王 輝，黃正忠，譚 帥，胡傳旺，武 蕓

再生水灌溉對紅壤水力特性的影響

王 輝，黃正忠，譚 帥，胡傳旺，武 蕓

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，長沙 410128）

再生水長時間灌溉是誘發(fā)土壤水力特性演變的關(guān)鍵因素之一。該文采用再生水原液（reclaimed water，RW）以及再生水原液稀釋2倍（RW-2）、4倍（RW-4）、6倍（RW-6）等4種不同濃度再生水水源，設(shè)置再生水連續(xù)灌溉與再生水-蒸餾水交替灌溉（ARW、ARW-2、ARW-4、ARW-6）2種灌溉模式，以蒸餾水連續(xù)灌溉（CK）為對照，持續(xù)對第四紀紅壤進行干濕循環(huán)模擬灌溉，直到土壤入滲趨于穩(wěn)定為止。采用壓力膜儀法測定各灌溉處理后的土壤水分特征曲線，選擇van Genuchten（VG）模型對其參數(shù)提取，分析了紅壤水力特性的演變特征及其參數(shù)影響。結(jié)果表明：再生水灌溉顯著影響了紅壤的持水特性，促使紅壤孔隙大小、數(shù)量及其分布發(fā)生演變，該變化規(guī)律與再生水水質(zhì)濃度、灌溉模式關(guān)系密切。與CK相比，再生水連續(xù)灌溉模式RW、RW-2、RW-4、RW-6處理下，紅壤有效水分別提高了5.4%、3.6%、14.6%、-8.1%；再生水-蒸餾水交替灌溉模式ARW、ARW-2、ARW-4、ARW-6處理下，紅壤有效水分別降低了9.9%、23.3%、26.5%、16.9%。與CK相比，連續(xù)灌溉對紅壤水力傳導(dǎo)性無顯著影響；而交替灌溉則影響顯著，其土壤非飽和導(dǎo)水率、水分擴散度大體表現(xiàn)為CK>ARW-6?ARW-4>ARW>ARW-2。再生水灌溉對VG模型參數(shù)θ、θ均有顯著影響；再生水的pH值、電導(dǎo)率及鈉吸附比均與紅壤有效水存在顯著的相關(guān)性。該研究結(jié)果對紅壤地區(qū)再生水長期灌溉利用風險評估提供了一定理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

灌溉；土壤水分；水分特征曲線；再生水；導(dǎo)水率；VG模型

0 引 言

隨著中國社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展，社會生產(chǎn)的用水量不斷增長，加劇了各行業(yè)對水資源的需求，利用再生水等非常規(guī)水源是緩解水資源供需矛盾的重要途徑[1-5]。由于再生水中鹽分含量較高，長期灌溉可能加重土壤退化的風險，為此眾多學(xué)者[5]進行了大量的研究。商放澤、等[6-7]指出再生水灌溉會導(dǎo)致鹽分累積而引起土壤結(jié)構(gòu)的破壞，長期灌溉將存在土壤鹽漬化、堿化的風險[8-11]]。Lado等[12]通過長期再生水灌溉試驗研究發(fā)現(xiàn)，土壤含鹽量的增加導(dǎo)致了土壤黏粒的膨脹與分散，從而影響了土壤導(dǎo)水及持水性。也有研究表明，再生水等低質(zhì)水中的化學(xué)物、有機物等對提高土壤孔隙度和穩(wěn)定性具有促進作用[13]。肖振華等[14]研究表明，土壤導(dǎo)水率隨灌溉水礦化度的增加而增加。楊林林等[15]研究發(fā)現(xiàn)，隨著再生水灌溉時間的延長及灌水次數(shù)的增加，土壤導(dǎo)水率與水分擴散度會隨之提高。由此可見，再生水灌溉對土壤水力特性的影響，不僅與灌溉水質(zhì)狀況、受納土壤的性質(zhì)有關(guān)，還與灌溉定額、灌溉時間、灌溉次數(shù)等灌溉方式、灌溉模式關(guān)系密切，甚至受灌溉區(qū)域的地質(zhì)水文條件等眾多因素的影響。目前，大多數(shù)關(guān)于再生水以及高礦化度非常規(guī)水對土壤水力特性等物理性狀影響的研究主要集中在北方、西北干旱半干旱缺水地區(qū)的砂土或砂性且偏堿性壤土地區(qū)[16-19]，而降水相對充沛且呈酸性的黏質(zhì)紅壤地區(qū)，再生水灌溉對土壤水力特性影響的相關(guān)研究鮮有報道。因此，本文選用城市污水處理廠所排放的再生水為灌溉水源，以南方典型紅壤為研究對象，分析再生水灌溉對紅壤水力特性演化特征的影響，探究再生水灌溉后紅壤水分運動及保持的變化規(guī)律，以期為中國南方紅壤地區(qū)再生水科學(xué)灌溉利用提供參考，這對于南方水土資源的可持續(xù)高效利用與開發(fā)有著重要的價值與意義。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 供試土壤

本試驗土壤取自湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)校園附近試驗基地。采集田間表層0～20 cm土樣，自然風干，除去植物根系、石塊等雜物，磨碎過2 mm篩，充分混勻后備用。利用比重計法測定土壤顆粒組成，按照國際制土壤質(zhì)地分級標準，供試土樣屬黏土（12%砂粒，32%粉粒，56%黏粒）。在土水比為1∶5的懸液試樣下測得土壤的電導(dǎo)率（EC）為46.70S/cm；pH值為5.05；有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)為3.279 g/kg；陽離子交換量、SO42-、Cl-、交換性K+、Na+、Ca2+、Mg2+含量分別為13.105、0.010、0.058、0.150、0.297、3.168、0.499 cmol/kg。

1.1.2 供試水樣

本試驗以長沙市花橋污水處理廠二級出水為再生水（reclaimed water，RW）灌溉水源。雖然再生水是污水廠處理后達標排放的，但其水質(zhì)成分十分復(fù)雜，其化學(xué)成分和濃度波動較大，受取樣時間、前期天氣、水樣本源等眾多因素的影響。為探究不同濃度梯度的再生水對紅壤水力特性的影響，利用蒸餾水將每次采集的再生水原液（RW）分別稀釋為2倍（RW-2）、4倍（RW-4）、6倍（RW-6）等3種低濃度的再生水；每次模擬灌溉前，從每次處理的灌溉水中抽取一定數(shù)量的水樣，以供測定其各項化學(xué)指標。整個模擬灌溉試驗過程持續(xù)時間為2016年10月—2017年12月，灌溉次數(shù)為11次，灌溉總量約66 L/桶，土壤再生水模擬灌溉試驗預(yù)處理完成。每次灌溉處理相應(yīng)的各等級濃度再生水的基本化學(xué)指標平均值見表1。

表1 灌溉水樣基本化學(xué)成分指標平均值

注：RW為再生水原液，RW-2為再生水原液稀釋2倍再生水，RW-4為稀釋4倍再生水，RW-6為稀釋6倍再生水，CK為蒸餾水，下同。

Note: RW is original reclaimed water, RW-2, RW-4 and RW-6 are diluted concentration of 2, 4, 6 times of reclaimed water, CK is distilled water, the same below.

1.2 試驗設(shè)計及方法

1.2.1 試驗設(shè)計與灌溉試驗

本試驗在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)灌溉排水實驗室進行，試驗設(shè)置再生水濃度和再生水灌溉模式2個因素，采用4種濃度的再生水為灌溉水源，并設(shè)置再生水連續(xù)灌溉與再生水-蒸餾水交替灌溉2種模式。4種濃度的再生水連續(xù)灌溉以RW、RW-2、RW-4、RW-6表示；交替灌溉則用ARW、ARW-2、ARW-4、ARW-6表示?？紤]到南方亞熱帶地區(qū)灌溉期間天然降雨時常介入的特殊氣候特征，同時為了消除自來水中氯離子等其他物質(zhì)的干擾，選用溶質(zhì)含量較少、電導(dǎo)率低的蒸餾水作對照（CK）處理，進行連續(xù)模擬灌溉。每組處理設(shè)3個重復(fù)。

采用底部打孔的圓形塑料桶（高為32 cm，直徑26 cm）裝填紅壤作供試土柱，進行模擬灌溉試驗。填土前，預(yù)先于桶底平鋪紗網(wǎng)，均勻裝填5 cm石英砂作過濾層。每桶均以1.2 g/cm3的容重大小分層填裝，并在層與層的接觸面做打毛處理，以防入滲過程中出現(xiàn)分層現(xiàn)象，土柱裝填高度均為17 cm。隨機選取3個土柱埋設(shè)張力計，其埋設(shè)深度為10 cm，每個土柱均做遮雨處理。為了盡可能消除土壤填裝過程中的人為誤差，灌溉試驗開始前，對每個土柱均用定量的蒸餾水進行初灌預(yù)處理，使得土壤濕潤、沉降。每次灌水時在土壤表面放置防沖濾網(wǎng)，以防止灌水時破壞土壤表層結(jié)構(gòu)，灌水前堵塞桶下底孔以保證試驗土樣與灌溉水充分接觸，24 h后打開培養(yǎng)桶底孔，排出土柱上層積水。初灌預(yù)處理結(jié)束后，進行再生水模擬灌溉試驗。每個土柱每次灌水量均為6 L，記錄不同處理下土柱表層積水入滲消耗時間；入滲完畢后，土柱置于露天條件下自然風干，待張力計讀數(shù)達到80 kPa左右時，進行下一輪灌溉，如此干濕循環(huán)處理近1 a，待每個土柱前后3次灌溉的積水入滲消耗時間基本一致時，則認為該土柱內(nèi)土壤結(jié)構(gòu)基本穩(wěn)定，即可終止其灌溉試驗，完成模擬灌溉土壤預(yù)處理。

1.2.2 采集土樣與測定方法

再生水灌溉處理結(jié)束后，利用環(huán)刀采集灌溉土柱表層土樣。取樣后，將環(huán)刀土樣置于對應(yīng)濃度處理的再生水或蒸餾水溶液中進行24 h的充分飽和，利用美國SOIL MOISTURE壓力膜儀測定脫濕過程土壤水分特征曲線；借助取樣的環(huán)刀，采用定水頭滲透法測定土壤飽和導(dǎo)水率[20]。

1.3 模擬模型

1.3.1 van Genuchten模型

大量研究表明，van Genuchten模型[21]（簡稱VG模型）能夠很好地描述土壤水分特征曲線并具有較高精度。因此，本文采用VG模型來擬合各處理下的土壤水分特征曲線，其表達式為

式中為土壤體積含水率；θ為土壤飽和體積含水率；θ為殘余土壤體積含水率；為負壓，cm；為與進氣吸力相關(guān)的參數(shù)，其值近似為進氣吸力的倒數(shù)；=1-1/；、、均為反映土壤水分特征曲線形狀的經(jīng)驗參數(shù)。

1.3.2 非飽和導(dǎo)水率及水分擴散度模型

Mualem[22]提出了非飽和導(dǎo)水率模型，結(jié)合VG模型和飽和導(dǎo)水率（s），可得到土壤非飽和導(dǎo)水率（）及水分擴散度（）的數(shù)學(xué)表達式

式中K為土壤飽和導(dǎo)水率；K為土壤非飽和導(dǎo)水率；D為水分擴散度。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2016進行數(shù)據(jù)處理和圖形制作，SPSS 21進行數(shù)理統(tǒng)計分析，利用美國鹽改中心開發(fā)的RETC軟件獲取VG模型參數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 再生水灌溉對紅壤水分特征曲線的影響

2.1.1 再生水灌溉對紅壤持水特征的影響

土壤水分特征曲線反映了土壤水的基質(zhì)勢與土壤含水量之間的關(guān)系，也間接表征土壤孔隙大小及其分布，可用來反映土壤的持水性和土壤水分的有效性。圖1描述了2種灌溉模式下不同濃度再生水灌溉處理后紅壤水分特征曲線的變化規(guī)律。由圖1可見，灌溉模式和再生水不同濃度處理土壤水分特性曲線呈現(xiàn)不同變化趨勢，這也表明紅壤的持水特性因灌溉模式和再生水水質(zhì)濃度的不同而呈現(xiàn)差異特征。由圖1a可知，連續(xù)灌溉模式下RW和RW-2的土壤水分特征曲線分別位于CK對照組的右上側(cè)，反映了RW和RW-2灌溉處理后土壤的持水能力相對CK對照組呈增強趨勢；RW-4和RW-6的則位于CK對照組的左下側(cè)，說明其持水能力呈減弱狀態(tài)?？傊?，連續(xù)灌溉模式下，紅壤持水性強弱程度大致依次為：RW > RW-2> CK > RW-4> RW-6。然而，交替灌溉模式下各處理所對應(yīng)的水分特征曲線均位于CK對照組的左下側(cè)，表明再生水灌溉處理后紅壤的持水能力減弱了，其持水性強弱程度的大小依次為：CK>ARW?ARW-2>ARW-6>ARW-4（見圖1b）。由于再生水中所含的物質(zhì)十分復(fù)雜，既有可增強土壤持水性的有機質(zhì)、鹽離子等物質(zhì)，但又含有可降低土壤持水性的其他鹽類物質(zhì)。因此，連續(xù)灌溉模式下土壤持水性是否增強，這取決于長時間灌溉后土壤累積物質(zhì)的綜合作用；對于再生水-蒸餾水交替灌溉模式而言，由于低電解質(zhì)蒸餾水與再生水交替作用，減少鹽類等物質(zhì)的累積，使其對土壤的綜合作用減弱，因而紅壤的持水能力呈減小趨勢。

2.1.2 再生水灌溉紅壤有效水范圍變化特征

為了便于定量研究，Chaudhari等[23]將土壤水吸力處于0～33 kPa之間的土壤水分定義為排出水（drainable water，DW），在33～1 500 kPa之間所持水分定義為有效水（available water，AW），當土壤水吸力達1 500 kPa時的含水率稱為殘余水（residual water，θ）。排出水和殘余水通常無法被植物吸收利用，也稱為無效水。通過分析不同灌溉模式下再生水灌溉后土壤水分參數(shù)變化，發(fā)現(xiàn)可供植物利用的土壤有效水范圍因再生水灌溉導(dǎo)致的土壤物理結(jié)構(gòu)改變而發(fā)生變化，其結(jié)果見表2。由表2可知，與CK對照組相比，連續(xù)灌溉下RW、RW-2、RW-4、RW-6處理分別提高了紅壤有效水5.4%、3.6%、14.6%、-8.1%；交替灌溉下ARW、ARW-2、ARW-4、ARW-6處理分別降低了紅壤有效水9.9%、23.3%、26.5%、16.9%。連續(xù)灌溉RW-4、RW-6處理下，殘余水較CK對照組依次降低9%、8.5%，而RW、RW-2處理下較CK對照組依次提高3.3%、1.6%；交替灌溉ARW、ARW-2、ARW-4、ARW-6處理下，紅壤殘余水較CK對照組依次降低了11.6%、10.1%、30.6%、14.3%。

a. 連續(xù)灌溉模式

a. Continuous irrigation mode

b. 交替灌溉模式

土壤孔隙大小及其分布特征變化直接反映了土壤水分的保持和遷移變化狀況?；谕寥浪痔卣髑€進一步分析再生水灌溉后紅壤孔隙大小及其分布特征，計算出各處理下的土壤當量孔徑分布特征[24]，其結(jié)果如表2所示。與CK對照組相比，連續(xù)灌溉模式RW處理下土壤孔隙占比變化較小，RW-2處理下紅壤大孔隙降低3.1%，而RW-4、RW-6處理下大孔隙分別增加3.5%、6.9%；除RW-2處理使得紅壤微小孔隙增加2.1%外，RW、RW-4、RW-6處理下紅壤微小孔隙分別均降低0.5%、5.4%、5.1%。這是由于再生水中的有機質(zhì)、鈉離子等會造成土壤黏粒分散和膨脹，土壤大孔隙減??；但高濃度再生水中的鹽分可抑制其作用，因而RW處理下土壤孔隙占比未發(fā)生較大變化；而RW-2處理下，灌溉水鹽分濃度降低，其對土壤黏粒膨脹和分散的抑制作用減弱，致使中小孔隙增加更為明顯，該試驗結(jié)果與純鈉鹽溶液處理紅壤的試驗結(jié)果[24]基本一致。可見，適宜濃度的再生水對紅壤有效孔隙和微小孔隙的形成起到了促進作用。但隨著再生水的稀釋，土壤黏粒分散形成的細小顆粒不斷流失，土壤中小孔隙連通后形成較大孔隙，因而RW-4、RW-6的土壤持水能力降低。

表2 2種灌溉模式下土壤水分參數(shù)和土壤孔隙大小分布特征

注：ARW，ARW-2，ARW-4，ARW-6分別表示使用再生水原液，稀釋2、4、6倍再生水的交替灌溉處理；33表示土壤水吸力為33 kPa時的土壤含水率；θ，33，θ為實測值，下同。

Note: Irrigation with different concentrations of reclaimed water and distilled water alternately, the corresponding treatments were expressed as: ARW, ARW-2, ARW-4, ARW-6, the same below;33means water content at equilibrium suction 33kPa;θ,33andθare observed values，the same below.

與CK對照組相比，交替灌溉ARW、ARW-2、ARW-4、ARW-6處理下其大孔隙比例分別增加了10.9、8.2、17.4、12.5個百分點；紅壤有效孔隙率呈減少趨勢，ARW、ARW-2、ARW-4、ARW-6處理紅壤有效孔隙分別減少了2.5、3.7、3.8、3.4個百分點。再生水交替灌溉模式增加了低電解質(zhì)灌溉水-蒸餾水的作用過程，土壤團粒間歇地受到低電解質(zhì)灌溉水的作用，低電解質(zhì)蒸餾水入滲后可能對土壤基鹽產(chǎn)生較再生水更大的對流彌散作用，土壤黏粒分散形成的細小顆粒更容易流失，致使紅壤中小孔隙遭到破環(huán)而形成大孔隙，減少中小孔隙所占比例，降低了紅壤的持水能力及有效水含量。

2.2 再生水灌溉對紅壤水力傳導(dǎo)性的影響

2.2.1 再生水灌溉紅壤非飽和導(dǎo)水率變化特征

如圖2所示，與對照處理相比，連續(xù)灌溉下再生水對紅壤非飽和導(dǎo)水率并未產(chǎn)生較大影響，紅壤非飽和導(dǎo)水率隨體積含水率的增加呈增大趨勢。交替灌溉下再生水對紅壤非飽和導(dǎo)水率影響明顯，ARW-4處理的曲線與CK對照組幾乎重合，其余各處理下的變化曲線均在CK對照組下側(cè)，即相同含水率下的土壤導(dǎo)水率小于CK對照組（圖2b）。由此可見，再生水灌溉模式會影響紅壤的非飽和導(dǎo)水率，連續(xù)灌溉下紅壤非飽和導(dǎo)水率與對照組無明顯差異；交替灌溉下表現(xiàn)為CK?ARW-4> ARW-6>ARW>ARW-2。

2.2.2 再生水灌溉紅壤水分擴散度變化特征

根據(jù)圖3可知，連續(xù)灌溉下紅壤水分擴散度隨體積含水率的增加而增大；RW-2處理下的變化曲線同CK對照組曲線幾近一致，RW、RW-4、RW-6處理下的曲線近乎重合且低于RW-2處理。交替灌溉下紅壤水分擴散度隨體積含水率的增加也呈增大趨勢；且交替灌溉模式下再生水各濃度處理其土壤水分擴散度均低于CK對照組。因此，2種灌溉模式使得相同含水率下紅壤所對應(yīng)的水分擴散度有所差異；連續(xù)灌溉下表現(xiàn)為CK?RW-2> RW?RW-4?RW-6；交替灌溉下表現(xiàn)為CK>ARW-6?ARW-4>ARW>ARW-2。

a. 連續(xù)灌溉模式

a. Continuous irrigation mode

b. 交替灌溉模式

a. 連續(xù)灌溉模式

a. Continuous irrigation mode

b. 交替灌溉模式

結(jié)合2.1中的分析結(jié)果，再生水交替灌溉下雖致使紅壤大孔隙占比有所增加，但大孔隙的增多并未提高其非飽和導(dǎo)水率及水分擴散度，反而減弱了紅壤在非飽和狀態(tài)下的水分傳導(dǎo)速率。這是由于土壤在非飽和下的導(dǎo)水率與水分擴散度主要受中小孔隙數(shù)量、分布及其連通性等所制約。因此，對于再生水交替灌溉模式，可能是由于低電解質(zhì)蒸餾水的間隔入滲對紅壤膠粒的化學(xué)物質(zhì)組成、孔隙大小及其孔隙連通的疏密程度造成了改變，導(dǎo)致在非飽和狀態(tài)下其水力傳導(dǎo)性有所下降。

2.3 再生水灌溉對VG模型參數(shù)的影響

2.3.1 再生水灌溉VG模型參數(shù)變化特征

為進一步定量分析再生水濃度和灌溉模式對紅壤水分特征曲線的影響，利用VG模型對各處理的紅壤水分特征曲線進行模擬，其模擬結(jié)果相關(guān)系數(shù)2均高于0.99，表明VG模型能夠很好地描述2種再生水灌溉模式下的土壤水分特征曲線形狀變化。通過VG模型提取各處理下其相應(yīng)參數(shù)θ、θ、、值，并與CK對照組的參數(shù)值進行對比，其結(jié)果如表3所示。

由表3可見，2種灌溉模式對θ的影響較CK對照組差異最小，θ為土壤飽和含水率，受土壤總孔隙體積控制，說明紅壤經(jīng)再生水灌溉1a后，土壤孔隙分布發(fā)生了變化，其總孔隙大小卻未發(fā)生較大改變；再生水濃度與灌溉模式對土壤殘余水θ造成顯著差異；與CK對照組相比，連續(xù)灌溉模式各處理下土壤殘余含水率θ變化較小；經(jīng)交替灌溉后，隨再生水濃度的減小，θ不斷降低。再生水濃度與灌溉模式對的影響最為顯著，與CK對照組相比，該值的變幅也最為明顯。連續(xù)灌溉下，RW-2處理對的影響最大，隨著再生水的稀釋，其變化率呈先降后升；交替灌溉下，ARW與ARW-6處理致使的變化率最大，而隨著再生水濃度梯度下降，參數(shù)的變化率呈先升后降。

表3 2種灌溉模式下紅壤水分特征曲線VG模型擬合參數(shù)

注：同列不同小寫字母表示同組間不同處理間差異顯著（<0.05）；θ和θ為擬合值，下同。

Note: Different letters in the same column indicate significant difference (<0.05); θandθare fitted values, the same below.

研究指出可反映土壤釋水速率的快慢[21]。由表3可見，連續(xù)灌溉模式下隨再生水濃度升高，先降低后略微上升；交替灌溉模式下，隨著再生水濃度增加，呈現(xiàn)出持續(xù)下降后趨于平緩；2種灌溉模式下再生水濃度差異對紅壤的釋水速率影響顯著。交替灌溉模式模擬了南方降雨情況下再生水灌溉對紅壤的影響，2種灌溉模式下經(jīng)較高濃度再生水處理后值的大小逐漸接近，為進一步探究適宜南方亞熱帶紅壤的再生水灌溉模式提供參考。

2.3.2 再生水主要化學(xué)指標與紅壤水力特征參數(shù)的相關(guān)性分析

為進一步分析再生水的化學(xué)性質(zhì)在2種灌溉模式下對紅壤持水性的影響，選取了灌溉水中pH值EC、鈉吸附比（SAR）3個化學(xué)指標與紅壤有效水及VG模型參數(shù)θ、θ、、5個土壤物理參數(shù)進行相關(guān)性分析（如表4所示）。分析結(jié)果顯示，連續(xù)灌溉下，紅壤有效含水率與灌溉水pH值呈顯著正相關(guān)關(guān)系（<0.05），這表明再生水中酸性化學(xué)物質(zhì)的增加對紅壤持水性產(chǎn)生了不利影響；交替灌溉下紅壤有效含水率與EC呈顯著正相關(guān)（<0.05），與SAR呈極顯著正相關(guān)（<0.01），表明交替灌溉模式下紅壤持水性受灌溉水中的鹽離子影響顯著。

表4 2種灌溉模式下再生水主要化學(xué)指標與紅壤水力特征參數(shù)間相關(guān)性分析

注：樣本數(shù)為27個；*和**分別表示在<0.05和<0.01水平下顯著相關(guān)。

Note: The total number of samples is 27; ** is significantly correlated at 0.01 level; * is significantly correlated at 0.05 level.

3 結(jié) 論

1）再生水灌溉顯著改變了紅壤的持水特性，促使紅壤孔隙的大小、數(shù)量及其分布發(fā)生演變，且與再生水水質(zhì)濃度、灌溉模式關(guān)系密切。與CK對照組相比較，連續(xù)灌溉模式RW、RW-2處理的持水能力增加，RW-4、RW-6處理的持水能力減弱；RW、RW-2、RW-4、RW-6處理下土壤有效水分別提高了5.4%、3.6%、14.6%、-8.1%；土壤殘余水在RW-4、RW-6處理下分別降低了9%、8.5%，RW、RW-2處理下分別提高了3.3%、1.6%。與CK對照組相比較，交替灌溉模式各處理的土壤持水能力均減弱，ARW、ARW-2、ARW-4、ARW-6處理下土壤有效水分別降低了9.9%、23.3%、26.5%、16.9%，土壤殘余水分別降低了11.6%、10.1%、30.6%、14.3%。這表明連續(xù)灌溉下再生水有可能促進紅壤有效孔隙的形成；再生水-蒸餾水交替灌溉下紅壤大孔隙比例增加，中小孔隙數(shù)量減少，致使紅壤持水性降低。

2）再生水灌溉模式顯著影響紅壤水力傳導(dǎo)性。與CK對照相比，再生水連續(xù)灌溉模式下土壤非飽和導(dǎo)水率和水分擴散度均無明顯差異；然而，再生水-蒸餾水交替灌溉下紅壤水力傳導(dǎo)性有所下降，相同含水率下的土壤非飽和導(dǎo)水率、水分擴散度大小均表現(xiàn)為CK>ARW-6?ARW-4>ARW>ARW-2。

3）再生水灌溉對VG模型參數(shù)θ、θ、、均有顯著影響。再生水濃度是導(dǎo)致VG模型參數(shù)產(chǎn)生差異的重要原因。2種灌溉模式均減弱了紅壤的釋水速率；連續(xù)灌溉下再生水pH值與紅壤有效水呈顯著正相關(guān)，表明再生水中的酸性化學(xué)物質(zhì)對紅壤持水性有不利影響；交替灌溉下紅壤有效水與EC呈顯著正相關(guān)，與SAR呈極顯著正相關(guān)，表明紅壤持水性受灌溉水中的鹽離子影響顯著。

因此，合理使用再生水灌溉有助于提高紅壤持水能力，但交替灌溉過程中低電解水的加入增加了土壤持水能力退化和有效水降低的風險趨勢，從而降低了土壤的抗旱能力，這對于在雨季偏多且集中的中國南方紅壤地區(qū)，尤其存在季節(jié)性干旱的地區(qū)，進行再生水灌溉利用時應(yīng)給予高度重視。

[1] 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)研究進展[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2015，46(6)：102－110. Li Yanfeng, Li Jiusheng, Zhao Weixia, et al. A review on irrigation technology applying sewage effluent- ad Vances and prospects[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015, 46(6): 102－110. (in Chinese with English abstract)

[2] Mingorance A D, Rossini Oliva S B D D, Valdés B B D D, et al. Stabilized municipal sewage sludge addition to improve properties of an acid mine soil for plant growth[J]. Journal of Soils & Sediments, 2014, 14(4): 703－712.

[3] Sou M Y, Mermoud A, Yacouba H, et al. Impacts of irrigation with industrial treated wastewater on soil properties[J]. Geoderma, 2013, 200: 31－39.

[4] 陳衛(wèi)平，張煒鈴，潘能，等. 再生水灌溉利用的生態(tài)風險研究進展[J]. 環(huán)境科學(xué)，2012，33(12)：4070－4080. Chen Weiping, Zhang Weiling, Pan Neng, et al. Ecological Risks of Reclaimed Water Irrigation: A Review[J]. Environmental Science, 2012, 33(12): 4070－4080. (in Chinese with English abstract)

[5] Halliwell D J, Barlow K M, Nash D M. A review of the effects of wastewater sodium on soil physical properties and their implications for irrigation systems[J]. Soil Research, 2001, 39(39): 1259－1267.

[6] 商放澤，任樹梅，鄒添，等. 再生水及鹽溶液入滲與蒸發(fā)對土壤水鹽和堿性的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2013，29(14)：120－129. Shang Fangze, Ren Shumei, Zou Tian, et al. Effects of infiltration and evaporation with treated wastewater and salt solutions on soil moisture and salinize-alkalization[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(14): 120－129. (in Chinese with English abstract)

[7] Goncalves R A B, Folegatti M V, Gloaguen T V, et al. Hydraulic conductivity of a soil irrigated with treated sewage effluent[J]. Geoderma, 2007, 139(1/2): 241－248.

[8] 潘能，陳衛(wèi)平，焦文濤，等. 綠地再生水灌溉土壤鹽度累積及風險分析[J]. 環(huán)境科學(xué)，2012，33(12)：4088－4093. Pan Neng, Chen Weiping, Jiao Wentao, et al. Soil salinity in greenland irrigated with reclaimed water and risk assessment[J]. Environmental Science, 2012, 33(12): 4088－4093. (in Chinese with English abstract)

[9] 唐勝強，佘冬立. 灌溉水質(zhì)對土壤飽和導(dǎo)水率和入滲特性的影響[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2016，47(10)：108－114. Tang Shengqiang, She Dongli. Influence of water quality on soil saturated hydraulic conductivity and infiltration properties[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(10): 108－114. (in Chinese with English abstract)

[10] 薛彥東，楊培嶺，任樹梅，等. 再生水灌溉對土壤主要鹽分離子的分布特征及鹽堿化的影響[J]. 水土保持學(xué)報，2012，26(2)：234－240. Xue Yandong, Yang Peiling, Ren Shumei, et al. Effects of treated wastewater irrigation strategies on the distribution of salt contents in soils cultivated with tomato and cucumber[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2012, 26(2): 234－240. (in Chinese with English abstract)

[11] 鄭偉，李曉娜，楊志新，等. 再生水灌溉對不同類型草坪土壤鹽堿化的影響[J]. 水土保持學(xué)報，2009，23(4)：101－104. Zheng Wei, Li Xiaona, Yang Zhixin, et al. Effects of turf-grass irrigation with reclaimed water on soilsalinizealkalization[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2009, 23(4): 101－104. (in Chinese with English abstract)

[12] Lado M, Ben-Hur M. Effects of irrigation with different effluents on saturated hydraulic conductivity of arid and semiarid soils[J]. Soil Science Society of America Journal, 2010, 74(1): 23－32.

[13] Clanton C J, Slack D C. Hydraulic properties of soils as affected by surface application of wastewater[J]. Transactions of the ASAE, 1987, 30(3): 683－687.

[14] 肖振華，萬洪富. 灌溉水質(zhì)對土壤水力性質(zhì)和物理性質(zhì)的影響[J]. 土壤學(xué)報，1998，35(3)：359－366. Xiao Zhenhua, Wan Hongfu. Effect of irrigation water quality on soil hydraulic and physical properties[J]. Acta Peologica Sinica, 1998, 35(3): 359－366. (in Chinese with Englishabstract)

[15] 楊林林，楊培嶺，任樹梅，等. 再生水灌溉對土壤理化性質(zhì)影響的試驗研究[J]. 水土保持學(xué)報，2006，20(2)：82－85. Yang Linlin, Yang Peiling, Ren Shumei, et al. Experimentalm studies on effects of reclaimed water irrigation on soil physicochemical propertie[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2006, 20(2): 82－85. (in Chinese with Englishabstract)

[16] 畢遠杰，王全九，雪靜. 淡水與微咸水入滲特性對比分析[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2010，41(7)：70－75. Bi Yuanjie, Wang Quanjiu, Xue Jing. Infiltration on characteristic contrast analysis of fresh water and saline water[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2010, 41(7): 70－75. (in Chinese with English abstract)

[17] 郭全恩，王益權(quán)，馬忠明，等. 溶質(zhì)類型與礦化度對土壤水分擴散率的影響[J]. 干旱區(qū)地理，2011，34(1)：86－90. Guo Quanen, Wang Yiquan, Ma Zhongming, et al. Effect of solute type and mineralizations on soil moisture diffusivity[J]. Arid Land Geography, 2011, 34(1): 86－90. (in Chinese with English abstract)

[18] 劉靜妍，畢遠杰，孫西歡，等. 交替供水條件下土壤入滲特性與水鹽分布特征研究[J]. 灌溉排水學(xué)報，2015，34(4)：55－60. Liu Jingyan, Bi Yuanjie, Sun Xihuan, et al. Characteristics of soil infiltration and water-salt distribution under alternate irrigation[J] Journal of Irrigation and Drainage, 2015, 34(4): 55－60. (in Chinese with English abstract)

[19] 張珂萌，牛文全，汪有科，等. 微咸水微潤灌溉下土壤水鹽運移特性研究[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2017，48(1)：175－182. Zhang Kemeng, Niu Wenquan, Wang Youke, et al. Characteristics of water and salt movement in soil under moistube irrigation with brackish water[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2017, 48(1): 175－182. (in Chinese with English abstract)

[20] 曹瑞雪，邵明安，賈小旭. 層狀土壤飽和導(dǎo)水率影響的試驗研究[J]. 水土保持學(xué)報，2015，29(3)：18－21. Cao Ruixue, Shao Mingan, Jia Xiaoxu. Experimental study on effects of layered soils on saturated hydraulic conductivity[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2015, 29(3): 18－21. (in Chinese with English abstract)

[21] Van Genuchten M T, Leij F J, Yates S R. The RETC code for quantifying the hydraulic functions of unsaturated soils[R]. Riverside: U. S. Salinity Laboratory, USDA ARS, 1991.

[22] Mualem Y. A new model for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated porous media[J]. Water Resources Research, 1976, 12(3): 513－522.

[23] Chaudhari S K, Somawanshi R B, Bardhan G. Effect of water quality on moisture retention characteristics of different texture soils[J]. Journal of Agricultural Physics, 2007, 7(1): 20－26.

[24] 胡傳旺，王輝，武蕓，等. NaCl溶液處理亞熱帶土壤水分特征曲線差異與模型優(yōu)選[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2018，49(4)：290－296. Hu Chuanwang, Wang Hui, Wu Yun, et al. Difference of soil water characteristic curves of subtropical soils with NaCl solutions treatments and theirs optimization of models[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2018, 49(4): 290－296. (in Chinese with English abstract)

Effects of irrigation with reclaimed water on hydraulic characteristics of red soil

Wang Hui, Huang Zhengzhong, Tan Shuai, Hu Chuanwang, Wu Yun

(,,410128,)

With the rapid development of China's economy, the requirement for water resources from all walks of life is increasing. Using reclaimed water and other unconventional sources can greatly alleviate the contradiction between supply and demand for fresh water. However, long-term reclaimed water irrigation is one of the key factors that leads to the evolution of hydraulic characteristics of soil, and likely to increase the risk of soil degradation due to the high salt content of reclaimed water. As the irrigating water source, the reclaimed water discharged from the sewage treatment plant was selected in this test .During the wetting-drying cycle irrigation test, tested red soil was irrigated persistently with four kinds of reclaimed water with different concentrations, which were original reclaimed water (RW) and diluted concentration of 2 (RW-2), 4(RW-4), 6(RW-6) times. The selecting distilled water irrigation was control treatment (CK). Meanwhile, two irrigation modes applied to this study, such as continuous irrigation and alternate irrigation (irrigation with reclaimed water and distilled water alternately/ the corresponding treatments were expressed as: ARW, ARW-2, ARW-4, ARW-6). Finally, sampling was not started until the infiltration rate tended to stabilize after three times under the same treatment. In order to analyze the hydraulic characteristics of red soil, the soil water characteristic curve was measured by pressure membrane method, relying on van Genuchten (VG) model to extract the parameters of the water characteristic curve after fitting it. The results indicated that reclaimed water irrigation significantly affected the water retention of red soil and accelerated the evolution of pore’s size, quantity and distribution in red soil. The variation law was closely related to the concentration of reclaimed water and irrigation mode. Compared with CK treatment, continuous irrigation RW, RW-2, RW-4, RW-6 treatments, available water content in turn increased by 5.4%, 3.6%, 14.6%, -8.1%; Alternate irrigation ARW, ARW-2, ARW-4, ARW-6 processing, available water content reduced by 9.9%, 23.3%, 26.5%, 16.9%, respectively. Compared with the control group, continuous irrigation had no significant effect on the unsaturated hydraulic conductivity of red soil, while alternate irrigation had significant effect. In the same moisture content, red soil unsaturated hydraulic conductivity and water diffusivity from big to small both could be described as CK?ARW-4>ARW-6>ARW>ARW-2 under alternative irrigation generally. Reclaimed water irrigation had significant influence on VG model parameters (θ,θ,,), the pH, conductivity and sodium-adsorption ratio of reclaimed water were significantly correlated with the available water content of red soil. These results provided theoretical basis and technical support for the long-term utilization and risk assessment of reclaimed water in red soil areas. At present, reclaimed water and other low-quality water have not been put into agricultural production in south China. The change rules of water movement and retention in red soil under reclaimed water irrigation analyzed in this paper will have certain value and significance for the sustainable and efficient utilization and development of water resources, and also provide reference for the scientific irrigation of reclaimed water in south China because the red soil is the typical farming soil in this region.

irrigation; soil moisture; soil moisture characteristic curve; reclaimed water; hydraulic conductivity; van Genuchten (VG) model

2019-05-04

2019-08-25

國家自然科學(xué)基金項目（41471185）；湖南省教育廳科學(xué)研究重點項目（15A084）；湖南省重點研發(fā)計劃項目（2016JC2032）；湖南省教育廳科學(xué)研究一般項目(18C0156)

王 輝，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事土壤物理與農(nóng)業(yè)水土環(huán)境工程研究。Email：wanghuisb@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.17.015

S152.7

A

1002-6819(2019)-17-0120-08

王 輝，黃正忠，譚 帥，胡傳旺，武 蕓. 再生水灌溉對紅壤水力特性的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2019，35(17)：120－127. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.17.015 http://www.tcsae.org

Wang Hui, Huang Zhengzhong, Tan Shuai, Hu Chuanwang, Wu Yun. Effects of irrigation with reclaimed water on hydraulic characteristics of red soil[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(17): 120－127. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.17.015 http://www.tcsae.org