吉時(shí)育

(內(nèi)蒙古師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022)

中國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)水資源供給極其緊張，年均農(nóng)業(yè)缺水量達(dá)300億m3，受旱農(nóng)田面積達(dá)1333.33～2000萬hm2，8000萬農(nóng)業(yè)人口用水難，國(guó)家糧食生產(chǎn)深受威脅。解決中國(guó)農(nóng)業(yè)水資源短缺問題的關(guān)鍵，除了大力推廣節(jié)水灌溉，開辟新水源也尤為重要。再生水作為新水源，在諸多國(guó)家已廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)灌溉。伊朗、以色列、日本等國(guó)家將再生水用于農(nóng)業(yè)灌溉已開展多年，技術(shù)相對(duì)成熟。相對(duì)國(guó)外,我國(guó)起步較晚，我國(guó)再生水灌溉始于20世紀(jì)80年代，再生水來源主要是工業(yè)廢水，約占總量的40%～50%。由于再生水處理工藝復(fù)雜、經(jīng)濟(jì)成本高，因此我國(guó)再生水灌溉一般僅在污水處理廠下游較近農(nóng)田展開，有待大面積推廣。再生水灌溉技術(shù)市場(chǎng)前景廣闊，既能解決常規(guī)水資源，又能降低地表水體污染，是發(fā)展生態(tài)可持續(xù)農(nóng)業(yè)的有效手段。因此，明確再生水灌溉研究進(jìn)展和應(yīng)用存在的現(xiàn)實(shí)問題，對(duì)促進(jìn)再生水資源化灌溉推廣應(yīng)用具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

1 再生水灌溉對(duì)農(nóng)作物的影響

植物生長(zhǎng)主需的大中量養(yǎng)分，絕大多數(shù)被再生水包含，此類養(yǎng)分物質(zhì)可以提升農(nóng)作物抗性，利于農(nóng)作物增產(chǎn)，同時(shí)再生水中也含有阻礙作物正常生理活動(dòng)的大量鹽分。再生水灌溉可能促進(jìn)或抑制糧食作物生長(zhǎng)。經(jīng)過處理的再生水含有各種有機(jī)物、無機(jī)物，這些物質(zhì)可能對(duì)作物有益(如硝酸鹽)也可能有害(如鹽)，如果再生水灌溉量和灌溉水質(zhì)發(fā)生重大變化，可能導(dǎo)致全球糧食減產(chǎn)。再生水能夠增強(qiáng)土壤肥力，利于作物生長(zhǎng)，但水中所含的高濃度鹽量可能妨害作物生長(zhǎng)，也可因用水不當(dāng)，導(dǎo)致土壤鹽分積累。李中陽等[1]使用再生水灌溉黑麥草，結(jié)果表明，與清水灌溉相比，再生水灌溉顯著降低土壤pH和增加土壤有機(jī)質(zhì)，使土壤中的有效磷素得到提高。宰宏杰等[2]進(jìn)行2a期實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)再生水灌溉下玉米長(zhǎng)勢(shì)均高于清水，但在玉米根、稈部出現(xiàn)重金屬積累，且隨著灌溉水量、年限的增加呈增大趨勢(shì)。目前再生水灌溉對(duì)作物生長(zhǎng)和器官生理發(fā)育方面的研究較多，但對(duì)于低成本、可以在實(shí)際中大規(guī)模應(yīng)用的再生水水質(zhì)和受灌土質(zhì)對(duì)作物生理和品質(zhì)影響方面的研究較少，且大部分為短周期再生水灌溉試驗(yàn)，缺乏長(zhǎng)期試驗(yàn)研究，應(yīng)加強(qiáng)多年觀測(cè)或作物生長(zhǎng)模擬。

2 再生水灌溉對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響

2.1 再生水灌溉對(duì)土壤孔隙的影響

Wang等[3]調(diào)查長(zhǎng)期再生水灌溉，土壤孔隙度和保養(yǎng)能力顯著下降。藍(lán)明菊[4]通過室內(nèi)污水灌溉試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，污水灌溉會(huì)造成黏粒占比高的土壤入滲率下降。沙土和壤土經(jīng)長(zhǎng)期污水灌溉，土壤孔隙度密度提升，孔隙直徑下降。部分研究表明，再生水灌溉對(duì)土壤導(dǎo)水性的影響，取決于污水水質(zhì)、土壤化學(xué)性質(zhì)和土壤孔隙大小分布。沙質(zhì)土壤的導(dǎo)水性和入滲速率受再生水影響小，原因是孔隙直徑相對(duì)大，再生水中固體懸浮物不易嚴(yán)重堵塞孔隙，而壤土和粘土孔隙直徑相對(duì)較小，容易被再生水中懸浮無機(jī)固體堵塞土壤孔隙，導(dǎo)致土壤導(dǎo)水性和入滲速率下降。因此，再生水灌溉對(duì)土壤導(dǎo)水性能影響的研究結(jié)論不一致，得出降低壤土和粘土導(dǎo)水率的結(jié)果居多。

2.2 再生水灌溉對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的影響

關(guān)于土壤結(jié)構(gòu)，在這里主要討論土壤中的土壤單粒團(tuán)聚而成團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，利于土壤保水保養(yǎng)、協(xié)調(diào)水汽土溫。再生水灌溉對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的影響是國(guó)內(nèi)外學(xué)界較早關(guān)注的領(lǐng)域，所做研究結(jié)果多顯示再生水灌溉致使土粒分散程度加劇，濕時(shí)膨脹干時(shí)收縮，團(tuán)粒結(jié)構(gòu)遭到破壞，協(xié)調(diào)水、肥、氣、熱的能力下降，究其原因?yàn)樵偕械母逳a+含量所致。J Jed等[5]的研究同樣表明，高鹽污水導(dǎo)致灌溉區(qū)土壤排水困難，土壤結(jié)構(gòu)惡化。但是部分研究顯示，再生水灌溉對(duì)改善土壤結(jié)構(gòu)作用顯著。盛豐等[6]通過灌水入滲試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，再生水灌溉可提升土壤鹽分濃度，濃度為3.0g·L-1時(shí)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性加強(qiáng)，濃度為5.0g·L-1時(shí)土壤團(tuán)聚體破碎加劇。胡廷飛等[7]通過室內(nèi)土柱實(shí)驗(yàn)表明，相比清水灌溉，再生水灌溉<1mm粒級(jí)團(tuán)聚體含量分別增長(zhǎng)11.51%～31.22%，潮土團(tuán)聚體水穩(wěn)定性降低。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于再生水灌溉對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的影響尚無定論，可能由于所研究水質(zhì)或土質(zhì)差異緣故。

3 再生水灌溉對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

3.1 再生水灌溉對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的影響

在本文中，土壤有機(jī)質(zhì)指其廣義概念，即土壤中所有含碳有機(jī)質(zhì)。土壤有機(jī)質(zhì)含量高低可以反映土壤肥力水平，直接影響土地農(nóng)作物產(chǎn)量，多數(shù)試驗(yàn)研究表明，不同再生水灌溉歷時(shí)土壤有機(jī)質(zhì)均有所提升。郭曉明等[8]通過、野外調(diào)查和采樣分析研究了不同再生水使用歷時(shí)長(zhǎng)度的農(nóng)田土壤養(yǎng)分狀況，關(guān)于土壤有機(jī)質(zhì)含量，試驗(yàn)顯示，各灌溉歷時(shí)的再生水灌區(qū)均高于清水灌區(qū)。李中陽等[1]使用再生水進(jìn)行園林綠化，對(duì)比發(fā)現(xiàn)再生水灌區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量增加，增加情況因草坪根系分布而異。因此，再生水灌溉對(duì)土壤肥力的提升作用，具體情況因土質(zhì)水質(zhì)而異，需對(duì)水土分質(zhì)后深入研究。

3.2 再生水灌溉對(duì)土壤氮磷鉀的影響

韓洋等[9]采用室內(nèi)土柱灌水試驗(yàn)，再生水灌溉下耕層土壤磷素和氮素增幅明顯。韓烈保等[10]利用再生水進(jìn)行園林綠化試驗(yàn)，土壤堿解氮、速效磷、速效鉀均有顯著增加。鄭汐[11]等采用中水對(duì)大田草坪進(jìn)行灌溉試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，土壤全效氮磷鉀在長(zhǎng)期中水灌溉下均未出現(xiàn)顯著提升，堿解氮、有效磷和速效鉀含量均顯著高于清水灌溉。焦志華等[12]進(jìn)行盆栽大豆模擬試驗(yàn)，結(jié)果表明，根際土壤有機(jī)質(zhì)、有效磷含量因再生水灌溉而增加，土壤中氮含量增減量不顯著，另外再生水對(duì)全鉀含量未見明顯影響。上述學(xué)者針對(duì)再生水灌溉對(duì)有效態(tài)氮磷鉀在土壤中的變化及分布的試驗(yàn)結(jié)果各不相同。不同的用水、不同的實(shí)驗(yàn)土壤、植物品種差異、灌溉方式差異，均為影響因素。今后研究應(yīng)引入農(nóng)田土壤-作物系統(tǒng)過程模型，綜合考量土壤有效態(tài)氮磷鉀的變化。

4 再生水灌溉對(duì)土壤pH值的影響

土壤酸性和堿性統(tǒng)稱土壤pH，影響土壤養(yǎng)分的有效性和農(nóng)作物正常生理功能。土壤pH研究一直是污水資源化灌溉的入門研究項(xiàng)目，所以相關(guān)報(bào)道較多。焦志華等[12]用再生水澆灌盆栽大豆，結(jié)果表明，大豆根際土壤pH變化較小。Wang等[3]調(diào)查比對(duì)發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)達(dá)20a的再生水灌溉充分釋放土壤的酸堿性緩沖能力，土壤pH顯著降低，原因是研究土壤pH背景值均大于灌溉水，較低pH值的灌溉水對(duì)土壤堿性有所中和。綜上，再生水水質(zhì)、灌溉土壤土質(zhì)、再生水灌溉時(shí)長(zhǎng)均會(huì)引起土壤pH變化，這主要是再生水中所含養(yǎng)分和鹽分對(duì)土壤環(huán)境影響所致。

5 再生水灌溉對(duì)土壤鹽分的影響

再生水處理工藝多以除氮磷為主，通常其全鹽含量較高，短期灌溉會(huì)改變土壤微域環(huán)境,長(zhǎng)期采用再生水灌溉易造成土壤鹽堿化。QIAN等[13]進(jìn)行長(zhǎng)期再生水灌溉綠地試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)比地表水灌溉，再生水灌溉使土壤鹽堿大量積累，土壤電導(dǎo)率增加近2倍，土壤鈉吸附比增加近5倍，鈉離子增加2倍，pH值小幅上升，土壤養(yǎng)分變化不明顯，究其原因?yàn)樵囼?yàn)區(qū)氣候干旱少雨所致。對(duì)于葉類蔬菜種植進(jìn)行短期再生水灌溉試驗(yàn)表明，15cm以上土壤鹽分積累明顯，15cm以下土壤鹽分積累與清水灌溉差異不明顯。徐小元等[14]調(diào)查研究再生水灌溉歷時(shí)長(zhǎng)度對(duì)土壤含鹽量的影響，結(jié)果表明，再生水灌溉導(dǎo)致0～100cm土壤中鹽分明顯增加，鈉離子、鎂離子、氯離子濃度在土壤耕層增加不顯著，在土壤中層顯著增加。在土壤堿性方面，鈉吸附比隨著再生水灌溉歷時(shí)的延長(zhǎng)而增大。土壤鹽分積累會(huì)在降雨的淋溶作用下有一定程度降低，土壤中大部分主要鹽分離子受淋溶作用影響均有向土壤耕層以下遷移的趨勢(shì)，土壤pH值升高，雖然土壤鹽分未形成有效積累，長(zhǎng)時(shí)間采用再生水灌溉可能會(huì)提升土壤堿性，阻礙作物生長(zhǎng)。目前關(guān)于再生水灌溉下土壤中出現(xiàn)鹽分增加為一致，關(guān)于長(zhǎng)期使用再生水灌溉是否出現(xiàn)鹽堿化需就具體地區(qū)分析，但該類研究總體短期、實(shí)驗(yàn)性的居多，缺乏長(zhǎng)期試驗(yàn)研究，應(yīng)針對(duì)具體地區(qū)實(shí)際情況加強(qiáng)長(zhǎng)期觀測(cè)。同時(shí)對(duì)于低成本、實(shí)際中大規(guī)模應(yīng)用的再生水水質(zhì)和受灌土質(zhì)對(duì)作物生理和品質(zhì)影響方面的研究應(yīng)加強(qiáng)。

6 再生水灌溉對(duì)土壤重金屬污染的影響

國(guó)內(nèi)再生水灌溉水源多為工業(yè)廢水，水質(zhì)重金屬含量普遍較高，故關(guān)于再生水灌區(qū)土壤重金屬污染倍受關(guān)注，相關(guān)研究較多。魏益華等[15]用再生水灌溉小白菜，為期2個(gè)月實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，與自來水灌溉相比再生水灌溉短時(shí)間內(nèi)未在土壤中形成明顯重金屬積累。嚴(yán)興等[16]研究表明，經(jīng)60d再生水灌溉，土壤中有一定程度重金屬富集，蔬菜中重金屬富集程度與菜品的種類和部位有關(guān)，果實(shí)類菜品符合安全標(biāo)準(zhǔn)，但莖葉類菜品的菜心部位重金屬污染超標(biāo)，不符合食品污染物限量標(biāo)準(zhǔn)。使用再生水灌溉有可能會(huì)使過量重金屬進(jìn)入土壤-植被系統(tǒng)，植物體內(nèi)殘留超標(biāo)重金屬，食用后危害人體健康。因此，需要具體問題具體分析，加強(qiáng)不同品種作物和土壤環(huán)境在再生水灌溉下的重金屬富集程度的研究，以及作物果實(shí)安全性的影響，以實(shí)現(xiàn)安全利用再生水。

7 結(jié)論與建議

我國(guó)水資源緊張的現(xiàn)狀日益加重，農(nóng)業(yè)為用水大戶，糧食產(chǎn)量保障受到威脅，糧食質(zhì)量提升受到限制，隨著國(guó)內(nèi)污水處理技術(shù)的逐步提高和污水處理廠的不斷擴(kuò)建，將處理達(dá)標(biāo)的再生水用于農(nóng)業(yè)灌溉是緩解常規(guī)水資源壓力、促進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)的必然選擇。合理使用再生水農(nóng)灌可一定程度減少灌溉區(qū)化肥投入，促進(jìn)農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育的同時(shí)降低水土富營(yíng)養(yǎng)污染，達(dá)到糧食增產(chǎn)和環(huán)境優(yōu)化并舉的效果。國(guó)內(nèi)外對(duì)于再生水灌溉方面的研究很多，對(duì)于再生水灌溉試驗(yàn)研究多集中在短期試驗(yàn)，長(zhǎng)期觀測(cè)偏少。未來應(yīng)加強(qiáng)長(zhǎng)期再生水灌溉條件下，不同土質(zhì)和土壤鹽堿程度的研究工作，探索土壤理化特性對(duì)不同水質(zhì)再生水灌溉的影響。加強(qiáng)對(duì)應(yīng)不同再生水使用量下對(duì)土壤中水鹽遷移和分布特征的研究工作，深入研究不同水質(zhì)再生水灌溉對(duì)不同類型土壤和作物組合的適宜性，盡可能從水土理化性質(zhì)上揭示再生水灌溉對(duì)于土壤質(zhì)量和作物的影響，使再生水農(nóng)用經(jīng)濟(jì)環(huán)?？沙掷m(xù)。