生活再生水灌溉對草坪根區(qū)主要土壤養(yǎng)分的影響

肖雨霄，鄧凌云，裴宏偉，李雅麗，呂圣薇，劉孟竹，胡錦娟，肖捷穎

（1.河北科技大學環(huán)境科學與工程學院，石家莊 050018；2.河北省張家口生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，河北張家口 075000；3.河北建筑工程學院市政與環(huán)境工程系，河北張家口 075000；4.河北省水質(zhì)工程與水資源綜合利用重點實驗室，河北張家口 075000）

0 引 言

中國是世界上水資源嚴重短缺和分布不均的國家之一，人均水資源總量僅為世界平均水平的四分之一[1]。2020年，我國城市化率已經(jīng)突破60%，未來還將呈現(xiàn)加速發(fā)展的趨勢。城市化的加速發(fā)展，一方面使得城市綠地面積不斷擴張、城市綠地對水量的需求不斷增加，水資源短缺問題日益加劇[2,3]，另一方面，城市人口的激增，也使得生活用水需求和污水排放水平逐年增加，尤其是北方城市面臨著水資源不足和水污染加重的雙重壓力。城市生活污水源再生水是一種數(shù)量穩(wěn)定、含有大量植物生長必需營養(yǎng)元素的再生水，對于干旱缺水且人口密集的北方城市，城市再生水無疑是一種良好的綠地灌溉替代水源[4]，且再生水中富含氮磷等營養(yǎng)元素，有助于作物生長，從而減少化肥的使用[5,6]，對于緩解城市用水緊張、改善生態(tài)環(huán)境具有重要意義[7]?！吨腥A人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》中也明確提出建立水資源剛性約束制度[8]，鼓勵開展再生水利用。推廣再生水利用不僅開辟了城市用水的“第二水源”，也是節(jié)水型社會建設的重要內(nèi)容之一。同時，可以有效降低污染物排放對生態(tài)環(huán)境造成的壓力[9]。

城市綠地是指以自然植被和人工植被為主要存在形態(tài)的城市用地，城市綠地提供的生態(tài)系統(tǒng)服務不僅支撐著城市的生態(tài)完整性，而且可以過濾空氣、消除污染、減弱噪音、降低溫度、滲入雨水、補充地下水[10,11]。諸多研究表明，再生水可為土壤和作物提供營養(yǎng)元素，利用再生水灌溉可以增加土壤肥力[12-14]，促進作物生長。因此用再生水代替飲用水進行城市綠地灌溉可以有效地解決水資源短缺問題[15]。王齊等[16]研究表明，中水灌溉綠地可為土壤提供較多養(yǎng)分，并且有利于植物生長。鄭汐等[17]試驗表明，與清水灌溉相比，再生水中大量的營養(yǎng)物質(zhì)被土壤吸收，增加了土壤的營養(yǎng)狀況。劉金榮等[18]對蘭州大學再生水回用于冷季型草坪草的研究表明，短期使用再生水灌溉不會對草坪草造成顯著傷害。鄭偉等[19]通過對滄州市再生水灌溉不同類型草坪對比試驗，得到再生水灌溉兩年后土壤鹽分呈增加趨勢。Zalacáin 等[20]指出，再生水灌溉提高了表層土壤微團聚體的穩(wěn)定性，可能與土壤有機質(zhì)含量較高有關。雖然再生水灌溉可以節(jié)約水資源，促進植物生長，但再生水中大量的化學物質(zhì)、營養(yǎng)元素會對環(huán)境造成一定的污染，本研究采用小區(qū)對比實驗方法，研究不同水質(zhì)灌溉方式下對常見冷季型草根際土壤養(yǎng)分及土壤含水率的影響，同時測定不同土層深度草坪草的根系密度，為再生水灌溉的實際應用及其標準制定提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

本研究采用早熟禾草坪作為實驗對象，實驗期為2019年6月28日至2020年6月28日，利用河北建筑工程學院校園中水站處理后的再生水灌溉。實驗所用土壤為過篩后的農(nóng)田耕作土，實驗裝置采用尺寸為0.85 m×0.85 m×1.2 m（長×寬×高）的不銹鋼土箱。在10、20、30、40、50、70 和90 cm 土層處分別埋置土壤水分探頭，土箱底部安置有集水排水孔（圖1）。實驗共設3個土箱，分別做不同灌溉水質(zhì)處理，即清水灌溉處理(T0，自來水)、混合水灌溉處理(T1，50%清水配50%再生水)、再生水灌溉處理(T2)。根據(jù)公園綠地一級養(yǎng)護標準，待草種生長后，7-8月每3 d灌溉一次水，8-9月每4 d灌溉一次水，9-10月每5 d 灌溉一次水，每次灌水量為10 L。實驗期間，分別在5月1日和8月30日施加復合有機肥、磷肥，每半個月修剪一次。

圖1 研究區(qū)草坪實驗現(xiàn)場裝置圖Fig.1 Lawn experiment site device diagram in the research area

灌溉水質(zhì)指標及水質(zhì)檢測方法見表1。對實驗期前后的受納土壤進行樣品采集并進行土壤養(yǎng)分的檢測：其中，土壤全氮利用半微量開氏法檢測；土壤堿解氮和速效鉀分別采用擴散法和火焰光度法檢測；土壤有機質(zhì)和NO3-分別采用重鉻酸鉀法和離子色譜法檢測。本實驗選用過篩后的回填土作為實驗土壤，分別用清水、混合水、再生水灌溉，在一年周期的實驗結束后，分層采集土箱中0～10、10～20、20～30、30～40和40～50 cm深度的土壤，進行土壤養(yǎng)分檢測。

表1 灌溉水質(zhì)指標及水質(zhì)檢測方法Ta.1 Irrigation water quality indicators and water quality testing methods

2 結果與分析

2.1 再生水灌溉對土層全氮的影響

土壤全氮是指土壤中各種形態(tài)氮素含量之和，全氮含量是土壤氮素的豐缺指標。從圖2分析，不同水質(zhì)灌溉下，土壤養(yǎng)分狀況在不同空間上產(chǎn)生了不同的影響。實驗期前，0～50cm 土層全氮含量一直維持于0.03%，3種水質(zhì)處理下，0～10 cm 土層全氮含量均明顯高于實驗期前，說明施加的復合肥未被分解完全，土壤中仍存留一定的氮素。T0處理下，0～10 cm土層全氮含量達到0.07%，高于其他兩種水質(zhì)灌溉，這是由于再生水中含有大量的營養(yǎng)物質(zhì)，促使草坪草根系生長，而清水中的營養(yǎng)物質(zhì)相對較少，故草坪草不能很好的吸收氮素；10～50 cm 土層全氮含量保持穩(wěn)定，與實驗期前全氮含量相當。T1 和T2 處理下，20～40 cm 土層全氮含量都低于實驗期前，最低達到0.02%，說明再生水中的微生物會吸收土壤中的氮素，造成全氮含量降低。隨著水流的不斷灌溉，土壤處于“淋洗”狀態(tài)，即未被吸收的氮素隨著水流下滲，且土壤濕度較大，土壤中氣流的運動受到了限制，草坪草根系供氧不足，在缺氧條件下，土壤中的硝態(tài)氮經(jīng)反硝化作用轉(zhuǎn)化成氣態(tài)排放到空氣中，故土壤中的全氮含量逐漸降低[21]。

圖2 0～50 cm土壤全氮分布Fig.2 Distribution of total nitrogen in 0～50 cm soil

2.2 再生水灌溉對土層堿解氮的影響

土壤堿解氮包括無機態(tài)氮（銨態(tài)氮、硝態(tài)氮）及易水解的有機態(tài)氮（氨基酸、酰胺和易水解蛋白質(zhì)），可以反映土壤氮素的供應情況。從圖3分析，實驗期前，0～50 cm 土層土壤堿解氮含量維持在24 mg/kg，3 種水質(zhì)處理下，堿解氮的含量均隨著土壤深度的增加呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢，且均高于實驗期前。在10～20 cm土層處，3種水質(zhì)灌溉下，堿解氮含量分別為52、51、50 mg/kg，遠高于實驗期前。T0和T1處理下，20～30 cm 處土壤堿解氮含量最低(24 mg/kg)；而T2 處理下，30～40 cm 處土壤堿解氮含量最低(31 mg/kg)，這是由于再生水中的營養(yǎng)物質(zhì)含量較高，更有助于草坪草根系生長，從而在該土層深度能繼續(xù)吸收氮素。且有學者研究表明[22]，土壤有機質(zhì)會被土壤中的異養(yǎng)微生物分解，將土壤有機氮轉(zhuǎn)為無機態(tài)氮，進一步轉(zhuǎn)化成NO3-，故當土壤有機質(zhì)越高時土壤堿解氮含量也會增高。

圖3 0～50 cm土壤堿解氮含量分布Fig.3 Distribution of alkali-hydrolyzed nitrogen in 0～50 cm soil

2.3 再生水灌溉對土層速效鉀的影響

速效鉀，是指土壤中易被作物吸收利用的鉀素，可以反映土壤鉀素的供應情況。從圖4分析，實驗期前，0～50 cm 土層土壤速效鉀含量維持在74 mg/kg，3 種水質(zhì)處理下，速效鉀的含量均隨著土壤深度的增加呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢。在10～20 cm 土層處，3 種水質(zhì)灌溉下土壤速效鉀含量均集中在160～200 mg/kg 之間，分別為163、190、180 mg/kg，遠高于實驗期前；T0 處理下，20～30 cm 土層處速效鉀含量最低(78 mg/kg)；T1和T2處理下，30～40 cm土層處速效鉀含量最低(69 mg/kg)，且低于實驗期前。

圖4 0～50 cm土壤速效鉀含量分布Fig.4 Distribution of available potassium content in 0～50 cm soil

2.4 土層中有機質(zhì)含量的變化情況

土壤有機質(zhì)包括各種動植物殘體、微生物及其生命活動所產(chǎn)生的各種有機物，主要有相對穩(wěn)定的土壤腐殖質(zhì)等。從圖5分析，實驗期前，0～50 cm 土層土壤有機質(zhì)含量維持在7.8 mg/kg，3 種水質(zhì)處理下，土壤有機質(zhì)的含量均隨著土壤深度的增加呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢，且在0～10 cm 土層處，T0、T1、T2 處理下土壤有機質(zhì)含量分別為12.7、13.4、13.5 g/kg，這是由于該深度土層中存在大量的動植物殘體，分解出的有機質(zhì)會累積在土壤中。有研究表明[23]，植物根系分泌物使根系土壤的微生物數(shù)量高于非根系土壤的微生物數(shù)量，故表層土壤有機質(zhì)含量均遠高于實驗期前；在20～30 cm 土層處，T0 和T2 處理下有機質(zhì)含量達到最低，分別為5.4 g/kg 和5.1 g/kg；在30～40 cm 土層處，T1處理下有機質(zhì)含量最低且為4.7 g/kg。在20～50 cm 土層中，動植物殘體及一些有機物數(shù)量減少且草坪草根會吸收有機質(zhì)，因此在該深度土層有機質(zhì)含量有所消耗。

圖5 0～50 cm土壤有機質(zhì)含量分布Fig.5 Distribution of soil organic matter in 0～50 cm

2.5 土層NO3-含量變化情況

從圖6分析，實驗期前，0～50 cm 土層土壤中NO3-含量保持在19 mg/kg。3 種水質(zhì)處理下，土壤中NO3-的含量均隨著土壤深度的增加呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢。T2處理下，0～10 cm土層處NO3-含量達到27 mg/kg，遠高于其他兩種水質(zhì)處理，并且高于實驗期前的含量，這是由于再生水中含有大量的NO3-；3種水質(zhì)灌溉下，10～50 cm 土層處NO3-含量趨于一致且遠小于實驗期前NO3-含量，這說明土壤存在嚴重的氮流失，且再生水中的微生物本身就會吸收NO3-，因此若長期使用再生水灌溉，會對土壤造成一定的影響。

圖6 0～50 cm土壤NO3-含量分布Fig.6 Distribution of soil NO3-in 0～50 cm

2.6 不同水質(zhì)灌溉下各土層土壤體積含水率的分布情況

為對比不同水質(zhì)澆灌下土壤體積含水率的變化情況，分別在10、20、30、40、50、70、90 cm 土層處埋置土壤水分探測儀，對土壤體積含水率實時監(jiān)測。從圖7分析，3 種水質(zhì)灌溉下，隨著土壤深度增加，土壤體積含水率的變化趨勢大致相同，且混合水灌溉處理下的體積含水率略高于其他兩種，這是由于再生水中的大分子有機質(zhì)被土壤微生物降解利用，產(chǎn)生的降解產(chǎn)物和副產(chǎn)物有很強的膠結作用，有利于穩(wěn)定性團聚體結構的形成，從而改善土壤的入滲性能和導水性能[24]，但這類大分子也會在土壤中沉積，導致土壤堵塞，不利于土壤的導水性能[25]，因此，短期使用再生水澆灌有助于維持土壤含水率。從圖8分析可知，表層土壤中草坪草根系密度最大，隨著土壤深度的增加，根系密度逐漸減??；混合水灌溉下的根系密度高于清水灌溉高于再生水灌溉，說明草坪草生長旺盛，根系與土壤之間有更好的導水能力。對比不同水質(zhì)灌溉下土壤含水率變化，在清水、混合水和再生水條件下，0～10 cm 土層體積含水率分別為0.138 60、0.206 62、0.184 92 cm3/cm3，清水灌溉下土壤體積含水率顯著低于其他兩種水質(zhì)灌溉，說明再生水灌溉可以明顯固持土壤表層水分，減少蒸發(fā)，防止水分流失，有助于植株生長。

圖7 3種水質(zhì)處理下土壤體積含水率的變化趨勢Fig.7 Variation trend of soil volumetric water content under three kinds of water treatment

圖8 不同水質(zhì)灌溉下草坪草根系密度的分布情況Fig.8 Distribution of root density of turfgrass under irrigation with different water quality

從圖9分析，清水灌溉下，土壤體積含水率在20 cm 土層波動范圍最大(0.123～0.313 cm3/cm3)，在10 cm 土層處波動范圍最小(0.077～0.191 cm3/cm3)；混合水灌溉下，土壤體積含水率在20 cm土層波動范圍最大(0.124～0.304 cm3/cm3),在90 cm土層處波動范圍最小(0.198 ～0.307 cm3/cm3)；再生水灌溉下，土壤體積含水率在10 cm 土層波動范圍最大(0.053～0.29 cm3/cm3),在90 cm 土層處波動范圍最小(0.218 ～0.268 cm3/cm3)。隨著土層深度的增加，土壤體積含水率的波動越小。這是因為動植物活動大多存在于淺層土壤，且表層土壤受蒸散的作用，土壤含水率不穩(wěn)定，波動范圍大。再生水濃度越高，草坪草生長越旺盛，根系越發(fā)達，對水分的吸收越強烈，因此在再生水灌溉下，土壤含水率誤差范圍最大。

圖9 不同水質(zhì)灌溉下各土層土壤含水率誤差情況Fig.9 The error of soil moisture content in different soil layers under different water quality irrigation

3 結 論

(1)3 種不同水質(zhì)灌溉條件下，土壤中全氮、堿解氮和速效鉀含量均呈現(xiàn)隨著土層深度的增加先降低后升高的變化趨勢。與清水灌溉相比，再生水中的營養(yǎng)物質(zhì)可被植物根系吸收，促進草坪草生長，因此在表層土壤處的全氮、堿解氮和速效鉀含量較低；但若長期使用再生水灌溉，水中的微生物會吸收土壤中的營養(yǎng)元素，對土壤造成一定的影響。

(2)3 種處理土壤有機質(zhì)的含量均隨著土壤深度的增加呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢，且在0-10 cm 土層處，有機質(zhì)含量均遠高于實驗期前，20～30 cm 土層處，清水灌溉和再生水灌溉下有機質(zhì)含量達到最低；再生水處理下，0～10 cm 土層處NO3-含量達到27 mg/kg，遠高于其他兩種水質(zhì)處理，10～50 cm土層處NO3-含量遠小于實驗期前，這說明土壤存在嚴重的氮流失。

(3)再生水處理下的土壤體積含水率略高于其他兩種，且隨著土層深度的增加，土壤體積含水率的波動越小，這是由于草坪草根系發(fā)達可以有效地固存水分；但若長期使用再生水灌溉或不控制再生水濃度，水中的大分子會影響土壤孔隙度，不利于土壤的導水性能。