再生水灌溉对土壤理化性质影响

鹿存照

（中国矿业大学，江苏省徐州市，221116）

摘  要：随着再生水处理工艺的快速发展,出水水质不断提高,再生水越来越多的为缺水地区农田灌溉提供水源保障,对于缓解城乡水资源短缺矛盾、助力乡村振兴、改善水生态环境等具有十分重要的意义。但是，从生态环境的角度来分析，虽然再生水经过一定的工序处理,但其水体中依然会存在一些对环境造成污染的物质，如重金属、氨氮、TP、TN等。长期采用再生水灌溉会在土壤微域内产生效应，污染物会累积在土壤表面及土壤层中。

关键词：再生水；灌溉；土壤；理化性质

土壤的物理性质包括土壤容重、土壤颗粒组成、土壤含水率以及士壤孔隙度等^[1]。而在再生水灌溉后土壤物理性质研究方面,土壤孔隙度是人们研究的重点物理性质。再生水灌溉土壤在灌溉前后土壤物理性质有显著改变。尽管经过常规或深度处理流程，再生水中残留的悬浮固体物质和盐分灌溉后会对土壤结构的稳定产生危害，长期灌溉后在土壤中发生积累，恶化土壤性质，造成土壤孔隙度下降。郑汐等研究表明，与清水灌溉相比，再生水灌溉下的土壤孔隙度有增加趋势^[2]。但是 David^[3]等在对西班牙地区某公园进行5年再生水试验后得出结论，使用再生水灌溉与使用清水灌溉土壤孔隙度并不存在显著差别，说明土壤孔隙度的改变与灌水水质无关。而 Marcos^[4]等研究表明，再生水中的悬浮固体会在长期灌溉后堵塞土壤孔隙,改变土壤孔隙度。

目前研究表明，再生水灌溉对于土壤孔隙度的影响与灌溉时间有一定的关系。因此，为了避免土壤孔隙度变化带来的影响，应针对土壤孔隙度的变化情况进行监测管理。

1 再生水灌溉对土壤pH的影响

在现有的国内外众多研究成果中，对再生水灌溉后土壤pH值变化的结论各有不同。韩洋^[5]等对比发现，再生水灌溉与清水灌溉相比，灌溉后土壤pH呈现逐渐降低的趋势。同时李中阳^[6]等研究发现，使用再生水灌溉可以显著减轻土壤碱性程度。而王祥林^[7]、高远^[8]等通过田间采样发现，再生水灌溉虽然有可能会降低土壤pH但不具有显著性。同时梁薇^[9]等也通过使用北京市再生水进行室内土柱淋滤模拟试验得出结论,再生水淋滤后土柱内土壤pH平均值没有发生显著变化。王志超^[10]等认为土壤本身具有的缓冲能力可以维持短期内再生水灌溉后的土壤碱性环境稳定，因此再生水灌溉时间是影响土壤垂向pH值变化和同层土壤pH值随灌水时间变化的主要因素。Stewart^[11]等研究表明，使用pH值较高的再生水进行4年灌溉后，士壤pH值升高，土壤环境碱性程度增强。无论短期再生水灌溉还是长期，灌溉水的pH值对土壤pH值的变化存在一定的影响。另外夏江宝^[12]等认为由于再生水的pH均小于当地土壤环境的pH本底值，因此再生水灌溉对土壤pH起到一定的稀释作用。室内土柱模拟试验结论表明，清水灌溉和再生水灌溉下土壤pH分别下降4.9%和1.3%，表明再生水灌溉虽然减轻了土壤碱性程度，但是对比清水灌溉来看碱性程度较强。

2 再生水灌溉对土壤肥力的影响研究

一般来讲土壤肥力有双重含义，一方面为土壤供应营养物质的能力，另一方面是土壤为植物生长提供适宜环境条件的能力。国内外众多学者针对再生水灌溉对土壤肥力的影响进行了研究，研究结果普遍认为再生水灌溉提高了土壤肥力^[13]。郑顺安^[14]等通过试验发现，再生水灌溉对砂质土壤的有机碳库、氮库和磷库进行了有效的改善，长期灌溉可以减少人工施肥量。Manas^[15]等使用再生水并采用自来水作为对照组分别对石苣田进行3年灌溉，结果表明再生水灌溉土壤的氮、磷含量显著高于对照组。杨雅银对有机质、碱解氮、有效磷及速效钾等在土壤中的分层分布情况研究表明,再生水灌溉对0~20cm和20~40cm土壤层的有效磷、速效钾含量变化有显著影响，而对土壤有机质的含量变化影响并不显著，对20~40cm碱解氮的含量也有显著影响。从分层规律来看，碱解氮在根系层形成富集后并向下含量逐渐减少，而有效磷、有机质及速效钾则没有明显的分层规律。

3 再生水灌溉对土壤盐碱化的影响

土壤盐碱化分为盐害和碱害，土壤含盐量（矿化度）或电导率（EC）常用来衡量士壤盐害水平，而土壤碱害通常使用碱化度（ESP）或钠吸附比（SAR）为衡量指标。再生水含有较多的盐分离子，虽然灌溉后不影响基至可以提高作物产量^[16-18]，但短期或长期灌溉后却使得表层土壤垂向0~30cm范围内累积了较高含量的盐分^[19-23]。土壤中盐分含量过高会堵塞土壤孔隙，对土壤水分下渗有阻滞作用，改变土壤抗性，同时再生水 Na+浓度较高的情况下会增强土壤碱化程度，增强土壤碱性风险^[24],Na+起到分散剂的作用会影响土壤的宏观稳定性。Qian^[25]等以再生污水灌溉草地为实验组并采用地表水灌溉草地作为对照组进行试验发现，利用再生污水灌溉的草地EC值和SAR值分别增加了187%和481%。再生水灌溉主要对表层0~20cm内的盐分积累情况影响最为显著，>20cm土壤层的全盐量与土壤本底值相比变化不大^[26]。以上研究人员针对再生水灌溉土壤盐碱化的试验结果均表明，与清水灌溉相比，再生水灌溉导致土壤盐碱化的潜在风险更大。利用再生水灌溉时，再生水水质、灌溉年限、土壤类型以及作物种类等不同，发生盐碱化风险的程度也不同。

4 再生水灌溉士壤重金属迁移分布研究进展

部分再生水水质报告中指出，尽管再生水经过处理，但是重金属元素并不能完全从水中去除^[27]。现有常规再生水处理流程处理出水中重金属浓度一般很低，仅为g/L级别，但是使用此类再生水进行灌溉会使得土壤吸附大量的重金属元素,长期灌溉重金属浓度自然形成累积。目前己有研究发现,在长期再生水灌溉条件下,重金属在土壤中的富集量高于脱附量，重金属在土壤中有累积趋势^[28]。再生水灌溉的条件下，土壤表面重金属具有累积性^[29-30]。宝哲研究发现再生水灌溉重金属物质在土壤纵向呈现累积特征，其中Hg有明显累积特征，Cd、Pb、Cu均出现显著累积，因此该学者提出在长期再生水灌溉土壤时需要将Hg、Cd、Pb、Cu列为风险指标并对其进行监测。另有学者进行室内土柱试验发现,再生水灌溉后As、Ca和Zn在O~10cm 土层内也存在明显累积现象，且灌溉后土壤中重金属的增加量占再生水灌溉输入量的90%~93%，土壤对重金属污染物的吸附能力较强。在对北京市再生水绿化灌溉研究的基础上，学者对土壤重金属污染物指标进行了归纳总结^[31]。再生水的水质与清水不同，重金属物质在土壤中的迁移与分布也有所不同^[32]。因此，对于再生水灌溉下土壤重金属的迁移规律研究十分重要。

重金属长期滞留积累在土壤中，对生态环境和人体健康产生诸多己知及潜在的风险，因此评价土壤中的重金属污染程度对环境健康及人体健康风险具有重要意义。重金属在土壤中的毒性效果强，极低的浓度既表现较强的毒性。从二十世纪六七十年代以来，土壤中重金属污染评价己经成为全球重金属污染研究领域的热点问题之一^[33]。常规的土壤重金属污染评价方法有单因子指数法和内梅罗指数法^[34-35]、地累积指数法^[36]、潜在生态危害指数法^[37]和富集因子法。此4种重金属污染评价方法为较为常用的常规方法且评价结果为专家学者认可。目前，将土壤重金属污染评价和算法结合的评价方法也被较多学者使用并认可，主要方法有神经网络模型^[38]、主成分分析^[39]、层次分析^[40]和SVM支持向量机^[41]等。

单因子指数法结合内梅罗指数法适用于各种类型的土壤重金属污染评价和潜在污染分析，此方法已用于评价三峡库区、城市绿地、农田土壤^[42]以及矿区污染土壤^[43]当前重金属污染程度以及土壤重金属污染潜在危害。单因子指数法可以对单独的某一种重金属元素的污染程度进行评价,内梅罗指数法可以综合地反映一个研究区域内.土壤中所有重金属污染物的平均水平及环境质量。

地累积指数法在上世纪六十年代由 Muller首次提出，计算方法通过与参考值进行对比来反映土壤中重金属的历史沉积水平，用于评价沉积物污染风险。王美娥^[44]以及孙彤^[45]等人以当地土壤背景值作为参考值,借助地累积指数法对工业区土壤和呈弱碱性的玉米地重金属污染风险进行评价，该方法在2种土壤中的评价效果良好并具有普适性。工业区土壤重金属累积趋势较为显著。

Hakanson提出的潜在生态危害指数法可以同时对土壤环境和植物的重金属污染风险进行评价，此方法包含了生态学、毒理学以及环境化学等多个方向的内容，相比前2个常规方法可以更科学有效地评估重金属污染对土壤植物和人体的潜在危害。此方法也具有较强的适用性，多种类型的士壤重金属评价效果都较为良好如沼液秸秤联用垦田^[46]、城市绿化带^[47]和使用年限较长的弱碱性玉米地。其中陈佳林等对南京市城市绿化带土壤重金属污染评价，作者认为评价结果可信，为南京市绿地重金属治理提供了参考。

富集因子法较多应用在分析环境污染物来源。美国印地安纳的大气颗粒物主要来源于工厂的排放物，而旧金山的大气颗粒物多数来源于扬尘都由此法判定。我国北京、天津地区用此法所得结果表明，铅、硫、硒、铬、钒等元素在颗粒物中富集较高，它们大多由人为活动而来。

在再生水灌溉土壤重金属垂向迁移分布规律研究的基础上,使用不同的土壤污染评价方法，对比不同的参考值，对当前土壤污染程度以及未来可能发生的潜在环境风险进行分析评价,可以进一步明确土壤重金属污染的环境影响。

参考文献

[1]吴文勇..北京市平原地区再生水利用区划研究[A].现代节水高效农业与生态灌区建设(下)[C].中国农业工程学会,2010:10.

[2]郑汐,王齐,孙吉雄.中水灌溉对草坪绿地土壤理化性状及肥力的影响[J].草原与草坪,2011,31 (02) : 61-64.

[3] David Zalactin,Ram6n Bienes,Antonio Sastre-Merlin,Silvia Martinez-PrezAndrs Garcia-Diaz. Influence of rBClaimed water irrigation in soil physical properties of urban parks: A case study in Madrid(Spain)[]. Catena,2019,180.

[4] Marcos Lado, Meni Ben-Hur. Treated domestic sewage irrigation effECts on soil hydraulic properties in arid and semiarid zones: A review[J]. Soil & Tillage Research, 2009,152-163.

[5]韩洋,齐学斌,李平,常迪,李中阳,崔丙健,严徐善.再生水和清水不同灌水水平对土壤理化性质及病原菌分布的影响[J].灌溉排水学报, 2018,37(08) :32-38.

[6]李中阳,齐学斌,樊向阳,朱东海,胡超,胡艳玲.再生水灌溉对黑麦草生长及重金属分布特征的影响[J].中国农村水利水电,2013(03):85-87.

[7]王样林.再生水对土壤理化性质影响的研究[J.山东林业科技.2009,39(04):1-4.

[8]高远,林山杉,李天宇,胡正.再生水回灌对土壤理化性质及土壤细菌的影响[叮].西北师范大学学报(自然科学版),2019,55(04):100-106.

[9]梁薇.再生水灌溉对城市园林植物和土壤的影响研究[D].河北农业大学,2008.

[10]王志超,史海滨,李仙岳,李河,程光远,李祯.回填土下再生水灌溉对玉米生长及土壤理化性质的影响[J].水士保持学报,2016,30(01):196-202+27.

[11] Stewarthtl, Hopmans P, Plinn D W, et al. Nutrient accumulation in trees and soil following irrigation with municipal effluent in Australia[J]J. Environmental pollution, 1990,63(2): 155-177.

[12]夏江宝,谢文军,陆兆华,贾琼,董立杰.再生水浇灌方式对芦苇地土壤水文生态特性的影响[J生态学报,2010,30(15):4137-4143.

[13]杨鑫,赵全勇,翟大明,王勇.再生水灌溉对土壤质量影响的研究进展[J.安徽农业科学. 2017,45(27):133-136+151.

[14]郑顺安,陈春,郑向群,李松.再生水灌溉对土壤团聚体中有机碳、氮和磷的形态及分布的影响[J中国环境科学,2012,32(11):2053-2059.

[15]Pilar Manas,Elena Castro,Jorge de las Heras.Irnrigation with treated wastewater: EffECts on soil, letuce (Lactuca sativa L.) crop and dynamics of microorganisms[J]. Journal of Environmental Science and Health,Part A,2009,44(12).

[16]商放泽,任树梅,邹添,杨培岭.再生水及盐溶液入渗与蒸发对土壤水盐和碱性的影响[J].农业工程学报,2013,29(14):120-129.

[17] Singh P K, Deshbhratar PB, Ramteke D S. EffECts of sewage wastewater irrigation on soil properties, crop yield and environment[J]J. Agricultural Water Management, 2012,103: 100—104.

[18]Zavadil J. The effECt of municipal wastewater irrigation on the yield and quality of vegetables and crops[J].Soil and Water Res, 2009,4(3): 91-103.

[19]adir M,Wichelns D, Raschid-Sally L, etal. Thechallenges ofwastewater irrigation in Developing countries[J]. Agricultural Water Management, 2010,97(4):561-568.

[20]Mohammad Rusan M ., imnawi S, Rousan L. Long term effECt of wastewater irrigation of forage crops on soil and plant quality parameters[J]. Desalination, 2007,215(1/2/3): 143-152.

[21]Kiziloglu F M, Turan M, Sahin U, et al. EffECs of untreated and treated wastewater irrigation on some chemical properties of cauliflower (Brassica olerECea L. var. botrytis) and red cabbage (Brassica olerECea L. var. rubra) grown on calcareous soil in Turkey[]. Agricultural Water Management, 2008,95(6);716—724.

[22]Muyen Z,Moore G A,Wrigley R J.Soil salinity and sodicity effECts of wastewater irrigation in South East Australia[J]. Agricultural Water Management,2011,99(1):33一41.

[23] Morugan-Coronado A, Garcia-Orenes F, Mataix-Solera J, et al. Short-term effECts of treated wastewater irrigation on Mediterranean calcareous soil[J]. Soil and Tillage Research, 2011,112(1): 18—26.

作者简介：鹿存照，男，江苏徐州，硕士研究生，在校学生，主要研究再生水灌溉的风险与控制。