污泥摻混改良沙土的水分入滲及再分布規(guī)律

黃殿男, 焦美怡, 李 琳, 傅金祥, 張賀凱, 常 沙

(沈陽(yáng)建筑大學(xué) 遼河流域水污染防治研究院, 沈陽(yáng) 110168)

隨著城市人口的快速增長(zhǎng)，污水處理行業(yè)不斷發(fā)展，污泥產(chǎn)量大幅增加，污泥科學(xué)處置是事關(guān)生態(tài)系統(tǒng)和人類健康安全的大事[1]。目前我國(guó)沙化土地面積占國(guó)土面積的1/6 以上，土壤沙化成為我國(guó)最為嚴(yán)重的生態(tài)問(wèn)題之一[2]。沙化土壤保水能力差，不利于植物生長(zhǎng)，是制約沙化土地生態(tài)修復(fù)的瓶頸問(wèn)題。污水廠污泥含水率高，且其中水分較難去除，是目前污泥處理處置的難題。本研究旨在通過(guò)利用城市污泥治理沙化土地，實(shí)現(xiàn)污泥減量化處理，并解決后續(xù)環(huán)境消納問(wèn)題，有效改善沙化土壤保水能力差的缺點(diǎn)[3]，實(shí)現(xiàn)“廢荒同治”。

污泥改良沙化土壤需要科學(xué)確定污泥施用量和最佳保水土層，保障補(bǔ)給水分能在沙土中有效蓄存并被植物利用，是該工作的關(guān)鍵。水分在“泥—沙”復(fù)合土壤中的入滲規(guī)律、各土層的水分再分布及保貯水能力等均是研究重點(diǎn)[4]。土壤水分入滲特性不僅影響植物根系分布狀況，也是合理調(diào)控土壤水分、預(yù)防干旱的關(guān)鍵和基礎(chǔ)[5]。水分再分布是入滲的后續(xù)過(guò)程，決定著不同土層深度的保水性，直接影響著土壤水分的有效性及植物的生長(zhǎng)[5-6]，對(duì)植物種類的選擇也有一定的參考價(jià)值。

許多學(xué)者對(duì)土壤水分入滲進(jìn)行了研究。鄒焱等[7]通過(guò)室內(nèi)土柱模擬研究了紅壤土水分入滲及水分再分布，發(fā)現(xiàn)濕潤(rùn)鋒運(yùn)行距離、累積入滲量與時(shí)間的平方根呈線性關(guān)系，濕潤(rùn)鋒速率與時(shí)間呈冪函數(shù)關(guān)系。王永東等[8]對(duì)塔克拉瑪干風(fēng)沙土水分入滲規(guī)律進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)風(fēng)沙土水分入滲初期速率較大，后逐漸減小，最終達(dá)到穩(wěn)定入滲。肖茜等[9]對(duì)施用生物炭黃土的水分入滲進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)生物炭添加量影響濕潤(rùn)鋒進(jìn)程與累積入滲量。李帥霖等[10]室內(nèi)模擬了降雨淋洗土柱試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)土壤水分入滲濕潤(rùn)鋒入滲深度與時(shí)間呈冪函數(shù)關(guān)系，累積入滲量與時(shí)間符合Kostiakov水分入滲模型。包含等[4]水分入滲及再分布試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，大興沙壤土保水最佳土層在20—35 cm。上述研究均研究水分在單一介質(zhì)中的輸運(yùn)規(guī)律，對(duì)于“污泥—沙土”復(fù)合介質(zhì)中水分輸運(yùn)規(guī)律研究鮮有報(bào)道。

我國(guó)利用污泥治理沙化土壤的研究起步較晚，目前相關(guān)研究多集中于：污泥摻混改良沙化土壤的含水率、氮磷鉀和有機(jī)質(zhì)含量等土壤理化性質(zhì)指標(biāo)的變化[11-14]，植物生長(zhǎng)情況[15-17]和污泥應(yīng)用沙土后環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)分析[18-19]等方面，但對(duì)污泥改良沙土水分運(yùn)移轉(zhuǎn)化規(guī)律研究較少。本文采用模擬降雨淋洗的方式，研究沙化土壤表層上覆蓋污泥與沙土摻混土的水分入滲及再分布規(guī)律，構(gòu)建水分入滲模型。該研究可為污泥摻混改良沙土技術(shù)評(píng)估提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)沙土于2017年10月取自遼寧省阜新市彰武縣風(fēng)蝕沙化土壤0—60 cm土層，按土層深度將沙土編號(hào)：1#(10—20 cm)，2#(20—30 cm)，3#(30—40 cm)，4#(40—50 cm)、和5#(50—60 cm)，分別裝袋運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室。試驗(yàn)污泥于2017年10月取自遼寧省沈陽(yáng)市北部污水處理廠離心脫水車間；樣品取回后存放于4℃低溫實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，當(dāng)日測(cè)樣品含水率、pH值和有機(jī)質(zhì)含量。污泥的含水率、pH值和有機(jī)質(zhì)含量分別是81.3%，6.71，66.4%。沙土的含水率、pH值和有機(jī)質(zhì)含量分別是4.77%，6.64，0.43%，容重、比重、孔隙度分別是1.51 g/cm3，2.662 g/cm3，0.433。污泥機(jī)械組成為：砂粒(50～2 000 μm)占98.08%，粉粒(2～50 μm)占1.9%，黏粒(0.01～2 μm)占0.01%；沙土機(jī)械組成為：砂粒(50～2 000 μm)占96.55%，粉粒(2～50 μm)占3.43%，黏粒(0.01～2 μm)占0.01%。

1.2 試驗(yàn)裝置及方法

試驗(yàn)裝置為直徑20 cm、高60 cm的有機(jī)玻璃桶，壁厚1 cm。在桶上縱向設(shè)置5個(gè)內(nèi)徑5.5 cm的圓孔(各圓孔圓心相距10 cm)，用以布設(shè)5組土壤墑情監(jiān)測(cè)儀探頭。桶底面有數(shù)個(gè)直徑2 cm的孔(能保證水分自由下滲)。為承受上層沙土，裝置底部設(shè)置多孔有機(jī)玻璃板，板厚2 cm。桶上方設(shè)置直徑為20 cm的圓形模擬降雨盤，降雨盤通過(guò)聚氯乙烯管與水箱、流量控制器、水泵等設(shè)備連接，形成模擬淋洗系統(tǒng)。裝置示意圖如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

在室內(nèi)封閉條件下進(jìn)行模擬試驗(yàn)，室內(nèi)溫度恒定(8℃)。試驗(yàn)土壤與空氣接觸面積較小，忽略蒸發(fā)作用，只單一考慮土壤水分入滲。污泥與沙土按照10%，15%，20%，30%，50%等摻比(污泥與沙土質(zhì)量比為1∶9，1∶5.7，1∶4，1∶2.3，1∶1)均勻混合。將分層采集的5#、4#、3#沙土分層填充入5個(gè)相同模擬土柱裝置中，每層厚度10 cm，為與污泥治沙實(shí)際工程相符，將上述5組不同處理的復(fù)合介質(zhì)作為1#、2#的淺層土壤依次裝填各土柱內(nèi)，填充厚度20 cm。設(shè)置沙土水分入滲對(duì)照。用去離子水模擬降雨，采取飽和淋洗方式。通過(guò)前期課題組對(duì)沙土層的飽和淋洗試驗(yàn)結(jié)果[18]，將模擬降雨參數(shù)設(shè)置為：降雨強(qiáng)度約為48 mm/h，降雨總量為2 L。通過(guò)裝置側(cè)面所插的土壤墑情監(jiān)測(cè)儀探頭進(jìn)行土壤含水率的監(jiān)測(cè)與記錄，從模擬降雨開(kāi)始計(jì)時(shí)，前30 min每1 min記錄一次數(shù)據(jù)，模擬降雨結(jié)束后每60 min記錄一次數(shù)據(jù)，將各土層含水率變化數(shù)據(jù)上傳至電腦，分析水分在入滲過(guò)程中各土層含水率的變化以及模擬降雨結(jié)束后各土層水分的再分布情況。2017年11月2日進(jìn)行初次淋洗試驗(yàn)。文中所有數(shù)據(jù)均為3組平行重復(fù)測(cè)定的平均值。

1.3 主要儀器與分析方法

污泥和沙土中有機(jī)物含量的測(cè)定采用灼燒稱重法，稱重使用分析天平(精度0.001)；污泥與沙土初始含水率采用烘干法，使用YX-HF馬弗爐(上海娥江儀器)烘干；試驗(yàn)過(guò)程中土層含水率用土壤墑情監(jiān)測(cè)法，選用TRM-ZS1型土壤墑情監(jiān)測(cè)儀(錦州陽(yáng)光氣象科技有限公司)進(jìn)行測(cè)定；污泥與沙土pH測(cè)試采用電極法，使用Seveneasy S20型精密pH計(jì)(瑞士TOLEDO公司)進(jìn)行測(cè)定；污泥及沙土粒徑分布采用激光粒度分析儀分析法，使用MASTERSIZER 2000型激光粒度分析儀(英國(guó)馬爾文公司)測(cè)定；沙土容重采用環(huán)刀法，比重采用比重瓶法，沙土孔隙度=(1-容重/比重)×100%。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

本試驗(yàn)利用Excel 2010 進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算、整理及統(tǒng)計(jì)，利用Excel 2010，Origin 9.0進(jìn)行圖形繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 泥沙摻混對(duì)沙土物理性質(zhì)的影響

從試驗(yàn)污泥與試驗(yàn)沙土機(jī)械組成上看，二者較為接近。試驗(yàn)中污泥顆粒組成與沙土顆粒組成較為相似。污泥與沙土摻混比0，10%，15%，20%，30%，50%的復(fù)合土壤各指標(biāo)及性質(zhì)如圖2所示。

圖2 “泥—沙”不同摻混比例復(fù)合土壤性質(zhì)變化

土壤容重是反映土壤緊實(shí)度的一個(gè)指標(biāo)，從圖2A可以看出，復(fù)合土壤的容重隨污泥摻混比增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，相比沙土而言，50%摻混比土壤容重下降21.85%，說(shuō)明隨著摻混比的不斷增加，土壤緊實(shí)度下降。土壤比重主要取決于土壤固相組成物質(zhì)的種類和相對(duì)含量，從圖2B可以看出，隨著泥沙摻混比的不斷增加，復(fù)合土壤的比重呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，相比沙土而言，50%摻混比土壤比重下降了11%，說(shuō)明隨著污泥含量的增加，比重下降。土壤孔隙度反映了土壤蓄水保墑能力，從圖2C可以看出，隨著泥沙摻混比的增加，復(fù)合土壤的孔隙度呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，相比沙土而言，50%摻混比土壤孔隙度上升了15.7%，說(shuō)明隨著泥沙摻混比的不斷增加，土壤蓄水能力增強(qiáng)。從圖2D可以得出，隨著污泥摻混比例的增加，復(fù)合土壤的有機(jī)質(zhì)含量上升。從復(fù)合土壤的容重、孔隙度、比重、有機(jī)質(zhì)含量指標(biāo)看出，摻混比越大，土壤性質(zhì)得到明顯改善。

2.2 污泥沙土摻混比對(duì)水分入滲的影響

在土壤水分下滲過(guò)程中，濕潤(rùn)區(qū)前端與干土層形成的明顯交界面稱作濕潤(rùn)鋒[20]。濕潤(rùn)鋒可以直觀表示在土壤基質(zhì)勢(shì)和重力勢(shì)共同作用下水分入滲特征。試驗(yàn)中記錄濕潤(rùn)鋒位置和時(shí)間，并繪制入滲曲線，分析污泥沙土摻混比對(duì)土壤水分入滲的影響，為確定污泥治沙合適摻混比提供理論參考。

圖3 水分濕潤(rùn)鋒隨時(shí)間變化

2.2.1 泥沙摻混比對(duì)沙土水分濕潤(rùn)鋒的影響濕潤(rùn)鋒 如圖3所示，沙土與5種不同摻混比土壤濕潤(rùn)鋒入滲深度均隨時(shí)間而發(fā)生變化。不同污泥沙土摻混比例設(shè)置的全程水分入滲總時(shí)間排序?yàn)椋?0%(996 s)<15%(1 289 s)<20%(1 513 s)<沙土(1 699 s)<30%(1 796 s)<50%(2 196 s)，表明污泥沙土摻混比例對(duì)水分濕潤(rùn)鋒入滲深度有明顯的影響。在試驗(yàn)過(guò)程中，摻混比10%，15%和20%的表層復(fù)合土壤以及沙土表面在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中都沒(méi)有產(chǎn)生徑流，而摻混比30%和50%的表層復(fù)合土壤表面產(chǎn)生徑流，水分不易下滲。這是因?yàn)槲勰嗯c沙土摻混后，使得沙土中有機(jī)質(zhì)和黏粒含量增加，改善了土壤狀況，使得土壤顆粒膠結(jié)，形成較大的團(tuán)聚體，進(jìn)而使沙土孔隙度增大[20]，因此當(dāng)摻混比小于20%時(shí)，隨摻混比例的增加沙土孔隙度也就越大，故摻混比為10%，15%，20%的復(fù)合土壤水分入滲速率也比較大。但摻混比30%和50%的復(fù)合土壤入滲速率卻小于沙土，這可能由于污泥保水性好，加之摻混比例大，使復(fù)合土壤的基質(zhì)勢(shì)能升高，從而導(dǎo)致入滲速率減小，甚至幾乎不下滲[21]。

對(duì)試驗(yàn)中水分濕潤(rùn)鋒下滲距離S(cm)與入滲時(shí)間t(s)進(jìn)行曲線擬合(表1)，發(fā)現(xiàn)其符合冪函數(shù)S=atb(a表示第一個(gè)單位時(shí)間內(nèi)水分濕潤(rùn)鋒下移的距離；b表示曲線的衰減程度)，擬合曲線相關(guān)系數(shù)R2均大于0.99。污泥摻混比從0到20%，a值依次增大，從30%到50%呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，體現(xiàn)了污泥添加程度導(dǎo)致的水分入滲特征變化，0到20%水分入滲速率增大，30%到50%速率下降。

2.2.2 泥沙摻混比對(duì)水分入滲速率的影響 如圖4所示，水分入滲速率隨時(shí)間呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，整個(gè)曲線可以分成3個(gè)階段：第一階段為水分入滲速率迅速下降階段，此階段時(shí)間較為短暫；第二階段為入滲速率緩慢降低階段，此階段較第一階段時(shí)間長(zhǎng)；第三階段為入滲速率穩(wěn)定階段，此階段時(shí)間最長(zhǎng)。第一階段各污泥沙土摻混比的入滲速率較為接近，而第二階段各污泥沙土摻混比的水分入滲速率開(kāi)始出現(xiàn)明顯的變化，其中摻混比10%的水分入滲速率持續(xù)變化時(shí)間較長(zhǎng)，而穩(wěn)定入滲速率維持時(shí)間較短；摻混比15%和20%的水分入滲速率較為接近；摻混比30%和50%的復(fù)合土壤水分穩(wěn)定入滲速率維持時(shí)間最長(zhǎng)。這與水分入滲速率與模擬降雨強(qiáng)度(雨水與土壤接觸時(shí)的初速度)有關(guān)。淺層土壤與淋洗雨水直接接觸，入滲速度較大，而隨著深度增加，土壤層對(duì)水分入滲產(chǎn)生阻力，水分入滲速率減小[4]。隨著試驗(yàn)進(jìn)行，裝置內(nèi)各個(gè)土層含水率逐漸升高，土壤基質(zhì)勢(shì)能升高，對(duì)水分的接受能力下降，入滲速率達(dá)到穩(wěn)定(穩(wěn)定入滲速率)。試驗(yàn)結(jié)果表明，污泥沙土摻混比10%的土壤入滲能力最強(qiáng)，50%的復(fù)合土壤入滲能力最弱。

表1 濕潤(rùn)鋒深度與入滲時(shí)間擬合

圖4 水分入滲速率隨時(shí)間變化

2.3 泥沙摻混比對(duì)水分累積入滲量及土壤水分入滲參數(shù)的影響

2.3.1 泥沙摻混比對(duì)水分累積入滲量的影響 累積入滲量是指入滲開(kāi)始后一定時(shí)間內(nèi)通過(guò)地表單位面積入滲到土壤中的總水量。水分入滲達(dá)到穩(wěn)定之前，通常用累積入滲量來(lái)表示土壤水分入滲能力[9]。

由圖5可見(jiàn)，泥沙摻混比對(duì)水分累積入滲量影響較為明顯，各泥沙摻混比的復(fù)合土壤的累積入滲量均隨時(shí)間逐漸增大，復(fù)合土壤累積入滲量大小排序?yàn)椋?0%(54.15 cm)>15%(47.12 cm)>20%(40.80 cm)>沙土(34.97 cm)>30%(23.10 cm)>50%(12.68 cm)。與沙土相比，摻混比10%，15%，20%的復(fù)合土壤水分累積入滲量都較大，土壤入滲能力較強(qiáng)，有利于水分入滲，而摻混比30%和50%的復(fù)合土壤水分則不易下滲，不是污泥改良沙土的適宜比例。

圖5 累積入滲量隨時(shí)間的變化

2.3.2 泥沙摻混比對(duì)沙土水分入滲參數(shù)的影響 采用Philip，Kostiakov入滲經(jīng)驗(yàn)公式[22-24]對(duì)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行擬合，Philip入滲經(jīng)驗(yàn)公式表達(dá)式為：

I(t)=St0.5+At

式中：I(t)為累積入滲量(cm)；t為水分入滲隨時(shí)間(s)；S為吸滲率(cm/s0.5)；A為穩(wěn)滲率(cm/s)。土壤吸滲率(S)是指土壤依靠毛管力吸收或釋放液體的能力，是反映土壤前期入滲能力的一個(gè)重要指標(biāo)，對(duì)土壤初期入滲率的大小起決定性作用；穩(wěn)滲率(A)為土壤的穩(wěn)定下滲強(qiáng)度和穩(wěn)定入滲率，是衡量土壤入滲性能的指標(biāo)，隨著入滲時(shí)間的增加，參數(shù)A對(duì)土壤入滲率的大小起決定性作用。

各泥沙摻混比的土壤水分下滲曲線與Philip入滲經(jīng)驗(yàn)公式擬合結(jié)果見(jiàn)表2?？梢?jiàn)各摻混比土壤的水分下滲曲線與Philip入滲經(jīng)驗(yàn)公式擬合效果較好。摻混比小于20%時(shí)，土壤吸滲率呈現(xiàn)升高趨勢(shì)，摻混比大于30%時(shí)，土壤吸滲率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，摻混比為50%的吸滲率最低。這是因?yàn)槟嗌硴交煸黾恿松惩恋挠袡C(jī)質(zhì)含量，有機(jī)質(zhì)含量高的土壤，土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)多且穩(wěn)定性好，土壤孔隙分布比較均勻，且毛管孔隙較多，可以貯存大量水分[25]，從而提高了土壤的吸水性能，因此在泥沙摻混比小于20%時(shí)，隨摻混比的增加，土壤的毛管力對(duì)土壤水分吸收的能力增強(qiáng)。而當(dāng)泥沙摻混比大于30%時(shí)，污泥含量過(guò)高水分不易下滲，復(fù)合介質(zhì)吸滲率也隨之減小。穩(wěn)滲率大小排序?yàn)椋?0%>15%>20%>沙土>30%>50%。泥沙摻混比20%的復(fù)合土壤初期水分入滲能力較強(qiáng)，后期穩(wěn)定入滲能力較弱，說(shuō)明該比例土壤前期入滲和后期保水能力較強(qiáng)，有利于植物對(duì)水分的吸收。

Kostiakov入滲經(jīng)驗(yàn)公式表達(dá)式為：

I(t)=Ktn

式中：I(t)為累積入滲量(cm)；t為水分入滲隨時(shí)間(s)；K和n為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

表2 Philip入滲經(jīng)驗(yàn)公式參數(shù)

污泥與沙土各個(gè)摻混比例的水分入滲曲線與Kostiakov公式擬合度均較高，且擬合度高于Philip入滲經(jīng)驗(yàn)公式(表3)。泥沙摻混比對(duì)式中的K和n參數(shù)的影響較大，其中摻混比例為20%的K值最大，表明水分從一開(kāi)始入滲量較大，此摻混比的復(fù)合土壤有助于降雨初期水分迅速下滲，利于植物淺層根系更快的接觸以及吸收水分；而其n值最小，表明隨著時(shí)間的推移，水分入滲量衰減程度最低，表明在整個(gè)水分入滲過(guò)程中累積入滲量都呈較高的水平。

表3 Kostiakov入滲參數(shù)

2.4 泥沙摻混比對(duì)各土層含水率及水分再分布的影響

2.4.1 在0—30 min內(nèi)泥沙摻混比對(duì)各土層含水率的影響 圖6列出了泥沙摻混比10%，15%，20%復(fù)合土壤0—30 min各土層含水率變化曲線圖。如圖6A所示，沙土的初始含水率接近于10%，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，第一層、第二層、第三層、第四層、第五層含水率依次迅速升高，當(dāng)?shù)竭_(dá)18 min時(shí)，含水率基本保持穩(wěn)定。圖6B可以看出，10%摻混比復(fù)合土壤表層(1#、2#)土壤初始含水率接近20%，而以下三層沙土含水率接近10%。摻混比10%的飽和含水率接近45%，因此當(dāng)1#、2#土壤含水率接近飽和含水率時(shí)變平緩，而時(shí)間維持大概15 min又呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，下降到含水率30%左右。下層沙土從含水率接近10%處上升至30%左右，保持平緩。圖6C可以看出，15%摻混比的表層(1#、2#)土壤初始含水率接近30%，而以下三層沙土含水率接近10%。摻混比15%的飽和含水率接近60%，因此1#、2#土壤含水率接近飽和含水率后趨于平緩，而時(shí)間維持大概20 min又呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，下降到含水率35%左右。下層沙土從含水率接近10%處上升至35%左右，保持平緩。圖6D可以看出，摻混比20%與摻混比15%的水分入滲規(guī)律較為相似，1#土壤初始含水率為20%左右，2#初始含水率為35%左右，以下三層沙土含水率依然接近10%。摻混比20%的飽和含水率接近65%，因此當(dāng)1#、2#土壤含水率接近飽和含水率后趨于平緩，時(shí)間維持大概20 min又呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但下降到接近50%又繼續(xù)保持平穩(wěn)狀態(tài)。下層沙土從含水率接近10%上升到含水率35%左右保持平穩(wěn)?？梢?jiàn)20%摻混比例要比15%的飽和含水率高，保水周期長(zhǎng)，蓄水能力較強(qiáng)。

圖6 0-30 min各泥沙摻混比復(fù)合土壤各土層含水率變化

2.4.2 在60 min后泥沙摻混比對(duì)各土層水分再分布的影響不同泥沙摻混比復(fù)合土壤中水分在模擬降雨結(jié)束后運(yùn)動(dòng)并沒(méi)有停止。在水分重力勢(shì)和土壤基質(zhì)勢(shì)共同作用下，水分由勢(shì)能高的位置向勢(shì)能低的位置遷移。圖中顯示各土層沙土含水率隨時(shí)間都呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。不同泥沙摻混比對(duì)各土層保水性以及保水周期有不同的影響。如圖7A所示，各土層水分含量大小排序?yàn)椋?#>4#>3#>2#>1#，其中，1#、2#沙土含水率下降最快，在60—4 000 min內(nèi)下降幅度為84.3%，其次為2#，下降幅度為70.9%。這可能由于淺層(1#、2#)土壤水土勢(shì)梯度較高，且隨著下層水分繼續(xù)下滲，下層土壤含水率降低，基質(zhì)勢(shì)降低，達(dá)到飽和含水率后水分又迅速向下層遷移。這與鄒焱等[7]研究結(jié)果一致。4#、5#沙土含水率下降幅度最慢，基本保持穩(wěn)定。在2 800 min以后4#與5#含水率相同，甚至4#超過(guò)5#，這是由于4#水分在前期向下遷移，隨著含水率的不斷降低，基質(zhì)勢(shì)降低，5#含水率在穩(wěn)定的情況下會(huì)通過(guò)毛管作用補(bǔ)充上層水分，同時(shí)5#水分繼續(xù)緩慢向下遷移，所以含水率逐漸與4#一致甚至小于4#。這與吳奇凡等[26]研究結(jié)果一致。圖7B所示各土層水分含量大小排序?yàn)椋?#>4#>2#>1#>3#。泥沙摻混比例為10%的土壤填裝在1#、2#，使得1#、2#土壤含水率下降幅度減小，4 000 min處含水率分別為17.8%和29.2%，保水性能比沙土有所提高。但依然不如4#、5#的保水效果好。圖7C所示各土層水分含量大小排序?yàn)椋?#>1#>5#≈4#>3#。摻混比為15%的土壤保水性能有明顯提高，4 000 min處含水率分別為33%和35.3%，比4#、5#的保水效果好。圖7D所示各土層水分含量大小排序?yàn)椋?#>1#>5#>4#>3#。摻混比為15%和摻混比為20%的土壤水分再分布曲線較為相似。摻混比20%的土壤4 000 min處含水率分別為36.5%和40.4%，保水性較摻混比15%的復(fù)合土壤好。綜上所述，泥沙摻混比20%的復(fù)合土壤保水性較好，4#、5#(40—60 cm)是最佳的保水深度。

圖7 污泥與沙土不同摻混比60 min后水分再分布

3 討論與結(jié)論

3.1 討 論

從泥沙摻混對(duì)沙土物理性質(zhì)的影響來(lái)看，泥沙摻混確實(shí)可以改良沙土的各項(xiàng)理化指標(biāo)，且呈現(xiàn)向好轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)。這與黃殿男等[25]的研究結(jié)果一致。在整個(gè)污泥沙土摻混水分入滲試驗(yàn)后，歸納總結(jié)發(fā)現(xiàn)，水分入滲基本可以分為3個(gè)階段：含水率迅速上升階段、含水率緩慢上升階段、含水率穩(wěn)定持平階段。水分入滲由水的重力勢(shì)能和基質(zhì)勢(shì)能決定的。當(dāng)水分入滲之初，沙土含水率接近于零，基質(zhì)勢(shì)小，在重力與吸力的共同作用下，土壤含水率迅速升高。隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，沙土含水率逐漸升高，沙土基質(zhì)勢(shì)能升高，沙土對(duì)水分的吸收減弱，因此含水率上升緩慢。當(dāng)沙土達(dá)到飽和時(shí)，沙土基質(zhì)勢(shì)能接近于零，因此含水率基本保持不變，即達(dá)到含水率穩(wěn)定階段。這與彭柳軍等[27]的研究結(jié)果一致。本試驗(yàn)結(jié)果表明，10%，15%，20%的復(fù)合土壤水分入滲速率及累積入滲量都相對(duì)較大，其中泥沙摻混比20%的復(fù)合土壤初期水分入滲能力較強(qiáng)，后期穩(wěn)定入滲能力較弱，且該摻混比的土壤飽和含水率蓄存周期較長(zhǎng)。綜上所述，污泥與沙土摻混比為20%的土壤前期入滲和后期保水能力較強(qiáng)，有利于植物對(duì)水分的吸收。因此，泥沙摻混比為20%的復(fù)合土壤為最優(yōu)選擇。

3.2結(jié) 論

(1) 污泥摻混可以減小沙土的緊實(shí)度，增加沙土的孔隙度及有機(jī)質(zhì)含量，確實(shí)可以起到改良沙土的作用。

(2) 泥沙摻混比對(duì)沙土水分入滲深潤(rùn)鋒影響較大，摻混比為10%的泥沙復(fù)合土壤入滲時(shí)間最短，速率最大，30%，50%的入滲時(shí)間長(zhǎng)，速率較慢，前期基本不入滲；各個(gè)摻混比的水分濕潤(rùn)鋒隨時(shí)間變化曲線遵循冪函數(shù)S=atb，相關(guān)R2均大于0.99。

(3) 不同泥沙摻混比土壤水分累積入滲量的大小依次為：10%(54.15 cm)>15%(47.12 cm)>20%(40.80 cm)>沙土(34.97 cm)>30%(23.10 cm)>50%(12.68 cm)，符合Kostiakov入滲經(jīng)驗(yàn)公式。

(4) 從飽和含水率和土壤保水性能來(lái)看，污泥與沙土摻混比20%的復(fù)合土壤最佳，而保水性最好的土層為4#和5#(深度在40—60 cm)，可為后續(xù)選擇種植植物種類提供參考。