松嫩平原西部水体的钠吸附比研究

松嫩平原西部水体的钠吸附比研究

土壤碱化过程通常是指土壤吸收性碳从土壤溶液中吸收钠离子的过程。在农业灌溉中，碱性离子含量高于土壤溶液。如果含量过高，可能会发生二次土壤碱化，尤其是在半干旱的松溪平原西部。如果这些情况更容易发生。除了总含盐量外，排水能力和土壤含水量之间的钠含量也很重要。一般来说，钠含量作为灌溉水和土壤溶液中钠含量的一个重要参数，是指灌溉水中钠含量和钙、镁含量的相对量。1不同定义下的钠吸附比研究1.1总sarp含量水体实际SAR是指仅考虑水体中阳离子Na+\,Ca2+、Mg2+浓度的情况下计算出的SAR.其表达式:SARΡ=[Νa+]√[Ca2+]+[Μg2+]2SARP=[Na+][Ca2+]+[Mg2+]2√式中:[Na+]\,[Ca2+]\,[Mg2+]均是以meq/L表示的离子浓度.通过松嫩平原西部各种水体的各项水化学指标的实测值,计算了松嫩平原西部不同湖沼、河流和地下水的SARP值,由于这里的SARP计算只考虑阳离子Na+\,Ca2+、Mg2+,故称其为实际的钠吸附比(SARP)(表1所列为各种水体的钠吸附比平均值).比较各种水体的SARP值可以看出,松嫩平原西部河流SARP值普遍偏低,平均为0.729,其中外流河的钠吸附比低于内流河,这主要是由于在外流河中,河水处于不断和外界水体交换物质和能量的过程中,其在平原内得到的Na+很快排出而没有得到积累,而在内流河情况则不同,河流携带沉积物处于不断沉积的过程,而且平原内土壤Na+盐基饱和度较高,自然其河流水体SARP就会高.例如属于内流河的霍林河SARP值较高(2.372),这与其水化学类型(HCO-3·Cl--Na+·Ca2+)相对应;湖泡SARP平均值为25.591,因湖泡成因的不同其SARP差别很大,古河道型湖泡,因其和大江大河有密切水力联系,其SARP较低.如月亮泡SARP值为1.758,风蚀洼地型湖泡往往成为盐分的汇,矿化度较高,其SARP也较高,构造断陷型湖泡主要位于构造断裂带,水质随含水层岩性而不同,多为碱泡.如大布苏泡的SARP为49.079;农业灌排水中,引水渠的SARP值均较低,平均为0.371,排水渠的SARP均高,平均为10.272,排水渠的SARP明显升高,这说明排水渠中带有从土壤中溶入的Na+;承压水SARP值均很低,平均0.367,这是由于承压水埋藏很深(一般埋深80m处),受地表土壤和水体的影响较小;潜水由补给区向汇水区SARP值逐渐升高,其平均值由0.394上升到12.348,这是由于潜水由西部补给区的冲积洪积平原向东部汇水区的湖积冲积平原过渡过程中,HCO-3、CO2-3、Na+逐渐上升,在一些受地表泡沼影响的潜水中Na+含量更高(可达400～500mg/L).1.2活度系数的计算上述实际SAR的计算认为各种水体是一种理想溶液,各离子之间无相互作用,而实际上各种天然水体是一种真实溶液,水中各种离子总是存在相互作用的,作用的结果使得化学反应相对减缓,在反应中起作用的离子小于实际的离子总数.并且随着离子总浓度的增加,自由离子活度减小.上述SARP的计算中,各离子含量用浓度表示,忽略了由于离子对或络合离子的形成而使自由离子活度减小的因素.因此在计算灌溉水体的SAR值时,应考虑水体中Na+\,Ca2+\,Mg2+的活度.对活度系数的计算,选用适用于总溶解固体(TDS)高的咸水戴维斯方程:lgr=-AΖ2√Ι1+Ba√Ι+bΙlgr=−AZ2I√1+BaI√+bI式中:r为活度系数;Z为离子电荷数;I为溶液的离子强度;a、b为常数(表2),20℃时A=0.5042,B=0.3273.离子强度计算公式:Ι=12∑Ζ2imiI=12∑Z2imi式中mi为离子浓度(mol/L).在求得各离子的活度系数后,根据αi=rimi,求得各离子的活度,用离子活度代替离子浓度,求算钠吸附比,此时求得的钠吸附比称为SART.据此,对松嫩平原西部各种水体的SART(假定温度为20℃)进行了计算(表1).对比计算得到的SARP和SART,可见SART一般大于SARP,这与Sposite和Mattigod的研究相一致.这是由于溶液离子强度对Ca2+、Mg2+的影响要比对Na+的影响大,即Ca2+、Mg2+的活度系数随着离子强度的增加而降低的程度比Na+大.所以在实际研究灌溉水可能引起碱化的问题中,仅考虑SARP则会对钠离子引起碱化的程度估计偏低.通过对松嫩平原西部水体中SARP和SART的统计分析(37个样本),二者之间线性关系显著(图1),线性回归表明二者具有线性关系(表3),通过表3的线性方程可以在简单计算SARP的基础上,对松嫩平原西部灌溉水体的SART进行估算.1.3灌溉水体碱化特性中sarp和sart的相关分析松嫩平原西部水体的明显特性之一是它们的水化学类型都是其HCO-3含量较高.根据水体中碳酸平衡知,当水体的pH升高时,HCO-3有转化为CO-3的倾向.灌溉水中高浓度的重碳酸盐进入土壤溶液后,随着溶液浓度增加,重碳酸盐部分转化为碳酸盐而使Ca2+,Mg2+离子沉淀.根据Eaton的实验,当土壤溶液中Ca2+、Mg2+等二价离子浓度变稀时,仅根据SAR值和加庞方程计算出的碱化度(ESP)往往低于实际的碱化度.用含重碳酸盐的水体和不含重碳酸盐的水体进行灌溉,前者土壤中ESP明显高于后者.考虑到灌溉水体中碳酸盐和重碳酸盐的作用并结合Langelier饱和指数,Bower和Maasland提出了调整钠吸附比(SAR(ADJ))的概念:SAR(ADJ)=SARΙW(1+8.4-(⊿pk+Ρ([Ca2+]+[Μg2+])+Ρ([ΗCΟ-3]+[CΟ2-3]))式中:p代表常用对数的负对数,表示以mg/L为单位的浓度,SARIW代表灌溉水的SAR值,这相当于考虑到溶液中碳酸平衡时,对灌溉水体的钠吸附比计算附加了一个系数因子.Bower和Maasland给出了不同浓度下的⊿pk\,P([Ca2+]+[Mg2+])和p([HCO-3]+[CO2-3])值(表4).据上述方程,计算了松嫩平原西部水体的SARP(ADJ)和SART(ADJ)(表1).可见各种水体的SAR(ADJ)均明显大于其SAR,并且它们之间有显著线性相关关系(图2).线性回归得出的相关方程列于表3.对比计算得到的SAR(SARP、SART)和SAR(ADJ)(SARP(ADJ)、SART(ADJ))后者一般大于前者,这说明在松嫩平原西部水体的碱化特性研究中应该考虑碳酸平衡的影响.通过对(SARP、SARP(ADJ)及SART、SART(ADJ))之间的相关关系研究,发现它们之间具有显著相关性,并建立了它们之间的线性相关方程(表3).通过上述方程可以简化SARP(ADJ)和SART(ADJ)的计算程序.2标准4:9.0以上对松嫩平原西部各种水体的统计结果表明水溶液中碳酸和重碳酸的存在对水体pH有明显影响,当溶液中有[CO2-3]存在时,溶液pH在8.5以上,当[CO2-3]接近2meq/L时,溶液pH达9.0以上;[HCO-3]接近5meq/L时,水体pH在8.5左右,当[HCO-3]达到10meq/L以上时,水体pH多达9.0以上.因为pH值在一定程度上综合反映了水体的碱化状况,所以对松嫩平原西部水体的SAR与pH的关系进行了研究,并建立了它们之间的线性回归方程(表5).研究证明了上述统计结果,随着考虑因素的增加,pH与SAR之间的相关性得到加强,相关系数从0.67增至0.84,特别是当计算中加入碳酸平衡的影响时,SAR与pH的相关性明显增强.这也说明在利用SAR作为预示灌溉水体引起土壤碱化程度的研究中,应该考虑离子对的作用及碳酸平衡的影响.3松柳平原西部水体碱化特性的评价与讨论3.1灌溉水体中盐碱化的自然过程.一环农业灌溉是实现农业持续高产出的重要因素,而灌溉水质和土壤盐碱化有密切关系,特别是在干旱—半干旱地区,灌溉水中的盐分不断在土壤剖面中的根区积累,并和土壤吸收性复合体相互作用,导致土壤盐化、碱化的发生.在一定程度上,土壤碱化(钠质化)的危害更甚于盐化,它往往使土壤微粒高度分散和膨胀,物理性质恶化,干时板结,湿时重胀,很难透水透气,土壤水分有效性严重降低,对作物生长十分不利.在半干旱的松嫩平原西部由于各种因素的综合作用,水体pH、可溶性盐含量、矿化度均较高,灌溉中可能产生过量交换性钠,引发土壤次生碱化,并导致Ca2+、Mg2+的缺乏.对灌溉水体中的钠含量进行评价是盐碱化地区灌溉水水质评价的重要方面.50年代松嫩平原盐碱化土地面积2.415×106hm2,到80年代,盐碱化土地面积已达到3.012×106hm2,每年增加近1%.而且该区土壤盐碱化呈逐年加重加速的趋势.近年来松嫩平原西部农业开发力度增加,小井种稻、引水种稻、水浇地面积不断扩展,由于灌溉水中的Na+含量较高及土壤本身的盐碱化特性,加之灌排中的管理不善,造成大面积次生盐碱化.尤其是洼地开发中的旱田、水田相间分布,更是加重了这种趋势.根据Richards(1954)提出的分级标准(表5),利用计算得到的SAR(表1)对松嫩平原西部水体灌溉引起的碱化程度进行了评价.Richards提出的分级标准是以实际钠吸附比(SARP)为依据划分的,故用SARP对之进行了评价.结果表明,承压水和河水为S1级,即不易引起土壤碱化或者说引起土壤碱化的程度很低;对地下潜水而言,补给区和径流区潜水均为S1级,汇水区平原潜水为S1级,汇水区洼地潜水以SARP为S2级;农业灌排水中,引水渠水质为S1级,排水渠水质为S2级;湖泡水,月亮泡水质为S1级,查干泡和连环泡为S2级,其它调查湖泡均为S4级,农业灌溉的可用性很差.3.2ph、sartadj与水体碱化特性的相关性上述的评价结果是根据水体的SARP值得出的,它的计算仅考虑到水体中Na+、Mg2+和Ca2+的相对浓度,实际上在松嫩平原西部,由于其土壤的盐基饱和度高,水体中许多离子成分的浓度亦相对较高,这样在钠吸附比的计算中,应该考虑其中离子对的相互作用(SART的计算);另外本文2的研究结果表明,在松嫩平原西部,碳酸和重碳酸的存在对水体碱化特性有明显影响,而且随着考虑因素的增加,pH与钠吸附比之间的相关性得到加强,即pH与SART(ADJ)的相关关系最为显著.综合上述讨论,认为在松嫩平原西部应用钠吸附比反映水体碱化特性时,依据SART(ADJ)可能会得出更符合实际的结论.根据表3得出的相关方程:SART(ADJ)=6.9621SARP-1.6793,对不同湖泡、河流和地下水的SARP和SART(ADJ)进行了计算,发现当SARP较小时(<10),SART(ADJ)的计算值偏小,当SARP较大时,SART(ADJ)的计算值偏大,故应对计算结果进行修正.据此并依据表6,提出了在松嫩平原西部用SART(ADJ)对水体农业灌溉碱化危害特性进行评价的分级指标(表7).据上表评价的结果与3.1的评价结果基本相同,这说明在松嫩平原西部用SART(ADJ)反映水体的碱化特性是较符合实际的.4加强碱化评价,以提高碱化水平为中心(1)建立在对灌溉水体各项碱化指标研究和分析的基础上,可以将不同碱化级的灌溉水体进行不同比例的混合而降