再生水灌溉對作物及土壤理化性質(zhì)的影響研究進展

吉時育

(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)

中國是農(nóng)業(yè)大國，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，國家糧食生產(chǎn)深受威脅。解決中國農(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，在諸多國家已廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)灌溉。伊朗、以色列、日本等國家將再生水用于農(nóng)業(yè)灌溉已開展多年，技術(shù)相對成熟。相對國外,我國起步較晚，我國再生水灌溉始于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)濟成本高，因此我國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展和應(yīng)用存在的現(xiàn)實問題，對促進再生水資源化灌溉推廣應(yīng)用具有很強的現(xiàn)實意義。

1 再生水灌溉對農(nóng)作物的影響

植物生長主需的大中量養(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)，同時再生水中也含有阻礙作物正常生理活動的大量鹽分。再生水灌溉可能促進或抑制糧食作物生長。經(jīng)過處理的再生水含有各種有機物、無機物，這些物質(zhì)可能對作物有益(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)。再生水能夠增強土壤肥力，利于作物生長，但水中所含的高濃度鹽量可能妨害作物生長，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和增加土壤有機質(zhì)，使土壤中的有效磷素得到提高。宰宏杰等[2]進行2a期實驗，發(fā)現(xiàn)再生水灌溉下玉米長勢均高于清水，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。目前再生水灌溉對作物生長和器官生理發(fā)育方面的研究較多，但對于低成本、可以在實際中大規(guī)模應(yīng)用的再生水水質(zhì)和受灌土質(zhì)對作物生理和品質(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，缺乏長期試驗研究，應(yīng)加強多年觀測或作物生長模擬。

2 再生水灌溉對土壤物理性質(zhì)的影響

2.1 再生水灌溉對土壤孔隙的影響

Wang等[3]調(diào)查長期再生水灌溉，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)污水灌溉試驗發(fā)現(xiàn)，污水灌溉會造成黏粒占比高的土壤入滲率下降。沙土和壤土經(jīng)長期污水灌溉，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較小，容易被再生水中懸浮無機固體堵塞土壤孔隙，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聚而成團粒結(jié)構(gòu)，利于土壤保水保養(yǎng)、協(xié)調(diào)水汽土溫。再生水灌溉對土壤結(jié)構(gòu)的影響是國內(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，濕時膨脹干時收縮，團粒結(jié)構(gòu)遭到破壞，協(xié)調(diào)水、肥、氣、熱的能力下降，究其原因為再生水中的高Na+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，再生水灌溉對改善土壤結(jié)構(gòu)作用顯著。盛豐等[6]通過灌水入滲試驗發(fā)現(xiàn)，再生水灌溉可提升土壤鹽分濃度，濃度為3.0g·L-1時土壤團聚體穩(wěn)定性加強，濃度為5.0g·L-1時土壤團聚體破碎加劇。胡廷飛等[7]通過室內(nèi)土柱實驗表明，相比清水灌溉，再生水灌溉<1mm粒級團聚體含量分別增長11.51%～31.22%，潮土團聚體水穩(wěn)定性降低。目前，國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于再生水灌溉對土壤結(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 再生水灌溉對土壤養(yǎng)分的影響

3.1 再生水灌溉對土壤有機質(zhì)的影響

在本文中，土壤有機質(zhì)指其廣義概念，即土壤中所有含碳有機質(zhì)。土壤有機質(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)試驗研究表明，不同再生水灌溉歷時土壤有機質(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長度的農(nóng)田土壤養(yǎng)分狀況，關(guān)于土壤有機質(zhì)含量，試驗顯示，各灌溉歷時的再生水灌區(qū)均高于清水灌區(qū)。李中陽等[1]使用再生水進行園林綠化，對比發(fā)現(xiàn)再生水灌區(qū)土壤有機質(zhì)含量增加，增加情況因草坪根系分布而異。因此，再生水灌溉對土壤肥力的提升作用，具體情況因土質(zhì)水質(zhì)而異，需對水土分質(zhì)后深入研究。

3.2 再生水灌溉對土壤氮磷鉀的影響

韓洋等[9]采用室內(nèi)土柱灌水試驗，再生水灌溉下耕層土壤磷素和氮素增幅明顯。韓烈保等[10]利用再生水進行園林綠化試驗，土壤堿解氮、速效磷、速效鉀均有顯著增加。鄭汐[11]等采用中水對大田草坪進行灌溉試驗發(fā)現(xiàn)，土壤全效氮磷鉀在長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]進行盆栽大豆模擬試驗，結(jié)果表明，根際土壤有機質(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，另外再生水對全鉀含量未見明顯影響。上述學(xué)者針對再生水灌溉對有效態(tài)氮磷鉀在土壤中的變化及分布的試驗結(jié)果各不相同。不同的用水、不同的實驗土壤、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目，所以相關(guān)報道較多。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)查比對發(fā)現(xiàn)，長達(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)、再生水灌溉時長均會引起土壤pH變化，這主要是再生水中所含養(yǎng)分和鹽分對土壤環(huán)境影響所致。

5 再生水灌溉對土壤鹽分的影響

再生水處理工藝多以除氮磷為主，通常其全鹽含量較高，短期灌溉會改變土壤微域環(huán)境,長期采用再生水灌溉易造成土壤鹽堿化。QIAN等[13]進行長期再生水灌溉綠地試驗發(fā)現(xiàn)，對比地表水灌溉，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，究其原因為試驗區(qū)氣候干旱少雨所致。對于葉類蔬菜種植進行短期再生水灌溉試驗表明，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長度對土壤含鹽量的影響，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的延長而增大。土壤鹽分積累會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，土壤pH值升高，雖然土壤鹽分未形成有效積累，長時間采用再生水灌溉可能會提升土壤堿性，阻礙作物生長。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、實驗性的居多，缺乏長期試驗研究，應(yīng)針對具體地區(qū)實際情況加強長期觀測。同時對于低成本、實際中大規(guī)模應(yīng)用的再生水水質(zhì)和受灌土質(zhì)對作物生理和品質(zhì)影響方面的研究應(yīng)加強。

6 再生水灌溉對土壤重金屬污染的影響

國內(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個月實驗研究發(fā)現(xiàn)，與自來水灌溉相比再生水灌溉短時間內(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使過量重金屬進入土壤-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，以及作物果實安全性的影響，以實現(xiàn)安全利用再生水。

7 結(jié)論與建議

我國水資源緊張的現(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，隨著國內(nèi)污水處理技術(shù)的逐步提高和污水處理廠的不斷擴建，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，促進農(nóng)作物生長發(fā)育的同時降低水土富營養(yǎng)污染，達(dá)到糧食增產(chǎn)和環(huán)境優(yōu)化并舉的效果。國內(nèi)外對于再生水灌溉方面的研究很多，對于再生水灌溉試驗研究多集中在短期試驗，長期觀測偏少。未來應(yīng)加強長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不同水質(zhì)再生水灌溉的影響。加強對應(yīng)不同再生水使用量下對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于土壤質(zhì)量和作物的影響，使再生水農(nóng)用經(jīng)濟環(huán)?？沙掷m(xù)。