再生水水質(zhì)和灌溉模式對紅壤陽離子交換性能的影響

王輝，羅麗澎，劉常，譚帥，胡傳旺

(湖南農(nóng)業(yè)大學水利與土木工程學院，湖南 長沙 410128)

再生水是將城市污水、工業(yè)廢水等非傳統(tǒng)水資源進行回收，經(jīng)適當再生工藝處理后達到一定水質(zhì)標準，滿足某種使用功能要求，在一定范圍內(nèi)進行有益使用的水資源[1].在農(nóng)業(yè)用水供需矛盾日益加劇的背景下，合理利用再生水灌溉對緩解農(nóng)業(yè)用水短缺具有重要意義.使用含有豐富營養(yǎng)元素的再生水灌溉農(nóng)田，可一定程度積累有機質(zhì)、提升土壤肥力，影響土壤的理化性質(zhì)[2].但因其含有大量鹽分離子，長期灌溉將會影響土壤交換性鹽基離子含量及土壤對陽離子(例如K+，Na+，Ca2+，Mg2+)的吸附解析能力，進而影響土壤交換性能并導致土壤肥力發(fā)生改變.土壤陽離子交換量(CEC)指土壤膠體所能吸附各種陽離子的總量，是土壤緩沖性能的主要來源，是表征土壤保肥和供肥能力的重要指標[3].土壤堿化度(ESP)與Na+含量和CEC有關，以土壤膠體上吸附的交換性Na+占CEC的百分率表示，常用于衡量土壤的堿化程度.

國內(nèi)外眾多學者就再生水灌溉對土壤交換性能的影響進行了探討.張鐵軍等[4]就此開展了為期30 d的灌溉試驗后發(fā)現(xiàn)，再生水的K+，Na+含量高于清水，持續(xù)灌溉增強了土壤對離子的交換吸附作用，土壤表層K+，Na+含量較本底值有所增加，而深層土壤陽離子無顯著變化.LEAL等[5]用處理過的生活污水灌溉甘蔗田后，土壤剖面中交換性Na+含量較清水灌溉有所增加.LADO等[6]發(fā)現(xiàn)再生水長期灌溉下，土壤Na+含量和ESP增加，造成土壤中黏粒膨脹和分散，且再生水中懸浮顆粒物可堵塞土壤孔隙，降低土壤導水性，并導致土壤鹽堿化.唐立軍等[7]利用“清水+再生水”交替灌溉后發(fā)現(xiàn)，該模式促進了土壤陽離子的交換和總孔隙度增加，有利于改善土壤物理性狀.由此可見，再生水灌溉對土壤交換性能的影響，不僅與土層深度、灌溉時間有關，還與灌溉水質(zhì)、灌溉模式等密切相關.

目前，大多數(shù)關于再生水及微咸水等非常規(guī)水對土壤交換性能的影響研究主要集中在北方、西北干旱半干旱地區(qū)的砂性或鹽堿性土壤地區(qū)[8]，而在南方黏性紅壤區(qū)域考慮再生水不同離子濃度與灌溉模式耦合作用下對土壤交換性能影響的相關研究鮮有報道.因此，文中以南方紅壤為研究對象，探索再生水不同離子濃度水平在再生水單一灌溉和再生水-蒸餾水交替灌溉條件下土壤交換性鹽基離子的變化規(guī)律，分析在特定條件下再生水灌溉水質(zhì)和灌溉模式對土壤交換性能的影響，以期為再生水灌溉制度的優(yōu)化和推廣運用提供參考.

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤取自湖南省長沙市湖南農(nóng)業(yè)大學校園附近試驗農(nóng)田(113°7′33″E，28°11′45″N).采集田間表層0～20 cm土壤，剔除土壤中的植物根系、碎石等雜質(zhì)，經(jīng)自然風干、碾壓后過2 mm標準孔篩，均勻混合后備用.采用比重法測定土壤機械組成：>0.020 mm，[0.002,0.020] mm，<0.002 mm占比分別為12.06%，31.82%，56.12%.按照國際制土壤質(zhì)地分級標準，供試土壤質(zhì)地屬于黏土，其基本理化性質(zhì)：pH值為5.05；有機質(zhì)質(zhì)量比為3.280 g/kg；交換性K+、交換性Na+、交換性Ca2+、交換性Mg2+的質(zhì)量摩爾濃度分別為0.150，0.297，3.168，0.499 cmol/kg；土壤陽離子交換量CEC為13.105 cmol/kg；土壤堿化度ESP為2.27%.

試驗灌溉所用的再生水取自湖南省長沙市花橋污水處理廠二級處理出水，并用蒸餾水將再生水原液分別稀釋2，4，6倍，灌溉水樣的基本化學性質(zhì)見表1，表中ρ為質(zhì)量濃度，SAR為鈉吸附比.

表1 灌溉水樣基本化學成分指標平均值

1.2 試驗設計及方法

1.2.1 試驗設計

試驗于湖南農(nóng)業(yè)大學試驗基地開展.選擇底部直徑為26 cm、高32 cm的PVC桶作為試驗土柱，在塑料桶底部均勻鉆好孔徑為1 cm的孔，便于排水.在土柱底部鋪設2層紗網(wǎng)，以防止土壤和細砂下漏流失.將5 cm厚的細砂裝填作為過濾層后，采取分層填裝土柱，裝土容重為1.20 g/cm3，裝土高度為17 cm，層與層的接觸面進行打毛處理，以保證裝填均勻，防止入滲時出現(xiàn)分層現(xiàn)象.每次灌溉時在土壤表面鋪放防沖濾網(wǎng)，以防止灌水時對土壤產(chǎn)生沖刷作用而破壞土壤表層結(jié)構(gòu)，影響試驗結(jié)果.隨機選擇3個土柱埋設張力計，埋設深度為10 cm，以便確定土壤含水量狀態(tài)，每個土柱均做遮雨處理.

采用室外模擬灌溉試驗方法.設置再生水單一灌溉模式4種灌水處理：RW，RW-2，RW-4，RW-6；同樣設置再生水-蒸餾水交替灌溉模式4種灌水處理：ARW，ARW-2，ARW-4，ARW-6.為了消除自來水中Cl-等物質(zhì)干擾，將溶質(zhì)少、電導率低的蒸餾水作為對照進行蒸餾水單一灌溉處理(CK)[9].灌水試驗開始前，為了使土壤穩(wěn)定，利用蒸餾水對每個土柱進行初灌，直至淹沒土柱表面，當?shù)撞砍霈F(xiàn)排水后，自然風干土柱兩星期左右.在風干過程中觀察張力計讀數(shù)，待預埋的張力計值達到80 kPa左右時即可進行下一輪灌溉.使用2 L塑料水壺灌水，待液面稍微下降后繼續(xù)灌水，連續(xù)灌溉3壺，灌溉時防止液面溢出土柱桶，每個土柱一次灌溉水量均為6 L.每次灌溉前，先在桶底墊好泡沫墊板以防止?jié)B漏，待24 h后土水充分混合，土壤達到飽和膨脹后撤掉泡沫墊板，隨后繼續(xù)自然風干，待張力計達到預定值，再次灌溉.依此方法，重復再生水單一灌溉或再生水-蒸餾水交替灌溉，其中交替灌溉第1次采用再生水灌溉，下次采用蒸餾水灌溉，依次交替進行.當張力計讀數(shù)為80 kPa時，表明土壤含水率較低，此時使用便攜式入滲計進行入滲率測試，每隔30 s記錄1次數(shù)據(jù)，計算得到土壤入滲率.通過比較前后3次相同水質(zhì)灌溉，其土壤入滲率波動幅度小于5%時，說明土壤結(jié)構(gòu)基本達到穩(wěn)定狀態(tài)，即可停止灌溉.該灌溉試驗自2016年10月開始，于2017年12月結(jié)束，共計灌溉11次，灌水總量為66 L.每種處理設置3個重復.

再生水模擬灌溉試驗處理結(jié)束后，利用5 cm高的環(huán)刀在各處理土柱表面無裂縫或裂縫較小處隨機采集3個土樣，用于測定其土壤容重等.隨后利用取土器將表層(0～5 cm)土壤挖鏟出，收集好后均勻混合，即得土柱表層試驗土樣；完成表層土樣采集后，小心平整和清理土柱中層(5～10 cm)表面，在中層表面基礎上，繼續(xù)用環(huán)刀采集3個土樣后，再收集土柱中層土樣；依據(jù)同樣的取樣過程和方法，采集底層(10～15 cm)土樣.為了獲取整個土柱不同土層物理化學指標信息，采用分層取土樣，并測定表層、中層、底層土樣的理化指標，每一層的指標測定重復3次，最后進行平均得到整個土柱平均值.

1.2.2 測定項目與方法

所有土樣采集完畢后，經(jīng)自然風干、研磨、過篩后，測定土壤有機質(zhì)和pH，CEC，ESP，以及交換性鹽基離子K+，Na+，Ca2+，Mg2+等化學指標.土壤有機質(zhì)采用重鉻酸鉀-硫酸消化法測定，pH采用梅特勒多功能離子計測定(土水比為1∶5)；CEC采用乙酸銨交換法測定；交換性鹽基離子K+和Na+采用乙酸銨浸提液-火焰光度法測定，交換性鹽基離子Ca2+和Mg2+采用乙酸銨浸提液-原子吸收分光光度法測定[10]；SO42-采用硫酸鋇比濁法測定，Cl-采用硝酸銀滴定法測定.土壤ESP的計算公式為

ESP=(bNa/CEC)×100%，

(1)

式中：bNa為交換性Na+的摩爾質(zhì)量濃度，cmol/kg.

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)均取3次重復的平均值，采用Excel 2010處理數(shù)據(jù)、繪制圖表，采用SPSS 22進行顯著性分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對土壤交換性鹽基離子含量的影響

圖1描述了不同處理下土壤交換性鹽基離子含量的變化特征，圖中綠色標記表示再生水單一灌溉處理，藍色標記表示再生水-蒸餾水交替灌溉處理，黃色標記表示蒸餾水對照處理.由圖1a可知，與對照處理CK比較，單一灌溉模式下處理RW，RW-2，RW-4，RW-6的土壤交換性K+含量分別提高283.9%，112.4%，78.3%和9.7%，而交替灌溉模式下處理ARW，ARW-2，ARW-4，ARW-6則分別提高30.4%，8.1%，7.2%和13.0%，兩種灌溉模式下K+累積含量平均分別比CK高出121.08%和14.68%；處理RW，RW-2，RW-4的土壤交換性K+含量顯著高于對照CK(p<0.05)，其他處理不具有統(tǒng)計學意義.由圖1b可知，與對照CK比較，單一灌溉模式下處理RW，RW-2，RW-4，RW-6的土壤交換性Na+含量分別提高777.3%，761.9%，320.7%和222.7%，交替灌溉模式下處理ARW，ARW-2，ARW-4，ARW-6提高1 272.8%，981.3%，946.2%和789.5%，2種灌溉模式下Na+累積含量平均分別比CK高出520.65%和997.45%；不同離子濃度水平再生水處理下土壤交換性Na+含量均顯著高于處理CK(p<0.05).以上結(jié)果表明，單一灌溉模式下再生水不同離子濃度灌溉均會促進土壤交換性K+和Na+累積，但Na+累積程度比K+高很多；交替灌溉模式可以顯著消除土壤交換性K+累積，而Na+卻成倍累積.可能原因是再生水單一灌溉后土壤CaCO3釋放的Ca2+會取代交換性Na+并將其淋溶出來[11]，而在交替灌溉時使用蒸餾水會使Ca2+含量累積較少，Na+很難被取代或取代量較少，導致同一水質(zhì)交替灌溉的交換性Na+含量高于單一灌溉.此外，兩種不同灌溉模式下Na+的增加量均高于K+，即交換性Na+累積速率快于K+.這可能是因為交換性K+和Na+之間存在此消彼長的拮抗效應關系，K+含量增加可抑制Na+在可交換復合物上的吸附作用，Na+被復合物吸附較少而導致其在土壤中含量較多[12]；處理CK的K+含量高于Na+，但大多處理下的K+含量較CK累積較少，在拮抗效應下則Na+含量較CK累積較多.

圖1 不同處理土壤交換性K+，Na+，Ca2+，Mg2+含量對比

由圖1c-d可知，不同處理下土壤交換性Ca2+和Mg2+含量的變化趨勢基本相同.CK的土壤交換性Ca2+摩爾質(zhì)量濃度為3.646 cmol/kg，單一灌溉模式下處理RW，RW-2，RW-4，RW-6的土壤交換性Ca2+較CK分別提高18.54%，8.65%，-0.79%和-8.91%，而交替灌溉模式下ARW，ARW-2，ARW-4，ARW-6較CK分別增加17.39%，9.53%，-5.92%，-7.99%；CK的土壤交換性Mg2+摩爾質(zhì)量濃度為0.577 cmol/kg，單一灌溉模式下處理RW，RW-2，RW-4，RW-6的土壤交換性Mg2+含量較CK分別提高36.07%，17.46%，8.09%和3.24%，而交替灌溉模式下處理ARW，ARW-2，ARW-4，ARW-6較CK分別增加29.31%，20.81%，18.21%和7.23%，兩種灌溉模式下Mg2+累積含量平均分別比CK高出16.22%和18.89%；除處理RW，ARW的土壤交換性Mg2+含量顯著高于CK(p<0.05)外，其他處理則不顯著.以上結(jié)果表明，除處理RW-4，RW-6，ARW-4，ARW-6的Ca2+含量有所降低外，其余處理交換性Ca2+和Mg2+含量普遍增加，其增長量隨著再生水原液稀釋倍數(shù)增大呈減小趨勢.可能原因在于再生水中含有豐富的鹽分離子，使用再生水灌溉時，水中的鹽分離子會逐漸進入土壤中并累積；稀釋倍數(shù)越大，離子濃度越低，離子累積量越少，甚至部分處理會淋洗出土壤原有的離子，使之低于CK.

2.2 不同處理對土壤陽離子交換量的影響

不同處理下土壤陽離子交換量(CEC)變化規(guī)律如圖2所示.再生水單一灌溉模式下各處理的土壤CEC變化幅度為CK的-3.24%～2.53%，交替灌溉模式下CEC變化幅度為-2.21%～4.52%，并未顯著高于CK(p>0.05).這可能是受土壤有機質(zhì)含量的影響，土壤有機質(zhì)作用促使土壤形成有機膠體以及有機無機復合膠體，不斷增加表面陽離子吸附位點，從而提高了CEC[13].另一方面研究表明[14]再生水中的懸浮固體、各種類型的有機質(zhì)等物質(zhì)含量遠高于常規(guī)的灌溉用水，隨著再生水多次灌溉，水中有機質(zhì)會在土壤中積累.土壤經(jīng)不同稀釋倍數(shù)再生水灌溉后，創(chuàng)造出適于土壤微生物存活的良好環(huán)境，微生物分解有機質(zhì)能力較強，對有機質(zhì)的消耗起促進作用，但灌溉水中有機物連續(xù)輸入又在一定程度上補給了土壤有機質(zhì)含量[15]，分解速度與補給速度不等，導致各灌溉處理下的CEC有所增減.

圖2 不同處理土壤CEC對比

2.3 不同處理對土壤堿化度的影響

圖3為不同處理的土壤堿化度ESP對比.由圖可知，處理CK的ESP為1.20%，單一灌溉模式下處理RW，RW-2，RW-4，RW-6的土壤ESP較CK提高352.3%，374.6%，123.6%和68.5%；交替灌溉模式下處理ARW，ARW-2，ARW-4，ARW-6的土壤ESP較CK提高613.3%，465.0%，442.7%和349.2%.總體上，交替灌溉模式下各種處理的ESP平均比CK高出467.55%，而單一灌溉模式下各種處理的ESP平均僅比CK高229.75%.除處理RW-4，RW-6未表現(xiàn)出顯著差異性外，其余不同離子濃度水平再生水處理下土壤ESP顯著高于CK(p<0.05)，且同一灌溉模式下土壤ESP隨稀釋倍數(shù)增大而呈減小趨勢.無論采用何種灌溉模式，再生水中原有Na+和Cl-等鹽類離子含量較多，進入土壤中會與Ca2+，Mg2+等離子發(fā)生置換作用，從而增加土壤中鈉鹽和氯化物含量[16]，促進土壤ESP提升.

圖3 不同處理土壤ESP對比Fig.3 Comparison of soil ESP values in different treatments

土壤ESP本底值為2.27%，根據(jù)堿化土壤分級指標[17]，屬于非堿化土.不同離子濃度水平灌溉下土壤所得到的ESP均高于CK，且各處理的ESP均小于10%，屬于弱堿化土，其中處理RW-4和RW-6灌溉下土壤ESP均低于4%.同時，在同種水質(zhì)灌溉下，交替灌溉處理下的土壤ESP普遍高于單一灌溉.由圖1b可知，同一水質(zhì)交替灌溉下的Na+含量高于單一灌溉，而ESP受Na+含量影響較大，Na+含量越高，其ESP越大.經(jīng)再生水灌溉1 a后，不同處理的土壤表現(xiàn)出弱堿性或非堿性(ESP<10%)，表明再生水灌溉對南方紅壤的堿化度影響較小，短期灌溉不會產(chǎn)生土壤鹽堿化風險，同時有利于調(diào)節(jié)南方酸性土壤的酸堿度以促進作物吸收離子，因此南方地區(qū)再生水灌溉利用具有一定應用前景.

3 討 論

土壤CEC取決于土壤膠體的比表面積和表面負電荷密度，有機質(zhì)作為土壤膠體的重要組成部分，對土壤CEC有重要貢獻[18].再生水中有機質(zhì)含量較多，多次灌溉致使土壤有機質(zhì)積累，從而在一定程度上促進CEC增大，但灌溉過后土壤中適宜的環(huán)境會促進微生物繁殖及有機質(zhì)分解，一定程度上又削減了CEC增大.因此，經(jīng)不同處理灌溉后的CEC變化幅度較小，說明再生水單一灌溉或交替灌溉對提升土壤肥力的效果相差不大.交換性Ca2+與Mg2+含量比K+與Na+含量高，說明交換性Ca2+與Mg2+在土壤中有優(yōu)先固持、富集的特點[19]，但仍隨再生水原液稀釋倍數(shù)增大而呈下降趨勢，與其灌溉水中離子濃度密切相關；再生水單一灌溉或交替灌溉明顯提高了Na+交換解吸性，但交換性K+在交替灌溉時使用蒸餾水會被淋洗出來，得不到明顯累積，表明再生水-蒸餾水交替灌溉會促進K+在土壤中的遷移速率，使其易被淋失，從而抑制交換性K+的累積.

紅壤屬于黏重土壤，黏粒多致使其比表面相對較大，金屬離子能被有效吸附，加之灌溉影響，鹽基離子被釋放，增加了鹽基離子含量，促使ESP較本底值有所上升[20].此外，土壤的酸堿度也影響著土壤物質(zhì)與能量交換，導致緩沖效果存在一定差異，土壤交換性K+，Na+，Ca2+，Mg2+含量在維持土壤養(yǎng)分與緩沖土壤酸化中起著重要作用[21]，而本次供試紅壤的pH為5.05，故土壤交換性離子對土壤物質(zhì)與能量交換的緩沖作用不容忽視.當CEC變化較小時，Na+含量對土壤ESP的改變起主導作用，交替灌溉中提高Na+含量直接促進土壤ESP增大，表明再生水交替灌溉產(chǎn)生鹽堿化程度要高于單一灌溉.由此，僅從土壤肥力提升效果和堿化程度考慮農(nóng)田再生水的灌溉模式，南方紅壤地區(qū)的再生水灌溉宜采用單一灌溉模式，同時應綜合考慮再生水不同離子濃度灌溉水平，以利于保持或提高土壤肥力.但再生水的灌溉用量、灌溉頻率等對土壤影響還有待進一步研究，實際應用到農(nóng)田灌溉時還需長期定位監(jiān)測.

4 結(jié) 論

1) 再生水不同處理可對土壤交換性K+，Na+，Ca2+，Mg2+含量的累積產(chǎn)生不同程度的影響.與CK處理比較，單一灌溉模式下各處理交換性K+，Na+，Mg2+的累積含量平均提高了121.08%，520.65%和16.22%，且隨著再生水稀釋倍數(shù)增大呈減小趨勢，這種趨勢交換性K+表現(xiàn)最顯著.與處理CK比較，再生水-蒸餾水交替灌溉模式下各處理交換性Na+和Mg2+的累積含量平均提高了997.45%和18.89%，而交換性K+沒有累積現(xiàn)象.

2) 再生水不同處理對土壤CEC影響較小.在再生水單一灌溉模式下CEC變化幅度為CK的-3.24%～2.53%，交替灌溉為-2.21%～4.52%，并未顯著高于CK(p>0.05).

3) 再生水不同處理促進土壤ESP增大.除處理RW-4，RW-6的ESP未表現(xiàn)出顯著差異性外，其余處理顯著高于CK(p<0.05)，且在同一灌溉模式下ESP隨稀釋倍數(shù)增大而減??；同種水質(zhì)交替灌溉處理下的ESP均高于單一灌溉，表現(xiàn)出弱堿性或非堿性(ESP<10%)，表明再生水灌溉對南方紅壤的堿化度影響不大，但交替灌溉具有增大土壤次生鹽堿化的潛在風險，而單一灌溉模式可適度降低風險.