灌施不同浓度Cl-在模拟指流层状土壤中的迁移规律

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　　摘要在有指流产生条件下，研究灌施不同浓度的Cl-在层状土壤的迁移情况。结果表明，上层土壤中Cl-浓度沿垂直方向呈先增大后减小的趋势，在下层指流域中的过渡区域Cl-浓度变化不大，在接近试验底部的累积区域Cl-产生累积，浓度增大;指尖处的Cl-浓度大于过渡区域Cl-浓度;指流通道对Cl-的迁移效率很高，占灌施进入土壤Cl-质量的35%～55%。
　　关键词层状土壤;模拟指流;溶质迁移
　　中图分类号S152.7文献标识码A 文章编号0517-6611（2020）15-0165-04
　　doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.15.048
　　开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
　　Migration Patten of Chloride Ions with Different Concentrations in Layered Soil with Simulated Finger Flow
　　WU Shuying1，SHAO Xiazhen2，ZHANG Jianfeng3
　　（1.Gansu Urban  and Rural Development Group of  Rural Rrevitalization Co.， Ltd.， Lanzhou，Gansu 730000; 2.Gansu Institute of Natural Resources Planning and Research，Lanzhou，Gansu  730000;3.Xi’an University of Technology，Xi’an，Shanxi 710048）
　　AbstractIn the condition of finger flow happened， the migration of chloride ions with different concentrations in layered soil was studied. The results showed that the chloride concentration in the upper soil increased first and then decreased in the vertical direction. The chloride concentration in the transition area in the lower drainage area did not change much. The chloride concentration in the accumulation area near the bottom of the test increased. The chloride concentration in the fingertip was higher than that in the transition area. The chloride concentration in the fingertip was higher than that in the transition area. The transfer efficiency was very high， accounting for 35%-55% of the mass of chloride ions in the soil.
　　Key wordsLayered structure soil;Simulated finger flow;Solute transport
　　基金项目国家自然科学基金项目（50779055）。
　　作者简介吴叔赢（1986—），男，甘肃白银人，工程师，硕士，从事土壤优先流中指流及污染物迁移规律研究。
　　收稿日期2019-12-24
　　1972年美国学者Hill等[1]发现水分在细质土覆于粗质土之上的层状结构的土体中入渗易出现指流现象。指流的发生使表层的土壤水和其中的溶质沿着指流通道快速向土壤深层运动，造成表层土壤的提前干旱，降低了作物对养分、农药和杀虫剂的利用效率，更为严重的是这些污染物沿着指流优先通道会对地下水产生污染[2]。近几十年来，随着工业的发展和人为活动的增加，空气和水环境污染的等问题日趋势严重，再加之农田化肥和农药的使用，给土壤和地下水带来了严重的破坏，对人类健康和生存产生了严重的威胁。这些问题的实质均归结于可溶性物质在水流作用下在土壤和含水层迁移的结果，涉及到溶质迁移理论[3-8]。
　　土壤中的Cl-是植物生长必不可缺的营养元素，对植物生长有很重要的作用，而土壤中的Cl-除来自于大气降水、地表灌溉等自然因素外，主要还有氯化钾、氯化铵等含氯系列的复合肥料在农田中的大量使用，这些人为因素不可避免地会向农田土壤中投入大量的Cl-。但Cl-对土壤物理和化学特性都有影响，陈健财[9]研究表明Cl-进入农田会造成土壤的通透性下降。苏壮等[10]研究表明，长期施用含氯化肥，表层土壤容重会随着施入含氯化肥的增加而变大，且过多施用含氯化肥还会导致土壤的酸化。崔玉珍等[11]研究表明，北方草甸土年施氯化铵240～480 kg/hm2，土壤pH降低了0.19～0.25，且隨着施肥年限越长pH下降更多。适量地施入含氯化肥有利于SO42-的淋失，但大量的Cl-则会导致土壤中SO42-大量流失，对植物的生长造成不利因素。刘伟佳[12]通过室内试验研究了在不同地下水埋深下污染物Cl-在土壤中的运移特征及对地下水环境的影响，结果表明，地下水中Cl-浓度随着地下水的埋深增大而减小。而该研究层状土壤中进入大量的Cl-时，会随着下层砂土中的优先路径优先迁移到地下水层中，造成地下水中Cl-含量增高，造成地下水的污染。 　　笔者模拟指流的理论是基于张建丰[13]研究发现在“上土下砂”的层状土壤中下层砂中孔隙小的会优先导水，因此在下层砂土中采用粗砂来模拟基质域，细砂来模拟指流域。
　　1材料与方法
　　1.1试验装置
　　试验装置主要由土箱、供水装置和支座3个部分组成。土箱采用2个相同尺寸（长×高×厚为500 mm×600 mm×8 mm）的有机玻璃板，沿着2个有机玻璃板边壁之间夹入一个宽20 mm、厚度16 mm的U形有机玻璃条。距U形有机玻璃条一侧上端20 mm处开一个进水口，并在底部设有排水孔，整个试验土箱尺寸为500 mm×600 mm×32 mm（宽×高×厚）。土箱前壁标有以10 mm为单位的网格线，供观测水分入渗湿润锋读数使用。供水装置采用马氏瓶，支座采用一块钢铁板上安装2块可拆卸的槽钢，槽钢一侧打孔并安装螺丝，安装时把土箱夹在两槽钢之间，然后用螺丝把土箱和支座固定为一体。试验装置见图1。
　　注：1.马氏瓶支架;2.固定马氏瓶卡子;3.马氏瓶;4.橡皮管;5.进水口;6.上部土层;7.土箱;8.基质域;9.指流域;10.钢底板
　　Note：1.Markov bottle holder;2.Fixed markov bottle clip;3.Markov bottle;4.Rubber tube;5.Water inlet;6.Topsoil;7.Soil box;8.Matrix profile;9.Finger flow profile;10.Steel floor
　　1.2试验方法
　　试验设计的上层黄土容重为1.4 g/cm3，厚度为20 cm，初始含水率θ=2.7%，为砂壤土。下层为模拟指流的砂层，厚度为33 cm，以粗砂组成的基质域粒径为1～5 mm，中值粒径d50=4.15 mm。以细砂组成的指流域的粒径为0.1～1.0 mm，中值粒径d50=0.55 mm。设计的表层积水厚度为3 cm。表1和表2分别为黄土和粗砂的颗粒粒径组成。
　　1.3试验设计
　　采用NaCl作为土壤溶质，设计灌施Cl-的浓度分别为60、90 、120和150 mg/L共4种浓度。将不同浓度的Cl-溶液灌入到马氏瓶中，一切就绪后，打开马氏瓶，开始计时，同时保持土壤表面3 cm的水头厚度不变。试验结束后停止供水并拆开试验装置，利用土钻进行取土，以土壤表面为基准面，向下每5 cm用土钻取一次土，取土位置见图2，同时测得试验温度为25 ℃。
　　1.4测定项目与方法
　　将取出的土样烘干碾压成粉末后取6 g土放入锥形瓶中，再往锥形瓶中倒入60 mL蒸馏水，然后放入振荡器中振荡40 min，取出后让其自然沉淀，过滤得到50 mL溶液，然后按照下列步骤测定溶液中Cl-的浓度。
　　Cl-的测定采用硝酸银滴定法，其原理是在中性或弱碱性溶液中，以铬酸钾为指示剂，用硝酸银滴定氯化物，由于氯化银的溶解度小于铬酸银的溶解度，所以先生成白色的氯化银沉淀，铬酸根才以铬酸银形式沉淀出来，产生砖红色物质。当试验滴定中产生砖红色的沉淀，说明Cl-已经完全转化为氯化银沉淀。
　　测定步骤：首先是浸提液的制备，按土水比1∶10（重量比）加入蒸馏水进行浸提，然后放入振动箱进行振动，取出后静置数小时，经过滤处理得到无色透明的浸提液。然后取50 mL置于锥形瓶中，另取一锥形瓶加入50 mL蒸馏水作为空白。加入1 mL铬酸钾溶液，用硝酸银标准溶液滴定至砖红色沉淀刚刚出现为结束，同时作空白滴定。
　　测定结束后分别读取被测水样和蒸馏水所消耗的硝酸银标准溶液的体积，然后根據公式（1）计算Cl-浓度。
　　式中，V1为蒸馏水消耗硝酸银标准溶液体积（mL）;V2为水样消耗硝酸银标准溶液的体积（mL）;M为硝酸银标准溶液的浓度（mol/L）;V为水样体积（mL）;35.45为Cl-的摩尔质量（g/mol）。
　　2结果与分析
　　2.1指流纵剖面Cl-浓度分析
　　对测得的上层土壤同一深度下的Cl-浓度，取其平均值，得到3个指流纵剖面处的Cl-浓度分布，灌施浓度60、90、120和150 mg/L下的指流纵剖面处的Cl-浓度分布见图3。
　　从图3可以看出，由土砂交接面以上10 cm处的Cl-浓度呈增大趋势。因此，上层土壤的Cl-最大浓度一般出现在土砂交接面以上5～10 cm处。随后到距土砂交界面20 cm处的土砂交界面处Cl-浓度又呈减小趋势。对于指流域，把试验装置中的指流域分为2个部分：过渡区域和累积区域。所谓过渡区域就是Cl-随水分通过这个区域，在这个区域中的Cl-浓度相差不大，指流纵剖面深度在20～40 cm;但溶液在累积区域就会有溶液的累积现象发生，因此Cl-浓度呈增大趋势，指流纵剖面深度在40～55 cm。
　　上述现象的原因是Cl-属于阴离子，有“盐随水来，随水而去”的特点，当Cl-溶液在上层土壤中迁移时，Cl-随水分向下运动而迁移，在h=5～15 cm时Cl-浓度呈增大趋势。在h=15～20 cm时，Cl-浓度又呈减小趋势。出现这种现象的原因是由于指流的产生，使得h=15～20 cm处的大部分Cl-沿着指流优先路径向下迁移，造成这个区域的Cl-含量相应减少，浓度降低。而在指流过渡区域中，因为这个区域的主要作用是运输水分和溶质的作用，因此，Cl-浓度在此区域变化不大。而在指流累积区域，由于指流域的下边界是接触到试验装置底部的，当水分和溶质在指流域中运动时，并未使指流域中的砂子达到饱和，因此水分会首先在下部进行累积，形成累积区域，相应浓度也会增加。
　　2.2溶质Cl-的质量平衡计算
　　土壤中的溶质，不管通过何种途径与土壤之间进行交换，其溶质总量总是服从质量守恒定律。试验中土壤中溶质的总质量应等于进入土壤中的溶质质量和初始条件下所拥有的溶质质量之和。 　　采用NaCl作为土壤溶质，设计的灌施Cl-浓度为60、90、120和150 mg/L，由试验结束时的累积入渗量分别为500、545、519和530 mL，便可以计算得到进入土壤中的Cl-质量分别为30、49、62.28和79.5 mg。
　　土壤中的Cl-除进入土壤中的Cl-，还包括土壤本身所拥有的Cl-，试验之初测得土壤中Cl-的本底值为43.4 mg/kg。在容重1.4 g/cm3、厚度20 cm条件下的上层土壤质量为219 kg，因此计算得到上层土壤本身所含有的Cl-质量为94.61 mg。
　　试验完成之后取样，测定Cl-的浓度，并以某一点的Cl-浓度来计算这一点周围区域的Cl-质量，得到实测上层土壤和指流域中Cl-质量的近似值，并采用误差分析对质量平衡进行分析。
　　从表3可以看出，实测计算得到的土壤和指流域中Cl-质量基本等于灌施Cl-的质量与土壤Cl-本底值之和，并随着灌施Cl-浓度的增大而增大。溶质质量平衡的相对误差在5%以内。
　　2.3指流优先路径对Cl-迁移的影响
　　由于指流的产生，使得溶质随着水分很快地通过指流路径而到达深层土壤，造成地下水的污染，虽然通过指流域的水量很小，但会溶解大量的溶质沿指流通道进入地下水，对地下水产生污染。
　　土壤初始Cl-在入渗时随水分集中在湿润锋的前沿迁移，进入指流域后则在指尖处累积，试验结束后这部分Cl-一部分还累积在指尖处，另一部分已经流出指流域。而过渡区域的Cl-质量则反映了指流优先路径对通过灌施进入土壤中Cl-的迁移效率。表4为瞬时指流域对进入土壤当中Cl-的迁移效率。
　　从表4可以看出，指流域对通过灌施进入土壤中Cl-的迁移效率在35%～55%，剩余的溶质暂时存在于上层土壤中，随着灌施的继续，这部分溶质也将进入到指流域中。可见指流路径对溶质的迁移效率很高。
　　3结论
　　（1）灌施不同浓度的Cl-时，上层土壤中Cl-浓度沿垂直方向呈先增大后减小的趋势，在下层指流域中的过渡区域Cl-浓度变化不大，在接近试验底部的累积区域Cl-产生累积，浓度增大。
　　（2）指尖处的Cl-浓度大于过渡区域Cl-浓度，这是由于指尖处的Cl-浓度是在灌施Cl-浓度的基础上再把土壤中的Cl-浓度也一同带入到产生指流的最前端处，而过渡区域的Cl-浓度则为被土壤吸附一小部分后的灌施Cl-浓度。
　　（3）指流通道对Cl-的迁移效率很高，占灌施进入土壤Cl-质量的35%～55%。
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