生活源再生水短期灌溉對表層農業土壤理化性質的影響

范春輝, 袁文靜, 辛意貝

(沈陽師范大學 生命科學學院, 沈陽 110034)

0 引 言

再生水是指工業廢水或生活廢水經適當處理達到一定水質指標后,可以被重復使用、實現其資源化價值的水[1]。與其他淡水資源相比,再生水成本較低、風險可控、生態環保,能夠有效緩解淡水資源緊缺的問題,得到了很多國家的廣泛關注和推廣應用。在以色列、美國、澳大利亞等國,再生水常被用于農業灌溉,取得了良好的生態效益和經濟效益。將再生水用于(半)干旱或貧(缺)水地區的農業灌溉,常常是緩解灌溉用水不足、保障農業生產的重要途徑[2]。

再生水灌溉農業有其固有優勢,但灌溉過程可能帶來的影響或干擾要給予充分重視。再生水能夠給土壤體系帶來N,P等營養組分,但灌溉過程也可能改變土壤酸堿度、鹽分等化學參數[3]。總體來看,灌溉過程對土壤性質的影響具有很大不確定性。現階段,我國再生水灌溉農業剛剛起步,相關基礎性研究比較缺乏[4]。同時,考慮到研究區域的時空差異、再生水和土壤性質等外部因素,對典型地區的相關研究便具有特殊意義。本文以生活源再生水為研究對象,通過批次試驗探討短期灌溉過程對表層農業土壤性質的影響,以期為后續的放大試驗和田間試驗提供基礎數據。

1 實驗部分

1.1 實驗儀器與試劑

比表面積分析儀(NOVA 2200e, QUANTACHROME);電導率儀(DDSJ-308F,上海雷磁);總有機碳分析儀(TOC-L, SHIMADZU);原子吸收分光光度計(Z-2000, HITACHI);掃描電子顯微鏡(TM3030, HITACHI)。實驗所用化學試劑均為分析純。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品獲取

再生水取自沈陽市某污水處理廠出水排放口,水樣采集時間為2021年4月上旬,當日天氣多云、無降雨、無風。將樣品裝入棕色水樣采集瓶,帶回實驗室后置于4 ℃冰箱中保存備用。農業土壤采自沈陽市沈北新區北四環附近農田(沈陽方特歡樂世界附近),地理坐標為北緯41°57′51″,東經123°24′24″。采集時間為2021年4月上旬,當日天氣晴好、無降雨、微風。使用5點采樣法獲取0～10 cm表層土壤樣品,經混合后裝入貼有標簽的聚乙烯塑料專用樣品袋,帶回實驗室置于陰涼干燥處備用。再生水和土壤樣品的基本性質見表1。

表1 再生水和土壤樣品基本性質Table 1 Physical and chemical characteristics of reclaimed water and soil samples

1.2.2 灌溉操作

通過滲濾柱批次試驗體系完成再生水灌溉相關研究工作,滲濾柱材質為聚四氟乙烯,柱直徑為2 cm,柱高度為10 cm。實驗時,將等量土樣填柱,室溫下以滴灌的方式將再生水連續灌入土柱,滴灌速度為3 mL·min-1,整體灌溉時間為12 h(參考了國內外再生水田間灌溉周期)。在反應過程的不同時間節點,對柱內土樣進行分析檢測,評價灌溉過程對土壤性質的影響。

1.3 分析方法

再生水水質測定參考《水和廢水監測分析方法》[5],土壤指標測定參考《土壤農業化學分析方法》[6]。每個樣品做3個平行,每個樣品重復測定3次。將反應前后的土壤樣品自然風干,導電膠固定后噴金0.5 min,放入檢測室觀察表面形貌差異;掃描電鏡加速電壓為5 kV,放大倍數為1 000倍。所有玻璃器皿使用前均經10% HNO3浸泡24 h,經純凈水洗凈后備用。通過Origin軟件處理數據和繪圖。

2 結果與討論

2.1 灌溉過程對土壤pH值的影響

再生水灌溉對土壤pH值的影響如圖1所示。結果表明:在實驗條件下,再生水灌溉能夠改變土壤pH值。隨著灌溉時間的延長,土壤pH值略微升高,但pH值變化幅度不明顯,一直在近中性附近波動。這主要是由于再生水中含有較多的鹽分和營養元素,這些組分隨灌溉過程富集于土壤表層,導致土壤pH值略有升高[7]。同時,由于土壤體系具有較好的緩沖作用,導致短期灌溉對土壤pH值的影響有限,僅表現出無規律波動態勢。此外,再生水中含有多種有機酸,源于有機物的氧化作用和氨的硝化作用,這是導致土壤pH值降低的重要外因。因此,本部分土壤pH值的無規律變化可能是多種因素共同作用的結果。

圖1 灌溉過程對土壤pH值的影響Fig.1 Effect of irrigation process on pH values in soil

2.2 灌溉過程對土壤有機質的影響

再生水灌溉對土壤有機質的影響如圖2所示。研究發現土壤有機質含量呈現“升高—降低—趨穩”的變化態勢。在反應開始階段,土壤有機質含量迅速升高,這源于再生水中有機質的補給;隨著灌溉過程的持續進行,土壤內源有機質被逐漸淋溶,導致土壤淋溶液中有機質含量升高,土壤體系有機質含量相應降低;之后,(再生水)外源有機質補充與(土壤)內源有機質淋溶呈現動態流轉,表現為土壤有機質絕對含量趨穩的宏觀效應。總體上看,再生水短期灌溉能夠一定程度上增加表層土壤有機質含量,這與同類研究結果基本相符[8]。

圖2 灌溉過程對土壤有機質的影響Fig.2 Effect of irrigation process on organic matters in soil

2.3 灌溉過程對土壤主要離子的影響

再生水中含有大量離子組分,灌溉過程可能導致土壤鹽分累積。再生水灌溉對土壤主要離子(含Pb2+和Cd2+)的影響見表2。再生水灌溉導致土壤Ca2+, Na+和K+含量升高,主要由于再生水中相關離子轉移到土壤體系;隨著灌溉時間的延長,土壤中3種離子含量趨于不變或增幅變緩。相比之下,灌溉過程對土壤其他離子含量影響很小。土壤離子的累積是“匯入”和“淋出”的綜合效應;有研究表明,長期充分灌溉或天然降雨能夠有效淋洗土壤多余鹽分[9]。鑒于此,筆者認為再生水灌溉引發土壤次生鹽漬化的可能性較低。

表2 灌溉過程對土壤主要離子的影響Table 2 Effect of irrigation process on main ions in soil

2.4 灌溉過程對土壤養分的影響

再生水灌溉對土壤養分的影響見表3。在選取的土壤養分6種相關指標中,其含量均在灌溉過程的影響下有所升高:其中AN和TP增幅相對較大,分別從反應前(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,這表明再生水灌溉有助于促進土壤養分狀況的整體改善。有學者認為,再生水灌溉對土壤肥力的影響并不確定,可能受土壤質地、灌溉方式和變量因素的調控[10]。考慮到本文再生水灌溉周期較短(12 h),且灌溉對象為表層土壤,因此,長周期灌溉與土壤養分的相關性還需深度探究。

表3 灌溉過程對土壤養分的影響Table 3 Effect of irrigation process on soil nutrients

2.5 灌溉過程對土壤表面形貌的影響

深入分析了灌溉前(0 h)和灌溉后(12 h)的土壤表面形貌差異,結果如圖3所示。灌溉前的土壤顆粒粒徑不均,但土壤結構較為緊實,孔隙度不大;再生水灌溉后,土壤表面“粗化”效應明顯,團聚體增多,呈現若干團聚體顆粒交替聚集和附著的現象。這主要是再生水的淋濾下滲導致土壤團聚體分散和土壤顆粒均一化,繼而又出現細顆粒聚集和壓實的綜合效應。再生水灌溉對土壤表面形貌的相對影響不大,考慮到土壤的長期自恢復能力,灌溉過程的相關影響可以忽略不計。

圖3 灌溉過程對土壤表面形貌的影響Fig.3 Effect of irrigation process on surface characteristics of soil

2.6 討論

通過對再生水短期灌溉的系統研究,初步掌握了灌溉過程對表層農業土壤性質的影響。從得到的結果來看,與同類研究有相似也有區別,這與再生水性質、土壤性質等多種因素有關[11]。再生水灌溉過程變量較多,要從物理化學和生物學層面全面考量,綜合預估灌溉過程的負面生態效應和潛在環境風險[12-14],比如可能發生的土壤鹽漬化、微生物群落失衡、農作物病蟲害等問題。要加強后續研究的深度和維度,并結合田間試驗和儀器分析技術,剖析灌溉過程宏觀行為的微觀機制,為再生水灌溉農業的推廣應用提供科學指導。

3 結 論

通過批次試驗分析生活源再生水短期灌溉對表層農業土壤性質的影響。研究發現:土壤pH值受再生水灌溉的影響很小,灌溉后土壤有機質含量有所增加;再生水灌溉導致土壤中Ca2+, Na+和K+含量增加,其他離子含量變化很小;灌溉過程能夠增加土壤AN和TP含量,這有助于一定程度上改善土壤養分狀況;將土壤樣品放大1 000倍后發現,灌溉前后土壤表面形貌差異不大。

致謝感謝沈陽師范大學人才引進科研啟動基金項目(BS202021)的支持。