盛 豐，張 敏 ，薛如霞 ，胡國華，諶宏偉，危潤初

（1.長沙理工大學(xué) 水利工程學(xué)院，湖南 長沙 410114；2.水沙科學(xué)與水災(zāi)害防治湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410114；3.洞庭湖水環(huán)境治理與生態(tài)修復(fù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410114）

1 研究背景

在全球淡水資源緊缺、工業(yè)和生活用水不斷擠占農(nóng)業(yè)灌溉水資源的今天，再生水和微咸水等非常規(guī)灌溉水資源受到了國內(nèi)外許多學(xué)者的關(guān)注。再生水是指生活污水及工業(yè)廢水通過處理達(dá)到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)后，用以滿足某種特殊要求的非飲用水［1］。再生水雖經(jīng)二級處理，但水中的含鹽量仍高達(dá)3g/L甚至更高［2］。用于灌溉的微咸水通常是指礦化度為2～5 g/L的地表水或地下水［3］。這些鹽分隨著再生水灌溉或微咸水灌溉進(jìn)入到受灌農(nóng)田土壤中后將引起土壤鹽堿化，進(jìn)而引起土壤結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的改變。而土壤作為灌溉水在其中輸移的介質(zhì)，其結(jié)構(gòu)性質(zhì)的變化也將引起入滲水流運(yùn)動特征的改變。

大量研究表明，只要入滲水穿過土壤中的滲透區(qū)域就會有優(yōu)先流出現(xiàn)［4］。土壤優(yōu)先流是指水和溶質(zhì)在多種因素的共同影響下，沿著特定的孔隙路徑向下遷移并產(chǎn)生非均勻和非穩(wěn)定的流動現(xiàn)象，即土壤濕潤鋒的發(fā)展速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過基質(zhì)區(qū)水流的流動速度，是速度上的占優(yōu)，而非水量占優(yōu)［5-7］。灌溉水及水中的物質(zhì)進(jìn)入農(nóng)田中后沿著優(yōu)先流通道在局部土壤中快速運(yùn)動，縮短了水在土壤中的停留時間，減少了土壤顆粒與有機(jī)質(zhì)以及土壤微生物對灌溉水中鹽分和養(yǎng)分的吸附、截留和降解，從而增大了農(nóng)業(yè)灌溉資源的滲漏損失，并增大了地下水的污染風(fēng)險(xiǎn)［8-10］。而水流作為物質(zhì)輸移的媒介，其流動特征的改變又將加劇土壤結(jié)構(gòu)性質(zhì)變化的不確定性，從而增大農(nóng)田灌溉管理難度和污染風(fēng)險(xiǎn)管控難度。

長期以來，對再生水和微咸水農(nóng)田灌溉的研究多集中在其對農(nóng)作物的生長及產(chǎn)量的影響［11-12］及對重金屬等物質(zhì)在土壤及作物中的遷移與富集的影響［13-14］等方面，而較少涉及其對灌溉水流運(yùn)動及其與之相關(guān)的土壤結(jié)構(gòu)性質(zhì)的影響。本文通過室內(nèi)灌溉試驗(yàn)，著重研究了灌溉水中的鹽分對土壤團(tuán)聚體、容重、孔隙結(jié)構(gòu)、地表入滲性能以及對水流運(yùn)動特征的影響，旨在為再生水和微咸水農(nóng)田灌溉制度設(shè)計(jì)及環(huán)境污染風(fēng)管控制提供參考。

2 試驗(yàn)與方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)灌水入滲試驗(yàn)于2017年10月—2018年6月在長沙理工大學(xué)水沙科學(xué)與水災(zāi)害防治湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。為便于觀測優(yōu)先流結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)入滲框采用透明有機(jī)玻璃板制成，內(nèi)壁尺寸（長×寬×高）為0.3 m×0.3 m×0.5 m（如圖1（a）所示）。為保證入滲水順利排出，先在透水石板上鋪設(shè)10層紗網(wǎng)，將入滲框垂直置于紗網(wǎng)之上，然后再填充土壤。試驗(yàn)土壤采自長沙理工大學(xué)附近，經(jīng)顆粒級配分析確定為粉質(zhì)黏土（試驗(yàn)測得的土壤物理和水動力參數(shù)如表1所示）。根據(jù)設(shè)計(jì)容重（1.47 g/cm3，為環(huán)刀取自然土壤烘干測定的土壤容重），取風(fēng)干至恒重并過2 mm篩的土壤按5 cm一層，分層填充試驗(yàn)土柱。填充時，將稱重好的土壤分層平鋪到入滲框中，抹平并插搗密實(shí)到設(shè)計(jì)高度，然后再填充上一層土壤。在填充上一層土壤前，將下一層土壤表面刮毛，以免造成土壤分層。每個入滲框填充8層共40 cm高土壤，上層預(yù)留10 cm以避免試驗(yàn)過程中注入的灌溉水溢出試驗(yàn)框。

圖1 入滲框設(shè)計(jì)及土柱側(cè)面的優(yōu)先流結(jié)構(gòu)

表1 土壤物理和水動力性質(zhì)參數(shù)

為研究灌溉水中鹽分對土壤結(jié)構(gòu)性質(zhì)和水流運(yùn)動特征的影響，共設(shè)計(jì)3種不同條件的試驗(yàn):灌溉水鹽分濃度影響試驗(yàn)、灌水頻率影響試驗(yàn)和含鹽灌溉水-清水交替灌溉模式影響試驗(yàn)。灌溉水鹽分濃度影響試驗(yàn)采用鹽分濃度分別為0、1.0、3.0和5.0 g/L的灌溉水對試驗(yàn)填充土柱進(jìn)行灌溉；每天灌1次，每次灌水量為20 mm，共灌溉20次。灌水頻率影響試驗(yàn)采用鹽分濃度為3.0 g/L的灌溉水進(jìn)行灌溉，共開展3組不同灌水頻率的試驗(yàn):第1組每天灌溉1次，每次灌水量為20 mm，共灌溉20次；第2組2天灌溉1次，每次灌水量為40 mm，共灌溉10次；第3組4天灌溉1次，每次灌水量為80 mm，共灌溉5次。含鹽灌溉水-清水交替灌溉模式影響試驗(yàn)采用鹽分濃度為3.0 g/L的灌溉水進(jìn)行灌溉，共開展4組不同交替灌溉模式的試驗(yàn):第1組僅采用清水進(jìn)行灌溉（純清水灌溉），第2組僅采用含鹽灌溉水進(jìn)行灌溉（純含鹽灌溉水灌溉），第3組采用含鹽灌溉水每灌溉2次后采用清水灌溉1次，第4組采用含鹽灌溉水每灌溉1次后采用清水灌溉2次；各試驗(yàn)每天灌溉1次，每次灌水量為20 mm，共灌溉20次。為減少單次試驗(yàn)可能帶來的誤差，各試驗(yàn)條件下均開展兩個重復(fù)試驗(yàn)。各試驗(yàn)的試驗(yàn)條件設(shè)置如表2所示。

為消除土壤初始含水率對水流運(yùn)動的影響，各試驗(yàn)土柱在灌溉試驗(yàn)開始前2天均采用160 mm深的清水對試驗(yàn)土柱進(jìn)行預(yù)灌溉（分4次灌入，每次灌水40 mm，每次灌水時間間隔12h）。最后一次預(yù)灌溉結(jié)束12 h后按試驗(yàn)條件設(shè)置進(jìn)行正式灌溉。正式灌水開始的第21天，采用濃度為10.0 g/L的亞甲基藍(lán)染色劑溶液對各試驗(yàn)土柱進(jìn)行灌溉，用以記錄各試驗(yàn)條件下土壤中的優(yōu)先流通道分布。為避免所施加的清水、含鹽灌溉水和染色劑溶液沖刷土柱表層形成沖刷坑而造成灌水集中入滲，每次灌溉前先在入滲框內(nèi)鋪設(shè)一層塑料薄膜，將灌入的清水、含鹽灌溉水和染色劑溶液先注入到薄膜之上，然后迅速抽去薄膜，使灌溉水一次性注入土柱表面，測定并記錄每次灌水完全滲入土壤的時間。

亞甲基藍(lán)溶液灌入48 h后，拍照記錄各試驗(yàn)4個側(cè)面的染色水流分布模式（如圖1（a）所示）。側(cè)面照相結(jié)束后，人工開挖水平剖面，剖面間距2.5 cm。水平剖面形成后，照相記錄亞甲基藍(lán)溶液所顯示的優(yōu)先流通道分布模式（如圖1（b）所示）。照相結(jié)束后，用環(huán)刀（體積為60 cm3）在染色區(qū)和未染色區(qū)取樣，用以測定土壤孔隙率、容重和土壤團(tuán)聚體分布。

表2 含鹽灌溉水灌溉試驗(yàn)條件設(shè)置

2.2 試驗(yàn)與方法通過分析不同試驗(yàn)條件下灌溉水中鹽分對土壤團(tuán)聚體、容重和孔隙率的影響，來研究灌溉水中鹽分對土壤結(jié)構(gòu)性質(zhì)的影響；通過分析不同試驗(yàn)條件下灌溉水中鹽分對灌水入滲時間和入滲水流運(yùn)動非均勻性的影響，來研究灌溉水中鹽分對土壤水流運(yùn)動特征的影響。

2.2.1 容重及入滲時間 土壤容重通過環(huán)刀取樣采用烘干法測定。灌水入滲時間為抽去塑料薄膜后灌溉水完全滲入到土柱所用時間，采用秒表進(jìn)行測量。

2.2.2 團(tuán)聚體 土壤團(tuán)聚體含量采用Yoder［15］濕篩法，利用TPF-100型土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)分析儀測定。根據(jù)測得的各級團(tuán)聚體百分比含量計(jì)算土壤團(tuán)聚體平均重量直徑（Mean Weight Diameter，MWD）［16］如下:

式中:MWD為土壤團(tuán)聚體平均重量直徑，mm；xˉi為第i級篩子平均孔徑，mm；wi為第i級篩上團(tuán)聚體質(zhì)量，g。MWD越大，表明土壤團(tuán)聚體的平均直徑越大，土壤團(tuán)聚體越穩(wěn)定。

2.2.3 孔隙率 主要包括土壤總孔隙率、毛管孔隙率和非毛管孔隙率。毛管孔隙又稱小孔隙，指孔徑小于1mm的土壤孔隙，具有毛細(xì)作用，具有很強(qiáng)的持水能力和導(dǎo)水能力，容易被植物吸收；非毛管孔隙又稱大孔隙，指孔徑大于1 mm的土壤孔隙，因土壤顆粒大、排列疏松而形成，其數(shù)量取決于土壤的結(jié)構(gòu)性，它不具有持水能力，但能使土壤通氣、透水［17-18］。土壤總孔隙率由測得的土壤容重按公式（2）求得:

式中:p1為土壤總孔隙率；dv為土壤容重，g/cm3；D為土壤比重，g/cm3。

土壤毛管孔隙率利用SS-781型吸力平板儀測定。根據(jù)茹林公式［19］，將吸力平板儀的水柱高度（吸力）調(diào)節(jié)至3 cm，待平衡后測定該吸力值條件下的土壤含水率，該含水率值即為土壤的毛管孔隙率。

式中:p2為土壤毛管孔隙率；g1為小于1mm孔徑內(nèi)充滿水的濕土重，g；g2為同體積土壤干土重，g；V為環(huán)刀體積，cm3。土壤總孔隙率與毛管孔隙率之差即為土壤的非毛管孔隙率。

2.2.4 土壤優(yōu)先流彎曲系數(shù) 按照Morris和Mooney［20］提出的數(shù)字圖像分析技術(shù)，將各試驗(yàn)4個側(cè)面和不同深度處水平剖面上獲得的染色圖像轉(zhuǎn)換為黑（染色）白（未染色）二元化信息圖片，在此基礎(chǔ)上對土壤水流分布及運(yùn)動模式進(jìn)行定量分析。本文引入描述河流蜿蜒形態(tài)的彎曲系數(shù)［21］，用以描述土壤優(yōu)先流的非均勻狀態(tài)。對每個試驗(yàn)，分別計(jì)算出4個側(cè)面觀測到的優(yōu)先流彎曲系數(shù)（Cv1）和各水平剖面上觀測到的優(yōu)先流整體彎曲系數(shù)（Cv2）如公式（4）所示:

式中:Cv1和Cv2分別為側(cè)面水流彎曲系數(shù)和入滲框內(nèi)優(yōu)先流整體的彎曲系數(shù)；LR為側(cè)面提取到的水流染色路徑總長，cm；LH為土柱水平寬度，cm；SR為入滲空間范圍內(nèi)優(yōu)先流入滲鋒面的曲面面積，cm2；SH為土柱平面面積，cm2。Cv1和Cv2越大，表明入滲水流流動的非均勻性越強(qiáng)。

3 結(jié)果與討論

3.1 灌溉水鹽分濃度的影響

3.1.1 對土壤結(jié)構(gòu)性質(zhì)的影響 不同灌溉水鹽分濃度條件下各試驗(yàn)灌溉結(jié)束后的土壤容重和土壤團(tuán)聚體平均重量直徑隨入滲深度的分布分別如圖2（a）（b）所示；各試驗(yàn)0～10 cm和10～20 cm深度范圍內(nèi)的總孔隙率、毛管孔隙率、非毛管孔隙率和非毛管孔隙率/毛管孔隙率值如表3所示。

圖2 不同灌溉水鹽分濃度下各試驗(yàn)的土壤容重和團(tuán)聚體平均重量直徑隨深度的分布

表3 不同灌溉水鹽分濃度條件下各試驗(yàn)的土壤孔隙分布

由圖2可知，受灌土壤容重在入滲深度范圍內(nèi)（0～20 cm）隨入滲深度的增加而增加，土壤團(tuán)聚體平均重量直徑隨入滲深度的增加而減小。其中，表層0～7.5 cm深度范圍的土壤容重小于土柱填充時的設(shè)計(jì)容重（1.47 g/cm3）；而7.5 cm以下，土壤容重大于設(shè)計(jì)容重。其原因主要為試驗(yàn)所用土壤排水能力相對較弱（土壤飽和水力傳導(dǎo)度為1.08×10-4cm/s），在長期、持續(xù)灌溉作用下，上層填土常處于浸泡狀態(tài)而變得疏松，下層土壤受水壓和自重作用而密實(shí)，故而容重隨入滲深度逐漸增大；土壤黏粒在水流作用下吸水膨脹，導(dǎo)致土壤團(tuán)聚體分散，而越深層的土壤其泡水時間越長，土壤團(tuán)聚體分散作用越明顯，故而土壤團(tuán)聚體平均重量直徑沿入滲深度逐漸減小。

圖2顯示，在0～20 cm深度范圍內(nèi)，同一深度處土壤容重隨灌溉水鹽分濃度的增大呈先減小后增大的趨勢，土壤團(tuán)聚體平均重量直徑隨灌溉水鹽分濃度的增大呈先增大后減小的趨勢；其中，灌溉水鹽分濃度為3.0 g/L的試驗(yàn)（試驗(yàn)5、6），其相同深度處的土壤容重最小、土壤團(tuán)聚體平均重量直徑最大。表3顯示，在0～10 cm深度范圍內(nèi)，總孔隙率和非毛管孔隙率隨灌溉水鹽分濃度的增大呈先增大后減小的趨勢，毛管孔隙率隨灌溉水鹽分濃度的增大呈先減小后增大的趨勢，由此計(jì)算出的非毛管孔隙率與毛管孔隙率的比值（非毛管孔隙率/毛管孔隙率值）隨灌溉水鹽分濃度的增大而呈現(xiàn)出明顯的先增大后減小的趨勢。其中，灌溉水鹽分濃度為3.0 g/L試驗(yàn)的非毛管孔隙率與毛管孔隙率的比值最大；灌溉水鹽分濃度為5.0 g/L試驗(yàn)（試驗(yàn)7、8）的非毛管孔隙率與毛管孔隙率的比值最小，甚至小于清水灌溉試驗(yàn)（試驗(yàn)1、2）的該指標(biāo)值。這是因?yàn)檫m度濃度（3.0 g/L）的土壤鹽分有利于抑制土壤黏粒分散、促進(jìn)土壤顆粒絮凝［22］，從而增大土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，并使得土壤團(tuán)聚體間的非毛管孔隙數(shù)量增加、團(tuán)聚體內(nèi)部的毛管孔隙數(shù)量減少以及土壤容重減小和土壤團(tuán)聚體平均重量直徑增大；而過高濃度（5.0 g/L）的土壤鹽分反而會使土壤黏粒分散、導(dǎo)致土壤團(tuán)聚體破碎［23］，從而使得土壤團(tuán)聚體間的非毛管孔隙數(shù)量減小、團(tuán)聚體內(nèi)部的毛管孔隙數(shù)量增加以及土壤容重增大和土壤團(tuán)聚體平均重量直徑減小。在10～20 cm深度范圍內(nèi)，土壤容重和總孔隙率隨入滲深度的變化趨勢顯著減緩，因此不同灌溉水鹽分濃度條件下各試驗(yàn)的非毛管孔隙率與毛管孔隙率的比值差異不明顯；但由于鹽分濃度為5.0 g/L的灌溉水引起土壤團(tuán)聚體破碎作用最強(qiáng)，因此該深度范圍內(nèi)試驗(yàn)7和試驗(yàn)8的該指標(biāo)值最小。

3.1.2 對水流運(yùn)動的影響 不同鹽分濃度條件下各試驗(yàn)灌水入滲時間隨灌水次數(shù)的變化如圖3所示。根據(jù)各試驗(yàn)4個側(cè)面上觀測到的優(yōu)先流結(jié)構(gòu)及各試驗(yàn)開挖的不同水平剖面上的優(yōu)先流結(jié)構(gòu)，通過數(shù)字圖像分析計(jì)算出各試驗(yàn)4個側(cè)面上（Cv1）和土柱中整體（Cv2）的優(yōu)先流通道彎曲系數(shù)如表4所示。

圖3 不同灌溉水鹽分濃度下各試驗(yàn)的灌水入滲時間隨灌水次數(shù)的變化

表4 不同灌溉水鹽分濃度條件下各試驗(yàn)的優(yōu)先流通道彎曲系數(shù)

圖3顯示，灌水入滲時間隨灌水次數(shù)的增加而增加。這主要是由兩個方面因素造成的:一方面，土壤受灌溉水作用而逐步密實(shí)；另一方面，土壤黏粒吸水膨脹而使得土壤團(tuán)聚體不斷分散，導(dǎo)致孔隙率不斷減小。圖3同時顯示，相同灌水次數(shù)條件下的灌水入滲時間隨著灌溉水中鹽分濃度的增加呈先減小后增加的趨勢。其原因主要為，灌溉水中鹽分濃度為3.0 g/L的試驗(yàn)，其團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)最為穩(wěn)定、非毛管孔隙數(shù)量最多，因此灌水入滲時間最小；而灌溉水中鹽分濃度為5.0 g/L的試驗(yàn)，由于過高濃度的鹽分使得土壤團(tuán)聚體破碎、非毛管孔隙數(shù)量減少，因此灌水入滲時間最長。

表4顯示，無論是清水灌溉試驗(yàn)還是含鹽灌溉水灌溉試驗(yàn)，其側(cè)面（Cv1）和土柱體內(nèi)（Cv2）的優(yōu)先流通道彎曲系數(shù)均大于1.0，表明各試驗(yàn)條件下均有明顯的優(yōu)先流結(jié)構(gòu)產(chǎn)生。表4同時顯示，側(cè)面優(yōu)先流（Cv1）和土柱體內(nèi)優(yōu)先流整體（Cv2）的彎曲系數(shù)（即流動的非均勻性）均隨灌溉水中鹽分濃度的增大呈先減小后增大的趨勢。這主要是因?yàn)椋喔人羞m當(dāng)濃度的鹽分，有利于提升土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性、增大土壤中的非毛管孔隙數(shù)量和比例，水流入滲通道順暢，因而流動的非均勻性降低；而當(dāng)灌溉水中的鹽分濃度過高時導(dǎo)致土壤團(tuán)聚體崩解破碎，分散的土壤黏粒在細(xì)小孔隙中沉積，導(dǎo)致土壤孔隙堵塞、造成水流運(yùn)動不暢，從而增大了水流運(yùn)動的非均勻性。

3.2 灌水頻率的影響

圖4 不同灌水頻率條件下各試驗(yàn)的土壤容重和團(tuán)聚體平均重量直徑隨深度的分布

表5 不同灌水頻率條件下各試驗(yàn)的土壤孔隙分布

3.2.1 對土壤結(jié)構(gòu)性質(zhì)的影響 不同灌水頻率條件下各試驗(yàn)灌溉結(jié)束后的土壤容重和土壤團(tuán)聚體平均重量直徑隨入滲深度的分布如圖4所示；各試驗(yàn)0～10 cm和10～20 cm深度范圍內(nèi)的總孔隙率、毛管孔隙率、非毛管孔隙率和非毛管孔隙率/毛管孔隙率值如表5所示。

圖4（a）顯示，不同灌水頻率條件下各試驗(yàn)的土壤容重在入滲深度范圍內(nèi)（0～20 cm）隨入滲深度的增加而增加；相同深度處，灌水頻率為2天1次（試驗(yàn)9、10）和4天1次（試驗(yàn)11、12）試驗(yàn)的土壤容重差異不明顯，但均明顯小于相同深度處灌水頻率為1天1次試驗(yàn)（試驗(yàn)5、6）的土壤容重。圖4（b）顯示，不同灌水頻率條件下各試驗(yàn)的土壤團(tuán)聚體平均重量直徑在入滲深度范圍內(nèi)（0～20 cm）隨入滲深度的增加而減?。幌嗤疃忍?，灌水頻率為2天1次和4天1次試驗(yàn)的土壤團(tuán)聚體平均重量直徑差異不明顯（尤其是在15～20 cm深度范圍），但均明顯大于相同深度處灌水頻率為1天1次試驗(yàn)的土壤團(tuán)聚體平均重量直徑。表5顯示，在0～10 cm深度范圍內(nèi)，灌水頻率為2天1次和4天1次試驗(yàn)的總孔隙率、毛管孔隙率、非毛管孔隙率、非毛管孔隙率與毛管孔隙率的比值（非毛管孔隙率/毛管孔隙率值）均明顯大于灌水頻率為1天1次試驗(yàn)的相同指標(biāo)值。試驗(yàn)結(jié)果表明，高頻率的灌水加劇了土壤黏粒的分散、破壞了土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，從而使得土壤的團(tuán)聚體平均重量直徑、總孔隙率、毛管孔隙率、非毛管孔隙率和非毛管孔隙率與毛管孔隙率的比值均降低，并使得受灌后的土壤容重增大。在10～20cm深度范圍內(nèi)，由于土壤受水壓和自重作用而密實(shí)，土壤容重和總孔隙率隨入滲深度變化的趨勢顯著減緩，因此不同灌水頻率條件下各試驗(yàn)的總孔隙率、毛管孔隙率、非毛管孔隙率和非毛管孔隙率與毛管孔隙率的比值差異不明顯。

3.2.2 對水流運(yùn)動的影響 不同灌水頻率條件下各試驗(yàn)的單次灌水入滲時間和灌溉水累積入滲時間隨灌水次數(shù)的變化如圖5（a）（b）所示；各試驗(yàn)4個側(cè)面上（Cv1）和土柱中整體（Cv2）的優(yōu)先流通道彎曲系數(shù)如表6所示。

圖5 不同灌水頻率條件下各試驗(yàn)的單次和累積灌水入滲時間隨灌水次數(shù)的變化

表6 不同灌水頻率條件下各試驗(yàn)的優(yōu)先流通道彎曲系數(shù)

圖5顯示，灌水頻率相同的兩個重復(fù)試驗(yàn)的單次灌水入滲時間和灌水累積入滲時間隨灌水次數(shù)的變化幾乎完全相同；灌水頻率不同的試驗(yàn)，其相同灌水次數(shù)條件下的灌水累積入滲時間隨著灌水頻率的增大而增大。表6顯示，側(cè)面優(yōu)先流（Cv1）和土柱體內(nèi)優(yōu)先流整體（Cv2）的彎曲系數(shù)（即流動的非均勻性）均隨灌水頻率的增大而增大。這主要是因?yàn)楦哳l率的灌水導(dǎo)致土壤黏粒分散和土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)破壞，分散黏粒隨入滲水流運(yùn)動堵塞土壤孔隙，降低了土壤的總孔隙率、毛管孔隙率、非毛管孔隙率，并導(dǎo)致入滲水流運(yùn)動不暢，因而入滲速率降低、入滲時間延長、水流運(yùn)動非均勻程度增加。

3.3 含鹽灌溉水-清水交替灌溉模式的影響

3.3.1 對土壤結(jié)構(gòu)性質(zhì)的影響 不同含鹽灌溉水-清水交替灌溉模式條件下各試驗(yàn)灌溉結(jié)束后的土壤容重和土壤團(tuán)聚體平均重量直徑隨入滲深度的分布分別如圖6所示；各試驗(yàn)0～10 cm和10～20 cm深度范圍內(nèi)總孔隙率、毛管孔隙率、非毛管孔隙率和非毛管孔隙率/毛管孔隙率值如表7所示。

圖6（a）顯示，不同含鹽灌溉水-清水交替灌溉模式條件下各試驗(yàn)的土壤容重在入滲深度范圍內(nèi)（0～20 cm）隨入滲深度的增加而增加；相同深度處，含鹽灌溉水-清水交替灌溉試驗(yàn)（包括采用含鹽灌溉水每灌溉2次后灌溉1次清水的試驗(yàn)（試驗(yàn)13、14）和采用含鹽灌溉水每灌溉1次后灌溉2次清水的試驗(yàn)（試驗(yàn)15、16））與純含鹽灌溉水灌溉的試驗(yàn)（試驗(yàn)5、6）在相同深度處的土壤容重?zé)o明顯差異，而純清水灌溉試驗(yàn)（試驗(yàn)1、2）的土壤容重較之明顯為大。圖6（b）顯示，相同深度處含鹽灌溉水-清水交替灌溉試驗(yàn)的平均重量直徑略高于僅采用含鹽灌溉水灌溉的試驗(yàn)，但均明顯高于僅采用清水灌溉的試驗(yàn)。表7顯示，在0～10 cm深度范圍的土層內(nèi)，含鹽灌溉水-清水交替灌溉試驗(yàn)的總孔隙率和非毛管孔隙率最大、毛管孔隙率相對較小（略大于純含鹽灌溉水灌溉試驗(yàn)的毛管孔隙率），而純清水灌溉試驗(yàn)的總孔隙率和非毛管孔隙率最小、毛管孔隙率最大，由此計(jì)算出來的含鹽灌溉水-清水交替灌溉試驗(yàn)的非毛管孔隙率與毛管孔隙率的比值最大、純清水灌溉試驗(yàn)的非毛管孔隙率與毛管孔隙率的比值最小。這主要是因?yàn)楹}灌溉水-清水交替灌溉試驗(yàn)中所引入的鹽分能在清水的淋洗作用下被及時排走，避免鹽分過量累積而導(dǎo)致土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)破碎，而適量的土壤鹽分有利于提升土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

圖6 不同含鹽灌溉水-清水交替灌溉模式條件下各試驗(yàn)的土壤容重和團(tuán)聚體平均重量直徑隨深度的分布

表7 不同含鹽灌溉水-清水交替灌溉模式條件下各試驗(yàn)的土壤孔隙分布

圖6以及表7均顯示，采用含鹽灌溉水每灌溉2次后灌溉1次清水的試驗(yàn)（試驗(yàn)13、14）和采用含鹽灌溉水每灌溉1次后灌溉2次清水的試驗(yàn)（試驗(yàn)15、16），其同一深度處的土壤團(tuán)聚體分布、平均重量直徑、容重、土壤孔隙率（總孔隙率、毛管孔隙率、非毛管孔隙率）等指標(biāo)均無明顯差異，表明這兩種含鹽灌溉水-清水交替灌溉模式對土壤結(jié)構(gòu)性質(zhì)的影響無明顯差異。因此，在進(jìn)行再生水和微咸水灌溉制度設(shè)計(jì)時無需過高的增加清水洗鹽的頻率，這樣既可以有效維持和提升土壤結(jié)構(gòu)性質(zhì)的穩(wěn)定性，同時又可以充分利用非常規(guī)灌溉水資源、節(jié)約淡水資源。

3.3.2 對水流運(yùn)動的影響 不同含鹽灌溉水-清水交替灌溉模式條件下各試驗(yàn)灌水入滲時間隨灌水次數(shù)的變化如圖7所示；各試驗(yàn)4個側(cè)面上（Cv1）和土柱中整體（Cv2）的優(yōu)先流通道彎曲系數(shù)見表8。

圖7顯示，采用含鹽灌溉水每灌溉2次后灌溉1次清水的試驗(yàn)（試驗(yàn)13、14）和采用含鹽灌溉水每灌溉1次后灌溉2次清水的試驗(yàn)（試驗(yàn)15、16），其相同灌水次數(shù)條件下的灌水入滲時間最短，且兩種模式下的灌水入滲時間無明顯差異；而僅采用清水灌溉的試驗(yàn)（試驗(yàn)1、2），其相同灌水次數(shù)條件下的灌水入滲時間最長。表8顯示，采用含鹽灌溉水每灌溉2次后灌溉1次清水的試驗(yàn)（試驗(yàn)13、14）和采用含鹽灌溉水每灌溉1次后灌溉2次清水的試驗(yàn)（試驗(yàn)15、16），其側(cè)面優(yōu)先流（Cv1）和土柱體內(nèi)優(yōu)先流（Cv2）的彎曲系數(shù)均最?。捶蔷鶆蛐宰钚。覂煞N模式下各試驗(yàn)側(cè)面優(yōu)先流和土柱體內(nèi)優(yōu)先流的彎曲系數(shù)無明顯差異；而采用純清水灌溉的試驗(yàn)（試驗(yàn)1、2），其側(cè)面優(yōu)先流和土柱體內(nèi)優(yōu)先流的彎曲系數(shù)均最大（即非均勻性最大）。這主要是因?yàn)榍逅芟戳撕}灌溉水-清水交替灌溉試驗(yàn)中所引入的鹽分，有利于保持土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，使得總孔隙率和非毛管孔隙率增大、水流運(yùn)動路徑順暢，因而受灌土壤的入滲性能最強(qiáng)、灌水入滲時間最短、入滲水流運(yùn)動的非均勻性最低。

圖7 不同含鹽灌溉水-清水交替灌溉模式條件下各試驗(yàn)的灌水入滲時間隨灌水次數(shù)的變化

表8 不同含鹽灌溉水-清水交替灌溉模式條件下各試驗(yàn)的優(yōu)先流通道彎曲系數(shù)

4 結(jié)論

本文以再生水和微咸水等非常規(guī)灌溉水中的鹽分為研究對象，采用室內(nèi)灌溉試驗(yàn)，研究了灌溉水鹽分濃度、灌水頻率、含鹽灌溉水-清水交替灌溉模式對受灌土壤結(jié)構(gòu)性質(zhì)及水流運(yùn)動特征的影響，研究結(jié)果表明:

（1）適度鹽分濃度的灌溉水有利于提升土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性、抑制土壤板結(jié)、改善受灌土壤的入滲性能、降低入滲水流運(yùn)動的非均勻性；而過高鹽分濃度的灌溉水將降低土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性、促進(jìn)土壤板結(jié)、減弱受灌土壤的入滲性能、增大入滲水流運(yùn)動的非均勻性。

（2）低頻率、大定額的含鹽灌溉水灌溉有利于提升土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性、抑制土壤板結(jié)、改善受灌土壤的入滲性能、降低入滲水流運(yùn)動的非均勻性。

（3）含鹽灌溉水-清水交替灌溉模式有利于提升土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性、抑制土壤板結(jié)、改善受灌土壤的入滲性能、降低入滲水流運(yùn)動的非均勻性。但過高頻率的清水洗鹽作用對土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性和土壤入滲性能的提升作用不明顯。