郭利君，李久生，栗巖峰(中國水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，北京 100038)

0 引 言

再生水不僅可以作為替代水源進(jìn)行灌溉，而且和常規(guī)水相比，再生水含有更多的養(yǎng)分和有機質(zhì)。因此，再生水灌溉可以促進(jìn)作物生長、提高作物產(chǎn)量和改善土壤肥力，從而起到在一定程度上替代肥料的作用[1-3]。但是，再生水中過高的養(yǎng)分也會導(dǎo)致作物減產(chǎn)和品質(zhì)下降[4]。另外，再生水灌溉采用常規(guī)的施肥制度容易導(dǎo)致養(yǎng)分在土壤中的大量累積[5]，土壤中累積的硝態(tài)氮容易隨水運移而造成地下水污染，也容易發(fā)生硝化反硝化損失增加溫室氣體排放[6,7]。因此，如何高效利用再生水中的養(yǎng)分并有效避免再生水灌溉帶來的不利影響是再生水灌溉需要研究的問題。采用較高污水處理工藝得到的高質(zhì)量再生水可以有效降低再生水灌溉帶來的不利影響[8,9]，但也大大增加了污水的處理成本，從而制約著再生水灌溉的發(fā)展。而采用一定比例的再生水和地下水混合后進(jìn)行灌溉，能夠有效減少污水處理成本，降低再生水灌溉造成的污染風(fēng)險[10,11]。一些學(xué)者研究了不同比例再生水和地下水混合灌溉對作物生長、產(chǎn)量、品質(zhì)和土壤環(huán)境等方面的影響，并確定適宜的再生水灌溉水質(zhì)[12,13]。但較少從氮肥平衡的角度研究不同比例再生水和地下水混合進(jìn)行灌溉對作物生長和氮肥吸收的影響，而研究不同再生水水質(zhì)對氮肥平衡的影響不僅能為充分利用再生水中的養(yǎng)分和提高氮肥利用效率提供依據(jù)，也能有效評估再生水灌溉對環(huán)境造成的污染風(fēng)險。

該文采用15N同位素示蹤技術(shù)對比了不同再生水灌溉水質(zhì)對玉米-土壤系統(tǒng)氮肥平衡的影響，分析了玉米生長和葉片相對葉綠素含量(SPAD值)對灌溉水質(zhì)的響應(yīng)特征，以確定充分利用再生水養(yǎng)分，有效提高氮肥利用效率和降低氮肥污染風(fēng)險的再生水灌溉水質(zhì)，為再生水灌溉發(fā)展提供參考。

1 材料與方法

盆栽試驗在國家節(jié)水灌溉北京工程技術(shù)研究中心大興試驗研究基地(N39°39′，E116°15′)遮雨棚內(nèi)進(jìn)行。盆栽土壤取自試驗區(qū)0～60 cm土層，土壤為砂質(zhì)壤土。將土風(fēng)干后過3 mm篩，去除石塊、根茬、植物殘體及各種雜物等，然后將土樣充分混勻，以確保供試土壤中養(yǎng)分分布及其他土壤參數(shù)均勻一致。土壤的平均田間持水率為0.30 cm3/cm3，平均密度為1.38 g/cm3。

1.1 試驗設(shè)計和盆栽設(shè)計

供試作物為玉米(京科389)。試驗設(shè)4個灌溉水質(zhì)處理，再生水為二級再生水，按再生水所占的比例從低到高依次為地下水、再生水與地下水體積比分別為4∶2和5∶1的混合水、再生水，并按照再生水體積所占的比例0、67%、83%和100%分別記為G、S67%、S83%和S100%。每個處理設(shè)4個重復(fù)，一共16盆，盆栽隨機布置。玉米于2015年5月5日播種，每盆播種3粒種子，3葉期定苗后每盆留1株。玉米于2015年8月23日收獲，生育期為111 d。

盆為PVC材質(zhì)，外徑40 cm，高65 cm，底部用PVC板焊接而成。每個盆底有5個直徑為1.5 cm的圓孔，并在底部鋪設(shè)反濾層(7 cm)，以便排水和通氣。按試驗區(qū)土壤密度(1.38 g/cm3)在反濾層上方進(jìn)行填土，以5 cm一層自下而上逐層填土，填土深度為55 cm。在遮雨棚內(nèi)開挖深度為80 cm左右的溝，將盆放置于溝中，盆上沿高于地表3 cm左右，并在盆下放置接水容器以觀測水分滲漏情況。

1.2 灌溉與施肥

氮肥選用上?；ぱ芯吭荷a(chǎn)的豐度為10.19%的15N標(biāo)記尿素。采用之前研究得到的玉米再生水滴灌適宜施氮量進(jìn)行施肥[14]。即每盆施15N標(biāo)記尿素3.76 g(140 kg/hm2)，分別在2015年6月4日、6月28日和7月24日施肥，每次施氮量分別為總施氮量的30%、40%和30%。施肥方式為先將15N標(biāo)記尿素溶解后施在玉米植株旁，深度約為3 cm，施肥后用土覆蓋以防氨揮發(fā)。磷肥和鉀肥分別選用過磷酸鈣和硫酸鉀，均在填土?xí)r與表層0～20 cm土壤均勻混合，每盆分別施過磷酸鈣10.47 g和硫酸鉀2.42 g，折合P2O5和K2O均為100 kg/hm2。

每個水質(zhì)處理選用一個盆安裝EM50連續(xù)觀測土壤水分狀況，每個盆埋設(shè)4個探頭，深度分別為5、15、27.5和45 cm，分別代表0～10、10～20、20～35和35～55 cm 土層平均土壤含水率。灌水時間采用灌水下限控制，灌水下限為60%的田間持水率，灌水上限為95%田間持水率。灌水定額計算方法依據(jù)微灌工程技術(shù)規(guī)范[15]，苗期和成熟期的灌水定額為24 mm，其他生育期為36 mm。為保證玉米正常生長，所有盆栽在5月15日和5月25日分別灌15 mm地下水。苗期末施肥灌水(2015年6月4日)開始水質(zhì)處理，玉米生育期灌溉定額為546 mm。灌溉方式采用醫(yī)用輸液管模擬滴灌，每個盆均在距地面2 m高處安裝6 L的水桶作為水源，灌溉前將不同水質(zhì)的灌溉水按設(shè)計比例均勻混合，經(jīng)輸液管滴灌到玉米根旁，流量控制在1.10 L/h左右。

1.3 樣品采集和測定

分別在2015年6月5日、6月15日、6月23日、7月2日、7月10日、7月27日和8月19日測定了所有玉米的株高和葉面積指數(shù)(LAI)，玉米LAI用每株玉米所有綠葉面積之和除以盆面積得到。玉米葉片相對葉綠素含量(SPAD值)采用便攜式葉綠素儀(SPAD-502，KONICA MINOL TASENSING，日本)測定，測定日期同株高和LAI(6月5日缺測)。拔節(jié)期測定第4片完全展開葉(最下層葉片為第1葉)，后期測量時測定穗位葉，測定位置為葉片中部，每個葉片SPAD值均為多次(≥4)測量的平均值。

玉米收獲時采集植株樣品，所有新鮮樣品均在70 ℃下烘干至恒重。在8月24日玉米收獲后用直徑為2 cm土鉆采集土壤樣品，深度為0～10、>10～20、>20～35、>35～55 cm。將烘干后的玉米植株樣品和風(fēng)干后的土壤樣品分別過100目篩，用以測定植株和土壤全氮及15N豐度。所有樣品在采集和過篩等過程中注意清潔，防止樣品間的15N交叉污染。玉米植株和土壤全氮及15N豐度委托中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所測試。測試儀器為元素分析儀-穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀(EA-IRMS，Elementar 公司 vario PYRO cube 元素分析儀+Isoprime 100主機)。

灌溉前采集再生水水樣，每次采集3個水樣?？紤]到地下水水質(zhì)變化較小，每月采集1次地下水水樣，每次采集一個水樣。所有樣品均測試全氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮，委托北京農(nóng)林科學(xué)院植物營養(yǎng)研究所測試。G、S67%、S83%和S100%處理灌溉水全氮平均濃度分別為1.2、12.5、15.1和17.8 mg/L，硝態(tài)氮平均濃度分別為0.7、8.4、10.4和12.5 mg/L，銨態(tài)氮平均濃度分別為0.3、0.5、0.7和0.7 mg/L。

1.4 計算公式和統(tǒng)計方法

采用15N同位素示蹤法計算氮肥的吸收量、殘留量和損失量[16,17]。氮肥利用率為玉米吸收的氮肥占氮肥施入量的百分率，氮肥殘留率為氮肥在土壤中的殘留量占氮肥施入量的百分率，氮肥損失率由100減去氮肥吸收率和氮肥殘留率得到。

各處理玉米株高、LAI、葉片SPAD值、氮肥平衡等數(shù)據(jù)計算和作圖采用EXCEL 2010軟件處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 灌溉水質(zhì)對玉米株高和葉面積的影響

玉米株高和葉面積指數(shù)(LAI)生育期變化分別見圖1(a)和圖1(b)。玉米株高和LAI均從6葉期(DAS 31)快速增長至抽雄期(DAS 66)，隨后株高基本穩(wěn)定，LAI由于玉米下層葉片枯萎而有不同程度的降低。成熟期(DAS 106)G、S67%、S83%和S100%處理玉米株高分別為250、252、252和253 cm，這說明灌溉水質(zhì)對玉米株高影響不大?；旌纤驮偕喔忍幚碛衩譒AI均高于地下水灌溉，而且隨灌溉水中再生水所占比例的提高，玉米LAI有增長趨勢。例如，成熟期(DAS 106)S67%、S83%和S100%處理玉米LAI分別為4.1、4.4和4.5，較地下水灌溉玉米LAI(4.0)分別增加2%、9%和13%。這與黃冠華[18]等和Li[19]等研究再生水灌溉對作物株高和LAI影響的結(jié)果一致。再生水中較高的養(yǎng)分含量是混合水和再生水灌溉玉米LAI提高的主要原因。S67%、S83%和S100%處理灌溉水全氮平均濃度分別為12.5、15.1和17.8 mg/L，較地下水全氮濃度(1.2 mg/L)增幅分別為9.4、11.6和13.8倍。大量研究表明再生水中的氮素可以被作物吸收利用，促進(jìn)作物生長[1]。另外，再生水灌溉玉米抽雄期至成熟期的LAI降幅小于地下水灌溉也能說明含有較高養(yǎng)分的再生水可以促進(jìn)作物對養(yǎng)分的吸收，緩解玉米后期葉片的衰減。

圖1 玉米葉面積指數(shù)(LAI)生育期變化Fig.1 The variations of plant height and leaf area index (LAI) during the maize season

2.2 不同灌溉水質(zhì)對玉米相對葉綠素含量的影響

不同處理玉米葉片相對葉綠素含量(SPAD值)生育期變化見表1。葉片SPAD值隨時間增長至灌漿期(DAS 83)，隨后降低至成熟期(DAS 106)。盡管灌溉水質(zhì)沒有對玉米SPAD值產(chǎn)生顯著影響(P< 0.05)，混合水和再生水灌溉均表現(xiàn)出較高的SPAD值，而且葉片SPAD值隨灌溉水中再生水比例的提高有增大的趨勢。例如，成熟期G、S67%、S83%和S100%處理玉米SPAD值分別為51.1、53.9、54.1、55.4。這說明再生水中較高的氮素含量有利于促進(jìn)玉米葉綠素的合成，提高光合作用，進(jìn)而促進(jìn)作物對養(yǎng)分的吸收利用[20]。

表1 玉米葉片SPAD值生育期變化Tab.1 The variations of SPAD during the maize season

2.3 不同灌溉水質(zhì)對氮肥吸收、殘留和損失的影響

不同處理玉米-土壤系統(tǒng)氮肥平衡見表2。和地下水灌溉相比，混合水和再生水灌溉均提高了玉米對氮肥的吸收利用，并且隨著灌溉水中再生水比例的提高，玉米對氮肥的吸收量先增加后降低，S83%處理玉米對氮肥的吸收量最大。S67%、S83%、S100%處理玉米對氮肥的吸收量分別為1.17、1.21和1.09 g/plant，較地下水灌溉玉米對氮肥的吸收量(1.07 g/plant)分別增加9%、13%和2%。氮肥利用率和玉米對氮肥的吸收量隨灌溉水質(zhì)的變化規(guī)律相似，G、S67%、S83%和S100%處理氮肥利用率分別為61%、67%、69%和62%。這說明再生水中養(yǎng)分含量的提高可以促進(jìn)作物對氮肥的吸收利用[14,21]。但是，和混合水灌溉相比，僅采用再生水灌溉的氮肥利用率較混合水灌溉有較大幅度的降低。這和李平等[22]研究得到的再生水灌溉下增加追氮量降低了氮肥利用率的結(jié)果相似，即無論是通過提高灌溉水中再生水的比例還是增加氮肥均提高了作物-土壤系統(tǒng)的氮素供給水平，促進(jìn)了作物對氮素的吸收利用，但氮素供給超過作物對氮素的需求會造成養(yǎng)分失衡而降低氮肥的利用效率。

氮肥殘留量和氮肥殘留率均隨灌溉水中再生水比例的提高先降低后增加，S67%處理氮肥殘留量和氮肥殘留率最小，S100%處理氮肥殘留量和氮肥殘留率最大。G、S67%、S83%和S100%氮肥殘留量分別為0.43、0.40、0.43和0.54 g/pot，氮肥殘留率分別為24%、22%、24%和30%。和地下水灌溉相比，混合水和再生水灌溉均可以降低氮肥損失量和氮肥損失率。G、S67%、S83%和S100%處理氮肥損失量分別為0.26、0.19、0.12和0.13 g/pot，氮肥損失率分別為15%、11%、7%和8%。

表2 不同處理玉米-土壤系統(tǒng)氮肥平衡Tab.2 Nitrogen balance of maize-soil system with different treatments

3 結(jié) 語

(1)和地下水灌溉相比，混合水和再生水灌溉均提高了玉米LAI和葉片SPAD值，并且隨灌溉水中再生水所占比例的提高，玉米LAI和葉片SPAD值均有增大的趨勢。玉米成熟期混合水和再生水處理較地下水LAI增加2%～13%，葉片SPAD值增加5%～8%。

(2)隨灌溉水中再生水所占比例的提高，氮肥吸收量和氮肥利用率均先增加后降低，S83%處理達(dá)到最大值。G、S67%、S83%和S100%處理氮肥吸收量分別為1.07、1.17、1.21和1.09 g/plant，氮肥利用率分別為61%、67%、69%和62%。氮肥殘留量和氮肥損失量均隨灌溉水中再生水所占比例的提高先降低后增加，S100%處理氮肥殘留量和氮肥殘留率最大，S83%氮肥損失量和氮肥損失率最小。

(3)綜合考慮不同灌溉水質(zhì)對玉米生長、葉片SPAD值和氮肥吸收利用等指標(biāo)的影響，再生水滴灌適宜的灌溉水質(zhì)為S83%處理，即再生水和地下水按體積比5∶1混合進(jìn)行灌溉。

[1] Fonseca A F D, Melfi A J, Montes C R. Maize growth and changes in soil fertility after irrigation with treated sewage effluent. I. Plant dry matter yield and soil nitrogen and phosphorus availability[J]. Communications in Soil Science and Plant Analysis, 2005,36:1 965-1 981.

[2] Chen W P, Lu S D, Jiao W T, et al. Reclaimed water: A safe irrigation water source?[J]. Environmental Development, 2013,8(1):74-83.

[3] 栗巖峰, 李久生, 趙偉霞,等. 再生水高效安全灌溉關(guān)鍵理論與技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報, 2015,46(6):1-11.

[4] Hamilton A J, Stagnitti F, Xiong X, et al. Wastewater irrigation: The state of play[J]. Vadose Zone Journal, 2007,6(4):823-840.

[5] 栗巖峰, 李久生. 再生水加氯對滴灌系統(tǒng)堵塞及番茄產(chǎn)量與氮素吸收的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2010,26(2):18-24.

[6] Yadav R K, Goyal B, Sharma R K, et al. Post-irrigation impact of domestic sewage effluent on composition of soils, crops and ground water——a case study.[J]. Environment International, 2002,28(6):481-486.

[7] Zou J W, Liu S W, Qin Y M, et al. Sewage irrigation increased methane and nitrous oxide emissions from rice paddies in southeast China[J]. Agriculture Ecosystems & Environment, 2009,129(4):516-522.

[8] 馬 敏, 黃占斌, 焦志華,等. 再生水灌溉對玉米和大豆品質(zhì)影響的試驗研究[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2007,23(5):47-50.

[9] Fonseca A F D, Herpin U, Paula A M D, et al. Agricultural use of treated sewage effluents: Agronomic and environmental implications and perspectives for Brazil[J]. Scientia Agricola, 2007,64(2):194-209.

[10] Khamisi S A A, Prathapar S A, Ahmed M. Conjunctive use of reclaimed water and groundwater in crop rotations[J]. Agricultural Water Management, 2013,116(1):228-234.

[11] Hu H Y, Zhang L, Wang Y P. Crop development based assessment framework for guiding the conjunctive use of fresh water and sewage water for cropping practice-A case study[J]. Agricultural Water Management, 2016,169:98-105.

[12] 徐應(yīng)明, 魏益華, 孫 揚,等. 再生水灌溉對小白菜生長發(fā)育與品質(zhì)的影響研究[J]. 灌溉排水學(xué)報, 2008,27(2):1-4.

[13] Li Y F, Li Y S, Wen J F. Effects of sewage application on salt accumulation in soil and on sap flow of tomato plants under drip irrigation[C]∥ Emerging Technologies for Sustainable Irrigation, ASABE/ IA Irrigation Symp. 2015:1-11.

[14] Guo L J, Li J S, Li Y F. Comparison of plant growth and nitrogen uptake of maize under drip irrigation applying treated sewage effluent and groundwater[C]∥ ASABE International Meeting, Sponsored by ASABE July, 2015:2 510-2 520.

[15] GB/T 50485-2009，微灌工程技術(shù)規(guī)范[S].

[16] 巨曉棠, 張福鎖. 關(guān)于氮肥利用率的思考[J]. 生態(tài)環(huán)境, 2003,12(2):192-197.

[17] Zhang Q W, Yang Z L, Zhang H, et al. Recovery efficiency and loss of15N-labelled urea in a rice-soil system in the upper reaches of the Yellow River basin [J]. Agriculture Ecosystems & Environment, 2012,158:118-126.

[18] 黃冠華, 查貴鋒, 馮紹元,等. 冬小麥再生水灌溉時水分與氮素利用效率的研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2004,20(1):65-68.

[19] Li J, Li Y, Zhang H. Tomato yield and quality and emitter clogging as affected by chlorination schemes of drip irrigation systems applying sewage effluent[J]. Journal of Integrative Agriculture, 2012,11(10):1 744-1 754.

[20] 彭致功, 楊培嶺, 任樹梅,等. 再生水灌溉對草坪草生長速率、葉綠素及類胡蘿卜素的影響特征[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2006,22(10):105-108.

[21] 查貴鋒, 黃冠華, 馮紹元,等. 夏玉米污水灌溉時水分與氮素利用效率的研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2003,19(3):63-67.

[22] 李 平, 胡 超, 樊向陽,等. 減量追氮對再生水灌溉設(shè)施番茄根層土壤氮素利用的影響[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2013,19(4):972-979.