再生水灌溉对作物及土壤理化性质的影响研究进展

吉时育

(内蒙古师范大学地理科学学院，内蒙古 呼和浩特 010022)

中国是农业大国，农业水资源供给极其紧张，年均农业缺水量达300亿m3，受旱农田面积达1333.33～2000万hm2，8000万农业人口用水难，国家粮食生产深受威胁。解决中国农业水资源短缺问题的关键，除了大力推广节水灌溉，开辟新水源也尤为重要。再生水作为新水源，在诸多国家已广泛应用于农业灌溉。伊朗、以色列、日本等国家将再生水用于农业灌溉已开展多年，技术相对成熟。相对国外,我国起步较晚，我国再生水灌溉始于20世纪80年代，再生水来源主要是工业废水，约占总量的40%～50%。由于再生水处理工艺复杂、经济成本高，因此我国再生水灌溉一般仅在污水处理厂下游较近农田展开，有待大面积推广。再生水灌溉技术市场前景广阔，既能解决常规水资源，又能降低地表水体污染，是发展生态可持续农业的有效手段。因此，明确再生水灌溉研究进展和应用存在的现实问题，对促进再生水资源化灌溉推广应用具有很强的现实意义。

1 再生水灌溉对农作物的影响

植物生长主需的大中量养分，绝大多数被再生水包含，此类养分物质可以提升农作物抗性，利于农作物增产，同时再生水中也含有阻碍作物正常生理活动的大量盐分。再生水灌溉可能促进或抑制粮食作物生长。经过处理的再生水含有各种有机物、无机物，这些物质可能对作物有益(如硝酸盐)也可能有害(如盐)，如果再生水灌溉量和灌溉水质发生重大变化，可能导致全球粮食减产。再生水能够增强土壤肥力，利于作物生长，但水中所含的高浓度盐量可能妨害作物生长，也可因用水不当，导致土壤盐分积累。李中阳等[1]使用再生水灌溉黑麦草，结果表明，与清水灌溉相比，再生水灌溉显著降低土壤pH和增加土壤有机质，使土壤中的有效磷素得到提高。宰宏杰等[2]进行2a期实验，发现再生水灌溉下玉米长势均高于清水，但在玉米根、秆部出现重金属积累，且随着灌溉水量、年限的增加呈增大趋势。目前再生水灌溉对作物生长和器官生理发育方面的研究较多，但对于低成本、可以在实际中大规模应用的再生水水质和受灌土质对作物生理和品质影响方面的研究较少，且大部分为短周期再生水灌溉试验，缺乏长期试验研究，应加强多年观测或作物生长模拟。

2 再生水灌溉对土壤物理性质的影响

2.1 再生水灌溉对土壤孔隙的影响

Wang等[3]调查长期再生水灌溉，土壤孔隙度和保养能力显著下降。蓝明菊[4]通过室内污水灌溉试验发现，污水灌溉会造成黏粒占比高的土壤入渗率下降。沙土和壤土经长期污水灌溉，土壤孔隙度密度提升，孔隙直径下降。部分研究表明，再生水灌溉对土壤导水性的影响，取决于污水水质、土壤化学性质和土壤孔隙大小分布。沙质土壤的导水性和入渗速率受再生水影响小，原因是孔隙直径相对大，再生水中固体悬浮物不易严重堵塞孔隙，而壤土和粘土孔隙直径相对较小，容易被再生水中悬浮无机固体堵塞土壤孔隙，导致土壤导水性和入渗速率下降。因此，再生水灌溉对土壤导水性能影响的研究结论不一致，得出降低壤土和粘土导水率的结果居多。

2.2 再生水灌溉对土壤结构的影响

关于土壤结构，在这里主要讨论土壤中的土壤单粒团聚而成团粒结构，利于土壤保水保养、协调水汽土温。再生水灌溉对土壤结构的影响是国内外学界较早关注的领域，所做研究结果多显示再生水灌溉致使土粒分散程度加剧，湿时膨胀干时收缩，团粒结构遭到破坏，协调水、肥、气、热的能力下降，究其原因为再生水中的高Na+含量所致。J Jed等[5]的研究同样表明，高盐污水导致灌溉区土壤排水困难，土壤结构恶化。但是部分研究显示，再生水灌溉对改善土壤结构作用显著。盛丰等[6]通过灌水入渗试验发现，再生水灌溉可提升土壤盐分浓度，浓度为3.0g·L-1时土壤团聚体稳定性加强，浓度为5.0g·L-1时土壤团聚体破碎加剧。胡廷飞等[7]通过室内土柱实验表明，相比清水灌溉，再生水灌溉<1mm粒级团聚体含量分别增长11.51%～31.22%，潮土团聚体水稳定性降低。目前，国内外学者关于再生水灌溉对土壤结构的影响尚无定论，可能由于所研究水质或土质差异缘故。

3 再生水灌溉对土壤养分的影响

3.1 再生水灌溉对土壤有机质的影响

在本文中，土壤有机质指其广义概念，即土壤中所有含碳有机质。土壤有机质含量高低可以反映土壤肥力水平，直接影响土地农作物产量，多数试验研究表明，不同再生水灌溉历时土壤有机质均有所提升。郭晓明等[8]通过、野外调查和采样分析研究了不同再生水使用历时长度的农田土壤养分状况，关于土壤有机质含量，试验显示，各灌溉历时的再生水灌区均高于清水灌区。李中阳等[1]使用再生水进行园林绿化，对比发现再生水灌区土壤有机质含量增加，增加情况因草坪根系分布而异。因此，再生水灌溉对土壤肥力的提升作用，具体情况因土质水质而异，需对水土分质后深入研究。

3.2 再生水灌溉对土壤氮磷钾的影响

韩洋等[9]采用室内土柱灌水试验，再生水灌溉下耕层土壤磷素和氮素增幅明显。韩烈保等[10]利用再生水进行园林绿化试验，土壤碱解氮、速效磷、速效钾均有显著增加。郑汐[11]等采用中水对大田草坪进行灌溉试验发现，土壤全效氮磷钾在长期中水灌溉下均未出现显著提升，碱解氮、有效磷和速效钾含量均显著高于清水灌溉。焦志华等[12]进行盆栽大豆模拟试验，结果表明，根际土壤有机质、有效磷含量因再生水灌溉而增加，土壤中氮含量增减量不显著，另外再生水对全钾含量未见明显影响。上述学者针对再生水灌溉对有效态氮磷钾在土壤中的变化及分布的试验结果各不相同。不同的用水、不同的实验土壤、植物品种差异、灌溉方式差异，均为影响因素。今后研究应引入农田土壤-作物系统过程模型，综合考量土壤有效态氮磷钾的变化。

4 再生水灌溉对土壤pH值的影响

土壤酸性和碱性统称土壤pH，影响土壤养分的有效性和农作物正常生理功能。土壤pH研究一直是污水资源化灌溉的入门研究项目，所以相关报道较多。焦志华等[12]用再生水浇灌盆栽大豆，结果表明，大豆根际土壤pH变化较小。Wang等[3]调查比对发现，长达20a的再生水灌溉充分释放土壤的酸碱性缓冲能力，土壤pH显著降低，原因是研究土壤pH背景值均大于灌溉水，较低pH值的灌溉水对土壤碱性有所中和。综上，再生水水质、灌溉土壤土质、再生水灌溉时长均会引起土壤pH变化，这主要是再生水中所含养分和盐分对土壤环境影响所致。

5 再生水灌溉对土壤盐分的影响

再生水处理工艺多以除氮磷为主，通常其全盐含量较高，短期灌溉会改变土壤微域环境,长期采用再生水灌溉易造成土壤盐碱化。QIAN等[13]进行长期再生水灌溉绿地试验发现，对比地表水灌溉，再生水灌溉使土壤盐碱大量积累，土壤电导率增加近2倍，土壤钠吸附比增加近5倍，钠离子增加2倍，pH值小幅上升，土壤养分变化不明显，究其原因为试验区气候干旱少雨所致。对于叶类蔬菜种植进行短期再生水灌溉试验表明，15cm以上土壤盐分积累明显，15cm以下土壤盐分积累与清水灌溉差异不明显。徐小元等[14]调查研究再生水灌溉历时长度对土壤含盐量的影响，结果表明，再生水灌溉导致0～100cm土壤中盐分明显增加，钠离子、镁离子、氯离子浓度在土壤耕层增加不显著，在土壤中层显著增加。在土壤碱性方面，钠吸附比随着再生水灌溉历时的延长而增大。土壤盐分积累会在降雨的淋溶作用下有一定程度降低，土壤中大部分主要盐分离子受淋溶作用影响均有向土壤耕层以下迁移的趋势，土壤pH值升高，虽然土壤盐分未形成有效积累，长时间采用再生水灌溉可能会提升土壤碱性，阻碍作物生长。目前关于再生水灌溉下土壤中出现盐分增加为一致，关于长期使用再生水灌溉是否出现盐碱化需就具体地区分析，但该类研究总体短期、实验性的居多，缺乏长期试验研究，应针对具体地区实际情况加强长期观测。同时对于低成本、实际中大规模应用的再生水水质和受灌土质对作物生理和品质影响方面的研究应加强。

6 再生水灌溉对土壤重金属污染的影响

国内再生水灌溉水源多为工业废水，水质重金属含量普遍较高，故关于再生水灌区土壤重金属污染倍受关注，相关研究较多。魏益华等[15]用再生水灌溉小白菜，为期2个月实验研究发现，与自来水灌溉相比再生水灌溉短时间内未在土壤中形成明显重金属积累。严兴等[16]研究表明，经60d再生水灌溉，土壤中有一定程度重金属富集，蔬菜中重金属富集程度与菜品的种类和部位有关，果实类菜品符合安全标准，但茎叶类菜品的菜心部位重金属污染超标，不符合食品污染物限量标准。使用再生水灌溉有可能会使过量重金属进入土壤-植被系统，植物体内残留超标重金属，食用后危害人体健康。因此，需要具体问题具体分析，加强不同品种作物和土壤环境在再生水灌溉下的重金属富集程度的研究，以及作物果实安全性的影响，以实现安全利用再生水。

7 结论与建议

我国水资源紧张的现状日益加重，农业为用水大户，粮食产量保障受到威胁，粮食质量提升受到限制，随着国内污水处理技术的逐步提高和污水处理厂的不断扩建，将处理达标的再生水用于农业灌溉是缓解常规水资源压力、促进生态文明建设的必然选择。合理使用再生水农灌可一定程度减少灌溉区化肥投入，促进农作物生长发育的同时降低水土富营养污染，达到粮食增产和环境优化并举的效果。国内外对于再生水灌溉方面的研究很多，对于再生水灌溉试验研究多集中在短期试验，长期观测偏少。未来应加强长期再生水灌溉条件下，不同土质和土壤盐碱程度的研究工作，探索土壤理化特性对不同水质再生水灌溉的影响。加强对应不同再生水使用量下对土壤中水盐迁移和分布特征的研究工作，深入研究不同水质再生水灌溉对不同类型土壤和作物组合的适宜性，尽可能从水土理化性质上揭示再生水灌溉对于土壤质量和作物的影响，使再生水农用经济环保可持续。