再生水滴灌對黃瓜地土壤特性的影響

裴 亮，孫莉英，張體彬

（1.中國科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所 陸地水循環(huán)及地表過程重點實驗室，北京100101；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所，陜西 楊凌712100）

隨著淡水資源供需矛盾的日益突出，增辟灌溉水源也成為各國解決水資源危機(jī)普遍關(guān)注的問題［1］。再生水灌溉一方面能避免利用污水直接灌溉所引起的嚴(yán)重的面源污染問題，并為植物生長提供重要的養(yǎng)分，增加土壤有機(jī)質(zhì)從而提高土壤肥力和生產(chǎn)力水平［2］。另一方面，再生水中過量養(yǎng)分、有毒化學(xué)物質(zhì)和病原體同時輸入環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)，也會造成一定程度的環(huán)境污染［3－4］，有可能危害環(huán)境和人類健康。滴灌是一種可以根據(jù)作物的需水需肥規(guī)律，將水和液體肥料小流量、長時間、高頻率地供應(yīng)到作物根系分布范圍土壤中的現(xiàn)代灌溉技術(shù)，具有節(jié)水、增產(chǎn)、省肥、省工、節(jié)能、對地形和土壤適應(yīng)性強(qiáng)、提高水分和養(yǎng)分利用效率，減少農(nóng)業(yè)面源污染，使作物達(dá)到優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)等優(yōu)點。滴灌對灌水時間、灌水量和土壤濕潤范圍高度控制的特點，使其可以根據(jù)土壤物理性質(zhì)、作物根系分布和作物耗水量來調(diào)節(jié)土壤水分和養(yǎng)分［5］。利用滴灌技術(shù)進(jìn)行再生水利用可以提高再生水中的氮、磷等養(yǎng)分物質(zhì)的利用效率，節(jié)肥、節(jié)水、增產(chǎn)的同時又減少了多余污染物輸入環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)，對我國水資源危機(jī)的緩解、農(nóng)業(yè)面源污染防治和促進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有重要意義［6－9］。本試驗在其他條件相同的情況下研究比較了再生水與清水對黃瓜根際土壤特性的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

研究區(qū)為中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所和國務(wù)院南水北調(diào)辦公室政策及技術(shù)研究中心共同建立的“南水北調(diào)中線水源區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染控制綜合示范區(qū)”，地處十堰市茅箭區(qū)南部山區(qū)，屬北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，冬長夏短，春季升溫迅速，秋雨連綿，冬季少雨雪，冬暖少嚴(yán)寒，全年太陽輻射量為446.01kJ/cm2，生理輻射210.87kJ/cm2，年均日照時數(shù)達(dá)1 925.8h；多年平均氣溫15.3℃，極端最低氣溫－14.9℃，極端最高氣溫41℃。全年≥10℃的積溫為4 936.5℃；全年無霜期246d；多年平均降水量855mm，降雨量年際變化大，汛期（5月1日至10月20日）降雨量占年降雨量的58%～62%，且強(qiáng)度大，歷時短，入滲有限，容易沖刷侵蝕地表。土壤容重變化在1.56～1.71g/cm3。

1.2 試驗布置

試驗在2011年黃瓜的生長季進(jìn)行。黃瓜的栽培方式采用壟作，壟肩寬60cm，兩壟中心間距140cm，壟高15cm，壟上種植2行，株距40cm。分為5個灌溉水質(zhì)處理，分別標(biāo)記為T1（100%再生水灌溉）、T2（70%再生水灌溉）、T3（50%再生水灌溉）、T4（20%再生水灌溉）和C（對照，100%地下水灌溉），如表1，再生水的水質(zhì)見表2。每個處理重復(fù)3個小區(qū)，每小區(qū)包括3條壟，4m長，即每個小區(qū)面積為4m×4 m。灌溉采用重力滴灌的方式進(jìn)行，每壟中心鋪設(shè)一條滴灌帶，滴頭間距為20cm，與株距等距，滴頭流量2.7L/h，即每株黃瓜根部均有一滴頭供水。每個處理（包括3個重復(fù)小區(qū)）由1個桶（容積240L）供水，桶放置在試驗區(qū)距地面約1.2m高的位置。每個處理的第二個試驗小區(qū)內(nèi)，在滴頭下20cm深度處安裝1組負(fù)壓計，當(dāng)負(fù)壓計指示的土壤水勢低于－25kPa時即進(jìn)行灌溉，每次灌水量為5mm，生育期內(nèi)共灌水7次，共35mm。

表1 再生水滴灌試驗處理

表2 水質(zhì)指標(biāo)、測定方法及其與國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)之間的比較

在黃瓜種植前，每平方米施磷酸二銨復(fù)合肥30 g，在試驗處理期間，含再生水灌溉的處理（T1，T2，T3和T4）不再追施肥料，全部地下水灌溉（C）處理每次灌溉前，將100ml 30%尿素溶液，磷酸二氫鉀26.5 g，硫酸鉀9.1g添加于灌溉水桶中，隨水施入。

1.3 測定項目與方法

于黃瓜生長季末，在滴頭正下方用土鉆取土，取樣深度為0—20cm和20—40cm，每個處理3個重復(fù)。土樣經(jīng)自然風(fēng)干、磨碎后，過1mm篩。土壤pH值和電導(dǎo)率（EC）由土水比1∶5混合液測定；土壤堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測定；土壤有效磷由0.5MNaHCO3（pH 8.5）提取、鉬銻抗法測定；速效鉀由 NH4OAc浸提、火焰光度計法測定；土壤有機(jī)質(zhì)由重鉻酸鉀法測定；土壤呼吸采用鮮土培養(yǎng)，堿液吸收法測定［6］。

2 結(jié)果與分析

2.1 再生水滴灌對土壤pH和EC的影響

土壤pH值是表示土壤酸堿性的指標(biāo)，也是影響土壤中微量元素臨界值的指標(biāo)之一，農(nóng)業(yè)土壤理想pH值范圍是7.5～8.4［11］。一般認(rèn)為，再生水灌溉一般不會導(dǎo)致土壤pH值上升［7］。本研究中，在0—20cm的土層中，隨灌溉水中加入再生水比例的增加，土壤pH值呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，但除100%再生水灌溉處理中土壤pH值與對照差異略大外，其他處理和對照差異不顯著（圖1），而在下層土壤中，各處理土壤pH的變化規(guī)律不明顯，以上分析表明，與對照處理的全部地下水灌溉相比，再生水滴灌對土壤pH值的影響并不顯著。

圖1 再生水滴灌對土壤pH的影響

圖2 再生水滴灌對土壤電導(dǎo)率（EC）的影響

土壤EC值是表示土壤溶液中可溶性鹽含量的指標(biāo)，高濃度的可溶性鹽類易造成生理干旱而使植物受到損傷或根系的死亡。由圖2可以看出，農(nóng)業(yè)生活污水再生水灌溉對土壤EC影響較大。與地下水滴灌相比，100%再生水滴灌處理下無論上層還是下層土壤中，EC均顯著高于地下水滴灌對照，但20%和50%再生水滴灌下的土壤EC升高幅度較小，特別是在下層土壤中二者和對照的差異不顯著。以上分析表明再生水灌溉明顯提高土壤EC值［12］。

2.2 再生水滴灌對土壤養(yǎng)分含量的影響

土壤有機(jī)質(zhì)是評價土壤肥力的一項重要指標(biāo)，與土壤養(yǎng)分狀況相關(guān)，同時對土壤持水供水能力、孔隙度和團(tuán)聚體等物理性質(zhì)有重要的影響。如圖3所示，表層0—20cm深度土壤有機(jī)質(zhì)含量高于下層土壤，且隨灌溉水中加入再生水比例的增加，土壤有機(jī)質(zhì)含量逐漸增加。100%再生水滴灌處理和70%再生水滴灌處理的黃瓜根際土壤有機(jī)質(zhì)均高于其他處理，且差異顯著，表明再生水灌溉提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量。

圖4為不同比例再生水滴灌對土壤堿解氮、有效磷和速效鉀含量的影響。如圖所示，與對照處理相比，再生水滴灌處理對黃瓜根際土壤的堿解氮含量影響不顯著，原因可能是再生污水中氮含量促進(jìn)黃瓜吸收土壤有機(jī)質(zhì)，加快植株生長速率而促進(jìn)土壤氮消耗，使處理間氮含量差異不顯著。原污水和再生水滴灌黃瓜根際土壤有效磷含量均略高于地下水滴灌，說明再生水滴灌對土壤有效磷含量提高有一定作用。100%再生水滴灌和70%再生水滴灌的土壤速效鉀含量高于地下水滴灌，其他處理與地下水灌溉差異不顯著?？傮w來說，再生水滴灌對黃瓜土壤中速效鉀含量的影響不大［12］。

圖3 再生水滴灌對土壤有機(jī)質(zhì)的影響

圖4 再生水滴灌對0－40cm土壤養(yǎng)分的影響

由以上結(jié)果可知，由于受植物根系的生理活動、各種農(nóng)藝管理措施的實施、氣候條件的變化等各種內(nèi)外因素的共同作用，和全部采用地下水滴灌的對照處理相比，全部使用偏堿性（pH＞7）的再生水滴灌黃瓜后，土壤pH顯著降低，由7.4下降到6.9左右，說明土壤的酸性增強(qiáng)。不斷增強(qiáng)的土壤酸性加快了土壤中有機(jī)質(zhì)的腐殖化過程和土壤中氮、磷、鉀等養(yǎng)分元素的自由化與離子化進(jìn)程，使之成為容易隨水流失或被植物吸收利用的活化狀態(tài)。因此再生水滴灌條件下，就不會出現(xiàn)氮、磷、鉀等大量元素在土壤中富集的現(xiàn)象，也不會出現(xiàn)植物因有害元素富集而生長異常甚至大面積死亡的現(xiàn)象［13］。

2.3 再生水滴灌對土壤呼吸的影響

土壤呼吸作用，是指土壤微生物生命活動中釋放出CO2的過程。土壤微生物利用土壤中的有機(jī)物作為能源物質(zhì)，對其逐步分解，最終以CO2和礦質(zhì)養(yǎng)分的形式釋放出來，從而為作物提供了可利用的營養(yǎng)，并對碳氮的生態(tài)平衡起協(xié)調(diào)作用。因此，土壤呼吸作用是反映土壤肥力特征的一個重要指標(biāo)［14－16］。再生水灌溉將對土壤呼吸作用有一定的影響。圖5為不同濃度再生水滴灌對土壤呼吸作用的影響。由圖5可知，再生水污染物濃度越大，對土壤呼吸的激活作用越明顯。

圖5 再生水滴灌對土壤呼吸的影響

3 結(jié) 論

本研究通過對再生水滴灌后土壤中pH，EC、有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀等養(yǎng)分含量以及土壤呼吸的測定，結(jié)果表明，使用再生水滴灌種植黃瓜之后，土壤pH值有所降低，但對EC的影響差異不顯著。再生水滴灌能夠在一定程度上促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)含量的增加，且再生水比例越高，土壤呼吸作用增加越明顯。本研究中并沒有發(fā)現(xiàn)因采用再生水灌溉而造成土壤中有害元素的富集，從而植物的生長發(fā)育出現(xiàn)異常變化現(xiàn)象，但這種污染物富集對植物生長發(fā)育的影響肯定是存在的，其影響還需繼續(xù)通過長期試驗作更進(jìn)一步的觀察和驗證。

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