富營養(yǎng)化污水灌溉對土壤持水能力的影響

藍(lán)明菊,李明思,趙國軍,呂銳

(石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院,石河子,832003)

富營養(yǎng)化污水灌溉對土壤持水能力的影響

藍(lán)明菊,李明思,趙國軍,呂銳

(石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院,石河子,832003)

以沙土和壤土的物理性質(zhì)為研究對象,通過室內(nèi)污水灌溉試驗,測定了污水灌溉后這2種土壤的田間持水率和孔隙度,分析了污水灌溉對土壤持水能力的影響。結(jié)果表明:污水灌溉后污水中的有機(jī)物會影響土壤結(jié)構(gòu),繼而影響土壤的持水能力,其中污水灌溉增加了土壤的黏性是使土壤持水能力增加的主要原因,污水灌溉對壤土的持水能力影響更大。這說明在黏粒含量較小的沙土上更適合進(jìn)行污水灌溉。

污水灌溉;田間持水率;土壤孔隙度

Abstract:In order to discuss the impact mechanism of agricultural eutrophic sewage irrigation on physical characteristics,the effect of eutrophic sewage irrigation on the soil-holding capacity was analyzed based on the sewage irrigation experiments in sandy and loamy soil.In this experiment soil field capacity and porosity were determined,and also the impact of sewage irrigation on soil water holding capacity was analyzed.The results show that the organic matter in sewage water can affect soil structure through irrigation,and it can change the soil water holding capacity further.The reason is that the sewage irrigation can cause soil become more stickiness,which is the main reason of the soil-holding capacity enhancing with the sewage irrigation.The impact of sewage is greater on the loamy soil than the sandy soil.The analysis also shows that eutrophic Sewage Irrigation is more suitable for sandy soil.

Key words:sewage irrigation;soil field capacity;soil porosity

城市生活污水用于農(nóng)田灌溉不僅是水資源有效利用和節(jié)約用水的一種途徑,也是城市污水處理的一種方式,因此該措施日益受到人們重視,并且在國內(nèi)外大力推廣應(yīng)用。然而,污水本身所含的各種物質(zhì)對農(nóng)田土壤環(huán)境有明顯的影響,污水中過高的懸浮物、有機(jī)污染物和鹽分會破壞土壤結(jié)構(gòu),使土壤板結(jié),鹽漬化加重,土質(zhì)下降[1]。污水灌溉對土壤環(huán)境的影響一直是國內(nèi)外學(xué)者所關(guān)注的問題[2]。

目前,關(guān)于污水灌溉的研究多集中在污水灌溉對農(nóng)作物生長機(jī)理和產(chǎn)量的影響、對土壤氮素轉(zhuǎn)化與遷移的影響、對土壤重金屬含量及作物中重金屬累積量的影響等方面研究結(jié)果顯示[3-7],污水中含有植物所需要的營養(yǎng)元素和有機(jī)物質(zhì),有助于改善土壤營養(yǎng)狀況和改善土壤物理性質(zhì)及生物學(xué)性狀等,但是關(guān)于污水灌溉對土壤物理特性等方面影響的研究并不多,而土壤的水分特性是農(nóng)田灌溉中必須考慮的問題,研究污水灌溉對土壤這方面的影響有利于制定合理的灌水措施和耕作方式。污水對土壤物理特性的影響有多種途徑,而污水中的有機(jī)質(zhì)對土壤物理特性的改變是生產(chǎn)中較為常見的[8]。污水中的有機(jī)污染物可分為2類[9]:一類是含碳有機(jī)物,如纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等;另一類是含氮有機(jī)物,如蛋白質(zhì)、氨基酸等。有機(jī)污染物常用的指標(biāo)有:化學(xué)耗氧量(COD)、生化需氧量(BOD)、懸浮物(SS)、氮(TN)、磷(TP)等。

表征土壤持水能力的指標(biāo)是田間持水率,它是土壤懸著毛管水達(dá)到最大值時的土壤含水率[10],是制定農(nóng)田灌水定額的上限指標(biāo)。土壤之所以具有持水能力是因為土壤是多孔介質(zhì),其顆粒和毛管都對水分有吸附作用[11],不同質(zhì)地的土壤其顆粒大小、黏性和孔徑結(jié)構(gòu)不同,持水能力也不同。土壤有機(jī)質(zhì)含量不僅影響顆粒黏性,也影響毛管的吸附力,而污水灌溉將會改變土壤有機(jī)質(zhì)含量和分布,進(jìn)而影響土壤持水能力。

本文采用石河子市生活污水進(jìn)行污水灌溉試驗,觀測分析了污水灌溉對壤土和沙土持水能力的影響,同時分析污水灌溉對土壤結(jié)構(gòu)的影響,以期為石河子市生活污水的農(nóng)田灌溉和處理提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2009年在石河子大學(xué)水利與土木工程試驗中心進(jìn)行。試驗水質(zhì)分別為污水與清水。供試清水為城市生活用水,污水取自石河子市東排干排污口,即石河子市生活污水總排放口,水質(zhì)為典型的富營養(yǎng)化污水,經(jīng)多次取樣測定,試驗用水的水質(zhì)指標(biāo)見表1。

按照國際制土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)確定供試土壤為沙土和壤土,土壤中各級粒徑的顆粒含量見表2。將供試土壤裝在塑料桶內(nèi),塑料桶上口直徑48 cm,下底直徑42 cm,高54 cm,內(nèi)部裝土50 cm厚。

表1 試驗用水的水質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Water quality indexes in experiment

表2 土壤各級粒徑質(zhì)量分?jǐn)?shù) %Tab.2 Soil granule content of weight in each diameter level(%)

1.2 試驗方法

將土壤風(fēng)干后粉碎并過φ2 mm篩,按壤土干密度1.50 g/cm3、沙土干密度1.52 g/cm3分5層均勻裝入塑料桶內(nèi)。

試驗開始時先用清水灌透土壤(下文中稱為第0次灌溉),測定其相應(yīng)的田間持水率及孔隙度,然后再分別漫灌清水與污水。根據(jù)裝土體積及土壤初始孔隙度計算出每次需灌水6 L。待水完全滲透土樣后,將輻射燈置于土壤表面20 cm處模擬蒸發(fā),待土樣中水分蒸發(fā)干后進(jìn)行下一次灌水。每灌5次水用100 cm3環(huán)刀取樣1次,每次取3份土樣測定其田間持水率及孔隙度,隨著桶內(nèi)土樣的減少逐漸減少灌水量。其中,土壤田間持水率用排水法測定,以體積含水率表示;孔隙率采用浸水飽和法測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 污水灌溉對土壤田間持水率的影響

沙性土大孔徑多,通透性好,黏粒含量少,易于耕作,一般入滲率大,而且達(dá)到穩(wěn)定入滲的時間短,但是對水分和養(yǎng)分的保蓄能力差。壤土小孔徑多,黏粒含量較沙土高,滲吸率大,而垂直滲透率較沙土的值小,且達(dá)到穩(wěn)定入滲需要的時間較長,同時穩(wěn)定入滲率較小。通常情況下,壤土的持水能力都將大于沙土的持水能力[11]。污水灌溉條件下,污水中的有機(jī)物質(zhì)進(jìn)入土壤,可使土壤顆粒的黏性增大,從而增加其持水能力。

2種土壤田間持水率隨灌水次數(shù)的變化如圖1所示。圖1中第0次灌水試驗數(shù)據(jù)為開始時用清水灌透土壤后測得的田間持水率。由圖1可見:

1)隨著污水灌溉次數(shù)的增加,2種土壤的田間持水率均呈“S”型增大。沙土的田間持水率由26%增大到29.2%,并穩(wěn)定在這個水平上,增長幅度為12.3%,而且在第20次灌水后田間持水率迅速增大。灌清水的沙土的田間持水率在灌水初期有小幅增加(由26%增加到26.6%),在第5次灌水后保持穩(wěn)定。灌污水的沙土田間持水率比灌清水的沙土田間持水率最終大了2.6%。

壤土田間持水率由27.5%增大到31.6%,并穩(wěn)定在這個水平上,增長幅度為15%,在灌污水20次后開始快速增大。灌清水的壤土田間持水率只在灌水初期由27.5%增加到28.1%,在第5次灌水后保持穩(wěn)定。灌污水的壤土田間持水率比灌清水的壤土田間持水率高3.5%。

2)污水灌溉使2種土壤的持水能力都增大,但是對壤土的影響大于對沙土影響。與沙土相比,壤土田間持水率持續(xù)增長的歷時長,增長幅度大,這可能與土壤中黏粒含量有關(guān)。黏粒的比表面大且攜帶電荷,在土壤中能積極地參與化學(xué)過程[12],當(dāng)土壤水分含有有機(jī)質(zhì)時,土壤黏粒因產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)而吸附力增加,導(dǎo)致土壤持水能力增加。另外,溶質(zhì)通過改變土壤水的表面張力、密度等性質(zhì)也使土壤水勢降低,更容易被吸附。沙土由于黏粒含量少,大孔徑多,污水灌溉后所能增加的吸附能力有限,所以其田間持水率的增加幅度不大。而壤土黏粒含量多,污水中的有機(jī)溶質(zhì)與壤土黏粒產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng),極大地增加了黏粒對水分的吸附性,增大壤土的持水能力,所以壤土的田間持水率增加幅度大。

圖1 田間持水率隨灌水次數(shù)的變化Fig.1 The variety of soil field capacity with irrigation times

2.2 污水灌溉對土壤孔隙度的影響

土壤的孔隙狀況可由孔隙度和孔徑分布2個指標(biāo)來表示。土壤孔隙度的大小表明了土壤的疏松程度及水分和空氣容量的大小。一般情況下,沙土的孔隙度比壤土的孔隙度要小一些[11]。隨著灌水與蒸發(fā)的交替進(jìn)行,土壤交替性的膨脹、收縮和龜裂,其孔隙狀況會發(fā)上變化。

2種土壤孔隙度隨灌水次數(shù)的變化如圖2所示。圖2中第0次灌溉試驗數(shù)據(jù)為開始時用清水灌透土壤后測得的孔隙度。

灌水初期對土壤有一個密實作用,而后隨著灌污水次數(shù)的增加,2種土壤孔隙度先呈指數(shù)形式增加,而后保持穩(wěn)定。灌清水的2種土壤的孔隙度在灌水5次后均保持穩(wěn)定,沙土在第15次灌污水后其孔隙度穩(wěn)定在0.4248,而壤土在第25次灌污水后其孔隙度穩(wěn)定在0.4485。與沙土相比,污水灌溉后壤土孔隙度達(dá)到穩(wěn)定所經(jīng)歷的時間長,但是兩者的孔隙度增加幅度(壤土4%,沙土3.7%)基本相等。

由于試驗中用的是裝填土,初始孔徑較大。試驗中前5次灌水使實測孔隙度減小,而田間持水率增大,說明這一階段的灌水造成土壤密實,孔徑變小,毛管力增加,同時造成一部分氣體被堵在小孔隙中,使土體很難真正飽和,因此,測得的孔隙度降低,而田間持水率增加。然而,多次灌水以后,使細(xì)小孔隙中的氣體排除,土體易飽和,故而測得的孔隙度迅速增高。壤土因自身小孔徑多,氣體難以排除,氣堵現(xiàn)象更容易發(fā)生[13-14],所以其孔隙度穩(wěn)定歷時較沙土的長。

對照圖1和圖2可看出,灌污水后2種土壤孔隙度穩(wěn)定的時間比其田間持水率穩(wěn)定的時間早;孔隙度穩(wěn)定以后,土壤田間持水率還隨著灌水次數(shù)增加而增加。這說明,灌污水后土壤孔隙直徑減小而使土壤持水能力提高,但這不是田間持水率增大的主要因素,致使土壤持水能力提高的主要因素是土粒黏性的增加。

圖2 土壤孔隙度隨灌水次數(shù)的變化Fig.2 The variety of soil porosity with irrigation times

3 結(jié)論

由上述結(jié)果與分析,本文初步得出以下結(jié)論:

多次灌污水將造成土壤田間持水率增高,但田間持水率并非隨灌水次數(shù)增多而持續(xù)增高,而是穩(wěn)定在某一增高的值上。田間持水率增大的主要原因是土粒黏性和毛管力的增加。土壤黏粒含量越高,灌污水后其土粒黏性增大,持水能力將大幅提度;而土壤黏粒含量越少,灌污水后其持水能力增加不大。但是,土壤顆粒的黏性增大也將導(dǎo)致入滲能力降低,土壤易干裂,因此,在黏性含量大的土壤上灌污水會造成其入滲率下降。這說明在黏粒含量較小沙土上更適合進(jìn)行污水灌溉。

多次灌污水使2種土壤的孔隙直徑減小,但是其孔隙度都有所增加。另外,孔隙度穩(wěn)定的時間早于田間持水率穩(wěn)定的時間,說明了孔隙度的增加不是造成土壤持水能力提高的主要原因。

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Effects of Eutrophic Sewage Irrigation on Soil-holding Capacity

LAN Mingju,LI Mingsi,ZHAO Guojun,LüRui
(College of Water Conservancy and Architectural Engineering,Shihezi University,Shihezi 832003,China)

S152.71;S155.44

A

1007-7383(2010)04-0497-04

2009-04-02

國家科技支撐計劃項目(2007BAC17B04)

藍(lán)明菊(1978-),女,實驗師,碩士生,從事農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)研究;e-mail:lanmingju@shzu.edu.cn。

李明思(1965-),男,教授,從事灌溉理論和技術(shù)、農(nóng)田生態(tài)工程研究;e-mail:Leemince-709@163.com。