松嫩平原鹽堿土水分擴散率研究

1、文章編號：1008-181X（2000）03-0210-04松嫩平原鹽堿土水分擴散率研究宋新山，何巖，鄧偉，閆百興，章光新（中國科學院長春地理研究所，吉林 長春 130021）摘要：對鹽堿地土壤水鹽運動的定量描述是控制區(qū)域土壤次生鹽堿化的基礎(chǔ)，其中的土壤水分擴散率是研究土壤水鹽運動的重要參數(shù)之一。文章通過非穩(wěn)定流水平土柱法對實驗區(qū)擾動的鹽堿地土壤水分擴散率進行了測定，并將實驗結(jié)果擬合為經(jīng)驗公式，然后將測定的土壤水分擴散率應(yīng)用于水平入滲方程，用數(shù)值計算軟件Mathcad6.0對土柱水分水平入滲進行了數(shù)值模擬，將實測結(jié)果和方程模擬的土壤水分分布狀況進行了對比。結(jié)果表明本研究得出的土壤水分擴散率的經(jīng)

2、驗方程誤差較小。最后討論了影響土壤水分擴散的土壤質(zhì)地因素及土壤水分擴散率和含水率之間的單值函數(shù)關(guān)系。關(guān)鍵詞：松嫩平原；鹽堿地；次生鹽堿化；水分擴散率中圖分類號：S152.7 文獻標識碼：AStudy on Saline-alkali Soil Moisture Diffusivity in Songnen PlainSONG Xin-shan, HE Yan, DENG Wei, YAN Bai-xing( Changchun Institute of Geography, Chinese Academy of Science, Changchun 130021, China )Abstrac

3、t: The quantificational study on water and salt motion in saline-alkali soil is the foundation to control the soil secondary saline-alkalization in region, and moisture diffusivity of saline-alkali soil is one of the essential parameters to study quantificationally water and salt motion in saline-al

4、kali soil. In this paper, the method of unsteady flow horizontal soil pillar is applied to determine soil moisture diffusivity of disturbed saline-alkali soil, and the experiment results are modeled into experience formulae which are applied to calculate the saline-alkali soil moisture diffusivity b

5、y the soil water content. Furthermore, the determined saline-alkali soil moisture diffusivity is applied by the horizontally infiltration equation, and the relationship between distance of water moisture horizontal movement and water content and time in saline soil is simulated with Philip's int

6、eractive method. The study results show that the experience formulae which is obtained can be used in the water flow simulation in unsaturated soil water movement and get relatively accuracy results.Key words: Songnen Plain; saline-alkali soil; secondary saline-alkalization; saline-alkali soil moist

7、ure diffusivity松嫩平原鹽堿化土地面積約342萬hm2，占土地總面積的20%，是我國土地次生鹽堿化最嚴重的地區(qū)之一1。該區(qū)鹽堿化土地主要分布在平原的西部地區(qū)。從分布的集中程度和鹽堿化而言，吉林省的大安市最高，鹽堿化土地面積占土地總面積的59.0%，重度鹽堿化土地占鹽堿化土地面積的74.1%。其中又以大安市的叉干鎮(zhèn)土地鹽堿化最為典型，該區(qū)大部分土壤屬于鹽堿化土壤，是中國科學院科技示范區(qū)之一。由于鹽害和堿害，鹽堿化土壤區(qū)旱作糧食產(chǎn)量低，在有水源地區(qū)旱田改作水田可降低鹽堿危害，但在旱田改水田及渠道引水洗鹽的過程中，由于水田（水渠）水流及其攜帶鹽分向外側(cè)滲透，常導致周邊地區(qū)的土地次生鹽堿

8、化，特別是當水田（水渠）外側(cè)地勢低于水田，灌水后水流向外側(cè)地區(qū)滲透量大，水流滲透過程中攜帶的鹽分也較多，更容易產(chǎn)生次生鹽堿化。在鹽堿荒地開墾后的水旱間作區(qū)，常見到水田和水渠周邊大范圍的鹽堿斑。而且測定結(jié)果表明鹽堿斑的鹽分往往集中于表層（030 cm）2。叉干鎮(zhèn)的東大泡試驗區(qū)洗鹽種稻后取得了良好的經(jīng)濟效益，為了控制區(qū)域土壤的次生鹽堿化，需要對該區(qū)水鹽運動進行定量研究。通過水分擴散率的測定可定量模擬一定時間內(nèi)土壤水分擴散的距離及其與含水量之間的關(guān)系，預(yù)測土壤次生鹽堿化的發(fā)展速度3，為土壤次生鹽堿化的監(jiān)測與防治提供理論依據(jù)。土壤水分擴散率是研究土壤水鹽運動的重要參數(shù)之一，但是由于其測定手續(xù)較為麻煩，

9、通過馬利奧特瓶發(fā)泡點水平土柱實驗揭示土壤水分擴散率和土壤含水率之間的函數(shù)關(guān)系，可以在實踐中通過土壤含水率的測定而確定土壤水分擴散率4,5。1 測試原理擴散率的定義： （1）式中：D（）土壤水分擴散率，土壤含水率，m土壤基模吸力，K（）土壤非飽和導水率。另有比水容量C（）的定義為： （2）故有：D（）=K（）/C（） （3） 由上述定義可知土壤水分擴散率D（）是土壤含水率的單值函數(shù)。由于 K（）和C（）測定較為困難，實際中常通過實驗求得土壤水分擴散率和土壤含水率之間的經(jīng)驗函數(shù)關(guān)系6，這樣通過土壤含水率即可計算土壤水分擴散率。 為了消除重力的影響，實驗過程采用水平土柱進行。該測定過程要求土柱的土壤

10、質(zhì)地均一，且初始含水率均一，土柱進水端水位恒定，壓力為零。這樣水分在土柱中作水平吸滲運動，其前進的最主要動力便是土壤基模吸力。土壤中一維水平流方程及其定解條件為： （4）引入Boltzman變換參數(shù)（），則有：（5）式中x為t時刻濕潤鋒前進的距離。將（）分別對t和x求導則有： （6） （7）圖1 水平土柱實驗示意圖 將（6）、（7）代入（4）式，則得其解為： （8）將（8）式化為差分格式則有： （9） 利用實驗結(jié)果求得-關(guān)系曲線，然后應(yīng)用差分原理（9）式）即可求出與對應(yīng)的土壤水擴散率D（）。2 材料與方法2.1 供試土樣供試土樣為松嫩平原西部大安市叉干試驗區(qū)東大泡鹽堿地開墾后的水田和周邊的鹽堿

11、荒地表層土壤（030 cm混合），質(zhì)地為砂質(zhì)壤土。由其基本理化特性（表1）可見鹽堿地土壤中的致堿化指標Na+、CO32-、HCO3-含量明顯高于鹽堿地開墾后的水田中的相應(yīng)指標含量，故其pH高于后者，而且總體上前者的鹽分含量也明顯高于后者，這也說明鹽堿地經(jīng)洗鹽種稻后其鹽堿化程度明顯減輕。另外鹽堿地土壤的有機質(zhì)含量低于鹽堿地開墾后的水田中相應(yīng)指標，但前者的體積質(zhì)量（1.28 g/cm3）大于后者（1.18 g/cm3）。土壤經(jīng)風干后，過2 mm篩處理。2.2 測試方法 實驗水平土柱用總長62 cm，內(nèi)徑6 cm的有機玻璃管制成。試樣段由27個長2 cm的圓環(huán)組成。將混合過篩土樣用棒攪勻，用與之直徑

12、相仿的平頭木棒壓實裝填土柱。測定時將馬利奧特瓶發(fā)泡位置調(diào)節(jié)在橡皮管口與土柱中央平齊又剛好出水為好，即不允許有水頭差的存在，土壤入滲時只靠其本身基模吸力。整個實驗裝置如圖1所示。實驗開始，開啟馬利奧特瓶發(fā)泡開關(guān)和出水口開關(guān)并記錄開始時刻t1，然后按5 min的時間間隔記錄土柱中濕潤鋒前進距離，等濕潤鋒前進到土柱長度的約4/5時停止供水，并記錄結(jié)束供水的時刻t2，這樣測試總歷程t=t2-t1。然后按環(huán)依次取土，用常規(guī)的烘干稱重法測試并計算各環(huán)（即不同滲透距離處）的土壤含水率，得出土壤含水率分布。3 結(jié)果與討論表1 供試土樣基本理化特性取樣地點體積質(zhì)量/(g×cm-3)水溶性鹽分/（mg&

13、#215;kg-1）pH有機質(zhì)CO32-HCO3-CL-SO42-Mg2+Ca2+Na+K+/%水田鹽堿地1.181.280622.188.820.830.440.8233.222.38.338.945.433.45144.02854.8133.218.036.530.11190.215.33.1 結(jié)果3.1.1 繪制-曲線 根據(jù)（5）式及記錄的數(shù)據(jù)，計算土柱不同長度處的Boltzman常數(shù)，然后將其和對應(yīng)的含水率（值）繪成曲線圖（圖2）。3.1.2 計算非飽和流條件下的土壤水分擴散率/（cm×min-1）/（cm3×cm-3）bD =1.28 g/cm30 =0.071

14、cm3/ cm3依據(jù)測試原理所述方法和差分原理（9）式）及上面繪制的-曲線，即可計算非飽和流條件的土壤水分擴散率D（）。然后根據(jù)最小二乘法的原理，將之擬合成含水率的單值經(jīng)驗方程7：LogD（）=A+B（參數(shù)見表2）。3.2 討論 （1）繪制-曲線時，=xt-1/2（t由測定歷程時段確定），進水端附近含水率分布回出現(xiàn)跳動，其值有時偏高，修正方法是按進水端之前的趨勢平推，將-曲線修正為光滑曲線。表2 實驗擬合結(jié)果土樣始端含水率/（cm3×cm-3）終端含水率/（cm3×cm-3）LogD（）=A+B相關(guān)系數(shù)（R）A B水田0.5060.09313.4318-6.87670.95

15、68鹽堿地0.4420.05617.9785-9.89760.9423圖2 松嫩平原鹽堿土實測-關(guān)系曲線 （2）值反應(yīng)了水分在土壤中水平滲透的速度大小。研究結(jié)果表明，土壤體積質(zhì)量大，緊實度高，可降低土壤水分水平運移速度，即容重大的土壤其值小。圖2中體積質(zhì)量為d =1.18 g/cm3的土壤（a）的值明顯大于體積質(zhì)量為d =1.28 g/cm3的土壤的值。另外，鹽堿荒地中Na+離子含量（1190.24 mg/kg）遠高于開墾后的水田中Na+離子含量（233.17 mg/kg）(表1)。由于Na+的高度分散性，引起土壤中團聚體的破壞，增加了水化作用，減少了土壤中的微空隙，使土壤水分擴散性能降低。/

16、（cm×min-1）/（cm3×cm-3）aD =1.18 g/cm30 =0.058 cm3/cm3（3）根據(jù)測得的土壤水分擴散率D（）及方程（4），應(yīng)用MathCad數(shù)值計算軟件，對水分在鹽堿土中的水平入滲進行了計算機模擬，并將模擬結(jié)果和實測結(jié)果繪制于圖3中，可以發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用D（）的經(jīng)驗方程可較好的模擬鹽堿土中的水分水平運移狀況，若將之和鹽分離子的運動模型相耦合，就能實現(xiàn)鹽堿土水鹽運動的定量模擬，并能預(yù)測水田周邊鹽堿化的發(fā)展速度。雖然鹽分隨水運移，但實際上鹽分的運移遠比水分運移復(fù)雜，因為鹽分在運動中，伴隨著吸附與交換、溶解與沉淀、水解與絡(luò)合及氧化與還原等過程，所以要精確描

17、述土壤中的水鹽運動，必須將水分運動方程和鹽分的各種物理化學過程相耦合，才能得出符合實際的結(jié)論。另外，模擬結(jié)果也證實了（2）的討論，由圖3（a）和（b）可見，由于前者體積質(zhì)量（1.18 g/cm3）小于后者（1.28 g/cm3），故水分運移約50 cm，前者需225 min，而后者需352 min。這是由于增加土壤容重，降低了土壤用于傳導水分的大空隙和毛管空隙的數(shù)量。由此推斷，如果開墾后的水田周邊土壤體積質(zhì)量大，可減緩周邊旱田土壤次生鹽堿化的發(fā)展速度。滲透距離/cm土壤含水率/(cm3×cm-3)bD =1.28 g/cm3T =352 min圖3 土壤水分水平入滲實測和模擬結(jié)果的比

18、較土壤含水率/（cm3×cm-3）aD =1.18 g/cm3T =225 min （4）由曲線3（a）和（b）可以看出，兩種土壤的含水率均有一快速下降轉(zhuǎn)折點，分別在0.30 cm3/cm3和0.27 cm3/cm3處。而且總體上，滲透結(jié)束后，鹽堿荒地土壤的含水率隨土柱距離的變化緩于開墾后的水田土壤（圖3a、b）。另外從對D（）與擬合的單值函數(shù)的相關(guān)關(guān)系(表2)可以看出，在=0.01的顯著性水平下，其相關(guān)系數(shù)均大于0.94，達到了顯著相關(guān)水平，這一統(tǒng)計結(jié)果也說明，將土壤水分擴散率擬合成土壤含水率的單值函數(shù)在實踐中是可行的。參考文獻：1 李取生, 裘善文, 鄧偉. 松嫩平原土地次生鹽堿化研究 J. 地理科學，1998，18（3）：268-272.2 張學林, 任淑芬, 張曉平. 低洼易澇鹽堿地水田土壤次生鹽堿化防治技術(shù) A. 見：松嫩平原鹽堿地與風沙地農(nóng)業(yè)綜合發(fā)展研究 C. 北京: 科學出版