陳俊英，柴紅陽，Leionid Gillerman，劉 暢，蔡耀輝，張林

（1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，楊凌 712100；2. 本古里安大學(xué)Blaustein沙漠研究所，以色列思德博克 849902；3.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，楊凌 712100）

0 引 言

隨著中國農(nóng)業(yè)用水量的增加[1-2]，水資源短缺矛盾日益突出，因此用再生水（處理后的污水）灌溉是一種有效的節(jié)水途徑[3]。截止2016年底中國污水處理廠數(shù)量達(dá)4 700，是2014年的1.2倍，年處理污水量485.3億 m3[2]，是農(nóng)業(yè)用水的12.9%，預(yù)計(jì)到2030年，再生水回用率可達(dá)到20%[4]。目前，在美國、澳大利亞、以色列和俄羅斯等國已經(jīng)有很多成功的再生水利用經(jīng)驗(yàn)，再生水灌溉是農(nóng)田用水發(fā)展的重要方向，但同時(shí)又可能引起大面積土壤斥水性的發(fā)生[5-8]。因此，開展再生水灌溉對斥水和親水土壤水分運(yùn)動(dòng)特性的影響研究具有重要意義。

目前國內(nèi)外的研究主要集中在再生水對土壤入滲率[9-10]和導(dǎo)水能力[11-12]、土壤孔隙率和容重[13-15]、土壤水力參數(shù)[16-18]、土壤結(jié)構(gòu)[19-20]、土壤斥水性形成[5-8,21]、土壤pH值[22-23]以及對土壤鹽分[24-25]等方面的影響。研究普遍認(rèn)為：再生水中的大分子有機(jī)物質(zhì)、微生物、N、P等營養(yǎng)物質(zhì)，有利于土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成，從而改善了土壤入滲性能和導(dǎo)水性能[26-27]，然而過量 Na+、Cl-、金屬離子和鹽類，會(huì)使植物根部土壤聚集，形成板結(jié)，同時(shí)再生水中的有機(jī)質(zhì)、懸浮物和鹽分等成分，會(huì)在土壤孔隙中累積沉淀，并堵塞孔隙[13,28]，逐漸在土壤表層形成一層不透水層[13]，使得土壤密度增加、孔隙率減小[9,13]，而已經(jīng)結(jié)皮的土壤用再生水灌溉后，土壤的飽和水力傳導(dǎo)度和入滲速率會(huì)降低[10,29]。研究還發(fā)現(xiàn)，隨土壤中的黏粒含量增大,再生水對土壤孔隙、水力傳導(dǎo)度和入滲率的影響逐漸增大[30-31]。而長期采用再生水灌溉后，對土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)體和團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)等都有影響，進(jìn)而影響土壤水分的運(yùn)動(dòng)。土壤水分特征曲線（簡稱土-水曲線）是土壤吸力（能量）和含水率（數(shù)量）的關(guān)系曲線[32]，對研究土壤水分的有效性、溶質(zhì)運(yùn)移等具有重要作用。但是關(guān)于不同水質(zhì)再生水對斥水和親水土壤的土-水曲線、土壤水分常數(shù)、比水容量和土壤累積當(dāng)量孔徑分布等影響的研究較少。

本文以以色列的斥水和親水黏壤土及砂土為研究對象，用不同水質(zhì)測定其土壤水分特征曲線，分析水質(zhì)對黏壤土和砂土土壤水分特征曲線、比水容量、土壤累積當(dāng)量孔徑分布和土壤水分常數(shù)等的影響。研究可為大面積再生水灌溉及其管理提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤與預(yù)處理

本試驗(yàn)供試土壤取自以色列的基布茲 Beery（34°29′43.15″E， 31°25′14.06″N）的柚園和基布茲 Magen（34°24′19.45″E， 31°17′17.63″N）橙園表層 0～5 cm，以及 10～20 cm的土壤，土壤經(jīng)風(fēng)干后去雜，過 80目（2 mm）標(biāo)準(zhǔn)孔篩篩子，采用激光粒度儀（英國，馬爾文，MS2000型）測定其土壤粒徑組成，見表1?；计滲eery和基布茲Magen的果園均采用再生水進(jìn)行滴灌，截止取樣時(shí)已累計(jì)灌溉約20 a，由于采用再生水滴灌，采集的 0～5 cm土壤均有斥水性，基布茲 Beery和基布茲Magen的土壤斥水等級分別為中等斥水和嚴(yán)重斥水，10～20 cm的土壤沒有斥水性，即為親水土壤。土壤編號分別記為RL（repellent clay loam，斥水黏壤土）、RS（repellent sand，親水黏壤土）, WL（wattable clay loam，斥水砂土）和WS（wattable sand，親水砂土）。

表1 供試土壤的顆粒組成及質(zhì)地Table 1 Particle composition and soil texture of tested soils

1.2 再生水水質(zhì)取樣及測定

試驗(yàn)用水水樣取自某生活污水處理廠，取水位置為生活污水處理的不同處理方法處，即集水口、厭氧池、氧化池、沉淀池和再生水出水口，對照的自來水取自當(dāng)?shù)?，各水質(zhì)指標(biāo)見表2。

1.3 試驗(yàn)方法與測定內(nèi)容

以采樣地實(shí)測容重為參考，設(shè)定黏壤土和砂土的容重分別為1.30 和1.60 g/cm3，按設(shè)定容重將土樣分層裝入容積為100 cm3的環(huán)刀，然后將環(huán)刀置于選定的水中浸泡至飽和。土壤水分特征曲線采用高速恒溫冷凍離心機(jī)（日本，日立，CR21GⅡ型）測定，測定時(shí)機(jī)內(nèi)恒溫4 ℃。將飽和環(huán)刀樣品放入離心機(jī)裝置中，選定吸力（對應(yīng)的轉(zhuǎn)速、平衡的時(shí)間）分別為88.8（900 r/min、30 min）、316.6（1 700 r/min、45 min）、530.3（2 200 r/min、60 min）、859（2 800 r/min、60 min）、1 053（3 100 r/min、60 min）、3 018（5 300 r/min、90 min）、5 216（6 900 r/min、90 min）和7 189 cm（8 100 r/min、90 min）。每次離心結(jié)束后，采用 ES-3002H型電子天平稱取環(huán)刀質(zhì)量，土-水曲線測定結(jié)束后，將環(huán)刀烘干（105℃烘箱），根據(jù)土壤質(zhì)量含水率計(jì)算出樣品的體積含水率。試驗(yàn)時(shí)各處理均重復(fù) 4次（離心機(jī)每次只能測4個(gè)樣品，試驗(yàn)結(jié)果取4次重復(fù)的平均值）。

表2 水質(zhì)指標(biāo)Table 2 Water quality index

1.4 土壤水分特征曲線擬合和比水容量模型

土壤水分特征曲線擬合模型主要有 van Genuchten-Mualem模型、Brooks-Corey模型、雙重孔隙度（dualporosity）模型和對數(shù)正態(tài)（lognormal distribution）模型等，本文選取應(yīng)用最為廣泛的 van Genuchten-Mualem模型[33]。

式中θ(h)為土壤體積含水率，cm3/cm3； h為壓力水頭（負(fù)壓），cm；θs為土壤的飽和體積含水率，cm3/cm3；θr為土壤殘余體積含水率，cm3/cm3；α為與進(jìn)氣值有關(guān)的參數(shù)，cm-1；m、n為形狀參數(shù)，與土壤孔徑分布有關(guān)，m=1-1/n。

比水容量是指單位基質(zhì)勢變化引起土壤含水率的變化，即土壤水分特征曲線的斜率的倒數(shù)，其是分析土壤水分運(yùn)動(dòng)和保持的重要參數(shù)之一。因此對式（1）進(jìn)行求導(dǎo)，可以得出比水容量的計(jì)算公式（2）。

式中C(h)為比水容量，其余參數(shù)同上。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

文中試驗(yàn)數(shù)據(jù)均取 4次重復(fù)的平均值，采用 Excel 2010進(jìn)行函數(shù)計(jì)算，Origin8.0進(jìn)行圖表繪制，SPSS20.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

采用均方根誤差（root mean square error，RMSE）、和決定系數(shù)R2作為評價(jià)van Genuchten-Mualem模型擬合效果的指標(biāo)。

RMSE越小說明模型擬合效果越好；R2值越趨于 1表明模型擬合效果越好。

2 結(jié)果與分析

2.1 水質(zhì)的主成分分析及評價(jià)

參考已有的研究選用6個(gè)獨(dú)立水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行分析[21]，分別為pH值、COD、BOD、總氮、總堿度及電導(dǎo)率，用SPSS軟件對水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，提取出2個(gè)主成分，再根據(jù)其特征值的貢獻(xiàn)率建立綜合評價(jià)指標(biāo)，對 6種水質(zhì)進(jìn)行定量評價(jià)分析，并研究其對土壤水分特征曲線的影響。各水質(zhì)主成分綜合評價(jià)并排序編號結(jié)果見表3。水質(zhì)綜合指標(biāo)得分越低，水質(zhì)越好。

表3 各水質(zhì)綜合評價(jià)結(jié)果Table 3 Comprehensive evaluation results of water quality

2.2 水質(zhì)對土壤水分特征曲線的影響

圖 1為試驗(yàn)測得的不同水質(zhì)斥水黏壤土和砂土、親水黏壤土和砂土脫水土壤水分特征曲線?？梢钥闯?，對于親水黏壤土、斥水黏壤土、親水砂土和斥水砂土，在不同水質(zhì)條件下，隨著吸力增加，土壤含水率減??；在低吸力（s≤1 000 cm）范圍內(nèi)，土體通過大孔隙進(jìn)行排水，土壤含水率變化幅度較大；當(dāng)吸力較高（s＞1 000 cm）時(shí)，土壤只有較小的孔隙能保留水分，因此含水率隨吸力增加變化不明顯。

圖1 不同水質(zhì)的土壤水分特征曲線和擬合曲線Fig.1 Soil water characteristic curves and fitting curves of different treated waste water

從圖1a、1b可以看出，隨著水質(zhì)綜合指標(biāo)增大，即水質(zhì)變差，斥水和親水黏壤土的土-水曲線均明顯左移，即在相同基質(zhì)吸力情況下，土壤含水率隨著水質(zhì)綜合指標(biāo)增大而減小。這是因?yàn)殡S著水質(zhì)綜合指標(biāo)增大，水中含有有機(jī)質(zhì)、油脂等增加，使得水分更難以與土壤結(jié)合，因此在相同的吸力情況下，水質(zhì)綜合指標(biāo)越高，對應(yīng)的就脫水較多，其土壤含水率越低。同時(shí)從曲線變化形態(tài)看，水質(zhì)對斥水黏壤土的土-水曲線的影響比親水土壤的土-水曲線影響大，這是因?yàn)槌馑寥辣扔H水土壤對水分子排斥性大，所以相同吸力時(shí)親水黏壤土脫水比斥水黏壤土相對較少，其含水率比斥水土壤的小[34]。

從圖 1c、1d可以看出，各種水質(zhì)測得的砂土的土-水曲線在高吸力段幾乎重合；在低吸力段在隨著水質(zhì)綜合指標(biāo)增加，相同吸力情況下土壤含水率變小，但與黏壤土相比，水質(zhì)對砂土的土-水曲線影響不大，這個(gè)結(jié)論與陳俊英等[21]之前的研究一致，即水質(zhì)對斥水砂土的斥水持續(xù)時(shí)間影響不明顯。主要是因?yàn)樯巴恋酿ち：枯^少，而黏粒是影響土壤理化性質(zhì)最重要的參數(shù)，同時(shí)再生水中的表面活性劑、大分子有機(jī)物等因素主要是通過黏粒來影響土壤的相應(yīng)參數(shù)[35]。因此，本文著重分析黏壤土的土-水曲線van Genuchten-Mualem模型參數(shù)及再生水質(zhì)對黏壤土水分常數(shù)、比水容量和累積當(dāng)量孔徑分布的影響。

2.3 黏壤土土-水曲線的參數(shù)擬合

本文采用US Salinity Laboratory（美國鹽改中心）開發(fā)的RETC軟件計(jì)算擬合土-水曲線模型的參數(shù)，該軟件內(nèi)置了多種土-水曲線模型，本文采用 van Genuchten-Mualem模型，將實(shí)際測定的數(shù)據(jù)輸入軟件，然后擬合得到各處理下van Genuchten-Mualem模型參數(shù)見表4，擬合曲線見圖1，由于砂土各處理之間土-水曲線的差異不大，擬合曲線幾乎重合，故未畫出擬合曲線。同時(shí)對擬合參數(shù)進(jìn)行方差分析，分析結(jié)果見下表。

表4 土壤水分特征曲線van Genuchten-Mualem模型擬合參數(shù)Table 4 Soil moisture characteristic curve parameters of van Genuchten-Mualem model

從表 4可以看出，對斥水和親水黏壤土而言，各水質(zhì)條件下的殘余含水率、飽和含水率沒有顯著差異，原因是殘余含水率是土壤水分特征曲線導(dǎo)數(shù)為 0時(shí)的土壤含水率，飽和含水率近似等于吸力為0時(shí)的土壤含水率，雖然水質(zhì)不同，但是測試的土壤是一樣的，且容重相同。但各處理的參數(shù)α值差異顯著。

當(dāng)壓力水頭接近無窮大時(shí) α可近似視作進(jìn)氣壓力的倒數(shù)，即參數(shù) α值的倒數(shù)可以近似表示土壤進(jìn)氣值（air entry value ，AEV），即空氣開始進(jìn)入土體邊界的土顆粒或顆粒集合體的孔隙時(shí)所對應(yīng)基質(zhì)吸力值[32]。分析進(jìn)氣值Sa（令Sa=1/α）與水質(zhì)綜合指標(biāo)ZF的關(guān)系見圖2。

從圖 2可以看出對于斥水和親水黏壤土，進(jìn)氣值與水質(zhì)綜合指標(biāo)呈負(fù)線性相關(guān)（R2分別為0.94和0.78），隨著水質(zhì)綜合指標(biāo)增加，土壤顆粒與水之間的吸引力減小，空氣則更易進(jìn)入，相應(yīng)的進(jìn)氣值就減??；同時(shí)還可以看出，再生水水質(zhì)條件的影響下，斥水土壤的進(jìn)氣值明顯小于親水土壤的，主要是因?yàn)槌馑寥缹λ奈搅Ρ扔H水土壤小，因此在較小的吸力條件下就開始失水[36]。

圖2 水質(zhì)綜合指標(biāo)與土壤進(jìn)氣值（Sa）的關(guān)系Fig.2 Relationship between comprehensive water quality index (ZF) and air entry value (Sa)

2.4 水質(zhì)對黏壤土累積當(dāng)量孔徑分布的影響

通過黏壤土土壤水分特征曲線 van Genuchten-Mualem模型的各參數(shù)，分別計(jì)算出黏壤土在各水質(zhì)條件下的當(dāng)量孔徑分布及累積當(dāng)量孔徑分布圖（圖3）。

圖3 不同水質(zhì)黏壤土累積當(dāng)量孔徑分布Fig.3 Accumulation equivalent pore size distribution of clayey loams with different water quality

參考土壤學(xué)百科全書[37]中對土壤孔隙的分段，將當(dāng)量孔徑分為極微孔隙（<0.3 μm）、微孔隙（≥0.3～5 μm）、小孔隙（≥5～30 μm）、中等孔隙（≥30～75 μm）、大孔隙（≥75～100 μm）、土壤空隙（≥100 μm）6個(gè)孔徑段。從圖 3可以看出，隨著水質(zhì)綜合指標(biāo)增加，黏壤土的極微孔隙減少，中等孔隙和大孔隙增加，正好驗(yàn)證了在低吸力時(shí)，隨著水質(zhì)綜合指標(biāo)增加，土壤含水率減小；微孔隙和小孔隙在各水質(zhì)之間差異不明顯；同時(shí)還可以看出小于某當(dāng)量孔徑的累積百分比隨水質(zhì)綜合指標(biāo)增加而增加，這是因?yàn)殡S著水質(zhì)綜合指標(biāo)越大，水中的有機(jī)質(zhì)、油脂等含量越多，且有機(jī)質(zhì)和油脂較難與土壤顆粒結(jié)合，相當(dāng)于在土粒表面有一層膜，使得水分難以儲(chǔ)存，其當(dāng)量孔徑則增加，因此其累積當(dāng)量孔隙百分比也就增加，這也與 Wang 等[15]、Halliwell 等[20]和 Gon?alves 等[38]的研究結(jié)果一致。

2.5 水質(zhì)對黏壤土比水容量的影響

根據(jù)擬合得出的van Genuchten-Mualem模型參數(shù)，按式（2）計(jì)算得到黏壤土在不同水質(zhì)處理時(shí)的比水容量隨吸力變化趨勢圖（圖 4）。可以看出，在低吸力段，自來水的比水容量曲線在其他水質(zhì)處理的下方，水質(zhì)綜合指標(biāo)高的比水容量曲線均在水質(zhì)綜合指標(biāo)低的上方。這是因?yàn)樗|(zhì)綜合指標(biāo)的增加使得水分與土壤顆粒難以結(jié)合，在相同吸力時(shí)，排出的水量增加，引起的含水率變化大，因此比水容量也隨之增大，這也與圖1a、1b的結(jié)論相吻合。

圖4 不同水質(zhì)黏壤土比水容量關(guān)系Fig.4 Relationship between specific water capacity and water suction of clay loam under different treated waste water

由圖 4可以看出，各水質(zhì)處理?xiàng)l件下的比水容量隨吸力增大而減小，曲線隨吸力增加逐漸由緩變?yōu)槎钢保@是因?yàn)橥寥赖乃种饕嬖谟诖笮〔灰坏目紫吨?，隨著吸力增大，水分先從較大的孔隙排出，再從較小的孔隙排出。較大的孔隙毛管勢較小，這些孔隙中的水分在較小的吸力下就能排出，同時(shí)較大的孔隙，其空間較大，因此在持水的情況下，儲(chǔ)存的水分相對較多，相應(yīng)的在吸力增加不多的情況下也能排出較多的水分，引起較大的含水率變化，因此在吸力較小時(shí)，比水容量較大，且其隨吸力變化較快，因此在低吸力段比水容量曲線平緩。在高吸力段，水分由小孔隙進(jìn)行排水，小孔隙的空間較小，儲(chǔ)存的水分相對較小，隨吸力的增加只能排出較少的水分，含水率的變化不大，比水容量曲線呈陡直狀；當(dāng)吸力繼續(xù)增加，比水容量逐漸穩(wěn)定，其值接近于0，因此各處理的比水容量曲線幾乎重合。

2.6 水質(zhì)對黏壤土水分常數(shù)的影響

通過黏壤土土壤水分特征曲線參數(shù)，分別計(jì)算出田間持水率、凋萎系數(shù)、重力水、有效水、易利用水、無效水及易利用水比例。具體含義為：吸力為 0.2×105Pa時(shí)含水率為田間持水率，吸力為15×105Pa時(shí)的含水率為凋萎系數(shù)，飽和含水率與田間持水率的差為重力水，田間持水率與凋萎系數(shù)的差為有效水，田間持水率與毛管斷裂持水量之差為易利用水，約為65%的田間持水率，易利用水占飽和含水率的比值即為易利用水比例，無效水是指凋萎系數(shù)以下的水，是易利用水與飽和含水率的比值即為易利用水比例。從表5可以看出對于黏壤土，隨水質(zhì)綜合指標(biāo)增加，田間持水率和凋萎系數(shù)減??；水質(zhì)綜合指標(biāo)增加，水中的有機(jī)物、油脂很難在土壤毛管中懸著，因此其土壤毛管懸著水量的最大值隨水質(zhì)綜合指標(biāo)增加而降低，其多余的水分在重力作用下將沿著非毛管孔隙下滲，導(dǎo)致土壤重力水隨水質(zhì)綜合指標(biāo)增大而增加；同時(shí)可以看出，在自來水和再生水條件下，斥水土壤的相應(yīng)土壤水分特征參數(shù)值均小于親水土壤，這也與之前的研究結(jié)果相一致[34]，不過其研究中采用自來水，而本文基于不同水質(zhì)。同時(shí)從表 5還可看出，有效水、無效水、易利用水和易利用比例水隨著水質(zhì)綜合指標(biāo)的增加而減小，但對于再生水（即表3出口水），其田間持水率、易利用水比例降低不顯著（P<0.05），斥水黏壤土降低4.8%，親水黏壤土降低2.6%，說明再生水入滲對土壤保水性的影響較小，灌溉后基本可以滿足作物吸收的需要。

表5 不同處理?xiàng)l件下黏壤土土壤水分常數(shù)值Table 5 Soil moisture parameters of clay loam under different treatments

3 結(jié) 論

1）隨著水質(zhì)綜合指標(biāo)的增加，斥水和親水黏壤土的土-水曲線均明顯向左推移，相同基質(zhì)吸力條件下的含水率減小，水質(zhì)對斥水黏壤土的土水曲線影響大于親水黏壤土；水質(zhì)對斥水和親水砂土土-水曲線影響不顯著。

2）對于斥水和親水黏壤土，不同水質(zhì)之間的飽和含水率和殘余含水率沒有顯著差異，但進(jìn)氣值倒數(shù)的近似值 α值差異顯著，土壤進(jìn)氣值與水質(zhì)綜合指標(biāo)呈線性負(fù)相關(guān)（R2分別為0.94和0.78）；在相同水質(zhì)條件下，斥水土壤的進(jìn)氣值小于親水土壤。

3）在低吸力段，水質(zhì)綜合指標(biāo)高的比水容量曲線均在水質(zhì)綜合指標(biāo)低的上方，即水質(zhì)綜合指標(biāo)高的引起含水率變高，在高吸力段，各水質(zhì)的比水容量曲線幾乎重合，其值較小，接近于0。

4）隨著水質(zhì)綜合指標(biāo)的增加，斥水和親水黏壤土的極微孔隙降低、中等孔隙和大孔隙增加，微孔隙和小孔隙在各水質(zhì)之間差異不明顯；小于某當(dāng)量孔徑的累積百分比隨水質(zhì)綜合指標(biāo)增加而增加。

5）對于斥水和親水黏壤土，隨著水質(zhì)綜合指標(biāo)的增加，田間持水率、凋萎系數(shù)、有效水、無效水和易利用水均減小，但再生水的田間持水率、易利用水比例降低不顯著，說明其對土壤保水性的影響較小，灌溉后基本可以滿足作物吸收的需要。

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