土壤灌溉系统范文

土壤灌溉系统范文（精选10篇）

土壤灌溉系统 第1篇

相比一些国家，我国水资源较少。根据科研工作者研究的数据表明，我国的灌水使用率低至40%。为了缓解这一困境，国务院曾在2012年印发的节水纲要中设定以下目标——新增高效节水灌溉工程面积需要达到1.00×107hm2以上，农田灌溉水有效利用系数需高于0.55。然而，现今我国的节水状况仍与2012年所定目标相差甚远。高效的灌溉设备是节水灌溉得以发展的前提条件。根据所观察国内外节水灌溉设备发展状况，剖析中国节水灌溉设备存在的缺陷及发展前景，提出的发展思路与建议，将有益于节水灌溉设备行业全面发展。[2]从节流的角度出发，通过自动灌溉系统检测到植物土壤的湿度过低时合理地对植物进行浇水保湿，而加大节省灌溉水的力度，使得灌溉的操作变得更加准确。[1]因此，设计出一种可以实时检测土壤中含水量并作出快速正确响应（即灌溉操作）且造价相对便宜的自动灌溉系统是相当有必要的。[3]而本文进行的土壤自动灌溉系统研究也是必然的。

2 自动灌溉系统的设计

该设计是基于继电器模块的自动灌溉控制器，其主要对土壤湿度及灌溉控制进行设计研究。该设计主要是通过土壤湿度传感器获取土壤湿度的数据，进而将数据传送到继电器模块，从而控制进水阀的开关以完成自动灌溉。

2.1 系统结构及原理

图1为土壤自动灌溉系统的结构简图，该设计由继电器模块，控制器，土壤湿度传感器，进水阀，220V电源等基本模块组成。系统由220V电源为整个电路提供能量。土壤湿度传感器充当观察员的角色，时刻监测土壤中的水分含量，并将信息利用电信号传递给控制器。控制器则是整个系统的大脑，其通过对电信号所携带的土壤中水分含量大小与系统给定的供水临界值进行比较处理，遵循控制规则发出控制信号，并通过电路驱动放大控制继电器模块的供电与否，直接操作整个系统电路的开或断，从而直接影响进水阀的开闭工作，进而实现灌溉功能。在工作过程中，土壤湿度传感器始终给予控制器反馈，实现了自动控制功能，同时通过设定适当的供水阈值，使土壤湿度达到一定水平后便自动停止供水以达到节水的效果。

具体系统结构如下：

2.2 FDR原理

在本文提出的自动灌溉系统中，土壤湿度的实时监控，便是基于FDR原理——即介电法实现。FDR的水分探头内有一对电极组成的电容器，当水分探头插入土壤内时，土壤便成为了电介质。而电容器与振荡器形成了一个调谐电路，当土壤电容的变化时，振荡器工作频率也随之同时变化。当发生共振的频率有所不同时，说明土壤含水量发生了变化，而介电法就是通过使用扫频频率来检测共振频率从而监控土壤的湿度。从研究者的实践得出:在大多数土壤中，介电常数的平方根与土壤容积含水量具有线性关系;并且土壤的介电常数大小基本取决于土壤体积含水量的多少。而实验证明土壤中水的介电常数明显要远大于土壤基质材料，从而可以忽略土壤类型、密度、温度，可溶性盐含量等因素的干扰。因此，土壤的含水量可以通过测量得到的土壤介电常数正确地表达出来。[3]

2.3 土壤自动灌溉系统工作过程

土壤自动灌溉系统的运作首先是由土壤湿度传感器收集土壤中含水量的实时数据，然后在继电器中对数据进行分析，从而通过控制继电器的开关来实行对进水阀的控制。将继电器连接在220V的开关电源上、把土壤湿度传感器插在干燥土壤中，打开电源开关，当土壤湿度低于继电器模块中设置好的最小值时，继电器打开使得电流可以通过电路以打开进水阀进行灌溉；当灌溉土壤湿度高于继电器模块中已设定的最大值时，继电器模块则自动断开，电流将不能通过电路，进水阀关闭，灌溉也停止。将土壤湿度传感器插在潮湿土壤中，继电器则处于断开状态，电流无法通过电路，进水阀不打开，不进行灌溉。

3 结束语

提出的自动灌溉系统是通过实时检测土壤含水量，利用控制单位对实时数据和定额数据来进行比较，从而实现自动灌溉。本文描述了通过基于FDR原理的土壤湿度传感器搜集数据，继电器根据输出信号的大小控制进水阀的通断来实现快速、准确感知的节约型自动灌溉。该系统能够简单直接地处理土壤湿度数据，具有响应快，低功耗的特点，且设计简洁，可适应大部分环境，充分利用水资源，同时解放大量人力物力。

本文的未来研究工作还可以对灌溉系统的电源进行优化，对于太阳能资源丰富这个条件，可以将电源的转化改成利用太阳能电源，可节省用电，有效利用资源。在实际生产过程中，该系统可能还需要面对恶劣天气如雷暴、冰霜及虫害等意外情况的挑战，这需要我们在实践中不断改进。

在经济发展需求不断增大、水资源日益紧张，电子技术也在进步的大背景下，自动控制技术在节水灌溉中的使用越来越普遍。[4]在此情况下，自动灌溉系统的自动化、精细化便成为了农业灌溉发展的重要趋势。[5]电子技术的发展，不应该只是媒体网络上的发展，还应该发展到生活中去，发展到农业生产上来，减轻农民的工作负担，更好地进行农业生产，使得农业产品质量的到保证。

摘要：为促进中国农业自动化发展,减轻农业人力资源耗费,本文设计出一种基于自动控制的土壤灌溉器。此灌溉器是通过分析土壤水分测量特点及介电特性,根据频域反射计测量原理得到土壤含水率的,最后其通过控制单元对所测土壤含水量与植物土壤含水定额的偏差和偏差的变化率进行模糊化处理与决策来判断灌水与否。

关键词：自动控制,湿度传感器,频域反射计(FDR),土壤灌溉系统

参考文献

[1]王会.基于单片机的太阳能自动浇灌系统的设计[J].电子技术与软件工程,2015(20):257-258.

[2]袁寿其,李红,王新坤.中国节水灌溉装备发展现状、问题、趋势与建议[J].排灌机械工程学报,2015(1):78-92.

[3]张瑞卿,戈振扬,单伟,等.基于FDR原理的自动灌溉系统设计[J].传感器与微系统,2014(2):80-82+86.

[4]张增林,韩文霆.自动化控制在节水灌溉系统中的应用[J].节水灌溉,2012(10):65-68.

土壤灌溉系统 第2篇

灌溉产种苜蓿地土壤水分动态特征的研究

通过测定不同灌水处理下产种苜蓿地土壤含水量变化状况,结果表明,在现蕾至初花期土壤水分消耗最大,灌溉主要影响0～50cm土层的土壤含水量,对深层土壤含水量的影响较小.进行苜蓿种子生产时,应确保现蕾至初花期0～50cm土层的土壤水分.

作 者：李雪锋 王辉 李卫军 刘会园 LI Xue-feng WANG Hui LI Wei-jun LIU Hui-yuan  作者单位：李雪锋,李卫军,刘会园,LI Xue-feng,LI Wei-jun,LIU Hui-yuan(新疆农业大学草业工程学院,新疆草地资源与生态自治区重点试验室,新疆,乌鲁木齐,830052)

王辉,WANG Hui(自治区草原总站,新疆,乌鲁木齐,830049)

刊 名：新疆农业科学  ISTIC PKU英文刊名：XINJIANG AGRICULTURAL SCIENCES 年，卷(期)： 43(6) 分类号：S551.7 关键词：灌溉   产种苜蓿   土壤水分动态  

不同灌溉方式对果树土壤墒情的影响 第3篇

关键词：灌溉方式 果树 土壤墒情

随着国民经济的快速增长，我国可供农业水资源已呈零增长趋势，但是我国对农产品的需求是刚性增长趋势。据预测，到2030年，我国人口将达到16亿，粮食需求6200～690千克，农业灌溉用水需求量将增长到6650亿立方米。而根据水利发展规划，农业灌溉用水将实现零增长，挖掘农业节水技术潜力是缓解水资源紧缺的重要措施。近年来，农业种植结构快速调整，经济作物种植面积增长了4倍，已占到农作物种植面積的30%左右。果树种植面积达到9万平方千米。而微灌施肥技术的应用将是经济作物的种植技术的革命，国内外研究结果和应用效果均显示，微灌施肥技术使单位面积灌水、肥料施用量都大幅度减少，将是未来解决水资源匮乏的必不可少的技术。

对于我们河南省来说承担着国家主要粮食生产任务，同时蔬菜水果的面积也在1.2万平方千米以上。与粮食生产量相比我们的水资源却又极端匮乏，30年来黄淮海平原地下水累计超采1000亿立方米，而与此同时具有节水高效的微灌施肥技术的应用面积却不足总灌溉面积的2%，有的地方则更低。这样，我们面临的是保证粮食安全的节水生态安全。本试验旨在通过对漫灌和滴灌果树的土壤水分监测和节水效果示范，达到指导当地果农合理灌水施肥的目的。同时，也为规范土壤墒情与监测工作的内容、范围、方法、程序，为政府部门准确地指导、组织农民进行农业结构调整和生活布局的宏观决策等提供理论依据。

1.监测地基本情况

本监测设在郑州市惠济区邙岭，该区属黄土丘陵沟壑区第三副区，地貌类型与黄土高原相似，属黄土高原末端。地貌特征以梁峁为主，间有局部残塬地貌，梁峁起伏，地形破碎，气候属大陆性暖温带季风半干旱气候，多年平均气温15.6°C，极端最高温度43.0°C，极端最低气温-15.8°C，≥10°C的积温4663°C，多年平均日照时数为2366小时，年日照率54%，平均降水量640.9毫米，平均水面蒸发量为1221毫米，干旱指数为1.89，无霜期为215天。惠济区邙岭区域现有土地面积83平方千米，其中旱地50平方千米，占总耕地面积的60%；旱垣贫水地区面积为17平方千米，占总耕地面积的20%，且有逐年扩大的趋势。该区域已成为省会郑州的风沙源头。主要种植作物有苹果、杏、李、柿、石榴、核桃、小麦、玉米、红薯、花生、油菜等。项目示范区属于旱垣贫水地区，少量深井能够维持农村人畜饮水问题的同时，仅有部分土地可进行灌溉，大部分土地由于无灌溉水源或设施不完备而不能进行灌溉。常出现春旱、伏旱、卡脖旱等严重旱情，缺水十分严重；深井水位在0.2千米以下，水资源极度匮乏，6、7、8月份需水高峰期，用水矛盾极为突出，而且有机肥用量逐年减少，直接影响农作物产量和品质的稳定和提高，生产效益受到严重制约。本实验滴灌区设在2年龄幼桃区，漫灌区设在4年龄成桃区。

2.监测方法

2.1取样方法：每月10日、25日取样，一般降雨推后3天，大雨推后5天。滴灌区取样点选择行间、株间、根部（滴头）附近，漫灌区依照灌溉方向，取北、中、南三个点，其中每个点有代表性取三次重复，取样深度为0.0001千米、0.0002千米、0.0004千米、0.006千米。

2.2测定方法：

2.2.1土壤自然含水量（W）的测定：采用烘干法，105℃+2℃温度下烘至恒重（约6小时），用精确到0.01克天平称量。

2.2.2土壤田间持水量测定：采用环刀法，取相应不同深度土壤进行土壤田间持水量的测定，烘干、称量方法同上。

2.2.3土壤容重计算方法：Pb=m/V，式中：Pb为土壤容重（g·cm-3）；m为环刀内土样干重（g）；V为环刀容积（cm3）。

3.试验结果与分析

3.1土壤的基础性质

3.2滴灌区土壤墒情动态监测

从以上四个深度的土壤含水量动态变化来看，三个取样点的变化趋势基本一致呈波浪型变化。在初春时节即2月24日在深层0.0004千米和0.0006千米的深度的土壤的含水量18%～20%较浅层0.0001千米和0.0002千米深度含水量15%～18%大，说明冬季的冰雪融水在土壤深层得到了很好地保持，为果树越冬后萌发储备了充足的水分供应，而由于当地处于气候属大陆性暖温带季风半干旱气候区，表层土壤的水分损失较多。此后由于冰雪的继续融水，土壤含水量一度出现上升，随后进入春季干旱期，而此时又是桃树发枝萌芽长叶阶段需要大量的水分，由于大量的植株耗水，在3月25日出现了土壤含水量的波谷，降至15%甚至更低，由于两年的幼桃根系主要在0.0003千米～0.0005千米活动，在0.0006厘米的深度的土壤含水量达到了12%左右。于是，在3月25日采取了灌溉，水量为每667平方米/24.8立方米。进入4月度过了干旱期，两龄桃树也达到成龄。在5月和6月雨水开始丰沛，幼桃也开始进入生殖生长与营养生长并进阶段，虽然耗水较多，但降雨还可以基本维持植物对水分的需求。但此时也是气候进入多雨期前的，一段不正常时期，极有可能出现卡脖旱对产量和品质造成严重损失，我们从图中走势来看6月初确实出现了严重干旱，基本含水量都降至10%左右，表层0.0001千米甚至降到了5%，虽说本实验点是幼桃区当年并不收获，但对于其他同区域的收获桃区此时正处于成熟收获期，又由于桃树成熟是陆续成熟的若出现干旱，对果实的后熟、产量、品质影响极大。而且从图中可知株间点的土壤含水量总是最低，特别是在干旱时，这是由于植物根系对土壤中水分的吸收拉动作用，在株间点（离根0.001千米）与行间点（离根0.002千米）受到的拉力大，水分向根系流动。因此，我们能从土壤含水量变化走势可以清楚的了解土壤墒情变化，结合作物的具体生长发育情况进而指导合理灌水。

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3.3漫灌区土壤墒情动态监测

漫灌区为4年龄的成桃区，灌溉方式采用由北向南灌溉，从图中看各图各点起伏基本一致，在0.0001千米的深度的土壤含水量由于灌溉方式的原因，出现了较明显的梯度，很不均衡；在北边最先灌溉到的地方土壤含水量接近18%，中间则13%，南边则降到9%水分梯度十分明显。在根系活动的0.0002千米～0.0004千米深度，不同时期的变化基本一致但南边的土壤含水量相比始终处于最低。而3月25日的灌水，漫灌区为每667平方米/43立方米却仅在0.0001千米、0.0002千米深度的土壤含水量有明显的变化，0.0004千米、0.0006千米基本看不出迹象；而且我们发现灌水后在浅层即0.0002千米左右以上的深度，北边变化十分明显，中部、南部由于地势等多方面原因影响，基本没有得到灌溉，含水量值仍呈下降趋势。同样，5月10日的灌水，也只在0.0002千米左右以上的浅层土壤起到明显作用，0.0004千米～0.0006千米深度的土壤含水量并未受到灌溉的影响。从四个变化趋势图比较来看，0.0001千米和0.0002千米深度的变化随灌水变化较明显，在灌后土壤含水量有所上升；而从0.0004千米和0.0006千米深度的土壤含水量变化并看不出灌水的影响，可见在成龄桃树的根系主要活动层漫灌并没起到有效的灌溉作用。

3.4不同灌溉方式对不同深度的土壤含水量的影响

以上两图为滴灌和漫灌后不同深度土壤含水量的变化，从滴灌幼桃区看滴灌滴头处的含水量在0.0001千米、0.0002千米深度与行间和株间相比分别高出8%和5%以上，到0.0003千米深时与株间的含水量相近，但到0.0006千米时根部的含水量则低于行间、株间，原因主要是根部吸水拉力的作用。再来看漫灌成桃区的情况，南边在不同深度的含水量始终在北、中之下，浅层中部土壤含水量大于北部，是由于漫灌水流在中部滞留下渗造成，但北部是首先灌溉，受到浸润时间长，不同深度的含水量很一致，所以在0.0003千米之下仍有较高的土壤含水量较中、南部高出8%～10%。

3.5不同地点的土壤自然含水量与含水总量的比较

在滴灌区按离滴头的远近依次取四点，对其进行分析，同时以四个深度的土壤容重和含水量算出0.0001～0.0006千米深度的土壤体积总含水量。从下图中可知，0.0004千米左右的深度是水分主要的保持层，与各点总水量有很密切的相关性相关系数达到0.9468。而等距的行間1/4处与株间1/2处（果园行距4米，株距2米）各个深度含水量差别却很大，总含水量相差0.01千克每立方分米。如果土壤含水量能反应果树根系的走势，那么根系是由于竞争作用向垂直于行的方向生长，造成对行间1/4处的水分大量利用。株间1/2处相对水分较高，行间1/2处离植物最远其水分受植物影响最小。从而，我们可以知道滴灌使作物在有限的水源生长条件下，起到一定构型作用，使作物能更好的利用水分，提高抗旱节水的效果。

4.结论

通过对不同树龄、不同灌溉方式的桃区的土壤水分连续监测，我们可以从不同时期的土壤墒情的变化指导合适的灌溉时间：在干旱期，土壤含水量出现明显一致的下降；灌溉后，从土壤含水量能看出回升变化。通过滴灌与漫灌两种不同灌溉方式的比较，由于滴灌灌溉的小流量、长周期的特点，使各个深度的土层的土壤含水量变化均匀一致，得到很好的灌溉，而漫灌由于受地形、灌溉时间、灌溉方向、水流等影响，使土表的诸多因素发生改变，如：水流的冲洗形成表面泥浆层阻碍水的下渗，地形造成的灌溉的不均匀，受水的浸润时间不一致等，在漫灌区我们能从趋势图得知，在0.0004千米和0.0006千米深度，灌溉的对土壤含水量变化的影响已经很不明显，而这个深度正是果树的根系分布区。从灌溉量上来看，漫灌区每次的灌溉量是每667平方米/43立方米，滴灌是每667平方米/24.8立方米，漫灌区每次的灌溉量比滴灌多每667平方米/28.2立方米0.01千克每立方分米，滴灌节水率为42%，效果十分明显。

另外，对滴灌区离滴头处（果树根部）距离的不同地点的土壤水分含水量的分析估测可知，滴灌还能对植株根部进行有限灌溉，不仅节水、节肥，而且还能对根系起到构型作用，使其更有效的利用地下空间、水肥，从而提高作物的水分利用效率。

（作者单位：河南省农业厅机关服务中心）

土壤灌溉系统 第4篇

再生水是指对污水处理厂出水、工业排水、生活污水等非传统水源进行回收,经适当处理后达到一定水质标准,并在一定范围内重复利用的水资源。随着水资源紧缺的逐渐加剧,再生水利用从20世纪80年代已经开始在越来越多的发达国家和发展中国家、地区推广,尤其是干旱半干旱地区,包括以色列、南非、伊朗、阿拉伯半岛等[1,2,3,4,5,6]。国外再生水灌溉技术已经相当成熟,其使用范围逐渐扩大,如在加利福尼亚州,有78%的再生水用于中部峡谷和沿海地区[7];在印度有26亿m4的再生水用于农田灌溉[8]。我国再生水灌溉起步较晚,开始于20世纪80年代,当时初级处理水的灌溉面积已达1.33×106 hm2[9]。

再生水中含有丰富的养分,如P、K、S和Fe等,还有高量的有机质[8],能很好的改善土壤理化性质,提高土壤肥力,尤其是对于肥力较低的土壤,再生水是其重要的肥料来源[10]。但再生水中一些危险物质含量也高于正常灌溉水,如痕量有机污染物、重金属等,如果灌溉不当,会造成生态环境的污染,并通过食物链威胁人类健康。目前,随着再生水灌溉在生产用水中权重的加大,再生水灌溉下重金属在植物-土壤-地下水系统中的运移、分布状况已成为众多研究者所关注的重点[11,12,13,14,15]。本文在回顾国内外利用再生水灌溉对植物生长、土壤和地下水环境影响的基础上,重点论述了再生水灌溉对重金属在植物-土壤-地下水系统中运移、分布和积累的影响,以促进该方面的研究。

1 再生水灌溉对植物吸收重金属的影响

随着水资源紧缺的加剧,农田灌溉和地下水补给也越来越多的用到再生水[16]。再生水灌溉所采用的试验方法目前主要是盆栽土培试验[17,18,19,20]和大田试验[14,21],并在此基础上结合不同灌溉制度,如沟灌、滴灌等不同灌溉技术和方式[12,22]、清水再生水配比灌溉[18,23]、植物不同生长时期灌溉[24]、不同灌溉量[21]等。目前研究再生水灌溉对重金属积累、残留和分布影响所选用的植物种类较多,有粮食类作物[17,21,24]、蔬菜[12,19,20]、树木[15,25]、牧草[26]等。

再生水灌溉不但显著增加植物体内的营养元素如N、P、K、Ca、Mg、Mn等[12],其可能高于清水的重金属含量如Cd、Cu、Cr、Pb、Zn、Ni等也会在土壤中积累并在植物生长过程中逐渐被植物根部吸收,显著增加茎、叶、果实中重金属含量。Kiziloglu等[12]研究发现再生水灌溉使花椰菜和红球甘蓝中Zn、Cu、Pb、Ni 和 Cd 都显著增加。橄榄树在再生水灌溉条件下也发现了其叶子和果实中重金属的积累[25]。Kalavrouziotis等[11]发现再生水灌溉增加了部分重金属在植物地上部的含量。再生水灌溉使农作物地上部重金属含量增加,包括可食部分,但很多资料显示其含量并未超出相关安全标准[21,27,28,29,30,31]。还有研究结果显示再生水灌溉并没有增加植物地上部重金属含量,如徐应明等[32]对甘蓝进行短期灌溉,发现甘蓝中Zn、Cd、Pb、Cr、As的含量与对照自来水灌溉没有显著差异。甚至有研究发现再生水灌溉降低了花椰菜叶片中Zn的含量[11]。但目前试验多为短期试验,缺乏再生水灌溉下植物吸收重金属的长期观测。有资料显示,对橄榄树进行再生水灌溉,第一年树木生长没有受到盐分和重金属的影响,但在进行第二年的灌溉时,发现叶子中Zn和Mn的显著积累[33]。

再生水灌溉下,不同的植物即使是同一植物的不同品种对重金属的吸收情况不一致,而且不同的重金属在同一植物体内的吸收、分布情况也有显著的差异。Kalavrouziotis等[11]发现再生水灌溉显著增加了Ni在球芽甘蓝和花椰菜中的含量,Cd、Co和Pb只在球芽甘蓝中显著增加。Al-Lahhama等[29]通过对两种西红柿进行再生水灌溉发现,一个品种中Fe、Cu、Ni、Mn、Zn含量增加,另外一个品种只有Mn和Zn含量显著增加。再生水灌溉促进了花椰菜中Fe高量富集,说明花椰菜是Fe富集植物,其对土壤元素有一个选择性吸收的特性[19]。重金属在植物体内的分布一般呈“金字塔”形,即根部含量最高,其次是茎叶部位,最后才是果实部分。再生水灌溉下,重金属主要积累于植物的根部[34]。茎叶部分较少,果实部分更少[35]。花椰菜中阳离子也主要集中在根部,然后是茎叶果实[19]。巫常林等[21]进行4年再生水灌溉,发现无论是冬小麦还是夏玉米, 作物体中As、Cd、Hg三种重金属含量在植株不同部位的分布特征均为根>茎叶>籽粒。

一般情况下,再生水灌溉会增加植物的产量[12]。李晓娜等[36]研究发现,与井水灌溉相比,再生水灌溉能增加禾本科牧草产量。再生水灌溉可显著增加果菜类产量,其中,西红柿、黄瓜分别平均增产 15.1%、23.6%;茄子、豆角分别增产60.7%、7.4%[37]。徐应明等[23]发现再生水灌溉对小白菜后期生长有促进作用, 可显著提高小白菜产量。Al-Nakshabandi等[38]对茄子进行再生水灌溉发现,茄子中重金属含量没有超标,其产量是传统施肥方式下清水灌溉产量的2倍。Kalavrouziotis等[20]也发现再生水灌溉下甘蓝中重金属含量与其干物质量呈显著负相关。所以,如果植物在再生水灌溉下对土壤重金属的绝对吸收速率和清水灌溉一致甚至稍高于清水灌溉,则作物生物量的增加会对其吸收的重金属产生“稀释效应”,最终表现出植物中重金属绝对含量变化不大或降低。

2 再生水灌溉对土壤重金属残留的影响

再生水灌溉下的农业生产,由于不同的再生水水质以及不同的农田利用方式、土壤类型、灌溉制度等,土壤重金属的残留呈现出比较大的差异,但往往和再生水中的含量保持一致,Al-Lahhama等[29]研究发现再生水中Cu、Mn、Fe含量较高,其土壤残留量也较高。再生水灌溉灌溉下,土壤中除了Zn和Cd的含量超出标准以外,其他重金属含量都在安全标准以内,说明再生水灌溉有残留效应[11]。Gwenzi和Munondo[13]在砂壤土上灌溉再生水,发现土壤中除了Cr出现较大的积累外,Zn、Cu和Cd含量都显著降低。Klay[39]等研究发现,再生水灌溉0～14年,重金属主要是Pb和Cd的积累。但更多的研究表明,再生水灌溉并没有造成土壤重金属的显著积累。对西红柿进行再生水灌溉,发现土壤重金属含量与清水灌溉相比差异不显著, 远低于国家土壤质量标准[27]。Smith等[31]采用再生水灌溉树木4-17年,发现再生水灌溉没有增加EDTA提取态重金属含量,其含量在澳大利亚土壤背景值范围之内。赵庆良等[40]对3种农作物(黄瓜、白菜和玉米)进行再生水灌溉,土壤重金属并没有发生明显积累。Surdyk等[41]对西红柿进行3年再生水灌溉,发现土壤重金属含量和实验前土壤基本一致。齐学斌等[22]研究发现在不同的灌溉方式下,马铃薯收获后土壤 Pb含量均有不同程度降低。

再生水短期灌溉往往不会降低土壤的环境质量,但长期灌溉再生水则有可能会造成土壤环境的恶化。对冬小麦-夏玉米轮作灌溉4年再生水,发现短期灌溉对土壤环境不会造成污染影响;同时,不同再生水灌溉水量条件下, 土壤中重金属含量无显著差异,再生水灌溉带入土壤中的重金属量小于作物收获所带走的重金属量, 带出量和带入量对土壤中重金属平衡的影响较小[21]。Xu等[14]通过对3年、8年、20年再生水灌溉的农田土壤进行分析发现,3年再生水灌溉情况下土壤各种元素含量变化不大,8年后重金属有明显的积累并在土壤剖面上有了重新的分布,其重金属含量高于20年灌溉;20年的长期灌溉导致土壤pH的显著降低,主要增加了表层土壤重金属的总量以及EDTA提取态重金属含量。

3 再生水灌溉下重金属对地下水质的影响

长期使用污水直接灌溉对浅层地下水水质造成了相当程度的污染[42,43],但主要是增加了地下水中盐分[44]以及硝态氮[45]的含量。由于重金属在土壤中移动性差,关于再生水灌溉下重金属对地下水质的影响研究不多。再生水灌溉下多数重金属积累于20～40 cm的土层[46],杜娟等[47]的研究也发现As、Cd、 Cu和Zn在0～10 cm土层中的增加量分别占其总输入量的93%、90%、92%、90%,表层累积现象明显。这些重金属一旦没有吸附于表层土壤,就有可能从植物根际淋洗到地下水,造成污染[48]。在进行8年再生水灌溉后,土壤中重金属有了明显的积累并在剖面上有了重新的分布,重金属的下移趋势也比较明显,有可能污染地下水[14]。而且植物根系会增强重金属向下迁移的趋势, 不同的植物对重金属向下迁移的影响不一致,如种植玉米的土壤比种植小麦的土壤对重金属向下迁移的趋势影响更为明显[47]。

这些研究都是在中性或偏碱性的土壤上进行的,而且都是短期试验,重金属移动性较弱,向下迁移不明显。再生水灌溉酸性土壤条件下,其重金属移动性会加强,向下迁移的趋势也将更加明显,有可能造成地下水的重金属污染。

4 研究展望

目前关于再生水含有的重金属在土壤-植物-地下水系统中的转移、分布、积累规律的研究基础还比较薄弱,而且以国外的居多,缺乏较为机理性的探索和系统研究。在今后的研究中,以下几点可能是还有待进一步加强的重点方向:

(1)开展再生水灌溉的系统化大田试验研究。温室研究所提供的试验环境在温度、光照辐射、潜在蒸发、蒸汽压等方面与自然环境存在较大差异。小气候的差异必然会影响到土壤的理化性质以及植物的水分、养分利用效率,包括植物对土壤重金属的吸收。所以,应该加强大田试验研究。

(2)加强再生水灌溉下的长期监测。相比于国外,我国真正利用再生水灌溉的历史较短,缺乏较为系统的田间长期观测,目前的研究结果多为短期试验。再生水长期灌溉的观测结果仅仅是对其土壤中重金属残留量的观测,缺乏对土壤-植物-地下水整个系统的监测,更缺乏其环境因子的精确本底值。而且长期用再生水灌溉对重金属在土壤剖面的移动以及对地下水的污染情况还缺乏足够的研究材料。

(3)结合再生水生态环境效应,深入开展功能物种的筛选研究。不同的植物即使是同一植物的不同品种,其对再生水灌溉下重金属的吸收能力也存在很大的差异,会直接影响到重金属在土壤中的残留。所以,应该加强植物基因型研究,筛选出植物可食部分重金属含量、土壤重金属残留量都不超标的植物品种,使再生水灌溉不会成为农业生产和食物链的限制因子。

(4)加强再生水灌溉配套的农艺措施研究。不同的耕作制度、施肥方式、灌溉制度等都会影响到再生水灌溉下重金属在土壤-植物-地下水系统的运移、分布和积累规律。合理的农艺措施与再生水灌溉进行搭配,可以有效降低再生水灌溉对生态环境的负面影响,强化再生水在农业生产中的安全利用,保持农业生产的可持续发展。

摘要：再生水灌溉作为解决水资源紧缺的重要途径之一日益受到人们的重视。然而其水源中含有的重金属可能会对生态环境造成影响。回顾了国内外再生水灌溉下重金属在植物-土壤-地下水系统中的运移、分布、积累规律的研究现状与问题,在归纳分析的基础上提出了今后的研究方向。短期再生水灌溉一般不会增加植物体内重金属含量,再生水灌溉显著增加植物生物量对重金属所形成的“稀释效应”可能是其原因之一;不同的植物品种对不同重金属在植物、土壤中运移、分布和积累的影响有很大的差异;再生水短期灌溉往往不会降低土壤的环境质量,但长期灌溉再生水有可能会使土壤质量恶化,造成地下水重金属污染。

植物灌溉系统设计论文 第5篇

1.1主机选型

可编程控制器的种类和型号可根据系统的大小和稳定性的要求进行调整。三菱﹑西门子﹑欧姆龙的小型机一般可以满足要求，这里选用三菱ＦＸ２Ｎ系列，其体积小﹑配置灵活﹑价格适中，很适于在机电一体化产品中使用。因本系统只有数字量开关输入，无模拟量输入，故凭可编程控制器本身的抗干扰能力已能满足要求，而不必另外增加其他抗干扰措施。

1.2传感器选择

土壤温度传感器：测试温度的传感器有很多种，较普遍使用的是热电偶和热电阻传感器。本文采用热电阻Ｐｔ１００温度传感器进行土壤温度的数据采集，热电阻的优点是线性度好、精度高，有较好的长期稳定性，工作温度范围大，只要经过适当的数据处理就可以传输、显示并记录其温度输出。土壤湿度传感器选择由中国科学院南京土壤研究所生产的ＦＪＡ－１０型负压式土壤湿度计。该湿度计的测量范围为０ｋＰａ～１００ｋＰａ，测量精度为±２．５ｋＰａ；输出电压信号为０Ｖ～５Ｖ，供电电源为交流２２０Ｖ。雨量传感器选用型号为ＦＤＹ－０１的翻斗型雨量传感器，其输出信号为单干式舌簧管通断，工作强度为０℃～５０℃。

2系统实现

该灌溉系统的控制方式分为手动模式和自动模式，用户可以通过按钮自由选择。自动工作模式可根据不同植物的灌溉要求设定好参数，满足灌溉条件即可自动进行灌溉，并可根据温、湿度传感器的参数自动停止灌溉。手动控制模式通过按钮手动进行各植物的灌溉和停止。当降雨量达到一定值，或土壤中水份充足时，或供水水管断流时，报警系统启动。这时出现问题的种植区域报警灯点亮，发出报警声音信号，提醒操作人员。解决问题后，可以按下“消音”按钮以解除铃响。

2.1硬件设计

2.1.1Ｉ／Ｏ点估算

输入信号共需１７个输入信号点，考虑到以后可能会对系统进行调整与扩充，所以留１５％的备用点，应取３个点备用，这样共需２０个输入点。输出信号：共需要１４个输出点，考虑到以后可能会对系统进行调整与扩充，所以留１５％的备用点，应取２个点备用，这样共需１６个输出点。

2.2软件设计

系统控制程序流程图接通电源，按下总启动按钮，系统启动，人工选择是自动工作方式还是手动工作方式。若选用自动工作模式，首先确认程序的时间设定有无错误，如设定值正确，程序继续将往下执行，否则，则检查电磁阀是否打开。程序运行过程中遇到下雨或水泵断水等情况，报警系统启动，哪个种植区域出现问题，哪个区域报警指示灯亮。等消除报警音之后，程序可以继续正常运行，直到程序结束。当按下手动总开按钮，自动运行模式停止，手动运行开始，手动运行指示灯亮。通过各种植区域手动和停止按钮来控制水泵和每个种植区域的电磁阀运行。

2.3人机界面

ＭＣＧＳ即“监视与控制通用系统”，是一套基于Ｗｉｎｄｏｗｓ操作系统可用来快速构造和生成上位机监控系统的组态触屏软件系统。组态技术在节水灌溉控制系统中的应用能够形成可视化人机界面，并能够对灌溉的运行情况进行实时、有效、便捷的监控。同时，组态王软件具有良好的扩展性和设备硬件无关性，能够根据不同的现场控制需要方便快捷地建立动画画面和监控系统以及形成各种数据报表。监控画面由主画面、点动控制、自动控制、报警记录及留言板等画面组成，如图３所示。主画面为系统启动画面，由各功能按键进入各种植区域对应的子画面，进行各功能参数的设定和系统监控。

3结语

树木生长的土壤因素和树木灌溉技术 第6篇

1.1 土壤质地

一定土壤中不同的颗粒级所占的比例是不一样的, 颗粒级间的质量百分比成为土壤的机械组成。不同土壤, 这种比例则不相同, 这就导致了土壤沙黏性的不同, 也导致了土壤物理性质的差异和土壤肥力的不同。土壤质地就是指土壤的沙黏性, 是土壤机械组成的外在表现, 是土壤的重要属性, 也是树木栽培管理中直接应用的土壤因子。

1) 土壤质地分类。由于各地土壤的复杂性, 有不同的划分标准。国际制是将土壤颗粒分成沙粒、粉粒和黏粒三个粒级, 根据对土壤质地影响最大的那个粒级来命名。所谓对土壤质地影响最大, 不一定在数量上占绝对优势, 由于细小的颗粒, 在质量相同时, 表面积大, 其性质更活泼。粗颗粒占更大比例时, 才能表现其特性, 而黏粒占有较小比例时就能表现出黏粒的特性。2) 土壤质地与土地肥力。沙质土壤由于沙粒占较大比例, 土壤孔隙度相对较少, 但大孔较多, 土壤通气性较好, 土壤温度变化幅度较大。同时由于相同体积的土粒中, 沙粒表面积较小, 所以吸收养分的能力较差, 保肥能力也差, 保水能力也低。沙质土壤的优点是土壤结构疏松, 通气性好, 耕作较容易。比较适合肉质根系树木的生长, 在比较潮湿和地下水位高的地方对树木生长有利。

黏土由于黏粒含量高, 土壤黏重, 结构紧实, 小孔隙多, 保水力强。相同体积的土粒中, 黏土表面积较大, 能较多吸附离子状态的养分, 保肥力较强。由于结构紧实, 通气性较差, 易板结, 不易耕作, 对于要求通气性强的树木根系负面影响较大。

1.2 土壤结构性

土壤颗粒有三种状态:单粒、微团聚体和团聚体。直径比较大的颗粒, 如沙粒和一些粉粒, 是分散的呈单粒存在, 而一些更小的颗粒如细粉粒、黏粒, 容易胶合在一起形成复粒, 也就是团聚体。单粒、微团聚体和团聚体构成了土壤的基本结构。团粒结构的土壤团聚体是近似球形的土团, 粒径0.25~5mm, 疏松多孔。形成的土壤也很疏松。粒径小于0.25mm的称为围团粒体。浸水不散的团粒体称为水稳性团粒体, 反之称为非水稳性团粒体。含有较多水稳性团粒体的土壤, 土壤肥力高。把土壤改良成团粒结构的土壤, 是提高土壤肥力的重要措施。

良好土壤结构的形成是需要条件的;需要足够小的土壤粒径, 土粒小, 其黏结力就大, 容易形成复粒;需要有引起土粒聚合的因素, 如CA2+、FE3+等多价阳离子, 促进胶体凝聚;需要有胶结剂, 土壤有机质中的多糖、腐殖质、硅酸凝胶、含水氧化铁等都是胶结剂, 可把颗粒胶结起来。有机质胶结的微团聚体疏松多孔、水稳性高、遇水不容易散开;需要有起挤压和分割作用的外力, 土壤有机质是改善土壤结构的重要因素, 也是提高土壤肥力的重要因子。

1.3 土壤胶体

1) 土壤胶体的类型。土壤胶体可分为三类:有机胶体、无机胶体和有机无机复合胶体。有机胶体主要是腐殖质胶体, 是由生物生命活动形成的。无机胶体主要是矿物极细微的黏粒, 包括成分简单的次生含水氧化铁、氧化铝、氧化硅、氧化锰及它们的水合物。有机无机复合胶体是腐殖质胶体和无机胶体通过化学键结合在一起, 在一定程度上降低了胶体的活性。但这种胶体是形成良好土壤结构的基础之一。

2) 土壤胶体的性质。土壤胶体是物理性质和化学性质最活跃的部分, 它们对土壤的结构性、保水性和保肥性以及一些化学性质如酸碱反映、氧化还原反映等都有重要的影响。土壤胶体由于颗粒细小, 单位质量的胶体有很大的表面积。有资料显示, 1g腐殖质胶体的表面积可以有一个足球场大。巨大的表面积, 使胶体有很大的表面能, 这就是土壤胶体能够吸附大量水分和养分的主要原因。

由于胶体带有电荷, 因而可以吸附异性电荷。带负电荷的胶体可以吸附阳离子, 带正电荷的胶体可以吸附阴离子。一般土壤胶体带负电荷, 对于离子状态的养分供应和保存以及对土壤的酸碱缓冲都有重要作用。如果土壤溶液中的某种阳离子 (矿质营养) 被根系吸收, 当土壤溶液中的这种阳离子浓度减少时, 土壤胶体吸附的阳离子就放出来 (解吸) 补充土壤溶液中阳离子的不足供根系吸收。这种阳离子的交换, 保存了矿质营养, 避免了营养流失。

土壤胶体还有分散性和凝聚性。它分散在介质中, 呈溶胶状态, 又可以凝结, 呈凝胶状态。土壤胶体一般是阴性胶体, 在阳离子的作用下凝结。另外, 干燥、脱水、冻融交替也可使胶体凝结。胶体的凝结作用对土壤结构的形成有很大的影响。

1.4 土壤的酸碱性

在中性条件下, 土壤的各种矿质养分的有效性都比较高, 容易形成被植物吸收的状态。但是在酸性条件下, 由于矿物质的强烈风化和盐基被淋溶, 容易导致K、CA、MG、P等营养元素缺乏;而强酸性又会导致FE、AL、MN的过度活化, 容易产生毒害作用。中性土壤最适合植物的生长, 过酸、过碱都会对植物根产生影响, 扰乱根的正常胜利活动。对于大多数植物来说, 都有自己的最适的酸碱度。

2 树木的灌溉方法

1) 盘灌。就是以树木干基为中心, 做圆形或方形围堰, 在围堰内灌水。围堰的大小一般在树冠最大直径的投影范围内, 围堰的埂高为15~20cm。实际工作中, 由于地面条件的限制很难达到这样的要求, 一些行道树只留有很小的树盘, 灌溉效果较差。灌水前疏松盘内土壤, 以利水分下渗和扩散, 盘内明水渗完后将围堰铲除, 把土覆盖在树盘内, 以保持土壤水分。有条件时可以用蒲包或薄膜覆盖。2) 沟灌。这种方法适合密度较大、规则配置的片林。在行间, 每隔一定的距离挖一条沟, 沟深20~25cm, 将流水引入沟内进行灌溉。这种方法在苗圃应用较多, 属侧方灌溉。灌后将沟整平, 保持水分。3) 漫灌。漫灌是传统的灌溉方法, 主要适用规则配置的片林。在行间修筑土埂成状, 在内进行灌溉。这种方法最大的缺点是浪费水, 灌后土壤表层容易板结。但是在盐碱地使用漫灌的方法有洗盐、淋盐的作用。4) 喷灌。喷灌需要一些机械设施和“清洁”水源。现在大多数城市都能够使用喷灌进行园林树木的灌溉。喷灌的优点很多, 能节约用水, 可以很好地控制灌溉量、灌溉时间, 克服地表径流造成的水土流失, 防止渗漏;不受地形的限制, 可以均匀的喷洒到高低不平的土壤中;可以将水珠喷洒到树冠、树叶上, 冲洗灰尘, 使树木鲜亮青翠, 提高观赏效果, 提高树木的光合作用效率;喷洒的过程可以降低温度、清新空气;喷灌时形成的水花。喷灌的缺点主要是必须使用机械设备, 投资较大, 需要“清洁”水源, 蒸发量较大。5) 滴灌。滴灌是先进的灌溉技术, 它集机械化、自动化等多种先进技术于一体。是用水滴或微小水流缓慢注入土壤的灌溉方法。最大的优点是节约用水, 在水资源短缺的地区应大力提倡使用滴灌;由于它在植物的根部缓慢滴入土壤, 减少了蒸发;适合各种地形;由于树木生长地方比较固定, 一次安装的设备可长期使用, 接生人力。滴灌的缺点也是设备投入较多。6) 渗灌。将多孔的管道埋在地下, 管道里的水渗入管道周围的土壤, 达到灌溉的目的。此方法由于管道在地下, 便于地面管理, 灌溉后土壤不易板结, 效果很好。缺点是管线投资较大。

摘要：影响树木生长的土壤因素有土壤质地, 土壤结构性, 土壤胶体, 土壤的酸碱性。树木的灌溉分为时间、灌水量、灌溉方法等。

土壤灌溉系统 第7篇

关键词：土壤蒸发,地下灌溉,土壤含水率,蒸发强度

1 引言

我国地下节水灌溉已经随着经济的发展和城市化的推进, 进入了一个较为发达的时期。在参考现有相似灌溉技术的条件下, 笔者提出一种新型的地下灌溉方式即地下浸润灌溉。它是一种具有较高节水潜力的、适合于设施农业栽培系统的节水灌溉技术, 是利用地下水浸润灌溉的方式, 通过土壤的毛细管作用, 使水进入作物根系层进行主动浸润灌溉的一种灌水技术。较地面灌溉而言, 它总是湿润土体的下部且灌水前后表层土壤总处于相对干燥状态。因此, 其土壤蒸发过程势必与饱和土壤蒸发过程存在一定的差异, 加之前人对土壤蒸发的研究大都局限于地面灌溉, 而对于地下灌溉的土壤蒸发过程及影响因素研究却少之又少。为此, 笔者以室内试验模拟地下浸润灌溉条件下的土壤蒸发, 通过对不同初始含水率的粉砂土开展室内干燥试验, 测试了土中水分蒸发速率及平均土壤含水率随干燥时间的变化, 探究其土壤蒸发过程及蒸发强度的主要影响因素。

2 材料与方法

2.1 供试土壤

本试验在青海大学理工楼水工大厅水文信息采集与处理试验室进行。供试用土为青海大学农科院专用农田栽培表层土, 土层深厚质地较为均匀, 取回测量土壤初始含水率及容重, 经自然风干、粉碎, 通过2mm筛后利用沉降法对土壤进行颗粒分析, 按照我国土壤颗粒分级标准, 可得相关物理性质参数如表1所示。

2.2 试验材料及设计参数

本试验所用到的材料有长方体有机玻璃透明箱 (规格150mm×150mm×160mm) , 质地均匀PVA海绵, 洗瓶 (容量600mL) , 恒温干燥箱以及电子天平等。

为较好的模拟地下浸润灌溉条件下的土壤蒸发, 透明箱底部开有18 个直径为35 mm的小孔, 孔中镶嵌PVA海绵柱 (图1) , 通过挤压使洗瓶中自来水流进透明箱底部, PVA海绵柱则迅速吸水饱和形成土壤与灌溉用水的中间输水媒介, 土壤微粒从海绵中吸取水分, 水分依靠基质势与重力势差值形成的水势梯度完成上渗运动。与此同时, 海绵继续吸收水分来维持自身饱和状态, 整个输水动态过程衔接紧凑且有条不紊的进行着, 灌溉水上渗的高度、及速度主要取决于土壤孔隙大小等物理性质。

2.3 试验设计

首先将装有土样的桶与电子称一并放入干燥箱, 并观测电子称读数的变化, 直到读数基本恒定为止, 此时土壤中水分基本蒸发完全。然后向试验装置中海绵灌水至饱和, 根据试验装置尺寸、装土高度及土壤容重确定称取土壤质量, 随后将土壤分层装入试验装置, 层间打毛以保证土壤均质。同理, 普通装置 (底部有若干孔、孔中有滤棉而无海绵) 装土质量及过程与上述一致。与此同时, 向若干普通装置中灌足量的水, 静置6h测得其田间持水量均值。紧接着向试验装置底部灌定量的水, 待水完全渗入土壤中时, 拆下底板, 将海绵柱逐一取出, 并将试样连同电子天平 (精度为1.0g) 一起放入恒温干燥箱 (控温精度为1 ℃) 中同时干燥失水, 在干燥过程中, 试样的重量变化通过电子天平实时读取, 所读的数值用于计算试样的蒸发速率以及含水率。

试验共设5组试样, 每组试样分别配置3个平行样以减小不确定因素所引起的误差, 相关试验参数如表2所示。

3 试验结果与分析

3.1 试验结果

对各组试样所得试验数据进行处理与整合, 在土壤初始含水率α不同的条件下, 各组试样平均土壤含水率W及平均蒸发速率R随干燥时间t的变化如图2 所示。由图2明显可见, 干燥曲线 (R-t和W-t) 的整体趋势是初期蒸发速率最大, 与之对应的平均土壤含水率下降幅度亦最大, 随着干燥时间的延长, 蒸发速率逐渐降低, 相对应的平均土壤含水率下降幅度减缓, 直至蒸发速率及平均土壤含水率都接近于0, 各组试样土壤先后蒸发完全。随着初始含水率的增大, 干燥初期时的土壤蒸发速率随之增大, 与之对应的平均含水率下降幅度亦增大, 试样蒸发完全所需时间有所延长, 且相邻的干燥曲线间距缩短。

3.2 土壤初始含水率及干土层对蒸发过程的影响及分析

土壤水分蒸发的过程就是土壤水分通过土壤表面进入大气, 从而造成土壤水分逐渐减少, 土壤表层逐渐变干的过程。由前人对初始饱和的土体蒸发研究可知, 在外部环境条件恒定的情况下, 土中水分的蒸发过程主要由3 个阶段组成:常速率、减速率和蒸发消滞阶段。

试样组E的土壤初始含水率α≈30% (图2b) , 土壤含水量达到田间持水量, 在干燥时间tE (0, 57) min, 表层含水率较高, 输水能力强, 土壤表层的蒸发消耗得到充分补给, 试样组E平均土壤含水率W的减小与干燥时间t几乎呈直线关系, 且平均蒸发速率R相对稳定少变 (图2a) , 在蒸发量大于或近于相同气象条件下的蒸发量, 此时土壤蒸发只受气象条件的影响。由于非饱和渗透系数随土壤水分减少而迅速减小, 蒸发不断进行, 平均土壤含水率W减至26.5%时, 由下向上的渗透水分不能满足蒸发力的需要, 此阶段即告结束, 这一阶段持续时间约为57min, 平均蒸发速率R约为3.92g/min。

试样组D的土壤初始含水率α≈25%, 较试样组E而言, 其土壤含水量不高, 灌溉水仅少部分上渗至土表, 土壤表层含水率较低, 在干燥时间tD (0, 120) min, 土壤表层的蒸发消耗不能得到充分补给。同理, 在干燥时间tE (57, 179) min, 试样组E土壤蒸发不断消耗水分, 土壤含水量不断减小, 较粗毛管中悬着水的连续状态出现断裂, 细毛管中仍充满水。试样组E与试样组D在不同时段内土壤平均蒸发速率R均随土壤含水量减少而呈直线下降 (图2a) 。此阶段土壤因素逐渐成为影响蒸发力的主要因素, 气象因素逐渐退居次要因素。当土壤表层干化时, 此阶段结束。这一阶段试样组E持续时间约为122min, 平均蒸发速率R约为2.09g/min, 平均土壤含水率W降至18.8%。试样组D持续时间约为115min, 平均蒸发速率R约为2.50g/min, 平均土壤含水率W降至16.1%。

试样组 (A、B、C) 的土壤初始含水率W≤20%, 土壤含水率较低, 在水的重力势能与土壤基质势的综合作用下, 灌溉水未能上渗至土表, 土表形成一定厚度的干土层, 在干燥时间tA-B-C (0, 1076) min, 蒸发基本上不在土壤表面进行。同理, 随着干燥时间的进一步延长, 土体中可供蒸发的水分越来越少, 孔隙水连通性降低, 毛细水作用逐渐削弱, 试样组E和试样组D分别在干燥时间tE (180, 1440) min及tD (120, 1200) min, 土壤中的液态水已经不能输送至土壤表面, 土体表面均形成干土层, 蒸发面移置表层土以下。试样组 (A、B、C、D、E) 的平均蒸发速率R及平均土壤含水率W在不同时间段内均随干燥时间的延长而缓慢减小, 直至平均蒸发速率R以及平均土壤含水率W接近于0 (图2a和图2b) 。较土壤蒸发前两个阶段而言, 因干土层的形成, 使蒸发面水汽向大气散失的路径加长, 蒸发强度减小。另一方面, 由于干土层形成后, 土表的吸力梯度不再增加;同时, 因含水率已达到较低值, 土壤水力传导度随上壤含水率变化较小, 蒸发强度减小, 速率变缓, 此时土壤蒸发主要受干土层厚度的影响。这一阶段为土壤蒸发的主要阶段, 蒸发耗时最长且较为稳定。

4 结语

通过对不同初始含水率的粉砂土开展室内干燥试验, 测试了土中水分蒸发速率随干燥时间的变化, 探究其土壤蒸发过程及蒸发强度的主要影响因素, 得到了如下结论。

(1) 在地下浸润灌溉条件下, 土壤初始含水率对其蒸发过程有着较为显著的影响, 对于含水量达到田间持水量的土壤, 其蒸发过程与初始饱和的土体蒸发过程一致。随着土壤初始含水率呈一定梯度的递减, 上渗至土表的灌溉水减少, 使得土表层含水率降低, 其蒸发过程先后历经速率递减阶段及蒸发消滞阶段。当土壤初始含水率降低到某一值时, 灌溉水未能上渗至土表, 土表形成干层土, 其蒸发过程仅由蒸发消滞阶段组成。

(2) 在低含水率条件下的土壤蒸发, 形成干土层后, 外界条件基木不变情况下, 土壤水分蒸发主要受干土层厚度变化的影响, 蒸发强度随干层厚度增加而减少, 干土层的形成, 相当于土壤表面有一复盖层, 一定程度上能够抑制土壤的蒸发作用。

参考文献

[1]郑健, 胡笑涛, 蔡焕杰, 等.局部控制地下浸润灌溉土壤入渗特性研究[J].西北农林科技大学学报 (自然科学版) , 2007, 35 (3) :227~232.

[2]唐朝生, 施斌, 顾凯.土中水分的蒸发过程试验研究[J].工程地质学报, 2011, 19 (6) :875~881.

[3]王政友.土壤水分蒸发的影响因素分析[J].山西水利, 2003 (2) :26~27.

[4]王铁行, 陈晶晶, 李彦龙.非饱和黄土地表蒸发的试验研究[J].干旱区研究, 2014, 31 (6) :985~999.

土壤灌溉系统 第8篇

在规模化畜禽养殖过程中, 为防止畜禽疾病、促进畜禽生长和提高饲料利用率, 一些重金属元素如Cr、Cu、Zn制剂等被添加到畜禽饲料中已非常普遍[1]。而实际上, 畜禽对重金属元素的利用率很低, 只有极少部分能被吸收, 绝大部分随畜禽粪便排出体外后经发酵变成沼液。随着饲料添加剂的不断增加, 沼液中部分污染物的含量大大超出农田灌溉水的限制标准。长期施用含有Cr、Cd、Cu、Zn的粪便, 将会造成其在农田土壤不断积累, 因而对农产品、土壤环境和土壤渗滤液具有潜在不良影响, 从而增加对土壤环境质量和农产品污染的风险性, 通过食物链对人类健康造成不良影响[2]。

目前大多数研究主要集中在沼液中重金属对土壤质量的影响和农作物产量与品质的影响, 对土壤渗滤液的研究报道较少。基于这一现状, 本文章试图研究不同施肥处理对土壤渗滤液的影响, 从而能更全面的研究沼液重金属对环境的影响。

2 材料与方法

2.1 试验时间和地点

本试验于温室中进行, 从2012年11月初开始至2013年5月初结束。

2.2 试验处理

试验共分5个处理, 其中A1~A6为空白对照, B1~B9施用复合肥, C1~C2施用有机肥料, D1~D2浇灌沼液原液, E1~E2浇灌稀释30倍的沼液, 各处理肥料施用量如表1。盆栽试验在容积25L的圆形塑料桶上进行, 桶底圆心处钻一个半径4cm的小孔, 并将桶置于一个塑料盆内, 用塑料薄膜和胶带将桶与盆之间的空隙密封, 盆用于收集渗滤液, 薄膜用于防止渗滤液蒸发 (图1) 。

2.3 试验材料

2.3.1 供试沼液

本研究所用沼液取自湖北省天门健康集团股份有限公司猪场沼气发酵系统。主要污染物浓度见表2。

2.3.2 供试土壤

武汉市武昌区沙湖周边远离城区、无工业“三废”污染一般土壤, 黄棕壤 (Cu=0.0793mg/g、Zn=0.2467mg/g、Pb=0.0476mg/g、Cr=0.09583mg/g, pH=7.8) , 土壤质量符合《土壤环境质量标准》 (GB15618-1995) 二级标准的相关规定。

2.4 测定项目与方法

2.4.1 水样采集

按照莴苣生长期, 在2012年5月初, 按组分别采集各株莴苣盆栽塑料盆中的渗滤液, 并依次编号。

2.4.2 水样重金属的测定

根据《水和废水监测分析方法 (第四版) 》, 采用直接吸入火焰原子吸收法测定各水样和沼液中的Cr、Cu、Cd和Zn的浓度和总量;采用火焰原子吸收法测定各水样和沼液原液中的铬的浓度和总量。

2.4.3 试验结果处理

试验结果采用Excel和Spss软件进行统计分析和作图。

3 结果与分析

3.1 沼液灌溉对土壤水质中铬 (Cr) 的影响

对试验测得的铬 (Cr) 的数据进行方差分析, 结果显示处理组4与处理组1、处理组2、处理组3和处理组5之间存在显著差异 (P=0.010、P=0.004、P=0.005、P=0.003) , 而处理组1、处理组2、处理组3、处理组5两两之间显著性都大于0.05, 说明这几组之间的差异不显著。Cr浓度均值图如图2, 由图可见采用沼液原液灌溉的第4组的渗滤液中Cr的浓度明显的超过了其他各处理组;采用稀释30倍沼液灌溉的第5组和采用常规施肥的处理组的Cr的浓度差异不大。经计算, 处理组4的土壤渗滤液中Cr的平均浓度为0.45mg/L, 大于农田灌溉用水标准中Cr的浓度0.100mg/L。

3.2 沼液灌溉对土壤水质中镉 (Cd) 的影响

对试验测得的镉 (Cd) 的数据进行方差分析, 结果显示处理组4与处理组1和处理组2之间存在显著差异 (P=0.027、P=0.010) , 处理组4与处理组3和处理组5之间差异不显著, 处理组5与处理组1、处理组2、处理组3和处理组4之间差异不明显。Cd浓度均值图如图3, 由图可见随着浓度的增加, 土壤渗滤液中Cd的浓度呈上升的趋势。采用沼液原液灌溉的第4组的渗滤液中Cd的浓度明显的超过了其他各处理组;采用稀释30倍沼液灌溉的第5组Cd的浓度比采用常规施肥的处理组的Cd的浓度略高一点。经计算, 处理组4的土壤渗滤液中Cd的平均浓度为0.019mg/L, 大于农田灌溉用水标准中Cd的浓度0.005mg/L。

3.3 沼液灌溉对土壤水质中铜 (Cu) 的影响

对试验测得的铜 (Cu) 的数据进行方差分析, 结果显示 (图4) 处理组1、处理组2、处理组3、处理组4和处理组5两两之间显著都大于0.05, 说明各处理组之间差异不明显。但是, 和其他处理组相比, 处理组4与处理组2和处理组3之间虽差异不明显, 但是有一定的区别。经计算, 处理组4的土壤渗滤液中Cu的平均浓度为0.54mg/L, 符合农田灌溉用水标准中Cd的浓度1.000mg/L。

3.4 沼液灌溉对土壤水质中锌 (Zn) 的影响

对试验测得的锌 (Zn) 的数据进行分析, 结果显示 (图5) 用沼液原液灌溉的处理组4的渗滤液Zn的浓度明显大于其他各组渗滤液Zn的浓度, 而用稀释30倍的沼液灌溉的处理组5的渗滤液Zn的浓度与处理组1、处理组2和处理组3中的渗滤液Zn的浓度差异不大。经计算, 处理组4的土壤渗滤液中Zn的平均浓度为0.15mg/L, 符合农田灌溉用水标准中Zn的浓度2.000mg/L。

4 结语

本试验使用的沼液中重金属Cr、Cd、Cu、Zn进入“土壤-植物-渗滤液”系统之后, 部分被植物吸收, 部分截留在土壤中, 部分进入土壤渗滤液中。试验结果显示, 施用沼液原液的处理组的渗滤液中重金属Cr、Cd、Cu、Zn的浓度明显高于其他各组渗滤液重金属浓度, 与张馨蔚[3]的结果一致, 说明灌溉沼液原液会增加土壤渗滤液中重金属的浓度。施用稀释30倍沼液的处理组的渗滤液中重金属Cd、Cu的浓度高于施用复合肥和有机肥处理组的渗滤液中重金属Cd、Cu的浓度, 而Cr、Zn的浓度未呈现这一趋势, 是否是土壤对Cr、Zn的吸附或植物对Cr、Zn的富集的原因还需进一步研究。

试验结果显示施用复合肥和有机肥的处理组的渗滤液中重金属Cr、Cd的浓度高于农田灌溉用水标准中Cr、Cd的浓度, 有可能是土壤中的Cr、Cd随灌溉的用水进入土壤渗滤液中, 导致渗滤液中Cr、Cd的浓度偏高。而Cu、Zn作为植物的必须元素, 可不必考虑Cu、Zn的积累, 与王月霞[4]的结果一致。

摘要：采用盆栽试验研究了沼液灌溉种植莴苣对土壤水质的影响。通过在日光温室盆栽试验, 分别设定不施肥、施有机肥、施复合肥、施沼液原液和施稀释30倍沼液等5个处理。盆栽试验采用20L的塑料桶, 桶底钻孔并放置在塑料盆中以收集渗滤液, 并将桶与盆之间的缝隙用塑料薄膜密封, 防止渗滤液蒸发。结果表明:与施用常规化肥相比沼液原液灌溉会明显增加土壤渗滤液中重金属的浓度, 稀释30倍沼液灌溉土壤渗滤液中Cd、Cu的浓度会增加, 而Cr、Zn的浓度未出现这一趋势。

关键词：沼液,莴苣,重金属,渗滤液

参考文献

[1]陈苗, 崔岩山.畜禽固废沼肥中重金属来源及其生物有效性研究进展[J].土壤通报, 2012 (1) :249~256.

[2]王琳, 吴珊, 李春林.粪便、沼液、沼渣中重金属检测及安全性分析[J].内蒙古农业科技, 2011 (6) :56~57.

[3]张馨蔚.沼液还田对植物及其水土环境的影响研究[D].重庆:西南大学, 2012.

土壤灌溉系统 第9篇

甘肃省石羊河流域水资源供需矛盾突出[1,2,3], 春玉米是甘肃武威地区主要的粮食作物, 它种植面积大, 生育期长, 是农业生产中的用水大户, 由于缺乏足够的降水, 农业生产几乎完全依赖于地下水灌溉[4,5]。因此, 在西北干旱内陆区开展盐化土壤节水灌溉条件下春玉米产量、耗水规律的研究, 对科学利用水土资源、缓和水资源短缺矛盾、促进高产高效优质节水型农业的发展具有重要的意义。

以春玉米盐化土壤节水灌溉试验为基础, 研究不同灌溉水量、灌溉水质对产量和耗水的影响, 分析非充分灌溉条件下土壤水分的利用规律及水分利用效率, 以期为盐化土壤节水灌溉提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2009年4-10月在石羊河流域农业与生态节水试验站进行。该试验站位于甘肃省武威市凉州区, 地处腾格里沙漠边缘, 位于东经102°52′, 北纬37°52′, 海拔1 581m, 为典型的干旱荒漠区, 光热资源 非常丰富, 全年日照 时数达3 000h以上, 无霜期150d以上, 年平均气温为8℃, 大于0℃的积温达3 550℃以上。该地区水资源相对匮乏, 多年平均降水量164.4mm, 多年平均蒸发量达2 000mm左右, 试验站地下水位埋深达40~50m[6,7]。

试验在非称重式蒸渗仪中进行, 小区面积为6.67m2, (长3.33m、宽2m) , 深3m, 四周为混凝土衬砌, 底部为自由排水, 试验区周围设保护行, 土壤初始含盐量为0.1%~0.2%, 属轻度盐化土壤, 土壤相关理化性质见表1。

1.2 试验设计

试验设3种灌溉水 量水平, 灌溉定额 分别为510、340和255mm, 2种灌溉水质水平, 分别为0.7g/L的淡水和3g/L的微咸水, 共6种处理, 3组重复, 18个小区, 具体灌水方案见表2。灌溉所用淡水由当地地下水直接抽取, 咸水采用质量比为2∶2∶1的NaCl、MgSO4和CaSO4混合地下 水配制而 成, 利用水表控制水量。

注:S、D、DD 分 别 为 充 分 灌 溉 ETc、轻 度 缺 水 2/3ETc和 重 度 缺 水1/2ETc处理;F、3分别为灌水矿化度0.7g/L 的淡水和3g/L。灌水时间分别为:2009-06-09, 2009-06-30, 2009-07-25, 2009-08-14。

供试春玉米为沈单16号, 4月15日播种, 9月15日收获, 种植密度为每小区56株, 覆膜种植。灌水方法以及各种农艺措施与当地一致。

1.3 观测内容与方法

播种前、收获后及作物生育期内利用土钻取土, 深度为200cm, 每20cm一层。采用烘 干法测定 土壤含水 量。将土样粉碎、风干、过1mm筛后, 采用1∶5的土水比制成土壤浸提液, 利用SG-3型 (SG3-ELK742, Mettler-Toledo International Inc., Switzerland) 电导率仪测定电导率。

出苗开始观测春玉米生长发育性状, 记录各生育阶段的起止日期。收获后进行考种, 收集各小区所有籽粒称重作为小区产量。

耗水量采用水量平衡方程计算, 水量平衡方程表示为:

式中:ET为生育期总耗水量, mm;P0为生育期内降水量, mm;I为生育期内灌水量, mm;ΔW为土壤水变化量, mm;W0、W1分别为播前和收获时土壤质量含水率, %;R为径流量, mm;H为土壤水计算深度, cm;r为土壤干容重, g/cm3;Q为计算时段内土体下界面处的渗漏量。

水分利用效率表示为:

式中:WUE为水分利用效率, kg/m3;Y表示产量, kg/m2。

2 结果与分析

2.1 春玉米耗水规律

耗水量采用水量平衡方程计算, 春玉米生育期内降雨量为110mm;土壤水变化量采用播前与收割后土 壤贮水量 之差计算, 计算值为负即土壤水被利用, 计算值为正即土壤水增加, 计算深度取300cm;毛细管上升水量及径流量均忽略不计, SF和S3处理春玉米生育期内渗漏总量分别为18和32mm, 计算结果见图1。淡水灌溉下, SF、DF和DDF处理的耗 水量分别 为583、498和446mm;微咸水灌溉下, S3、D3和DD3处理的耗水量分别为473、417和378mm。灌溉水量和灌水矿化度对耗水量的影响均呈显著水平 (p<0.05) , 春玉米耗水量随灌溉水量的增大而增大, 相同灌溉水量下, 微咸水处理的耗水量低于淡水处理的耗水量。

灌水量越少, 土壤水分越能得到充分利用。淡水灌溉下, SF处理收获期土壤水分增加18.85mm, 而DF和DDF处理的土壤水分消耗量分别为47.5和80.65mm;微咸水灌溉下, S3和D3处理的土壤水分分别增加114.99和32.69mm, 而DD3处理的土壤水分消耗量为13.33 mm。可见, 由于土壤含盐量较大, 淡水充分灌溉时, 盐分胁迫较为严重, 水分不能被作物充分利用, 土壤水分与播种期相比略有增大, 适当减少灌溉水量有利于利用土壤水分。微咸水灌溉时, 即使在重度缺水条件下土壤水分利用量也很少, 而在轻度缺水和充分灌溉时土壤水分则以补给为主, 可见即使供水充足, 盐分胁迫条件下作物也无法正常利用土壤水分, 造成土壤水分增加。同时, 不同灌水量处理, 春玉米对不同土层的土壤水分利用程度也有所不同 (见图2) , 灌水量越低, 50~100cm土层的水分利用程度越高, DF, DDF和DD3处理, 该土层土壤水分消耗量占总土壤水分消耗量的70%以上, 尽管重度缺水条件下灌溉水仅能补给到60cm左右土层的深度, 60~110cm土层的土壤储水被大量利用。可见土壤含盐量较大时, 适当降低灌溉水量有利于利用根区土壤水分, 提高深层土壤水分的利用率。

前人研究表明, 非充分灌溉降低玉米的耗水量, 充分利用土壤水分[8,9]。而咸水灌溉下由于盐分胁迫的作用, 会导致土壤水分利用率降低, 更多的水分不能被利用而留在土壤中[10]。因此在盐化土壤里种植作物时, 应考虑到土壤水分有效性的降低, 适当较少灌溉水量。

2.2 产量及水分利用效率

春玉米产量和水分利用效率如图3所示。分析图3可知, 由于土壤含盐量较大, 即使淡水充分灌溉条件下的玉米产量也无法达到非盐化土壤下的最大产量。SF、DF和DDF处理的产量分别为8 079、7 935和7 688kg/hm2;S3、D3和DD3处理的产量分别为7 718、7 565和7 250kg/hm2。玉米产量随灌水量的增大略有提高, 但灌溉水量和灌溉水矿化度对产量的影响均不显著 (p>0.05) , 各处理的产量相差不超过11%。

虽然各处理产 量差异不 显著, 但耗水量 差异显著 (p<0.05) , 灌溉水量和灌溉水矿化度对水分利用效率差异也显著 (p<0.05) 。SF、DF和DDF处理的水分利用效率分别为1.39、1.60和1.75kg/m3;S3、D3和DD3处理的水分利用效率分别为1.56、1.81和1.92kg/m3。水分利用效率均随灌溉水量的减少而增大, 重度缺水的 水分利用 效率最高。淡 水灌溉条 件下, DF、DDF处理的水分利用效率分别比SF处理提高15.5%、25.9%;灌溉水矿化度为3g/L时, D3、DD3处理的水分利用效率分别比S3处理提高16.1%、23.0%。灌溉水量相同时, 微咸水处理的水分利用效率略高于淡水处理, 充分灌溉、轻度缺水和重度缺水条件下, 微咸水灌溉的水分利用效率分别比淡水灌溉高12.6%、13.2%、10.0%, 灌溉水量越大, 差别越明显。

有研究表明非充分灌 溉能够提 高水分利 用效率[11], 本研究在盐化土壤上进行节水灌溉得到了相似的结果, 即在淡水和微咸水非充分灌溉下春玉米的水分利用效率均有所提高。

3 结 语

不同灌溉条件下, 春玉米耗水量随灌水量的增大而增大, 微咸水处理的耗水量低于淡水处理。灌水量越低, 土壤水分越能得到充分利 用, 且50~100cm土层的水 分利用程 度越高, DF, DDF和DD3处理下, 该土层土 壤水分消 耗量占总 土壤水分消耗量的70%以上。淡水充分灌溉条件下的产量无法达到非盐化土壤下的最大 产量, 仅为非盐 化土壤淡 水充分灌 溉的50%左右。产量随灌水量的增大略有提高, 但各处理的差异并不显著。灌溉水量为2/3ETc时, 产量与充分灌溉相比减少不超过2%, 水分利用效率提高15%左右, 节约用水170mm。

参考文献

[1]王利书, 悦琳琳, 唐泽军, 等.气候变化和农业发展对石羊河流域地下水位的影响[J].农业机械学报, 2014, 45 (1) :121-128.

[2]王利书, 唐泽军, 张昕.石羊河流域地下水化学演变对水循环更新响应及模拟[J].农业机械学报, 2014, 45 (2) :141-148.

[3]Kang S, Su X, Tong, L, et al., The impacts of human activities on the water-land environment of the Shiyang River basin, an arid region in Northwest China[J].Hydrological Sciences Journal, 2004, 49 (3) :413-427.

[4]黄涛, 胡志桥, 包兴国, 等.不同节水栽培模式对石羊河流域玉米产量和耗水量的影响研究[J].中国农村水利水电, 2012, (10) :9-12.

[5]季泉毅, 冯绍元, 袁成福, 等.石羊河流域咸水灌溉对土壤物理性质的影响[J].排灌机械工程学报, 2014, 32 (9) :802-807.

[6]周青云.葡萄园根系分区交替滴灌条件下土壤水分动态变化规律与模拟[D].北京:中国农业大学, 2007.

[7]江冠军.石羊河流域灌区地下水位动态及土壤水分深层渗漏研究[D].北京:中国农业大学, 2008.

[8]郭相平.夏玉米调亏灌溉机理与指标研究[D].陕西杨凌:西北农业大学, 1999.

[9]梁宗锁, 康绍忠, 李新有.有限供水对夏玉米产量及其水分利用效率的影响[J].西北植物学报, 1995, 15 (1) :26-31.

[10]Ben-Asher J, Tsuyuku I, Bravdo B A, et al.Irrigation of grapevines with saline water:I.Leaf area index, stomatal conductance, transpiration and photosynthesis[J].Agricultural Water Management, 2006, 83:13-21.

土壤灌溉系统 第10篇

随着全球水资源日趋紧张,污水灌溉已被许多国家作为重要的灌溉水源。但污水也是我国城镇近郊重要的灌溉水源之一。我国污灌面积90%以上集中在北方水资源严重短缺的黄、淮、海、辽河流域,5大污灌区为北京、天津武宝宁、辽宁沈抚、山西惠明和新疆石河子污灌区[1]。美国污水灌溉区域主要集中在弗洛里达州和加利福尼亚州,这2个州是最早建筑浇灌管道利用再生水进行灌溉的地区。加拿大经历了近10年的干旱期之后,污水灌溉在全国范围内引起了广泛的关注,很多州已经开始建设污水灌溉工程。欧洲基金组织研究中显示“欧洲和很多地中海国家在这方面的发展相对滞后,主要是由于这种污水利用的观念被政府和公众完全接受还有一定的困难”。2010年以色列80%以上的污水处理后用作农田灌溉和其他社会用水。西班牙全国20%的污水处理后重新利用[2]。污水灌溉是重要的灌溉补充水源,又是污水资源化的重要方式,同时污水中的氮、磷、钾等营养元素又为作物提供必不可少的养分;但是对于环保而言,污水中的有毒物质不仅污染环境还会在土壤和作物中积累,通过食物链富集,最终危害人类健康。近年来,重金属对土壤-植物系统的污染问题逐渐成为人们关注的焦点。

1 土壤中重金属的来源

(1) 随着大气沉降进入土壤的重金属。

大气中的重金属主要来源于能源、运输、冶金和建筑材料生产产生的气体和粉尘,除汞以外,重金属基本上是以气溶胶的形态进入大气,经过自然沉降和降水进入土壤。

(2) 随固体废弃物进入土壤的重金属。

固体废弃物种类繁多,成分复杂,最主要的有工矿业和工业固体废弃物污染,这类废弃物在堆放和处理过程中,由于日晒、雨淋、水洗重金属极易移动,以辐射状、漏斗状向周围土壤、水体扩散。由于固体废弃物直接或通过加工作为肥料施入土壤,造成重金属污染。

(3) 随农用物资进入土壤的重金属。

农药、化肥和地膜是重要的农用物资,对农业生产的发展起着重大的推动作用,但长期不合理使用,也可以导致土壤重金属污染。

(4)随污水进入土壤的重金属。

利用污水灌溉是现代农业灌溉的重要技术之一,主要是把污水作为灌溉水源利用。污水按来源和数量可分为城市生活污水、石油化工污水、工业矿山污水和城市混合污水等。生活污水中重金属含量很少,但是,由于我国工业迅速发展,工矿企业污水未经分流处理而排入地下水道与生活污水混合排放,从而在污灌区土壤重金属含量逐年增加。这是重金属进入土壤中的主要来源。重金属元素进入土壤-植物系统,不会被分解转化,只能在不同介质之间完成吸收、累积、转移等过程。重金属在从一种介质向另一种介质的迁移转化过程中,常常伴有重金属元素在介质中的积累和残留。污灌区土壤中的重金属随植物生长被吸收并在植物体内积累,积累浓度超过一定限值就会对农作物产生危害,随着污水灌溉时间的延长,重金属对作物的危害越来越严重。刘登义等[3]研究表明,经污水浇灌的小麦幼苗与对照组相比,植株矮小,根短,根数目少,茎、叶、根的干重、鲜重和可溶性蛋白含量均明显减少,并出现叶尖枯黄,叶片色素含量下降。郑春霞等[4]研究表明,当铅浓度为1 000 μg/L时,玉米苗在10天之内全部死亡。进入农作物中的重金属会随着食物链进入人体,最终对人体造成危害。因此,重金属在土壤中的转移、转化是研究其对土壤污染、作物危害的重要方面。

2 重金属在土壤中的形态、迁移、转化特点

重金属是土壤环境中一类具有潜在危害的污染物。重金属在土壤中不易随水淋滤,不能被微生物分解;相反地,生物体可以富集重金属,使其在环境中积累,在积累初期可能不易觉察,一旦危害作用较明显地表现出来就难以消除[5]。自20世纪50年代前后日本出现“水俣病”和“骨痛病”,并且查明这些病分别是由汞和镉污染所引起的“公害病”以后,重金属的环境污染问题才受到人们的极大关注。

重金属在环境中的赋存形态主要有水溶态、交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机结合态和残留态。由于水溶态一般含量较低,又不容易与交换态区分,常将水溶态合并到交换态之中。朱桂芬等[6]研究得出土壤中Cd、Cr主要以铁-锰氧化物结合态存在,Ni、Zn主要以残留态存在,Cu主要以有机结合态存在。王玉红[7]通过Tessier形态分析结果表明,元素Cu的形态分布规律为:残余态>铁锰氧化物结合态>碳酸盐结合态>有机物结合态>可交换态;Zn:残余态>铁锰氧化物结合态>有机物结合态>碳酸盐结合态>可交换态;Cr:残余态>铁锰氧化物结合态>有机物结合态>碳酸盐结合态>可交换态;Cd:残余态>铁锰氧化物结合态>碳酸盐结合态>可交换态>有机物结合态;Pb和Ni:残余态>铁锰氧化物结合态>有机物结合态>碳酸盐结合态>可交换态。在不同环境条件下,由于土壤类型、土地利用方式(水田、旱地、果园、牧场、林地等)、土壤pH值、Eh、土壤有机无机胶体的含量等因素的差异,重金属元素赋存形态的不同。重金属在环境中的迁移转化,几乎包括水体中的所有物理化学过程,而且具有可逆性,无论是形态转化或物相转化,都能随环境条件变化。因此,沉积的可以再溶解,氧化的可以再还原,吸附的可以再解吸,各种形态存在于动态平衡中。重金属通过物理迁移、化学迁移、物理化学迁移和生物迁移等方式在土壤-植物体系中累积、迁移。该过程一般取决于重金属在土壤中的存在形态、含量以及植物种类和环境条件变化等因素。 重金属的毒性作用通常并不单纯的是剂量与效应的关系,其进入土壤环境后的活性高低更大程度上取决于其化学形态即价态、化合态、结合态和结构状态4个方面,也就是指一种元素在环境中以某种离子或分子存在的实际形式,有可能表现出不同的生物毒性和环境行为[8]。通常情况下,重金属进入土壤中后很大一部分是被土壤通过静电和络合作用吸附,还有少部分残留于土壤溶液中,两者处于吸持和解析的动态平衡中,土壤溶液中重金属含量的高低直接影响作物的吸收量,以动态平衡为主要界面迁移行为是控制重金属在土壤-植物系统中转化迁移的重要机制。

3 污水灌溉对土壤重金属含量的影响

不合理的污水灌溉会使重金属对土壤的毒害作用增强,尤其是长期污水灌溉会增加土壤中重金属的积累,灌溉污水进入土壤一方面直接增加土壤溶液中重金属的含量,另一方面通过螯合作用和酸化作用增加难溶态重金属的溶解度[9]。

赵庆良等[10]在不同水质(3级处理水、2级处理水、污水、清水)、相同土壤重金属起始含量的试验区对农作物进行处理,结果发现对于黄瓜和白菜生长期较短的作物,灌溉水量较少,植物本身还要吸收一部分,因此在土壤中残留较少;对于玉米生长期较长,浇水量较多,长期灌溉土壤中重金属的累积规律为:污水>2级水>3级水>清水。姜勇等[11]对农田污灌区的污水和土壤监测结果表明污灌可不同程度污染农田生态环境,若灌溉不当则造成农田土壤重金属的积累,破坏土壤内部及土壤与其他系统间的生态平衡。同时用污水和污土进行了水稻灌溉盆栽实验,设污土污灌、污土清灌、清土污灌和清土清灌4个处理。其中污水和污土中重金属含量均超出国家标准,结果表明,各处理较清土清灌对秧苗长势均产生一定影响,以污土处理较为严重,污土清灌处理秧苗长势有好转,清土污灌对秧苗生长影响相对较小,表明洁净土壤具有较强的缓冲能力,污水污灌处理秧苗生长期较短。由该试验可以推想,重金属对土壤的污染作用的来源主要有2种方式:一是土壤本身存在的重金属即土壤起始含量;二是外来重金属,对于大多数农田土壤而言这部分重金属主要来自灌溉水。两者对土壤重金属含量的影响主要可以从以下3种情况分析。

第1种情况,土壤本身重金属含量较低而灌溉水中重金属的浓度较高。首先,灌溉水会使土壤积累重金属,由于土壤本身具有一定的缓存能力,一方面可以通过吸附或络合作用降低土壤溶液中的重金属浓度,另外植物体也会吸收部分重金属,因此尽管土壤中重金属的积累量随灌溉时间的增加而增加,但是要使土壤中重金属含量超过土壤环境质量标准还与灌溉水中重金属浓度的有关。灌溉水中重金属浓度限值即污水灌溉标准,用低于国家水质标准的水灌溉,土壤中重金属的累积量不会超过土壤环境质量标准。郭凤台等[12]分别用井水、中水、生活污水、生活工业混合污水和工业污水灌溉10年以上,灌溉水中铅含量分别为0.049,0.068,0.051,0.06,0.14 mg/L,土壤铅的起始含量小于35 mg/kg进行小麦、玉米生产试验得出污灌区土壤中重金属的积累都有明显增加,但没有超过国家土壤环境质量标准。Munir J. Mohammad Rusan等[13]通过实验,分别对经过2年、5年和10年用污水(该污水是经过污水处理的,重金属含量符合国家污水灌溉标准)灌溉的试验点进行土壤测定,发现不同灌溉时间对Cu积累无明显差异;Zn、Fe、Mn积累量不稳定,但在表土中的积累量稳定。不同灌溉时间和土层深度土壤中的Pb和Cd积累量均无显著差异。O. Al-Lahhama 等[14]通过在污水(处理水)灌溉的大田试验研究了重金属在马铃薯中的迁移问题,结果显示土壤中重金属铜、锰、铁积累随灌溉水中重金属浓度的增加呈上升趋势,但是不会超过约旦国家标准限值。杨庆娥等[15]研究发现用铅含量在0.052~0.14 mg/L的污水灌溉下生长的白菜根和叶中铅含量均超出标准(1.0>0.2 mg/kg,GB14935-94),土壤中铅累积量明显增加但是没有超过国家标准。杨朝晖[16]研究发现经过30年的污水灌溉已对土壤造成污染,土壤铅含量均为42~48 mg/kg,略高于清灌区(高出0.6%~2.4%),超过土壤起始含量35 mg/kg,小于350 mg/kg,还没有超过国家土壤环境质量标准2级标准。重金属随着灌溉年限的增加积累量呈上升趋势,根据污染物质的输入输出总量及各种污染成分在土壤中的残留率,利用土壤中重金属的残留量的计算公式推测在未来50~100年中,灌溉水中重金属含量低于国家灌溉水质标准的情况下,灌溉区土壤中重金属的积累量不会超过国家标准。反之,灌溉水中重金属含量过高时,则会使土壤中重金属累积量超过土壤环境质量标准。段飞舟等[17]对鞍山宋三灌溉区稻田土壤重金属含量进行分析,结果表明,利用工业废水进行灌溉的稻田,土壤环境质量明显低于利用河水和城市生活废水进行灌溉的区域,也就是说明用重金属含量越高的水灌溉,土壤累积量越高。其中,工业废水中重金属Cd浓度为0.014 mg/kg灌溉区土壤重金属累积量为0.54 mg/kg,Hg浓度为0.000 39 mg/kg灌溉区土壤累积量为0.65 mg/kg,超过国家标准。Peijun Lia等[18]的研究发现长期工业废水灌溉造成镉浓度超过国家土壤环境质量标准3级标准,而锌和铅超过1级标准,Cu接近1级标准,Cd容易被植物体吸收累积,容易通过食物链富集,从而影响人类健康。其次,灌溉水中重金属浓度一定,土壤起始含量越高对作物的危害作用越强,土壤中重金属积累强度越大,因为土壤是一个生态系统对环境的容纳能力是有限的,重金属浓度越高,被污染程度越大,土壤的缓冲能力越弱,自身修复能力越差,这就可能导致更多的重金属被累积下来。也就是说土壤质量越差的土壤恶化速度越快。反之,土壤中重金属累积强度越小。近年来,随着污水灌溉对土壤、作物造成的危害越来越严重,在这方面的研究也逐渐引起人们的关注,但是大部分研究主要集中在污水灌溉对土壤和作物的影响方面。

第2种情况,土壤重金属含量较高而灌溉水中重金属的浓度较低。土壤起始含量较高时,用重金属含量较低的水灌溉,相当于稀释土壤溶液中重金属浓度,破坏了土壤重金属原有的平衡状态,促进难溶态向可溶态的转化,有利于重金属在土壤中的迁移。该过程一方面能够促进作物对重金属的吸收,另一方面有利于微生物对重金属的富集以及土壤的淋溶作用等。总之,土壤中重金属的累积量减少,有利于土壤的环境质量的提高。魏益华等[19]在再生水灌溉对菜地土壤次生盐渍化及盐分离子和重金属离子累积分布规律的影响做了研究,用全自来水和不同比例的再生水灌溉,结果显示重金属在各层土壤中的积累量并未随灌溉时间和灌溉量的增加而出现增加,灌溉55 d土壤中重金属的含量明显低于32 d时土壤中重金属含量。巫常林等[20]通过再生水短期灌溉对土壤-作物中重金属分布影响的实验研究中得出用清水和全再生水灌溉会使土壤中重金属含量降低,而且对2003-2004年冬小麦生长季节分析土壤-作物系统重金属的平衡状况,冬小麦收获时由地上部分带走的重金属含量均高于再生水灌溉的带入量。由此可以看出,重金属含量较低的灌溉水可以降低土壤重金属的累积量。但是由于大部分试验研究是在大田内完成,土壤重金属含量除受灌溉水的影响可能还与大气沉降、施肥等因素有关。在此方面可以通过室内盆栽试验做进一步的研究以确定灌溉水中重金属浓度对土壤重金属起始含量的影响。

第3种情况,土壤中重金属含量较低同时灌溉水中重金属浓度也较低时,由于作物吸收、淋滤、微生物富集等作用可能会使土壤得到缓慢的修复,而土壤起始含量较高时继续用污水灌溉可能会导致土壤恶化。在这方面的研究较少,还没有试验数据可以说明。

4 污水灌溉重金属污染研究展望

以往, 重金属污染问题主要侧重于通过野外实地调查或小规模的室内模拟研究, 发现或查明重金属对生态环境的影响[21]。这样使问题的研究只是停留在静态观察阶段或定性剖析水平。重金属污染是一个由重金属参与的在生物系统作用力与环境系统作用力相互作用下随时间和空间变化而变化的复杂过程,要进一步研究灌溉水质与土壤中重金属积累的关系应将室内模拟实验与大田试验有机结合起来,尽量排出不确定因素。此外,近年来在重金属对土壤环境质量和作物产量、品质的影响方面的研究较多,对于灌溉水质的研究则主要集中在污水灌溉、再生水灌溉以及工业废水灌溉方面,而对于重金属在土壤中的转化、迁移机制,以及土壤重金属起始含量与灌溉水质的关系对土壤环境质量的影响关注较少。

目前国内外治理土壤重金属污染的途径主要有2种,一是改变重金属在土壤中的存在形态,使其固定降低其在环境中的迁移能力和生物可利用性;二是从土壤中除去重金属。基于不同土壤重金属起始含量制定不同灌溉水质标准在土壤重金属污染修复方面也具有重要的指导作用,应该引起人们的重视。