第２８卷 第４期 石河子大学学报（自然科学版） Ｖｏ１．２８ ＮＯ．４ ２０１０年８月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｈｉｈｅｚｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ｛Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ） Ａｕｇ． ２０１０ 文章编号：１００７—７３８３（２０１０）０４—０４９７—０４ 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，吕锐 （石河子大学水利建筑工程学院，石河子，８３２００３） 摘要：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。 关键词：污水灌溉；田间持水率；土壤孔隙度 中图分类号：Ｓ１５２．７１；Ｓｌ５５．４４ 文献标识码：Ａ Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ Ｅｕｔｒｏｐｈｉｃ Ｓｅｗａｇｅ Ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ ｏｎ Ｓｏｉｌ－ｈｏｌｄｉｎｇ Ｃａｐａｃｉｔｙ ＬＡＮ Ｍｉｎｇｊｕ，ＬＩ Ｍｉｎｇｓｉ，ＺＨＡＯ Ｇｕｏｊｕｎ，ＬＵ Ｒｕｉ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｗａｔｅｒ Ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ ａｎｄ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈｉｈｅｚｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｉｈｅｚｉ ８３２００３，Ｃｈｉｎａ） 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 ｐｏｒｏｓｉ— ｔｙ 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 ｉｒ— ｒｉｇａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｏｆ ｓｅｗａｇｅ ｉｓ ｇｒｅａｔｅｒ ｏｎ ｔｈｅ ｌｏａｍｙ ｓｏｉｌ ｔｈａｎ ｔｈｅ ｓａｎｄｙ ｓｏｉｌ．Ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ａ１ ，Ｏ 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 对农作物生长机理和产量的影响、对土壤氮素转化 利用和节约用水的一种途径，也是城市污水处理的 与迁移的影响、对土壤重金属含量及作物中重金属 一种方式，因此该措施日益受到人们重视，并且在国 累积量的影响等方面研究结果显示ｌ３。］，污水中含有 内外大力推广应用。然而，污水本身所含的各种物 植物所需要的营养元素和有机物质，有助于改善土 质对农田土壤环境有明显的影响，污水中过高的悬 壤营养状况和改善土壤物理性质及生物学性状等， 浮物、有机污染物和盐分会破坏土壤结构，使土壤板 但是关于污水灌溉对土壤物理特性等方面影响的研 结，盐渍化加重，土质下降口］。污水灌溉对土壤环境 究并不多，而土壤的水分特性是农田灌溉中必须考 的影Ⅱ向一直是国内外学者所关注的问题 ］。 虑的问题，研究污水灌溉对土壤这方面的影响有利 目前，关于污水灌溉的研究多集中在污水灌溉 于制定合理的灌水措施和耕作方式。污水对土壤物 收稿日期 ：２００９—０４—０２ 基金项目 ：国家科技支撑计划项目（２００７ＢＡＣ１７Ｂ０４） 作者简介 ：蓝明菊（１９７８一），女，实验师，硕士生，从事农业环境保护研究 ｍａｉｌ：ｌａｎｍｉｎｇｊｕ＠ｓｈｚｕ．ｅｄｕ．ｃｎ。 通讯作者 ：李明思（１９６５一），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．ｃｏｒｎ。 ４９８ 石河子大学学报（自然科学版） 第２８卷 理特性的影响有多种途径，而污水中的有机质对土 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。 壤物理特性的改变是生产中较为常见的 ］。污水中 的有机污染物可分为２类ｌ９］：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（ｃ０Ｄ）、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 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 土壤悬着毛管水达到最大值时的土壤含水率ｎ ，是 清水为城市生活用水，污水取自石河子市东排干排 制定农田灌水定额的上限指标。土壤之所以具有持 污口，即石河子市生活污水总排放口，水质为典型的 水能力是因为土壤是多孑Ｌ介质，其颗粒和毛管都对 富营养化污水，经多次取样测定，试验用水的水质指 水分有吸附作用［１ ，不同质地的土壤其颗粒大小、 标见表１。 黏性和孑Ｌ径结构不同，持水能力也不同。土壤有机 按照国际制土壤质地分类标准确定供试土壤为 质含量不仅影响颗粒黏性，也影响毛管的吸附力，而 沙土和壤土，土壤中各级粒径的颗粒含量见表２。 污水灌溉将会改变土壤有机质含量和分布，进而影 将供试土壤装在塑料桶内，塑料桶上口直径４８ ｃｍ， 响土壤持水能力。 下底直径４２ ｃｍ，高５４ ｃｍ，内部装土５０ ｃｍ厚。 本文采用石河子市生活污水进行污水灌溉试 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 ２结果与分析 ｄｉａｍｅｔｅｒ ｌｅｖｅｌ（％） 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。壤土小孑Ｌ径多， 黏粒含量较沙土高，渗吸率大，而垂直渗透率较沙土 １．２试验方法 的值小，且达到稳定人渗需要的时间较长，同时稳定 将土壤风干后粉碎并过 ２ ｍｍ筛，按壤土干密 入渗率较小。通常情况下，壤土的持水能力都将大 度１．５０ ｇ／ｃｍ。、沙土干密度１．５２ ｇ／ｃｍ。分５层均匀 于沙土的持水能力ｌ＿ 】。污水灌溉条件下，污水中的 装入塑料桶内。 有机物质进入土壤，可使土壤颗粒的黏性增大，从而 试验开始时先用清水灌透土壤（下文中称为第 增加其持水能力。 ０次灌溉），测定其相应的田间持水率及孔隙度，然 ２种土壤田间持水率随灌水次数的变化如图１ 后再分别漫灌清水与污水。根据装土体积及土壤初 所示。图１中第０次灌水试验数据为开始时用清水 始孑Ｌ隙度计算出每次需灌水６ Ｌ。待水完全渗透土 灌透土壤后测得的田间持水率。由图１可见： 样后，将辐射灯置于土壤表面２Ｏ ｃｍ处模拟蒸发，待 １）随着污水灌溉次数的增加，２种土壤的田间 土样中水分蒸发干后进行下一次灌水。每灌５次水 持水率均呈“ｓ”型增大。沙土的田间持水率由２６ 用１００ ｃｍ。环刀取样１次，每次取３份土样测定其 增大到２９．２ ，并稳定在这个水平上，增长幅度为 田间持水率及孔隙度，随着桶内土样的减少逐渐减 １２．３ ，而且在第２０次灌水后田间持水率迅速增 少灌水量。其中，土壤田间持水率用排水法测定，以 大。灌清水的沙土的田间持水率在灌水初期有小幅 体积含水率表示；孔隙率采用浸水饱和法测定。 增加（由２６ 增加到２６．６ ），在第５次灌水后保持 第４期 蓝明菊，等：富营养化污水灌溉对农田土壤持水能力的影响 ４９９ 稳定。灌污水的沙土田问持水率比灌清水的沙土田 如 勰 能与土壤中黏粒含量有关。黏粒的比表面大且携带 问持水率最终大了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２Ｏ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 电荷，在土壤中能积极地参与化学过程Ｌ】 ，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 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 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。 旃 难 厘 墨 静 靶 厘 田 凹 勰 ０ ５ １０ １５ ２０ ２５ ３０ ３５ ４０ ４５ ５０ ５５ ０ ５ １０ １５ ２０ ２５ ３０ ３５ ４０ ４５ ５０ ５５ 灌水次数 ａ：灌水次数 ｂ：壤土 图１ 田间持水率随灌水次数的变化 沙土 Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ ｖａｒｉｅｔｙ ｏｆ ｓｏｉｌ ｆｉｅｌｄ ｃａｐａｃｉｔｙ ｗｉｔｈ ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ ｔｉｍｅｓ ２．２污水灌溉对土壤孑Ｌ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 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，而田问持水率 增大，说明这一阶段的灌水造成土壤密实，孔径变 标来表示。土壤孑Ｌ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口 。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 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 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种土壤孑Ｌ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 现象更容易发生［１ ¨］，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问持水率稳定的时间早；孔 隙度稳定以后，土壤田问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，但这不是田问持水率增大的 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。 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。 ５００ 石河子大学学报（自然科学版） 第２８卷 ０．４５０ ０．４７０ Ｏ．４６５ ０．４６０ ０．４５５ ０．４５０ ０．４４５ ０．４０ ０．４３５ ０．４３０ ０．４２５ 蒌 ．４２ ０．４１０ Ｏ．４０５ Ｏ．４ｏｏ ０．３９５ ０ ５ １０ １５ ２０ ２５ ３Ｏ ３５ ４０ ４５ ５Ｏ ５５ ｏ ５ ．－Ｈ ０．４４０ ０．４３５ ０．４３０ ０．４２５ ０ ５ ｌＯ ｌ５ ２Ｏ ２５ ３Ｏ ３５ ４０ ４５ ５Ｏ ５５ 灌水次数 ‘ ａ：沙土 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 灌水次数 ｂ：壤土 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 验研究ＥＪ］．农业工程学报，２００８，２４（１）：８９—９２． Ｉ－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． Ｅ５］严连香，黄标，邵学新，等。不同工业企业周围土壤一作物 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． 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， ［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ＥＪ］．节水灌溉，２Ｏ０８（２）：１４—１６． Ｅ７］袁伟，郭宗楼，袁华．污水灌溉的研究现状及利用前景分 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。 析ＥＪ］．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 但是，土壤颗粒的黏性增大也将导致人渗能力降低， 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。 参考文献： ［１］孙正风，王金保，马京军．宁夏污水灌溉对土壤和农产品 防治对策［Ｊ］．江苏农业科学，２００６（３）：１８８—１９０． Ｉ－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． Ｅ１３］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Ｉ－Ｊ］．灌溉排水，１９９７，１６（４）：６－１１． ０４］李援农，费良军．土壤空气压力影响下的非饱和人渗格 林一安姆特模型ＦＪ］．水利学报，２００５，３６（６）：７３３—７３６． 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Ｉ－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
