咸水/微咸水入渗对土壤渗透性和溶质运移的影响及数值模拟

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干旱与半干旱地区淡水资源严重缺乏,日益增长的工农业生产活动使水资源供需矛盾日渐突出。为缓解水源短缺从而过度开采地下水资源,导致地下水位不断下降,水循环系统面临严重威胁。突破淡水资源短缺这一瓶颈,寻找替代水源缓解地下水源过度消耗保障农业粮食安全、农业可持续发展成为当前要务。而咸水、微咸水作为潜在水源可以用于农业生产中,开发利用咸水、微咸水资源成为当前相关领域科研工作者关注的焦点问题。利用地下丰富的咸水、微咸水进行农业灌溉,提供了作物生长必须的水分,缓解了淡水资源不足的问题,但是咸水/微咸水的灌溉将大量的盐分离子带入至土壤中,引起土壤物理化学性质的改变,在一定程度上造成土壤板结、土壤盐渍化及作物减产等负面影响。本文通过室内土柱出流实验,选择青岛市即墨区农田0~30cm的表层砂壤土,风干、过筛后填装至土柱中,为探究咸水与微咸水入渗对不同深度处土壤的影响,把整个土柱根据观测孔的位置,自上而下分为四个层段:A段(4-10 cm)、B段(10-16cm)、C段(16-22 cm)和D段(22-28 cm),主要从三个方面开展研究工作:一是探讨咸水/微咸水(用不同浓度的单一氯化物溶液或多种氯化物混合溶液来表征)入渗时,矿化度(氯化物浓度表征)、盐分阳离子类型、钠吸附比等因素对土壤渗透性时空变化的影响;二是揭示在咸水/微咸水的入渗过程中,其矿化度、离子类型、钠吸附比等所造成的土壤渗透性改变,又是如何影响盐分阳离子运移特征的;三是用Hydrus-1D软件对不同的盐分阳离子、不同钠吸附比时的盐分阳离子在土壤中的迁移过程进行了数值模拟,得出以下结论:(1)Na+降低了土壤的渗透性,Ca2+和Mg2+能够提升土壤的渗透性。单一盐分阳离子,如Na+、Ca2+和Mg2+溶液入渗时,随着其浓度的增加,对土柱各层段渗透性有不同的影响。NaCl溶液入渗时,土柱各个层段的渗透性随着入渗溶液浓度的升高而逐渐减小,其中浓度较低(3 g/L)时,Na+以多沉积在土柱10~16cm为主,对土柱10~16 cm深度处的渗透性改变最大,降低最为明显;随着NaCl溶液浓度的升高,土壤对Na+吸附作用增强,Na+沉积在土壤上层较多,Na+浓度的增大引起颗粒的分散导致土壤孔隙减小,渗透性减小,此时对表层土壤(4~10 cm)的渗透性影响最大。CaCl2、MgCl2溶液入渗时,Ca2+和Mg2+同为二价阳离子对土壤渗透性的作用相似,使土壤中的扩散双电子层向土壤粘粒表面压缩,土壤颗粒间的排斥力降低,较小的粒子粘结到一起形成较大的土壤团聚体,使土壤中的大孔隙增多,使土壤渗透性得到了一定的提升,并且随着CaCl2、MgCl2溶液浓度的增加,对土柱渗透性的增大程度逐渐减小。Mg2+由于对土壤黏粒有一定的分散作用,因此Mg2+对土壤渗透性的提升作用小于Ca2+。(2)在不同钠吸附比的咸水/微咸水入渗时,都对土柱各层段的渗透性起到了一定的提升作用,提升程度随着钠吸附比的增加逐渐减小。入渗溶液氯化物浓度小于5 g/L时,渗透性随着氯化物浓度的增加而增加,当氯化物浓度大于5 g/L时,渗透性增大程度随着氯化物浓度的增加呈现逐渐减小的趋势。当钠吸附比为30时,土柱上层呈现渗透性逐渐增加的趋势,土柱下层渗透性在初始值附近波动。不同氯化物浓度、离子类型、钠吸附比下的溶液入渗对土柱上层渗透性的影响程度大于下层。(3)土柱整体的渗透性随入渗水阳离子类型、氯化物浓度、钠吸附比的变化趋势与土柱各层段的变化趋势相似。整体土柱的平均渗透系数与土柱各个层段中最小的渗透系数所在层基本保持一致,表明由土柱渗透性最小的层段决定。(4)土壤渗透性时空变化,也影响着土壤中盐分阳离子运移过程。土柱不同深度处盐分阳离子的出流时间及出流达到浓度峰值所需要时间,均受土壤渗透性变化的影响;同时对出流液中不同盐分阳离子相对浓度峰值有一定影响。入渗的咸水/微咸水中Ca2+和Mg2+占主导地位时,渗透性增加越大,这些盐分阳离子的出流时间与出流达到浓度峰值所需时间越短;入渗水中Na+含量较高时,由于Na+的增加引起的土壤渗透性减小,导致盐分阳离子在土壤中的迁移速度较为缓慢。渗透性的不断减小,阳离子运移速度缓慢,使得上层土壤对Na+的吸附性能增加。(5)借助于Hydrus-1D软件,运用非平衡单点吸附模型对不同影响因素下盐分阳离子在土柱中的时空变化过程进行数值模拟,拟合所得R2均大于0.86,RMSE均小于0.94,说明非平衡单点吸附模型可以较好地表征盐分阳离子在土壤中的迁移行为。从模拟结果看,单一盐分阳离子入渗时,土壤对Mg2+的吸附能力大于Na+,也大于Ca2+;参数Kd表示溶质在土壤中吸附能力的大小,模拟结果中CaCl2入渗时参数Kd最小,土壤对Ca2+吸附能力最弱,因此Ca2+在土柱中运移能力最强,也最早达到出流浓度峰值;并且土壤对这三种阳离子的吸附能力随着入渗深度的增加而增加。
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