劉 擎 ，夏江寶，賈 岱 ，謝文軍，孫景寬，陸兆華

(1.中國礦業(yè)大學化學與環(huán)境工程學院恢復生態(tài)研究所，北京100083;2.濱州學院山東省黃河三角洲生態(tài)環(huán)境重點實驗室，山東濱州256603)

制漿造紙工業(yè)是中國乃至世界經濟的重要支柱產業(yè)之一，紙與紙板的生產占世界經濟總產出的1%。我國在經濟騰飛的同時，對紙的需求迅速增加，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，每生產一噸化學紙漿及紙需排出廢水350 t左右，對江河湖海的污染觸目驚心。就中國而言，自20世紀90年代以來，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，而廢水中化學需氧量(COD)占總排放量的41.8%，居第1位[1]。過去對于土地處理系統(tǒng)的研究側重于生態(tài)控制污染與降解污染物等，而對系統(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，會造成過量的污染物和營養(yǎng)物質輸入，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、污水灌溉對濱海鹽堿土壤的改良進行了相關研究，提出了相應的灌溉模式[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[13]等方面的研究，以探索造紙廢水灌溉對鹽堿化土壤的生態(tài)修復機理，但不同造紙廢水灌溉次數對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研究較少。

土壤作為土地處理系統(tǒng)中生命活動的場所。為植物生長提供養(yǎng)分，土壤微生物、酶參與和加速生物化學過程，推動土壤的代謝過程[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進行測定[14-16]。本研究通過對輕度鹽堿退化蘆葦濕地土壤進行不同造紙廢水灌溉次數的處理，分析不同造紙廢水灌溉次數對退化蘆葦濕地土壤理化性質、酶活性及微生物的影響，試圖從理論和實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和技術支持。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地選擇在沾化縣城北10 km徒駭河東岸原生蘆葦地。該區(qū)域屬暖溫帶東亞季風大陸性半濕潤氣候，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，零星分布堿蓬、羅布麻、獐毛等植物，鹽堿程度較重區(qū)域已無植被覆蓋。淡水資源缺乏，人均水資源量265 m3，過量的開采地下水引起的徒駭河河口海水的倒灌，該試驗區(qū)地下水礦化度高，使沿河區(qū)域土壤鹽堿化程度較高，土壤可溶性鹽的質量分數在0.4%～2.5%，pH值在7.9～8.9。蘆葦濕地退化嚴重，經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的主要措施。

1.2 樣地設置與樣品采集

沾化縣某造紙廠在該試驗區(qū)建立了紙漿造紙廢水生物塘-蘆葦濕地復合處理系統(tǒng)，工藝流程為:原水→調節(jié)塘→厭氧塘→好氧塘→兼性塘→儲存塘→蘆葦地。本試驗采用經生物塘處理后的造紙廢水進行內陸缺水鹽堿地原生蘆葦地的灌溉處理，造紙廢水水質概況如下:化學需氧量(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 ，該造紙廢水接近農田灌溉旱作灌溉水質標準。

在輕度鹽堿地區(qū)，選擇生長較為均勻的蘆葦群落采用隨機分組進行試驗小區(qū)布設，設置造紙廢水灌溉1次、灌溉2次、灌溉3次、灌溉4次共4種廢水處理方式，同時以不灌溉(CK)作為對照，共設計15個試驗小區(qū)，每處理重復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月中旬進行灌溉試驗，10月底收割蘆葦后進行土壤樣品采集及土壤各項指標的測定，為避免邊緣效應，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5個取樣點進行0-20 cm土壤層取樣，用四分法混合后取出一個土樣，每處理有3個重復，風干過篩，進行土壤養(yǎng)分和酶活性的測定。同樣在每小區(qū)內從土壤表層進行3個環(huán)刀的取樣，以測定土壤基本物理性質。

1.3 測定方法

水質指標:參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》第四版;土壤可溶性鹽采用質量法，pH值采用pH計(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;以上指標均采用魯如坤方法進行[17]。環(huán)刀浸水法測定土壤容重、孔隙度及持水量等各項水文物理參數[18]。

2 結果與分析

2.1 造紙廢水灌溉對土壤基本物理性狀的影響

土壤水文物理參數能夠反映造紙廢水灌溉后對蘆葦濕地土壤基本物理性質的改良效果，同時也能反映土壤蓄水，調節(jié)水分的能力。由表1可知，不同灌溉次數下的土壤容重表現(xiàn)出較大不同(p＜0.05)，與對照相比，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，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%。隨著灌溉次數的增加，土壤飽和持水量、毛管持水量呈現(xiàn)上升的趨勢。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，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下的土壤容重和孔隙度變化

2.2 造紙廢水灌溉對土壤鹽堿化的影響

土壤pH值和含鹽量是衡量鹽堿濕地土壤環(huán)境質量的重要指標，也是造紙廢水灌溉后反映土壤改良的重要參數之一。由圖1可知，隨著造紙廢水灌溉次數的增加，土壤含鹽量表現(xiàn)為先降低后增加的趨勢(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)出一定的積鹽負效應。隨著灌溉次數的增多，土壤pH值有下降趨勢(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 造紙廢水灌溉對土壤營養(yǎng)成分含量的影響

由表2可知，隨著造紙廢水灌溉次數的增加，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，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%?？梢姀U水灌溉在很大程度上提高了土壤中N、P、K的含量，但隨著蘆葦生長季的結束和環(huán)境溫度的降低，土壤營養(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 造紙廢水灌溉對土壤酶活性的影響

土壤酶活性具有相對穩(wěn)定性，是靈敏可靠的土壤肥力指標之一，同時也是土壤自凈能力評價的一個重要指標，能夠反映土壤對植物根系供應養(yǎng)分的潛在能力。由圖2可知，隨著造紙廢水灌溉次數的增加，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，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，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。可見隨著造紙廢水灌溉次數的增加，退化蘆葦濕地土壤酶活性呈現(xiàn)一定的增高趨勢。

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)濕地微生物的數量和活性，能較早地預測土壤質量的變化，是土壤質量變化最敏感的指標之一，同時也是土壤健康的決定性因素，其值越高，土壤活性越強。由圖3可見，隨著廢水灌溉次數的增加，土壤微生物量碳有升高的趨勢(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，蘆葦生長季的結束，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 結論

(1)與未灌溉相比，造紙廢水灌溉后土壤物理性質有所改善，灌溉1～2次對土壤容重，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土壤堿度有稀釋的效果，pH值的降低利于植物的生長及對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物帶來的營養(yǎng)物質，隨著廢水灌溉次數的增加，土壤中N、P、K的含量有升高趨勢，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，表明廢水灌溉在一定程度上改善了土壤的營養(yǎng)狀況，為植物生長提供了必須的營養(yǎng)物質。

(4)隨著造紙廢水灌溉次數的增加，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有所下降，可能與植物生長季結束，溫度降低引起土壤環(huán)境的改變有一定關系。

(5)與未灌溉相比，隨著灌溉次數的增加，土壤微生物量碳有升高趨勢，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。

[1] 潘蓓蕾.積極行動起來，為造紙工業(yè)防止污染做出貢獻[J].中國造紙 ，1994 ，27(4):3-5.

[2] 陳效民，白冰，黃德安.黃河三角洲海水灌溉對土壤鹽堿化和導水率的影響[J].農業(yè)工程學報，2006，22(2):50-54.

[3] 羅廷彬，任崴，李彥，等.咸水灌溉條件下干旱區(qū)鹽漬土壤鹽分變化研究[J].土壤，2006，38(2):166-170.

[4] Miyamotos A.Soil salinity of urban turf areas irrigated with saline water[J].Landscape and Urban Planning，2006，77:28-38.

[5] Alan J，Lymbery R G，Doup B T，et al.Efficacy of a subsurface-flow wetland using the estuarine sedge Juncus kraussii to treat effluent from inland saline aquaculture[J].Aquacultural Engineering ，2006 ，34(1):1-7.

[6] 嚴金龍，全桂香，丁成.造紙廢水灌溉對土壤性質及脲酶活性的影響[J].中國造紙學報，2008，23(4):58-60.

[7] 李甲亮，田家怡，李學平.造紙廢水灌溉對蘆葦濕地微生物的影響研究[J].海洋湖沼通報，2009(4):163-170.

[8] Saxena M，Kumar A，Rai J P N.Microbial dynamics of pulp and paper mill effluent affected soil[J].Indian Journal of Ecological，2002，29(2):227-232.

[9] 李甲亮，陸兆華，田家怡，等.造紙廢水灌溉對濱海鹽堿化濕地的生態(tài)修復[J].中國礦業(yè)大學學報，2008，37(2):281-286.

[10] 伏小勇，任珺，陳學民，等.造紙廢水灌溉對沙漠人工林土壤物理特性的影響[J].中國造紙，2008，27(10):38-41.

[11] 伏小勇，牛磊，白煒，等.造紙廢水資源化利用對土壤理化性質的影響[J].蘭州大學學報:自然科學版，2007，26(4):93-96.

[12] 夏江寶，劉慶，謝文軍，等.廢水灌溉對蘆葦地土壤水文特征的影響[J].農業(yè)工程學報，2009，25(12):63-68.

[13] 丁成，王世和，楊春生.草漿廢水灌溉對海涂濕地土壤及蘆葦生長的影響[J].生態(tài)環(huán)境，2005，14(1):21-25.

[14] Patterson S J，Chanasyk D S，Mapfumo E，et al.Effects of diluted kraft pulp mill effluent on hybrid poplar and soil chemical properties[J].Irrigation Science，2008 ，26(6):547-560.

[15] 張禎，荀久玉，孔錦.土壤電導率的測定中影響因素研究[J].科技信息:學術版，2007(28):76-277.

[16] 高凱，朱鐵霞，任杰，等.同地表條件對鹽堿土壤N、P、K含量的影響[J].內蒙古民族大學學報:自然科學版，2008，23(5):552-554.

[17] 魯如坤.土壤農業(yè)化學分析方法[M].北京:中國農業(yè)科技出版社，2000:106-253.

[18] 駱洪義，丁方軍.土壤學實驗[M].成都:成都科技大學出版社，1995:63-68，97-154.