以色列污水灌溉土壤鹽化及控制

林春野，劉希濤

(北京師范大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，北京 100875)

0 引 言

以色列濱臨地中海，具有典型的地中海型干熱氣候。夏季長(zhǎng)、熱且干燥，冬季短、涼且多雨。一月份溫度為5 ℃～10 ℃，八月份溫度為18 ℃～38 ℃。約70%的降水發(fā)生于十一月至次年三月，而六月至八月經(jīng)常無(wú)降水。降水量分布不均，從北到南迅速下降；北部地區(qū)多年平均年降水量高于1 100 mm，而南部地區(qū)多年平均年降水量低于100 mm。由于氣候干旱，土壤鹽堿化強(qiáng)烈，不少土壤尚有蘇打與石膏積聚，低洼地區(qū)的土壤常呈龜裂和積鹽[1]。

為發(fā)展農(nóng)業(yè)，上世紀(jì)50年代始以色列廣泛深入地開(kāi)展了灌溉技術(shù)研究。在以色列科委的大力支持下，60年代開(kāi)發(fā)了世界領(lǐng)先的滴灌技術(shù)，并迅速得到廣泛應(yīng)用[2-5]。2004年以色列灌溉耕地面積約2.25×105hm2，其中75%的灌溉耕地采用了滴灌技術(shù)。

眾所周知農(nóng)業(yè)灌溉可導(dǎo)致土壤鹽化，尤其是在干旱和半干旱地區(qū)的滴灌農(nóng)業(yè)[2,6-7]。據(jù)估算，全球有9.6108hm2的鹽化土地和堿化土地[7-8]。全球約為3×108hm2的灌溉土地中，0.45×108hm2的土地具有土壤鹽化問(wèn)題[7-8]。以色列大部分農(nóng)業(yè)土地處于干旱、半干旱地區(qū)，灌溉，尤其是滴灌導(dǎo)致土壤及地下水鹽化的問(wèn)題已經(jīng)引起以色列的高度關(guān)注[6]。

1 以色列污水灌溉與土壤鹽化

由于以色列自然淡水資源極度短缺，幾十年來(lái)污水農(nóng)業(yè)灌溉極為普遍[9-14]。本世紀(jì)初65%～79%的市政和工業(yè)污水經(jīng)過(guò)生物二級(jí)處理后用于農(nóng)業(yè)[15-17]。二級(jí)處理污水通過(guò)滲濾塘滲入到地下含水層(又稱(chēng)土壤含水層處理Soil-aquifer treatment)，農(nóng)業(yè)用水時(shí)抽出儲(chǔ)存在地下含水層中的水用于農(nóng)業(yè)灌溉(圖1)。常規(guī)的污水二級(jí)處理及后續(xù)的土壤含水層處理雖然能去除大部分的污染物，但對(duì)污水中鹽的去除十分有限。此外，以色列高度節(jié)水的滴灌技術(shù)，導(dǎo)致灌溉水中的鹽分基本全部積累于土壤和地下水中。

以色利科學(xué)家十分關(guān)注污水灌溉導(dǎo)致的土壤鹽化問(wèn)題及效應(yīng)[2,18-19]，指出長(zhǎng)期的污水灌溉已經(jīng)導(dǎo)致鈉鹽在土壤中的積累，進(jìn)而導(dǎo)致土壤物理性質(zhì)和肥力的下降。Levy[20]研究表明，污水灌溉影響了土壤結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性及導(dǎo)水率等土壤特性，污水中高含量的溶解態(tài)有機(jī)質(zhì)、鈉吸附比和鹽度可導(dǎo)致了土壤被不可逆的毀壞。污水灌溉導(dǎo)致土壤2∶1類(lèi)型粘土礦物膨脹和分散，增加了粘土膠體向下遷移，破壞耕層土壤的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，進(jìn)而降低土壤導(dǎo)水率，增加地表徑流和土壤侵蝕[20-21]。1993年-2011年，污水等含有高鹽水灌溉導(dǎo)致以色列土壤鈉吸附比從6升高到9，升高了近50%。與此同時(shí)，柑橘葉片中鈉和氯的含量升高了約200%[19]。雖然某些植物受到高鹽脅迫時(shí)能合成更多的糖或高質(zhì)量的油分，因而果實(shí)更甜或油品更好(如櫻桃番茄和橄欖)，但是，大部分植物受到高鹽脅迫時(shí)，其滲透勢(shì)降低，吸水能力下降，進(jìn)而影響植物的光合和蒸騰作用[22]。以色列農(nóng)業(yè)因長(zhǎng)期利用污水灌溉導(dǎo)致鹽害現(xiàn)象十分普遍。例如，污水滴灌導(dǎo)致柑橘產(chǎn)量下降20%～30%，以及土壤表層鹽化[23-24]。以色列南部灌溉農(nóng)業(yè)已有60余年的歷史，其灌溉水源主要為地下水和污水，氯離子含量分別約為200 mg·L-1和300 mg·L-1。每年約灌溉25×106m3地下水和125×106m3污水，導(dǎo)致每年加入到土壤中的氯離子總計(jì)4.25×104t。灌溉不僅引起該地區(qū)土壤鹽化問(wèn)題，也導(dǎo)致地下水鹽度升高，監(jiān)測(cè)表明該地區(qū)地下水氯離子含量已從1950年的213 mg·L-1升高到2005年的642 mg·L-1[6]。

總之，以色列農(nóng)業(yè)污水利用帶來(lái)諸多問(wèn)題，土壤和植物中的鹽含量穩(wěn)步升高，表明以色列長(zhǎng)期利用邊緣質(zhì)量水用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的模式是不可持續(xù)的。因此，二十一世紀(jì)初發(fā)展了污水脫鹽農(nóng)業(yè)利用模式，以期從根本上解決污水灌溉引發(fā)的土壤鹽化問(wèn)題(圖1)[18-19,25-26]。

2 以色列污水淡化

由于以色列自然淡水資源極度短缺，上世紀(jì)80年代起以色列開(kāi)始研發(fā)污水處理與再生利用技術(shù)[9-17]。本世紀(jì)初65%～79%的市政和工業(yè)污水經(jīng)過(guò)生物處理后用于農(nóng)業(yè)灌溉[15]。隨著污水農(nóng)業(yè)利用導(dǎo)致的土壤鹽化問(wèn)題的出現(xiàn)，以及海水淡化技術(shù)的發(fā)展，以色利國(guó)家水務(wù)公司開(kāi)始了污水淡化技術(shù)研究和應(yīng)用[18,25-26]。

由于全球性飲用水和農(nóng)業(yè)用水短缺[27-28]，海水淡化已成為解決淡水資源短缺的切實(shí)可行的途徑[2,29-30]。1994年-2004年，全球海水淡化能力從17.3×106m3·d-1增加到35.6×106m3·d-1[31]。據(jù)歐盟委員會(huì)2006年統(tǒng)計(jì)，海水淡化提供了全球1%的飲用水[32]。由于全球農(nóng)業(yè)用水短缺，預(yù)計(jì)脫鹽水將逐漸用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[30]。研究表明，雖然海水淡化相對(duì)費(fèi)用較高，可能限制其在普通農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用，但其在溫室蔬菜和花卉上的應(yīng)用經(jīng)濟(jì)上是可行的[33]。

與海水淡化相比，污水淡化具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)[26]。2005年以色列在Ashkelon建成一座年生產(chǎn)能力100106m3·y-1的海水淡化廠，其生產(chǎn)1 m3淡水的費(fèi)用為0.55美元[2,29-30]。與之相比，2006年建設(shè)的一座年生產(chǎn)能力7106m3·y-1的污水淡化廠，其生產(chǎn)1 m3淡水的費(fèi)用僅為0.24美元，隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，費(fèi)用預(yù)計(jì)可降低到0.19美元·m-3[26]。

Rebhun指出[18]，為了實(shí)現(xiàn)安全可持續(xù)大規(guī)模的污水農(nóng)業(yè)利用，未來(lái)10～15 a內(nèi)必須把大部分污水淡化，下列地區(qū)必須盡快使用淡化污水進(jìn)行灌溉：(1)地下水敏感地區(qū)；(2)土壤鹽化較重的地區(qū)；(3)有污水三級(jí)處理廠的地區(qū)。隸屬于以色列國(guó)家水務(wù)公司的Shafdan污水處理廠是以色列最大的污水處理廠，處理特拉維夫及周邊城鎮(zhèn)污水，上世紀(jì)七十年代末該污水處理廠二級(jí)處理污水通過(guò)滲濾塘滲入地下含水層，農(nóng)業(yè)需要時(shí)抽取儲(chǔ)存在含水層中的水進(jìn)行灌溉(圖1)。因此該污水處理廠率先開(kāi)展污水淡化處理。

實(shí)際上，上世紀(jì)90年代開(kāi)始，以色列國(guó)家水務(wù)公司與膜供應(yīng)商合作，研發(fā)集成膜處理系統(tǒng)，對(duì)市政和工業(yè)污水進(jìn)行脫鹽處理，推動(dòng)了污水淡化的發(fā)展[26]。因此污水淡化技術(shù)的發(fā)展主要依賴(lài)于膜技術(shù)的飛速發(fā)展[12-14,34-36]。污水淡化不僅從根本上解決了污水灌溉導(dǎo)致的土壤鹽化問(wèn)題，也解決了地下水鹽度升高的問(wèn)題[19,26]。

3 污水土壤含水層處理與利用

以色列Shafdan污水處理廠是其國(guó)內(nèi)最大的污水處理與再生利用工程，該工程始于1977年，經(jīng)過(guò)數(shù)次改造升級(jí)，2003年該工程年處理能力達(dá)1.4108m3。原城市污水在機(jī)械生化污水廠經(jīng)過(guò)包括硝化/反硝化過(guò)程在內(nèi)的活性污泥法處理(階段I)[25,37]。作為處理過(guò)程的最后一步，從機(jī)械生化污水廠排除的二級(jí)污水通過(guò)大規(guī)模的滲濾塘滲入到地中海沿岸的地下含水層[38-39]。污水在土壤/沉積物和地下含水層中得到進(jìn)一步凈化[40-43]。滲濾塘表層的土壤/沉積物通常為松散的至部分固化的堆積物，富含石英石，含有少量的鋁硅酸鹽礦物，其導(dǎo)水率較高。地下含水層主要為碎屑狀的更新世風(fēng)積物。抽水井距離滲濾塘周?chē)?～2 km，通過(guò)抽水井抽取凈化后的同原地下水混合的地下水，用于當(dāng)?shù)丶澳喜康貐^(qū)大規(guī)模的農(nóng)業(yè)灌溉。土壤含水層處理系統(tǒng)通過(guò)物理/化學(xué)過(guò)程能夠進(jìn)一步去除污染物。通過(guò)土壤含水層處理系統(tǒng)，溶解態(tài)有機(jī)碳、氨態(tài)氮、凱氏氮、亞硝態(tài)氮、磷、鐵、鉀、鋁、細(xì)菌總數(shù)和大腸桿菌下降了90%以上[39]。隨著對(duì)灌溉水質(zhì)量要求的提升，以及污水灌溉導(dǎo)致的土壤鹽化問(wèn)題的出現(xiàn)，該污水處理廠先后增加了消毒處理工程(階段II)和脫鹽處理工程(階段III)，最終實(shí)現(xiàn)安全可持續(xù)大規(guī)模的污水農(nóng)業(yè)利用。

4 對(duì)我國(guó)土壤鹽堿化控制的意義

我國(guó)采用生態(tài)工程、農(nóng)藝和水利工程等措施進(jìn)行了大量的鹽堿地治理工作，雖然取得了一定的成效，但是我國(guó)土壤鹽堿化問(wèn)題仍然突出[44]。因此，在土壤鹽堿化治理方面，解決水分虧缺問(wèn)題也可參考以色列的經(jīng)驗(yàn)。在水資源短缺的干旱和半干旱地區(qū)，對(duì)污水資源開(kāi)展淡化，結(jié)合土壤含水層處理處置技術(shù)，實(shí)現(xiàn)污水資源化，既解決了污水污染環(huán)境問(wèn)題，又將在一定程度上解決土壤鹽堿化問(wèn)題。在地下咸水資源豐富的地區(qū)，抽取地下水并開(kāi)展淡化，然后用于農(nóng)業(yè)灌溉，既能解決土壤鹽堿化問(wèn)題，又能在一定程度上降低地下水鹽度?？傊?，污水和地下咸水等邊際水資源淡化處理，并應(yīng)用于農(nóng)業(yè)灌溉，能在一定程度上緩解我國(guó)缺水地區(qū)淡水資源短缺問(wèn)題，又能從根本上緩解和克服土壤鹽堿化問(wèn)題，對(duì)我國(guó)土地鹽堿化地區(qū)的農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。