磁化微咸水一維水平吸滲特征與水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)分析

單魚洋 李曉菊 王全九,2 馬晨光 張繼紅 韋 開(kāi)

(1.西安理工大學(xué)省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 西安 710048；2.中國(guó)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西楊凌 712100)

0 引言

淡水資源短缺嚴(yán)重制約著我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的發(fā)展。為了緩解淡水資源不足、提高水資源利用率，科學(xué)合理地開(kāi)發(fā)利用微咸水已成為緩解水資源供需矛盾的重要途徑之一[1]。然而，微咸水灌溉容易引發(fā)土壤鹽漬化，導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)變差，從而影響作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量[2-3]。因此，對(duì)微咸水進(jìn)行科學(xué)處理、改善微咸水理化品質(zhì)，成為微咸水安全、高效利用的關(guān)鍵。

大量研究表明，磁化后水的理化特性發(fā)生顯著改變[4-5]，其表面張力減小[6]、粘滯系數(shù)增加[7]，磁化水理化性質(zhì)的改變程度與水體中離子含量有關(guān)[8-9]?；趯?duì)磁化水理化性質(zhì)的認(rèn)識(shí)，磁化水處理技術(shù)逐漸應(yīng)用于農(nóng)業(yè)灌溉領(lǐng)域。GHANATI等[10]研究發(fā)現(xiàn)，磁化水灌溉可以有效提高玉米產(chǎn)量和品質(zhì)，玉米植株籽粒中的鐵與鈣含量分別提高了235%和185%。MAHESHWARI等[11]研究表明，磁化水尤其是磁化鹽水能夠有效提高控制環(huán)境條件下芹菜和雪豆的產(chǎn)量與水分生產(chǎn)力。SURENDRAN等[12]研究指出，不同鹽度的灌溉水經(jīng)過(guò)磁化處理后對(duì)豌豆生長(zhǎng)和產(chǎn)量提高均有明顯的改善作用。卜東升等[13]通過(guò)3年的大田試驗(yàn)研究了磁化水膜下滴灌對(duì)新疆棉田土壤脫鹽效果的影響，結(jié)果表明，磁化水能夠有效降低土壤含鹽量、促進(jìn)棉花生長(zhǎng)發(fā)育、提高棉花產(chǎn)量和品質(zhì)。萬(wàn)曉等[14]研究發(fā)現(xiàn)，高礦化度灌溉水通過(guò)磁化處理后可以有效提高絨毛白蠟的光合作用，促進(jìn)其生長(zhǎng)，從而減輕鹽分對(duì)植物的傷害。劉秀梅等[15]研究表明，磁化微咸水灌溉能夠改變土壤鹽基離子的交換特性和離子組成，對(duì)降低土壤鹽分積聚有良好的作用。雖然磁化微咸水在農(nóng)業(yè)灌溉應(yīng)用方面取得了諸多成果，但是對(duì)于磁化微咸水在土壤中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律尚缺乏清晰的認(rèn)識(shí)，這不利于磁化微咸水在農(nóng)業(yè)灌溉領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用。

近年來(lái)，研究者嘗試通過(guò)室內(nèi)土柱試驗(yàn)來(lái)揭示磁化微咸水在土壤中的運(yùn)動(dòng)狀況。VLADIMIR[16]通過(guò)大型室內(nèi)垂直土柱試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，磁化水入滲能夠?qū)⑼寥郎蠈欲}分向下淋洗，降低了土壤中鹽分累積速率。王全九等[17-18]通過(guò)大量室內(nèi)一維垂直積水入滲試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，微咸水經(jīng)過(guò)磁化處理后土壤入滲速率及濕潤(rùn)鋒遷移速率顯著降低，礦化度與磁場(chǎng)強(qiáng)度均對(duì)入滲模型參數(shù)有顯著影響，磁化微咸水鹽分淋洗效應(yīng)在磁場(chǎng)強(qiáng)度為300 mT時(shí)最佳。為了進(jìn)一步了解磁化微咸水在田間的水分運(yùn)動(dòng)狀況，有必要對(duì)磁化微咸水入滲下的土壤水分特征曲線、非飽和導(dǎo)水率曲線及非飽和擴(kuò)散率曲線等土壤水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行深入研究。WANG等[19-20]提出了采用水平吸滲數(shù)據(jù)推求土壤水分動(dòng)力參數(shù)的方法，這為獲得磁化微咸水入滲下的土壤水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)提供了便利。本文采用300 mT磁感應(yīng)強(qiáng)度恒定磁場(chǎng)對(duì)不同礦化度(0.14、2、3、4、6 g/L)微咸水進(jìn)行磁化處理，并基于一維水平土柱吸滲試驗(yàn)，比較不同礦化度磁化與未磁化微咸水水平吸滲與土壤含水率分布特征，分析磁化微咸水礦化度對(duì)入滲模型參數(shù)、飽和導(dǎo)水率及土壤水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)的影響，研究磁化微咸水入滲下的土壤水分運(yùn)動(dòng)特性，為磁化微咸水灌溉技術(shù)的合理利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試土樣取自陜西省渭南市富平縣鹵泊灘(34°42′N、108°57′E)，采集深度為0～20 cm的耕作層。將土樣碾壓、風(fēng)干，去除雜物且過(guò)2 mm篩后備用。采用激光粒度分析儀(Mastersizer2000型，馬爾文儀器有限公司，英國(guó))測(cè)定土壤機(jī)械組成，黏粒、粉粒和砂粒體積分?jǐn)?shù)分別為8.37%、49.98%、41.65%，土壤質(zhì)地為粉壤土(國(guó)際制土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn))。環(huán)刀法測(cè)定土壤容重為1.46 g/cm3，土壤初始體積含水率與土壤飽和體積含水率分別為0.033、0.420 cm3/cm3，pH值為8.4。

試驗(yàn)所用微咸水由自來(lái)水和氯化鈉配置而成，自來(lái)水礦化度為0.14 g/L，pH值為7.2。設(shè)置5個(gè)礦化度處理，分別為0.14、2、3、4、6 g/L。采用王全九等[17]所述的磁化水裝置(磁化器磁場(chǎng)強(qiáng)度為300 mT)與磁化方法對(duì)不同礦化度微咸水進(jìn)行磁化處理，并移入馬氏瓶?jī)?nèi)待用。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2019年6月6日在西安理工大學(xué)省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，采用一維水平土柱吸滲系統(tǒng)開(kāi)展不同礦化度(0.14、2、3、4、6 g/L)的非磁化微咸水(CK)與磁化微咸水(M)入滲試驗(yàn)，共計(jì)10個(gè)處理，每個(gè)處理進(jìn)行3次重復(fù)，總計(jì)30個(gè)水平土柱試驗(yàn)。一維水平土柱吸滲系統(tǒng)(圖1)由馬氏瓶和水平土柱兩部分構(gòu)成，而水平土柱由水室和土室兩部分構(gòu)成。馬氏瓶直徑為5 cm，高為50 cm，用于補(bǔ)充水室。水室內(nèi)徑為8 cm，長(zhǎng)為10 cm，前端設(shè)有進(jìn)水閥，上端設(shè)有加水閥，下端設(shè)有排水閥。土室與水室內(nèi)徑相同，長(zhǎng)為50 cm，上部每隔5 cm設(shè)置一個(gè)取土孔，取土孔直徑為1.5 cm。裝土柱時(shí)，先用橡皮塞將土室取土孔塞緊，然后將土樣按容重1.46 g/cm3、每5 cm一層分層裝入土室，并將層與層之間打毛，避免出現(xiàn)分層現(xiàn)象。裝土完畢后，在土體頂部放置一張濾紙，然后通過(guò)帶孔法蘭盤將土室和水室緊密連為一體。組裝好的水平土柱放置在水平試驗(yàn)臺(tái)上，調(diào)整工作臺(tái)高度，使馬氏瓶出水口與水室前端進(jìn)水閥在同一水平上，然后通過(guò)乳膠管相連接。吸滲試驗(yàn)以5個(gè)土柱為一組，30個(gè)土柱試驗(yàn)分6組完成。試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，通過(guò)加水閥在水室內(nèi)蓄滿水，在整個(gè)截面上為土室供水，同時(shí)打開(kāi)馬氏瓶出水管止水夾及時(shí)補(bǔ)充水室，保持吸滲的過(guò)程中水室始終充滿水。采用秒表按照先密后疏的原則分別記錄各處理的入滲時(shí)間、濕潤(rùn)鋒運(yùn)移位置和馬氏瓶水位的變化。本試驗(yàn)控制吸滲時(shí)間相同，各處理均在入滲900 min后停止供水，并迅速打開(kāi)出水閥將水室中的積水放出，依據(jù)實(shí)際入滲深度從上側(cè)取土孔處分層取出土樣測(cè)定對(duì)應(yīng)的含水率。

采用定水頭法測(cè)定不同礦化度磁化微咸水入滲下的土壤飽和導(dǎo)水率。選用直徑為8 cm、高為20 cm的較短的有機(jī)玻璃土柱，在土柱底部填放紗布和濾紙，防止土壤顆粒流失堵塞出流孔口，同樣按土壤容重1.46 g/cm3、每5 cm一層分層裝入土柱中，裝土高度10 cm。先將土柱置于不同礦化度磁化微咸水中充分飽和，然后控制水頭3 cm左右，打開(kāi)出流閥，記錄一定時(shí)間段內(nèi)的滲透水量，各試驗(yàn)重復(fù)3次。

1.3 基本原理

PHILIP[21]水平一維吸滲公式累積入滲量可表示為

I=St0.5

(1)

式中I——累積入滲量，cm

S——土壤吸滲率，cm/min0.5

t——入滲時(shí)間，min

土壤水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)是模擬和預(yù)測(cè)土壤水分運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)，BROOKS等[22]提出的土壤水分特征曲線和土壤非飽和導(dǎo)水率的表達(dá)式為

(2)

(3)

m=3n+2

式中Se——土壤有效飽和度

θ——土壤含水率，cm3/cm3

θr——土壤滯留含水率，當(dāng)土壤初始含水率較低時(shí)，認(rèn)為滯留含水率與初始含水率相等，cm3/cm3

θs——土壤飽和含水率，cm3/cm3

h——土壤水吸力，cm

hd——進(jìn)氣吸力，cm

n——形狀系數(shù)

K(h)——土壤非飽和導(dǎo)水率，cm/min

Ks——土壤飽和導(dǎo)水率，cm/min

m——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)

水平一維土壤水分運(yùn)動(dòng)基本方程與定解條件可表示為

(4)

式中x——水平距離，cm

D(θ)——非飽和土壤水分?jǐn)U散率，cm2/min

θi——土壤初始含水率，cm3/cm3

WANG等[19]提出了根據(jù)水平吸滲試驗(yàn)資料推求BROOKS-COREY模型參數(shù)的方法，計(jì)算式為

(5)

(6)

式中a——參數(shù)，當(dāng)初始含水率很小時(shí)，近似為1

A1和A2可以由水平吸滲過(guò)程中的累積入滲量I、入滲率i與濕潤(rùn)鋒深度xf擬合獲得，即

I=A1xf

(7)

i=A2/xf

(8)

WANG等[20]提出了根據(jù)水平吸滲試驗(yàn)資料推求非飽和土壤水分?jǐn)U散率的簡(jiǎn)單方法，計(jì)算式為

(9)

(10)

(11)

式中Ds——土壤水分飽和擴(kuò)散率，cm2/min

L——擴(kuò)散率系數(shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 不同礦化度磁化微咸水對(duì)土壤入滲特征的影響

圖2(圖中不同小寫字母表示同一入滲水礦化度下磁化與非磁化處理間差異顯著(P<0.05))為入滲結(jié)束時(shí)(900 min)不同礦化度磁化與未磁化微咸水的最終累積入滲量與濕潤(rùn)鋒深度。由圖2a可知，磁化與未磁化微咸水最終累積入滲量均隨著入滲水礦化度先增大后減小，入滲水礦化度為3 g/L時(shí)最終累積入滲量最大，相比淡水(0.14 g/L)增加了18.81%。相同礦化度下，磁化與未磁化微咸水最終累積入滲量差異性顯著(P<0.05)，礦化度0.14、2、3、4、6 g/L磁化微咸水最終累積入滲量相對(duì)于未磁化微咸水分別降低了7.72%、11.50%、12.10%、10.56%、9.85%。由圖2b可知，最終濕潤(rùn)鋒深度也隨著入滲水礦化度先增大后減小，入滲水礦化度為3 g/L時(shí)最終濕潤(rùn)鋒深度最大。相同礦化度下，磁化與未磁化達(dá)到最終濕潤(rùn)鋒深度差異性顯著(P<0.05)，礦化度0.14、2、3、4、6 g/L磁化微咸水相對(duì)于未磁化微咸水最終濕潤(rùn)鋒深度分別降低了9.56%、13.76%、17.17%、14.07%、12.94%。以上表明，入滲水礦化度增加能夠在一定程度上增加土壤入滲速率，而磁化處理不同程度地降低了微咸水的入滲速率與濕潤(rùn)鋒推進(jìn)速度，且其作用效果與微咸水礦化度有關(guān)，這與王全九等[17]不同礦化度磁化微咸水垂直一維積水入滲的累積入滲量與濕潤(rùn)鋒變化特征一致。其原因主要是微咸水礦化度在一定程度導(dǎo)致擴(kuò)散雙電子層向黏粒表面壓縮，土壤顆粒之間的排斥力降低，促進(jìn)顆粒間絮凝與團(tuán)聚體形成，增加了土壤孔隙數(shù)量，進(jìn)而加快水分入滲[23]；入滲水經(jīng)過(guò)磁化處理后，表面張力減小[24]，粘滯系數(shù)增加[25]，從而降低了土壤的導(dǎo)水性能[17]，濕潤(rùn)鋒的推進(jìn)速度也隨之降低，而隨著入滲水礦化度的增加，水中順磁性物質(zhì)數(shù)量的增加強(qiáng)化了磁場(chǎng)對(duì)入滲水的作用[8]。入滲結(jié)束時(shí)(900 min)，礦化度0.14、2、3、4、6 g/L磁化與未磁化微咸水，濕潤(rùn)體平均含水率分別為0.363 3、0.367 4、0.358 0、0.363 8、0.361 8 cm3/cm3和0.370 7、0.377 0、0.379 9、0.378 6、0.374 6 cm3/cm3，磁化微咸水濕潤(rùn)體平均含水率相對(duì)于未磁化微咸水分別增加了2.03%、2.62%、6.11%、4.08%、3.55%。這是由于磁化處理導(dǎo)致入滲水的締合態(tài)水分子團(tuán)簇結(jié)構(gòu)分散成自由單體和二聚體分子[6,26]，更多的水分進(jìn)入土壤小孔隙，從而提高了濕潤(rùn)體含水率。

2.2 不同礦化度磁化微咸水對(duì)土壤含水率分布的影響

不同礦化度磁化與未磁化微咸水在入滲結(jié)束后土壤剖面含水率如圖3所示。由圖可以看出，隨著水平距離的增加，土壤含水率逐漸減小。在水平吸滲過(guò)程中，由于土體前端與水室相接，導(dǎo)致前端3～5 cm土壤含水率處于飽和或近飽和狀態(tài)。入滲結(jié)束后不同礦化度、磁化與未磁化微咸水中間土層含水率差異顯著，且不同水平距離土壤含水率分布情況不同。在水平距離0～25 cm，磁化處理對(duì)應(yīng)的土壤含水率大于未磁化處理，水平距離大于25 cm，未磁化處理土壤含水率逐漸接近并大于磁化處理土壤含水率。對(duì)比不同處理水平距離0～25 cm土壤平均含水率，礦化度0.14、2、3、4、6 g/L磁化微咸水相對(duì)于未磁化微咸水土壤含水率分別增加了4.21%、3.24%、5.23%、3.92%、2.47%。這一方面是由于磁化處理增加了入滲水黏度[25]，導(dǎo)致水分在前部土壤中滯留時(shí)間增加，進(jìn)入后面土壤的水分減少；另一方面是由于微咸水經(jīng)過(guò)磁化處理后，締合態(tài)水分子團(tuán)簇結(jié)構(gòu)變得更加分散[6,26]，使水分子能夠進(jìn)入并濕潤(rùn)更小土壤孔隙。

2.3 不同礦化度磁化微咸水對(duì)入滲模型參數(shù)與土壤飽和導(dǎo)水率的影響

利用PHILIP入滲模型對(duì)累積入滲量與入滲時(shí)間的關(guān)系進(jìn)行擬合，結(jié)果見(jiàn)表1。PHILIP入滲模型對(duì)磁化與非磁化微咸水入滲過(guò)程擬合效果很好，決定系數(shù)不小于0.972。吸滲率S反映基質(zhì)勢(shì)梯度對(duì)土壤入滲的影響，磁化微咸水吸滲率S隨礦化度的增加先增大后減少，且均小于同一礦化度未磁化微咸水吸滲率，礦化度0.14、2、3、4、6 g/L磁化微咸水相對(duì)于未磁化微咸水吸滲率S分別降低了7.71%、11.42%、12.11%、10.49%、9.85%。說(shuō)明磁化處理能夠降低土壤水分入滲能力，這與磁化水對(duì)土壤水分入滲過(guò)程的影響結(jié)果一致，而磁化處理后入滲水表面張力減小是導(dǎo)致土壤吸滲率S降低的重要原因。

表1 PHILIP入滲模型參數(shù)擬合結(jié)果Tab.1 Fitting results of PHILIP infiltration model parameters

實(shí)測(cè)的未磁化微咸水飽和導(dǎo)水率Ks與礦化度C之間的關(guān)系見(jiàn)圖4a。由圖4a可以看出，與吸滲率S的變化規(guī)律相似，隨著入滲水礦化度的增加，飽和導(dǎo)水率Ks先增大后減小，當(dāng)微咸水礦化度為3 g/L時(shí)，Ks取得最大值。采用二項(xiàng)式進(jìn)行擬合，擬合方程為

Ks=-0.000 4C2+0.002 5C+0.004
(R2=0.820 4)

(12)

采用相對(duì)飽和導(dǎo)水率ΔKs分析磁化微咸水礦化度對(duì)土壤飽和導(dǎo)水率的影響程度。由圖4b可知，相對(duì)飽和導(dǎo)水率ΔKs隨C也呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，采用二項(xiàng)式進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果顯示，相對(duì)飽和導(dǎo)水率ΔKs同礦化度之間呈現(xiàn)較好的二次多項(xiàng)式關(guān)系，擬合方程為

ΔKs=-0.015 5C2+0.092 6C+0.092 4
(R2=0.919 4)

(13)

根據(jù)式(12)可知，隨著入滲水礦化度的升高，磁化處理對(duì)于土壤飽和導(dǎo)水率的影響也逐漸增大，當(dāng)?shù)V化度大于3 g/L時(shí)，磁化效果逐漸降低。這一實(shí)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證王全九等[17]根據(jù)垂直一維積水入滲數(shù)據(jù)推求所得的不同礦化度磁化微咸水飽和導(dǎo)水率變化規(guī)律。

2.4 不同礦化度磁化微咸水入滲對(duì)BROOKS-COREY模型參數(shù)的影響

根據(jù)水平吸滲試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用式(7)、(8)對(duì)系數(shù)A1、A2進(jìn)行擬合，結(jié)果如表2所示。擬合結(jié)果較好，擬合決定系數(shù)均不小于0.957。磁化微咸水的系數(shù)A1均大于未磁化微咸水，而系數(shù)A2均小于未磁化水。由此可知，入滲相同距離時(shí)，磁化微咸水的累積入滲量大于未磁化水，而入滲速率小于未磁化水，這與磁化與非磁化微咸水累積入滲量和濕潤(rùn)鋒變化規(guī)律一致。

表2 系數(shù)A1和A2擬合結(jié)果Tab.2 Fitting results of coefficient A1 and A2

將擬合的A1、A2和實(shí)測(cè)的飽和導(dǎo)水率Ks代入式(5)、(6)，推求出形狀系數(shù)n、進(jìn)氣吸力hd與經(jīng)驗(yàn)系數(shù)m，結(jié)果如表3所示。不同礦化度磁化與未磁化微咸水入滲條件下，形狀系數(shù)n隨著礦化度增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。入滲水礦化度為3 g/L時(shí)形狀系數(shù)n相對(duì)淡水(0.14 g/L)降低了10.69%，而進(jìn)氣吸力hd變化趨勢(shì)正好相反，進(jìn)氣吸力hd相對(duì)增加了33.97%。微咸水經(jīng)過(guò)磁化處理后，形狀系數(shù)n相對(duì)減小，幅度為19.24%～52.31%，而進(jìn)氣吸力hd相對(duì)增大，幅度為22.52%～48.94%。由此可見(jiàn)，入滲水理化特性的變化能夠?qū)ν寥浪诌\(yùn)動(dòng)參數(shù)產(chǎn)生重要影響。

表3 BROOKS-COREY模型參數(shù)反推結(jié)果Tab.3 Reversed results of BROOKS-COREY model parameters

為了更清楚地顯示磁化與未磁化微咸水入滲下土壤水分運(yùn)動(dòng)特性，將反推的形狀系數(shù)n、進(jìn)氣吸力hd與經(jīng)驗(yàn)系數(shù)m代入式(2)、(3)，得到礦化度0.14、3、6 g/L磁化與未磁化微咸水入滲下土壤水分特征曲線(圖5)與非飽和導(dǎo)水率曲線(圖6)。由圖5可以看出，土壤水吸力隨著土壤含水率的增加迅速降低，磁化微咸水的土壤水分特征曲線相比未磁化微咸水更陡，相同土壤水吸力能夠吸持更多的磁化微咸水，當(dāng)土壤水吸力為800 cm時(shí)，礦化度0.14、3、6 g/L磁化微咸水土壤含水率相比未磁化微咸水增加22.22%、45.00%、33.33%，這與入滲結(jié)束后土壤含水率的分布情況一致。說(shuō)明在土壤質(zhì)地相同時(shí)，磁化微咸水理化特性的變化也能夠在一定程度上增加土壤水吸力。由圖6可以看出，土壤非飽和導(dǎo)水率隨著土壤含水率的增加迅速增加，在土壤未達(dá)到飽和前，磁化微咸水的土壤非飽和導(dǎo)水率均低于未磁化水，且其增長(zhǎng)速率也小于未磁化微咸水，這是磁化微咸水最終累積入滲量小于未磁化微咸水最終累積入滲量的原因。

2.5 不同礦化度磁化微咸水對(duì)土壤水分?jǐn)U散率的影響

將A1、A2代入式(10)、(11)，推求出土壤水分飽和擴(kuò)散率Ds和系數(shù)L，結(jié)果見(jiàn)表4。不同礦化度磁化與未磁化微咸水水平吸滲條件下，土壤水分飽和擴(kuò)散率Ds隨著礦化度增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，入滲水礦化度為3 g/L時(shí)土壤水分飽和擴(kuò)散率Ds相對(duì)淡水(0.14 g/L)增加了161.18%。微咸水經(jīng)過(guò)磁化處理后，土壤飽和擴(kuò)散率Ds相對(duì)增加，幅度為37.98%～133.61%。這說(shuō)明入滲水理化特性的變化對(duì)土壤水分的擴(kuò)散過(guò)程具有重要影響。

為了更清楚地顯示磁化與未磁化微咸水入滲下土壤水分?jǐn)U散特征，將表4中的土壤水分飽和擴(kuò)散率Ds和系數(shù)L代入式(9)，得到礦化度0.14、3、6 g/L磁化與未磁化微咸水入滲下土壤水分非飽和擴(kuò)散率(圖7)。由圖7可以看出，只有達(dá)到一定的土壤含水率，土壤水分才會(huì)開(kāi)始擴(kuò)散，土壤水分?jǐn)U散率隨含水率增大而逐漸增大，高含水率下的擴(kuò)散率遠(yuǎn)大于低含水率下的擴(kuò)散率。磁化微咸水土壤水分開(kāi)始擴(kuò)散的含水率大于未磁化微咸水，礦化度0.14、3、6 g/L磁化與未磁化微咸水入滲下土壤水分開(kāi)始擴(kuò)散的含水率分別為0.230 4、0.191 7、0.223 4 cm3/cm3和0.315 4、0.332 8、0.321 6 cm3/cm3。這主要是因?yàn)樵谕寥浪治鼭B過(guò)程中，滲入土壤的水分首先要滿足土壤顆粒表面所吸持的膜狀水，其次要進(jìn)入土壤細(xì)小孔隙，然后才成為自由水向前擴(kuò)散[23]。入滲水經(jīng)過(guò)磁化處理后，水分子團(tuán)簇結(jié)構(gòu)更加分散[6,26]，能夠充分進(jìn)入土壤小孔隙。只有當(dāng)土壤小孔隙充分填滿，達(dá)到較高的土壤含水率時(shí)，磁化微咸水才能夠向前擴(kuò)散，這就進(jìn)一步解釋了磁化微咸水最終濕潤(rùn)鋒深度小于未磁化微咸水。

表4 土壤水分飽和擴(kuò)散率Ds與系數(shù)LTab.4 Soil saturated diffusivity Ds and parameter L

3 結(jié)論

(1)磁化微咸水的土壤水分入滲速率及濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率顯著降低，最終累積入滲量與濕潤(rùn)鋒深度均小于未磁化微咸水，而濕潤(rùn)體平均含水率顯著提高，礦化度0.14、2、3、4、6 g/L磁化微咸水相對(duì)于未磁化微咸水的土壤濕潤(rùn)體平均含水率分別增加了2.03%、2.62%、6.11%、4.08%、3.55%；磁化微咸水入滲能夠增強(qiáng)土壤持水能力，有利于改善土壤水分分布，不同礦化度磁化微咸水在水平距離0～25 cm的土壤平均含水率相對(duì)于未磁化微咸水增加了2.47%～5.23%。

(2)磁化微咸水處理對(duì)PHILIP入滲模型參數(shù)影響顯著，相對(duì)于未磁化微咸水，不同礦化度磁化微咸水吸滲率S降低了7.71%～12.11%；磁化與未磁化微咸水飽和導(dǎo)水率Ks、相對(duì)飽和導(dǎo)水率ΔKs均與入滲水礦化度呈現(xiàn)較好的二次多項(xiàng)式關(guān)系，在礦化度為3 g/L時(shí)，飽和導(dǎo)水率Ks和相對(duì)飽和導(dǎo)水率ΔKs均達(dá)到最大。

(3)磁化微咸水處理對(duì)BROOKS-COREY模型參數(shù)影響顯著，微咸水經(jīng)過(guò)磁化處理后，形狀系數(shù)n相對(duì)減小了19.24%～52.31%，而進(jìn)氣吸力hd相對(duì)增大了22.52%～48.94%；磁化微咸水土壤水分特征曲線比未磁化微咸水更陡，磁化微咸水的土壤非飽和導(dǎo)水率及其增長(zhǎng)速率均低于未磁化水；微咸水經(jīng)過(guò)磁化處理后，土壤水分飽和擴(kuò)散率Ds相對(duì)增加了37.98%～133.61%，土壤水分開(kāi)始擴(kuò)散的含水率也有所增加。