本文介绍一种方法，通过匹配土壤样品尺寸与水力传导率测量装置，防止土壤容器内壁的所谓侧壁流被错误地计入水流测量结果中。本方法的应用通过采集自废水灌溉场地的样品进行演示。
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本文内容
摘要
摘要
自20世纪60年代初以来，宾夕法尼亚州立大学一直在研究一种替代性的废水排放方式，并持续监测其影响。该方法不将处理后的废水排入溪流，从而避免对溪流水质造成直接影响，而是将出水施用于由大学管理的林地和农田。在考虑废水再利用时，人们关注其可能导致土壤水力传导度下降的问题。本文所述的方法通过将土壤样品尺寸与实验室水力传导度测定装置的尺寸相匹配，兼具了采样相对快速和实验室边界条件可控的优点。结果表明，在场地低洼区域的较深土层中，废水再利用可能对土壤输水能力产生了一定影响。在低洼区域中，土壤水力传导度的大部分降低似乎与样品采集深度有关，并可推断与土壤结构和质地的差异相关。
引言
数十年来，将市政污水处理后的废水排入河流一直是一种常规做法。此类废水的处理主要目的是降低受纳水体中微生物因排放的废水出水而产生生物耗氧的潜在风险。微生物耗氧会降解废水中的有机物质，导致出水排入的水体中氧气水平下降，从而危害水生生物，包括鱼类。
近几十年来，人们日益关注废水中的无机营养物质、某些金属及其他化学物质可能造成的危害。根据Kolpin发表的一项研究 等1，人们开始更加关注以往未被重视的多种化学物质。这项由美国地质学会发表的研究，提高了人们对美国各地河流和溪流中广泛存在的个人护理产品及其他化学物质的认识，这些物质主要来自废水处理设施的排放。
自20世纪60年代初以来，宾夕法尼亚州立大学的研究人员一直在研究和开发一种在湿润地区较为独特的替代性废水排放方式。该方法不将处理后的废水排入溪流，从而避免对溪流水质造成直接影响，而是将出水施用于由大学管理的林地和农田。这一应用区域被昵称为"活过滤器"，目前接收来自校园的全部废水出水以及部分市政废水。该做法降低了过量营养物质进入切萨皮克湾集水溪流的可能性，保护了当地冷水鱼类资源免受温热废水排放的不利影响（此类排放对鱼类有害），并防止废水中所含的其他化学物质直接进入水生生态系统。
然而，行为改变总会带来相应后果，这种替代用途设施也不例外。人们已提出一些问....
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方案
1. 选择土壤采样地点
- 通过航空摄影和实地考察，确定曾使用废水灌溉的区域以及未使用废水灌溉的区域。
- 从不同区域中选择若干具有代表性的采样点，并密切关注可能存在的地貌差异（特别是地貌位置，如山顶、坡面、坡脚和洼地），因为在这些位置上水、土壤和植物的相互作用可能存在差异。
- 将地貌部分划分为山顶、坡面、坡脚或洼地，并根据各代表点的主要特征进行分类。
注意：在本实验中，采样点被划分为未灌溉山顶、灌溉山顶、未灌溉洼地和灌溉洼地。 - 确定从每个典型代表性采样点中采集样本的具体位置数量及位置分布。
注意：在此阶段，通常与熟悉环境统计学的统计学家进行讨论将非常有帮助，可避免后续在统计分析方面出现的问题。 - 在每个计划采样位置放置标记旗，并使用GPS坐标在地图上记录计划采样点的位置。
2. 采集土壤样品
- 确定用于采集土壤样品的设备。
注意：对于浅层（例如，深度小于 300 mm）土壤样品，若土壤足够松软，通常可使用本实验所用尺寸的圆柱形土壤采样器（补充图 1）配合落锤打入土壤中。本实验所描述的方法采用液压钻机，以便从深达 1,200 mm 的土层中采集样品。
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结果
为了探究在“生命过滤器”（Living Filter）场地施用废水出水是否影响了土壤传输水的能力，我们开展了实验以测定土壤的饱和导水率。我们将场地内灌溉区域的土壤导水率与非灌溉区域的土壤导水率进行了比较。废水出水对土壤导水率的影响是一个值得关注的问题，因为在较干旱地区已有部分报道指出，由于土壤中钠的积累或地表生物结皮的形成等原因，土壤传水能力有所下降。对于每一份用于测定导水率的土壤样品，均在距离其一米范围内的邻近位置采集了配套样品，用于测定土壤溶液中主要阳离子（Ca、Mg 和 Na）的含量。土壤溶液中 Ca、Mg 和 Na 的浓度值是通过土壤与去离子水按质量比 1:2 提取后测定获得，并根据采样时土壤的实际含水量进行反向校正计算得出。这些土壤溶液离子浓度数据被用于计算土壤溶液的钠吸附比（SAR），其定义如下：
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讨论
采集基于野外的未扰动土壤样品并测定其水力传导系数，对于获取具有场地代表性的数据至关重要。为了最真实地反映野外条件，必须使用在物理状态上能够代表其野外环境的土壤样品。例如，从野外采样点获取的土壤样品若在后续分样或操作过程中因人为压实而受到扰动，其结构将发生变化，从而影响饱和水力传导系数。
在受控的实验室条件下，拥有测量土壤水力传导度的方法也非常重要。然而，若采用实验室方法测定饱和水力传导度时，未能考虑样品容器内壁的水流（即所谓的"壁面流"），将导致实验结果重复性差，且变异性较高，这种变异性源于方法学本身，而非自然变异性。
自1982年Perroux开发出圆盘渗透仪以来11，基于 Clothier 和 White 的研究工作12，人们已投入大量努力以更令人满意地获取基于野外的土壤水力传导度测量值13获得基于野外的测量数据是非常理想的，因为 "紊乱" 土壤样品.......
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
作者谨此感谢宾夕法尼亚州立大学基建办公室为支持本项目提供的部分资金。美国农业部区域研究项目 W-3170 也提供了部分资金支持。我们衷心感谢 Ephraim Govere 在分析工作中的协助。我们最深切的感谢献给 Charles Walker，他的工程设计与建造技能使本研究的开展成为可能。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| <强>采样设备： | |||
| 土壤采样钻机 | Giddings Machine Co. Inc | #25-TS / 模型 HDGSRTS | * 注：此模型与我们曾使用但现已停产的模型相当 |
| 凯莉·巴尔 | Giddings Machine Co. Inc | #KB-208 8 英尺 Kelly 横杆 | |
| 土壤样品采集管 | Giddings Machine Co. Inc | #ZC-180 4-3/4” X 7-1/4” | |
| 土壤采集管钻头 | Giddings Machine Co. Inc | #ZC-190 4-3/4” 标准缓解 | |
| 土壤样品用塑料衬垫 | Giddings Machine Co. Inc | #ZC-208 3-5/8” × 6” | 足以满足所采集样本的数量需求 |
| 样品衬管底部的黑色端盖 a | Giddings Machine Co. Inc | 保留样品于衬管中 | |
| 样品衬管顶部的红色端帽 a | Giddings Machine Co. Inc | 保留样品于衬管中 | |
| 冷藏箱 | 储存 &并在样品从野外运输至实验室期间，将样品直立置于样品衬管中保存 | ||
| <强>防护装备： | |||
| 安全帽、护目镜和手套 | 根据需要配备的其他个人防护用品 | ||
| 锯子 | |||
| 钻头和钻头组件 | |||
| PVC胶粘剂 | |||
| 6至8块，19毫米 x 184毫米 x 2,438毫米板材 | |||
| 2 – 带倒刺接头；13 毫米 HB × MGHT | 将塑料管连接至供水槽和排水槽 | ||
| 6 – 带倒刺接头 | 将塑料管连接至外层PVC圆筒，以实现排水 | ||
| 3,000 毫米长，外径 19 毫米 / 内径 13 毫米的塑料管 | |||
| 6 – 直径85毫米的圆形网片 | 可从（例如600毫米长、6毫米×18号规格的金属丝网例如 镀锌钢制天沟防护网 | ||
| 40号PVC管 – 96 mm 内径 / 114 mm 外径 | |||
| 40号PVC管 – 73 mm 内径 / 89 mm 外径 | |||
| 40号PVC管 – 63 mm 内径 / 73 mm 外径，或 6 - 73 mm 塑料淋浴排水管 | |||
| 40号PVC管 – 25 mm 内径 | |||
| 6 毫米厚 × 155 毫米见方的聚氯乙烯板 | 可购买 2 – 6 mm × 300 mm（约）板材，每片约 20 美元，来源：https://www.interstateplastics.com/Pvc-Gray-Sheet-PVCGE~~SH.php?vid=20180212222911-7p | ||
| 6 – 140 mm × 19 mm 塑料漏斗 | 引导土壤样品中的水流进入收集烧杯 | ||
| 密封胶 | |||
| 1 – 150 mm × 1,200 mm 金属丝网布 | 4 层网格效果良好 | ||
| 2 – 120 毫米 × 1,219 毫米带端盖塑料排水槽 | |||
| 4 – 檐槽挂钩 | |||
| 1 - 额外的排水槽端盖 | 按照步骤中所述进行切割，以在供水槽中形成恒定水头 | ||
| 1 – 大型塑料盆 | 约65升，例如用作水力传导率测定的水源 | ||
| 1 – 大型塑料盆 | 用于润湿土壤样品 | ||
| 1 – 潜水泵 | 例如 Beckett M400 AUL 或 M400 AS | ||
| 塑料管 | 不同尺寸的排水管、供水管和排水沟排水口 | ||
| 纱布容器 | 有助于在测定水力传导性和润湿上升过程中将土壤样品置于塑料样品容器底部以保留土壤 | ||
| 橡皮筋 | 足够大，可紧密套在塑料样品衬管周围 | ||
| 可精确至0.1 g的天平 | |||
| 用于收集各样本水样的烧杯或其他容器 | |||
| 氯化钠 | 用于创建与通常施用于土壤的水质相似的水 | ||
| 氯化钙 | 用于创建与通常施用于土壤的水质相似的水 |
参考文献
- Kolpin, D. W., et al. Pharmaceuticals, hormones, and other organic wastewater contaminants in U.S. streams, 1999-2000: a national reconnaissance. Environmental Science & Technology. 36 (6), 1202-1211 (2002).
- Duan, R., Sheppard, C. D., Fedler, C. B. Short-term effects of wastewater land....
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重印与许可
