再生水灌溉對冬小麥種植區(qū)土壤次生鹽漬化的影響

尹劍

摘要 ?{目的]研究再生水灌溉對冬小麥種植區(qū)土壤次生鹽漬化的影響。{方法]基于新河灌區(qū)的再生水灌溉監(jiān)測試驗，采集再生水灌溉和井水灌溉的土壤樣本，對再生水灌溉10年的土壤進(jìn)行取樣分析。{結(jié)果]再生水灌溉對土壤Na+的影響最為顯著，增加了試驗區(qū)土壤次生鹽漬化的風(fēng)險。在試驗基礎(chǔ)上，建立了再生水灌溉條件下土壤水-鹽運移模型，采用Hydrus-1D模型模擬了冬小麥一個生長周期內(nèi)（270d）再生水灌溉條件下0～120cm土壤內(nèi)的水-鹽運移狀況。{結(jié)論]再生水灌溉期內(nèi)，土壤中鹽分累積效應(yīng)顯著。

關(guān)鍵詞 ??再生水灌溉;土壤;冬小麥;次生鹽漬化;Hydrus-1D

中圖分類號S??274文獻(xiàn)標(biāo)識碼

A文章編號0517-6611（2018）36-0057-04

污廢水經(jīng)處理后回用于農(nóng)田灌溉，是水資源循環(huán)利用的重要環(huán)節(jié)。從20世紀(jì)30年代起，國外開始將處理后的污水，即再生水，用于農(nóng)田灌溉。目前，再生水已在許多國家被用于農(nóng)田灌溉{1]。再生水灌溉在緩解農(nóng)業(yè)用水緊張局勢的同時，也減少了污水處理、處置費用，同時避免了污水直接排放對生態(tài)環(huán)境存在的潛在威脅，但再生水灌溉對土壤-作物系統(tǒng)存在潛在污染風(fēng)險。

造成土壤次生鹽堿化是再生水灌溉的一個重要影響。Chandra{2]研究認(rèn)為再生水灌溉能降低土壤容重，增加土壤孔隙度。再生水灌溉對土壤滲透性能的影響具體表現(xiàn)為過量的鹽分在植物根部聚集，使土壤成分發(fā)生變化，造成土壤板結(jié){2];同樣，土壤鹽離子的置換如鈉離子對鎂和鈣離子的置換會改變土壤理化成分，導(dǎo)致土壤板結(jié){3];再生水中的鹽分（特別是Na+）可能在土壤中累積，并引起土壤的入滲性能的變化。灌溉水的鹽分濃度和鹽分組成對土壤入滲性能的影響程度不盡相同{4]。一般情況下，相同的土壤中灌溉水的鹽分濃度越低，可交換性Na+在灌溉水中含量比例越高，土壤的飽和導(dǎo)水率越容易降低{5]。大量試驗表明，再生水灌溉對土壤鹽分累積效應(yīng)顯著，而鹽分累積易引起土壤次生鹽漬化{6]。建立再生水灌溉條件下的水鹽運移模型，模擬再生水灌溉條件下的土壤鹽分累積效應(yīng)，對于指導(dǎo)再生水灌溉決策有重要意義。我國目前再生水灌溉的研究較多集中于灌溉對作物生理生長效應(yīng)和土壤生態(tài)效應(yīng){7]。再生水灌溉土壤-作物系統(tǒng)風(fēng)險研究尚停留于試驗分析階段，再生水灌溉條件下的土壤水鹽運移模型亟需建立。

北京市通州區(qū)的新河灌區(qū)是典型的再生水灌區(qū)，按照北京市再生水灌溉適宜性評價，屬于可直接再生水灌溉區(qū)域。該地區(qū)自2005年起對灌溉渠道進(jìn)行了改造，便于利用再生水灌溉，研究區(qū)有十余年的再生水灌溉年限。該研究立足于田間試驗與模型模擬，利用Hydrus-1D模型{8]揭示再生水灌溉對農(nóng)田土壤次生鹽漬化的影響，用以指導(dǎo)再生水安全、高效地回用于農(nóng)田灌溉，同時可以為建立再生水灌溉污染風(fēng)險預(yù)警、決策支持系統(tǒng)提供依據(jù)，為再生水水資源科學(xué)管理提供技術(shù)支撐。

1資料與方法

1.1研究區(qū)概況

通州區(qū)（116°32′～116°56′E，39°36′～40°02′N）位于北京市東南，多年平均氣溫（以通縣氣象站1956—2016年觀測資料代表）為11.65℃。區(qū)內(nèi)多年平均年光照時數(shù)2730h，無霜期185d，平均相對濕度56.8%，最大凍土深度0.56m，年平均風(fēng)速2.6m/s。

目前通州區(qū)再生水利用主要用于農(nóng)業(yè)灌溉，灌溉面積近2.47萬hm2。以河道和灌渠結(jié)合的輸送方式進(jìn)行再生水灌溉。

1.2試驗方法

基于新河灌區(qū)土壤樣品檢測，以井水灌溉土壤為對照，分析再生水灌溉對土壤鹽離子（Ca2+、Mg2+、Na+、K+）的累積效應(yīng)。以試驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立再生水灌溉條件下的土壤水鹽運移模型，采用飽和-非飽和區(qū)域土壤水-熱-鹽遷移運移模型Hydrus-1D，對再生水灌溉條件下冬小麥一個作物周期內(nèi)的土壤水、鹽運移進(jìn)行模擬。設(shè)置10個取樣點進(jìn)行取樣，每個點以20cm為單位進(jìn)行取土，總深度為200cm。對土樣以5g為單位，采用烘干-超聲振蕩-靜置過液等方式進(jìn)行。采用美國DIONEX公司出產(chǎn)的離子色譜儀（DX600）來分析測定土壤鹽離子（Ca2+、Mg2+、Na+、K+）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。采用土壤浸提液的鈉吸附比SAR表示土壤的鹽堿化情況。

1.3土壤水鹽運移模擬該研究中采用Hydrus-1D模型，對冬小麥生長條件下再生水灌溉條件下土壤中的鹽分運移狀況進(jìn)行了模擬。Hydrus-1D是模擬一維尺度變飽和區(qū)域水、熱、鹽遷移運移的模型{8]。Hydrus-1D忽略空氣對水流的影響，水流控制方程采用修正的Richards方程來描述。Hydrus-1D推薦使用經(jīng)驗公式將潛在蒸散量分割為蒸騰潛力和土壤蒸發(fā)潛力。參照作物蒸發(fā)蒸騰量ETp，采用聯(lián)合國糧農(nóng)組織提出的最新修正彭曼-蒙特斯公式進(jìn)行計算。Hydrus-1D使用水分脅迫和鹽分脅迫模型處理根系的吸水。模型采用對流-彌散方程來模擬土壤溶質(zhì)運移過程。

為研究再生水灌溉條件下冬小麥一個生長周期（試驗期270d）內(nèi)不同土壤剖面的土壤鹽分含量，進(jìn)而探討再生水灌溉對土壤次生鹽漬化的影響，利用Hydrus-1D模型，以試驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對土壤不同剖面鹽分含量進(jìn)行了模擬。模型假定土壤中的鹽分主要來自于再生水灌溉。該研究中，土壤剖面最大深度為從地面算起至120cm。結(jié)合實地調(diào)查，可將剖面分為兩層，0～60cm為黏質(zhì)壤土，60～120cm為砂質(zhì)壤土。試驗區(qū)小麥根系深度為0～100cm。潛水含水層埋深較大，土壤剖面底部為自由滲水邊界。

（1）灌溉水量采用定溶質(zhì)通量來描述，模型示意圖如圖1所示。

（2）土壤參數(shù)。Hydrus-1D內(nèi)置了多種土壤水力學(xué)模型。在所有的模型中，共有6個參數(shù)，它們的物理含義分別如下：Qr對應(yīng)田間持水率θr;Qs對應(yīng)飽和含水率θs;Qa、Qm分別對應(yīng)土壤水分特征曲線上θr、θs的2個外推值;Alpha、n

分別對應(yīng)VG模型中的參數(shù)α（量綱L-1）和n;Ks、Kk分別對應(yīng)飽和水力傳導(dǎo)度Ks和實際的飽和水力傳導(dǎo)度Kk，量綱

LT-1;Qk為與實際的飽和水力傳導(dǎo)度Kk相對應(yīng)的土壤含水率θk;修正后的VG模型認(rèn)為Kk≤Ks、θk≤θs，但在實際的取用中，不妨認(rèn)為VG模型的確定只依賴于5個參數(shù)值，即取Kk=Ks、θa=θr、θm=θk=θs。Hydrus-1D采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的土壤轉(zhuǎn)換函數(shù)（PTFs）來預(yù)測VG模型中的土壤含水率參數(shù)，基于土壤類型來確定飽和水力傳導(dǎo)度，并可通過設(shè)置參數(shù)的優(yōu)化條件，對各水力學(xué)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

（3）灌水時間及灌水量。

為研究冬小麥一個生長周期內(nèi)再生水灌溉條件下的土壤中鹽離子累積、運移狀況，根據(jù)冬小麥生長規(guī)律，設(shè)置灌水周期及灌溉定額，灌溉方案如表1所示。

2結(jié)果與分析

對研究區(qū)0～200cm土層內(nèi)的土壤主要鹽離子（Ca2+、Mg2+、Na+、K+）進(jìn)行取樣分析，結(jié)果表明（圖2），再生水灌溉使得土壤鹽離子含量顯著增加，對Na+的影響程度最大。

圖2不同取土深度土壤鹽離子含量變化

Fig.2Variationofsaltioncontentinsoilswithdifferentsoildepths

利用土壤浸提液的鈉吸附比（SAR）表示土壤堿化作用。對土壤浸提液SAR的測試結(jié)果（圖3）表明，再生水灌溉使得土壤SAR顯著增大，再生水灌溉區(qū)采樣點的均值在每一個土層都比井灌區(qū)高。但SAR值仍小于10，表明再生水灌溉對作物生長危害程度相對不高。盡管尚未對作物生長產(chǎn)生影響，但再生水灌溉已經(jīng)大大增大了SAR值，持續(xù)利用該類再生水灌溉，土壤出現(xiàn)次生鹽漬化的可能性較大。

基于Hydrus-1D對冬小麥一個生長周期（270d）內(nèi)的土壤鹽分運移、累積狀況進(jìn)行了模擬。模擬期（2018年10月1日—2019年6月26日）內(nèi)試驗區(qū)潛在蒸散發(fā)量在冬小麥萌芽期（10、11月）為1～4mm/d，波動較大;越冬期（12、1、2月）潛在蒸散發(fā)量維持在較低的水平，波動較小。冬小麥發(fā)育期、灌漿期及成熟期（3、4、5月），試驗區(qū)潛在蒸散發(fā)量維持在較高的水平，在此期間，根系吸水量較大，土壤中溶質(zhì)運移較為活躍。

在土壤剖面上從土壤表面起每隔12cm設(shè)置一個觀測點，分別記為N1、N2、N3、N4、N5、N6、N7、N8、N9、N10，各觀測點隨模擬時間的土壤含水率曲線如圖4所示，溶質(zhì)（Ca2+、Mg2+、Na+、K+

）濃度如圖5所示。由圖4可知，試驗區(qū)冬小麥生長周期內(nèi)，土壤含水率維持在20%～45%，土壤縱向剖面上，60～120cm處的土壤含水率略低于0～30cm的含水率。因冬小麥根系在0～100cm，所以在整個作物生長周期內(nèi)土壤處于濕潤狀態(tài)。

據(jù)圖5可得，再生水灌溉期內(nèi)，土壤鹽離子含量均有顯著增加效應(yīng)，灌水時間間隔較小時，鹽離子累積程度越高。灌溉期Ca2+、Mg2+、Na+、K+離子濃度均呈現(xiàn)出縱向剖面隨深度遞減的趨勢。Ca2+濃度處于0～3.5mmol/cm3，最高值出現(xiàn)在冬小麥種植后的第200天;Mg2+濃度處于0～3.5mmol/cm3;Na+濃度位于0～12mmol/cm3;K+濃度處于0～3.5mmol/cm3。模擬結(jié)果表明，使用Ca2+、Mg2+、Na+、K+離子濃度分別為1.51、1.47、5.47、0.38mmol/L的再生水進(jìn)行農(nóng)田灌溉時，土壤中鹽離子累積效應(yīng)較為顯著。為防止出現(xiàn)土壤次生鹽漬化，須控制再生水鹽分含量。

基于Hydrus-1D對再生水灌溉條件下0～120cm土層內(nèi)鹽分的運移模擬表明，再生水灌溉使得不同深度的土壤鹽離子含量均有顯著增加效應(yīng)。灌溉周期越短，越容易導(dǎo)致土壤鹽分累積。因而未避免土壤次生鹽漬化，須嚴(yán)格控制再生水中的鹽分含量。同時采取合理措施，如再生水與清水輪灌等，從而降低再生水灌溉土壤次生鹽漬化風(fēng)險。

3結(jié)論與討論

該研究依據(jù)田間試驗與模型模擬，探討了冬小麥區(qū)采用再生水灌溉的土壤次生鹽堿化影響。通過建立再生水灌溉條件下的溶質(zhì)運移模型，以Hydrus-1D模型對再生水灌溉條件下冬小麥一個生長周期內(nèi)的土壤水鹽運移進(jìn)行了模擬。與井水灌溉相比，再生水灌溉使得土壤Ca2+、Mg2+、Na+、K+等離子的含量顯著增加，且再生水灌區(qū)土壤重金屬的鈉吸附比（SAR）明顯高于井灌區(qū)，表明再生水灌溉對試驗區(qū)土壤次生鹽漬化存在一定影響。模型模擬結(jié)果表明，使用Ca2+、Mg2+、Na+、K+離子濃度分別為1.51、1.47、5.47、0.38mmol/L的再生水進(jìn)行農(nóng)田灌溉時，土壤中鹽離子累積效應(yīng)較為顯著。因而，為防止出現(xiàn)土壤次生鹽漬化，須控制再生水中鹽分含量。

根據(jù)研究結(jié)論，再生水灌溉10年使得試驗區(qū)土壤存在次生鹽漬化風(fēng)險，因而為安全、高效利用再生水進(jìn)行農(nóng)田灌溉，需進(jìn)一步分析長期再生水灌溉對土壤次生鹽漬化的潛在影響，同時要采取合理措施來避免再生水灌溉的潛在污染風(fēng)險，其實現(xiàn)措施可以分為3個方面：①嚴(yán)格控制灌溉用再生水中的鹽分含量。常見二級再生水處理工藝對有機污染物、致病菌及部分重金屬的處理率較高，而對鹽離子的處理率較低。再生水是土壤鹽分的重要來源，因而有必要進(jìn)一步深度處理再生水，降低再生水中的全鹽量。②通過研究篩選適宜再生水灌溉的作物種類。不同作物的耐鹽性不同，選擇合適的作物利用再生水灌溉，可以有效降低再生水對作物生長的潛在風(fēng)險，促進(jìn)再生水安全利用。這就需要通過進(jìn)一步的研究，篩選建立我國再生水推薦灌溉的作物分類目錄。③建立再生水安全灌溉技術(shù)體系。針對不同區(qū)域的水文地質(zhì)條件及再生水情況，研究建立適宜的再生水灌溉系統(tǒng)，同時應(yīng)當(dāng)研究制定適合我國國情的再生水安全灌溉標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范體系。

參考文獻(xiàn)

{1]PARSONSLR，SHEIKHB，HOLDENR，etal.Reclaimedwaterasanalternativewatersourceforcropirrigation{J].HortScience，2010，45（11）：1626-1629.

{2]CHANDRASEKARANN.Continuousapplicationofsewageeffluentonsoilproperties{D].Coimbatore，Nadu，India：DepartmentofSoilScienceandAgriculturalChemistry，TamilNaduAgriculturalUniversity，1996：21-25.

{3]趙全勇，李冬杰，孫紅星，等.再生水灌溉對土壤質(zhì)量影響研究綜述{J].節(jié)水灌溉，2017（1）：53-58.

{4]盛豐，吳丹，張利勇.再生水灌溉對農(nóng)田土壤水流運動影響的研究進(jìn)展{J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2016，32（S2）：46-51.

{5]GAOJ，WANGHX，LIUHJ，etal.Effectsofreclaimedwaterirrigationuponsoilquality{J].Advancedmaterialsresearch，2013，610-613：3022-3026.

{6]劉源，崔二蘋，李中陽，等.再生水和養(yǎng)殖廢水灌溉下生物質(zhì)炭和果膠對土壤鹽堿化的影響{J].灌溉排水學(xué)報，2018，37（6）：16-23.

{7]仇亞洲，汪弘揚，李雙旦，等.再生水灌溉對土壤及淺層地下水中鹽分的影響{J].塔里木大學(xué)學(xué)報，2016，28（2）：72-79.

{8]董曉華，劉瀟鈞，彭濤，等.利用Hydrus-1D模擬分層土壤剖面的水流運動{J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016，44（4）：29-31.