再生水灌溉對土壤性質的影響研究進展

張琨.再生水灌溉對土壤性質的影響研究進展[J].南方農業，2023，17（23）：61-67.

摘 要 當前我國鼓勵再生水利用，讓再生水逐步代替傳統水資源進行農田灌溉已成為解決農業用水短缺問題的必然選擇。目前的處理工藝難以完全去除再生水中的雜質，因此長期灌溉可能會使水中殘留的化學物質和微生物在土壤中積累，甚至對土壤環境和人類健康產生不利影響。介紹了國內外再生水灌溉現狀，從再生水灌溉對土壤物理性質、化學性質、養分、生物學性質和重金屬含量的影響等方面綜述再生水灌溉研究進展。再生水灌溉后土壤的變化已有較多研究，但國內相關研究年限較短，缺乏對土壤性質、重金屬分布與鹽離子累積效應等長期、系統性的研究。因此建議在今后的研究中注意長期灌溉過程中土壤性質的變化；加強理論機制研究，并開展長期、系統的大田試驗，對土壤各項指標進行定期監測與分析；依據當地土壤、水質狀況選擇合適的再生水灌溉模式，以期給我國再生水長期灌溉的風險控制和資源化利用研究提供參考。

關鍵詞 再生水灌溉；土壤；理化性質；養分；重金屬

中圖分類號：S275.9 文獻標志碼：C DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2023.23.013

收稿日期：2023-05-10

作者簡介：張琨（1996—），女，內蒙古烏蘭察布人，在讀碩士研究生，研究方向為水資源合理高效利用。E-mail： zhangkun202305@163.com。

農業灌溉用水是水資源消耗的主要途徑之一，2021年我國用水總量為5 920.2億m3，其中農業用水3 644.3億m3，占用水總量的61.6%[1]。雖然全國水資源總量大，但人均水資源不到世界平均水平的1/4。水資源短缺已成為制約我國生態環境質量和經濟社會發展的重要因素。我國“十四五”規劃中提出，實施國家節水行動，建立水資源剛性約束制度，鼓勵再生水利用[2]。我國干旱半干旱地區面積廣大，占國土總面積的47%，這些區域水資源匱乏，農業配置優質水資源更是逐年減少，可用于農業灌溉和生產生活的地表水、地下水已遠遠不能滿足用水需求。再生水灌溉不僅可以減少淡水資源的耗費，實現污水資源化，還能利用土壤自身特性凈化水質、減少農業污染[3]。在日益加劇的水資源短缺形勢推動下，再生水作為來源穩定、成本效益高且可再生的二次水源，其開發與綜合利用已成為補充農業用水量、緩解農業用水危機的不二之選，也是保障國家糧食安全和提高糧食產量的最優方案。再生水是污水處理后的產物，目前的處理工藝難以完全去除水中雜質，其水質與地表水水質差別較大，因此長期灌溉可能會使水中殘留的化學物質與微生物在土壤中積累，進而對土壤環境和人類健康產生不利影響。因此，圍繞再生水在農業灌溉中科學合理開發利用尚有一系列問題有待研究解決，如再生水安全高效利用灌溉方式，重金屬、病原菌、藥品和個人護理用品等典型污染物在土壤中的遷移和轉化規律，再生水農業灌溉對作物發育、品質、產量及污染物富集狀況等的影響。本文結合國內外研究進展，系統論述了再生水灌溉對土壤物理性質、化學性質、養分、生物學性質和重金屬含量的影響，歸納總結其研究重點與存在的問題，并對再生水高效灌溉與安全利用提出針對性的改進建議。

1" 再生水灌溉現狀

1.1" 國外再生水灌溉現狀

國外再生水灌溉發展較早，尤其是美國、新加坡、澳大利亞、日本、以色列等國家相關標準規范較為完善，再生水灌溉回用技術的接受程度與利用率普遍較高。美國是目前世界上再生水飲用回用量最高的國家，其回用量約占全球的62.68%[4]。20世紀初美國加利福尼亞州就將再生水作為灌溉水源用于大面積農田。目前新加坡已建立5座新生水廠，新生水年生產總量達5.42億m3，成功實現了從極端缺水國家到世界水務樞紐的跨越式發展。日本于1962年開始利用再生水，并從20世紀80年代開始進入了再生水的高速發展階段，現已建成小型污水處理廠約2 000座，用于灌溉水稻和果園的再生水約占60%。20世紀60年代以色列政府就把污水回用列為一項國家政策，到2020年已實現100%的生活污水再生利用，滿足了當地50%的灌溉用水需求。其他諸如巴西、法國、意大利等國家也開展了利用再生水進行都市綠化與農業灌溉的研究和實踐，但是大多數國家都面臨著經濟發展和水資源短缺的雙重挑戰，并且在再生水開發利用研究上缺少資金來源和技術支持，一定程度上成為了再生水利用發展的阻礙。

1.2" 國內再生水灌溉現狀

我國污水回用研究和實踐整體上起步較晚，直到20世紀80年代末許多北方城市頻頻出現水危機，污水再生利用的相關研究和技術快速提升，再生水利用才真正得到廣泛關注。2021年《水回用導則》系列國家標準發布[5]，為我國污水資源化利用發展提供重要標準依據。目前我國再生水利用發展不充分不平衡，北京、天津、深圳等一線城市再生水回用發展較早，回用率較高。北京市2020年污水處理率達到95%，全年總供水量達40.6億m3，其中再生水供水12億m3，約占總供水量的29.6%[6]。天津市2002年建成第一個國家污水回用試點項目，2020年全市再生水利用率達42%，市內六區、環城四區再生水供水超4 000萬t。深圳市2020年全市再生水利用量約為13.7億m3，再生水利用率達72%。隨著國家陸續推進再生水的發展，許多城市也開展了相關的科學研究與工程建設，將再生水開發和利用納入發展規劃。綜合來看，我國再生水利用尚處于初步發展階段，與多數發達國家相比仍有差距，存在污水處理量不大、水質管理方法不統一、再生水利用率較低、相關政策標準不完善和技術設備水平較低等問題，再生水分級管理、污水再生處理技術也需要進一步開發與優化，整體水平有待進一步提高。

2" 再生水灌溉對土壤物理性質的影響

土壤的物理性質主要指土層厚度、土壤質地和土壤結構等，與土壤水、氣、肥、熱的循環密切相關，其變化可能會導致土壤生態平衡失衡和生物群落結構受到破壞，進而引發更為嚴重的生態環境問題[7]。因此，摸清再生水灌溉對土壤物理性質的影響機制，對發展再生水灌溉技術和保護農田土壤質量具有重要意義。

2.1" 對土壤結構的影響

再生水作為長期水源進行灌溉，水中各種化學物質、懸浮物、有機質和鹽分容易累積沉淀在表層土壤中，堵塞土壤孔隙；表面活性劑、可溶性離子、鹽等會改變土壤的原始結構，削弱其穩定性，使團聚體粒徑減小，造成土壤板結。Sou等研究處理過的堿性和鈉性工業廢水灌溉茄子對土壤的影響，發現灌溉后的地塊出現嚴重結構性破壞，特別是表層土壤，孔隙網絡急劇崩塌，形成一個緊密的防滲層[8]。鄭順安等研究再生水灌區土壤團聚體發現，gt;2 mm的大粒徑團聚體的比例下降并向較小粒徑轉變[9]。胡廷飛等研究發現，再生水灌溉后潮土中團聚體粒徑減小[10]。但也有些學者研究認為，再生水中的有機質進入土壤，提高了土壤有機質質量分數，提高土壤較大粒級團聚體的形成比例[11]。Piccolo等發現再生水中含有的腐殖質可提高土壤微生物活性，從而使土壤團聚體更具穩定性[12]。再生水灌溉對土壤結構的影響研究較多，結論不一，多數研究集中在再生水中Na+離子對土壤結構的不利影響和微生物的有利影響，但土壤結構發生變化可能是多種因素共同作用導致，目前還缺乏對再生水灌溉引起的土壤結構變化的長期實驗與內部轉化機制研究。

2.2" 對土壤孔隙度的影響

土壤孔隙不僅容納著土壤水分和空氣，也是植物根系伸展和土壤動物、微生物活動的空間[13]。土壤孔隙度亦是衡量土壤結構性好壞及土壤松緊程度的一個良好指標。多數學者認為再生水中有機質和微生物會使土壤表層結皮，堵塞土壤孔隙或過量的鈉離子使土壤膠體鈉離子飽和度過高，土粒分散度增大，濕時泥濘，干時板結，導致土壤通透性降低，宜耕性、宜種性和生產性變差。Wang等研究表明，再生水長期灌溉導致土壤孔隙率、透水性、儲存營養物質的能力都出現不同程度的下降[14]。管孝艷等利用電子顯微鏡掃描發現，再生水灌溉50年的土壤孔隙分布的非均勻性較30年的小[15]。總體來看，再生水灌溉對土壤的影響是復雜的物理—化學—生物過程，目前多數試驗中土壤孔隙度都是由土壤容重間接計算得出，從微觀方面直接觀察土壤孔隙變化的研究較少，未來可以進一步使用電子顯微鏡掃描等探討再生水灌溉下不同類型土壤孔隙變化的差異。

3" 再生水灌溉對土壤化學性質的影響

3.1" 對土壤pH值的影響

由于土壤的緩沖作用或不同有機化合物的氧化與氨的硝化作用，再生水灌溉可能造成土壤pH值降低，Bedbabis等觀察到再生水灌溉4年的土壤pH值和滲透率都顯著下降[16]。崔丙健等研究發現與清水灌溉相比，再生水灌溉后顯示土壤pH值降低[3]。孟建林等研究表明再生水灌溉后土壤pH值呈下降趨勢，其原因與試驗土壤是堿性紅壤（pH=8.2）有關[17]。然而王志超等研究認為，土壤具有緩沖能力，因此短期的再生水灌溉對不同深度土層pH值的影響均不明顯[18]。再生水長期灌溉通常不會使土壤pH值上升[19]，但也有部分研究表明，再生水灌溉導致土壤pH值輕微上升，可能是水中較高含量的碳酸氫根和鹽分導致[20]。不同試驗的灌水量、水質、灌溉時間與土壤質地等具有一定差異，研究結果不盡相同，甚至相悖。目前關于再生水灌溉土壤pH值的變化規律及其響應機制的關鍵因子和內在機理尚不清楚，土壤內部離子的轉化機制還未明晰，不能很好地解釋土壤pH值變化的關鍵原因，再生水灌溉對土壤pH值的影響研究還需進一步深入。

3.2" 對土壤鹽堿化的影響

再生水灌溉會將殘留的Na+、Mg2+、Ca2+、Cl－、CO32-、HCO3-離子帶入土壤，導致土壤中鹽度和鈉含量增加，破壞土壤結構，降低土壤滲透性，增加土壤次生鹽堿化的風險。研究中多以電導率（EC）來判定鹽害程度，用堿化度（ESP）或鈉吸附比（SAR）來衡量堿害程度。Abunada和Nassar研究法國污水灌溉７年的土壤，發現土壤EC、SAR分別增加了130%、160%[21]。劉源等研究認為再生水灌溉后土壤pH值、EC、鹽分、SAR和ESP都出現不同程度的上升，有引發土壤次生鹽漬化和堿化的風險[22]。尹劍等研究冬小麥種植區土壤鹽堿化情況發現，再生水灌區土壤SAR明顯高于井灌區，表明再生水灌溉對土壤次生鹽漬化存在一定影響[23]。然而也有研究表明不論再生水灌溉時間長短對土壤鹽堿的影響都不顯著。薛彥東等研究表明未發現再生水灌溉導致西紅柿地塊土壤剖面鹽分的累積[24]。綜上，多數研究表明再生水灌溉下土壤鹽分呈累積增加趨勢，但是鹽分在土壤中的遷移受灌溉水質、土壤類型、作物品種、灌溉模式等多種因素影響，遷移規律不盡相同，不同研究結果之間存在一定的差異。再生水灌溉下土壤鹽分累積具有時間尺度效應，長期灌溉后鹽分向深層土壤淋溶遷移的規律及其對地下水污染的危險性還不清楚，尤其針對再生水灌溉條件下水鹽遷移動態方面的討論還較少，需加強長期定位監測與研究。

4" 再生水灌溉對土壤養分的影響

4.1" 對土壤有機質含量的影響

土壤有機質是指土壤中含碳的有機化合物，一般以有機質占干土重的百分數表示，它主要包括土壤中多種動植物殘體、微生物體及其分解或合成的多種有機化合物等[25]。Ramirez-Fuentes等研究發現不同再生水灌溉時間下土壤有機質含量均有增加[26]。李中陽等經過對比試驗，發現再生水灌溉黑麥草后，可提高土壤有機質含量，且隨根的不同，其增加程度也不同[27]。廖林仙等用再生水澆灌小白菜后，土壤速效氮、速效磷及有機質含量顯著增加[28]。但是莫宇研究表明，與清水灌溉相比，再生水灌溉對土壤有機質和全氮的影響沒有明顯差異[29]。多數研究顯示，再生水灌溉后土壤的有機質含量會有所提高，其提升量隨土壤水質、灌溉方式、灌溉時間的不同而有所差別。未來應加強長期的大田試驗，并關注不同再生水水質灌溉對土壤有機質含量的影響。

4.2" 對土壤氮、磷、鉀含量的影響

再生水中較高濃度的氮、磷、鉀等營養元素隨灌溉進入土壤，不合理的灌溉方式會使土壤硝態氮向下淋洗，導致硝態氮在土壤中累積，致使土壤的導水、儲水性能變差，對作物的生長產生不利影響。韓洋等采用充分和非充分灌水水平對土壤進行了試驗研究，結果表明：0～60 cm土壤中的P元素和0～30 cm土壤中的N元素含量均有明顯的增加[30]。Xu等研究認為8 a以上的再生水回灌明顯增加了土壤表層的有機質、總碳、總磷含量，但短期內影響并不明顯[31]。裴亮等利用再生水滴灌黃瓜，結果表明，再生水灌溉可顯著提高土壤有機質、氮素和速效磷含量[32]。鄭順安等選用不同再生水灌溉紫色沖積土，發現再生水灌區土壤的有機碳、氮素和磷素含量均有顯著上升[9]。一般來說，再生水灌溉可提高土壤中氮磷鉀含量，但由于灌溉水量、水質、灌溉方式及試驗土壤類型等諸多方面存在較大差異，結果有所不同。未來的研究應引入農田土壤-作物系統過程模型，綜合考慮土壤中氮磷鉀的變化規律、具體的水鹽運移機制及引起變化的綜合因素，并加強更系統深入的長期再生水灌溉試驗研究，建立精準的定期土壤養分水平檢測系統和評價體系。

5" 再生水灌溉對土壤生物學性質的影響

5.1" 對土壤微生物的影響

土壤微生物是維持土壤生物活性的必要成分，對土壤中的固氮作用、硝化作用、反硝化作用、腐殖質的分解和合成等具有重要作用。再生水中含有一定量的抗生素、病原體及其他外源微生物，通過灌溉進入土壤，將對土壤環境產生不可忽視的影響。梁伊指出再生水灌溉有利于小白菜根際土壤微生物各類群數量的增加，促進了微生物各類群PLFA含量及單體數量的增加[33]。龔雪等研究認為，再生水灌溉可以顯著提高表層0～20 cm土壤細菌和放線菌數量，而對20～40 cm、40～60 cm土層三大微生物類群數量影響較小[34]。但有一些研究表明，長期再生水灌溉會導致土壤微生物量下降或無顯著性影響。韓洋等研究表明，再生水灌溉后土壤細菌群落多樣性和OTU數量出現明顯下降[35]。關于再生水灌溉對土壤微生物的影響研究目前多圍繞在對土壤微生物的多樣性、群落組成及整體豐度等方面的影響，研究結論尚不一致。未來應加強對土壤微生物信息的定期監測，結合土壤溫度、水分、無機鹽離子等變化進行內部轉化機制的分析。

5.2" 對土壤酶活性的影響

土壤酶活性是評價土壤養分和土壤環境質量的一項重要指標，是土壤中各種生化反應的催化劑。土壤中典型的4種酶分別為脲酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶、過氧化氫酶。再生水中各養分物質含量和微生物數量都比較高，用其長期灌溉可能對土壤中酶和微生物的活性產生一定的影響。焦志華等研究發現再生水灌溉可提高大豆根際脲酶的活性，堿性磷酸酶活性最高[36]。仇振杰等在田間對0～50 cm土層進行了滴灌，結果顯示再生水滴灌對0～50 cm土層的脲酶活性有較大的提高[37]。韓洋等研究發現，再生水充分灌溉使得土壤蔗糖酶和過氧化氫酶活性得到顯著提高[38]。Chen等以美國南加州5個長期再生水灌區土壤為研究對象，分析了土壤中與C、N、P、S循環相關的17種酶活性，結果發現土壤酶活性平均提高了2.2～3.1倍[39]。但是也有研究認為再生水灌溉對土壤酶活性無顯著影響。郭魏等研究表明，再生水灌溉對土壤全氮、全磷及脲酶活性沒有顯著影響[40]。目前大多數研究表明，再生水灌溉對土壤酶活性有不同程度的提高，但是大部分試驗時間相對較短，缺乏中長期灌溉條件下土壤酶活性的動態變化規律及機制的研究。目前，國內外關于再生水灌溉條件下的研究主要集中在不同水質條件下的比較試驗上，而對再生水灌溉條件下土壤酶活性與土壤理化指標、微生物群落結構等的相關性研究較少，有待于進一步研究。

6" 再生水灌溉對土壤重金屬含量的影響

重金屬一般富集在表層土壤，不易被生物降解或熱降解。因此長期再生水灌溉后重金屬污染物易富集累積在土壤中，抑制農作物生長發育，對土壤、環境、植物及人類身體健康構成了極大的威脅。丁光曄等對汾河再生水灌溉區土壤中重金屬的分布特點和污染水平進行了研究。研究發現，再生水灌溉的農田土壤中重金屬鎘含量較高；各種重金屬在土層中都有很高的含量，并且隨著土層的加深，總含量有減少的趨勢[41]。Yang等研究認為長期廢水灌溉農田使As、Cd、Pb能夠向深層土壤遷移，加大了地下水重金屬污染的風險[42]。王燕等研究結果表明，長期工業源再生水灌溉導致Cd、Cr、Cu、Pb、Zn在表層土壤中大量累積[43]。也有一些研究者認為，短期的再生水灌溉對土壤重金屬累積量的影響并不顯著。巫常林等在再生水灌溉4年的試驗中發現，再生水灌溉量不會影響土壤中重金屬含量[44]。綜上，由于中國再生水灌溉歷史不長，目前還缺少對再生水灌溉引起的土壤重金屬累積情況和污染風險的系統性研究，特別是缺少內在機理探討、系統性實驗室模擬、野外調查研究、同位素示蹤技術等深入研究。在此基礎上，未來應進一步開展長期再生水灌溉下不同灌水模式、灌水水平及灌水技術等方面的深入研究，闡明再生水灌溉下重金屬在土壤及作物體內的遷移、轉化規律，為進一步提升再生水灌溉的安全性提供科學依據。

7" 研究趨勢與展望

當前我國加大力度建設農業高效節水工程與污水處理工程，不斷提高再生水回用水平。目前再生水灌溉農作物已有較多研究，但由于國內相關研究起步較晚、年限較短，針對重金屬、鹽離子累積效應長期、系統性的研究較為缺乏，因此對后續的再生水灌溉研究提出以下幾點建議。

1）應注意長期灌溉過程中的土壤性質變化。應耦合田間試驗、野外調查、模型模擬、同位素示蹤等方法，利用計算機軟件與數學模型對長期再生水灌溉下重金屬、鹽離子等的累積效應進行模擬，得出較為可靠、合理的規律。同時加強大田試驗中再生水灌溉后土壤環境的長期定位監測和跟蹤研究，彌補相關數據的不足，完善相關標準。

2）應根據當地土壤、水質狀況選擇合適的再生水灌溉模式。我國北方地區一般以地下水為主，而南方地區則以地表水為主，因此再生水灌溉需要根據當地土壤、水質狀況選擇不同的灌溉模式。應加強長期的再生水灌溉對不同土質土壤中水鹽遷移和分布特征、鹽堿程度的影響研究，探索土壤理化特性對不同再生水灌溉量下的響應特征。深入研究再生水利用對不同土壤和作物的適宜性，選擇合適的灌水技術、灌溉方法，從而對再生水灌溉進行科學管理，有效控制再生水灌溉的安全風險。

3）再生水中殘留的新型污染物對土壤的污染性、生態毒理作用研究較少，有必要深入探討長期再生水灌溉對土壤、水體中新型污染物的影響，以及影響抗生素抗性基因傳播擴散的因素。

針對我國再生水農業灌溉的問題與不足，今后應加強再生水農業灌溉的理論機制研究，并開展長期、系統的大田實驗，對土壤各項指標進行定期監測與分析，以期給我國再生水長期灌溉的風險控制和資源化利用研究提供幫助。

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（責任編輯：易" 婧）