富营养化污水灌溉对土壤持水能力的影响

蓝明菊,李明思,赵国军,吕锐

(石河子大学水利建筑工程学院,石河子,832003)

富营养化污水灌溉对土壤持水能力的影响

蓝明菊,李明思,赵国军,吕锐

(石河子大学水利建筑工程学院,石河子,832003)

以沙土和壤土的物理性质为研究对象,通过室内污水灌溉试验,测定了污水灌溉后这2种土壤的田间持水率和孔隙度,分析了污水灌溉对土壤持水能力的影响。结果表明:污水灌溉后污水中的有机物会影响土壤结构,继而影响土壤的持水能力,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,污水灌溉对壤土的持水能力影响更大。这说明在黏粒含量较小的沙土上更适合进行污水灌溉。

污水灌溉;田间持水率;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

城市生活污水用于农田灌溉不仅是水资源有效利用和节约用水的一种途径,也是城市污水处理的一种方式,因此该措施日益受到人们重视,并且在国内外大力推广应用。然而,污水本身所含的各种物质对农田土壤环境有明显的影响,污水中过高的悬浮物、有机污染物和盐分会破坏土壤结构,使土壤板结,盐渍化加重,土质下降[1]。污水灌溉对土壤环境的影响一直是国内外学者所关注的问题[2]。

目前,关于污水灌溉的研究多集中在污水灌溉对农作物生长机理和产量的影响、对土壤氮素转化与迁移的影响、对土壤重金属含量及作物中重金属累积量的影响等方面研究结果显示[3-7],污水中含有植物所需要的营养元素和有机物质,有助于改善土壤营养状况和改善土壤物理性质及生物学性状等,但是关于污水灌溉对土壤物理特性等方面影响的研究并不多,而土壤的水分特性是农田灌溉中必须考虑的问题,研究污水灌溉对土壤这方面的影响有利于制定合理的灌水措施和耕作方式。污水对土壤物理特性的影响有多种途径,而污水中的有机质对土壤物理特性的改变是生产中较为常见的[8]。污水中的有机污染物可分为2类[9]:一类是含碳有机物,如纤维素、半纤维素、木质素等;另一类是含氮有机物,如蛋白质、氨基酸等。有机污染物常用的指标有:化学耗氧量(COD)、生化需氧量(BOD)、悬浮物(SS)、氮(TN)、磷(TP)等。

表征土壤持水能力的指标是田间持水率,它是土壤悬着毛管水达到最大值时的土壤含水率[10],是制定农田灌水定额的上限指标。土壤之所以具有持水能力是因为土壤是多孔介质,其颗粒和毛管都对水分有吸附作用[11],不同质地的土壤其颗粒大小、黏性和孔径结构不同,持水能力也不同。土壤有机质含量不仅影响颗粒黏性,也影响毛管的吸附力,而污水灌溉将会改变土壤有机质含量和分布,进而影响土壤持水能力。

本文采用石河子市生活污水进行污水灌溉试验,观测分析了污水灌溉对壤土和沙土持水能力的影响,同时分析污水灌溉对土壤结构的影响,以期为石河子市生活污水的农田灌溉和处理提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2009年在石河子大学水利与土木工程试验中心进行。试验水质分别为污水与清水。供试清水为城市生活用水,污水取自石河子市东排干排污口,即石河子市生活污水总排放口,水质为典型的富营养化污水,经多次取样测定,试验用水的水质指标见表1。

按照国际制土壤质地分类标准确定供试土壤为沙土和壤土,土壤中各级粒径的颗粒含量见表2。将供试土壤装在塑料桶内,塑料桶上口直径48 cm,下底直径42 cm,高54 cm,内部装土50 cm厚。

表1 试验用水的水质指标Tab.1 Water quality indexes in experiment

表2 土壤各级粒径质量分数 %Tab.2 Soil granule content of weight in each diameter level(%)

1.2 试验方法

将土壤风干后粉碎并过φ2 mm筛,按壤土干密度1.50 g/cm3、沙土干密度1.52 g/cm3分5层均匀装入塑料桶内。

试验开始时先用清水灌透土壤(下文中称为第0次灌溉),测定其相应的田间持水率及孔隙度,然后再分别漫灌清水与污水。根据装土体积及土壤初始孔隙度计算出每次需灌水6 L。待水完全渗透土样后,将辐射灯置于土壤表面20 cm处模拟蒸发,待土样中水分蒸发干后进行下一次灌水。每灌5次水用100 cm3环刀取样1次,每次取3份土样测定其田间持水率及孔隙度,随着桶内土样的减少逐渐减少灌水量。其中,土壤田间持水率用排水法测定,以体积含水率表示;孔隙率采用浸水饱和法测定。

2 结果与分析

2.1 污水灌溉对土壤田间持水率的影响

沙性土大孔径多,通透性好,黏粒含量少,易于耕作,一般入渗率大,而且达到稳定入渗的时间短,但是对水分和养分的保蓄能力差。壤土小孔径多,黏粒含量较沙土高,渗吸率大,而垂直渗透率较沙土的值小,且达到稳定入渗需要的时间较长,同时稳定入渗率较小。通常情况下,壤土的持水能力都将大于沙土的持水能力[11]。污水灌溉条件下,污水中的有机物质进入土壤,可使土壤颗粒的黏性增大,从而增加其持水能力。

2种土壤田间持水率随灌水次数的变化如图1所示。图1中第0次灌水试验数据为开始时用清水灌透土壤后测得的田间持水率。由图1可见:

1)随着污水灌溉次数的增加,2种土壤的田间持水率均呈“S”型增大。沙土的田间持水率由26%增大到29.2%,并稳定在这个水平上,增长幅度为12.3%,而且在第20次灌水后田间持水率迅速增大。灌清水的沙土的田间持水率在灌水初期有小幅增加(由26%增加到26.6%),在第5次灌水后保持稳定。灌污水的沙土田间持水率比灌清水的沙土田间持水率最终大了2.6%。

壤土田间持水率由27.5%增大到31.6%,并稳定在这个水平上,增长幅度为15%,在灌污水20次后开始快速增大。灌清水的壤土田间持水率只在灌水初期由27.5%增加到28.1%,在第5次灌水后保持稳定。灌污水的壤土田间持水率比灌清水的壤土田间持水率高3.5%。

2)污水灌溉使2种土壤的持水能力都增大,但是对壤土的影响大于对沙土影响。与沙土相比,壤土田间持水率持续增长的历时长,增长幅度大,这可能与土壤中黏粒含量有关。黏粒的比表面大且携带电荷,在土壤中能积极地参与化学过程[12],当土壤水分含有有机质时,土壤黏粒因产生化学反应而吸附力增加,导致土壤持水能力增加。另外,溶质通过改变土壤水的表面张力、密度等性质也使土壤水势降低,更容易被吸附。沙土由于黏粒含量少,大孔径多,污水灌溉后所能增加的吸附能力有限,所以其田间持水率的增加幅度不大。而壤土黏粒含量多,污水中的有机溶质与壤土黏粒产生化学反应,极大地增加了黏粒对水分的吸附性,增大壤土的持水能力,所以壤土的田间持水率增加幅度大。

图1 田间持水率随灌水次数的变化Fig.1 The variety of soil field capacity with irrigation times

2.2 污水灌溉对土壤孔隙度的影响

土壤的孔隙状况可由孔隙度和孔径分布2个指标来表示。土壤孔隙度的大小表明了土壤的疏松程度及水分和空气容量的大小。一般情况下,沙土的孔隙度比壤土的孔隙度要小一些[11]。随着灌水与蒸发的交替进行,土壤交替性的膨胀、收缩和龟裂,其孔隙状况会发上变化。

2种土壤孔隙度随灌水次数的变化如图2所示。图2中第0次灌溉试验数据为开始时用清水灌透土壤后测得的孔隙度。

灌水初期对土壤有一个密实作用,而后随着灌污水次数的增加,2种土壤孔隙度先呈指数形式增加,而后保持稳定。灌清水的2种土壤的孔隙度在灌水5次后均保持稳定,沙土在第15次灌污水后其孔隙度稳定在0.4248,而壤土在第25次灌污水后其孔隙度稳定在0.4485。与沙土相比,污水灌溉后壤土孔隙度达到稳定所经历的时间长,但是两者的孔隙度增加幅度(壤土4%,沙土3.7%)基本相等。

由于试验中用的是装填土,初始孔径较大。试验中前5次灌水使实测孔隙度减小,而田间持水率增大,说明这一阶段的灌水造成土壤密实,孔径变小,毛管力增加,同时造成一部分气体被堵在小孔隙中,使土体很难真正饱和,因此,测得的孔隙度降低,而田间持水率增加。然而,多次灌水以后,使细小孔隙中的气体排除,土体易饱和,故而测得的孔隙度迅速增高。壤土因自身小孔径多,气体难以排除,气堵现象更容易发生[13-14],所以其孔隙度稳定历时较沙土的长。

对照图1和图2可看出,灌污水后2种土壤孔隙度稳定的时间比其田间持水率稳定的时间早;孔隙度稳定以后,土壤田间持水率还随着灌水次数增加而增加。这说明,灌污水后土壤孔隙直径减小而使土壤持水能力提高,但这不是田间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。

图2 土壤孔隙度随灌水次数的变化Fig.2 The variety of soil porosity with irrigation times

3 结论

由上述结果与分析,本文初步得出以下结论:

多次灌污水将造成土壤田间持水率增高,但田间持水率并非随灌水次数增多而持续增高,而是稳定在某一增高的值上。田间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,持水能力将大幅提度;而土壤黏粒含量越少,灌污水后其持水能力增加不大。但是,土壤颗粒的黏性增大也将导致入渗能力降低,土壤易干裂,因此,在黏性含量大的土壤上灌污水会造成其入渗率下降。这说明在黏粒含量较小沙土上更适合进行污水灌溉。

多次灌污水使2种土壤的孔隙直径减小,但是其孔隙度都有所增加。另外,孔隙度稳定的时间早于田间持水率稳定的时间,说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。

[1]孙正风,王金保,马京军.宁夏污水灌溉对土壤和农产品质量的影响[J].宁夏农林科技,1999(4):7-11.

[2]周彤.污水回用决策与技术[M].北京:化学工业出版社,2002.

[3]邵孝侯,廖林仙,李洪良.生活污水灌溉小白菜的盆栽试验研究[J].农业工程学报,2008,24(1):89-92.

[4]刘凌,夏自强,姜翠玲,等.污水灌溉中氮化合物迁移转化过程的研究[J].水资源保护,2000(4):3-6.

[5]严连香,黄标,邵学新,等.不同工业企业周围土壤-作物系统重金属Pb、Cd的空间变异及其迁移规律[J].土壤学报,2009,49(1):52-62.

[6]郭凤台,张航,杨庆娥,等.污水灌溉对小麦和玉米的重金属积累和分布的影响[J].节水灌溉,2008(2):14-16.

[7]袁伟,郭宗楼,袁华.污水灌溉的研究现状及利用前景分析[J].中国农村水利水电,2005(6):19-21.

[8]廖林仙,邵孝侯,钟华.污水灌溉对土壤环境的影响及其防治对策[J].江苏农业科学,2006(3):188-190.

[9]王德荣.污水灌溉与农用水质控制标准[J].陕西环境,1996(2):17-21.

[10]秦耀东.土壤物理学[M].北京:高等教育出版社,2003.

[11]邵明安,王全九,黄明斌.土壤物理学[M].北京:高等教育出版社,2006.

[12]姚贤良,程云生.土壤物理学[M].北京:农业出版社,1986.

[13]刘洪禄,吕露,杨培岭,等.波涌灌间歇供水表面密实层特性的实验研究[J].灌溉排水,1997,16(4):6-11.

[14]李援农,费良军.土壤空气压力影响下的非饱和入渗格林-安姆特模型[J].水利学报,2005,36(6):733-736.

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

国家科技支撑计划项目(2007BAC17B04)

蓝明菊(1978-),女,实验师,硕士生,从事农业环境保护研究;e-mail:lanmingju@shzu.edu.cn。

李明思(1965-),男,教授,从事灌溉理论和技术、农田生态工程研究;e-mail:Leemince-709@163.com。