范春輝, 袁文靜, 辛意貝
(沈陽(yáng)師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院, 沈陽(yáng) 110034)
再生水是指工業(yè)廢水或生活廢水經(jīng)適當(dāng)處理達(dá)到一定水質(zhì)指標(biāo)后,可以被重復(fù)使用、實(shí)現(xiàn)其資源化價(jià)值的水[1]。與其他淡水資源相比,再生水成本較低、風(fēng)險(xiǎn)可控、生態(tài)環(huán)保,能夠有效緩解淡水資源緊缺的問(wèn)題,得到了很多國(guó)家的廣泛關(guān)注和推廣應(yīng)用。在以色列、美國(guó)、澳大利亞等國(guó),再生水常被用于農(nóng)業(yè)灌溉,取得了良好的生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益。將再生水用于(半)干旱或貧(缺)水地區(qū)的農(nóng)業(yè)灌溉,常常是緩解灌溉用水不足、保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要途徑[2]。
再生水灌溉農(nóng)業(yè)有其固有優(yōu)勢(shì),但灌溉過(guò)程可能帶來(lái)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(lái)N,P等營(yíng)養(yǎng)組分,但灌溉過(guò)程也可能改變土壤酸堿度、鹽分等化學(xué)參數(shù)[3]。總體來(lái)看,灌溉過(guò)程對(duì)土壤性質(zhì)的影響具有很大不確定性?,F(xiàn)階段,我國(guó)再生水灌溉農(nóng)業(yè)剛剛起步,相關(guān)基礎(chǔ)性研究比較缺乏[4]。同時(shí),考慮到研究區(qū)域的時(shí)空差異、再生水和土壤性質(zhì)等外部因素,對(duì)典型地區(qū)的相關(guān)研究便具有特殊意義。本文以生活源再生水為研究對(duì)象,通過(guò)批次試驗(yàn)探討短期灌溉過(guò)程對(duì)表層農(nóng)業(yè)土壤性質(zhì)的影響,以期為后續(xù)的放大試驗(yàn)和田間試驗(yàn)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
比表面積分析儀(NOVA 2200e, QUANTACHROME);電導(dǎo)率儀(DDSJ-308F,上海雷磁);總有機(jī)碳分析儀(TOC-L, SHIMADZU);原子吸收分光光度計(jì)(Z-2000, HITACHI);掃描電子顯微鏡(TM3030, HITACHI)。實(shí)驗(yàn)所用化學(xué)試劑均為分析純。
1.2.1 樣品獲取
再生水取自沈陽(yáng)市某污水處理廠出水排放口,水樣采集時(shí)間為2021年4月上旬,當(dāng)日天氣多云、無(wú)降雨、無(wú)風(fēng)。將樣品裝入棕色水樣采集瓶,帶回實(shí)驗(yàn)室后置于4 ℃冰箱中保存?zhèn)溆?。農(nóng)業(yè)土壤采自沈陽(yáng)市沈北新區(qū)北四環(huán)附近農(nóng)田(沈陽(yáng)方特歡樂(lè)世界附近),地理坐標(biāo)為北緯41°57′51″,東經(jīng)123°24′24″。采集時(shí)間為2021年4月上旬,當(dāng)日天氣晴好、無(wú)降雨、微風(fēng)。使用5點(diǎn)采樣法獲取0~10 cm表層土壤樣品,經(jīng)混合后裝入貼有標(biāo)簽的聚乙烯塑料專(zhuān)用樣品袋,帶回實(shí)驗(yàn)室置于陰涼干燥處備用。再生水和土壤樣品的基本性質(zhì)見(jiàn)表1。
表1 再生水和土壤樣品基本性質(zhì)Table 1 Physical and chemical characteristics of reclaimed water and soil samples
1.2.2 灌溉操作
通過(guò)滲濾柱批次試驗(yàn)體系完成再生水灌溉相關(guān)研究工作,滲濾柱材質(zhì)為聚四氟乙烯,柱直徑為2 cm,柱高度為10 cm。實(shí)驗(yàn)時(shí),將等量土樣填柱,室溫下以滴灌的方式將再生水連續(xù)灌入土柱,滴灌速度為3 mL·min-1,整體灌溉時(shí)間為12 h(參考了國(guó)內(nèi)外再生水田間灌溉周期)。在反應(yīng)過(guò)程的不同時(shí)間節(jié)點(diǎn),對(duì)柱內(nèi)土樣進(jìn)行分析檢測(cè),評(píng)價(jià)灌溉過(guò)程對(duì)土壤性質(zhì)的影響。
再生水水質(zhì)測(cè)定參考《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》[5],土壤指標(biāo)測(cè)定參考《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[6]。每個(gè)樣品做3個(gè)平行,每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)定3次。將反應(yīng)前后的土壤樣品自然風(fēng)干,導(dǎo)電膠固定后噴金0.5 min,放入檢測(cè)室觀察表面形貌差異;掃描電鏡加速電壓為5 kV,放大倍數(shù)為1 000倍。所有玻璃器皿使用前均經(jīng)10% HNO3浸泡24 h,經(jīng)純凈水洗凈后備用。通過(guò)Origin軟件處理數(shù)據(jù)和繪圖。
再生水灌溉對(duì)土壤pH值的影響如圖1所示。結(jié)果表明:在實(shí)驗(yàn)條件下,再生水灌溉能夠改變土壤pH值。隨著灌溉時(shí)間的延長(zhǎng),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(dòng)。這主要是由于再生水中含有較多的鹽分和營(yíng)養(yǎng)元素,這些組分隨灌溉過(guò)程富集于土壤表層,導(dǎo)致土壤pH值略有升高[7]。同時(shí),由于土壤體系具有較好的緩沖作用,導(dǎo)致短期灌溉對(duì)土壤pH值的影響有限,僅表現(xiàn)出無(wú)規(guī)律波動(dòng)態(tài)勢(shì)。此外,再生水中含有多種有機(jī)酸,源于有機(jī)物的氧化作用和氨的硝化作用,這是導(dǎo)致土壤pH值降低的重要外因。因此,本部分土壤pH值的無(wú)規(guī)律變化可能是多種因素共同作用的結(jié)果。
圖1 灌溉過(guò)程對(duì)土壤pH值的影響Fig.1 Effect of irrigation process on pH values in soil
再生水灌溉對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的影響如圖2所示。研究發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)質(zhì)含量呈現(xiàn)“升高—降低—趨穩(wěn)”的變化態(tài)勢(shì)。在反應(yīng)開(kāi)始階段,土壤有機(jī)質(zhì)含量迅速升高,這源于再生水中有機(jī)質(zhì)的補(bǔ)給;隨著灌溉過(guò)程的持續(xù)進(jìn)行,土壤內(nèi)源有機(jī)質(zhì)被逐漸淋溶,導(dǎo)致土壤淋溶液中有機(jī)質(zhì)含量升高,土壤體系有機(jī)質(zhì)含量相應(yīng)降低;之后,(再生水)外源有機(jī)質(zhì)補(bǔ)充與(土壤)內(nèi)源有機(jī)質(zhì)淋溶呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)流轉(zhuǎn),表現(xiàn)為土壤有機(jī)質(zhì)絕對(duì)含量趨穩(wěn)的宏觀效應(yīng)。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(jī)質(zhì)含量,這與同類(lèi)研究結(jié)果基本相符[8]。
圖2 灌溉過(guò)程對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的影響Fig.2 Effect of irrigation process on organic matters in soil
再生水中含有大量離子組分,灌溉過(guò)程可能導(dǎo)致土壤鹽分累積。再生水灌溉對(duì)土壤主要離子(含Pb2+和Cd2+)的影響見(jiàn)表2。再生水灌溉導(dǎo)致土壤Ca2+, Na+和K+含量升高,主要由于再生水中相關(guān)離子轉(zhuǎn)移到土壤體系;隨著灌溉時(shí)間的延長(zhǎng),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(guò)程對(duì)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(yīng);有研究表明,長(zhǎng)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(rèn)為再生水灌溉引發(fā)土壤次生鹽漬化的可能性較低。
表2 灌溉過(guò)程對(duì)土壤主要離子的影響Table 2 Effect of irrigation process on main ions in soil
再生水灌溉對(duì)土壤養(yǎng)分的影響見(jiàn)表3。在選取的土壤養(yǎng)分6種相關(guān)指標(biāo)中,其含量均在灌溉過(guò)程的影響下有所升高:其中AN和TP增幅相對(duì)較大,分別從反應(yīng)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(jìn)土壤養(yǎng)分狀況的整體改善。有學(xué)者認(rèn)為,再生水灌溉對(duì)土壤肥力的影響并不確定,可能受土壤質(zhì)地、灌溉方式和變量因素的調(diào)控[10]??紤]到本文再生水灌溉周期較短(12 h),且灌溉對(duì)象為表層土壤,因此,長(zhǎng)周期灌溉與土壤養(yǎng)分的相關(guān)性還需深度探究。
表3 灌溉過(guò)程對(duì)土壤養(yǎng)分的影響Table 3 Effect of irrigation process on soil nutrients
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(jié)果如圖3所示。灌溉前的土壤顆粒粒徑不均,但土壤結(jié)構(gòu)較為緊實(shí),孔隙度不大;再生水灌溉后,土壤表面“粗化”效應(yīng)明顯,團(tuán)聚體增多,呈現(xiàn)若干團(tuán)聚體顆粒交替聚集和附著的現(xiàn)象。這主要是再生水的淋濾下滲導(dǎo)致土壤團(tuán)聚體分散和土壤顆粒均一化,繼而又出現(xiàn)細(xì)顆粒聚集和壓實(shí)的綜合效應(yīng)。再生水灌溉對(duì)土壤表面形貌的相對(duì)影響不大,考慮到土壤的長(zhǎng)期自恢復(fù)能力,灌溉過(guò)程的相關(guān)影響可以忽略不計(jì)。
圖3 灌溉過(guò)程對(duì)土壤表面形貌的影響Fig.3 Effect of irrigation process on surface characteristics of soil
通過(guò)對(duì)再生水短期灌溉的系統(tǒng)研究,初步掌握了灌溉過(guò)程對(duì)表層農(nóng)業(yè)土壤性質(zhì)的影響。從得到的結(jié)果來(lái)看,與同類(lèi)研究有相似也有區(qū)別,這與再生水性質(zhì)、土壤性質(zhì)等多種因素有關(guān)[11]。再生水灌溉過(guò)程變量較多,要從物理化學(xué)和生物學(xué)層面全面考量,綜合預(yù)估灌溉過(guò)程的負(fù)面生態(tài)效應(yīng)和潛在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)[12-14],比如可能發(fā)生的土壤鹽漬化、微生物群落失衡、農(nóng)作物病蟲(chóng)害等問(wèn)題。要加強(qiáng)后續(xù)研究的深度和維度,并結(jié)合田間試驗(yàn)和儀器分析技術(shù),剖析灌溉過(guò)程宏觀行為的微觀機(jī)制,為再生水灌溉農(nóng)業(yè)的推廣應(yīng)用提供科學(xué)指導(dǎo)。
通過(guò)批次試驗(yàn)分析生活源再生水短期灌溉對(duì)表層農(nóng)業(yè)土壤性質(zhì)的影響。研究發(fā)現(xiàn):土壤pH值受再生水灌溉的影響很小,灌溉后土壤有機(jī)質(zhì)含量有所增加;再生水灌溉導(dǎo)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(guò)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(yǎng)分狀況;將土壤樣品放大1 000倍后發(fā)現(xiàn),灌溉前后土壤表面形貌差異不大。
致謝感謝沈陽(yáng)師范大學(xué)人才引進(jìn)科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目(BS202021)的支持。