盛 豐，方嫻靜，吳 丹，胡國(guó)華，危潤(rùn)初，諶宏偉

（1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410114；2.洞庭湖水環(huán)境治理與生態(tài)修復(fù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410114）

0 引 言

氣候變化和人口的急劇增長(zhǎng)正在加劇全球淡水危機(jī)和農(nóng)業(yè)灌溉水資源短缺，嚴(yán)重危及了糧食安全和公共衛(wèi)生[1]。美國(guó)地質(zhì)勘探局（United States Geological Survey, USGS）指出全球2.5%的淡水資源中供人類使用的不足1%，且全球56%的灌溉農(nóng)田位于水資源高度緊張或極度緊張的地區(qū)[2]。隨著氣候變化形式加劇，政府間氣候變化專門委員會(huì)（Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC）預(yù)測(cè)21 世紀(jì)末地球干旱地區(qū)水資源矛盾將愈加凸顯[3]，占全球淡水總提取量70%的淡水灌溉將受到嚴(yán)重威脅[4-6]。目前中國(guó)水資源開(kāi)發(fā)已接近極限，隨著中國(guó)生活水平的不斷提高，工業(yè)和生活生態(tài)用水不斷擠占農(nóng)業(yè)用水，而新增用水量十分有限，且主要用于工業(yè)、生活和生態(tài)用水，農(nóng)業(yè)灌溉用水不再增加[7]。在水資源緊缺致使糧食安全受到嚴(yán)重威脅的背景下，尋求一種可持續(xù)利用的水源——再生水用于農(nóng)業(yè)灌溉已變得刻不容緩[8-9]。中國(guó)污水年排放量已經(jīng)達(dá)到400 多億m3，污水回收處理率也達(dá)到了70%，經(jīng)回收處理后的污水轉(zhuǎn)化為再生水將大大緩解農(nóng)業(yè)灌溉用水的緊缺情況[10]。然而再生水中殘留的鹽分[11-12]、懸浮固體顆粒[13]、重金屬[14-16]、病原體（病毒、細(xì)菌和原 生動(dòng)物）[17-19]等各種物理、化學(xué)和生物物質(zhì)的濃度均明顯高于傳統(tǒng)灌溉水，這些物質(zhì)進(jìn)入到受灌農(nóng)田土壤中后將引起土壤結(jié)構(gòu)改變[20-23]，進(jìn)而增大入滲水流運(yùn)動(dòng)的不確定性、農(nóng)田水資源管理難度以及地下水環(huán)境的污染風(fēng)險(xiǎn)。特別是再生水中的懸浮固體顆粒，其進(jìn)入到土壤中后將使得土表結(jié)皮、土壤孔隙堵塞、土壤容重增大、地表入滲能力下降[24]，從而破壞土壤結(jié)構(gòu)、增大土壤的非均質(zhì)性，進(jìn)而增大入滲水流運(yùn)動(dòng)的不確定性、農(nóng)田水資源管理難度以及地下水環(huán)境的污染風(fēng)險(xiǎn)。長(zhǎng)期以來(lái)，關(guān)于再生水灌溉的研究多集中于再生水灌溉對(duì)土壤氮磷等元素遷移與轉(zhuǎn)化的影響[25]、對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)機(jī)理和產(chǎn)量的影響[26]以及對(duì)重金屬在土壤及作物中的遷移與富集等方面[27-28]，而較少涉及灌溉水中懸浮固體及其影響。除再生水外，懸浮固體也是常規(guī)灌溉水普遍含有的一種物質(zhì)[29]，尤其是一些作為農(nóng)田灌溉水源的多沙質(zhì)河流（如我國(guó)黃河流域的灌區(qū)大多是以多泥沙河流為水源進(jìn)行灌溉[30]）。因此，開(kāi)展灌溉水中懸浮固體對(duì)土壤水分入滲性能的影響研究具有普遍和重要的意義。

1 試驗(yàn)與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1.1 試驗(yàn)原材料

本文主要研究灌溉水中的懸浮固體在土壤孔隙中沉積而引起的土壤物理性質(zhì)變化及其對(duì)水分入滲性能的影響。由于自然土壤本身具有非常明顯的非均質(zhì)性，引發(fā)和加劇了優(yōu)先流結(jié)構(gòu)的形成和發(fā)展，導(dǎo)致難以定量化灌溉水中懸浮固體對(duì)土壤物理性質(zhì)和水分入滲性能的影響，因此，本研究利用人工填充的砂柱開(kāi)展含懸浮固體灌溉水灌溉試驗(yàn)，試驗(yàn)用砂為經(jīng)過(guò)水洗后的風(fēng)干砂（物理和水動(dòng)力性質(zhì)參數(shù)如表1 所示），其粒徑主要集中在100~500 μm（占總質(zhì)量的86.09%）。事實(shí)上，砂柱也常被用來(lái)代替土柱用于研究水及溶質(zhì)在土壤中的遷移、降解和轉(zhuǎn)化過(guò)程[31-33]。經(jīng)烘干法測(cè)定，本試驗(yàn)用砂的初始含水率可以忽略不計(jì)。

表1 試驗(yàn)用砂的物理和水動(dòng)力性質(zhì)參數(shù) Table 1 Physical and hydrodynamic properties of sand for experiment

試驗(yàn)入滲框采用透明有機(jī)玻璃制成，以便觀測(cè)側(cè)面的水流運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)；入滲框內(nèi)壁尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為0.3 m× 0.3 m×0.5 m，如圖1 所示。砂柱填充前，先在透水石板上鋪設(shè)5 層紗網(wǎng)，將有機(jī)玻璃入滲框垂直置于紗網(wǎng)之上，以便入滲水順利排出。根據(jù)設(shè)計(jì)容重（1.44 g/cm3）按5 cm一層分層填充砂柱，共填充9 層；預(yù)留5 cm 高度的入滲框作為灌水使用，以避免灌水溢出入滲框。懸浮顆粒粒徑分布十分廣泛，從0~100 μm 不等[34]。本試驗(yàn)所用的含懸浮固體灌溉水采用粒徑在0~20 μm 范圍內(nèi)（馬爾文2000型激光粒徑分析儀測(cè)定）的煅燒高嶺土與清水按照設(shè)計(jì)的懸浮固體濃度（如表2 所示）配置而成。試驗(yàn)所用的染色劑采用濃度為10 g/L 的亞甲基藍(lán)溶液。亞甲基藍(lán)在隨水流運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中分散到土壤中并將流動(dòng)區(qū)域染成深藍(lán)色，從而將水流所經(jīng)過(guò)的區(qū)域（藍(lán)色）顯示出來(lái)。

圖1 入滲框及砂柱側(cè)面與水平剖面優(yōu)先流結(jié)構(gòu) Fig.1 Infiltration frame and preferential flow observed form frame sides and horizontal soil layers

1.1.2 灌水入滲試驗(yàn)

灌水入滲試驗(yàn)于2016 年10 月－2017 年6 月在長(zhǎng)沙理工大學(xué)水文實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。為研究灌溉水中的懸浮固體對(duì)土壤水分入滲性能的影響，共設(shè)計(jì)3 種不同條件的試驗(yàn)：灌溉水懸浮固體濃度影響試驗(yàn)、灌水頻率影響試驗(yàn)和含懸浮固體灌溉水-清水交替灌溉模式影響試驗(yàn)。灌溉水懸浮固體濃度影響試驗(yàn)采用懸浮固體濃度分別為0、1.0、5.0 和10.0g/L的灌溉水對(duì)試驗(yàn)填充砂柱進(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)采用懸浮固體濃度為5.0 g/L 的灌溉水進(jìn)行灌溉，共開(kāi)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組每2天灌溉1次，每次灌水量為40 mm，共灌溉10次；第3組每4天灌溉1次，每次灌水量為80 mm，共灌溉5 次。含懸浮固體灌溉水-清水交替灌溉模式影響試驗(yàn)采用懸浮固體濃度為5.0 g/L 的灌溉水進(jìn)行灌溉，共開(kāi)展3 組不同交替灌溉模式的試驗(yàn)：第1 組僅采用含懸浮固體灌溉水進(jìn)行灌溉，第2 組采用含懸浮固體灌溉水每灌溉3次后采用清水灌溉1 次，第3 組采用含懸浮固體灌溉水每灌溉1 次后采用清水灌溉1 次；各試驗(yàn)每天灌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(lái)的誤差，各試驗(yàn)條件下均開(kāi)展2 個(gè)重復(fù)試驗(yàn)。各試驗(yàn)的試驗(yàn)條件設(shè)置如表2 所示。

表2 含懸浮固體灌溉水灌溉試驗(yàn)條件設(shè)置 Table 2 Settings for experiments irrigated with water containing suspended solids

為消除初始含水率對(duì)入滲水流運(yùn)動(dòng)的影響，各試驗(yàn)砂柱在灌溉試驗(yàn)開(kāi)始前2 天采用16cm 深的清水對(duì)試驗(yàn)砂柱進(jìn)行預(yù)灌溉（分4 次灌入，每次灌水4 cm，每次灌水時(shí)間間隔12 h）。最后1 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(kāi)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(duì)各試驗(yàn)砂柱進(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。亞甲基藍(lán)溶液灌溉48 h 后，拍照記錄各試驗(yàn)4 個(gè)側(cè)面的染色水流分布模式如圖1 所示。側(cè)面照相結(jié)束后，人工開(kāi)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 所示。照相結(jié)束后，用環(huán)刀（直徑61.8 mm、高20 mm，體積60 cm3）在染色區(qū)取樣用以測(cè)定土壤的容重、孔隙率和懸浮固體沉積量等。

為避免所施加的清水、灌溉水和染色劑溶液沖刷砂柱表層形成沖刷坑，從而人為造成灌水集中入滲，在每次灌溉前先在入滲框框內(nèi)鋪設(shè)1 層塑料薄膜，將需要灌入的清水、含懸浮固體灌溉水和染色劑溶液先注入到塑料薄膜之上，然后迅速將塑料薄膜抽去，使灌溉水1 次性注入砂柱表面，測(cè)定并記錄每次灌水完全滲入砂柱的時(shí)間。

1.2 分析方法

1.2.1 灌水入滲時(shí)間

入滲時(shí)間采用秒表進(jìn)行測(cè)量，為塑料薄膜抽去后灌溉水完全滲入到砂柱中所用的時(shí)間，是土壤入滲性能和導(dǎo)水性能的直接反映。

1.2.2 容重和孔隙率

容重采用烘干法測(cè)定。容重測(cè)量完成后，將烘干后的砂樣轉(zhuǎn)移至體積為100 mL 的玻璃試管中，然后用移液管向試管中滴加蒸餾水（V1）至95 mL，再用電砂浴加熱試管至沸騰并保持微沸1 h，煮沸過(guò)程中經(jīng)常搖動(dòng)試管以加速空氣氣泡排出；煮沸完成并待試管靜止冷卻后，用移液管沿試管管壁向試管中滴加蒸餾水（V2）至100 mL。則所取砂樣的孔隙率（?）為

式中? 為砂樣孔隙率，cm3/cm3；V1和V2分別為先后2 次滴加的水量，mL。

1.2.3 懸浮固體沉積量

孔隙率測(cè)量完成后，將試管中的砂樣轉(zhuǎn)移至600 目（23μm）的洗篩中，用洗瓶反復(fù)沖洗砂樣直至濾液完全清澈為止。將沖洗完成后的砂樣轉(zhuǎn)移至鋁盒中，烘干并稱質(zhì)量，則所取砂樣中懸浮固體沉積量為

式中γ 為單位體積砂樣中沉積的懸浮固體質(zhì)量，g/cm3；m1和m2分別為水洗前（容重測(cè)量時(shí)已測(cè)定）后的砂樣質(zhì)量，g；m0為試驗(yàn)用砂中的細(xì)顆粒（粒徑<23μm）的質(zhì)量，g。

1.2.4 入滲水流通道彎曲系數(shù)

只要入滲水穿過(guò)土壤中的滲透區(qū)域就會(huì)有優(yōu)先流出現(xiàn)[35]。優(yōu)先流受土壤性質(zhì)與水流運(yùn)動(dòng)自身的非線性等多種因素影響，增大了入滲水流運(yùn)動(dòng)的不確定性。本文采用入滲水流通道彎曲系數(shù)[36]來(lái)定量描述不同試驗(yàn)條件下土壤水流運(yùn)動(dòng)的非均勻特征。

按照Morris 和Mooney[37]提出數(shù)字圖像分析技術(shù)，將各試驗(yàn)4 個(gè)側(cè)面和不同深度的水平剖面上獲得的染色圖像轉(zhuǎn)化成黑（染色）白（未染色）的二元化信息圖片，在此基礎(chǔ)上計(jì)算出各試驗(yàn)4 個(gè)側(cè)面觀測(cè)到的入滲水流通道彎曲系數(shù)（Cv1）和整個(gè)試驗(yàn)砂柱中（Cv2）的入滲水流通道彎曲系數(shù)如式（3）所示：

式中Cv1和Cv2分別為砂柱側(cè)面的和整個(gè)試驗(yàn)砂柱中整體的入滲水流通道彎曲系數(shù)；LR為砂柱側(cè)面的入滲濕潤(rùn)鋒曲線長(zhǎng)度，cm；Ll為砂柱的水平寬度，cm；SR為砂柱中的入滲濕潤(rùn)鋒曲面面積，cm2；Sl為砂柱的水平剖面面積，cm2。Cv1和Cv2越大，表明入滲水流流動(dòng)的非均勻性越強(qiáng)，入滲水流運(yùn)動(dòng)的不確定性也越大。

2 結(jié)果與分析

本文通過(guò)分析不同試驗(yàn)條件下灌溉水中懸浮固體對(duì)土壤容重、孔隙率和懸浮固體沉積量的影響，來(lái)研究灌溉水中懸浮固體對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響；通過(guò)分析不同試驗(yàn)條件下灌溉水中懸浮固體對(duì)灌水入滲時(shí)間和入滲水流通道彎曲系數(shù)的影響，來(lái)研究灌溉水中懸浮固體對(duì)土壤水分入滲性能的影響。

2.1 灌溉水懸浮固體濃度的影響

2.1.1 對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響

不同懸浮固體濃度條件下各試驗(yàn)灌溉結(jié)束后的容重、孔隙率、懸浮固體沉積量隨入滲深度分布如圖2 所示。

圖2 不同懸浮固體濃度條件下灌溉結(jié)束后的容重、孔隙率和懸浮固體沉積量隨入滲深度分布 Fig.2 Distributions of soil bulk density, porosity and suspended solids deposition with infiltration depth for experiments irrigated with water containing different concentration of suspended solid particles

圖2 顯示，在入滲深度（0~22.5 cm）范圍內(nèi)，相同深度處各試驗(yàn)的容重隨著灌溉水中懸浮固體濃度的增加而增大。其中，在砂柱表面（0 cm），各試驗(yàn)的容重小于砂柱填充時(shí)的設(shè)計(jì)容重（1.44g/cm3），尤其是采用清水灌溉的試驗(yàn)（0 g/L）和低懸浮固體濃度灌溉水灌溉的試驗(yàn)（1.0 和5.0 g/L）；在2.5 cm 深度附近，灌溉水懸浮固體濃度為5.0 和10.0 g/L 試驗(yàn)的容重達(dá)到各試驗(yàn)整個(gè)入滲深度范圍內(nèi)的最大值，然后隨入滲深度增大逐漸減小到填充設(shè)計(jì)容重。圖2 顯示，在入滲深度范圍內(nèi)，相同深度處的孔隙率隨著灌溉水中懸浮固體濃度的增加而減小。其中，在砂柱表面（0 cm），各試驗(yàn)的孔隙率均大于填充砂柱的初始孔隙率（0.435 cm3/cm3），尤其是采用清水灌溉的試驗(yàn)和低懸浮固體濃度灌溉水灌溉的試驗(yàn)；在2.5~15.0 cm深度范圍，灌溉水懸浮固體濃度為10.0 g/L 試驗(yàn)的孔隙率明顯小于填充砂柱的初始孔隙率。圖2 顯示，在入滲深度范圍內(nèi)，相同深度處各試驗(yàn)的懸浮固體沉積量隨著灌溉水中懸浮固體濃度的增加而增大，且各試驗(yàn)的懸浮固體沉積量隨著入滲深度的增大迅速減小。其中，灌溉水中的懸浮固體濃度為1.0 g/L 的試驗(yàn)，隨灌水進(jìn)入砂柱中的懸浮固體主要沉積在表層0~5.0 cm 深度；灌溉水中的懸浮固體濃度為5.0 g/L 的試驗(yàn)，隨灌水進(jìn)入砂柱中的懸浮固體主要集中在表層0~12.5 cm 深度；灌溉水中的懸浮固體濃度為10.0 g/L 的試驗(yàn)，隨灌水進(jìn)入砂柱中的懸浮固體主要集中在0~17.5 cm 深度。以上結(jié)果表明，隨灌溉水進(jìn)入到土壤（砂柱）中的懸浮固體主要集中在上層土壤之中；當(dāng)灌水中的懸浮固體濃度越大時(shí)，受灌土壤容重越大、孔隙率越小、板結(jié)越明顯，且板結(jié)層厚度也越大。由于試驗(yàn)所用細(xì)砂排水能力相對(duì)較弱，上層填砂在多次灌水時(shí)受積水作用而變得疏松，因而各試驗(yàn)在砂柱表面的容重均小于砂柱填充時(shí)的設(shè)計(jì)容重而孔隙率均大于填充砂柱的初始孔隙率，尤其是采用清水灌溉和低懸浮固體濃度灌溉水灌溉的試驗(yàn)。

2.1.2 對(duì)水流運(yùn)動(dòng)的影響

不同懸浮固體濃度條件下各試驗(yàn)單次灌水入滲時(shí)間隨灌水次數(shù)的變化如圖3 所示；各試驗(yàn)側(cè)面上（Cv1）以及整個(gè)砂柱中（Cv2）的入滲水流通道彎曲系數(shù)如表3 所示。

圖3 不同懸浮固體濃度條件下灌水入滲時(shí)間隨灌水 次數(shù)的變化 Fig.3 Variation of infiltration time with irrigation times for experiments irrigated with water containing different concentration of suspended solid particles

圖3 顯示，相同灌水次數(shù)條件下，懸浮固體濃度為1.0 g/L 試驗(yàn)的灌水入滲時(shí)間與清水灌溉試驗(yàn)（懸浮固體濃度為0）的灌水入滲時(shí)間差異不明顯（僅略有增大），而懸浮固體濃度為5.0 和10.0 g/L 試驗(yàn)的灌水入滲時(shí)間明顯大于清水灌溉試驗(yàn)的灌水入滲時(shí)間，其中懸浮固體濃度為10.0 g/L 試驗(yàn)的灌水入滲時(shí)間最長(zhǎng)。圖3 同時(shí)顯示，當(dāng)灌溉水中懸浮固體濃度為0 和1.0 g/L 時(shí)，灌水入滲時(shí)間隨灌水次數(shù)的增加無(wú)明顯變化；而當(dāng)灌溉水中懸浮固體濃度增大到5.0 和10.0 g/L 時(shí)，灌水入滲時(shí)間隨著灌水次數(shù)的增加明顯延長(zhǎng)，且增幅隨著灌水次數(shù)的增大而增大，其中懸浮固體濃度為10.0 g/L 試驗(yàn)的灌水入滲時(shí)間的增幅更為顯著。表3 顯示，隨著灌溉水中的懸浮固體濃度由0 增大到10.0 g/L，側(cè)面和砂柱內(nèi)的入滲水流通道彎曲系數(shù)均分別由2.49 和4.31 增大到3.55 和11.18，表明較低的灌水頻率但較大的灌水定額將增大入滲水流運(yùn)動(dòng)的非均勻性和不確定性。以上結(jié)果表明，當(dāng)灌溉水中懸浮固體濃度很低時(shí)（1.0 g/L），地表入滲能力隨灌水次數(shù)的增加無(wú)顯著變化且與清水灌溉時(shí)的地表入滲能力無(wú)顯著差異；但由于灌溉引入的懸浮固體在土壤孔隙中沉積從而增大了土壤的非均質(zhì)性，因此，盡管地表入滲能力無(wú)明顯降低，但入滲水流運(yùn)動(dòng)的非均勻性和不確定性卻明顯增大。當(dāng)灌溉水中的懸浮固體濃度較大時(shí)，進(jìn)入到土壤中的懸浮固體量隨著灌水次數(shù)的增加而增大，使得土壤孔隙堵塞嚴(yán)重、地表入滲能力顯著降低，并導(dǎo)致入滲水流運(yùn)動(dòng)的非均勻性和不確定性明顯增大。表3 同時(shí)顯示，無(wú)論是清水灌溉試驗(yàn)還是含懸浮固體灌溉水灌溉試驗(yàn)，其側(cè)面和砂柱內(nèi)的入滲水流通道彎曲系數(shù)均大于1.0，表明各試驗(yàn)條件下砂柱側(cè)面和砂柱內(nèi)部均有明顯的優(yōu)先流結(jié)構(gòu)產(chǎn)生。

表3 不同懸浮固體濃度條件下入滲水流通道彎曲系數(shù) Table 3 Bending coefficient of preferential flow channel for experiments irrigated with water containing different concentration of suspended solid particles

2.2 灌水頻率的影響

2.2.1 對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響

不同灌水頻率條件下各試驗(yàn)灌溉結(jié)束后的容重、孔隙率、懸浮固體沉積量隨入滲深度分布如圖4 所示。

圖4 顯示，在0~7.5 cm 深度范圍內(nèi)，相同深度處各試驗(yàn)的容重隨著灌水頻率增大而減小；而在7.5 cm 以下的入滲深度（7.5~22.5 cm）范圍，相同深度處各試驗(yàn)的容重?zé)o明顯差異。圖4 顯示，在入滲深度范圍內(nèi)（0~22.5 cm），相同深度處的孔隙率隨著灌水頻率的增大而增大。圖4 顯示，在砂柱表面（0 cm），懸浮固體沉積量隨著灌水頻率的增大而減??；而在2.5~15.0 cm 深度范圍內(nèi)，相同深度處的懸浮固體沉積量隨著灌水頻率的增大而增大。以上結(jié)果表明，相同灌溉水懸浮固體濃度和灌溉定額條件下，較低的灌水頻率但較大的灌水定額將使得灌溉水中的懸浮固體更多聚集在表層土壤中，從而導(dǎo)致表層土壤板結(jié)，顯著改變表層土壤的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)；而較高的灌水頻率但較小的灌水定額將使得灌溉水中的懸浮固體向深層土壤中遷移，從而緩解了土壤性質(zhì)沿深度方向的變異性。

圖4 不同灌水頻率條件下灌溉結(jié)束后的容重、孔隙率和懸浮固體沉積量隨入滲深度分布 Fig.4 Distributions of soil bulk density, porosity and suspended solids deposition with infiltration depth for experiments with different irrigation frequencies

2.2.2 對(duì)水流運(yùn)動(dòng)的影響

不同灌水頻率條件下各試驗(yàn)的單次灌水入滲時(shí)間和累積灌水入滲時(shí)間隨灌水次數(shù)的變化如圖5 所示；各試驗(yàn)側(cè)面上（Cv1）以及整個(gè)砂柱中（Cv2）的入滲水流通道彎曲系數(shù)如表4 所示。

圖5 不同灌溉頻率條件下單次和累積灌水入滲時(shí)間隨灌水次數(shù)的變化 Fig.5 Variation of single and cumulative infiltration time with irrigation times for experiments irrigated with different irrigation frequencies

圖5 顯示，當(dāng)灌水頻率為2 d 1 次和4 d 1 次時(shí)，灌水入滲時(shí)間隨灌水次數(shù)的增加無(wú)明顯變化；當(dāng)灌水頻率為1 d 1次時(shí)，灌水入滲時(shí)間隨灌水次數(shù)的增加明顯增大，且增幅也越來(lái)越大。圖5 顯示，灌水頻率為1 d 1 次試驗(yàn)的灌水累積入滲時(shí)間最長(zhǎng)，灌水頻率為2 d 1 次試驗(yàn)和4 d 1 次試驗(yàn)的灌水累積入滲時(shí)間相對(duì)較小且差異不明顯。表4 顯示，相同灌溉水懸浮固體濃度和灌溉定額條件下，隨著灌水頻率由1 d 1 次降低到2 d 1 次和4 d 1 次，側(cè)面和砂柱內(nèi)的入滲水流通道彎曲系數(shù)均分別由3.10 和7.78 增大到3.46 和10.28 及3.83 和12.12，表明較低的灌水頻率但較大的灌水定額將增大入滲水流運(yùn)動(dòng)的非均勻性和不確定性。這主要是因?yàn)椋凸嗨l率、大灌水定額的灌水將使得灌溉水中的懸浮固體更多地聚集在表層土壤中，如圖4所示，從而使得表層土壤的質(zhì)地變細(xì)膩并與其下層土壤質(zhì)地相差明顯，形成細(xì)質(zhì)地土壤覆蓋粗質(zhì)地土壤的分層土壤結(jié)構(gòu)。由于相同基質(zhì)吸力條件下細(xì)土層的含水率高于粗土層的含水率，導(dǎo)致入滲水在土壤交界面的上方聚集并使得入滲濕潤(rùn)鋒變得不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致并加劇優(yōu)先流在下層粗質(zhì)地土層中形成[38-39]。而高灌水頻率、小灌水定額的灌水有利于灌溉水中的懸浮固體向深層土壤遷移，使得土壤分層不顯著，因而優(yōu)先流發(fā)育相對(duì)較弱。

表4 不同灌溉頻率條件下入滲水流通道彎曲系數(shù) Table 4 Bending coefficient of preferential flow channel for experiments with different irrigation frequencies

2.3 含懸浮固體灌溉水-清水交替灌溉模式的影響

2.3.1 對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響

不同含懸浮固體灌溉水-清水交替灌溉模式條件下各試驗(yàn)灌溉結(jié)束后的容重、孔隙率、懸浮固體沉積量隨入滲深度分布如圖6 所示。

圖6 顯示，在入滲深度范圍內(nèi)，僅采用含懸浮固體灌溉水進(jìn)行灌溉的試驗(yàn)，其相同深度處的容重最大、孔隙率最小、懸浮固體沉積量最大；采用含懸浮固體灌溉水灌溉1 次后再采用清水灌溉1 次的試驗(yàn)，其相同深度處的容重最小、孔隙率最大、懸浮固體沉積量小。圖6 同時(shí)顯示，雖然采用含懸浮固體灌溉水每灌溉三次后再采用清水灌溉1 次的試驗(yàn)和采用含懸浮固體灌溉水每灌溉1 次后再采用清水灌溉1 次的試驗(yàn)增加了清水淋洗懸浮固體這一處理，但懸浮固體并未向砂柱更深層遷移（最大僅增加了5 cm）。因此，采用含懸浮固體灌溉水-清水交替灌溉雖可以降低受灌土壤的板結(jié)速度，卻不能改變土壤的板結(jié)趨勢(shì)。一些研究表明[30,40]，在對(duì)沙土和鹽堿地進(jìn)行改良的時(shí)候，需要引淤灌溉，特別是黃河流域的灌區(qū)和農(nóng)田的引黃灌溉，就是要利用洪水中的黏?；蛴倌鄟?lái)改良土壤。淤灌和引黃灌溉對(duì)沙土或鹽堿地的改良作用主要是基于以下3 個(gè)方面：首先，淤泥和泥沙含有豐富的養(yǎng)分，長(zhǎng)期灌溉可以提高土壤中有機(jī)質(zhì)、速效N、速效K等養(yǎng)分，增加土壤肥力，從而改良土壤[41-42]；其次，淤泥和泥沙中除了有細(xì)顆粒的淤泥質(zhì)外，還有數(shù)量較多的細(xì)砂粒甚至是中粗砂粒，這有利于改善淤積層的滲透性能和通氣性能[43-44]；再次，引淤灌溉和引黃灌溉農(nóng)田所引入的淤泥和泥沙量較大，往往會(huì)形成一層較厚的淤積層，在淤泥和泥沙進(jìn)入農(nóng)田后，通常需要進(jìn)行翻耕摻和，從而得到土質(zhì)偏黏性的、保水保肥效果良好的改良土壤[45]。本試驗(yàn)所施加的懸浮固體顆粒極為細(xì)小（粒徑分布為0~20 μm）、總量較低（純含懸浮固體灌溉水灌溉試驗(yàn)所引入的懸浮固體總量也僅為180 g，折合2.0 kg/m2），且試驗(yàn)過(guò)程中沒(méi)有進(jìn)行物理性翻耕，因此，隨灌溉水入滲遷移至砂柱內(nèi)部的懸浮固體仍然主要集中在砂柱表層和上層。除此之外，也有研究結(jié)果表明，在進(jìn)行淤灌和引洪灌溉時(shí)，細(xì)顆粒泥沙會(huì)導(dǎo)致土壤表層形成沉積性結(jié)皮進(jìn)而造成土壤板結(jié)[46-48]。

2.3.2 對(duì)水流運(yùn)動(dòng)的影響

不同含懸浮固體灌溉水-清水交替灌溉模式條件下各試驗(yàn)的單次灌水入滲時(shí)間隨灌水次數(shù)的變化如圖7 所示；各試驗(yàn)側(cè)面上（Cv1）以及整個(gè)砂柱中（Cv2）的入滲水流通道彎曲系數(shù)如表5 所示。

圖7 不同含懸浮固體灌溉水-清水交替灌溉模式條件下灌水入滲時(shí)間隨灌水次數(shù)的變化 Fig.7 Variation of infiltration time with irrigation times for experiments with different irrigation schedules for suspended solids-laden water and freshwater

表5 不同含懸浮固體灌溉水-清水交替灌溉模式條件下入滲水流通道彎曲系數(shù) Table 5 Bending coefficient of preferential flow channel for experiments with different suspended solids laden water and freshwater alternative irrigation schedules

由圖7 可知，相同灌水次數(shù)條件下，僅采用含懸浮固體灌溉水灌溉試驗(yàn)的灌水入滲時(shí)間最長(zhǎng)，采用含懸浮固體灌溉水灌溉1次后再采用清水灌溉1次試驗(yàn)的灌水入滲時(shí)間最短；隨灌水次數(shù)的增加，僅采用含懸浮固體灌溉水灌溉試驗(yàn)的灌水入滲時(shí)間明顯延長(zhǎng)，采用含懸浮固體灌溉水灌溉1次后再采用清水灌溉1次試驗(yàn)的灌水入滲時(shí)間無(wú)明顯變化。表5 顯示，僅采用含懸浮固體灌溉水進(jìn)行灌溉試驗(yàn)的入滲水流運(yùn)動(dòng)的非均勻性和不確定性最大；采用含懸浮固體灌溉水灌溉1次后再采用清水灌溉1次試驗(yàn)的非均勻性和不確定性最小。這主要是因?yàn)閮H采用含懸浮固體灌溉水進(jìn)行灌溉的試驗(yàn)引入的懸浮固體的量最大，采用含懸浮固體灌溉水灌溉1次后再采用清水灌溉1次的試驗(yàn)引入的懸浮固體的量最小。而懸浮固體越多，對(duì)受灌土壤孔隙的堵塞作用越明顯，從而造成水流運(yùn)動(dòng)不暢，故而僅采用含懸浮固體灌溉水進(jìn)行灌溉試驗(yàn)的各次灌水的入滲時(shí)間最長(zhǎng)，且入滲水流運(yùn)動(dòng)的非均勻性和不確定性最大。

3 結(jié) 論

以灌溉水中的懸浮固體為研究對(duì)象，采用室內(nèi)灌水入滲試驗(yàn)，研究了灌溉水懸浮固體濃度、灌溉頻率以及含懸浮固體灌溉水-清水交替灌溉模式對(duì)土壤水分入滲性能的影響，研究結(jié)果表明：

1）灌溉水中的懸浮固體濃度為1.0、5.0 和10 g/L 時(shí)，懸浮固體分別沉積在表層0~5.0、0~12.5 和0~17.5 cm 深度，且隨著灌水中的懸浮固體濃度的增大，受灌土壤容重增大、孔隙率減小、懸浮固體沉積量增大、灌水入滲時(shí)間延長(zhǎng)、入滲水流運(yùn)動(dòng)的非均勻性和不確定性增大。

2）當(dāng)灌水頻率減小、灌水定額增大時(shí)，砂柱表層的懸浮固體沉積量增大、2.5~15.0 cm 深度范圍的懸浮固體沉積量減小，使得表層土壤容重增大、孔隙率降低，形成細(xì)質(zhì)地土壤覆蓋粗質(zhì)地土壤的分層土壤結(jié)構(gòu)，從而加劇入滲水流運(yùn)動(dòng)的非均勻性和不確定性。

3）含懸浮固體灌溉水-清水交替灌溉過(guò)程中的清水淋洗作用有利于降低土壤容重、增大孔隙率、減小懸浮固體沉積量、增大灌水入滲速率、降低入滲水流運(yùn)動(dòng)的非均勻性和不確定性，但高頻率的清水淋洗作用使懸浮固體的最大遷移深度僅增加了5 cm。