王全九 解江博 張繼紅 韋 開 孫 燕 李宗昱

(1.西安理工大學(xué)省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點實驗室， 西安 710048；2.中國科學(xué)院水利部水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室， 陜西楊凌 712100)

0 引言

我國是農(nóng)業(yè)大國，由于不合理的農(nóng)業(yè)活動，土地質(zhì)量下降問題變得日益嚴峻[1]，土壤鹽堿化和次生鹽堿化日趨嚴重[2-3]。一方面，由于自然因素導(dǎo)致我國西北干旱地區(qū)鹽堿土大面積分布；另一方面，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，由于缺乏科學(xué)的管理與指導(dǎo)，灌溉不當，導(dǎo)致許多灌區(qū)土壤發(fā)生次生鹽堿化[4-5]。土壤鹽堿化問題嚴重制約著農(nóng)田的持續(xù)利用，對我國糧食安全構(gòu)成了嚴重威脅[6-7]。因此，土壤鹽堿化的防治成為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要命題。

磁化水處理技術(shù)作為一種新的灌溉水處理技術(shù)，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景[8-9]。大量研究表明，普通水經(jīng)過磁化處理之后，水的溶解度、pH值、表面張力、溶氧量、電導(dǎo)率、締合度等理化性質(zhì)發(fā)生了改變[10-14]。磁化水灌溉能有效降低土壤含鹽量，這為鹽堿地的改良與防治指明了新的方向。磁化水對土壤水鹽運移的影響已經(jīng)從田間試驗和室內(nèi)試驗兩個方面得到了證實。卜東升等[15]利用膜下滴灌的方法研究磁化水對土壤脫鹽的影響，結(jié)果表明，磁化水能夠有效降低土壤含鹽量，并且指出，磁化水滴灌脫鹽堿效果具有較好的重演性。王洪波等[16]通過田間試驗發(fā)現(xiàn)，磁化水滴灌對土壤鹽分的淋洗有加速作用，能夠有效降低土壤耕作層的鹽分，并促進植物對土壤養(yǎng)分的吸收利用。一些研究結(jié)果表明，磁化水灌溉能夠顯著提高對Cl-、Na+的淋洗效果，并指出二次磁化效果更好[17]。王淥等[18]以黃河三角洲鹽漬化土壤為研究對象，探究了磁化水灌溉對其生化性質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)磁化水灌溉土壤含鹽量顯著降低，具有明顯的脫鹽效果。張瑞喜等[19]通過室內(nèi)土柱試驗表明，磁化水入滲能夠促進土壤鹽分向下遷移，利用磁化水灌溉有利于將更多鹽分淋洗出土體。綜上所述，磁化水灌溉可以有效促進土壤鹽分的淋洗，在改善作物根系鹽分脅迫和提高根系養(yǎng)分吸收能力方面具有良好的作用，這對鹽堿地的改良與防治和作物根系生長環(huán)境的調(diào)控都具有十分重要的意義。然而，不同磁場強度的磁化水對土壤水鹽運移特征的影響，以及磁化水入滲模型參數(shù)與磁場強度之間的定量關(guān)系尚不明確。因此，本文通過一維垂直土柱入滲試驗，分析不同磁場強度對土壤水鹽運移的影響，建立磁場強度與入滲模型參數(shù)之間的關(guān)系，定量分析其對不同土層脫鹽效果的影響，以期為磁化水灌溉的合理利用提供理論支持和指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗系統(tǒng)與材料

根據(jù)試驗需要構(gòu)建磁化水制備系統(tǒng)，主要由水源、水箱、水泵、壓力表、磁化器等通過管道連接而成，如圖1所示。試驗水源為自來水，水箱容量為60 L，水泵為渦旋式自吸水泵，額定功率0.75 kW，壓力表量程0～0.6 MPa,管道采用橫截面積為4.91 cm2的PVC管。磁化器采用包頭鑫達磁性材料廠生產(chǎn)的4種不同磁場強度的CHQ型外置永磁磁化器，永磁體采用燒結(jié)汝鐵硼制成，磁化器磁場強度經(jīng)HT20型數(shù)字特斯拉計校對，分別為0.1、0.2、0.3、0.5 T。制備磁化水時將磁化器固定在回水管道外壁，調(diào)節(jié)管道水流流速為1 m/s，通過控制循環(huán)回水時間為30 min，水體流經(jīng)磁化器時多次垂直切割磁感線，保證有效磁化次數(shù)10次以上。

圖1 磁化水制備裝置示意圖

供試土樣為新疆維吾爾自治區(qū)昌吉市農(nóng)田表層0～20 cm鹽堿土，將土壤自然晾干、碾壓后過2 mm篩備用。利用激光粒度分析儀(Mastersizer 2000型，馬爾文儀器有限公司，英國)進行機械組成測定，土樣黏粒、粉粒和砂粒體積分數(shù)分別為8.00%、41.24%、50.76%，采用國際制土壤質(zhì)地三角形對土壤質(zhì)地進行分類，確定試驗用土為壤土。土壤容重為1.35 g/cm3，初始體積含水率與土壤飽和體積含水率分別為0.02、0.47 cm3/cm3，土壤初始含鹽量為3.52 g/kg。

1.2 試驗方法

試驗于2018年5月在西安理工大學(xué)省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點實驗室進行，采用一維垂直土柱入滲系統(tǒng)開展不同磁場強度(0、0.1、0.2、0.3、0.5 T)的磁化水入滲試驗，共計5個處理，每個處理3 次重復(fù)，共計15 個試驗土柱。其中0為不磁化處理，作為試驗對照(CK)。試驗系統(tǒng)主要包括有機玻璃土柱、馬氏瓶、固定支架。有機玻璃土柱高為45 cm，內(nèi)徑為5 cm。馬氏瓶主要為試驗提供穩(wěn)定的入滲水頭，磁化水裝入馬氏瓶中備用。試驗土柱容重為1.35 g/cm3，將擾動土攪拌均勻分層裝入土柱中，并在層與層之間打毛銜接，土層深度為43 cm。

試驗中調(diào)整馬氏瓶與土柱的位置，控制試驗水頭深度在1～2 cm之間。試驗開始時利用秒表計時，并按照先密后疏的原則定時記錄馬氏瓶水位和土柱濕潤鋒深度。當濕潤鋒深度到達28 cm時，停止供水，同時用吸管吸出表面積水，并將土柱從底部拆開，去除水分未入滲到的部分干土，再按照0、5、10、15、20、25、27 cm的深度分層取土，放入提前準備好的鋁盒。采用干燥法((105±5)℃)測定土壤質(zhì)量含水率，乘以土壤容重即可得到土壤體積含水率。將干燥后的土樣進行研磨并按照1∶5土水質(zhì)量比進行浸提，將浸提液靜置8 h后利用DDS-307 型電導(dǎo)儀測定其電導(dǎo)率，通過轉(zhuǎn)換即可得到土壤含鹽量。

1.3 入滲模型

為了研究磁場強度對土壤入滲模型參數(shù)的影響，利用Philip入滲模型和Kostiakov入滲模型對不同磁場強度磁化水的入滲特性進行分析，由于本研究入滲深度和時間較短，兩模型中僅考慮吸滲作用，忽略重力的影響。

對于一維垂直土柱入滲，短歷時Philip入滲模型[20]的累積入滲量表達式為

I=St0.5

(1)

式中I——累積入滲量，cm

S——吸滲率，cm/min0.5

t——入滲時間，min

在短歷時入滲條件下，利用Kostiakov入滲模型[21]對累積入滲量與時間進行擬合，其表達式為

I=mtn

(2)

式中m、n——擬合系數(shù)

飽和導(dǎo)水率采用SU等[22]提出的基于Kostiakov入滲模型的推導(dǎo)方法，即

(3)

式中Ks——飽和導(dǎo)水率，cm/min

2 結(jié)果與分析

2.1 磁場強度對磁化水入滲特征的影響

圖2 磁場強度對磁化水入滲過程的影響

圖2a顯示了不同磁場強度條件下磁化水累積入滲量隨時間的變化情況。由圖2a可以看出，各處理對應(yīng)累積入滲量均隨入滲時間增加而增加。入滲初期，不同處理的累積入滲量差異較小。隨著入滲時間的增加，在60 min后，不同處理之間的累積入滲量開始出現(xiàn)差異，在相同入滲時間下，磁化處理的累積入滲量均小于對照處理，在入滲480 min后，與對照處理相比，0.1、0.2、0.3、0.5 T磁化處理的累積入滲量分別減少了13.3%、19.0%、25.7%、7.6%。當?shù)竭_最終的入滲深度(28 cm)時，磁化水入滲用時較對照處理有所增加，而累積入滲量相對減少。這主要是因為自來水經(jīng)過磁化處理之后表面張力減小，相應(yīng)的土壤導(dǎo)水性能降低[23]，從而導(dǎo)致入滲水進入土體的速度減慢，累積入滲量減少。累積入滲量隨磁化水磁場強度的增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，磁場強度為0.3 T時，累積入滲量降低幅度最大，說明土壤入滲對磁化水磁場強度具有不同的響應(yīng)。圖2b顯示了不同磁場強度磁化水入滲條件下濕潤鋒的運移情況。由圖2b可知，濕潤鋒深度隨入滲時間的變化與累積入滲量基本一致。磁化處理濕潤鋒運移速率均小于對照處理。入滲480 min后，與對照處理相比，0.1、0.2、0.3、0.5 T磁化處理的濕潤鋒深度分別減少了10.5%、16.2%、21.1%、6%。入滲結(jié)束時(濕潤鋒深度為28 cm)，0.1、0.2、0.3、0.5 T磁化處理的入滲時間相比于對照處理分別增加了34.5%、55.6%、82.8%、18.5%，表明磁化處理不同程度地降低了水體在土壤中的運移速率。與對照處理相比，在相同時間下磁化處理的累積入滲量和濕潤鋒深度均有所減小。這是因為磁化處理水體的表面張力減小[24]，水分在土壤中流動速度減慢，從而導(dǎo)致水分入滲速率降低、累積入滲量減少。而不同磁場強度磁化水入滲過程存在明顯差異，這可能是由于不同磁場強度處理對水體的理化性質(zhì)的影響程度不同所致，磁場強度為0.3 T時，其影響程度最大[14]，因此在0.3 T時累積入滲量減小幅度最大。

2.2 磁場強度對入滲模型參數(shù)的影響

利用一維垂直積水入滲的Philip入滲模型(式(1))和Kostiakov入滲模型(式(2))對入滲數(shù)據(jù)進行處理，分別得到不同磁場強度對應(yīng)的吸滲率S和m、n，并利用式(3)推算出飽和導(dǎo)水率Ks。不同入滲模型擬合的決定系數(shù)均高于0.99，說明模型的擬合效果很好。

對于Philip入滲模型，吸滲率S反映土壤依靠基質(zhì)勢對土壤水分運動作用的能力[25]。隨著磁場強度的增加，吸滲率S呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢，磁化處理對應(yīng)的S均小于對照處理。這說明磁化處理能夠降低土壤水分入滲能力，這與磁化水對土壤水分入滲過程的影響結(jié)果一致。對磁場強度H和吸滲率S進行擬合，結(jié)果如圖3a所示，擬合決定系數(shù)R2為0.95，兩者間存在較好的二次多項式關(guān)系，擬合公式為

S=1.542 7H2-0.849 7H+0.475 5

(4)

根據(jù)擬合公式可以求得當磁場強度為0.28 T時，吸滲率S取得最小值。

飽和導(dǎo)水率Ks是表征孔隙介質(zhì)透水性能的綜合系數(shù)，反映不同條件對土壤水分入滲性能的影響[26]。通過Kostiakov入滲模型參數(shù)m和n所求得的飽和導(dǎo)水率Ks隨磁場強度的增加呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，與吸滲率S的變化趨勢一致。磁化處理對應(yīng)的Ks值均小于對照處理，在磁場強度為0.3 T時取得最小值。對磁場強度H和飽和導(dǎo)水率Ks進行擬合，如圖3b所示，擬合決定系數(shù)R2為0.87，兩者間存在較好的二次多項式關(guān)系，擬合公式為

Ks=0.296 7H2-0.168 2H+0.049 7

(5)

圖3 磁場強度對吸滲率和飽和導(dǎo)水率的影響

根據(jù)擬合公式可以求得當磁場強度為0.28 T時，飽和導(dǎo)水率Ks取得最小值。

2.3 磁場強度對土壤水鹽分布的影響

不同磁場強度磁化水入滲條件下，土壤體積含水率變化情況如圖4a所示。由圖可以看出，隨著土層深度的增加，土壤含水率逐漸減小。在入滲過程中，土體上部有1～2 cm積水，導(dǎo)致表層土壤含水率處于飽和狀態(tài)，濕潤鋒以下土壤仍為初始含水率。不同深度土壤含水率分布情況不同，深度在0～15 cm時，磁化處理對應(yīng)土壤含水率均大于對照處理，隨著磁場強度的增加含水率呈先增大后減小的變化趨勢，磁場強度為0.3 T時含水率最大，與對照處理相比，在5、10、15 cm處土壤含水率分別增加了2.2%、4.7%、2.4%。在深度大于20 cm時呈現(xiàn)出與上層相反的情況，磁化處理對應(yīng)土壤含水率均小于對照處理。這主要是因為磁化處理使得水體黏度增加[25]，當土壤上層含水率較大時，水分在土壤中流動速度減慢，從而導(dǎo)致大量水分在上層土壤中的滯留時間增加，進入下層土壤的水分減少。

圖4 磁化水入滲對土壤含水率和含鹽量的影響

不同磁場強度磁化水入滲條件下，土壤含鹽量變化情況如圖4b所示。由圖可以看出，在土壤水分入滲過程中，上層土壤中的鹽分溶入水中并隨著水流的入滲向下遷移，使得大量鹽分聚集在濕潤鋒附近，土壤剖面呈現(xiàn)出上層脫鹽、下層積鹽的現(xiàn)象。土層深度在0～10 cm處脫鹽效果明顯，土壤含鹽量分布幾乎與初始含鹽量分布平行，從10 cm開始，隨著深度的增加，土壤含鹽量逐漸接近初始含鹽量，土層從脫鹽區(qū)向積鹽區(qū)過渡，脫鹽與積鹽的分界線在17 cm左右。深度在15～27 cm之間不同處理方式對應(yīng)的土壤含鹽量有較大差異。對不同深度的土壤含鹽量進行分析，土層深度為0、5、10 cm時的土壤含鹽量均較低且較為接近，15 cm土層土壤含鹽量相較于上層土壤明顯增多，接近土壤初始含鹽量。不同處理方式的脫鹽效果存在差異，在同一土層深度，與對照處理相比，隨著磁場強度的增加，土壤含鹽量總體上呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢。在15 cm處，對照處理和0.1、0.2、0.3、0.5 T磁化處理對應(yīng)的土壤含鹽量分別為2.98、2.74、2.56、2.43、2.87 g/kg(圖4c，圖中不同字母表示處理間差異達顯著水平(P<0.05))，磁化處理與對照處理相比分別降低了8.1%、14.1%、18.5%、3.7%。對濕潤鋒處的土壤含鹽量進行分析可知，不同處理方式的積鹽效果存在明顯差異，其中對照處理的積鹽量最小，0.3 T磁化處理的積鹽量最大。對照處理和0.1、0.2、0.3、0.5 T磁化處理對應(yīng)的土壤含鹽量分別為15.23、16.25、16.89、17.53、16.12 g/kg，磁化處理與對照處理相比分別增加了6.7%、10.9%、15.1%、5.8%，這與脫鹽區(qū)的分析結(jié)果一致。

2.4 磁場強度對土壤滯留鹽分濃度的影響

入滲結(jié)束時，由于磁化水對土壤鹽分的淋洗效果不同，而且不同處理之間土壤含水率也存在差異，因此磁化處理對土壤中鹽分質(zhì)量濃度也有一定的影響。不同磁場強度條件下土壤鹽分濃度變化情況如圖5所示，由圖可以看出，土壤鹽分濃度變化趨勢與土壤含鹽量變化趨勢基本一致，隨著土層深度的增加，土壤鹽分濃度逐漸增加。在脫鹽區(qū)同一土層深度下，磁化處理的土壤鹽分濃度均小于對照處理，磁化水入滲降低了脫鹽區(qū)土壤鹽分濃度，這對降低鹽堿化土壤對作物根系的鹽分脅迫具有十分重要的作用。

圖5 磁化水入滲對土壤鹽分質(zhì)量濃度的影響

2.5 磁場強度對土壤鹽分淋洗效果的影響

將脫鹽區(qū)某一土層厚度的初始含鹽量S0與入滲后的土壤含鹽量S1的差值占初始含鹽量的百分比定義為脫鹽率Dr,即

(6)

將磁化處理脫鹽率Drm與對照處理脫鹽率Drck的差值占對照處理脫鹽率百分比定義為磁化脫鹽強度Di,即

(7)

將脫鹽區(qū)某一土層中被淋洗的鹽分總量St與透過這一土層的總水量W的比值定義為淋洗效率Le，即

(8)

脫鹽區(qū)不同深度的脫鹽率和磁化脫鹽強度以及不同土層淋洗效率見表1。由表可以看出，土層深度在0～10 cm之間的脫鹽效果明顯，脫鹽率均在65%以上，但是在10～15 cm處脫鹽率發(fā)生驟減，脫鹽率最大值為51.99%。對同一土層深度的脫鹽率進行分析可以看出，磁化水的脫鹽率均大于對照處理，這說明磁化處理對土壤上層的脫鹽效果明顯。隨著磁場強度的增加，脫鹽率呈現(xiàn)先增后減的趨勢，0.3 T磁化處理脫鹽率最大，這與張瑞喜等[19]得出的0.3 T磁化處理有利于將更多的鹽分淋洗出土體的結(jié)果相一致。不同磁場強度處理脫鹽效果總體上由大到小依次為0.3 T、0.2 T、0.5 T、0.1 T、CK。磁化脫鹽強度隨著土層深度的增加而增加，由此可以看出磁化水具有較好的脫鹽效果。不同土層深度淋洗效率不同，由表可以看出5～10 cm土層淋洗效率總體上大于其他兩層。在同一土層中，磁化處理對應(yīng)的淋洗效率均大于對照處理，并隨著磁場強度的增加呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢，這一現(xiàn)象說明單位體積磁化水淋洗鹽分的能力增大。

表1 不同磁場強度的脫鹽率、磁化脫鹽強度和淋洗效率

注：同一列不同字母表示處理間差異達顯著水平(P<0.05)。

結(jié)合不同磁場強度磁化水累積入滲量和濕潤鋒深度的變化情況綜合分析可知，磁化處理降低了水體的表面張力和黏度[10,24]，使得水分在土壤中流動速度減慢，土壤導(dǎo)水性能降低，吸滲率S和飽和導(dǎo)水率Ks也相應(yīng)減小，導(dǎo)致水分入滲速率降低、累積入滲量減少。土壤水分運動速度的減慢增加了水分在土壤上層的滯留時間，因此土壤剖面含水率呈現(xiàn)出上大下小的現(xiàn)象，這有利于土壤水分更多地儲存在作物根系層中，并且能夠有效地減小深層滲漏。同時水分滯留時間增加，對土壤鹽分的淋洗也起到了一定的作用，這是因為水分滯留時間變長，土壤中鹽分與水分的反應(yīng)時間也相應(yīng)增加，有利于土壤鹽分溶解擴散至水體中，由于0.3 T磁化處理對水分入滲的影響最為顯著，因此在磁場強度為0.3 T時表現(xiàn)出最好的脫鹽效果。而且磁化處理改變了水的活性[14](即與其他物質(zhì)的作用能力，如溶解度、反應(yīng)速率等)，使得單位體積磁化水溶解鹽分的能力增強，這對土壤鹽分的淋洗具有重要意義。

3 結(jié)論

(1)磁場強度對土壤水分運移有明顯影響，磁化水入滲速率和濕潤鋒運移速率顯著降低；在相同入滲時間下，隨著磁場強度的增加，累積入滲量呈現(xiàn)先減少、后增大的變化趨勢，磁場強度為0.3 T時，累積入滲量減小幅度最大。

(2)利用Philip入滲模型和Kostiakov入滲模型及推導(dǎo)公式對吸滲率S和飽和導(dǎo)水率Ks進行擬合，并建立其與磁場強度之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)水分運動參數(shù)與磁場強度之間存在較好的二次多項式關(guān)系,利用擬合公式求得磁場強度在0.28 T左右時，對吸滲率S和飽和導(dǎo)水率Ks影響最大。

(3)磁化水入滲能夠增加土壤上層土壤含水率，降低深層土壤的水分入滲量；磁化水入滲具有良好的洗鹽效果，單位體積磁化水淋洗鹽分的能力增大，而且洗鹽效果與土壤水分入滲速率無關(guān)，說明磁化水活性增強，溶解鹽分的能力提高。脫鹽率和淋洗效率均隨著磁場強度的增大呈現(xiàn)先增、后減的趨勢，磁場強度為0.3 T時脫鹽率和淋洗效率達到最大，淋洗鹽分的效果最好。