肖雨霄，鄧凌云，裴宏偉，李雅麗，呂圣薇，劉孟竹，胡錦娟，肖捷穎

（1.河北科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，石家莊 050018；2.河北省張家口生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，河北張家口 075000；3.河北建筑工程學(xué)院市政與環(huán)境工程系，河北張家口 075000；4.河北省水質(zhì)工程與水資源綜合利用重點實驗室，河北張家口 075000）

0 引 言

中國是世界上水資源嚴(yán)重短缺和分布不均的國家之一，人均水資源總量僅為世界平均水平的四分之一[1]。2020年，我國城市化率已經(jīng)突破60%，未來還將呈現(xiàn)加速發(fā)展的趨勢。城市化的加速發(fā)展，一方面使得城市綠地面積不斷擴(kuò)張、城市綠地對水量的需求不斷增加，水資源短缺問題日益加劇[2,3]，另一方面，城市人口的激增，也使得生活用水需求和污水排放水平逐年增加，尤其是北方城市面臨著水資源不足和水污染加重的雙重壓力。城市生活污水源再生水是一種數(shù)量穩(wěn)定、含有大量植物生長必需營養(yǎng)元素的再生水，對于干旱缺水且人口密集的北方城市，城市再生水無疑是一種良好的綠地灌溉替代水源[4]，且再生水中富含氮磷等營養(yǎng)元素，有助于作物生長，從而減少化肥的使用[5,6]，對于緩解城市用水緊張、改善生態(tài)環(huán)境具有重要意義[7]?！吨腥A人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》中也明確提出建立水資源剛性約束制度[8]，鼓勵開展再生水利用。推廣再生水利用不僅開辟了城市用水的“第二水源”，也是節(jié)水型社會建設(shè)的重要內(nèi)容之一。同時，可以有效降低污染物排放對生態(tài)環(huán)境造成的壓力[9]。

城市綠地是指以自然植被和人工植被為主要存在形態(tài)的城市用地，城市綠地提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)不僅支撐著城市的生態(tài)完整性，而且可以過濾空氣、消除污染、減弱噪音、降低溫度、滲入雨水、補充地下水[10,11]。諸多研究表明，再生水可為土壤和作物提供營養(yǎng)元素，利用再生水灌溉可以增加土壤肥力[12-14]，促進(jìn)作物生長。因此用再生水代替飲用水進(jìn)行城市綠地灌溉可以有效地解決水資源短缺問題[15]。王齊等[16]研究表明，中水灌溉綠地可為土壤提供較多養(yǎng)分，并且有利于植物生長。鄭汐等[17]試驗表明，與清水灌溉相比，再生水中大量的營養(yǎng)物質(zhì)被土壤吸收，增加了土壤的營養(yǎng)狀況。劉金榮等[18]對蘭州大學(xué)再生水回用于冷季型草坪草的研究表明，短期使用再生水灌溉不會對草坪草造成顯著傷害。鄭偉等[19]通過對滄州市再生水灌溉不同類型草坪對比試驗，得到再生水灌溉兩年后土壤鹽分呈增加趨勢。Zalacáin 等[20]指出，再生水灌溉提高了表層土壤微團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，可能與土壤有機(jī)質(zhì)含量較高有關(guān)。雖然再生水灌溉可以節(jié)約水資源，促進(jìn)植物生長，但再生水中大量的化學(xué)物質(zhì)、營養(yǎng)元素會對環(huán)境造成一定的污染，本研究采用小區(qū)對比實驗方法，研究不同水質(zhì)灌溉方式下對常見冷季型草根際土壤養(yǎng)分及土壤含水率的影響，同時測定不同土層深度草坪草的根系密度，為再生水灌溉的實際應(yīng)用及其標(biāo)準(zhǔn)制定提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

本研究采用早熟禾草坪作為實驗對象，實驗期為2019年6月28日至2020年6月28日，利用河北建筑工程學(xué)院校園中水站處理后的再生水灌溉。實驗所用土壤為過篩后的農(nóng)田耕作土，實驗裝置采用尺寸為0.85 m×0.85 m×1.2 m（長×寬×高）的不銹鋼土箱。在10、20、30、40、50、70 和90 cm 土層處分別埋置土壤水分探頭，土箱底部安置有集水排水孔（圖1）。實驗共設(shè)3個土箱，分別做不同灌溉水質(zhì)處理，即清水灌溉處理(T0，自來水)、混合水灌溉處理(T1，50%清水配50%再生水)、再生水灌溉處理(T2)。根據(jù)公園綠地一級養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，待草種生長后，7-8月每3 d灌溉一次水，8-9月每4 d灌溉一次水，9-10月每5 d 灌溉一次水，每次灌水量為10 L。實驗期間，分別在5月1日和8月30日施加復(fù)合有機(jī)肥、磷肥，每半個月修剪一次。

圖1 研究區(qū)草坪實驗現(xiàn)場裝置圖Fig.1 Lawn experiment site device diagram in the research area

灌溉水質(zhì)指標(biāo)及水質(zhì)檢測方法見表1。對實驗期前后的受納土壤進(jìn)行樣品采集并進(jìn)行土壤養(yǎng)分的檢測：其中，土壤全氮利用半微量開氏法檢測；土壤堿解氮和速效鉀分別采用擴(kuò)散法和火焰光度法檢測；土壤有機(jī)質(zhì)和NO3-分別采用重鉻酸鉀法和離子色譜法檢測。本實驗選用過篩后的回填土作為實驗土壤，分別用清水、混合水、再生水灌溉，在一年周期的實驗結(jié)束后，分層采集土箱中0～10、10～20、20～30、30～40和40～50 cm深度的土壤，進(jìn)行土壤養(yǎng)分檢測。

表1 灌溉水質(zhì)指標(biāo)及水質(zhì)檢測方法Ta.1 Irrigation water quality indicators and water quality testing methods

2 結(jié)果與分析

2.1 再生水灌溉對土層全氮的影響

土壤全氮是指土壤中各種形態(tài)氮素含量之和，全氮含量是土壤氮素的豐缺指標(biāo)。從圖2分析，不同水質(zhì)灌溉下，土壤養(yǎng)分狀況在不同空間上產(chǎn)生了不同的影響。實驗期前，0～50cm 土層全氮含量一直維持于0.03%，3種水質(zhì)處理下，0～10 cm 土層全氮含量均明顯高于實驗期前，說明施加的復(fù)合肥未被分解完全，土壤中仍存留一定的氮素。T0處理下，0～10 cm土層全氮含量達(dá)到0.07%，高于其他兩種水質(zhì)灌溉，這是由于再生水中含有大量的營養(yǎng)物質(zhì)，促使草坪草根系生長，而清水中的營養(yǎng)物質(zhì)相對較少，故草坪草不能很好的吸收氮素；10～50 cm 土層全氮含量保持穩(wěn)定，與實驗期前全氮含量相當(dāng)。T1 和T2 處理下，20～40 cm 土層全氮含量都低于實驗期前，最低達(dá)到0.02%，說明再生水中的微生物會吸收土壤中的氮素，造成全氮含量降低。隨著水流的不斷灌溉，土壤處于“淋洗”狀態(tài)，即未被吸收的氮素隨著水流下滲，且土壤濕度較大，土壤中氣流的運動受到了限制，草坪草根系供氧不足，在缺氧條件下，土壤中的硝態(tài)氮經(jīng)反硝化作用轉(zhuǎn)化成氣態(tài)排放到空氣中，故土壤中的全氮含量逐漸降低[21]。

圖2 0～50 cm土壤全氮分布Fig.2 Distribution of total nitrogen in 0～50 cm soil

2.2 再生水灌溉對土層堿解氮的影響

土壤堿解氮包括無機(jī)態(tài)氮（銨態(tài)氮、硝態(tài)氮）及易水解的有機(jī)態(tài)氮（氨基酸、酰胺和易水解蛋白質(zhì)），可以反映土壤氮素的供應(yīng)情況。從圖3分析，實驗期前，0～50 cm 土層土壤堿解氮含量維持在24 mg/kg，3 種水質(zhì)處理下，堿解氮的含量均隨著土壤深度的增加呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢，且均高于實驗期前。在10～20 cm土層處，3種水質(zhì)灌溉下，堿解氮含量分別為52、51、50 mg/kg，遠(yuǎn)高于實驗期前。T0和T1處理下，20～30 cm 處土壤堿解氮含量最低(24 mg/kg)；而T2 處理下，30～40 cm 處土壤堿解氮含量最低(31 mg/kg)，這是由于再生水中的營養(yǎng)物質(zhì)含量較高，更有助于草坪草根系生長，從而在該土層深度能繼續(xù)吸收氮素。且有學(xué)者研究表明[22]，土壤有機(jī)質(zhì)會被土壤中的異養(yǎng)微生物分解，將土壤有機(jī)氮轉(zhuǎn)為無機(jī)態(tài)氮，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成NO3-，故當(dāng)土壤有機(jī)質(zhì)越高時土壤堿解氮含量也會增高。

圖3 0～50 cm土壤堿解氮含量分布Fig.3 Distribution of alkali-hydrolyzed nitrogen in 0～50 cm soil

2.3 再生水灌溉對土層速效鉀的影響

速效鉀，是指土壤中易被作物吸收利用的鉀素，可以反映土壤鉀素的供應(yīng)情況。從圖4分析，實驗期前，0～50 cm 土層土壤速效鉀含量維持在74 mg/kg，3 種水質(zhì)處理下，速效鉀的含量均隨著土壤深度的增加呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢。在10～20 cm 土層處，3 種水質(zhì)灌溉下土壤速效鉀含量均集中在160～200 mg/kg 之間，分別為163、190、180 mg/kg，遠(yuǎn)高于實驗期前；T0 處理下，20～30 cm 土層處速效鉀含量最低(78 mg/kg)；T1和T2處理下，30～40 cm土層處速效鉀含量最低(69 mg/kg)，且低于實驗期前。

圖4 0～50 cm土壤速效鉀含量分布Fig.4 Distribution of available potassium content in 0～50 cm soil

2.4 土層中有機(jī)質(zhì)含量的變化情況

土壤有機(jī)質(zhì)包括各種動植物殘體、微生物及其生命活動所產(chǎn)生的各種有機(jī)物，主要有相對穩(wěn)定的土壤腐殖質(zhì)等。從圖5分析，實驗期前，0～50 cm 土層土壤有機(jī)質(zhì)含量維持在7.8 mg/kg，3 種水質(zhì)處理下，土壤有機(jī)質(zhì)的含量均隨著土壤深度的增加呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢，且在0～10 cm 土層處，T0、T1、T2 處理下土壤有機(jī)質(zhì)含量分別為12.7、13.4、13.5 g/kg，這是由于該深度土層中存在大量的動植物殘體，分解出的有機(jī)質(zhì)會累積在土壤中。有研究表明[23]，植物根系分泌物使根系土壤的微生物數(shù)量高于非根系土壤的微生物數(shù)量，故表層土壤有機(jī)質(zhì)含量均遠(yuǎn)高于實驗期前；在20～30 cm 土層處，T0 和T2 處理下有機(jī)質(zhì)含量達(dá)到最低，分別為5.4 g/kg 和5.1 g/kg；在30～40 cm 土層處，T1處理下有機(jī)質(zhì)含量最低且為4.7 g/kg。在20～50 cm 土層中，動植物殘體及一些有機(jī)物數(shù)量減少且草坪草根會吸收有機(jī)質(zhì)，因此在該深度土層有機(jī)質(zhì)含量有所消耗。

圖5 0～50 cm土壤有機(jī)質(zhì)含量分布Fig.5 Distribution of soil organic matter in 0～50 cm

2.5 土層NO3-含量變化情況

從圖6分析，實驗期前，0～50 cm 土層土壤中NO3-含量保持在19 mg/kg。3 種水質(zhì)處理下，土壤中NO3-的含量均隨著土壤深度的增加呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢。T2處理下，0～10 cm土層處NO3-含量達(dá)到27 mg/kg，遠(yuǎn)高于其他兩種水質(zhì)處理，并且高于實驗期前的含量，這是由于再生水中含有大量的NO3-；3種水質(zhì)灌溉下，10～50 cm 土層處NO3-含量趨于一致且遠(yuǎn)小于實驗期前NO3-含量，這說明土壤存在嚴(yán)重的氮流失，且再生水中的微生物本身就會吸收NO3-，因此若長期使用再生水灌溉，會對土壤造成一定的影響。

圖6 0～50 cm土壤NO3-含量分布Fig.6 Distribution of soil NO3-in 0～50 cm

2.6 不同水質(zhì)灌溉下各土層土壤體積含水率的分布情況

為對比不同水質(zhì)澆灌下土壤體積含水率的變化情況，分別在10、20、30、40、50、70、90 cm 土層處埋置土壤水分探測儀，對土壤體積含水率實時監(jiān)測。從圖7分析，3 種水質(zhì)灌溉下，隨著土壤深度增加，土壤體積含水率的變化趨勢大致相同，且混合水灌溉處理下的體積含水率略高于其他兩種，這是由于再生水中的大分子有機(jī)質(zhì)被土壤微生物降解利用，產(chǎn)生的降解產(chǎn)物和副產(chǎn)物有很強(qiáng)的膠結(jié)作用，有利于穩(wěn)定性團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的形成，從而改善土壤的入滲性能和導(dǎo)水性能[24]，但這類大分子也會在土壤中沉積，導(dǎo)致土壤堵塞，不利于土壤的導(dǎo)水性能[25]，因此，短期使用再生水澆灌有助于維持土壤含水率。從圖8分析可知，表層土壤中草坪草根系密度最大，隨著土壤深度的增加，根系密度逐漸減小；混合水灌溉下的根系密度高于清水灌溉高于再生水灌溉，說明草坪草生長旺盛，根系與土壤之間有更好的導(dǎo)水能力。對比不同水質(zhì)灌溉下土壤含水率變化，在清水、混合水和再生水條件下，0～10 cm 土層體積含水率分別為0.138 60、0.206 62、0.184 92 cm3/cm3，清水灌溉下土壤體積含水率顯著低于其他兩種水質(zhì)灌溉，說明再生水灌溉可以明顯固持土壤表層水分，減少蒸發(fā)，防止水分流失，有助于植株生長。

圖7 3種水質(zhì)處理下土壤體積含水率的變化趨勢Fig.7 Variation trend of soil volumetric water content under three kinds of water treatment

圖8 不同水質(zhì)灌溉下草坪草根系密度的分布情況Fig.8 Distribution of root density of turfgrass under irrigation with different water quality

從圖9分析，清水灌溉下，土壤體積含水率在20 cm 土層波動范圍最大(0.123～0.313 cm3/cm3)，在10 cm 土層處波動范圍最小(0.077～0.191 cm3/cm3)；混合水灌溉下，土壤體積含水率在20 cm土層波動范圍最大(0.124～0.304 cm3/cm3),在90 cm土層處波動范圍最小(0.198 ～0.307 cm3/cm3)；再生水灌溉下，土壤體積含水率在10 cm 土層波動范圍最大(0.053～0.29 cm3/cm3),在90 cm 土層處波動范圍最小(0.218 ～0.268 cm3/cm3)。隨著土層深度的增加，土壤體積含水率的波動越小。這是因為動植物活動大多存在于淺層土壤，且表層土壤受蒸散的作用，土壤含水率不穩(wěn)定，波動范圍大。再生水濃度越高，草坪草生長越旺盛，根系越發(fā)達(dá)，對水分的吸收越強(qiáng)烈，因此在再生水灌溉下，土壤含水率誤差范圍最大。

圖9 不同水質(zhì)灌溉下各土層土壤含水率誤差情況Fig.9 The error of soil moisture content in different soil layers under different water quality irrigation

3 結(jié) 論

(1)3 種不同水質(zhì)灌溉條件下，土壤中全氮、堿解氮和速效鉀含量均呈現(xiàn)隨著土層深度的增加先降低后升高的變化趨勢。與清水灌溉相比，再生水中的營養(yǎng)物質(zhì)可被植物根系吸收，促進(jìn)草坪草生長，因此在表層土壤處的全氮、堿解氮和速效鉀含量較低；但若長期使用再生水灌溉，水中的微生物會吸收土壤中的營養(yǎng)元素，對土壤造成一定的影響。

(2)3 種處理土壤有機(jī)質(zhì)的含量均隨著土壤深度的增加呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢，且在0-10 cm 土層處，有機(jī)質(zhì)含量均遠(yuǎn)高于實驗期前，20～30 cm 土層處，清水灌溉和再生水灌溉下有機(jī)質(zhì)含量達(dá)到最低；再生水處理下，0～10 cm 土層處NO3-含量達(dá)到27 mg/kg，遠(yuǎn)高于其他兩種水質(zhì)處理，10～50 cm土層處NO3-含量遠(yuǎn)小于實驗期前，這說明土壤存在嚴(yán)重的氮流失。

(3)再生水處理下的土壤體積含水率略高于其他兩種，且隨著土層深度的增加，土壤體積含水率的波動越小，這是由于草坪草根系發(fā)達(dá)可以有效地固存水分；但若長期使用再生水灌溉或不控制再生水濃度，水中的大分子會影響土壤孔隙度，不利于土壤的導(dǎo)水性能。