再生水滴灌研究现状与发展概述

郝凯越，李松旌，陈相宇，王 圆，宗永臣

(1.西藏农牧学院水利土木工程学院，西藏 林芝 860000；2.中国农业科学院农田灌溉研究所，河南 新乡 453002；3.中国农业科学院研究生院，北京 100081)

我国水资源严重短缺，其中农业水资源供需矛盾尤为突出，解决农业水资源短缺问题应当从节水农业、广辟水源两方面并行研究[1]。滴灌作为目前最有效的一种节水灌溉方式，是将低压水缓慢直接地滴到作物根部附近的土壤[2]，且兼具增肥效、增产量的效果；再生水作为许多国家广泛认可的农业灌溉水源，指的是污水经适当再生工艺处理后，可达到一定水质要求，且满足某种使用功能要求，最终可以进行有益使用的水[3]，具有量大、面广的特点。

再生水的污染物众多，例如病原体、有机污染物、重金属等，当前对再生水灌溉研究主要集中在土壤表层，且灌溉方式多采用淹灌、漫灌等传统的灌溉方式，对滴灌的研究较少。经过处理的生产生活污水和滴灌相结合的再生水滴灌模式是当前农业节水的研究前沿，例如国内的李久生团队、李云开团队、裴亮团队等，国外的Forslund A、Abrahao R、Hanson B R等，均对其进行了不同方面的研究。再生水滴灌由于其设备布置、灌水频率、灌溉水量、灌水水质与传统灌溉方式不同，因此再生水及水中物质在土壤-植物系统的分布转化也不尽相同。因此，对再生水滴灌研究现状进行总结分析，寻找主要问题并结合实际提出合理的建议，对于农业节水和再生水安全利用具有重要意义。

1 再生水滴灌系统的布置

1.1 毛管埋深

在现有研究中，毛管埋深很少作为试验变量进行处理，且在《微灌工程技术规范》(GBT 50485-2009)[4]中并未详细规定。De Tar等[5]进行土豆地下滴灌试验时发现，毛管埋深在0.08 m(位于种子上面)和0.46 m(位于种子下面)是比较合适的；Kong Q等[6]研究不同施肥水平下甜椒对地表滴灌和地下滴灌的响应和Yuping Z等[7]研究番茄根系对地下滴灌的响应发现，适宜的毛管埋深能显著优化根系分布、提高根系活力；由山西运城地区的果树种植情况可得出毛管埋深40～50 cm为宜[8]；仇振杰等[9]研究再生水滴灌条件下的玉米生育期土壤脲酶活性和硝态氮含量时，将毛管埋深作为试验变量，并设置0、15和30 cm 3个水平。

若地下滴灌系统需要土壤耕作，则毛管埋深宜为0.2～0.7 m；若地下滴灌系统不需要土壤耕作，则毛管埋深宜为0.1～0.4 m；具体布置时仍需考虑设备的使用时间、土壤的类型、作物的根系深度和根系大小等[10]。因此，确定不同气候条件下，不同类型土壤、作物的最优毛管埋深是再生水滴灌方面需要进一步研究的课题。

1.2 毛管间距

毛管间距布置对灌溉均匀性有直接影响，其研究现状与毛管埋深类似，缺少详细的研究与规定。段满红[11]等研究了地埋式滴灌毛管埋深和间距对玉米产量影响，结果表明拔节期到大喇叭口期，毛管间距为80 cm时耗水量较低，在灌浆期，间距为60 cm时耗水最大；牛文权等[12]研究了微润灌溉对于日光温室次生盐渍化土壤的影响，结果表明埋深10 cm，3管2行的间距为轻度次生盐渍化土壤适宜的应用模式；仇振杰等[9]对再生水滴灌条件下的玉米生育期土壤脲酶活性和硝态氮含量进行研究，试验中布置灌水器间距为0.4 m，滴灌带间距为1 m，使1条滴灌带控制2行玉米；山西运城地区的果树滴灌宜采用3 m间距，棉田宜采用1.2～1.5 m间距，小麦田宜采用1.0～1.2 m间距[8]。

毛管间距范围为0.25～5.0 m[10]，平播密植类作物采用较小的间距为宜，如草坪、小麦等，行播稀植类作物采用较宽的行距为宜，如蔬菜、果树等。对于沙土种植或干旱地区的作物，较小的毛管间距将有助于田间土壤水分的均匀分布；而对于多雨湿润地区的作物，较宽的毛管间距将有助于提高其经济效益。以上仅为定性的总结，定量的规范仍需进一步研究。

1.3 灌水频率

滴灌频率对作物产量、土壤水分和肥料的迁移、深层渗漏量等均有不同程度的影响。Wang等[13]研究了滴灌频率和根区土壤基质势对马铃薯产量的影响，结果表明随灌水频率的增加，马铃薯块茎产量有不显著的增加趋势；Assouline等[14]通过研究微滴灌和常规滴灌对水分分配和吸收的影响，结果表明灌溉频率影响土壤中水分和氮的转移及植物根系对水分和氮的吸收、利用，进而影响作物生长和产量；Behera等[15]通过研究亚热带半湿润地区施肥和灌溉制度对小麦作物水肥溶质运移的影响，发现少量多次灌溉对土壤溶质的淋洗效率高于一次性大水量灌溉，但导致深层渗漏量增加；El-Gindy等[16]研究发现日灌水的西红柿和黄瓜产量比每3天灌水的产量显著增加。

灌水频率的选取范围应为1天多次到1周1次[10]。总结分析可得：若以作物耗水速度作为指标来确定灌水频次，应按小额多次的灌水方式，例如蔬菜等水分含量较多的作物；而当土壤水分下降至某个限值时，则需数天供水1次，例如果树、大田作物等水分含量较少的作物。各类作物在不同土壤、不同气候条件下的灌水频率仍需进一步细化研究。

1.4 灌水水质

由《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)[17]可以得出城镇污水基本控制项目最高允许排放浓度(日均值)共分为三级，目前再生水的研究普遍采用二级标准，但随着我国对环保的严格要求，最高允许排放将采用一级B标准，甚至为一级A标准，届时再生水各污染物的含量需要进一步的控制。

郭利君等[18]研究再生水水质对滴灌玉米生长和氮肥吸收的影响时，将灌水水质设为试验因子，按再生水所占地下水的比例设置为4个水平(0、67%、83%和100%)，并考虑了叶片SPAD值和氮肥吸收利用等指标的影响，得出了最优水平为83%；栗岩峰等[19]研究再生水水质与滴灌灌水技术参数对番茄产量和品质的影响时，将再生水水质作为试验因子，并将其分为3个水平，分别为二级处理再生水、混合水(再生水与地下水比例为1∶1)、地下水，将灌水周期和滴灌带埋深相比，水质对番茄产量的影响较大；裴亮等[20]研究再生水滴灌土壤中重金属Cd分布运移时，将灌水水质作为试验因子共计5个水平(分别为全部再生水、地下水与再生水按1∶1混合、地下水与再生水按2∶1混合、地下水与再生水按4∶1混合和地下水滴灌)，得出随再生水浓度降低，蓄积Cd的浓度也随之降低的结论。

通过上述总结和其他相关文献表明，在重金属累积方面，多数情况下再生水浓度与蓄积重金属浓度呈正相关关系；而对于产量、肥效等方面而言，存在再生水浓度的最优值，而非简单的正相关关系。

2 再生水滴灌系统阻塞的形成与减缓机制

再生水滴灌较地面灌溉和喷灌在提高水肥利用率上具有明显的优势，而再生水滴灌系统的堵塞情况制约着再生水滴灌推广和发展，是该系统成败的重要一环。

2.1 水质条件

毋庸置疑，灌溉水质是引起滴灌系统阻塞的根本原因。Nakayama F S等[21]系统地总结了引起滴灌系统阻塞的研究进展，并提出了与灌水器阻塞有关的水质判别标准，指明引发灌水器堵塞的敏感因素为水中悬浮物(TSS)、盐分含量、pH值以及细菌总数等；Capra A等[22]对滴灌废水回用的灌水器和过滤器的进行研究，结果表明灌水器的阻塞是一个动态发展的过程，灌水水质较好时阻塞情况较轻，灌水水质较差时阻塞情况较重；Pitts D J等[23]对佛罗里达西南部番茄生产滴灌与地下灌溉进行了比较，发现当灌溉用水硬度低于150 mg/L时不会引起阻塞；温圣林等[24]研究结果表明滴头类型是浑水滴灌滴头堵塞的影响因素，滴头的结构系数可以衡量不同类型滴头抗堵塞性能。滴头的抗堵塞性能又受滴头类型、滴头结构系数以及水质等因素的影响；Feigin A等[25]指出灌水水质在pH>7.5和重碳酸盐的含量大于5 mmol/L时，滴灌系统更容易阻塞。

通过文献分析，灌水水质的pH值、水中悬浮物、水硬度、重碳酸盐含量、细菌总数等与灌水器堵塞具有显著的相关关系，《微灌工程技术规范》(GBT 50485-2009)[4]对微灌水质从悬浮固体物、硬度、不溶固体、pH值、Fe、Mn、H2S的含量7方面对堵塞可能性进行粗略界定，因此对现有指标进行细化补充还有待进一步研究。

2.2 阻塞机制

滴管的灌水器阻塞方式主要分为物理阻塞、化学阻塞和生物阻塞[21]，当pH值较高时易导致化学阻塞的形成，而当BOD5含量较高时易导致生物阻塞的形成，当TSS含量较高时易导致物理阻塞的形成。与传统的地下水灌溉相比，再生水中相关成分较多，其中包括多种藻类、微生物及化学离子等，因此再生水引起阻塞的风险更高且阻塞机制更为复杂[21,26,27]，其通常是由物理、化学和生物3种因子的相互作用所导致[28]。目前，多数学者[27,29,30,31]认为固体颗粒物、微生物、化学离子及其分泌的黏性聚合物等构成的聚合体，为错综复杂的生物膜的形成提供了条件，进而使灌水器阻塞机制更为复杂。

2.3 控制方法

对结合阻塞的形成原因提出控制方法。李云开等[32]将再生水以及河湖地表污染水作为灌溉水源，发现使用砂石过滤器+网式/叠片过滤器对其处理效果较好，这表明当滴灌水质较好时，可以直接使用网式/叠片过滤器作为过滤系统；Feng J等[35]利用CFD中的RNG 模型进行数值模拟分析，研究结果表明对灌水器的流道进行圆弧优化，能够使涡旋发展充分，近而减缓灌水器的阻塞；Eroglu S等[33]通过对化学阻塞和生物阻塞排放物进行处理，结果表明微生物处理枯草杆菌OSU-142是一种安全的、环保的减缓滴水器阻塞的方法；Sahin U等[34]对碳酸钙在磁化盐水中堵塞排放物进行了评价，灌溉水在低电导率、高pH值环境下，经磁化后灌水器化学阻塞明显降低；灌溉水在高电导率、低pH值环境下，经磁化后对化学阻塞的抑制效果并不明显；郝锋珍等[28]研究结果表明加氯间隔和加酸处理目标的pH值是化学处理灌水器阻塞的重要参数，且灌水器结构对化学处理的有效性有显著影响。

总结可得，目前控制灌水器阻塞的方法大致从控制水源、灌水器结构优化、生物处理、化学处理四方面展开研究，而研究灌水器的材料对阻塞情况的影响较少。

3 典型污染因子时空分布及环境行为

3.1 土壤酶活性

21世纪以来，国内外学者对再生水灌溉条件下土壤的酶活性进行了大量的研究。土壤酶活性的变化不仅能反映土壤系统的改变，也能够监测再生水灌溉的环境效应[36]。Yao-Hu Kang等[37]通过田间试验，对不同耕作年限盐碱地的土壤酶活性的变化及空间分布规律进行了研究，结果表明滴灌3年后碱性磷酸酶、脲酶、蔗糖酶的活性均显著增加，其生长速度分别为350%、128%和216%；Qiu Z等[38]在我国华北平原进行了野外试验，发现滴灌深度、灌溉水平和灌水水质对土壤中的三种酶(碱性磷酸酶、脲酶和转化酶)分布均有影响，且得出土壤酶活性受侧向深度的影响明显，对其滴灌两年后发现土壤酶活性呈现明显的层状分布；Zhang M Z等[39]以大田夏玉米为研究对象，以微灌灌溉方式、灌水量和深松深度为因素和水平设计了正交田间试验，结果表明对土壤脲酶的影响程度由大到小依次为：灌溉方式、灌水量、深松，并说明了地下滴灌土壤脲酶活性显著高于地表滴灌和微润灌；在一定范围内，随灌水量的增加，土壤脲酶活性呈增加趋势；但过高灌溉会抑制脲酶活性的增加，随深松深度的增加，土壤脲酶活性呈增加趋势；G Masciandaro等[40]在英国Crabbs农场进行试验，发现地膜覆盖对土壤条件和玉米产量有广泛的改善作用，尤其是代谢潜力指数(脱氢酶/水溶性氮比率)和β-glucosi-dase活动。

总结可得，土壤酶活性主要受土壤自身的物理性质、化学性质和相关农艺措施的影响，其中农艺措施包括施肥、灌溉、覆膜等，覆膜对土壤酶活性的影响逐渐受到国内外相关学者的关注和研究。

3.2 土壤病原体

病原体也称病原物或病原生物，是指能引起病的微生物和寄生虫的统称，主要包括病菌、寄生虫和病毒三类[42]。植物根系的分泌物由土壤病原体主要的能量供给，因此根际土壤是病原体相互作用的关键场所[43,44]，同时也是病原体与作物建立寄生关系的主要平台[45]。

Forslund A等[41]研究了地下滴灌低质量水对马铃薯和地下水的污染风险，在212 d的研究期间，在任何沥滤物样品中均未发现增加的细菌病原体，在填埋土壤、大孔有限和低水速的研究条件下，土壤基质中保留了细菌病原体，并在淋溶到地下水之前死亡，当微生物示踪剂应用终止后，在收获的马铃薯样品上发现了细菌病原体和噬菌体28B；Pachepsky Y等[46]对病原菌与耐高温大肠菌(THT)和/或普通大肠杆菌之间关系的试验数据进行整理和总结，指出大肠菌群指标本身不能提供关于适宜灌溉的地表水中最重要病原体的存在和/或浓度的决定性、非位点特异性和非病原体特异性的信息；Piccinni G等[47]通过裂区设计，采用4种接种处理甜菜坏死黄静脉病毒(BNYVV)、甜菜土传花叶病病毒(BSBMV)、BNYVV+BSBMV和未接种的进行对照，得出BNYVV、BSBMV、BNYVV+BSBMV三种处理中，75%和50% Pot Capacity(PC)灌溉处理显著降低了甜菜的病害等级。

从现有文献来看，在再生水滴灌条件下对土壤病原体的研究较少，且缺乏关于实际灌溉水域土壤病原体组成的关键指标。

3.3 土壤有机污染物

有机污染物是进入并污染环境的有机化合物，按其来源可以分成由生物体的代谢活动及其他生物化学过程产生的天然有机污染物和随着现代合成化学工业的兴起而产生的人工合成有机污染物两大类[48, 49]。在我国提出的14 类、68种优先控制污染物中，有机污染物为12类、58种，占总数的85.3%[50]，可见有机污染物的危害性及相关方面需展开迫切性研究。

Chen Y等[51]对比了地下水和再生水灌溉土壤中多环芳烃 (PAHs)和有机氯农药(OCPs)的残留状况，表明在靠近主通道入口的采样点，PAHs浓度显著高于沿支路采样点和参照点，得出了OCPs的水平较低，且DDT(平均8.41 ng/g)和HCH(平均2.91 ng/g)是主要成分；Chávez A等[52]对渗入含水层废水中的微生物和有机微污染物进行去除，结果表明在1/3的抽样检测中检查到布洛芬，但始终低于0.50 ng/L，而在近一半检测到0.20～9.91 ng/L的甲氧萘丙酸，水杨酸变化浓度较大，而双氯芬酸仅在单一的泉水中检测到；Abrahao R等[53]在西班牙东北部的农业盆地研究中得出土壤中的主要污染物为有机氯化合物、多环芳烃、金属和阿特拉津、双酚、pp’-DDT；沉积物中含有多环芳烃、1,2,4三氯苯和金属。在该研究结束之前，所分析的物质不存在严重的污染问题，目前灌溉对流域中这些物质的浓度没有显著影响，土壤中异狄氏杀虫剂、水体中pp’-DDT、沉积物中Ni和Zn的时间值均略有升高。

3.4 土壤重金属污染

土壤重金属污染是由于含汞、镉、铅、铬、铜、锌、钴、镍、锡等重金属和类金属砷等排放到土壤当中引起的土壤污染[48]，并且土壤中的重金属通过作物吸收、食物链等方式传递到人体内，对人类的健康产生一系列的影响，因此研究作物-土壤系统的重金属吸附转移特性及重金属污染的控制仍是当下研究的热点问题。

Binggan Wei等[54]对滴灌条件下土壤的重金属迁移进行了研究，测定了土壤中镉、铬、铜、镍、铅、锌的含量，得出在滴灌条件下灌溉水量越低，重金属水平迁移的影响越显著，灌溉水量越大，重金属垂直迁移的影响越大的结论；胡超等[55]以马铃薯为试验材料，以灌水水质、灌溉技术、灌水水平为试验因子，对各因子设置5个水平，得出再生水地下分根交替滴灌可提高块茎品质，减轻重金属Cr、Pb和Cu在块茎中积累的结论；裴亮等[56]通过对白菜和萝卜进行再生水滴灌大棚试验，得出重金属主要在土壤表层积累，在80～100 cm深度处重金属的浓度最高的结论，同时发现白菜和萝卜地上部和根系中Pb2+、Cu2+、Cd2+的含量显著增加，但均未超过国家的相关规范标准；之后，裴亮等[57,58]又进行了在再生水滴灌条件下土壤中Cd和As的分布运移的试验研究，发现Cd、As在土壤中时间和位置分布情况类似，并得出用适当处理的再生水浓度进行滴灌会减轻Cd、As污染的结论。

从现有研究来看，再生水灌溉对土壤重金属的分布、迁移的影响研究多数在传统灌溉方式的条件下进行，在再生水滴灌条件下的研究较少。

4 再生水滴灌条件下作物的养分吸收机制

4.1 对作物生长、产量及品质的影响

作物的生长、产量和品质是再生水滴灌系统效果的直观体现。栗岩峰等[59]通过对不同水质作为灌溉水源对番茄进行滴灌试验发现，在产量指标下再生水>地下水>再生水加氯处理，其中再生水灌溉使番茄的水溶性总酸含量显著增加，但显著降低了番茄的维生素C含量和可溶性固形物；裴亮团队对作物和品质进行了研究，以菠菜[60]、黄瓜[61]为研究对象进行了的相关试验，在菠菜的研究中，设置灌溉水质、追肥量2个因子，每个因子设置5个水平，均采用滴灌的方式，得出70%再生水、传统追肥量的30%的处理品质最好，50%再生水、传统追肥量的50%的处理产量最高；在黄瓜的研究中，设置灌溉水质1个因子，设置5个水平，采用滴灌进行试验，试验指标包括生长指标(茎粗、单叶叶面积、单株叶片数、株高)和产量指标(瓜长、单瓜重和产量)，可得出不同指标下的最优处理；Lu S[62]等通过再生水滴灌对番茄产量和品质进行了试验，设置灌溉水质1个因子，设置3个水平，采用滴灌的灌溉方式，设置3组重复，得出再生水灌溉具有提高番茄产量和灌溉生产率趋势的结论。

分析相关文献可得，多数试验得出的最优组合仅从试验已有的处理中选出，而未对一定范围内的最优处理进行预测，且多数分析仅从单方面分析，缺少综合的考虑，综合评价方法有待建立。

4.2 水肥高效利用机制

水肥高效利用是促进作物生长，提高作物产量和品质的途径。T Yaghi等[63]研究了两种滴灌地膜(透明地膜和黑色地膜)对黄瓜需水量、产量及生长周期的影响，处理方法为透明膜下滴灌、黑色膜下滴管、无膜滴灌和表面沟灌，得出透明膜下滴灌使黄瓜产量和水分利用率显著高于其他处理；Singandhupe R B等[64]在1995年和1996年对番茄滴灌系统施肥与灌溉调度进行了研究，得出微喷灌施肥灌水量为传统灌溉处理的31.6%，而产量却增加了5.6%，滴灌全氮吸收量比沟灌高8%～11%的结论；在不同株高下，沟灌的气孔阻力均高于滴灌；Rajput等[65]围绕施肥和灌溉条件下滴灌洋葱水分和硝酸盐的运移这一试验目的进行试验，对土壤样品分析表明，施肥频率对土壤剖面NO3-N分布有较大影响；裴亮等[60]通过研究再生水滴灌对菠菜品质和产量的影响，得出追施肥量大于50%传统施肥量的氮素时，可降低菠菜的干物质、有机酸、维生素C及可溶性糖含量，而硝酸盐含量显著提高；Hanson B R等[66]采用数值模拟方法对滴灌条件下尿素-硝铵施肥效果进行了评价，认为在地表滴灌条件下和不同施肥方式下，尿素均未在土壤剖面中积累，但水解后随时间的延长转化为铵态氮后，尿素积累量迅速下降，由于土壤对铵根的吸附作用，大部分铵根停留在滴管附近，在润湿区边缘附近浓度较低。

通过文献来看，滴灌中提高水肥利用效率多数从土壤质地、滴灌系统布置、施肥量与施肥频率、灌水量与灌水频率展开研究，试验指标多为产量，其他指标还包括土壤剖面水分变化、生长指标等。

5 结 语

再生水在灌溉上的使用可以极大的缓解水资源压力，而滴灌作为目前最为高效灌溉节水方式，二者在结合的过程中，实现优势叠加的同时，仍会产生一系列的问题亟待研究。在此，从以下3个方面进行展望。

(1)试验研究方向。基于一定数量和一定程度上的文献梳理，认为不同作物的再生水最优布置方法、灌水器的材料对阻塞情况的影响、覆膜对土壤酶活性的影响、再生水滴灌条件下对土壤病原体、再生水滴灌水肥精量调控、再生水滴灌的综合评价方法等均有待进一步研究。

(2)试验设计方法。在再生水研究方面使用的试验设计方法较少，现已应用的有根箱设计、裂区设计等，有诸多的试验设计方法可以在试验的范围内挑选代表性点，在减少试验次数的同时不失试验精度，也可以通过少量试验实现大量试验的结论，比如正交设计、均匀设计、回归设计等。

(3)数据分析方法。现有的分析方法多数采用的单方面分类的方差分析进行差异的显著性检验，在统计学中，完全可采用多因素多水平的试验设计，且可考虑各因素的交互作用，包括双(三)方面分类的方差分析、a×b复因子试验的统计分析、a×b×c复因子试验的统计分析等；另外，多数试验的最优组合从已有处理中获得，而回归设计配合二次响应面分析，可以在给定范围内找出可量化的最优组合。