再生水滴灌土壤中氮素的動態(tài)變化規(guī)律

裴 亮，張體彬，梁 晶，劉慧明

(1.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所陸地水循環(huán)及地表過程重點實驗室，北京 100101;2.水利部綜合事業(yè)局新華公司，北京 100053;3.環(huán)境保護(hù)部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心，北京 100094)

再生水是指對污水處理廠出水、工業(yè)排水、生活污水等非傳統(tǒng)水源進(jìn)行回收，經(jīng)適當(dāng)處理后達(dá)到一定水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，并在一定范圍內(nèi)重復(fù)利用的水資源。再生水的利用是國內(nèi)外有效緩解農(nóng)業(yè)用水緊張的重要舉措之一，也是污水資源化利用、減輕污水排放二次污染的環(huán)保發(fā)展趨勢，已在很多發(fā)達(dá)國家得到廣泛推廣［1-2］。

再生水灌溉一方面能減少污水直接灌溉所引起的嚴(yán)重的面源污染問題，并為植物生長提供重要的養(yǎng)分，促進(jìn)植物生長發(fā)育和提高產(chǎn)量［3］;另一方面，再生水中過量的養(yǎng)分、有毒化學(xué)物質(zhì)和病原體同時輸入環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)，會造成一定程度的環(huán)境污染［4］，有可能危害環(huán)境和人類健康。氮素作為生命體的重要組成元素，是引起水體污染、水體富營養(yǎng)化的主要因素［5］。同時大量農(nóng)業(yè)氮肥的施用以及生活污水的肆意排放等人類活動，使土壤中存在大量的未被作物吸收利用的氮素以NO3--N和NH4+-N的形式經(jīng)揮發(fā)、淋洗、徑流等途徑損失，對環(huán)境產(chǎn)生了現(xiàn)實和潛在的污染［6-7］。因此，研究土壤中氮素，尤其是N-N和N-N的動態(tài)變化，對預(yù)測和控制農(nóng)業(yè)面源污染具有重要的理論價值和指導(dǎo)意義。

此外，滴灌對灌水時間、灌水量和土壤濕潤范圍高度控制的特點，使其可以根據(jù)土壤物理性質(zhì)、作物根系分布和作物耗水量來調(diào)節(jié)土壤的水分和養(yǎng)分［8］，在保證作物達(dá)到優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的同時減少農(nóng)業(yè)面源污染。利用滴灌技術(shù)進(jìn)行農(nóng)村生活污水再生利用可以提高再生水中氮、磷等養(yǎng)分的利用效率，在節(jié)肥、節(jié)水、增產(chǎn)的同時減少污染物輸入環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)，對緩解我國水資源危機、防治農(nóng)業(yè)面源污染和促進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義［9-10］。本試驗在其他條件相同的情況下，研究比較不同比例的再生水與地下水滴灌后土壤中氮素的動態(tài)變化規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

研究區(qū)為中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所和國務(wù)院南水北調(diào)辦公室政策及技術(shù)研究中心共同建立的“南水北調(diào)中線水源區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染控制綜合示范區(qū)”，地處湖北省十堰市茅箭區(qū)南部山區(qū)，屬北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明、冬長夏短，春季升溫迅速，秋雨連綿，冬季少雨雪、少嚴(yán)寒。年平均日照時數(shù)達(dá)1925.8 h;多年平均氣溫15.3℃，極端最低氣溫-14.9℃，極端最高氣溫41℃。全年大于或等于10℃的積溫為4936.5℃;全年無霜期246 d;多年平均降水量855 mm，降雨量年際變化大，汛期(5月1日至10月20日)降雨量占年降雨量的58% ～62%，且強度大、歷時短、入滲有限，容易沖刷侵蝕地表。研究區(qū)試驗土壤為黃棕壤土，密度在1.56～1.71 g/cm3之間。

1.2 試驗布置

試驗在2011年黃瓜生長季(9月20日至12月10日)內(nèi)的1個灌水周期進(jìn)行。黃瓜的栽培方式采用壟作，壟肩寬60 cm，兩壟中心間距140 cm，壟高15 cm，壟上種植2行，株距40 cm。在黃瓜種植前，施磷酸二銨復(fù)合肥300 kg/hm2。試驗設(shè)3個灌溉水質(zhì)處理，分別標(biāo)記為T1(全部再生水灌溉)、T2(再生水和地下水聯(lián)合灌溉，其中再生水占總灌水量的50%，即灌溉用水由再生水和地下水按照1∶1比例配制)和C(全部地下水灌溉)。每個處理含3個重復(fù)小區(qū)，每個小區(qū)面積為4 m×4 m，包括3條壟。灌溉采用重力滴灌的方式進(jìn)行，每個處理由1個蓄水桶(容積240 L)供水，水桶放置在距地面約1.2 m高的位置，每次灌水前按照比例將再生水和地下水分別添加到蓄水桶中。每壟中心鋪設(shè)1條滴灌帶，滴頭間距為20 cm(與株距相等)，滴頭流速為2.7L/h，即每株黃瓜根部均有1個滴頭供水。每個處理的第2個試驗小區(qū)內(nèi)，在滴頭下20cm深度處安裝1組負(fù)壓計，根據(jù)其他類似蔬菜作物滴灌灌溉制度［11-12］制定灌溉計劃，當(dāng)負(fù)壓計指示的土壤水勢低于-25 kPa時進(jìn)行灌溉，每次灌水量為5 mm。生育期內(nèi)共灌水7次。整個黃瓜生育期內(nèi)共降雨84 mm。

此外，農(nóng)村生活污水經(jīng)過土壤過濾處理技術(shù)處理后得到試驗用的再生水。土壤過濾處理技術(shù)主要由布水系統(tǒng)、復(fù)合填料土壤層、集水系統(tǒng)3部分組成。農(nóng)村生活污水從化糞池經(jīng)潛污泵提升進(jìn)入調(diào)節(jié)池，經(jīng)過均勻水質(zhì)水量和初級厭氧處理，去除大部分顆粒懸浮物。而后，污水經(jīng)布水系統(tǒng)被均勻分配到復(fù)合填料土壤層，由于土壤的物理吸附、微生物降解、植物根系吸收等綜合作用得到凈化;凈化后的出水由集水系統(tǒng)收集，自流進(jìn)入集水井，經(jīng)消毒后得到再生水，用于灌溉。地下水、生活污水及再生水水質(zhì)見表1。由表1可以看出，簡單的多層土壤滲濾系統(tǒng)對生活污水處理效果一般，再生水中仍有部分指標(biāo)的上限略微超過了國家標(biāo)準(zhǔn)限值。

表1 灌溉水質(zhì)及其與國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)之間的比較Table 1 Irrigation water quality and its comparison with national irrigation standards

1.3 測定項目及方法

試驗選擇在黃瓜生長季生育期內(nèi)(10月7日)的1個灌水周期內(nèi)進(jìn)行。此次灌溉是全生育期的第3次灌溉，正處于黃瓜營養(yǎng)生長的旺盛期。分別于灌前(0 d)和灌后第2天、第5天、第9天取土。取樣深度為0～10 cm，10～20 cm，20～40 cm，40～60 cm，60～90 cm，90～100 cm。試驗期間，灌后第3天、第4天和第5天分別降雨1.2 mm，3.4 mm和1.0 mm。土壤經(jīng)風(fēng)干過篩后，N-N的質(zhì)量比采用1 mol/L KCl浸提-流動分析儀測定，NH-N的質(zhì)量比采用2%K2SO4浸提-流動分析儀測定。

2 結(jié)果分析

2.1 再生水滴灌后土壤中N-N的動態(tài)變化

圖1 不同處理下土壤N-N質(zhì)量比隨深度的變化Fig.1 N-N content variation with depth in soils under different treatments

2.2 再生水滴灌后土壤中NO－3-N的動態(tài)變化

圖2 不同處理下土壤N-N質(zhì)量比隨深度的變化Fig.2 N-N content variation with depth in soils under different treatments

圖3 不同深度土層中N-N質(zhì)量比Fig.3 N-N content in different soil layers

3 結(jié) 論

［1］焦志華，黃占斌，李勇，等.再生水灌溉對土壤性能和土壤微生物的影響研究［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2010，29(2):319-323.(JIAOZhihua，HUANG Zhanbin，LI Yong，et al.The effect of reclaimed water irrigation on soil performance and the microorganism［J］.Journal of Agro-Environment Science，2010，29(2):319-323.(in Chinese))

［2］裴亮，劉慧明，王理明.農(nóng)業(yè)再生水灌溉現(xiàn)狀及發(fā)展對策分析［J］.生態(tài)經(jīng)濟(jì)，2012(1):152-155.(PEI Liang，LIU Huiming，WANG Liming.Analysis on constructive and development countermeasure of agricultural irrigation with reclaimed water［J］.Ecological Economy，2012(1):152-155.(in Chinese))

［3］裴亮，顏明，陳永蓮，等.再生水灌溉環(huán)境生態(tài)效應(yīng)研究進(jìn)展［J］.水資源與水工程學(xué)報，2012，23(3):15-21.(PEI Liang，YAN Ming，CHEN Yonglian，et al.Research progress on environmental and ecological effects of reclaimed water irrigation［J］.Journal of Water Resources ＆ Water Engineering，2012，23(3):15-21.(in Chinese))

［4］ORON G，CAMPOSC，GILLERMAN L，et al.Wastewater treatment，renovation and reuse for agricultural irrigation in small communities［J］.Agricultural Water Management，1999，38:223-234.

［5］王世巖，劉曉波，劉暢.洱海表層水體中氮素空間變異分析［J］.水資源保護(hù)，2010，26(6):37-41.(WANG Shiyan，LIU Xiaobo，LIU Chang.Analysis on spatial variation of nitrogen in top layer water of Erhai Lake［J］.Water Resources Protection，2010，26(6):37-41.(in Chinese))

［6］王超.土壤及地下水污染研究綜述［J］.水利水電科技進(jìn)展，1996，16(6):1-4.(WANG Chao.Advance in science and technology of water resources［J］.Advances in Science and Technology of Water Resources，1996，16(6):1-4.(in Chinese))

［7］楊士紅，彭世彰，徐俊增，等.不同水肥處理對稻田土壤中氮素剖面分布與氨揮發(fā)損失的影響［J］.水利水電科技進(jìn)展，2010，30(1):40-44.(YANG Shihong，PENG Shizhang，XU Junzeng，et al.Influences of different water and fertilizer treatments on distribution of nitrogen profiles and loss of ammonia volatilization［J］.Advances in Science and Technology of Water Resources，2010，30(1):40-44.(in Chinese))

［8］萬書勤，康躍虎，劉士平.華北平原滴灌灌溉頻率對蘿卜生長的影響［J］.灌溉排水學(xué)報，2003，22(2):26-30.(WAN Shuqin，KANG Yuehu，LIU Shiping.Effects of irrigation frequency on radish growth under drip irrigation in North China Plain［J］.Journal of Irrigation and Drainage，2003，22(2):26-30.(in Chinese))

［9］劉洪祿，吳文勇，師彥武，等.北京市再生水利用潛力與配置方案研究［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2006(增刊2):289-291.(LIU Honglu，WU Wenyong，SHI Yanwu，et al.Reclaimed wastewater use potential and collocation scheme for different industries in Beijing［J］.Transactions of the CSAE，2006(Sup2):289-291.(in Chinese))

［10］裴亮，蔣樹芳，劉士平，等.再生水灌溉水處理工藝及灌溉技術(shù)要求研究［J］.水利水電技術(shù)，2012，43(1):93-97.(PEI Liang，JIANG Shufang，LIU Shiping，et al.Research on water treatment technology for reclaimed water irrigation and its relevant technical requirements［J］.Water Resources and Hydropower Engineering，2012，43(1):93-97.(in Chinese))

［11］康躍虎，王鳳新，劉士平，等.滴灌調(diào)控土壤水分對馬鈴薯生長的影響［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2004，20(2):66-72.(KANG Yuehu，WANG Fengxin，LIU Shiping，et al.Effects of water regulation under drip irrigation on potato growth［J］.Transactions of the CSAE，2004，20(2):66-72.(in Chinese))

［12］裴亮，張體彬，陳永蓮，等.農(nóng)村生活污水再生水滴灌對根際土壤特性的影響研究［J］.灌溉排水學(xué)報，2012，31(4):42-45.(PEI Liang，ZHANG Tibin，CHEN Yonglian，et al.Influence of reclaimed water drip irrigation with rural domestic sewage on soil peculiarity in rhizosphere［J］.Journal of Irrigation and Drainage，2012，31(4):42-45.(in Chinese))

［13］GB 5084—2005 農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［14］黃志強，袁念念.控制排水條件下旱地排水及氮素流失規(guī)律研究［J］.河海大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2012，40(4):412-419.(HUANG Zhiqiang，YUAN Niannian.Drainage and nitrogen loss in dry soils with controlled drainage［J］.Journal of Hehai University:Natural Sciences，2012，40(4):412-419.(in Chinese))

［15］齊學(xué)斌.不同潛水埋深污水灌溉氮素運移及對作物影響試驗研究［D］.楊凌:西北農(nóng)林科技大學(xué)，2008.