不同鹽濃度生活污水對土壤水鹽和養(yǎng)分含量及小白菜品質(zhì)的影響

張丹丹，鄭向群，李厚禹，陳昢圳，張耕濤，孔豪，黃治平

(農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護科研監(jiān)測所，天津 300191)

水資源缺乏與土壤鹽漬化已成為限制農(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)的重要因素。目前已有研究表明，土壤鹽分對土壤養(yǎng)分環(huán)境分布有著重要作用[1，2]。周永學等[3]就長期咸水滴灌對土壤理化性質(zhì)影響的研究表明，微咸水和咸水灌溉會顯著增加土壤容重、鹽分、pH值和土壤含水量，并顯著降低土壤孔隙度、全氮和有機質(zhì)含量。而土壤鹽漬化程度主要受鹽分含量、堿化特征和土壤結(jié)構(gòu)的影響。靳三玲等[4]在對表層土壤鹽分的研究中得出，土壤鹽漬化的主要特征因子為Na＋、Cl－、；劉易等[5]研究發(fā)現(xiàn)，微咸水灌溉導(dǎo)致土壤pH值升高和含鹽量增加，造成土壤鹽分積累。

目前對土壤鹽分的研究主要有土壤鹽分的遷移估算、土壤鹽分積累、剖面分布及離子組成、土壤鹽分對土壤肥力及對作物生長影響等[6－8]。我國農(nóng)業(yè)用水占總用水資源的60%～80%，為彌補農(nóng)業(yè)灌溉用水不足問題，農(nóng)村生活污水已成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要水資源來源[9]。由于農(nóng)村生活污水中含有一定濃度的鹽分，這成為農(nóng)業(yè)安全利用需要考慮的問題之一。污水鹽分研究常見于再生水及工業(yè)廢水[10，11]，而對生活污水的鹽分研究較少。因此，本試驗基于農(nóng)村農(nóng)田灌溉標準(GB 5084—2021)規(guī)定水樣全鹽含量0～1.0 g/L范圍，選用Na＋、Ca2＋、Mg2＋、Cl－、等主要鹽基離子對生活污水進行配置，控制鹽分濃度為0～2.0 g/L，設(shè)置7個不同鹽濃度污水灌溉處理，研究其對不同土層水鹽分布、主要鹽基離子對土壤養(yǎng)分含量的影響并分析其對小白菜品質(zhì)的影響，以揭示影響土壤養(yǎng)分變化的主控鹽分因子，為農(nóng)村生活污水科學用于灌溉提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤取自天津市靜海區(qū)農(nóng)田土壤表層至80 cm深處，類型為潮土。土樣經(jīng)自然風干、混勻后過2 mm網(wǎng)篩用于填充土柱。生活污水取自天津市靜海區(qū)生活污水處理廠。供試樣品理化性質(zhì)見表1、表2。

表1 供試土壤(表層)顆粒組成 (%)

表2 樣品理化性質(zhì)

1.2 試驗設(shè)計及方法

采用室內(nèi)有機玻璃土柱模擬試驗法，于2020年6月7日至8月28日進行試驗。有機玻璃壁厚5 mm，直徑15 cm，柱高95 cm，0～5 cm不填充土壤，為灌溉滲濾層；85～95 cm為返滲層。土柱每隔20 cm設(shè)置取樣孔，共設(shè)置5對直徑4 mm的取樣孔(圖1)。土柱填充后用蒸餾水進行洗鹽，使土壤充分與空氣接觸，以減少土壤本身鹽分含量，最終測得土壤含鹽量為0.58 mg/kg。

圖1 土柱示意圖

試驗共設(shè)置7個不同鹽濃度污水灌溉處理，分別是CK(0 g/L)、RW(raw water，0.2 g/L)、W1(0.5 g/L)、W2(0.8 g/L)、W3(1.2 g/L)、W4(1.6 g/L)、W5(2.0 g/L)，每處理重復(fù)3次。為保證污水鹽分含量不同水平，將原水(RW)進行稀釋再通過人工配比鹽分使用，即選用NaCl、CaCl2和MgSO4含量按照2∶1∶2配置鹽水，再與生活污水配置成不同鹽濃度的灌溉用水。灌水定額由單位面積內(nèi)小白菜需水量確定，為0.35 L。2天澆灌一次，每澆灌6次取一次土樣，共取土樣6次。周期為72天。每個土柱表層播20粒小白菜種子，出苗后每5天間苗1次，最后保留3株。

本試驗不同土層土壤持水率選取第12天與第72天取樣測得數(shù)據(jù)進行分析，其他分析數(shù)據(jù)來源于6次取樣測得數(shù)據(jù)的平均值。

1.3 測定指標及方法

土壤TP采用(HJ 632—2011)堿熔－鉬銻抗分光光度法測定，土壤TN采用(HJ 717—2014)凱氏法測定，土壤氨氮和硝態(tài)氮參照HJ 665—2013和HJ/T 346—2007的方法[12]測定，土壤有機質(zhì)采用水合熱重鉻酸鉀氧化法——比色法[13]測定。土壤電導(dǎo)率按照蒸餾水與樣品5∶1使用電導(dǎo)率儀(SX650，上海三信儀表廠)測定，土壤容重按照NY/T 1121.4—2006中方法測定，土壤田間持水率按照NY/T 1121.22—2010中方法測定，土壤Na＋、Mg2＋、Ca2＋、、Cl－含 量 按 照LYT 1251—1999中方法測定。8月28日采集土柱內(nèi)種植的小白菜樣品，測其株高、葉寬及植株鮮重。小白菜維生素C按照GB 5009.86—2016、蛋白質(zhì)按照GB 5009.5—2016、可溶性糖按NY/T 1278—2007中的方法測定。

土壤含鹽量(SSC)計算公式[14]:

式中EC1∶5為水土比為5∶1的土壤浸提液所測得的土壤電導(dǎo)率(dS/m)，3.77及0.24為換算系數(shù)。

單位面積土壤含鹽量(S)計算公式:

式中ρs為土壤容重(g/cm3)，L為土層深度(cm)。

土壤脫鹽率(N)計算公式[15]:

式中S1為灌溉前土壤鹽分(dS/m)，S2為灌溉后土壤鹽分(dS/m)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel整理數(shù)據(jù)、Origin 2021制圖，利用SPSS 25.0軟件進行相關(guān)性分析、顯著性檢驗及運用Canoco 5.0進行冗余分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同鹽濃度生活污水灌溉下的土壤鹽分垂直分布特征

由表3看出，不同鹽濃度污水處理W2～W5的淺層土鹽分含量顯著高于深層土，且隨鹽濃度增加淺層土鹽分積聚現(xiàn)象逐漸明顯。各處理下60～80 cm土層含鹽量均值在0.78～1.43 g/kg之間，變化不大；而0～20 cm淺層土含鹽量差異較大，均值范圍在0.49～2.82 g/kg之間。RW、W1、W2、W3、W4、W5表層土壤鹽分均值依次為0.74、1.08、1.24、1.66、2.29 g/kg和2.82 g/kg，相較于灌溉前土柱含鹽量0.58 g/kg，各處理分別顯著增長27.59%、86.21%、113.79%、186.21%、294.83%、386.21%。綜上表明，不同鹽濃度污水處理后土壤鹽分的差異主要表現(xiàn)在淺層土上，灌溉污水鹽濃度越高，淺層土含鹽量越大，而深層土鹽分含量相對穩(wěn)定，變幅較小。

表3 土壤全鹽量特征值(各層土壤n＝20)(g/kg)

2.2 不同鹽濃度生活污水灌溉下土壤水分的變化特征

由圖2看出，不同鹽濃度污水灌溉后土柱各土層均得到水分補給，隨灌溉時間推移各處理土壤剖面水分含量逐漸升高。灌水后12天測定結(jié)果表明，不同鹽濃度污水灌溉處理下各土層持水率變幅較小，其中60～80 cm土層持水率較淺層土增加略明顯。同一土層隨灌溉水鹽濃度增加土壤持水率逐漸提高，高鹽污水處理顯著高于低鹽處理。

圖2 不同鹽濃度污水灌溉后土壤剖面水分變化

灌水后72天，RW～W5處理的表層土持水率分別為29.50%、30.17%、30.24%、30.98%、30.85%、32.07%，而且W5處理表層(0)、20、40、60、80 cm土層持水率相較于CK依次增加10.20%、10.43%、12.45%、16.52%、14.87%，進一步表明土壤鹽分增加會提高土壤持水性。而W3、W4、W5處理60～80 cm土層土壤接近飽和，均在34.08%～37.84%之間。

2.3 不同鹽濃度污水灌溉后土壤鹽基離子及養(yǎng)分含量變化

土壤離子組成、全鹽變化、土壤養(yǎng)分及pH值基本能夠反映土壤鹽分影響情況[16]。由表4看出，含鹽污水灌溉后土壤鹽基離子各層積累總量以Na＋、Ca2＋含量居多，不同處理各土層Na＋含量范圍為22.96～29.65 mg/kg、Ca2＋含量達21.95～26.16 mg/kg、Cl－為0.72～35.12 mg/kg、SO42－為11.67～14.82 mg/kg、Mg2＋為7.09～14.86 mg/kg。W1～W5處理Cl－截留量較SO42－高。隨著灌溉水鹽濃度增加，各處理有機質(zhì)含量下降明顯，RW～W5處理較CK分別減少0.99%、12.63%、16.16%、16.73%、29.78%、33.55%，TN較對照分別減少7.14%、10.20%、13.27%、16.33%、19.39%、23.47%，硝態(tài)氮較CK分別增長36.36%、86.36%、76.14%、88.64%、84.09%、103.41%，TP、NH4＋－N、pH值無明顯變化。

表4 各處理鹽基離子土壤截留總量及養(yǎng)分指標

利用Canoco 5.0軟件對土柱(0～80 cm)土壤鹽基離子、pH值、TN、TP、－N、OM進行冗余分析，進一步明確土壤鹽基離子與土壤養(yǎng)分之間的關(guān)系。首先對土壤鹽基離子與各養(yǎng)分指標的數(shù)據(jù)進行降趨對應(yīng)分析(DCA)，發(fā)現(xiàn)灌溉4個軸中梯度長度最大值為0.966，最小值為0.287，其值均小于3，可以對約束性排序選擇冗余分析(RDA)。將土壤中的Ca2＋、Cl－、Mg2＋、Na＋、作為解釋量，土壤pH值、TN、TP、－N、－N、OM為被解釋量，繪制線性排序圖并直觀地給出鹽基離子與土壤養(yǎng)分、pH值的關(guān)系，并通過前兩個排序軸的解釋率來確定影響試驗區(qū)土壤鹽漬化的主要因子。如圖3所示，研究對象與養(yǎng)分因子相關(guān)關(guān)系中解釋量與被解釋量的特征值分別為0.634、0.682，相關(guān)性變量累積百分比分別是85.8%、97.3%。土壤鹽分對pH值與養(yǎng)分變化的總解釋率為34.2%，其中，在第一軸解釋率為29.32%。結(jié)果表明，各鹽基離子對pH值與養(yǎng)分含量的影響程度為32.5%，土壤鹽基離子與pH值、養(yǎng)分呈顯著相關(guān)關(guān)系(P＝0.02，F(xiàn)＝21.2)。其中Na＋與TN、－N、OM呈顯著負相關(guān)；與－N、TP呈顯著正相關(guān)；Cl－與TN、－N、－N呈顯著正相關(guān)，與TP、pH值、OM呈顯著負相關(guān)。

2.4 不同鹽濃度生活污水對小白菜生長及品質(zhì)的影響

由表5看出，土壤全鹽量、Mg2＋、Cl－與小白菜蛋白質(zhì)呈顯著或極顯著負相關(guān)，與可溶性糖呈顯著正相關(guān)；Ca2＋、與小白菜株高呈顯著或極顯著負相關(guān)；全鹽量、Mg2＋、Cl－與小白菜葉寬、鮮重均呈極顯著負相關(guān)。以上分析表明，全鹽量、Mg2＋、Cl－為小白菜品質(zhì)的主要影響因子。

表5 鹽分與小白菜品質(zhì)的相關(guān)性分析結(jié)果

由圖4看出，RW、W1、W2、W3、W4、W5小白菜蛋白質(zhì)含量較CK分別顯著減少7.97%、9.05%、10.56%、11.21%、12.93%、14.01%，而可溶性糖含量較CK分別顯著增加16.67%、50.00%、66.67%、150.00%、150.00%、83.33%，維生素C含量較CK分別顯著降低7.04%、12.18%、17.56%、41.32%、18.54%、21.51%。含鹽污水灌溉下小白菜株高RW～W4處理較CK分別增加35.61%、27.27%、22.93%、5.18%、1.67%，W5降低18.36%；葉寬RW～W5處理較CK分別顯著減少21.75%、28.89%、31.47%、38.09%、44.88%和44.37%；鮮重顯著減少6.59%、6.54%、12.36%、15.88%、18.74%和31.87%。

圖4 不同含鹽生活污水對小白菜品質(zhì)的影響

3 討論與結(jié)論

3.1 不同鹽濃度生活污水灌溉下的土壤鹽分分布

本研究發(fā)現(xiàn)鹽濃度為0～2.0 g/L生活污水灌溉下土壤鹽分在表層積累，具有明顯的鹽分遷移規(guī)律，而不同處理下的深層土鹽分含量趨于穩(wěn)定，變幅較小。竇旭等[14]對灌區(qū)土壤鹽漬化的研究中發(fā)現(xiàn)0～20 cm土層鹽分明顯高于20～40 cm土層；王國帥等[17]在對河套灌區(qū)不同地類遷移估算研究中發(fā)現(xiàn)深層土只有輕微積鹽現(xiàn)象；鄒曉霞等[18]在土壤鹽分的時空演化特征研究中也發(fā)現(xiàn)0～20 cm土壤鹽分顯著高于60～100 cm土層，空間表現(xiàn)為強變異性，隨著土層深度的增加，鹽分空間變異減小。由于本試驗在夏季開展，氣溫較高、蒸發(fā)量大，水鹽運動將深層土壤可溶性鹽分運移至表層，而作物種植使土壤表面的覆蓋度有所增加，從而減少表層土水分蒸發(fā)，使表層鹽分有所累積[17－19]。并且主要鹽基離子中Na＋與Cl－易發(fā)生表面積聚現(xiàn)象，鹽濃度為0～2.0 g/L的生活污水灌溉下，土壤中Na＋向下遷移路徑并不發(fā)生顯著變化，較多Na＋積聚表層。

3.2 不同鹽濃度生活污水灌溉下的土壤水分變化

本試驗表明，不同鹽濃度生活污水灌溉后深層土壤持水率大于淺層土。李爭爭等[20]研究發(fā)現(xiàn)土壤鹽分含量高會增加土壤持水率，10 g/L咸水灌溉下土壤持水率高于3 g/L微咸水灌溉；廖海等[21]也發(fā)現(xiàn)，輕度鹽漬化土壤田間持水率較無鹽漬化土壤40、60 cm土層分別增加32.6%、28.8%，這與本研究的高鹽濃度生活污水灌溉下土壤持水率大于低鹽污水灌溉，且各土層持水率表現(xiàn)為W5>W4>W3>W2>W1>RW>CK的結(jié)果相似。原因可能是由于土壤總孔隙度和團聚體穩(wěn)定性指數(shù)隨灌水鹽濃度的增加而降低，土壤持水能力隨著灌水鹽濃度的增加而增加，但是當土壤電導(dǎo)率超過4000 μS/cm時會降低土壤持水率[21]。本研究還發(fā)現(xiàn)，高鹽濃度生活污水(>1.0 g/L)比低鹽生活污水(<1.0 g/L)灌溉更易使土壤發(fā)生飽和現(xiàn)象，增加土壤持水率。灌水之初土壤持水尚未飽和時，鹽分隨水分向下運移，當灌水超過土壤飽和持水率時則會起返鹽效果[22]。因此在利用農(nóng)村生活污水進行菜地、園地澆灌時，制定合理的農(nóng)業(yè)灌溉制度，控制土壤水分過度飽和，以避免土壤鹽分積鹽、返鹽現(xiàn)象的發(fā)生，實現(xiàn)農(nóng)村生活污水安全利用。

3.3 土壤鹽基離子與養(yǎng)分含量的相關(guān)性

由冗余分析可知，Cl－、Na＋均與OM呈顯著負相關(guān)。鹽分增加易使土壤板結(jié)，土壤孔隙度降低，從而使土壤有機質(zhì)含量減少。含鹽生活污水灌溉下，Na＋水解后與結(jié)合，會加大土壤堿性，使土壤結(jié)構(gòu)體分散，破壞土壤物理結(jié)構(gòu)及團聚體的穩(wěn)定性等，從而影響肥力釋放[23]。Na＋濃度過高易引起植物Ca2＋、Mg2＋、K＋的缺乏，造成作物營養(yǎng)失衡，進一步影響作物對K、N元素的吸收[24]。Cl－是一種致酸離子，含量過高會使土壤pH值減小，而pH與土壤養(yǎng)分、微生物密切相關(guān)[16]，并且Cl－主要在土壤耕層(0～20 cm)積累，長時間積累會對幼苗生長產(chǎn)生抑制作用。Na＋、Cl－主要積聚于0～20 cm淺土層，其表聚現(xiàn)象較強。由于生活污水中鹽基離子以Na＋、Cl－為主，因此長期灌溉農(nóng)村生活污水尤其需關(guān)注鈉鹽、氯鹽對土壤養(yǎng)分的影響。

3.4 不同鹽濃度生活污水對作物品質(zhì)的影響

含鹽生活污水灌溉下Cl－過高會使作物代謝紊亂，甚至出現(xiàn)中毒現(xiàn)象；高濃度具有明顯毒性，其通過限制Ca2＋的活性，阻礙小白菜對Ca2＋的吸收，而Mg2＋含量過少使作物缺素，易出現(xiàn)葉片斑駁癥狀，進一步降低小白菜蛋白質(zhì)含量、鮮重等[25]?？扇苄蕴堑闹饕δ苁菨B透保護、滲透適應(yīng)、碳儲存和清除活性氧[26]，一定濃度的含鹽污水灌溉可以提高作物可溶性糖含量[27]。研究發(fā)現(xiàn)低濃度鹽水促進株高增長，而高濃度鹽水則會降低株高[28]。本研究中低濃度(<1.0 g/L)生活污水(RW、W1、W2)灌溉，小白菜株高較對照分別增長35.61%、27.27%、22.93%，而高濃度(W5)生活污水灌溉下小白菜株高顯著降低。原因是含鹽污水灌溉下，作物光合速率及酶活性的變化進一步影響蛋白質(zhì)合成，同時降低碳水化合物及生長激素水平，從而限制作物生長[29]。

綜上，高鹽濃度生活污水(>1.0 g/L)灌溉更易使土壤持水率發(fā)生飽和現(xiàn)象，需制定合理灌溉制度，控制土壤水分過度飽和，有效避免灌概地返鹽現(xiàn)象發(fā)生。長期灌溉以Na＋、Cl－為主要鹽基離子的生活污水可能對土壤養(yǎng)分帶來負面影響。一定鹽濃度生活污水灌溉下小白菜品質(zhì)指標均有顯著變化，蛋白質(zhì)含量、維生素C含量、葉寬、鮮重較CK顯著減少，可溶性糖及株高顯著增加。相關(guān)性分析表明土壤全鹽量、Mg2＋、Cl－為小白菜品質(zhì)的主要影響因子。