废水灌溉对芦苇地土壤水文特征的影响

第25卷第12期农业工程学报Vol.25No.122009年12月TransactionsoftheCSAEDec.200963废水灌溉对芦苇地土壤水文特征的影响夏江宝1，刘庆1，谢文军1，孙景宽1，刘擎1,2，陆兆华1,2※（1．山东省黄河三角洲生态环境重点实验室，滨州学院，滨州256603；2．中国矿业大学（北京）恢复生态学研究所，北京100083）摘要：为研究造纸废水灌溉对黄河三角洲内陆盐碱芦苇地土壤水文特征的影响，通过设置芦苇地不同废水灌溉次数下的随机区组试验，采用田间测量土壤入渗过程和实验室内测定水文物理参数相结合的方法，分析造纸废水灌溉前后土壤pH值、含盐率及土壤水文物理参数的变化。结果表明：1）废水灌溉后，土壤pH均值降低6.0%；废水灌溉1～2次，土壤含盐率降低11.7%，废水灌溉3～4次后，增壤含盐率增加12.6%。2）废水灌溉后土壤体积质量均值减小6.5%，总孔隙度均值增大18.1%；随着废水灌溉次数的增多，土壤体积质量和总孔隙度分别有减小和增大的趋势。3）Horton模型比较适合描述废水灌溉后芦苇群落的土壤入渗过程，废水灌溉降低了初渗率，但随着废水灌溉次数的增多，稳渗率增加明显。4）废水灌溉增强了土壤贮蓄水分的能力，废水灌溉3次吸持贮水量达到最高（90.15mm），灌水4次滞留贮水量达到最高（4.51mm）。与未灌溉相比，废水灌溉具有明显的压碱抑盐、改良土壤水文物理性状、提高土壤入渗和贮水能力的作用，但不同灌溉次数处理间差异性显著。该研究为黄河三角洲内陆盐碱地区芦苇群落在造纸废水灌溉下的适宜灌溉次数和灌溉水量的确定提供了科学依据，有利于造纸废水资源的合理化开发利用。关键词：造纸，废水，土壤，芦苇，水文物理性质，黄河三角洲doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2009.12.011中图分类号：S274.1，S152.7文献标识码：A文章编号：1002-6819(2009)-12-0063-06夏江宝，刘庆，谢文军，等.废水灌溉对芦苇地土壤水文特征的影响[J].农业工程学报，2009，25(12)：63－68.XiaJiangbao,LiuQing,XieWenjun,etal.Effectofwastewaterirrigationonsoilhydrologicalpropertiesinreedmarsh[J].TransactionsoftheCSAE,2009,25(12):63－68.(inChinesewithEnglishabstract)0引言黄河三角洲内陆盐碱地区存在面积较大的芦苇群落，但因蒸降比大的气候条件，黄河断流、淡水资源缺乏的水文状况及人为因素等造成的干旱发生频率及程度越来越严重，同时因为灌溉不当、植被破坏导致的次生盐碱化问题也较突出，这些环境胁迫致使该区域大面积芦苇群落出现不同程度的退化，利用造纸废水灌溉是修复该脆弱内陆盐碱生态区的主要措施之一。目前对用造纸废水灌溉下不同区域、不同植被类型的地下水特征、土壤微生物及营养元素等的影响状况进行了研究[1-4]，对利用海水及其他咸水对滨海盐碱土的改良作用进行了研究并提出了相应的灌溉模式[5-7]，利用造纸废水灌溉对盐碱化土壤的生态修复机理进行了分析探索，但多是对其土壤化学性质改良及芦苇生长状况进行了测定分析[4,8-9]，而对土壤水文物理特性的影响报道较少[10-11]。土壤水文物理参数不仅能够反映造纸废水灌溉后对芦苇群落土壤的收稿时间：2009-05-11修订时间：2009-11-12基金项目：国家“十一五”科技支撑项目（2006BAC01A13）；山东省科技发展计划项目（2005GG4206003;2008GG3NS07005）；滨州学院重大课题项目（2008ZDL03）作者简介：夏江宝（1978－），男，山东安丘人，博士，主要从事植被恢复与生态重建、水土保持学研究。滨州滨州学院黄河三角洲生态环境研究中心，256603。Email：[e-mail]※通信作者：陆兆华（1963－），男，教授，博士生导师，主要从事恢复生态学研究。滨州滨州学院黄河三角洲生态环境研究中心，256603。Email：[e-mail]基本物理性质改良效果，更能较好反映土壤层贮蓄、调节水分的潜在能力及对芦苇地生态水文过程的影响，对研究内陆缺水的盐碱芦苇地土壤生态系统的水分循环及自我修复、调节具有重要的指导意义。土壤体积质量和孔隙度直接影响到土壤的通气性和透水性[10,12]。土壤水分入渗过程和渗透能力决定了降雨过程再分配中地表径流和土壤水分的贮存及壤中流与地下径流的产生和发展，对流域产流机理和生态水文过程的调节机制具有十分重要的意义[13-14]。土壤贮水量是评价植物群落下土壤理水调洪和涵养水源的重要指标，多用来反映土壤贮蓄和调节水分的潜在能力[12,15]。不同造纸废水灌溉次数能够形成该试验区芦苇地干湿交替的生态环境，这对改善土壤内氧气供应和氧化还原电位，促进土壤内有机污染物降解，同时对监测芦苇地土壤对造纸废水的环境容纳能力有较大意义[8]。为此，本研究在黄河三角洲内陆盐碱地以某造纸厂造纸废水灌溉干旱生境的芦苇群落为研究对象，分析不同造纸废水灌溉次数对芦苇群落土壤水文物理特性的影响，试图从理论和实践上为黄河三角洲内陆干旱地区的水土资源合理利用及造纸废水资源化利用提供理论依据和技术支持，为“造纸废水－芦苇－造纸”生态纸业循环经济模式在研究区的进一步推广提供新的思路。1材料与方法1.1试验地概况试验地选择在沾化县城北10km徒骇河东岸原生芦64农业工程学报2009年苇地，零星分布碱蓬、罗布麻、獐毛等植物，盐碱程度较重区域已无植被覆盖。该区土壤属于滨海潮土，土体构型多有厚黏层，分布于徒骇河沿岸和秦口河中游东侧海拔5m以上的地段，面积2196万hm2。该区域属东亚暖温带亚湿润大陆性季风气候，年平均气温12.5℃左右，年平均降水量约600mm，年蒸发量1800～2000mm。该试验区地下水矿化度高，淡水资源缺乏，芦苇湿地退化严重，经常处于干旱缺水状态，造纸废水灌溉是维持芦苇群落正常生长的主要措施。由于过量开采地下水引起的徒骇河河口海水的倒灌，使沿河区域土壤盐碱化程度较高，土壤可溶性盐的质量分数在0.4%～2.5%，pH值在7.9～8.9。1.2样地设置与样品采集沾化县某造纸厂在该试验区建立了纸浆造纸废水生物塘－芦苇湿地复合处理系统，工艺流程为：原水→调节塘→厌氧塘→好氧塘→兼性塘→储存塘→芦苇地。本试验采用经生物塘处理后的造纸废水进行内陆缺水盐碱地原生芦苇地的灌溉处理，造纸废水水质概况如下：化学需氧量（COD）924mg/L，pH值7.83～8.25，Na+为0.15%，Cl-为0.16%，矿化度3984mg/L，总氮（TN）25.31μg/mL，总磷（TP）4.664μg/mL，固体悬浮物（SS）726.31mg/L。在生长较为一致的芦苇群落采用随机区组进行试验小区布设，设置造纸废水灌溉1次（I1）、灌溉2次（I2）、灌溉3次（I3）、灌溉4次（I4）共4种废水处理方式，同时以不灌溉（CK）作为对照，共设计15个试验小区，每小区面积为2m×2m，为避免灌溉后造纸废水的侧渗影响，小区采用四周防渗膜建垄法处理，单次灌水深度为5cm，每15d灌水1次，从6月中旬进行灌溉试验，10月底收割芦苇后进行土壤样品采集及土壤水文物理参数的测定，为避免边缘效应，土壤样品采集及水文物理参数的测定尽量在每小区中部，按照S形样式进行取样测定分析。1.3测定方法1.3.1土壤基本理化参数测定pH值采用pH计（水土比5︰1），可溶性盐采用质量法测定（水土比5︰1），烘干法测定土壤含水率，环刀浸水法测定土壤体积质量和孔隙度等各项水文物理参数[16]。并由公式计算一定土层深度内的土壤最大吸持贮水量、最大滞留贮水量和饱和贮水量。即Wc=1000·Pc·hWnc=1000·Pnc·hWt=1000·Pt·h式中：Wc、Wnc和Wt——分别为土壤水分最大吸持贮水量、土壤水分最大滞留贮存量和土壤水分饱和贮水量，mm；Pc、Pnc和Pt——分别为毛管孔隙度、非毛管孔隙度和总孔隙度，%；h——计算土层深度，m，本研究为0.2m。1.3.2土壤入渗特征测定利用渗透筒法（单环定水头逐次加水）测定不同时段的土壤入渗率和制作入渗过程曲线。利用SPSS统计软件，分别应用Kostiakov入渗模型、Horton入渗模型和通用（一般）入渗模型拟合废水灌溉后的土壤入渗过程，求解初渗率、稳渗率等入渗特征参数。2结果与分析2.1造纸废水灌溉对土壤盐碱化的影响由表1可知，随着造纸废水灌溉次数的增多土壤pH值有下降趋势，灌溉3～4次后，土壤pH值下降最明显，与未灌溉的对照相比，pH值下降6.7%、7.9%。随着灌溉次数的增加，土壤含盐率表现为先降低后增加的趋势，灌水1～2次，土壤含盐率比CK分别降低7.0%、16.4%，灌溉3～4次分别比CK增加13.9%、14.9%，表现出一定的积盐负效应。表1造纸废水灌溉下的土壤盐碱含率Table1Soilsaline-alkalicontentbyirrigationwithpapermakingwastewater处理pH值含盐率/%CK8.85+0.162.01+0.55I18.45+0.151.87+0.28I28.43+0.191.68+0.44I38.26+0.282.29+0.24I48.15+0.182.31+0.652.2造纸废水灌溉对土壤体积质量和孔隙度的影响不同灌溉次数下的土壤体积质量表现出显著性差异（F5,12=124.121，p＜0.001），由图1可知，与对照相比，废水灌溉下土壤体积质量均显著减小，灌溉3～4次土壤体积质量最小，分别比CK下降8.6%、8.9%，但灌溉1～2次的土壤体积质量差异不显著。不同灌溉次数下的土壤总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度均表现出显著性差异（p＜0.001），但灌溉1～2次的土壤总孔隙度、毛管孔隙度差异不显著，而非毛管孔隙度差异显著。与对照相比，废水灌溉下总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度均表现出增大趋势，且灌溉1～4次后的土壤总孔隙度分别比CK增加14.1%、15.4%、25.9%、32.8%，表明废水灌溉在一定程度上改善了土壤通气状况和透水性能。图1造纸废水灌溉下土壤体积质量和孔隙度Fig.1Soildensityandporositybyirrigationwithpapermakingwastewater第12期夏江宝等：废水灌溉对芦苇地土壤水文特征的影响652.3造纸废水灌溉对土壤入渗性能的影响不同灌溉次数下土壤入渗参数差异性显著（F5,12=1088.817，p＜0.001），由图2和表2可知，随着灌溉次数的增加，初渗率有减弱趋势，灌溉1～4次的初渗率分别比CK下降11.3%、17.3%、30.8%、32.4%，表明废水灌溉在一定程度上减弱了对降水的初始入渗性能。稳渗率随着灌溉次数的增加表现出增大趋势，灌溉1～4次分别比CK增加7.0%、12.7%、54.1%、95.9%。合适的入渗模型是研究植被调蓄水分功能的重要手段之一[14]，本文采用3种常用的入渗模型对试验资料进行拟合分析（图2）。分别是：1）考斯加科夫（Kostiakov）公式：f=at-n；f,t分别为入渗率、入渗时间；a，n为经验参数。2）霍顿（Horton）公式：f=fc+(fo-fc)e-kt；f，f0，fc和t分别为入渗率、初渗率、稳渗率和入渗时间，k为经验参数，决定着f从f0减小到fc的速度。3）通用经验公式：f=at-n+b；f，t分别为入渗率、入渗时间，a、b、n均为经验参数（b相当于稳渗率）。3种模型对不同灌溉次数下土壤入渗过程均能取得较好的拟合效果，能够反映渗透曲线的变化特征，其渗透曲线变化趋势一致可分为3个阶段，即渗透初期的渗透率瞬变阶段、其次为渐变阶段，随着时间的推移而下降，最后达到平稳阶段。采用Kostiakov模型拟合时，a值在24.39～89.72之间，远高于实测初始入渗速率值