙變多，增強了土壤的導水能力，運移速率變快[17]。

圖4　不同礦化度水淋洗歷時與土壤深度的變化

2.3.2淋洗后土壤鹽分隨時間的變化特征

由于4種礦化度水質(zhì)的鹽分濃度和各離子含量的差異，淋洗后會引起土壤剖面不同程度的鹽分積累。但水分的運動導致土壤鹽分遷移，特別對于鹽堿土，增大淋洗量，上層土壤脫鹽，下層積鹽。然而淋洗過程中，由于不同土壤深度導致不同的脫鹽程度，最終導致了電阻率不同深度的差異，并且不同礦化度淋洗后土壤電阻率隨時間的變化也不一樣。圖5中的(1)、(2)、(3)、(4)分別代表1、2、3、4.5 g/L水質(zhì)淋洗后土壤剖面電阻率隨時間的變化過程。

如圖5，對于整個土壤剖面，表層土壤含鹽量較少，中間層(10~20 cm)鹽分向下運移，并累積在底部。不同礦化度水淋洗過程中及淋洗后，不同土壤深度含鹽量隨著淋洗水礦化度的增加明顯增大。當1 g/L水質(zhì)第一天淋洗過程中，水分帶走表層土壤中的鹽分，造成上層電阻率增大，而后下層土壤中的鹽分和上層水分帶來的鹽分加上水質(zhì)自身的鹽分造成電阻率減小。因此，在土體剖面電阻率上，表現(xiàn)為從1.8Ω.m逐漸減小到0.15Ω.m。由于此階段鹽分積累和運移是同時發(fā)生的，所以在圖中并沒有形成所謂的“鹽峰”現(xiàn)象[18-19]，而只是一條光滑的曲線，所以利用本套監(jiān)測系統(tǒng)更能夠直接觀測到土壤水鹽運移的變化情況。淋洗后第2天至第9天土體電阻率總體變化是隨深度增大而減小。雖然在土體水鹽運移過程中，有含水率、土壤性質(zhì)、顆粒結(jié)構、淋洗水質(zhì)等影響，導致個別土體深度處電阻率值有起伏，但不影響水鹽運移總的變化趨勢。對于2 g/L、3 g/L、4.5 g/L不同礦化度水質(zhì)淋洗過程及淋洗后也表現(xiàn)出了相同的變化規(guī)律。

將土壤深度分為表層(0~10 cm)、中間層(10~20 cm)、底層(20~30 cm)3部分。不同礦化度水淋洗后，表層和底層之間電阻率表現(xiàn)出了不同的變化特征，中間層電阻率變化基本相同。從圖5中能夠看到表層電阻率變化幅度隨著礦化度的增大而減小，造成這一現(xiàn)象的主要原因是不同礦化度水質(zhì)含鹽量不一樣，導致電阻率變化也不一樣。根據(jù)中間層的電阻率變化曲線，4種水質(zhì)淋洗后電阻率變化基本是隨著時間變化從表層至底層減小，所以土壤在淋洗完成后，鹽分也在水分重力作用下與水分共同往下運移，導致鹽分在中間層分布基本一致，只是運移快慢有所不同。底層電阻率曲線在25~30 cm左右發(fā)生拐點，電阻率隨深度增大不再減小，而是基本保持不變，個別電阻率點略微增大。主要是因為土柱底部鋪設的厚砂石反濾層減緩了水分下移速率，導致水分在反濾層上方積累，因而降低了土壤鹽分濃度，導致電阻率在25 cm以下基本不變甚至增大。因此通過利用本套監(jiān)測裝置能夠觀察到在淋洗過程中及之后各個時刻各個深度土柱電阻率數(shù)值，可以分析得到淋洗后水鹽運移規(guī)律, 提供了水鹽運移特征分析的有效方法。

圖5　不同礦化度水淋洗后土壤剖面電阻率變化曲線

3結(jié)論

(1) 不同礦化度水淋洗后，表層土壤電阻率隨含水率增加而變化的規(guī)律均符合指數(shù)函數(shù)形式衰減，但高礦化度水淋洗后, 表層土壤的電阻率總體值比較小，變化幅度不大，低礦化度時總體值高一些，容易產(chǎn)生突變。

(2) 不同礦化度水淋洗后，表層土壤電阻率隨時間變化的規(guī)律均符合指數(shù)函數(shù)形式增大。

(3) 不同礦化度淋洗水運移相同的深度，高礦化度淋洗水運移速率高于低礦化度。

(4) 4種礦化度水淋洗后，土壤整個剖面電阻率均表現(xiàn)出了相同的變化規(guī)律，即隨著土壤深度增大而逐漸減??；土壤表層、中間層和底層也表現(xiàn)出了規(guī)律性的變化，表層和底層電阻率變化幅度隨著淋洗水礦化度的增大而減小，四種水質(zhì)淋洗后中間層電阻率變化基本是隨著時間變化從表層至底層減小。

(5) 本套電阻率監(jiān)測裝置在觀察水鹽運移過程中有效、可行，為鹽漬化過程中的水鹽運移特征分析提供了一種簡單、可靠的手段。

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Experimental study on saline surface resistivity and salt transport affected by mineralization degree of leaching water

Wang Zhen1，Jia Yonggang1,2，Lian Shengli1

(1. Key Laboratory of Marine Environmental Science and Ecology, Ministry of EducationOcean University of China;2. Institute of Geo Environmental Engineering, Ocean University of China,Qingdao 266100, China)

Abstract:To better understand the changes of resistivity of saline soil and salt migration characteristics leached by the water with different mineralization degree, in this study we took inshore saline soil for laboratory test, and used the self-made modified resistivity monitoring system to control the three trial factors: mineralization degree of leaching water, water content of soil, and leaching time, to study the change of resistivity of surface layer (0~10cm), and the general rules of water and salt migration in the soil. The experimental results proved that: with the increase of water content, the resistivity decreased; the higher the salinity, the lower the overall value of resistivity. In the surface layer of soil, the resistivity declined in an exponential function to water content, and increased with time prolonged. The higher the mineralization degree of leaching water, the higher migration rate for water and salt in the surface soil. The soil would have a new salinity distribution along the vertical section after leached, which were reflected as the resistivity decrease with the increasing depth.

Keywords:leaching; mineralization degree; resistivity; water content; water and salt migration

中圖分類號：X53

文獻標志碼：A

作者簡介：王震，男，1989年生，碩士研究生，研究方向：環(huán)境巖土工程。E-mail:1041751061@qq.com

收稿日期：2015-07-06；2015-08-16修回

* 國家863計劃“風暴過程中海底沉積物再懸浮通量原位監(jiān)測技術”(編號SQ2007AA09Z135267)