劉 擎 ，夏江寶，賈 岱 ，謝文軍，孫景寬，陸兆華

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院恢復(fù)生態(tài)研究所，北京100083;2.濱州學(xué)院山東省黃河三角洲生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濱州256603)

制漿造紙工業(yè)是中國(guó)乃至世界經(jīng)濟(jì)的重要支柱產(chǎn)業(yè)之一，紙與紙板的生產(chǎn)占世界經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)出的1%。我國(guó)在經(jīng)濟(jì)騰飛的同時(shí)，對(duì)紙的需求迅速增加，然而眾所周知制漿造紙工業(yè)也是環(huán)境污染和能源消耗大戶，每生產(chǎn)一噸化學(xué)紙漿及紙需排出廢水350 t左右，對(duì)江河湖海的污染觸目驚心。就中國(guó)而言，自20世紀(jì)90年代以來(lái)，制漿造紙每年排放的有毒廢水近24億t，居污水排放行業(yè)第3位，而廢水中化學(xué)需氧量(COD)占總排放量的41.8%，居第1位[1]。過(guò)去對(duì)于土地處理系統(tǒng)的研究側(cè)重于生態(tài)控制污染與降解污染物等，而對(duì)系統(tǒng)本身的吸納能力和處理污染物方面的能力、限度缺乏必要的了解，會(huì)造成過(guò)量的污染物和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸入，從而打破土地處理系統(tǒng)的平衡。目前在利用海水及其他微咸水、再生水、污水灌溉對(duì)濱海鹽堿土壤的改良進(jìn)行了相關(guān)研究，提出了相應(yīng)的灌溉模式[2-5]。在造紙廢水灌溉方面，主要開展了造紙廢水灌溉量對(duì)蘆葦濕地土壤微生物，酶活性的影響[6-9]，造紙廢水灌溉模式對(duì)沙漠人工林[10-11]、蘆葦濕地[12]土壤水文物理特性的影響及蘆葦生長(zhǎng)[13]等方面的研究，以探索造紙廢水灌溉對(duì)鹽堿化土壤的生態(tài)修復(fù)機(jī)理，但不同造紙廢水灌溉次數(shù)對(duì)黃河三角洲輕度鹽堿退化蘆葦濕地的土壤改良及植被恢復(fù)研究較少。

土壤作為土地處理系統(tǒng)中生命活動(dòng)的場(chǎng)所。為植物生長(zhǎng)提供養(yǎng)分，土壤微生物、酶參與和加速生物化學(xué)過(guò)程，推動(dòng)土壤的代謝過(guò)程[6]。土壤中N、P、CO2-3 、HCO-3、K+、Na+的含量則可以直接反映出土壤的健康狀況，可作為土壤的重要指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定[14-16]。本研究通過(guò)對(duì)輕度鹽堿退化蘆葦濕地土壤進(jìn)行不同造紙廢水灌溉次數(shù)的處理，分析不同造紙廢水灌溉次數(shù)對(duì)退化蘆葦濕地土壤理化性質(zhì)、酶活性及微生物的影響，試圖從理論和實(shí)踐上為黃河三角洲退化鹽堿濕地改良及造紙廢水資源化利用提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地選擇在沾化縣城北10 km徒駭河?xùn)|岸原生蘆葦?shù)?。該區(qū)域?qū)倥瘻貛|亞季風(fēng)大陸性半濕潤(rùn)氣候，年平均氣溫12.5℃左右，年平均降水量約600 mm，年蒸發(fā)量1 800～2 000 mm，土壤多為濱海潮土和鹽化潮土，土體厚黏，易板結(jié)，零星分布?jí)A蓬、羅布麻、獐毛等植物，鹽堿程度較重區(qū)域已無(wú)植被覆蓋。淡水資源缺乏，人均水資源量265 m3，過(guò)量的開采地下水引起的徒駭河河口海水的倒灌，該試驗(yàn)區(qū)地下水礦化度高，使沿河區(qū)域土壤鹽堿化程度較高，土壤可溶性鹽的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.4%～2.5%，pH值在7.9～8.9。蘆葦濕地退化嚴(yán)重，經(jīng)常處于干旱缺水狀態(tài)，造紙廢水灌溉是維持蘆葦群落正常生長(zhǎng)的主要措施。

1.2 樣地設(shè)置與樣品采集

沾化縣某造紙廠在該試驗(yàn)區(qū)建立了紙漿造紙廢水生物塘-蘆葦濕地復(fù)合處理系統(tǒng)，工藝流程為:原水→調(diào)節(jié)塘→厭氧塘→好氧塘→兼性塘→儲(chǔ)存塘→蘆葦?shù)亍１驹囼?yàn)采用經(jīng)生物塘處理后的造紙廢水進(jìn)行內(nèi)陸缺水鹽堿地原生蘆葦?shù)氐墓喔忍幚?，造紙廢水水質(zhì)概況如下:化學(xué)需氧量(COD)324 mg/L，pH值7.83～ 8.25，Na+為 0.15%，Cl-為 0.16%，礦化度984 mg/L ，總氮(TN)25.31 μ g/ml，總磷(TP)4.664 μ g/ml，固體懸浮物(SS)726.31 mg/L ，該造紙廢水接近農(nóng)田灌溉旱作灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

在輕度鹽堿地區(qū)，選擇生長(zhǎng)較為均勻的蘆葦群落采用隨機(jī)分組進(jìn)行試驗(yàn)小區(qū)布設(shè)，設(shè)置造紙廢水灌溉1次、灌溉2次、灌溉3次、灌溉4次共4種廢水處理方式，同時(shí)以不灌溉(CK)作為對(duì)照，共設(shè)計(jì)15個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，每處理重復(fù)3次，每小區(qū)面積為2 m×2 m，為避免灌溉后造紙廢水的側(cè)滲影響，小區(qū)采用四周防滲膜建壟法處理，單次灌水深度為50 mm，每15 d灌水1次，從6月中旬進(jìn)行灌溉試驗(yàn)，10月底收割蘆葦后進(jìn)行土壤樣品采集及土壤各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)定，為避免邊緣效應(yīng)，土壤樣品采集盡量在每小區(qū)中部，按照S形樣式每小區(qū)設(shè)5個(gè)取樣點(diǎn)進(jìn)行0-20 cm土壤層取樣，用四分法混合后取出一個(gè)土樣，每處理有3個(gè)重復(fù)，風(fēng)干過(guò)篩，進(jìn)行土壤養(yǎng)分和酶活性的測(cè)定。同樣在每小區(qū)內(nèi)從土壤表層進(jìn)行3個(gè)環(huán)刀的取樣，以測(cè)定土壤基本物理性質(zhì)。

1.3 測(cè)定方法

水質(zhì)指標(biāo):參照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》第四版;土壤可溶性鹽采用質(zhì)量法，pH值采用pH計(jì)(水土比5∶1)，微生物量碳(MBC)采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法;堿解氮采用堿解擴(kuò)散法，速效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法，速效鉀采用中性醋酸銨浸提-火焰光度法，土壤脲酶活性采用靛酚藍(lán)比色法，磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉法，脫氫酶活性采用TTC比色法，以 mg TPF/g，24 h表示;以上指標(biāo)均采用魯如坤方法進(jìn)行[17]。環(huán)刀浸水法測(cè)定土壤容重、孔隙度及持水量等各項(xiàng)水文物理參數(shù)[18]。

2 結(jié)果與分析

2.1 造紙廢水灌溉對(duì)土壤基本物理性狀的影響

土壤水文物理參數(shù)能夠反映造紙廢水灌溉后對(duì)蘆葦濕地土壤基本物理性質(zhì)的改良效果，同時(shí)也能反映土壤蓄水，調(diào)節(jié)水分的能力。由表1可知，不同灌溉次數(shù)下的土壤容重表現(xiàn)出較大不同(p＜0.05)，與對(duì)照相比，廢水灌溉下土壤容重均顯著減小，灌溉1～2次，土壤容重差異不顯著(p＞0.05)，分別比CK下降3.31%，3.97%，灌溉3～4次土壤容重顯著減小，分別比CK下降8.61%、9.93%。不同灌溉次數(shù)下的土壤總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度均表現(xiàn)出較大差異(p＜0.05)，但灌溉1～2次的土壤總孔隙度、毛管孔隙度差異不顯著(p＞0.05)，而非毛管孔隙度差異顯著(p＜0.05)。與對(duì)照相比，廢水灌溉下總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度均表現(xiàn)出增大趨勢(shì)，且灌溉1～4次后的土壤總孔隙度分別比CK增加14.10%、15.36%、25.91%、32.77%。隨著灌溉次數(shù)的增加，土壤飽和持水量、毛管持水量呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。灌溉1～4次后，土壤飽和持水量分別比CK增加了3.9%、4.3%，8.3%、15%;毛管持水量分別比CK 增加了 5.1%、4.7%、9.1%、11.3%;而非毛管持水量在廢水灌溉后呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢(shì)，灌溉1～3次，分別比CK 減少55.5%、16.7%、33.3%，灌溉4次后與CK相比增加3倍。表明廢水灌溉在一定程度上改善了土壤通氣狀況和透水性能。

表1 不同造紙廢水灌溉次數(shù)下的土壤容重和孔隙度變化

2.2 造紙廢水灌溉對(duì)土壤鹽堿化的影響

土壤pH值和含鹽量是衡量鹽堿濕地土壤環(huán)境質(zhì)量的重要指標(biāo)，也是造紙廢水灌溉后反映土壤改良的重要參數(shù)之一。由圖1可知，隨著造紙廢水灌溉次數(shù)的增加，土壤含鹽量表現(xiàn)為先降低后增加的趨勢(shì)(p＜0.05)，灌溉1～2次土壤含鹽量分別比CK降低6.33%、14.93%，灌溉 3～4次分別比 CK增加12.67%、13.57%，表現(xiàn)出一定的積鹽負(fù)效應(yīng)。隨著灌溉次數(shù)的增多，土壤pH值有下降趨勢(shì)(p＜0.05)，與CK相比灌溉1～2次土壤pH值分別下降4.5%、4.4%，灌溉3～4次后，土壤pH值下降最明顯，分別比CK下降6.48%、7.60%。

圖1 造紙廢水灌溉下土壤鹽堿含量變化

2.3 造紙廢水灌溉對(duì)土壤營(yíng)養(yǎng)成分含量的影響

由表2可知，隨著造紙廢水灌溉次數(shù)的增加，土壤中速效N、速效P、速效K的含量均呈先增加后降低的趨勢(shì)，差異性顯著(p＜0.05)。灌溉1～3次土壤速效 N含量分別比 CK增加 33.86%、48.64%、73.42%，速效P分別增加14.32%、35.20%、73.00%，速效K分別增加12.49%、33.61%、60.60%。灌溉4次后速效N含量比CK僅增加19.73%，速效磷增加24.91%，速效K增加36.96%?？梢?jiàn)廢水灌溉在很大程度上提高了土壤中N、P、K的含量，但隨著蘆葦生長(zhǎng)季的結(jié)束和環(huán)境溫度的降低，土壤營(yíng)養(yǎng)成分呈現(xiàn)出一定程度的降低[7，9]。

表2 造紙廢水灌溉下土壤速效N、速效P、速效K的變化

2.4 造紙廢水灌溉對(duì)土壤酶活性的影響

土壤酶活性具有相對(duì)穩(wěn)定性，是靈敏可靠的土壤肥力指標(biāo)之一，同時(shí)也是土壤自凈能力評(píng)價(jià)的一個(gè)重要指標(biāo)，能夠反映土壤對(duì)植物根系供應(yīng)養(yǎng)分的潛在能力。由圖2可知，隨著造紙廢水灌溉次數(shù)的增加，土壤中酶活性具有顯著變化(p＜0.05)，廢水灌溉后，由于供氫體的增加，脫氫酶活性有升高的趨勢(shì)，灌溉1～2次后比CK高出1.4倍，1.6倍;灌溉3～4次后變化最大，分別相當(dāng)于CK中脫氫酶含量的2.6，2.8倍。而脲酶和磷酸酶由于受季節(jié)和氣溫的影響，則呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，灌溉1～3次后脲酶含量分別比CK高出1.7倍、2.2倍、2.6倍，磷酸酶含量高出CK 1.3倍、1.6倍、2.0倍，灌溉 4次后脲酶和磷酸酶含量略微下降，分別高出CK 2.1倍、1.6倍?？梢?jiàn)隨著造紙廢水灌溉次數(shù)的增加，退化蘆葦濕地土壤酶活性呈現(xiàn)一定的增高趨勢(shì)。

圖2 造紙廢水灌溉下脲酶、磷酸酶、脫氫酶活性

2.5 造紙廢水灌溉對(duì)土壤微生物量碳的影響

土壤微生物量碳是土壤微生物量的表現(xiàn)形式，能體現(xiàn)濕地微生物的數(shù)量和活性，能較早地預(yù)測(cè)土壤質(zhì)量的變化，是土壤質(zhì)量變化最敏感的指標(biāo)之一，同時(shí)也是土壤健康的決定性因素，其值越高，土壤活性越強(qiáng)。由圖3可見(jiàn)，隨著廢水灌溉次數(shù)的增加，土壤微生物量碳有升高的趨勢(shì)(p＜0.05)，由于受降雨的影響，濕地土壤含水量增加較多，灌溉1～2次后土壤微生物量碳變化并不顯著(p＞0.05)，僅比CK增加14.05%、38.29%。隨著季節(jié)變化，蘆葦生長(zhǎng)季的結(jié)束，土壤濕度和溫度降低，灌溉3～4次后，土壤微生物量碳明顯升高，灌溉3次后比CK增加71.73%，而灌溉4次后相比CK增加了一倍。

圖3 造紙廢水灌溉下土壤微生物量碳變化

3 結(jié)論

(1)與未灌溉相比，造紙廢水灌溉后土壤物理性質(zhì)有所改善，灌溉1～2次對(duì)土壤容重，孔隙度，持水量改變均不顯著，在灌溉3～4次后土壤孔隙度增大、容重減小明顯，即土壤透氣、透水性能有了顯著提高，有利于植物根系與土壤間的水分、空氣、熱量的傳遞。

(2)廢水灌溉在一定程度上降低了土壤的鹽堿度，隨著造紙廢水灌溉次數(shù)的增加，土壤pH有所下降，在灌溉3～4次后土壤堿度相比CK顯著下降，表明廢水灌溉在一定程度上對(duì)土壤堿度有稀釋的效果，pH值的降低利于植物的生長(zhǎng)及對(duì)P元素的吸收，而含鹽量表現(xiàn)為先下降后升高。

(3)由于造紙廢水中含有一定量的殘留纖維等有機(jī)物帶來(lái)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，隨著廢水灌溉次數(shù)的增加，土壤中N、P、K的含量有升高趨勢(shì)，在灌溉1～3次后N、P、K的含量顯著提高。由于受季節(jié)和環(huán)境溫度的變化，灌溉4次后表現(xiàn)出一定的下降趨勢(shì)，表明廢水灌溉在一定程度上改善了土壤的營(yíng)養(yǎng)狀況，為植物生長(zhǎng)提供了必須的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。

(4)隨著造紙廢水灌溉次數(shù)的增加，土壤脲酶、磷酸酶和脫氫酶的活性均具有不同程度的提高，在灌1～3次后，脫氫酶、磷酸酶及脲酶活性顯著提高;在廢水灌溉4次后，脫氫酶活性提高并不顯著，而磷酸酶和脲酶的活性相對(duì)有所下降，可能與植物生長(zhǎng)季結(jié)束，溫度降低引起土壤環(huán)境的改變有一定關(guān)系。

(5)與未灌溉相比，隨著灌溉次數(shù)的增加，土壤微生物量碳有升高趨勢(shì)，灌溉1～2次后土壤微生物量碳變化并不顯著，可能與雨季蘆葦濕地土壤積水有一定關(guān)系;灌溉3～4次后土壤中微生物量碳呈現(xiàn)顯著升高，表明造紙廢水灌溉能夠提高土壤微生物活性。

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