生活再生水灌溉对草坪根区主要土壤养分的影响

肖雨霄，邓凌云，裴宏伟，李雅丽，吕圣薇，刘孟竹，胡锦娟，肖捷颖

（1.河北科技大学环境科学与工程学院，石家庄 050018；2.河北省张家口生态环境监测中心，河北张家口 075000；3.河北建筑工程学院市政与环境工程系，河北张家口 075000；4.河北省水质工程与水资源综合利用重点实验室，河北张家口 075000）

0 引 言

中国是世界上水资源严重短缺和分布不均的国家之一，人均水资源总量仅为世界平均水平的四分之一[1]。2020年，我国城市化率已经突破60%，未来还将呈现加速发展的趋势。城市化的加速发展，一方面使得城市绿地面积不断扩张、城市绿地对水量的需求不断增加，水资源短缺问题日益加剧[2,3]，另一方面，城市人口的激增，也使得生活用水需求和污水排放水平逐年增加，尤其是北方城市面临着水资源不足和水污染加重的双重压力。城市生活污水源再生水是一种数量稳定、含有大量植物生长必需营养元素的再生水，对于干旱缺水且人口密集的北方城市，城市再生水无疑是一种良好的绿地灌溉替代水源[4]，且再生水中富含氮磷等营养元素，有助于作物生长，从而减少化肥的使用[5,6]，对于缓解城市用水紧张、改善生态环境具有重要意义[7]。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》中也明确提出建立水资源刚性约束制度[8]，鼓励开展再生水利用。推广再生水利用不仅开辟了城市用水的“第二水源”，也是节水型社会建设的重要内容之一。同时，可以有效降低污染物排放对生态环境造成的压力[9]。

城市绿地是指以自然植被和人工植被为主要存在形态的城市用地，城市绿地提供的生态系统服务不仅支撑着城市的生态完整性，而且可以过滤空气、消除污染、减弱噪音、降低温度、渗入雨水、补充地下水[10,11]。诸多研究表明，再生水可为土壤和作物提供营养元素，利用再生水灌溉可以增加土壤肥力[12-14]，促进作物生长。因此用再生水代替饮用水进行城市绿地灌溉可以有效地解决水资源短缺问题[15]。王齐等[16]研究表明，中水灌溉绿地可为土壤提供较多养分，并且有利于植物生长。郑汐等[17]试验表明，与清水灌溉相比，再生水中大量的营养物质被土壤吸收，增加了土壤的营养状况。刘金荣等[18]对兰州大学再生水回用于冷季型草坪草的研究表明，短期使用再生水灌溉不会对草坪草造成显著伤害。郑伟等[19]通过对沧州市再生水灌溉不同类型草坪对比试验，得到再生水灌溉两年后土壤盐分呈增加趋势。Zalacáin 等[20]指出，再生水灌溉提高了表层土壤微团聚体的稳定性，可能与土壤有机质含量较高有关。虽然再生水灌溉可以节约水资源，促进植物生长，但再生水中大量的化学物质、营养元素会对环境造成一定的污染，本研究采用小区对比实验方法，研究不同水质灌溉方式下对常见冷季型草根际土壤养分及土壤含水率的影响，同时测定不同土层深度草坪草的根系密度，为再生水灌溉的实际应用及其标准制定提供理论依据。

1 材料与方法

本研究采用早熟禾草坪作为实验对象，实验期为2019年6月28日至2020年6月28日，利用河北建筑工程学院校园中水站处理后的再生水灌溉。实验所用土壤为过筛后的农田耕作土，实验装置采用尺寸为0.85 m×0.85 m×1.2 m（长×宽×高）的不锈钢土箱。在10、20、30、40、50、70 和90 cm 土层处分别埋置土壤水分探头，土箱底部安置有集水排水孔（图1）。实验共设3个土箱，分别做不同灌溉水质处理，即清水灌溉处理(T0，自来水)、混合水灌溉处理(T1，50%清水配50%再生水)、再生水灌溉处理(T2)。根据公园绿地一级养护标准，待草种生长后，7-8月每3 d灌溉一次水，8-9月每4 d灌溉一次水，9-10月每5 d 灌溉一次水，每次灌水量为10 L。实验期间，分别在5月1日和8月30日施加复合有机肥、磷肥，每半个月修剪一次。

图1 研究区草坪实验现场装置图Fig.1 Lawn experiment site device diagram in the research area

灌溉水质指标及水质检测方法见表1。对实验期前后的受纳土壤进行样品采集并进行土壤养分的检测：其中，土壤全氮利用半微量开氏法检测；土壤碱解氮和速效钾分别采用扩散法和火焰光度法检测；土壤有机质和NO3-分别采用重铬酸钾法和离子色谱法检测。本实验选用过筛后的回填土作为实验土壤，分别用清水、混合水、再生水灌溉，在一年周期的实验结束后，分层采集土箱中0～10、10～20、20～30、30～40和40～50 cm深度的土壤，进行土壤养分检测。

表1 灌溉水质指标及水质检测方法Ta.1 Irrigation water quality indicators and water quality testing methods

2 结果与分析

2.1 再生水灌溉对土层全氮的影响

土壤全氮是指土壤中各种形态氮素含量之和，全氮含量是土壤氮素的丰缺指标。从图2分析，不同水质灌溉下，土壤养分状况在不同空间上产生了不同的影响。实验期前，0～50cm 土层全氮含量一直维持于0.03%，3种水质处理下，0～10 cm 土层全氮含量均明显高于实验期前，说明施加的复合肥未被分解完全，土壤中仍存留一定的氮素。T0处理下，0～10 cm土层全氮含量达到0.07%，高于其他两种水质灌溉，这是由于再生水中含有大量的营养物质，促使草坪草根系生长，而清水中的营养物质相对较少，故草坪草不能很好的吸收氮素；10～50 cm 土层全氮含量保持稳定，与实验期前全氮含量相当。T1 和T2 处理下，20～40 cm 土层全氮含量都低于实验期前，最低达到0.02%，说明再生水中的微生物会吸收土壤中的氮素，造成全氮含量降低。随着水流的不断灌溉，土壤处于“淋洗”状态，即未被吸收的氮素随着水流下渗，且土壤湿度较大，土壤中气流的运动受到了限制，草坪草根系供氧不足，在缺氧条件下，土壤中的硝态氮经反硝化作用转化成气态排放到空气中，故土壤中的全氮含量逐渐降低[21]。

图2 0～50 cm土壤全氮分布Fig.2 Distribution of total nitrogen in 0～50 cm soil

2.2 再生水灌溉对土层碱解氮的影响

土壤碱解氮包括无机态氮（铵态氮、硝态氮）及易水解的有机态氮（氨基酸、酰胺和易水解蛋白质），可以反映土壤氮素的供应情况。从图3分析，实验期前，0～50 cm 土层土壤碱解氮含量维持在24 mg/kg，3 种水质处理下，碱解氮的含量均随着土壤深度的增加呈现先降低后增加的趋势，且均高于实验期前。在10～20 cm土层处，3种水质灌溉下，碱解氮含量分别为52、51、50 mg/kg，远高于实验期前。T0和T1处理下，20～30 cm 处土壤碱解氮含量最低(24 mg/kg)；而T2 处理下，30～40 cm 处土壤碱解氮含量最低(31 mg/kg)，这是由于再生水中的营养物质含量较高，更有助于草坪草根系生长，从而在该土层深度能继续吸收氮素。且有学者研究表明[22]，土壤有机质会被土壤中的异养微生物分解，将土壤有机氮转为无机态氮，进一步转化成NO3-，故当土壤有机质越高时土壤碱解氮含量也会增高。

图3 0～50 cm土壤碱解氮含量分布Fig.3 Distribution of alkali-hydrolyzed nitrogen in 0～50 cm soil

2.3 再生水灌溉对土层速效钾的影响

速效钾，是指土壤中易被作物吸收利用的钾素，可以反映土壤钾素的供应情况。从图4分析，实验期前，0～50 cm 土层土壤速效钾含量维持在74 mg/kg，3 种水质处理下，速效钾的含量均随着土壤深度的增加呈现先降低后增加的趋势。在10～20 cm 土层处，3 种水质灌溉下土壤速效钾含量均集中在160～200 mg/kg 之间，分别为163、190、180 mg/kg，远高于实验期前；T0 处理下，20～30 cm 土层处速效钾含量最低(78 mg/kg)；T1和T2处理下，30～40 cm土层处速效钾含量最低(69 mg/kg)，且低于实验期前。

图4 0～50 cm土壤速效钾含量分布Fig.4 Distribution of available potassium content in 0～50 cm soil

2.4 土层中有机质含量的变化情况

土壤有机质包括各种动植物残体、微生物及其生命活动所产生的各种有机物，主要有相对稳定的土壤腐殖质等。从图5分析，实验期前，0～50 cm 土层土壤有机质含量维持在7.8 mg/kg，3 种水质处理下，土壤有机质的含量均随着土壤深度的增加呈现先降低后增加的趋势，且在0～10 cm 土层处，T0、T1、T2 处理下土壤有机质含量分别为12.7、13.4、13.5 g/kg，这是由于该深度土层中存在大量的动植物残体，分解出的有机质会累积在土壤中。有研究表明[23]，植物根系分泌物使根系土壤的微生物数量高于非根系土壤的微生物数量，故表层土壤有机质含量均远高于实验期前；在20～30 cm 土层处，T0 和T2 处理下有机质含量达到最低，分别为5.4 g/kg 和5.1 g/kg；在30～40 cm 土层处，T1处理下有机质含量最低且为4.7 g/kg。在20～50 cm 土层中，动植物残体及一些有机物数量减少且草坪草根会吸收有机质，因此在该深度土层有机质含量有所消耗。

图5 0～50 cm土壤有机质含量分布Fig.5 Distribution of soil organic matter in 0～50 cm

2.5 土层NO3-含量变化情况

从图6分析，实验期前，0～50 cm 土层土壤中NO3-含量保持在19 mg/kg。3 种水质处理下，土壤中NO3-的含量均随着土壤深度的增加呈现先降低后增加的趋势。T2处理下，0～10 cm土层处NO3-含量达到27 mg/kg，远高于其他两种水质处理，并且高于实验期前的含量，这是由于再生水中含有大量的NO3-；3种水质灌溉下，10～50 cm 土层处NO3-含量趋于一致且远小于实验期前NO3-含量，这说明土壤存在严重的氮流失，且再生水中的微生物本身就会吸收NO3-，因此若长期使用再生水灌溉，会对土壤造成一定的影响。

图6 0～50 cm土壤NO3-含量分布Fig.6 Distribution of soil NO3-in 0～50 cm

2.6 不同水质灌溉下各土层土壤体积含水率的分布情况

为对比不同水质浇灌下土壤体积含水率的变化情况，分别在10、20、30、40、50、70、90 cm 土层处埋置土壤水分探测仪，对土壤体积含水率实时监测。从图7分析，3 种水质灌溉下，随着土壤深度增加，土壤体积含水率的变化趋势大致相同，且混合水灌溉处理下的体积含水率略高于其他两种，这是由于再生水中的大分子有机质被土壤微生物降解利用，产生的降解产物和副产物有很强的胶结作用，有利于稳定性团聚体结构的形成，从而改善土壤的入渗性能和导水性能[24]，但这类大分子也会在土壤中沉积，导致土壤堵塞，不利于土壤的导水性能[25]，因此，短期使用再生水浇灌有助于维持土壤含水率。从图8分析可知，表层土壤中草坪草根系密度最大，随着土壤深度的增加，根系密度逐渐减小；混合水灌溉下的根系密度高于清水灌溉高于再生水灌溉，说明草坪草生长旺盛，根系与土壤之间有更好的导水能力。对比不同水质灌溉下土壤含水率变化，在清水、混合水和再生水条件下，0～10 cm 土层体积含水率分别为0.138 60、0.206 62、0.184 92 cm3/cm3，清水灌溉下土壤体积含水率显著低于其他两种水质灌溉，说明再生水灌溉可以明显固持土壤表层水分，减少蒸发，防止水分流失，有助于植株生长。

图7 3种水质处理下土壤体积含水率的变化趋势Fig.7 Variation trend of soil volumetric water content under three kinds of water treatment

图8 不同水质灌溉下草坪草根系密度的分布情况Fig.8 Distribution of root density of turfgrass under irrigation with different water quality

从图9分析，清水灌溉下，土壤体积含水率在20 cm 土层波动范围最大(0.123～0.313 cm3/cm3)，在10 cm 土层处波动范围最小(0.077～0.191 cm3/cm3)；混合水灌溉下，土壤体积含水率在20 cm土层波动范围最大(0.124～0.304 cm3/cm3),在90 cm土层处波动范围最小(0.198 ～0.307 cm3/cm3)；再生水灌溉下，土壤体积含水率在10 cm 土层波动范围最大(0.053～0.29 cm3/cm3),在90 cm 土层处波动范围最小(0.218 ～0.268 cm3/cm3)。随着土层深度的增加，土壤体积含水率的波动越小。这是因为动植物活动大多存在于浅层土壤，且表层土壤受蒸散的作用，土壤含水率不稳定，波动范围大。再生水浓度越高，草坪草生长越旺盛，根系越发达，对水分的吸收越强烈，因此在再生水灌溉下，土壤含水率误差范围最大。

图9 不同水质灌溉下各土层土壤含水率误差情况Fig.9 The error of soil moisture content in different soil layers under different water quality irrigation

3 结 论

(1)3 种不同水质灌溉条件下，土壤中全氮、碱解氮和速效钾含量均呈现随着土层深度的增加先降低后升高的变化趋势。与清水灌溉相比，再生水中的营养物质可被植物根系吸收，促进草坪草生长，因此在表层土壤处的全氮、碱解氮和速效钾含量较低；但若长期使用再生水灌溉，水中的微生物会吸收土壤中的营养元素，对土壤造成一定的影响。

(2)3 种处理土壤有机质的含量均随着土壤深度的增加呈现先降低后增加的趋势，且在0-10 cm 土层处，有机质含量均远高于实验期前，20～30 cm 土层处，清水灌溉和再生水灌溉下有机质含量达到最低；再生水处理下，0～10 cm 土层处NO3-含量达到27 mg/kg，远高于其他两种水质处理，10～50 cm土层处NO3-含量远小于实验期前，这说明土壤存在严重的氮流失。

(3)再生水处理下的土壤体积含水率略高于其他两种，且随着土层深度的增加，土壤体积含水率的波动越小，这是由于草坪草根系发达可以有效地固存水分；但若长期使用再生水灌溉或不控制再生水浓度，水中的大分子会影响土壤孔隙度，不利于土壤的导水性能。