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灌溉水质对土壤物理性质的影响

周彩景  
【摘要】: 关于土壤持水能力、水分运动规律以及水分有效性的研究成果已经非常丰富,尽管如此,仍然遗留有许多空白点和亟待解决的科学问题。已有的研究工作偏重于土壤的表面积、结构以及孔隙等土壤基模性状对于水分系列物理性状的综合影响,但在研究水分性状和物理过程时大多忽视了土壤水是溶解有各种有机无机物质的稀溶液这个客观事实,很少有人提到水质对于土壤水分物理性状及水分运移过程、水分物理行为的作用与影响。本研究立足于水分中有机物质的类型和含量,探求水质对于土壤持水能力和水分运动参数以及土壤膨胀特性的作用与影响,以便更进一步丰富土壤水分问题的研究理论。 水资源严重不足是我国农业用水存在的主要问题,各地河流不同程度地污染是客观事实,在当今甚至今后一段时间内农业生产还不得不用受污染的河水进行灌溉。这是由于污染治理滞后,污水处理水平偏低,污水排放难以控制,在全国水资源日益短缺的情况下,污灌水质超标问题在短期内很难得到有效解决。灌溉水中有机物质对土壤性质造成影响的研究非常鲜见,研究水体中有机物质对土壤物理性质的影响无论在理论上还是在实践上都具有重大意义。 本研究针对目前灌溉水体的污染现状,主要从水体中亲水性有机污染物(乙醇)、疏水性有机污染物(苯酚)和复合有机污染物(渭河水)等方面探求水质对于土壤持水特性、水分运动参数和土壤膨胀过程的作用与影响。在室内条件下分别测定了不同有机污染物情况下的土壤水分特征曲线、水分扩散率、饱和导水率及土壤膨胀性等,同时分析了各类有机物质类型与含量对水分密度与表面张力的影响等,企图探明有机物质对土壤物理性状的影响机理。主要的研究结果如下: 1.有机物质类型与含量对土壤持水性能有明显影响,其影响机理是不仅改变土壤水表面张力、密度等流体物理性状,而且影响土壤基模表面性状双重作用。对同一土壤(塿土耕层)而言,乙醇溶液对土壤水分特征曲线在pF0-4.1范围内都有一定影响,其影响程度随着乙醇含量不同有明显差异。相同吸力条件下,随乙醇含量(≥1 000 mg·L~(-1))的增加土壤持水容量降低;苯酚含量仅影响到低吸力段(pF值低于1.5)土壤的水分特征曲线,而在高吸力段无明显影响。在低吸力段,随苯酚含量增加,土壤持水量呈增加趋势。有机溶质对水的表面张力的影响是改变土壤持水能力的重要因素之一,苯酚溶液与浓度在1 000 mg·L~(-1)以下的乙醇溶液对土壤持水能力的影响与表面张力变化趋势一致,随浓度增加均呈增高趋势,但随乙醇浓度升高至10 000 mg·L~(-1)时,仅靠表面张力的变化已不能给出合理解释,此时,乙醇溶液对土壤中部分有机质的溶解作用造成的土壤结构变化成为土壤持水能力变化的主要原因。水体复合污染(渭河水)对土壤水分特征曲线有明显影响,提高了土壤的持水能力。 2.对不同质地的土壤而言,有机物质对塿土粘化层土壤水分特征曲线的影响程度大于塿土耕层土壤,对风沙土影响最小,显示出进入土壤的水分质量对于土壤结构及孔隙特性的作用情况。乙醇和苯酚对塿土耕层与粘化层土壤影响有较大差异:水中含有一定乙醇可提高塿土耕层土壤持水能力,这是因为耕层土壤颗粒表面富有有机质,对醇的亲和力强的缘故;而对塿土粘化层土壤作用相反,且在低吸力段(pF2)影响较大,这与粘化层土壤颗粒表面富有无机的氧化物,其与醇的亲和力不高有很大关系。向水中加入疏水性物质苯酚,进一步研究对于土壤持水能力的影响,可使该结论得到进一步证实。苯酚对塿土耕层土壤水分特征曲线的影响仅限于低吸力阶段(pF1.5),对塿土粘化层土壤在pF0-4.1范围内均有影响,且影响幅度较大,1.0 mg·L~(-1)与10.0 mg·L~(-1)的苯酚溶液明显提高土壤的持水能力,30.0 mg·L~(-1)的苯酚溶液却降低土壤的持水能力。试验结果表明,有机物质对土壤持水性能的影响与土壤物质组成有很大关系;有机溶质对土壤中物质的溶解性与亲和性是影响土壤持水能力的关键。 3.有机物质类型与含量对土壤水分扩散率有明显影响。首先体现在乙醇与苯酚对总运移时间和土壤水分平均运移速率影响明显。除100 000 mg·L~(-1)乙醇溶液外,其余乙醇溶液与苯酚溶液平均运移速率均大于对照;乙醇对土壤水分平均运移速率的影响趋势,随浓度增加,先增加后降低;苯酚则呈现相反趋势,与乙醇相比其变化幅度较小。其次,各溶液间土壤水分扩散率的差异性明显,同一含水量时各溶液水分扩散率明显不同。当容积含水量θ≤0.42 cm~3·cm~(-3(时,随乙醇浓度增加,D呈先增大后减小的趋势;苯酚的影响规律性不明显。第三,乙醇与苯酚浓度在很大程度上影响土壤水分扩散率经验方程(D(θ)=ae~(bθ))的参数,且影响趋势具有一定规律性。参数a,b与LOG(C)的关系均为二次相关。乙醇浓度取对数后,与参数b呈显著相关;苯酚浓度取对数后,与参数a呈极显著相关,与参数b呈显著相关。乙醇与苯酚对土壤饱和导水率的影响表现为,向水中加入少量乙醇与苯酚都可以增加土壤饱和导水率。 4.分析土壤水分扩散率试验中相关因素的关系发现,含水量为0.30-0.42 cm~3·cm~(-3)时的土壤水分扩散率,也即毛管支持水的运移对土壤水分运移速率有重大影响; t与靠近水源2 cm段土壤含水率θ呈极显著线性相关,t=-31624θ+17069(r=0.8282),而该土壤含水率在理论上等于土壤饱和含水率,据此可以根据饱和含水率对溶液的运移速率进行初步估计。 5.土壤膨胀过程与土壤性质有关,也与进入土壤的水体质量有一定的关系。研究发现土壤膨胀过程具有明显的两个阶段特征;水体中有机物质类型与含量对土壤膨胀既影响到土壤膨胀速率,也影响到土壤的膨胀量。10 mg·L~(-1)乙醇作用下土壤第一阶段膨胀量低于纯水对照,而10 000 mg·L~(-1)乙醇溶液作用下土壤第一阶段膨胀量明显高于对照,苯酚含量对第一阶段膨胀量的影响,随浓度增加膨胀量增加,且均高于对照。


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