污水土地处理系统作为一种生态处理技术,具备成本低、易运行、污水处理效果好等优势,对我国广大城镇和乡村地区的污水处理具有重要意义。土壤是土地处理系统的基石,良好的土壤结构对提高污水净化能力有根本作用。但土壤结构是动态变化的,土壤内部持续的生物活动是导致这一动态变化的主要原因,对土壤生物活动的监测是掌握土壤结构变化的关键。然而,土壤内部的生物活动难以直接观测,给土壤结构的研究带来困难。因此,研究土壤生物活动监测的新技术从而掌握土壤结构变化,成为发展污水土地处理技术的过程中亟需解决的问题。本研究针对土壤内部生物活动监测的难题,基于这些生物活动产生的大量声发射(AE)信号,提出了土壤生物活动的AE监测法,可在不破坏土壤结构的情况下实现对土壤生物活动的连续监测。本研究首先通过小试实验,分析了蚯蚓运动和根系生长过程中产生的AE信号及其声学特征,并通过延时摄影、粒子图像测速等技术的辅助,证实了 AE监测法可对土壤内的生物活动进行动态监测;进一步搭建模拟自然条件下复杂土壤环境的土壤体系,以根系为研究对象,对土壤AE信号和温度、湿度等进行长期连续监测,掌握了复杂土壤环境体系中的AE信号及其特征;利用主成分分析等多元统计分析手段,对不同生物活动的AE信号进行鉴别,实现了复杂土壤环境体系中土壤生物活动的原位、无损、即时监测。本研究的主要结论如下:1.土壤中蚯蚓运动、根系生长等生物活动的声学特征存在显著差异。实验结果表明蚯蚓运动的平均AE事件计数率为11940 AE/天,根系生长的平均AE事件计数率最高为2720 AE/天,动物运动的AE事件产生率与根系生长相比高出一个数量级。2.AE监测法可通过捕获和分析AE信号实现土壤生物活动的动态监测。蚯蚓运动主要发生在较深层的土壤中,其活动初期以洞穴的挖掘为主,后期则主要为现有洞穴的重复利用;蚯蚓运动产生的AE事件在前期主要与新洞穴的建造相关,而后期与蚯蚓在土壤中的位移相关性更大。根系的生长是一个由快到慢逐渐到达平台的过程,AE事件计数率与根生长率之间的相关性较好;土壤中的水分运动也可产生AE信号,但强度低,与根的生长过程相比可以忽略。3.土壤中AE信号的监测与土壤温度变化无关,但与土壤湿度变化显著相关。AE事件的增加往往发生在降雨后,根系吸水生长造成土粒机械运动的过程。此过程中土壤湿度因植物根部吸水而呈线性下降,土壤湿度的下降过程反映了植物根系的活动;土壤温度主要受外界环境影响,与土壤中AE事件的产生不相关。4.复杂土壤环境体系中的AE信号来自于土壤生物活动、土壤机械运动等综合过程,通过多元统计分析可对信号集中不同来源的AE信号进行鉴别。低频率、高振幅、高能量和信号强度、持续时间长的AE信号代表植物根系的活动;高频率、低能量和信号强度、持续时间短的AE信号代表土壤水分的运动及其导致的土壤颗粒的机械运动过程。