乳業(yè)再生水長(zhǎng)期灌溉對(duì)土壤有效氮素的影響及評(píng)價(jià)

吉時(shí)育，王 勇，2，張 琨，郭書婷

（1.內(nèi)蒙古師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，呼和浩特 010022；2.內(nèi)蒙古節(jié)水農(nóng)業(yè)工程研究中心，呼和浩特 010022）

0 引言

再生水是指工業(yè)廢水或生活污水經(jīng)適當(dāng)工藝處理后，達(dá)到相關(guān)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，能夠滿足某種用途要求的非飲用水。國(guó)家“十四五”規(guī)劃綱要提出“強(qiáng)化農(nóng)業(yè)節(jié)水增效，鼓勵(lì)再生水利用”。再生水作為一種非常規(guī)水源，用于農(nóng)業(yè)灌溉不僅可以減少農(nóng)業(yè)淡水資源用量，而且其富含氮磷鉀等農(nóng)作物所必須的養(yǎng)分，灌溉后會(huì)對(duì)土壤養(yǎng)分含量及形態(tài)產(chǎn)生重要作用，進(jìn)而影響作物生理和生長(zhǎng)發(fā)育。作為構(gòu)成生物體氨基酸、蛋白質(zhì)和核酸主要成分的氮(N)，是作物生長(zhǎng)發(fā)育不可或缺的營(yíng)養(yǎng)元素，與作物產(chǎn)量密切相關(guān)。多年來(lái)有關(guān)再生水灌溉的土壤氮效應(yīng)一直備受學(xué)者關(guān)注，并有大量文獻(xiàn)報(bào)道。但已有研究結(jié)果差異較大，部分結(jié)果顯示再生水灌溉能顯著提高土壤氮素[1]，也有結(jié)果顯示對(duì)提高土壤氮素的效果有限或者無(wú)效[2]。這些研究結(jié)果不一致的可能原因是土壤氮素含量及形態(tài)變化除與土壤和作物種類和灌溉歷時(shí)等因素有關(guān)外，還與生產(chǎn)再生水的污水水質(zhì)有關(guān)。源于不同行業(yè)污水的再生水，雖然總氮排放限值標(biāo)準(zhǔn)相同，但所含氮素形態(tài)有差異，灌溉后在土壤中的可轉(zhuǎn)化性能和被植物吸收利用的難易程度也不同。因此，開展源于不同污水的再生水（再生水分質(zhì)）灌溉效應(yīng)研究，是深入研究再生水灌溉機(jī)理或機(jī)制的重要途徑。乳業(yè)是內(nèi)蒙古的重要產(chǎn)業(yè)，用水量和排污量大，污水中所含乳脂肪、乳糖和乳蛋白等有機(jī)物多，COD濃度高，多屬易生化處理的有機(jī)廢水[3]。目前關(guān)于乳業(yè)再生水灌溉效應(yīng)研究報(bào)道較少。本文以乳業(yè)再生水灌溉區(qū)為研究對(duì)象，研究乳業(yè)再生水長(zhǎng)期灌溉后（17年）土壤氮素形態(tài)及分布特征，并對(duì)其土壤有效氮素水平進(jìn)行評(píng)價(jià)。研究結(jié)果不僅可為乳業(yè)再生水灌溉的可行性提供佐證，而且對(duì)促進(jìn)深入理解再生水氮素在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化和植物吸收利用機(jī)制或機(jī)理也有作用。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于呼和浩特市和林格爾縣盛樂(lè)經(jīng)濟(jì)園區(qū)，地理坐標(biāo)為東經(jīng)111°45′00″，北緯40°40′00″。園區(qū)海拔1 100～1 130 m，年平均氣溫5.4℃，最高氣溫31℃，最低氣溫-21℃，年均降水量421 mm，蒸發(fā)量1 600～2 500 mm，平均風(fēng)速2.3 m/s，凍土深度1.40 m。屬中溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候。

2004年，園區(qū)建成一座設(shè)計(jì)規(guī)模為6 000 m3/d的污水處理廠，設(shè)計(jì)排放水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB5084-2005）。2014年，園區(qū)對(duì)該污水處理廠進(jìn)行升級(jí)改（擴(kuò)）建，處理規(guī)模2.15萬(wàn)m3/d，出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。污水處理廠的污水主要為乳業(yè)廢水，占污水總量的91.45%，生活污水占3.25%，其他行業(yè)污水占5.3%。

2004年至今，污水處理廠排水下游部分農(nóng)田一直利用該污水廠的出水進(jìn)行灌溉。下游農(nóng)田面積約409.32 hm2，其中再生水灌溉面積約59.2 hm2，井灌區(qū)面積270.89 hm2，再生水和井水混灌面積79.23 hm2。

1.2 試驗(yàn)布置及樣品采集

2020年10月，通過(guò)實(shí)地踏勘污水廠排水口和灌溉渠系走向、機(jī)電井的位置，結(jié)合地形圖和農(nóng)戶訪談，依據(jù)灌溉水質(zhì)，在長(zhǎng)期種植籽粒玉米地，選擇了3個(gè)典型灌溉區(qū)，即機(jī)井水灌溉區(qū)（JG）、再生水灌溉區(qū)（ZG）和機(jī)井水與再生水混灌區(qū)（HG），見圖1。在灌溉區(qū)東北部污水提升泵站旁（主要儲(chǔ)蓄經(jīng)前處理的乳業(yè)和市政污水），分別于2016年和2020年設(shè)置了2個(gè)污水直接灌溉試驗(yàn)地（W5和W1），面積均為400 m2。3個(gè)典型灌溉區(qū)長(zhǎng)期采用傳統(tǒng)畦灌，年灌水3次，2020年灌水時(shí)間：4月24日、6月30日、11月13日，2021年灌水時(shí)間：4月21日、7月4日、11月4日，灌水 定額600～750 m3/（hm2·次），施入等量復(fù)合肥（N-P-K 26%-12%-12%），玉米生育期不追肥。2個(gè)污灌試驗(yàn)地種植的作物為飼料玉米，灌溉、施肥方式與典型灌溉區(qū)相同。共5個(gè)灌溉試驗(yàn)處理（見表1），灌溉水質(zhì)見表2，灌區(qū)土壤機(jī)械組成及質(zhì)地見表3。

表2 灌溉水質(zhì) mg/LTab.2 Irrigation water quality

表3 灌區(qū)土壤機(jī)械組成Tab.3 Soil mechanical composition of irrigation areas

圖1 灌區(qū)及采樣點(diǎn)分布圖Fig.1 Irrigation areas and distribution map of sampling points

表1 試驗(yàn)處理Tab.1 Experimental treatments

采樣在5個(gè)灌溉試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行，隨機(jī)選擇3個(gè)樣點(diǎn)（見圖1），每個(gè)樣點(diǎn)用土鉆分5層取土采樣，采樣深度分別為0～10、10～30、30～50、50～70、70～90 cm。共18個(gè)取樣點(diǎn)，單次采90個(gè)土樣，2020年10月5-7日秋收后和2021年4月30日-5月2日春播前采樣兩次，共計(jì)180個(gè)圖樣。將采集土樣封裝帶回實(shí)驗(yàn)室，自然風(fēng)干后過(guò)篩備用。

1.3 參數(shù)測(cè)定

灌溉水質(zhì)：COD（Cr）采用GB11914-89重鉻酸鹽法測(cè)定，NH3-N采用GB7479-87納氏分光光度法測(cè)定，TP（總磷）采用GB111893-89鉬酸銨分光光度法測(cè)定，TN（總氮）采用GB/T11894-1989堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法測(cè)定，SS（懸浮物）采用GB11901-89重量法測(cè)定。

土壤：土壤機(jī)械組成采用NY/T 1121.3-2006比重計(jì)法測(cè)定，堿解氮含量采用K9840自動(dòng)凱氏定氮儀測(cè)定，銨態(tài)氮和硝態(tài)氮采用HJ 634-2012標(biāo)準(zhǔn)氯化鉀浸提-分光光度法測(cè)定，水解性有機(jī)氮=堿解氮-無(wú)機(jī)氮（銨態(tài)氮+硝態(tài)氮）。

1.4 土壤氮素評(píng)價(jià)方法

利用綜合評(píng)價(jià)指數(shù)法對(duì)土壤有效氮素水平進(jìn)行評(píng)價(jià)，具體步驟如下：

（1）利用模糊數(shù)學(xué)方法求權(quán)重：確定土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和水解性有機(jī)氮為評(píng)價(jià)對(duì)象，建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，利用公式（1）、（2）構(gòu)造水平矩陣R，公式（3）計(jì)算第j個(gè)指標(biāo)下第i項(xiàng)的權(quán)重值fij，公式（4）求各氮素熵值，公式（5）求各氮素的熵值權(quán)重：銨態(tài)氮為0.172、硝態(tài)氮為0.514、水解性有機(jī)氮為0.314。

（2）利用正S型函數(shù)公式（6）求3種氮素的隸屬度。

（3）利用公式（7）求不同灌溉處理土壤的有效氮素綜合評(píng)價(jià)指數(shù)（IFI，integrated fertility index），IFI數(shù)值越高，表示土壤有效氮素水平越高。

正向指標(biāo)：

負(fù)向指標(biāo)：

式中：fij為第j個(gè)指標(biāo)下第i項(xiàng)的權(quán)重。

式中：Hj為第j個(gè)指標(biāo)的熵值。

式中：wj為第j個(gè)指標(biāo)的熵值權(quán)重。

式中：Si表示隸屬度值；x表示指標(biāo)實(shí)測(cè)值；L和H分別表示下限和上限臨界值(表4)。本研究選取評(píng)價(jià)指標(biāo)實(shí)測(cè)的最大最小值作為指標(biāo)閾值的上下限[4]。

表4 土壤氮素指標(biāo)隸屬度函數(shù)上下限 mg/kgTab.4 Upper and Lower Limits of Soil Nitrogen Index Membership

式中：IFI為有效氮素綜合評(píng)價(jià)指數(shù)；Si為第i項(xiàng)土壤肥力評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度值；ɑi為第i項(xiàng)土壤肥力評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值。

1.5 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2019和SPSS Statistics 21.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，采用OriginPro 2018繪圖。

2 結(jié)果與分析

堿解氮在本研究中作為有效氮總量，不涉及氮素形態(tài)，因此本研究著重分析堿解氮的組成部分：銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和水解性有機(jī)氮。

2.1 土壤銨態(tài)氮變化

圖2為不同灌溉處理對(duì)銨態(tài)氮的影響，由圖2（a）可知，10月采樣的5種灌溉處理方式，不同灌溉處理對(duì)銨態(tài)氮的影響有所差異性。W1處理方式在0～90 cm內(nèi)，銨態(tài)氮隨著土層深度的增加而逐漸降低。W5處理方式在0～30 cm內(nèi)變幅較大，在30 cm以下，隨著深度的增加含量基本保持不變。JG處理方式、HG處理方式均在0～50 cm內(nèi)，銨態(tài)氮含量變化幅度較小，在50 cm以下，含量變化呈現(xiàn)“V”型變化特點(diǎn)。ZG處理方式在0～90 cm內(nèi)含量呈現(xiàn)波動(dòng)化變化的特點(diǎn)，表明在其灌溉條件下其含量變化極不穩(wěn)定。通過(guò)分析5種灌溉方式，發(fā)現(xiàn)污水灌溉1年的土壤銨態(tài)氮含量變化幅度最大。

4月份土壤銨態(tài)氮在5種灌溉處理方式下，含量變化如圖2（b）所示。W1處理方式下土壤銨態(tài)氮含量先在0～30 cm內(nèi)驟增，隨之在30 cm以下則出現(xiàn)遞減的變化特點(diǎn)。W5處理方式下銨態(tài)氮含量在0～90 cm內(nèi)基本呈現(xiàn)遞減變化特征。JG處理方式下銨態(tài)氮含量在0～50 cm內(nèi)出現(xiàn)“V”字型變化特點(diǎn)，之后隨著深度的增加，含量保持穩(wěn)定。HG處理方式下的銨態(tài)氮在0～90 cm內(nèi)先逐漸增加再逐漸減小。ZG處理方式在0～90 cm內(nèi)含量呈現(xiàn)波動(dòng)變化的特點(diǎn)。

圖2 不同灌溉處理對(duì)土壤銨態(tài)氮的影響Fig.2 Effects of different irrigation treatments on soil ammonium nitrogen

綜上，10月份與4月份不同灌溉處理后的土壤銨態(tài)氮有異同點(diǎn)。相同點(diǎn)主要為在污水灌溉下，土壤銨態(tài)氮均呈現(xiàn)隨土層深度增加而含量減少，影響程度逐漸降低。污水灌溉、再生水灌溉、混合灌溉下，土壤銨態(tài)氮含量均大于機(jī)井水灌溉。差異點(diǎn)在于10月份各處理方式的土壤銨態(tài)氮基本低于4月份，這是由于冬季低溫所致，部分微生物因低溫凍死，體內(nèi)有機(jī)氮以無(wú)機(jī)氮形式釋放，更多養(yǎng)分被釋放也會(huì)促進(jìn)殘存微生物的有機(jī)氮礦化作用[5]。10月份混合水灌溉的土壤銨態(tài)氮與再生水灌溉具有交叉分布特點(diǎn)，這是因?yàn)?0月份采樣時(shí)土壤硝態(tài)氮所當(dāng)季植物消耗以及氣態(tài)揮發(fā)，故兩者無(wú)明顯差異。4月采樣于灌溉8 d后采樣，銨態(tài)氮揮發(fā)有限，同時(shí)未受當(dāng)季植物消耗，在再生水銨態(tài)氮含量明顯高于機(jī)井水的情況下（表2），呈現(xiàn)4月份再生水灌溉的土壤銨態(tài)氮含量明顯大于混合水、機(jī)井水灌溉。

2.2 土壤硝態(tài)氮變化

從圖3（a）10月采樣可知，W1和W5兩種污水灌溉處理方式下，土壤各層硝態(tài)氮的影響具有相同的變化特征，其各層含量均大于其他灌溉方式，且W1硝態(tài)氮含量大于W5的各層含量，說(shuō)明污水灌溉對(duì)土壤硝態(tài)氮的提升具有明顯作用，這種提升作用有隨著灌溉水中氮含量或有機(jī)物相對(duì)含量的增加而增加的趨勢(shì)（見表2）。在ZG、HG、JG三種灌溉處理中，HG和ZG在各層中的硝態(tài)氮含量均大于JG含量，且隨著土層深度的增加，HG和ZG呈現(xiàn)交錯(cuò)分布的特征，JG各層基本穩(wěn)定，保持不變。表明機(jī)井水灌溉對(duì)土壤硝化作用影響小，污水灌溉影響最大，混合水和再生水次之。

由圖3（b）顯示，4月份各種灌溉處理方式下土壤硝態(tài)氮含量變化明顯，在各層中經(jīng)W1處理的土壤硝態(tài)氮含量最大，且其各層變幅也最大，表明第一年污水灌溉對(duì)土壤的硝態(tài)氮影響具有隨機(jī)性。W5處理中土壤硝態(tài)氮各層含量均低于W1處理的含量，說(shuō)明污水灌溉隨著灌溉時(shí)長(zhǎng)的增加，灌溉水中的氮或有機(jī)物質(zhì)含量對(duì)土壤硝態(tài)氮的提升作用在降低。在再生水、機(jī)井水以及混合灌溉的三種處理方式中，除表層0～10 cm內(nèi)，再生水和混合水含量差異較小外，其余土層均為混合灌溉＞再生水灌溉＞機(jī)井水灌溉。機(jī)井水灌溉的土壤硝態(tài)氮含量明顯低于其余兩種處理方式。說(shuō)明機(jī)井水灌溉對(duì)土壤的硝化作用影響較弱，這和機(jī)井水的水質(zhì)或者所含微量元素有關(guān)。

圖3 不同灌溉處理對(duì)土壤硝態(tài)氮的影響Fig.3 Effects of different irrigation treatments on soil nitrate nitrogen

綜上，10月份與4月份均為污水灌溉處理的土壤硝態(tài)氮含量最高，尤其是經(jīng)W1處理的土壤硝態(tài)氮含量。JG處理的土壤硝態(tài)氮各層含量基本保持不變，變化幅度較小。不同點(diǎn)在于10月份污水灌溉處理下土壤各層硝態(tài)氮含量大多數(shù)大于4月份。污水灌溉下土壤硝態(tài)氮含量較高，因其帶負(fù)電易淋溶，隨冬季降水流失較明顯；其次由于土壤解凍反硝化作用迅速增強(qiáng)，硝化作用恢復(fù)緩慢，加劇了硝態(tài)氮的以氣態(tài)逸散[6]。JG、HG和ZG的硝化氮含量4月份和10月份差異不明顯，無(wú)明顯的規(guī)律性。

2.3 土壤水解性有機(jī)氮的變化

圖4為不同灌溉處理方式下土壤水解性有機(jī)氮含量的變化，圖4（a）所示10月采樣數(shù)據(jù)中，污水處理的土壤水解性有機(jī)氮含量均比其他處理方式的含量高，其中在0～60 cm內(nèi)，W5處理下的土壤水解性有機(jī)氮含量大于W1，60 cm以下則呈現(xiàn)相反的含量變化特征。表明水解性有機(jī)氮受污水灌溉時(shí)長(zhǎng)的影響。在60 cm以下，受土壤類型或者土壤孔隙的影響，污水灌溉1年的土壤水解性有機(jī)氮含量高于污水灌溉5年。HG和JG處理的土壤水解性有機(jī)氮含量在45 cm處出現(xiàn)交叉拐點(diǎn)，其兩種處理方式下的含量呈現(xiàn)相反的特點(diǎn)。ZG處理的水解性有機(jī)氮隨著土層深度的增加，基本呈現(xiàn)不變的特征。

圖4（b）所示4月采樣數(shù)據(jù)中，依舊為污水灌溉下土壤水解性有機(jī)氮含量最高，污水灌溉1年與污水灌溉5年對(duì)其含量的影響有所差異性，在40 cm以上，W5處理的含量大于W1處理的，在40 cm以下，具有相反的變化特點(diǎn)，ZG和HG處理下土壤水解性有機(jī)氮隨著土層深度的增加，而呈現(xiàn)出交叉分布的特點(diǎn)。JG處理的灌溉的土壤水解性有機(jī)氮在40 cm以上，隨著深度的增加，含量遞減，40 cm以下基本保持不變。

圖4 不同灌溉處理對(duì)土壤水解性有機(jī)氮的影響Fig.4 Effects of different irrigation treatments on soil hydrolysable organic nitrogen

依據(jù)以上分析，10月份和4月份的土壤水解性有機(jī)氮含量變化有其規(guī)律性，主要表現(xiàn)在污水灌溉的土壤水解性有機(jī)氮含量?jī)?yōu)于其他灌溉處理方式，均有著機(jī)井灌溉各層含量變化幅度大于再生水灌溉和混合水灌溉。在相同處理方式下土壤水解性有機(jī)氮含量4月份均大于10月份。

2.4 土壤氮素綜合評(píng)價(jià)

本研究將堿解氮含量作為總有效氮。通常農(nóng)作物根系分布不同，土壤的氮素的含量有所差異，從探究耕層土壤各有效氮素含量關(guān)系的角度出發(fā)，本文通過(guò)綜合評(píng)價(jià)指數(shù)法，依據(jù)土壤綜合指數(shù)評(píng)價(jià)等級(jí)表（表5）對(duì)不同處理0～90 cm有效氮素進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果如表6所示。從表6中可得出，不同月份不同灌溉處理下，不同土層深度氮元素的變化有所異同。在10月份和4月份，W1和W5在各土層中，氮素均明顯高于JG、HG、ZG所處理的氮素水平，表明污水灌溉的土壤氮素高于其他灌溉處理方式。污水灌溉1年與污水灌溉5年對(duì)各層土壤氮素的累積和淋溶作用相當(dāng)，變化較為明顯的土層分別為0～10 cm和50～90 cm，在機(jī)井水灌溉、再生水灌溉和混合水灌溉中，再生水灌溉在各土層中氮素含量均高于混合灌溉和井水灌溉，說(shuō)明再生水灌溉處理對(duì)土壤氮素的累積和淋溶作用，強(qiáng)于其余兩種灌溉方式。在不同月份對(duì)比中可得，4月份不同灌溉處理下的土壤氮素水平基本上優(yōu)于10月份的氮素水平。

表5 土壤綜合指數(shù)評(píng)價(jià)等級(jí)表Tab.5 Evaluation grade table of soil comprehensive index

表6 0～90 cm土層土壤有效氮素評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.6 Evaluation results of soil available nitrogen in 0～90 cm soil layer

依據(jù)土壤綜合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)可得，10月份和4月份，W1處理下的土壤氮素質(zhì)量基本處于0.55～0.73之間，W5處理下土壤氮素質(zhì)量基本處于0.43～0.70之間，均屬于中等和一般水平。在10月份內(nèi)，JG、HG、ZG均＜0.4屬于差等級(jí)別，4月份除再生水灌溉（ZG）部分土層在中等水平外，其余均為差等水平。

2.5 分析

土壤中的氮素形態(tài)包括無(wú)機(jī)態(tài)氮和有機(jī)態(tài)氮兩大類。無(wú)機(jī)態(tài)氮主要包括銨態(tài)氮和硝態(tài)氮，它們都溶于水，可直接被植物吸收利用。有機(jī)態(tài)氮主要包括水溶性有機(jī)氮、水解性有機(jī)氮和非水解性有機(jī)氮。堿解氮作為土壤有效氮素，包含水溶性有機(jī)氮（soluble organic nitrogen，SON）、水解性有機(jī)氮和無(wú)機(jī)氮。因?yàn)橥寥繱ON含量極小[7]，約占土壤溶液總氮的0.2%～2.1%，且易隨水分向下遷移，因此不會(huì)對(duì)土壤水解性有機(jī)氮含量產(chǎn)生較大影響，可忽略不計(jì)。本研究中的水解性有機(jī)氮實(shí)際是土壤水解性有機(jī)氮和SON的和。

乳業(yè)污水中含有大量脂肪、蛋白質(zhì)、糖類等有機(jī)氮類物質(zhì)[8]，有機(jī)物、氨氮、SS含量也較高，同時(shí)含有清洗設(shè)備時(shí)使用的堿性洗滌劑、硝酸和次氯酸鈉等，無(wú)論是用經(jīng)格柵過(guò)濾污水直接灌溉，還是用經(jīng)污水廠深化處理達(dá)標(biāo)排放的再生水長(zhǎng)期灌溉，均有顯著提升土壤有效氮素含量的作用(P＜0.05，表7)。但由于土壤氮素形態(tài)特征不同，再生水長(zhǎng)期灌溉產(chǎn)生的影響也不同。從表7可以看出，各處理0～90 cm土層的有效氮以水解性有機(jī)氮為主，均占到80%以上，不同處理堿解氮的變化與水解性有機(jī)氮極相似（見圖4）。長(zhǎng)期非污水灌溉（JG、HG、ZG）土壤的銨態(tài)氮占15%以上，污水直接灌溉（W1和W5）的土壤銨態(tài)氮所占比例較小，只有7%～8%，各灌溉處理的銨態(tài)氮含量相近，均在10 mg/kg左右。硝態(tài)氮所占比例最少，除污水直接灌溉1年的W1處理為5.67%外，其他均小于4%。

表7 0～90 cm土層各處理有效氮素平均含量及所占比例Tab.7 0～90 cm Average Content and Proportion of Available Nitrogen in Different Treatments

土壤中的銨態(tài)氮通常被土壤膠體吸附，呈交換吸附狀態(tài)，在土壤中比較穩(wěn)定，不易隨水流失。含有較高銨態(tài)氮的污水(W1、W5）或再生水（HG、ZG)進(jìn)行灌溉，必然有部分銨態(tài)氮進(jìn)入土壤，與土壤膠體產(chǎn)生陽(yáng)離子交換吸附。另外，乳業(yè)污水和再生水中含有較多蛋白質(zhì)、氨基酸、糖類等[9]有機(jī)碳氮含量較高的物質(zhì)，灌溉后直接通過(guò)調(diào)節(jié)土壤C/N比實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤固氮微生物的影響。再生水COD/TN=1.68，C/N比較低，致使其對(duì)初級(jí)氮礦化的激發(fā)作用強(qiáng)于初級(jí)氮同化作用，使土壤銨態(tài)氮含量增加。其次再生水有機(jī)物的輸入作用，勢(shì)必給砂質(zhì)土壤帶入部分有機(jī)質(zhì)，一定程度上抑制氨揮發(fā)，氨揮發(fā)量與土壤有機(jī)質(zhì)含量呈顯著負(fù)相關(guān)，有機(jī)質(zhì)能有效吸附銨態(tài)氮，有機(jī)質(zhì)提高，可降低銨態(tài)氮濃度并抑制氨揮發(fā)。所以污水和再生水長(zhǎng)期灌溉對(duì)土壤銨態(tài)氮的提高作用主要表現(xiàn)在0～70 cm土層。但是，由于銨態(tài)氮在土壤中通常呈吸附交換態(tài)存在，不易流失，因此更多地表現(xiàn)為被作物吸收利用，或者是與硝態(tài)氮和有機(jī)氮間的相互轉(zhuǎn)化，所以當(dāng)有較多外源氮素供給耕地土壤后，銨態(tài)氮的含量相對(duì)比較穩(wěn)定（10 mg/kg左右，表7）。

硝態(tài)氮易溶于水，帶負(fù)電不易被土壤膠體吸附，易隨水流向下層淋溶。乳業(yè)污水和再生水硝態(tài)氮含量遠(yuǎn)超井水，本研究區(qū)土壤為砂質(zhì)土壤，再生水灌溉后硝態(tài)氮易向下淋溶運(yùn)移。所以污水和再生水長(zhǎng)期灌溉后，土壤硝態(tài)氮隨土壤深度加深呈增大趨勢(shì)，0～30 cm土層以下的增量更明顯，該研究結(jié)果與馮小杰[10]等研究結(jié)果一致。研究區(qū)長(zhǎng)期種植玉米，玉米根系通長(zhǎng)自上而下呈“T”型分布，根系干物重中有85%以上分布于0～30 cm的耕作層，同時(shí)玉米主要吸收硝態(tài)氮，0～30 cm為玉米吸收硝態(tài)氮的主要區(qū)域。同時(shí)也因0～30 cm土層秸稈、植物根系較密，C/N相對(duì)大，微生物礦化作用相對(duì)小，硝化細(xì)菌可利用的銨態(tài)氮較少[11]，硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化較少。另外苗期玉米的氮素吸收能力還非常弱，短時(shí)間內(nèi)種肥以及再生水所含氮素大量釋放和轉(zhuǎn)化易引起玉米苗期內(nèi)大量硝態(tài)氮向下淋溶。連續(xù)長(zhǎng)期污灌會(huì)使土壤硝態(tài)氮增量下降，即W5處理的土壤硝態(tài)氮含量明顯小于W1，由于乳業(yè)污水給農(nóng)田土壤帶入氮素的同時(shí)，也帶入了大量的鹽類物質(zhì)，這些鹽類聚積于土壤表層[12]，造成了土壤板結(jié)，從而使農(nóng)田土壤的容重和緊實(shí)度有所增加，水力傳導(dǎo)系數(shù)下降，硝態(tài)氮下滲量減小，同時(shí)相對(duì)缺氧的環(huán)境會(huì)促進(jìn)反硝化作用使硝態(tài)氮?dú)鈶B(tài)流失，因此出現(xiàn)連續(xù)5年污灌使硝態(tài)氮增效顯著下降的現(xiàn)象。

另外，值得注意的是近年來(lái)硝態(tài)氮淋溶造成的地下水污染問(wèn)題日趨嚴(yán)峻，是環(huán)保領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題。污水和再生水灌溉增加了土壤硝態(tài)氮含量，同時(shí)也增加了硝態(tài)氮因淋溶而引發(fā)地下水污染的風(fēng)險(xiǎn)[13]，土壤剖面中硝態(tài)氮含量是表征硝態(tài)氮淋失風(fēng)險(xiǎn)的主要指標(biāo)，依據(jù)世界衛(wèi)生組織（WHO）給定飲用水硝態(tài)氮含量標(biāo)準(zhǔn)上限為10 mg/kg[14]。本研究中，W1處理0～90 cm土壤硝態(tài)氮含量均值最高，為7.17 mg/kg，W5處理為4.73 mg/kg，均低于地下水飲用限定標(biāo)準(zhǔn)，暫不存在地下水污染風(fēng)險(xiǎn)。

土壤水解性有機(jī)氮是表征土壤潛在供氮能力的一個(gè)重要指標(biāo)，其礦化作用直接關(guān)系到作物對(duì)氮素的需求。污水和再生水灌溉提升了土壤有效氮素的潛在供給能力，W1、W5和ZG處理的0～90 cm土層平均水解性有機(jī)氮含量明顯高于HG和JG（表6）。HG和ZG處理在有外源補(bǔ)充的情況下0～90 cm土層水解性有機(jī)氮所占總有效氮（堿解氮）的比例略低于JG處理（見表6），表層土壤水解性有機(jī)氮含量依然低于JG（圖4），說(shuō)明再生水長(zhǎng)期灌溉也促進(jìn)了水解性有機(jī)氮的礦化作用。其原因是乳業(yè)再生水富含有機(jī)質(zhì)和有機(jī)氮，外源有機(jī)碳氮施入土壤，首先會(huì)促進(jìn)作物（玉米）的生長(zhǎng)，根系分泌物相應(yīng)增多，進(jìn)而提高了礦化的基質(zhì)，如含氮聚合物、尿素。其次刺激土壤微生物種群數(shù)量的擴(kuò)大[15]，提高了土壤有關(guān)微生物所分泌的關(guān)鍵酶的活性和總量[16]，如脲酶、蛋白酶、肽酶、氨基酸氧化酶、酰胺酶等，尤其是蛋白酶、肽酶通過(guò)解聚作用將含氮聚合物轉(zhuǎn)化成生物可利用的氨基酸、核酸等單體含氮物質(zhì)，將為后續(xù)轉(zhuǎn)化銨態(tài)氮提供大量新基質(zhì)，進(jìn)而使土壤水解性有機(jī)氮礦化作用加強(qiáng)[17]。

此外，氮素轉(zhuǎn)化較復(fù)雜，不同水質(zhì)灌溉土壤有效氮素含量還受到灌溉水質(zhì)穩(wěn)定性、土壤理化性質(zhì)、當(dāng)季降水量等影響，因此，關(guān)于乳業(yè)再生水對(duì)土壤有效氮素的研究，增加重復(fù)性試驗(yàn)數(shù)量及試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)是未來(lái)研究的重點(diǎn)，以此也能提升乳業(yè)再生水是否適宜玉米種植的評(píng)估有效性。

3 結(jié)論

本研究通過(guò)對(duì)10月和來(lái)年4月份分別取樣后，應(yīng)用傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法和綜合評(píng)價(jià)等方法分析了經(jīng)不同灌溉處理的土壤各種形態(tài)氮素含量、垂直變化以及含量等級(jí)，所得結(jié)果如下：

（1）不同月份不同灌溉處理對(duì)土壤銨態(tài)氮的影響均有污水灌溉（W1、W5）后的土壤銨態(tài)氮表層含量高，土層越深，含量有所降低；ZG灌溉處理下各層銨態(tài)氮含量均高于HG和JG的含量，尤其是4月份最為明顯。

（2）關(guān)于土壤硝化氮含量，無(wú)論10月和4月，污水灌溉處理的土壤硝化氮含量高于其他處理，尤其是污水灌溉1年的變化尤為明顯。HG和ZG處理的硝化氮含量高于JG。

（3）水解性有機(jī)氮在10月和4月份的含量變化上有所差異性，共同點(diǎn)為污水灌溉（W1、W5）的水解性有機(jī)氮含量明顯高于其他灌溉方式。JG處理的有機(jī)氮含量各層變化幅度大于HG、ZG兩種處理的。灌溉處理相同時(shí)10月份的水解性有機(jī)氮含量基本上低于4月份的含量。

（4）污水灌溉下的土壤氮素水平優(yōu)于其他灌溉方式，處于一般和中等水平，再生水灌溉優(yōu)于機(jī)井水和混合水灌溉。