城市绿地水量平衡与再生水灌溉对土壤水影响研究

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干旱湿润过渡带(华北段)是生态环境变化中较敏感和脆弱的地带,水资源极为短缺;当前全球气候变暖,气候波动性使得该区域的主要水源——降水更加不稳定。另外,伴随城市化的快速发展,绿地面积成倍增加,加之气候干旱、植被蒸腾强烈,该地区城市绿地的需水量不断加大。综合以上两方面问题,使用再生水进行灌溉成为解决水资源短缺背景下绿地耗水量大问题的首选方法,但再生水中污染物多、含盐量大,对植被、土壤、包气带水环境、地下水等影响亟待为人们所研究。本研究考察了干旱湿润过渡带(华北段)城市绿地的水量平衡过程以及采用再生水灌溉后土壤水水质变化情况,探讨了不同水质的灌溉处理下,土壤水水质和土壤理化性质的变化及成因。首先在城市绿地的水量平衡方面,本研究以城市绿地的主要植被类型——草坪作为研究对象,采用基于参考草坪蒸散量计算实际蒸散量的方法结合蒸渗仪法、Penman-Monteith综合法,依据水量平衡原理对实验期内草坪蒸散情况作日时间尺度和月时间尺度上的分析,发现草坪的耗水规律;其次,本研究又通过对比试验,做了三个不同实验处理,即在保证其他实验条件(实验前土壤理化性质、土箱大小、草坪草品种、灌溉制度、养护水平等)相同的前提下,分别采用清水、再生水、二倍浓度再生水三种水质作为灌溉用水进行草坪草灌溉处理。对灌溉水及其对应渗漏液中pH、总氮、总磷、氨氮、化学需氧量作以检测分析,考察了不同水质的灌溉处理下,土壤水水质变化情况及主要成因;同时对比分析实验期前后草坪受纳土壤的部分理化性质,考察了不同水质灌溉处理下土壤变化情况。为对长期采用再生水进行灌溉的可行性评估提供了基础。具体内容如下:(1)依据水量平衡原理对实验期内草坪蒸散情况在日时间尺度和月时间尺度上作以分析。在日时间尺度上,草坪蒸散量呈现先增大后减小的变化趋势,且在12:00-15:00间出现峰值。在月时间尺度上,草坪蒸散量变化趋势与同期气温变化趋势基本相同,草坪蒸散量随气温增大而增加,随气温降低而减小,8-10月草坪总蒸散量为324.07mm。此外,降雨会增大空气相对湿度,从而造成草坪蒸散量的突然下降。(2)通过对比试验,对分别采用清水、再生水、二倍浓度再生水作灌溉用水的三个不同实验处理下的灌溉水及其对应渗漏液中pH、总氮、总磷、氨氮、化学需氧量作以检测分析发现:1 在使用再生水灌溉的草坪,对比分析其渗漏液与灌溉水水质,发现灌溉水中pH、氨氮浓度基本不会影响土壤水变化。但灌溉水中总氮浓度越高、灌溉时间越久,会不断增加土壤系统负荷,且化学需氧量经灌溉水进入土壤系统中基本不被吸收吸附,近84%的化学需氧量下渗至渗漏液中。2 在不同水质的灌溉处理下对比其渗漏液水质变化,发现采用再生水灌溉可以在一定程度上降低土壤pH值。此外,再生水中有机质、总磷、总碳、总氮等物质含量较高可以加快草坪根系生长速度,促进草坪草根系发育,所以短期内使用再生水代替清水灌溉不会对土壤水水质造成影响,反而可以促进草坪生长发育。(3)在不同水质的灌溉处理下,对比实验期前后草坪0-50cm深度土壤部分物理化学性质变化情况,发现不同水质的灌溉处理会影响土壤养分的空间分布。整体来说,0-50cm深度土壤中的碱解氮、速效钾均有所增加;有机质、电导率及K+、Mg2+、Cl-离子含量均在表层0-10cm有所增加;0-50cm深度土壤中Ca2+、NO3-离子含量有所降低。再生水灌溉条件下,灌溉水中营养物质可以有效补充植物生长所需。虽然短期内没有明显的土壤污染现象,但若不控制再生水水质及浓度,长期灌溉后可能存在污染风险。另外,通过土壤水分探测仪的实时监控发现,再生水灌溉条件下的土壤体积含水率比清水灌溉条件下土壤体积含水率高,差异主要出现在0-10cm土层。短期内再生水灌溉不会对土壤电导率造成显著影响,但增加再生水浓度后,土壤在20cm、50cm、90cm处出现明显升高现象。
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