生活源再生水短期灌溉对表层农业土壤理化性质的影响

范春辉, 袁文静, 辛意贝

(沈阳师范大学 生命科学学院, 沈阳 110034)

0 引 言

再生水是指工业废水或生活废水经适当处理达到一定水质指标后,可以被重复使用、实现其资源化价值的水[1]。与其他淡水资源相比,再生水成本较低、风险可控、生态环保,能够有效缓解淡水资源紧缺的问题,得到了很多国家的广泛关注和推广应用。在以色列、美国、澳大利亚等国,再生水常被用于农业灌溉,取得了良好的生态效益和经济效益。将再生水用于(半)干旱或贫(缺)水地区的农业灌溉,常常是缓解灌溉用水不足、保障农业生产的重要途径[2]。

再生水灌溉农业有其固有优势,但灌溉过程可能带来的影响或干扰要给予充分重视。再生水能够给土壤体系带来N,P等营养组分,但灌溉过程也可能改变土壤酸碱度、盐分等化学参数[3]。总体来看,灌溉过程对土壤性质的影响具有很大不确定性。现阶段,我国再生水灌溉农业刚刚起步,相关基础性研究比较缺乏[4]。同时,考虑到研究区域的时空差异、再生水和土壤性质等外部因素,对典型地区的相关研究便具有特殊意义。本文以生活源再生水为研究对象,通过批次试验探讨短期灌溉过程对表层农业土壤性质的影响,以期为后续的放大试验和田间试验提供基础数据。

1 实验部分

1.1 实验仪器与试剂

比表面积分析仪(NOVA 2200e, QUANTACHROME);电导率仪(DDSJ-308F,上海雷磁);总有机碳分析仪(TOC-L, SHIMADZU);原子吸收分光光度计(Z-2000, HITACHI);扫描电子显微镜(TM3030, HITACHI)。实验所用化学试剂均为分析纯。

1.2 实验方法

1.2.1 样品获取

再生水取自沈阳市某污水处理厂出水排放口,水样采集时间为2021年4月上旬,当日天气多云、无降雨、无风。将样品装入棕色水样采集瓶,带回实验室后置于4 ℃冰箱中保存备用。农业土壤采自沈阳市沈北新区北四环附近农田(沈阳方特欢乐世界附近),地理坐标为北纬41°57′51″,东经123°24′24″。采集时间为2021年4月上旬,当日天气晴好、无降雨、微风。使用5点采样法获取0～10 cm表层土壤样品,经混合后装入贴有标签的聚乙烯塑料专用样品袋,带回实验室置于阴凉干燥处备用。再生水和土壤样品的基本性质见表1。

表1 再生水和土壤样品基本性质Table 1 Physical and chemical characteristics of reclaimed water and soil samples

1.2.2 灌溉操作

通过渗滤柱批次试验体系完成再生水灌溉相关研究工作,渗滤柱材质为聚四氟乙烯,柱直径为2 cm,柱高度为10 cm。实验时,将等量土样填柱,室温下以滴灌的方式将再生水连续灌入土柱,滴灌速度为3 mL·min-1,整体灌溉时间为12 h(参考了国内外再生水田间灌溉周期)。在反应过程的不同时间节点,对柱内土样进行分析检测,评价灌溉过程对土壤性质的影响。

1.3 分析方法

再生水水质测定参考《水和废水监测分析方法》[5],土壤指标测定参考《土壤农业化学分析方法》[6]。每个样品做3个平行,每个样品重复测定3次。将反应前后的土壤样品自然风干,导电胶固定后喷金0.5 min,放入检测室观察表面形貌差异;扫描电镜加速电压为5 kV,放大倍数为1 000倍。所有玻璃器皿使用前均经10% HNO3浸泡24 h,经纯净水洗净后备用。通过Origin软件处理数据和绘图。

2 结果与讨论

2.1 灌溉过程对土壤pH值的影响

再生水灌溉对土壤pH值的影响如图1所示。结果表明:在实验条件下,再生水灌溉能够改变土壤pH值。随着灌溉时间的延长,土壤pH值略微升高,但pH值变化幅度不明显,一直在近中性附近波动。这主要是由于再生水中含有较多的盐分和营养元素,这些组分随灌溉过程富集于土壤表层,导致土壤pH值略有升高[7]。同时,由于土壤体系具有较好的缓冲作用,导致短期灌溉对土壤pH值的影响有限,仅表现出无规律波动态势。此外,再生水中含有多种有机酸,源于有机物的氧化作用和氨的硝化作用,这是导致土壤pH值降低的重要外因。因此,本部分土壤pH值的无规律变化可能是多种因素共同作用的结果。

图1 灌溉过程对土壤pH值的影响Fig.1 Effect of irrigation process on pH values in soil

2.2 灌溉过程对土壤有机质的影响

再生水灌溉对土壤有机质的影响如图2所示。研究发现土壤有机质含量呈现“升高—降低—趋稳”的变化态势。在反应开始阶段,土壤有机质含量迅速升高,这源于再生水中有机质的补给;随着灌溉过程的持续进行,土壤内源有机质被逐渐淋溶,导致土壤淋溶液中有机质含量升高,土壤体系有机质含量相应降低;之后,(再生水)外源有机质补充与(土壤)内源有机质淋溶呈现动态流转,表现为土壤有机质绝对含量趋稳的宏观效应。总体上看,再生水短期灌溉能够一定程度上增加表层土壤有机质含量,这与同类研究结果基本相符[8]。

图2 灌溉过程对土壤有机质的影响Fig.2 Effect of irrigation process on organic matters in soil

2.3 灌溉过程对土壤主要离子的影响

再生水中含有大量离子组分,灌溉过程可能导致土壤盐分累积。再生水灌溉对土壤主要离子(含Pb2+和Cd2+)的影响见表2。再生水灌溉导致土壤Ca2+, Na+和K+含量升高,主要由于再生水中相关离子转移到土壤体系;随着灌溉时间的延长,土壤中3种离子含量趋于不变或增幅变缓。相比之下,灌溉过程对土壤其他离子含量影响很小。土壤离子的累积是“汇入”和“淋出”的综合效应;有研究表明,长期充分灌溉或天然降雨能够有效淋洗土壤多余盐分[9]。鉴于此,笔者认为再生水灌溉引发土壤次生盐渍化的可能性较低。

表2 灌溉过程对土壤主要离子的影响Table 2 Effect of irrigation process on main ions in soil

2.4 灌溉过程对土壤养分的影响

再生水灌溉对土壤养分的影响见表3。在选取的土壤养分6种相关指标中,其含量均在灌溉过程的影响下有所升高:其中AN和TP增幅相对较大,分别从反应前(0 h)的0.54和2.12 g·kg-1,增加到灌溉后(12 h)的0.91和2.93 g·kg-1,这表明再生水灌溉有助于促进土壤养分状况的整体改善。有学者认为,再生水灌溉对土壤肥力的影响并不确定,可能受土壤质地、灌溉方式和变量因素的调控[10]。考虑到本文再生水灌溉周期较短(12 h),且灌溉对象为表层土壤,因此,长周期灌溉与土壤养分的相关性还需深度探究。

表3 灌溉过程对土壤养分的影响Table 3 Effect of irrigation process on soil nutrients

2.5 灌溉过程对土壤表面形貌的影响

深入分析了灌溉前(0 h)和灌溉后(12 h)的土壤表面形貌差异,结果如图3所示。灌溉前的土壤颗粒粒径不均,但土壤结构较为紧实,孔隙度不大;再生水灌溉后,土壤表面“粗化”效应明显,团聚体增多,呈现若干团聚体颗粒交替聚集和附着的现象。这主要是再生水的淋滤下渗导致土壤团聚体分散和土壤颗粒均一化,继而又出现细颗粒聚集和压实的综合效应。再生水灌溉对土壤表面形貌的相对影响不大,考虑到土壤的长期自恢复能力,灌溉过程的相关影响可以忽略不计。

图3 灌溉过程对土壤表面形貌的影响Fig.3 Effect of irrigation process on surface characteristics of soil

2.6 讨论

通过对再生水短期灌溉的系统研究,初步掌握了灌溉过程对表层农业土壤性质的影响。从得到的结果来看,与同类研究有相似也有区别,这与再生水性质、土壤性质等多种因素有关[11]。再生水灌溉过程变量较多,要从物理化学和生物学层面全面考量,综合预估灌溉过程的负面生态效应和潜在环境风险[12-14],比如可能发生的土壤盐渍化、微生物群落失衡、农作物病虫害等问题。要加强后续研究的深度和维度,并结合田间试验和仪器分析技术,剖析灌溉过程宏观行为的微观机制,为再生水灌溉农业的推广应用提供科学指导。

3 结 论

通过批次试验分析生活源再生水短期灌溉对表层农业土壤性质的影响。研究发现:土壤pH值受再生水灌溉的影响很小,灌溉后土壤有机质含量有所增加;再生水灌溉导致土壤中Ca2+, Na+和K+含量增加,其他离子含量变化很小;灌溉过程能够增加土壤AN和TP含量,这有助于一定程度上改善土壤养分状况;将土壤样品放大1 000倍后发现,灌溉前后土壤表面形貌差异不大。

致谢感谢沈阳师范大学人才引进科研启动基金项目(BS202021)的支持。