土壤水分入渗是连接地表径流与地下水的重要过程,这一过程决定着降水、灌溉水进入土壤的速度和数量,从而影响供给农作物生长所需有效水的数量^[1-2]。土壤水分入渗特性是表征土壤水分运动和抗侵蚀能力的重要指标^[1-2]。因此,研究土壤水分入渗特性对优化区域水循环过程,改善作物根区的水分分布和对水分的有效利用情况,从而提高农作物产量具有重要的科学价值和实践意义。

土壤是一个开放复杂的体系,因此其水分入渗过程也必然会受到多种因素的影响,包括土壤有机质含量、结构稳定性、供水电解质浓度等^[3-4]。赵勇钢等通过对不同恢复年限的草地土壤水分入渗过程的研究表明,土壤结构的稳定性对水分入渗有重要影响^[5]。团聚体作为土壤结构的基本单元,其稳定程度可反映土壤结构的稳定性^[5-6]。徐爽等研究表明,提高无机氮肥的施用量,增加土壤溶液浓度,有利于提高团聚体的稳定性,改善土壤结构^[7]。Markgraf和Dörthe研究表明,增大土壤溶液中KCl的含量可以提高团聚体的稳定性^[8-9]。吴忠东等研究表明,当入渗水矿化度小于3.0 g/L时,随着入渗水矿化度的增大,其土壤团聚体的破碎强度减小,土壤结构稳定性增强,使土壤大孔隙数量增加,水分入渗能力增强^[10]。由此可知,土壤溶液性质的变化可通过影响土壤团聚体稳定性来影响土壤水分入渗过程。目前,人们主要认为土壤溶液主要是通过影响土壤矿物的膨胀和消散作用进而使团聚体发生破碎而影响水分入渗^[7,11-12]。然而,新近的研究表明,在1～1 000 nm尺度上,土壤带电颗粒相互作用力可高达数百甚至上千个大气压,是引发团聚体破碎的主要内在动因^[11-13]。当团聚体破碎后,会释放大量的细小颗粒,堵塞土壤孔隙,降低水分入渗速率,加速地表径流的形成,进而引发土壤侵蚀^[14-15]。Hu等发现,随着溶液浓度的升高,土壤颗粒表面电位降低,导致土壤颗粒间电场作用减弱,从而使得团聚体稳定性增加^[11-12]。Yu等通过控制入渗溶液电解质浓度来定量调控土壤颗粒表面电场,研究了电场对紫色土水分入渗的影响,发现随着溶液浓度的升高,土壤电场强度降低,水分入渗速率升高^[14]。可见,土壤电场强度对水分入渗特性有着重要影响。

东北黑土区是世界三大黑土区之一,总面积约103万km^2[2]。该地区地形相对平坦,土地肥沃,是我国重要的商品粮产地,但是由于多年的土地不合理开发利用,导致黑土结构明显破坏,有机质含量和持水性降低,土壤退化现象严重^[16-17]。因此,提高该地区的水分入渗效率可减少地表径流的形成,从而减轻水土流失。近年来关于黑土区水分入渗的研究为该区域的水土保持工作提供了重要的科学理论依据,但对于介观尺度上土壤电场对黑土团聚体稳定性及水分入渗的影响尚不清楚。因此,本研究计算典型黑土在1:1型电解质溶液中的电场强度,采用沉降法和一维定水头垂直入渗法测定团聚体稳定性和水分入渗特性,在此基础上综合分析不同电场强度对团聚体稳定性和水分入渗特性的影响。研究结果为进一步改善该区土壤结构的稳定性和水分利用效率提供一定的理论参考。

当水分进入土壤后,土壤团聚体遭到破坏,其稳定性下降,进而会改变土壤孔隙状况,影响水分入渗特性。本研究发现,随着溶液电解质浓度的降低,土壤团聚体破碎强度表现为先急剧增大而后保持稳定的趋势,即团聚体稳定性总体表现为降低的趋势,0.01 mol/L是团聚体破碎强度发生改变的电解质浓度,该结果与其他土壤(紫色土和典型黄土)的研究结果一致^[11-12,14],说明对于不同的土壤类型,电场对团聚体稳定性皆有一定的影响,但是由于颗粒组成、有机质含量、离子特异性等因素的差异,其影响程度不同。根据经典胶体化学理论,土壤表面电位(绝对值)和电场强度会随着土壤溶液电解质浓度的增大而减小^[11-14],电场强度的减小意味着颗粒间的静电排斥力会急剧减小,这与本研究定量计算的结果一致。已有研究表明,土粒间的静电排斥力可高达上千个大气压,远大于通常人们所认为的消散作用和雨滴打击等作用力,它是团聚体遇水破碎的主要内在动因^[11-13]。因此,当溶液电解质浓度降低后,土粒间的电场作用会急剧增强进而导致团聚体发生破碎,这必然会引起土壤孔隙状况发生改变。

本研究发现,随本体溶液电解质浓度的增加,水分入渗过程中累积入渗量、湿润锋前行位置和水分入渗速率和均增大。张俐等研究表明,在一定范围内,随着入渗水分矿化度的增大,在相同入渗时间内的湿润锋运移速率呈增加的趋势^[29],此结果与本研究结果相一致。当水分进入土壤后,土壤结构体并不是始终保持不变的刚性颗粒^[14-15,23]。其中,团聚体的稳定与分散被认为是影响土壤孔隙状况和水分迁移的重要因素^[14-15]。结合本研究中团聚体稳定性试验结果可以发现,随本体溶液电解质浓度的变化,各水分入渗特参数和团聚体稳定性参数的变化趋势一致。即随溶液电解质浓度的降低,团聚体稳定性降低,水分入渗过程中累积入渗量、湿润锋的迁移距离和水分入渗速率均降低。电解质浓度为0.01 mol/L是相同作用距离下电场强度的转折点,也是团聚体稳定性的转折点,这与水分入渗过程的转折点相同。理论计算与宏观试验结果相对应,这说明土壤电场可通过影响团聚体稳定性而最终影响水分入渗过程^[14-15,21]。

尽管本研究是采用不同浓度电解质溶液来模拟研究水分入渗特性,并指出了土壤电场作用对水分入渗过程的重要影响,但是该结果具有一定的普适性。例如:在自然条件下,当雨水或灌溉水进入土壤后,土壤溶液浓度将会迅速被稀释,根据本研究结果可知,此时的土壤带电颗粒周围电场会急速增强,颗粒间的静电斥力增大,导致团聚体结构发生破碎,改变土壤孔隙状况,最终影响水分入渗过程,加速地表径流的形成,导致土壤侵蚀加重。我们的研究结果也定量地解释了,在一定范围内,随灌溉水质矿化度的增加,土壤水分入渗性能增强的原因^[10]。这是因为入渗液浓度增大后,土粒表面电位绝对值和电场强度将会降低,土粒间排斥力作用下降,团聚体稳定性增强,水分入渗性能将会增大,这一试验结果为东北地区土壤水分和水土流失调控提供了一定的理论依据,对于我国淡水资源的保护具有重要意义。

(1)黑土团聚体稳定性受到土壤电场的强烈影响。随着土壤本体溶液电解质浓度的降低,土壤表面电位和电场均增强,团聚体稳定性降低,其中0.01 mol/L是黑土表面电场和团聚体发生破碎的关键转折点。

(2)土粒表面电场对黑土水分入渗过程具有重要的影响。随着土壤本体溶液电解质浓度的降低,土壤表面电位和电场均增强,黑土水分入渗速率、湿润锋运移距离和累计入渗量均降低。电解质浓度为0.01 mol/L是水分入渗特性发生转变的关键转折点。

(3)当水分进入土壤后,土壤本体溶液电解质浓度降低,土壤表面电场增强,土壤团聚体发生破碎,土壤孔隙被堵塞,最终导致土壤水分入渗速率降低。