磁化水对河套灌区原状盐碱土柱入渗与盐分再分布的影响及其对灌溉水源的依赖性

《Agronomy》：Effects of Magnetized Water on Infiltration and Salt Redistribution in Undisturbed Saline–Alkali Soil Columns from the Hetao Irrigation District: Dependence on Irrigation Water Source

　　

土壤盐渍化与淡水资源短缺是限制全球干旱与半干旱地区农业可持续发展的两大突出挑战。磁化灌溉被认为是一种不引入化学添加剂的物理水处理方法，可能改善水分入渗并缓解次生盐渍化；然而，在对比性灌溉水源条件下其有效性仍认识不足，尤其是在原状盐碱土中。本研究考察了两种水源——黄河水（HW）与地下排水（DW）——的磁化灌溉水对内蒙古河套灌区土壤水分入渗与水盐运移的影响。原状土柱在三种磁场强度下灌溉：0、3500与5000高斯（Gs）。分析了累积入渗量、入渗速率、湿润锋推进、土壤含水率、盐分储量与离子再分布。磁化影响入渗与水盐再分布，且响应幅度在两种水源间存在差异。相对于未磁化对照，磁化处理下平均入渗速率增加11.6–13.9%（p < 0.001），入渗历时缩短6.1–7.1%（p = 0.020），3500与5000 Gs处理间无显著差异（p = 0.903）。水源×磁强度交互作用对入渗速率或历时均不显著。磁化处理下深层盐分储量降低：HW在5000 Gs下40–50 cm层降低24.74%，DW在3500 Gs下50–60 cm层降低29.18%（均相对于各自未磁化对照，p < 0.05）。磁化灌溉与0–30 cm层Na+和Cl?累积减少以及土壤水浸提液中Ca2+和Mg2+相对比例升高相关。上述发现为原状盐碱土中磁化灌溉响应随灌溉水源变化提供了实验证据，并支持对盐渍化农田地下排水再利用的进一步评估。

研究背景与问题 全球气候变化加剧与人口持续增长背景下，土地盐渍化与水资源短缺已成为粮食安全与农业可持续发展的关键制约。中国干旱半干旱灌区（尤其是新疆与河套）长期面临水资源有限、土壤盐渍化严重、排水不畅等问题，导致农田减产与生态退化。已有研究尝试通过改变水盐运移路径促进脱盐，如生物炭夹层可有效拦截盐分运移，但依赖高成本外源添加物。微咸水等非常规水源被视为缓解缺水的可行选择，但长期过量微咸水灌溉会导致盐分累积与次生盐渍化风险。磁化水技术因可优化灌溉水性质、增强土壤水盐调控而受到关注。微观层面，既有研究提出磁处理可能改变氢键相互作用与水分子缔合状态，进而影响表面张力、黏度与离子水合行为，但这些机制仍存科学争议，其幅度与方向随水质、土壤质地与磁处理条件而变。田间应用方面，已有研究在澳大利亚、印度及中国新疆、黑龙江证实磁化水可改善团聚体稳定性、增加有效孔隙度、提高入渗速率。但既有研究存在三方面不足：一是多数入渗试验采用扰动（回填）土柱，破坏了控制优先流与盐分再分布的自然孔隙连通性与团聚体结构；二是回填土柱结论能否推广至原状田间土壤尚不确定；三是多数研究仅考察特定深度总盐变化，未刻画全剖面离子组成结构的影响。基于此，研究人员提出假设：（i）磁处理对土壤入渗与盐分再分布的影响具有水源依赖性，不同盐度与离子组成灌溉水存在不同最优磁强度；（ii）磁化灌溉优先促进单价离子（Na⁺、Cl^?）相对于二价阳离子（Ca²⁺、Mg²⁺）的向下再分布，从而改变土壤水浸提液离子组成。

研究概况与意义 研究人员以河套灌区原状盐碱土柱为对象，采用两种水源（黄河水HW与地下排水DW）×三种磁强度（0、3500、5000 Gs）的全因子设计开展入渗试验，系统分析入渗特征、含水率、盐分储量与离子再分布。结果表明磁化可提高入渗速率、缩短入渗历时、推进湿润锋，并促进盐分由表层向深层再分布、降低根区Na⁺与Cl^?相对比例、提高Ca²⁺与Mg²⁺相对比例，且响应幅度随水源而异。该研究据其所知是首批将原状土柱与对比性灌溉水源系统比较相结合的研究之一，为地下排水（DW）利用与磁化水应用提供了实验依据，并为中国干旱半干旱区盐渍土可持续管理提供启示。

关键技术方法 研究采用原状土柱取样法，以圆筒取样器沿剖面逐段压入采集直径10 cm、高60 cm的原状土柱共18根，保持自然孔隙结构、团聚体稳定性与初始水分剖面；采用便携式磁化水循环装置（钕铁硼永磁体，磁通密度0.35与0.50 T，均匀度>96%，有效磁化长度50 cm，磁强计校验偏差<±5%），以3.0 L·min^?1循环20 min制备磁化水；采用马氏瓶–土柱重力滴灌入渗装置（马氏瓶内径12 cm、高40 cm，土柱高70 cm、内径10 cm，每10 cm设取样孔，底部设滤液收集槽），维持5 mm水层，累积入渗量达700 mL时终止；入渗后按10 cm分层取样，测定含水率（105 °C烘干法）、pH、电导率（EC_1:5）并由经验关系换算总盐量，离子组成采用双指示剂滴定（CO₃^2?、HCO₃^?）、AgNO₃滴定（Cl^?）、EDTA络合滴定（SO₄^2?、Ca²⁺、Mg²⁺）与火焰光度法（Na⁺）；并采用Piper三线图与冗余分析（RDA）进行水化学与多因子耦合分析。样本来源为内蒙古巴彦淖尔市五原县玉米科技试验基地（41°22′ N，107°19′ E），2025年6月初夏灌前采集。

研究结果 3.1 磁化水滴灌对累积入渗与湿润锋推进的影响：累积入渗量随时间非线性增加，入渗速率初期快速下降后趋于稳定。0–30 min内HW1、HW2累积入渗量较HW0分别增加15.20%与18.53%，DW1、DW2较DW0分别增加14.83%与8.52%。平均入渗速率受磁强度显著影响（F(2,12)=24.684，p < 0.001），水源及交互作用不显著；HW1、HW2较HW0提高11.6%与12.9%，DW1、DW2较DW0提高13.9%与10.4%。稳定入渗速率在水源间差异显著（DW高于HW），磁强度无显著影响。入渗历时受磁强度显著影响，由0 Gs的148.8 min降至3500 Gs的138.2 min（7.1%）与5000 Gs的139.7 min（6.1%），两磁化强度间无显著差异。磁化显著推进湿润锋，湿润锋到达60 cm底部的时间在0、3500、5000 Gs下分别为207.8、188.8、188.2 min，分别缩短9.1%与9.5%，且存在显著水源×磁化交互作用，DW下湿润锋到达底部早于HW。由于稳定入渗速率未受磁化影响，历时缩短归因于瞬态（早期）入渗加快而非终端稳定通量增加。

3.2 磁化水滴灌对土壤剖面含水率的影响：三因素方差分析显示水源、磁强度、深度主效应及交互作用均显著（模型R²=0.926）。HW1使20–40 cm层含水率较HW0显著提高8.73%与23.69%，HW2在50–60 cm层最高，显著提高41.34%；DW1使10–20 cm层显著提高42.20%，但DW1、DW2使30–50 cm层显著降低15.50–28.38%与12.59–25.15%，DW2在50–60 cm层显著提高7.31%。总体上磁化促进两种水源下水分向下运移，HW主要增强中深层含水率，DW则利于浅层保水。需注意含水率变化反映剖面内水分再分布而非持水能力净增加。

3.3 磁化水滴灌对土柱剖面盐分储量分布的影响：水源、磁强度与深度对盐分储量主效应均极显著，水源×深度、磁化×深度及三因素交互作用显著（模型R²=0.936）。HW1、HW2在40–50 cm层较HW0显著降低16.14%与24.74%，HW1浅层脱盐更强而HW2深层脱盐更明显；DW1、DW2在50–60 cm层较DW0显著降低29.18%与30.38%。综合两水源，3500 Gs在观测层次中变化方向一致（所有磁化处理0–40 cm层净脱盐），而5000 Gs浅层脱盐效果一致性较差。

3.4 再分布土壤主要盐离子分布特征：阴离子以HCO₃^?与SO₄^2?为主，Cl^?次之，Ca²⁺随深度较稳定。HW下HW1、HW2降低0–30 cm层Cl^?与SO₄^2?浓度，HW2表层降低18.2–46.6%；根区HW1、HW2显著增强HCO₃^?（34.61%、31.28%）与Mg²⁺（28.20%、23.33%）去除。DW下DW1使10–30 cm层Cl^?与SO₄^2?累积较DW0降低21.5–39.9%；根区DW1的HCO₃^?去除率最高（35.27%），HW2的Na⁺去除率最高（35.83%）；DW0下Cl^?与Mg²⁺呈负去除值（?11.79%与?11.27%），磁化使DW1的Cl^?与Mg²⁺去除率分别提高16.5与15.9个百分点。SAR受水源、磁强度与深度显著影响，磁化在两水源下均降低SAR，3500 Gs效果最强；因未测ESP、交换性Na⁺与CEC，不能解释为交换性钠害缓解。Piper图显示磁化处理下Na⁺比例总体下降、Ca²⁺与Mg²⁺比例上升，且磁化处理数据点更集中（目视评估，未量化），表明磁化不仅降低Na⁺优势度，还稳定了剖面整体水化学相。

3.5 水盐运移过程的多因子耦合分析：RDA前两轴累计解释56.91%总变异（RDA1为46.68%，RDA2为10.23%）。RDA1主要反映水源类型的分异，SO₄^2?、Cl^?、HCO₃^?与盐分储量载荷较高并与DW处理组位置一致，SO₄^2?投影最大；RDA2主要由磁化强度驱动，Na⁺浓度与入渗速率沿负方向载荷最强，含水率朝相反半轴。DW0组较分散且位于盐分相关向量区域，HW1与DW1偏离该簇最远。该排序为描述性，未按农艺重要性加权，不识别单一最优处理。

讨论与结论 讨论部分指出磁化水研究文献仍不一致，既有正面报道也有弱、不一致或不显著响应，本研究以原状盐碱土与两种对比水源提供证据。最大入渗响应在HW为5000 Gs、DW为3500 Gs，但水源×磁强度交互对平均入渗速率、稳定入渗速率与入渗历时均不显著，仅对湿润锋推进时间显著，故两水源差异应解释为在所测特定强度下响应幅度的差异而非水源特异性最优。差异可能与水理化性质与离子水合对磁处理的非线性响应有关，氢键断裂理论认为洛伦兹力使大分子簇解聚、降低表面张力与黏度，从而降低毛管流动阻力；高离子强度DW可能改变离子水合与水–土相互作用，使DW2响应弱于DW1，但该机制需直接测定水理化性质验证。因仅比较三个离散强度，3500 Gs为当前条件下表现最佳水平而非普遍阈值。入渗增强幅度小于回填土柱研究常见值，假设与回填均质化、去除自然团聚体、生物孔隙与优先流路径有关，但未直接检验。原状土柱保留压实层、大孔隙与非均质孔隙网络，更真实反映田间水分运动限制，是本研究的核心方法学优势，但原状土柱仍无法完全复现蒸散、降雨截留与地下水交互等田块尺度过程。两磁化强度间无显著差异，选择不能仅凭统计；综合考虑入渗、盐分淋洗与能量投入，高盐度水以3500 Gs更有利，低盐度水在优先深层淋洗时5000 Gs可能更优，此系基于观测响应模式的操作性建议而非统计证明的最优值。水盐再分布方面，磁化促进盐分向下再分布，形成根区盐度明显低于深层的有利格局；机制可能与磁处理改变水分子与溶解离子相互作用、削弱离子–水静电作用并压缩离子水合壳、增大Na⁺与Cl^?迁移系数有关，但未直接测定水理化性质与离子水合参数，应视为基于文献的工作假设。50–60 cm层盐分累积较回填土常见报道更明显，可能与原状土柱连续孔隙网络使水分与盐分更快向湿润锋运移有关，因未直接测孔隙结构与优先流，仍属推测；单次灌溉未测向上水盐通量，不能称为盐分回流，重复灌溉是否导致深层累积需多季田间观测，建议磁化灌溉与地下排水系统协同设计。离子选择性迁移方面，磁化后Na⁺比例总体下降而Ca²⁺、Mg²⁺比例略升，Na⁺水合壳可能被压缩而迁移性增强，二价阳离子水合半径较小、对负电表面亲和力更强而相对滞留；若浸提液变化伴随交换相变化，磁化灌溉可作为现有改良措施的低成本补充，但未测CEC、ESP与交换性阳离子，仍为待检验假设。研究局限包括：室内原状土柱无法完全复现田间过程，单次灌溉无法反映长期累积效应；未考察输运距离、温度、灌溉前时间滞后等调控因素及作物响应、土壤微生物与酶动态和其他土壤类型；每处理仅3次重复限制交互效应检验功效；未分析淋出液，无法建立完整离子质量平衡。

结论部分译文：磁化改变了原状盐碱土的入渗，且响应幅度在两种灌溉水源间存在差异。在所测三种强度中，HW1与HW2使平均入渗速率分别提高11.6%与12.9%，DW1与DW2分别提高13.90%与10.4%。尽管两磁化强度相对未磁化对照均显著改善入渗，但二者在入渗速率或历时上无显著差异（p = 0.903）。因此3500与5000 Gs之间的选择不能仅依据统计。综合考虑入渗增强、盐分再分布、保水与能量投入，在当前条件下高盐度地下排水以3500 Gs更有利，而低盐度黄河水在优先深层盐分淋洗时5000 Gs可能更优；这些系基于多变量观测响应模式的操作性建议而非统计证明的最优值。磁化灌溉与盐分由表层向深层剖面再分布相关，HW2下40–50 cm层盐分储量降低24.74%，DW1下50–60 cm层降低29.18%；含水率方面HW2在60 cm深度提高41.34%，DW1在10–20 cm层提高42.20%。土壤水浸提液离子组成向Na⁺与Cl^?相对比例降低、Ca²⁺与Mg²⁺相对比例升高的方向转变。冗余分析主要沿两轴分离样品，第一轴与水源相关、第二轴与磁强度相关，两轴合计解释56.91%总变异。上述发现基于原状室内土柱的单次灌溉事件，未经田块尺度验证不应外推至其他土壤类型、水质或灌溉系统。