污泥沙障對荒漠區(qū)土壤含水量的影響

張 軍，陶華旸，付 歡，李 璇，任 珺

(1.蘭州交通大學(xué)，甘肅 蘭州 730070； 2.甘肅省生態(tài)環(huán)境科學(xué)設(shè)計研究院，甘肅 蘭州 730020)

民勤縣全域總面積1.59萬km2，各類荒漠化和沙化土地面積143.6萬hm2，占縣域面積的90.34%。這里生態(tài)區(qū)位極為特殊，被國家列入“兩屏三帶”重點生態(tài)功能區(qū)——北方防沙帶，屬全國防沙治沙重點縣[1]。民勤地處河西走廊東北部、石羊河流域下游，東、西、北三面被騰格里和巴丹吉林沙漠所包圍，常年干燥少雨，且蒸發(fā)強烈，這給沙區(qū)的治理工作帶來相當(dāng)嚴(yán)峻的考驗。

對沙化的治理，其最終目的是通過保護或者種植當(dāng)?shù)匾壮苫畹闹参锒謴?fù)植被，改善生態(tài)環(huán)境。植物的成活與生長、植被的恢復(fù)與改善，都離不開水的參與。但是，近年來民勤地區(qū)水資源減少，地下水位驟降，沙土中水分難以保存，水資源缺乏或沙土含水量低成為該地區(qū)土地退化日趨嚴(yán)重的一個重要因素，也是沙化和荒漠化治理的限制因子[2-3]?；诖?，我們結(jié)合城市生活污泥富含水分(含水量80%)的特性，將其作為沙區(qū)土壤水分補充的基質(zhì)，選取民勤縣勤鋒農(nóng)場流動沙區(qū)作為試驗地，在極端干旱的流動沙丘立地環(huán)境條件下鋪成污泥方格、上覆污泥、下覆污泥三種沙障，以探究不同污泥沙障對沙區(qū)土壤不同土層含水量的影響，為研究沙區(qū)改良過程中植被恢復(fù)的土壤水分條件提供科學(xué)參數(shù)。

1 研究區(qū)環(huán)境

民勤位于101°49′41″～104°12′10″E、38°03′45″～39°27′37″N，年均降水量114 mm，日降水量≥0.1 mm的日數(shù)平均僅有36 d，主要集中在7—9月份，期間降水量占年降水量的73%；年均相對濕度47%；年均蒸發(fā)量2 419.6 mm，是年均降水量的20多倍，蒸發(fā)量最大的月份是5、6月份，月平均可達(dá)382.6 mm，占全年的16%；年日照時數(shù)2 832.1 h，無霜期157 d；年均風(fēng)速3.7 m/s，以西北風(fēng)、西北偏西風(fēng)為主，春季多風(fēng)沙，全年揚沙天59 d，其中春季24 d，占全年的41%，年均沙塵暴日數(shù)27 d，其中春季有14 d，占全年的52%，春季風(fēng)沙危害嚴(yán)重，為全國最干旱地區(qū)之一[4-5]。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

試驗材料為武威市污水處理廠生活脫水污泥(含水量80%)。城市生活脫水污泥具有固定表土、保水保濕、富含營養(yǎng)成分等特點，可改良土壤，利于植物生長。草種選用當(dāng)?shù)氐狞S蒿(Artemisiascoparia)種子。

2.2 試驗設(shè)計與方法

污泥沙障均設(shè)置在流動沙丘迎風(fēng)面，設(shè)置時間為2013年4月11日。沙障設(shè)置三種規(guī)格：①污泥方格沙障(處理1)，即將新鮮的脫水污泥鋪蓋在目的沙區(qū)表面，制成邊長1 m的污泥方格，污泥方格的泥壟寬0.1 m，地上部分高0.1 m，地下部分深0.05 m(圖1)；②沙面上污泥平板沙障，簡稱上覆污泥沙障(處理2)，即將新鮮的脫水污泥鋪蓋在目的沙區(qū)表面，覆蓋厚度為0.05 m；③沙面下污泥平板沙障，簡稱下覆污泥沙障(處理3)，即將新鮮的脫水污泥鋪蓋在目的流動沙地上，覆蓋厚度0.05 m，污泥上再覆蓋沙子0.05 m。以自然狀態(tài)的流動沙丘作為對照(處理4)。2013年7月上旬，在各處理沙丘上人工撒播黃蒿種子1 000～1 200粒/m2。2014年9月18日，調(diào)查各處理的物種多樣性指標(biāo)，并采集土樣，測定土壤含水量。

圖1 污泥方格沙障示意

2.3 樣品采集與測定

于2014年9月18日，在調(diào)查各處理物種多樣性指數(shù)的同時，按S形隨機分層(0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm)采集沙區(qū)土壤樣品，各層約1 kg，裝于自封袋內(nèi)并密封，于當(dāng)天運至實驗室測定水分含量。

城市生活脫水污泥和沙區(qū)0～100 cm土層土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)的測定指標(biāo)包括全氮、全磷、有機質(zhì)、含水量、pH值、電導(dǎo)率(EC值)。其測定方法，全氮為凱氏定氮法，全磷為HClO4-H2SO4法，有機質(zhì)為重鉻酸鉀容量法，含水量為烘干法，pH值為玻璃電極法，電導(dǎo)率為電導(dǎo)率儀法(超純水∶土=5∶1)。

2.4 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2003計算結(jié)果，并用SPSS 17.0進行單因素方差分析。

3 污泥和沙區(qū)土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)

3.1 城市生活污泥基礎(chǔ)理化性質(zhì)

經(jīng)測定，所選污泥全氮、全磷、有機質(zhì)含量和含水量分別為2.15%、1.97%、32.71%、80%，pH值為6.65，電導(dǎo)率為1.19 mS/cm。

3.2 沙區(qū)土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)

據(jù)測定結(jié)果(表1)，在0～100 cm土層中，隨著深度增加，全氮和全磷含量降低：全氮含量0～20、20～40、40～60 cm均為0.02%，60～80和80～100 cm均為0.01%；全磷含量以0～20 cm最高，為0.03%，20～40和40～60 cm次之，均為0.02%，60～80和80～100 cm最低，為0.01%。有機質(zhì)含量各層均在0.5%以下，以20～40 cm土層含量最高，為0.37%，其余各層含量介于0.29%～0.33%之間。含水量以60～80 cm最高，為4.1%，80～100 cm次之，為3.9%，其余各層均在2.2%～2.6%之間。土壤pH值各層均大于7，為堿性，且隨著土層深度的增加，其值也在變大，0～20 cm為7.35，80～100 cm為8.44，其余各層居于兩者之間。電導(dǎo)率隨著土層深度的增加也在增加，以0～20 cm最低，為0.78 mS/cm，80～100 cm最高，為1.02 mS/cm，其余各層介于兩者之間。可見，沙區(qū)土壤營養(yǎng)元素和有機質(zhì)含量普遍偏低。

表1 沙區(qū)土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)

因此，可利用城市污泥富含有機質(zhì)及水分的特性改良風(fēng)蝕沙地。污泥的施用能增加土壤中的速效養(yǎng)分(如氮、磷、鉀)含量，特別是土壤的有機質(zhì)含量，同時污泥中大量的水分得以被收儲，可極大改善沙區(qū)土壤理化性狀。

4 結(jié)果與分析

不同污泥沙障處理1年后土壤含水量變化情況見圖2?？傮w而言，各處理土壤含水量在20～40 cm最高，0～20和40～60 cm次之，60～80和80～100 cm最低；對照土壤含水量在0～20、20～40、40～60 cm均較低，為2.1%～2.4%，在60～80和80～100 cm較高，為4.0%左右。具體而言，沙區(qū)0～20 cm表層土壤含水量以下覆污泥處理最高，達(dá)到6.6%，上覆污泥和污泥方格處理次之，分別為4.6%和4.4%，對照處理最低，為2.2%，3個污泥沙障處理的含水量均顯著大于對照(P<0.05)，且下覆污泥處理的含水量顯著大于上覆污泥和污泥方格處理的含水量(P<0.05)；20～40 cm土層中，土壤含水量以下覆污泥處理最高，為6.8%，污泥方格次之，為5.5%，然后是上覆污泥處理的土壤含水量，為4.8%，對照處理的土壤含水量最低，為2.4%，且它們之間均有顯著差異(P<0.05)；40～60 cm土層中，土壤含水量也以下覆污泥處理最高，為5.7%，污泥方格和上覆污泥處理土壤含水量次之，分別為4.5%和4.0%，對照處理最低，為2.1%，除上覆污泥和污泥方格處理之間土壤含水量差異不顯著外，其余各處理間均有顯著差異(P<0.05)；60～80 cm土層中，各處理間土壤含水量差異均不顯著(P>0.05)，均在4%左右；80～100 cm土層中，土壤含水量以對照最低，為4.0%，其余各處理均高于對照，為4.1%～4.3%，各處理間差異不顯著(P>0.05)。

圖2 不同污泥沙障處理對土壤含水量的影響

5 結(jié) 論

(1)城市生活脫水污泥可以作為沙區(qū)或荒漠區(qū)土壤水分補充的良好基質(zhì)。污泥一方面可作為隔熱層阻止外界陽光的輻射，另一方面可作為絮凝劑將雨水保存起來，經(jīng)過一段時間的累積，多余的水分可下滲至沙區(qū)或者荒漠區(qū)0～60 cm土層中。

(2)所有處理中，以下覆污泥處理的土壤含水量最高，且在0～60 cm土層中顯著大于其他各處理。在0～20 cm土層，污泥方格處理和上覆污泥處理土壤含水量相差不大，分別為4.6%和4.4%；在20～40和40～60 cm土層，污泥方格處理的土壤含水量(5.5%和4.5%)均大于上覆污泥處理的土壤含水量(4.8%和4.0%)，且差異顯著(P<0.05)。

(3)3種污泥沙障均可固定流沙表層、提供水分和營養(yǎng)、改善近地表層生態(tài)環(huán)境，從而促進沙地植被的恢復(fù)。沙障處理區(qū)除了植被覆蓋度大幅增加以外，物種多樣性指數(shù)也顯著增加。對照區(qū)為流沙區(qū)，地表常年處于流動狀態(tài)，且嚴(yán)重缺水，植物生長極弱，故而物種豐富度、多樣性指數(shù)及均勻度指數(shù)均很低。雖然所有處理中下覆污泥處理的土壤含水量最高，但人工種植的黃蒿在污泥方格沙障區(qū)植被覆蓋度最高，考慮到上覆污泥和下覆污泥的成本、用量和治沙效果，以污泥方格沙障最為經(jīng)濟實惠且環(huán)保。

6 展 望

城市生活脫水污泥作為治沙材料，以其優(yōu)越的保水性能、富含營養(yǎng)元素和有機質(zhì)、重金屬含量低等特點[6]而具有廣闊的應(yīng)用前景。本試驗為城市生活脫水污泥“變廢為寶”提供了良好應(yīng)用途徑，并可發(fā)揮其環(huán)境友好、成本低廉易得、吸濕保水、抗蒸發(fā)、耐風(fēng)蝕、促進植物生長等綜合性能。

地處中國北方風(fēng)沙區(qū)的民勤縣降水在7—9月最多，約占全年降水總量的73%，其次為4—5月，占10%以上。結(jié)合脫水污泥的功能特性，布設(shè)污泥方格適宜的操作季節(jié)應(yīng)該在早春(如4月上旬)或深秋(10月下旬)，即在土壤解凍開始或降水結(jié)束后進行。選擇這段時間操作，不僅可以更有效地利用當(dāng)?shù)赜邢薜慕邓?，而且可以最大限度地發(fā)揮污泥方格的機械強度和保水性能。污泥方格沙障可以在極端干旱的民勤流動沙區(qū)起到較好的促進植被恢復(fù)的效果，初步實現(xiàn)由物理固沙向植被固沙的自然過渡，可以在類似中國北方的寒區(qū)旱區(qū)植被恢復(fù)中發(fā)揮功效。

(本研究的實施和完成得到了甘肅省科技廳、民勤連古城國家級自然保護區(qū)等單位及個人的大力支持，在此一并表示誠摯的謝意！)