土壤中钠离子质量分数对philip模型参数的影响

土壤中钠离子质量分数对philip模型参数的影响

我国盐碱地主要分布在沿海盐土和海洋土壤、黄淮海平原盐碱地、东北松嫩平原盐土和碱地、半沙漠地区的盐土和青海极端干旱的盐土五个区域。总面积约913.105公顷。中国是一个拥有众多农业大国和近几亿个农业耕地的严重问题。据统计，2005年中国人均耕地面积为0.1.14平方米，世界人均耕地面积为43.7%。因此，我们需要对碱土进行改善和利用。盐碱地的利用和改良是一个历史问题,目前改良盐碱地最普遍的方法是以排为主,重视灌溉冲洗,将可溶性盐随着水分的入渗运动而移走。但是我国是干旱缺水问题十分严重的国家之一,而灌溉冲洗对水资源的需求量很大,为解决这个问题,目前我们正在进行节约淡水型盐碱荒地开发利用技术。此项技术的前期准备是用咸水灌溉盐碱荒地,清洗部分盐分,然后利用透水地膜叠加降水,控制土壤盐分运动方向,达到改良盐碱荒地的目的。但是由于盐碱土壤中钠离子质量分数较高,土壤的物理化学性质恶化,灌溉水不容易入渗,为节约淡水型盐碱荒地开发利用技术的进行带来了很大的困难。本研究试图对不同钠离子质量分数的土壤进行入渗试验,分析讨论土壤中钠离子质量分数对土壤入渗能力的影响及其数量关系,为节约淡水型盐碱荒地开发利用技术及盐碱地的改良提供科学支撑。1材料和方法1.1试验土壤本试验选取山西省太原盆地边缘黄土丘陵区表层耕作土壤为供试土样。所选土样的盐分本底值和各种离子含量如表1所示。1.2土壤中离子质量分数的测定试验土柱设计含水量为4%(质量分数);干容重分两个等级,分别为1.345,1.624g/cm3,作为两个例证;设计8个水平的钠离子质量分数,所取土壤(不添加氯化钠)作为一个水平,在供试土样中按0.3,0.5,1,1.5,2,2.5,3g/kg的比例填加氯化钠作为7个水平,配置后土样的离子质量分数见表1。将试验土样风干、碾碎后,过2mm细筛,配以所需的含水量和钠离子,搅拌均匀放置三天以上,使水和钠离子分布均匀。装土时分层填装,每层土厚2cm.1.3物理模型的组成本试验所采用的主要仪器为室内土壤水分入渗仪。室内土壤水分入渗仪由马氏筒和渗吸筒两大组成部分。马氏筒为试验土柱提供恒定水头,并实现自动供水和计量。渗吸筒内装供试土壤,共同构成入渗土壤物理模型。渗吸筒内径7.1cm,高65cm,用有机玻璃管材制作,其底端配置均布小孔的多孔板,以保证渗吸筒内的土壤的通气性。如图1所示。2试验结果与分析2.1钠离子的含量对土壤的渗透能力有影响2.1.1钠离子质量分数对土壤细菌粒径的影响图2所示为干容重分别为1.345g/cm3(图2-a)和1.624g/cm3(图2-b)具有不同钠离子质量分数土壤的累积入渗量随时间的变化过程线。由图2可以看出:无论在何种容重条件下,钠离子质量分数都对土壤的累积入渗量产生影响。随着钠离子质量分数的增加,在相同时间内土壤的累积入渗量减少;钠离子质量分数低的土壤的累积入渗量曲线始终位于钠离子质量分数高的土壤的累积入渗量曲线之上。在容重为1.345g/cm3的供试土样中,钠离子质量分数由0.646g/kg增加到3.346g/kg,180min内的累积入渗量从7.25cm减少到1.88cm;在容重为1.624g/cm3的供试土样中,钠离子的质量分数由0.346g/kg增加到2.846g/kg,180min内的累积入渗量从5.69cm减少到2.60cm.2.1.2交换性钠离子对土壤水分运动及分布的影响表2所示为干容重分别为1.345g/cm3和1.624g/cm3具有不同钠离子质量分数的土壤在不同时段内的入渗率。由表2可以看出:在同一钠离子质量分数条件下,土壤的入渗率随时间逐渐变小,最后趋于一个相对稳定值;在同一个土壤容重条件下,相同时间段内的土壤的平均入渗率随着钠离子质量分数的增加而降低。在入渗开始后的30min内,平均入渗率下降的幅度很大,30min以后平均入渗率下降的幅度逐渐变小,120min后平均入渗率趋于一个稳定的值。干容重为1.345g/cm3的土样,钠离子质量分数由0.646g/kg增加到3.346g/kg,10min时入渗率由0.197cm/min减少到0.106cm/min,变化幅度为0.091cm/min,减少了46.2%,60min时入渗率由0.044cm/min减少到0.007cm/min,变化幅度为0.037cm/min,减少了84.1%.土壤中钠离子质量分数较大时,pH值一般大于8.5,在这样高的碱度条件下土壤溶液中钙、镁离子的溶解度明显下降,土壤溶液中阳离子组成为钠离子,占绝对优势,土壤胶体上吸附的钙、镁等离子容易被钠离子交换到土壤溶液中,土壤胶体上吸附的交换性钠离子浓度增高。土壤胶体在交换性钠的影响下水化度增大,胶体的扩散双电层DDL厚度和电动电位增加,电动电位的升高使土壤遇水容易胶溶分散。随着交换性钠浓度的增加,土壤的分散度增加,使土壤中的大孔隙崩塌变成小孔隙,小孔隙变成更小的孔隙,土体的结构性变差。当有水分入渗时候,土壤粘粒随水分的运动下移沉积,形成致密的透水性差的块状或柱状的碱化层。山西省应县是盐碱程度比较严重的地区。测试结果表明盐碱地耕作层土壤的平均容重均在1.5g/cm3以上,而当地的非盐碱耕作层土壤的平均容重在1.3g/cm3左右,由此可知:盐碱地的土壤容重比当地其它非盐碱地的土壤容重明显增大,这就是由于交换性钠离子引起土壤团聚体和粘粒的分散,导致土壤大孔隙和小孔隙的崩塌累积,容重增大。土壤中的大孔隙变小致使土壤的水力传导度变小。水力传导度是指单位梯度下的土壤水分的通量或渗透流速。而通量是相对单位面积并且是对全部土壤断面面积(即孔隙和土粒所占面积的总和)而言的。交换性钠离子浓度的增多导致土壤中大孔隙和小孔隙的崩塌累积,致使土壤孔隙的实际过水面积减少,因而单位时间内通过单位土壤面积的水量也随之减小;另一方面,土壤孔隙越小,水流在其中流动所受的阻力越大,孔隙中水流的实际流速降低。这样,交换性钠离子的增多使土壤的水力传导度降低,影响了土壤水分的入渗速度。2.2ip入渗模型描述本试验的土壤水分入渗过程可用Philip入渗模型来描述:i(t)=12St−12+A.i(t)=12St-12+A.式中:S为吸渗率,A为稳定入渗率。2.2.1土壤入渗模型参数a的确定由表2可以看出,随着入渗时间的增加,土壤的入渗率逐渐变小,当入渗时间达120min后,入渗率逐渐趋于稳定,其值接近或大于土壤的水力传导度,这个入渗率称为稳定下渗强度或稳定入渗率,记为A。随着入渗时间的增长,入渗模型参数A对土壤入渗率的大小起主要作用。图3所示为容重1.624g/cm3和1.345g/cm3两组供试土样,不同w(Na+)与土壤的稳渗之间的拟合曲线。可以看出稳渗率与w(Na+)之间有良好的负相关关系,拟合方程式如下:容重1.345g/cm3,A=0.2534w(Na+)-0.3448,R2=0.9653;容重1.624g/cm3,A=0.1511w(Na+)-0.1642,R2=0.99571.2.2.2土柱中钠离子质量分数a的影响土壤入渗模型参数S值在数值上等于第一个时段末的入渗量,是反映土壤入渗能力的一个重要指标,在入渗初期,模型参数S对土壤的入渗率的大小起主要作用。图4所示为w(Na+)与吸渗率S之间的关系图。由图4可知:w(Na+)与吸渗率S之间成负相关关系,拟合方程式为:容重1.345g/cm3,S=0.0111w(Na+)-1.2029,R2=0.9677;容重1.624g/cm3,S=0.0076w(Na+)-0.849,R2=0.875.由图3,图4可知:吸渗率S和稳定入渗率A都随着土柱中钠离子质量分数的增加而变小,其变化过程可以用幂函数来表征。最小的R2=0.875,这表明吸渗率S和稳定入渗率A都与钠离子质量分数具有密切的相关性。3土壤理化性质的变化1)土壤钠离子质量分数对土壤入渗能力的影响明显。土壤中钠离子质量分数由低到高,相同时间内的土壤的累积入渗量减小,相同时刻的土壤的入渗率降低。2)土壤中钠离子质量分数的增加,使土壤胶体上吸附的钙、镁等离子更容易被钠离子交换到土壤溶液中,土壤胶体上吸附的交换性钠离子浓度增高。土壤胶体在交换性钠的影响下水化度增大,胶体的扩散双电层D