尾菜再生水不同灌溉處理對土壤理化性質(zhì)及糞大腸菌群分布的影響

王晶　汪建旭　盧秀霞　楊祎程　趙洋　何瀟

摘要：為探討尾菜再生水與自來水不同灌溉處理對土壤理化性質(zhì)和指示性病原菌分布的影響，采用室內(nèi)土柱淋溶試驗，設(shè)置充分灌溉（田間質(zhì)量持水率的90%）和非充分灌溉（田間質(zhì)量持水率的70%）2個灌水梯度，18d為一個灌水周期，累計灌溉16期，分別在第72、144、216、288d進(jìn)行分層取樣，研究再生水在不同灌溉條件下土壤質(zhì)量的時空分布特征，為尾菜再生水農(nóng)田回用提供理論依據(jù)及實踐基礎(chǔ)。結(jié)果表明，與自來水灌溉相比，再生水灌溉條件下，無論是充分灌溉還是非充分灌溉，均顯著提高表層土壤可溶性鹽（EC）含量和糞大腸菌群（FDC）數(shù)量，對土壤pH值無顯著影響；提高土壤總氮（TN）、總磷（TP）、總鉀（TK）和有機(jī)質(zhì)（OM）含量，隨著灌溉次數(shù)的增加，土壤營養(yǎng)元素在各土層表現(xiàn)出一定的累積效應(yīng)，且有向深層土壤遷移的趨勢；相關(guān)性分析表明，F(xiàn)DC與pH、EC、TN、TP、TK呈顯著正相關(guān)（P<0.05），與OM呈正相關(guān)（P>0.05）。綜上所述，尾菜再生水長期灌溉有利于土壤TN、TP、TK和OM含量的累積，一定程度上增加土壤養(yǎng)分，提高土壤肥力，但存在鹽害和致病菌污染風(fēng)險。

關(guān)鍵詞：尾菜再生水；土柱試驗；土壤理化性質(zhì)；糞大腸菌群；灌溉處理

中圖分類號：S27

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：20955553 （2023） 11019209

Effects of different irrigation treatments on soil physicochemical properties and

fecal coliform distribution of reclaimed water from vegetable residue

Wang Jing Wang Jianxu Lu Xiuxia Yang Yicheng Zhao Yang He Xiao

（1. Lanzhou Modern Vocational College， Lanzhou， 730300， China; 2. Lanzhou University of Technology， Lanzhou，

730050， China； 3. Agricutural Science and Technology Research Extension Center of Lanzhou， Lanzhou， 730010， China）

Abstract：In order to explore the effects of different irrigation treatments of reclaimed water from vegetable residue and tap water on soil physical and chemical properties and indicative pathogen distribution， the indoor soil column irrigation experiment was carried out to set two irrigation gradients as follows： full irrigation （90% of the field water holding capacity） and insufficient irrigation （70% of the field water holding capacity）. Each irrigation cycle lasted for 18 days， with a total of 16 cycles. Samples were taken in layers at 72， 144， 216， and 288 days， respectively， the temporal and spatial distribution characteristics of soil quality of reclaimed water under different irrigation conditions were studied to provide a theoretical basis and practical basis for the reuse of reclaimed water in the field. The results showed that， compared with tap water irrigation， the content of soluble salts （EC） and the number of fecal coliforms （FDC） in surface soil were significantly increased under the condition of reclaimed water irrigation， regardless of whether the irrigation was full or not， and there was no significant effect on soil pH. The contents of total nitrogen （TN）， total phosphorus （TP）， total potassium （TK） and organic matter （OM） in soil were increased. With the increase of irrigation times， soil nutrient elements showed a certain cumulative effect in each soil layer， and there was a trend of migration to deep soil. Correlation analysis showed that FDC was positively correlated with pH， EC， TN， TP， TK （P<0.05） and OM （P>0.05）. To sum up， long-term irrigation with the reclaimed water from vegetable residue is beneficial to the accumulation of soil TN， TP， TK and OM contents， to a certain extent， to increase soil nutrients and improve soil fertility， but there are risks of salt damage and pathogenic bacteria pollution.

Keywords：reclaimed water from vegetable residue; soil column experiment; physical and chemical properties of soil; fecal coliform; irrigation treatment

0引言

水資源是人類社會發(fā)展不可或缺的戰(zhàn)略性資源，我國水資源嚴(yán)重短缺，尤其是西北干旱和半干旱地區(qū)水資源嚴(yán)重不足［12］。傳統(tǒng)的開源節(jié)流的手段已不足以解決我國水資源短缺的根本問題，加大非常規(guī)水資源的開發(fā)利用勢在必行［3］。再生水是指污水經(jīng)一定的工藝處理后達(dá)到某種水質(zhì)要求的特殊水資源［4］，2017年我國水利部規(guī)定非常規(guī)水源包含了“再生水”這一新型水資源，再生水的開發(fā)利用是促進(jìn)我國農(nóng)業(yè)用水供需平衡的有效途徑，利用再生水代替常規(guī)水源進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉可以有效地解決水資源短缺問題［5］。

目前，以美國、日本等為首的一些發(fā)達(dá)國家已將再生水回用作為緩解本國水資源短缺的重要舉措，而以色列再生水回用總量已達(dá)到其本國水資源總量的四分之一左右［6］。我國對非常規(guī)水資源的利用起步較晚，與發(fā)達(dá)國家存在一定的差距，對再生水農(nóng)業(yè)灌溉的應(yīng)用正處于一個快速發(fā)展的時期［7］。大多數(shù)研究表明，再生水中會殘留豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，再生水灌溉可以提高土壤肥力的觀點(diǎn)受到了多數(shù)學(xué)者的認(rèn)可［8］，如Lu等［9］研究發(fā)現(xiàn)，再生水灌溉可以增加土壤養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)含量，再生水灌溉后，表層土壤養(yǎng)分含量顯著增加［10］，且氮素輸入可減少氮肥和磷肥施用量［11］。由此可見，利用再生水進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉不但實現(xiàn)廢水資源化，還可以減少農(nóng)業(yè)面源污染［1213］。但由于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)等原因，再生水中仍含有較高的鹽分、多種痕量毒性物質(zhì)（重金屬、有機(jī)污染物等）和病原體，灌溉后對土壤乃至動植物生態(tài)鏈造成毒害［14］，大多數(shù)研究印證了這一觀點(diǎn)，如鄭偉等［15］在再生水灌溉草坪試驗中發(fā)現(xiàn)，短期再生水灌溉使土壤出現(xiàn)一定的鹽分累計，孔林華等［16］研究表明，再生水水質(zhì)鹽分增加明顯，氮磷等營養(yǎng)元素含量豐富，且含有一定的病原微生物等，這些特征決定了再生水利用時存在一定的生態(tài)風(fēng)險，故在利用之前必須要對再生水進(jìn)行全面評估，并探索適宜于本地區(qū)的再生水灌溉模式。

甘肅省作為我國“西菜東調(diào)”“北菜南運(yùn)”的重要生產(chǎn)基地，2021年全省蔬菜總產(chǎn)量達(dá)16 553.0kt［17］，據(jù)測算，蔬菜廢棄物/剩余物（以下簡稱為“尾菜”）產(chǎn)生量約10 152kt，由于數(shù)量巨大、產(chǎn)生比較集中、易腐爛變質(zhì)、資源化利用增值空間小等特點(diǎn)，已成為農(nóng)村和城郊生態(tài)環(huán)境主要污染源。目前，尾菜的資源化利用主要集中在直接還田、飼料化、厭氧漚肥、混合好氧堆肥、能源化利用等方面［1819］，對流通環(huán)節(jié)尾菜集約化處理后再生水的研究鮮有報道。尾菜含水率較高，且含有豐富的有機(jī)物和營養(yǎng)成分，非常適宜厭氧消化處理［20］，尾菜厭氧消化后隨之產(chǎn)生的大量沼液給周邊環(huán)境造成嚴(yán)重威脅，處理不當(dāng)后容易引起二次污染。

本文基于尾菜無害化處理和資源化利用并重的理念，以蘭州某公司產(chǎn)生的尾菜再生水為研究對象，結(jié)合非充分灌溉理論，通過土柱滴灌淋溶試驗，研究尾菜再生水不同灌溉處理對土壤理化性質(zhì)和指示性病原菌分布的影響，揭示再生水不同灌溉模式下土壤質(zhì)量的分布特征，以期為尾菜再生水農(nóng)業(yè)回用提供理論補(bǔ)充和實踐指導(dǎo)。

1材料與方法

1.1供試材料

利用隨機(jī)、多點(diǎn)法于甘肅省蘭州市榆中縣三角城鄉(xiāng)金星菜庫周邊（104°09′53″E，35°53′43″N）無污染耕地采集0～20cm的耕層土壤，土壤類型為灰鈣土，經(jīng)自然風(fēng)干、去除雜物，過5mm篩后，取部分土樣測其理化性質(zhì)，其余填裝試驗土柱。供試土樣基本理化性質(zhì)如表1所示。

供試水樣取自經(jīng)“厭氧反應(yīng)+兩級A/O+MBR生化處理+混凝沉淀+深度處理”后的尾菜再生水，處理后再生水常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)符合GB 5084—2021《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》和GB 20922—2007《城市污水再生利用農(nóng)田灌溉用水水質(zhì)》規(guī)定；以自來水為對照，供試水樣水質(zhì)情況如表2所示。

1.2試驗設(shè)計

試驗用土柱為有機(jī)玻璃管材，外徑25cm，高72cm，壁厚0.50cm，反濾層高5cm。柱體上方配套容積為11L的馬氏瓶，布設(shè)管道式灌水系統(tǒng)，每個土柱在土面上方等距插入4個滴頭；柱體底部設(shè)有排水孔，用于尾水收集；柱體自上而下17cm、33cm、49cm處設(shè)有取樣孔。

供試土壤經(jīng)自然風(fēng)干、篩分后，以土壤實際容重和含水率計算每5cm土層所需填裝的土壤質(zhì)量為3 230.28g，土壤分層由下而上裝入柱內(nèi)，每個土柱均分為12次填裝，每次填裝均要保證土壤顆粒分布均勻。在土柱填裝過程中，嚴(yán)格將土柱內(nèi)壁邊緣土壤壓實，以保證灌水時無貼壁水流現(xiàn)象，盡量避免邊緣效應(yīng)發(fā)生（土柱內(nèi)壁均勻涂抹凡士林），裝填完成后，用0.20mm厚度鋁箔包裹土柱外壁。

試驗采用再生水和自來水2種灌溉水質(zhì)，充分灌溉、非充分灌溉2個灌溉水平，充分灌溉量為田間質(zhì)量持水量的90%（90%FC，7.86 L），非充分灌溉量為田間質(zhì)量持水量的70%（70%FC，6.12 L）。共計4個處理：再生水充分灌溉（VW-09FC）、再生水非充分灌溉（VW-07FC）、自來水充分灌溉（TW-09FC）、自來水非充分灌溉（TW-07FC），每個處理設(shè)3次重復(fù)。試驗共用土柱48根，采取分批次報廢形式，即每取一批土樣相應(yīng)報廢12根土柱，共取4批土樣。所有土柱填裝完成統(tǒng)一用自來水（按實際田間持水量計算8.74L）滴灌18d，用以穩(wěn)定土柱中土壤結(jié)構(gòu)。

根據(jù)當(dāng)?shù)刈魑锷L周期及水肥管理模式，確定18d為一個灌水周期，整個試驗累計16個灌水周期，共計288d。每灌水4個周期取一次土樣，即在試驗開始后的第4、8、12、16灌水周期進(jìn)行土樣分層取樣，室內(nèi)土柱試驗自2021年7月23開始，至2022年4月25日結(jié)束。

1.3測定指標(biāo)與方法

再生水和自來水的pH值采用PHSJ-4F型pH計（HJ 1147—2020）測定；水溶性總鹽含量采用DDSJ-308F電導(dǎo)率儀測定；總磷含量采取鉬酸銨分光光度法（GB 11893—89）測定；總氮含量采取堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法（HJ 671—2013）測定；總鉀含量采用原子吸收分光光度計法測定，再生水有機(jī)質(zhì)按照《水溶肥料有機(jī)質(zhì)含量的測定》（NY/T 1976—2010）規(guī)定的方法測定，水質(zhì)糞大腸菌群數(shù)量采用稀釋涂布平板法測定。

土壤含水率通過水分烘干法測定；土壤pH的測定根據(jù)NY/T 1377—2007采用PHSJ-4F型pH計測定；土壤水溶性總鹽含量根據(jù)GB 7871—87采用DDSJ-308F電導(dǎo)率儀測定；土壤總磷含量采取流動注射—鉬酸銨分光光度法（HJ 671—2013）測定；土壤總氮含量采取堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法（HJ 671—2013）測定，土壤總鉀含量采用堿熔—原子吸收分光光度計法測定，土壤有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法（GB 9834—88）測定，土壤糞大腸菌群數(shù)量采用稀釋涂布平板法測定。

1.4數(shù)據(jù)處理及分析

采用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、計算及制圖；采用SPSS 20.0進(jìn)行顯著性分析。

2結(jié)果與分析

2.1再生水不同灌溉處理對土壤pH、EC的影響

不同土層土壤pH和EC如表3所示。與對照相比，再生水無論哪種灌溉水平，各土層pH均無顯著性差異（P>0.05），隨著灌溉次數(shù)的增加，再生水灌溉處理表現(xiàn)出先降低后升高的趨勢。

再生水兩種灌溉處理均會顯著提高土壤EC值（P＜0.05），其中在充分灌溉條件下，再生水灌溉在72d、144d、216d、288d土樣EC值較對照分別提高了28.57%、36.00%、45.70%、51.87%；非充分灌溉條件下，再生水灌溉較對照分別提高了27.05%、27.24%、33.46%、49.83%；且再生水灌溉288 d較72 d相比，充分灌溉EC值提高了31.38%，非充分灌溉EC值提高了29.32%，差異均達(dá)到顯著水平（P＜0.05），結(jié)果如圖1所示。

再生水灌溉會顯著提高土壤可溶性鹽含量，且隨著灌溉次數(shù)的增加，再生水無論是充分灌溉還是非充分灌溉，土壤鹽含量均有增加的趨勢，而自來水灌溉土壤EC值變化趨勢不顯著（P＞0.05）。

2.2再生水不同灌溉處理對土壤TN、TP、TK和OM的影響

不同灌溉處理土壤各土層營養(yǎng)元素含量結(jié)果如表4所示。與對照相比，再生水無論是充分灌溉還是非充分灌溉，在72d、144d、216d、288d均提高了0～60cm各土層土壤中全氮（TN）、全磷（TP）、全鉀（TK）和有機(jī)質(zhì)（OM）含量。VW-09FC、VW-07FC處理與對照相比，無論短期灌溉還是長期灌溉，均顯著提高了表層（0～20cm）土壤TN、TP含量（P＜0.05），其中再生水充分灌溉較對照相比，土壤TN、TP含量分別增加了5.08%～9.68%、6.40%～11.35%；非充分灌溉較對照相比，分別增加了4.31%～7.44%、4.73%～9.50%。土壤TK和OM含量也有所增加，但差異不顯著（P＞0.05）。隨著灌溉次數(shù)的增加，土壤營養(yǎng)元素都有向深層土壤遷移的趨勢，且長期灌溉后兩種再生水灌溉模式下深層土壤養(yǎng)分含量均顯著高于對照（P＜0.05）。由圖2可知，隨著灌溉次數(shù)的增加，土壤TN、TP、TK和OM含量均有增大的趨勢，且VW-09FC處理營養(yǎng)素的累積量略高于VW-07FC處理。說明再生水灌溉會提高土壤肥力，隨著灌溉次數(shù)的增加，土壤營養(yǎng)元素在各土層表現(xiàn)出一定的累積效應(yīng)，且有向深層土壤遷移的趨勢，這可能是由于再生水中營養(yǎng)元素的流動性與土壤吸附性相互作用所致。

2.3再生水不同灌溉處理對土壤糞大腸菌群的影響

不同灌溉處理土壤糞大腸菌群分布如表5所示。無論是哪種再生水灌溉水平，經(jīng)灌溉72d、144d、216d、288d后，與對照相比，0～20cm、20～40cm土層土壤糞大腸菌群數(shù)量均顯著提高（P<0.05），其中0～20cm土層再生水充分灌溉較對照相比，分別提高了6.57%、6.60%、5.88%、7.96%；再生水非充分灌溉較對照相比，分別提高了5.47%、5.76%、6.81%、5.29%；20～40cm土層再生水充分灌溉較對照相比，分別提高了6.25%、5.10%、6.49%、6.21%；再生水非充分灌溉較對照相比，分別提高了4.84%、5.30%、5.30%、6.29%；而40～60cm土層土壤糞大腸菌群數(shù)量與對照相比無顯著性差異（P>0.05）。隨著灌溉次數(shù)的增多，再生水無論是充分灌溉還是非充分灌溉，各土層土壤糞大腸菌群數(shù)量在時間維度上均無顯著性變化（P>0.05），而隨著土壤深度的增加，再生水兩種處理糞大腸菌群數(shù)量均表現(xiàn)出顯著降低的趨勢（P<0.05）。

2.4土壤理化性質(zhì)和糞大腸菌群數(shù)量的相關(guān)性分析

經(jīng)再生水長期灌溉0～20cm土層土壤理化性質(zhì)和糞大腸菌群總量（FDC）的相關(guān)性分析如表6所示。FDC與pH、EC、TN、TP、TK呈顯著正相關(guān)（P<0.05），與OM呈正相關(guān)（P>0.05）；EC與TN、TP、TK均呈極顯著正相關(guān)（P<0.01），與OM呈負(fù)相關(guān)；OM與TN、TP、TK均呈負(fù)相關(guān)；TN、TP與TK相互之間呈極顯著正相關(guān)（P<0.01）。說明再生水灌溉條件下所引起的土壤TN、TP、TK含量的增加更有利于糞大腸菌群的增殖。

3討論

研究表明，再生水中含有大量的可溶性鹽和營養(yǎng)物質(zhì)，經(jīng)長時間灌溉使其富集于土壤中導(dǎo)致土壤鹽含量增加，而土壤體系本身的緩沖作用，致使再生水長期灌溉對土壤pH影響較?。?122］，這與本研究結(jié)果一致。由于土壤的緩沖作用，再生水不同灌溉水平和不同灌溉時段，不會對土壤pH造成顯著差異，說明再生水灌溉不會加重土壤堿化。而再生水不同處理條件下，土壤EC值有持續(xù)增大的趨勢，導(dǎo)致這種現(xiàn)象的發(fā)生可能是由于再生水中高的可溶性鹽含量和不同灌水量的淋溶效應(yīng)等多種因素共同作用的結(jié)果，這與已有研究結(jié)果相似［2324］。總之，再生水灌溉與對照相比，對pH影響較小，但顯著提高了土壤可溶性鹽含量，增加了土壤積鹽風(fēng)險［15， 25］。

再生水中會存留豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，很多學(xué)者研究了不同來源再生水灌溉對土壤肥力的影響，但大多數(shù)研究認(rèn)為再生水灌溉可以提高土壤肥力［2628］，也有少數(shù)學(xué)者認(rèn)為再生水灌溉對土壤肥力影響不顯著或不會增加土壤肥力的結(jié)論［29］。造成結(jié)論不一致的原因可能是由于不同地域土壤類別、不同作物對營養(yǎng)元素的吸收能力及不同灌溉模式引起的。本研究結(jié)果表明，無論是哪種再生水灌溉處理，土壤總氮、總磷、總鉀及有機(jī)質(zhì)含量均高于相應(yīng)對照，這可能是由于再生水中含有豐富的營養(yǎng)元素經(jīng)灌溉后在土壤中富集所致。

灌溉水中的糞大腸菌群數(shù)量直接影響土壤中糞大腸菌群的數(shù)量和分布［30］，尾菜再生水中糞大腸菌群數(shù)量較高，灌溉后顯著提高了土壤表層糞大腸菌群數(shù)量，而對深層土壤糞大腸菌群數(shù)量無顯著影響，這與韓洋等［31］研究一致。這可能是由于土壤本身的強(qiáng)吸附性，致使土壤表層大腸桿菌向深層土壤遷移的過程中速度極為緩慢［32］。再生水不同灌溉水平研究表明，無論短期灌溉還是長期灌溉，再生水充分灌溉下土壤表層糞大腸菌群數(shù)量均高于非充分灌溉，這與Wen等［33］研究結(jié)果一致，可能由于再生水灌溉體量越大，糞大腸菌群數(shù)量越多所致；此外，再生水中高的營養(yǎng)元素也可能導(dǎo)致大腸桿菌的大量繁殖。因此，合理控制再生水灌水量可以有效阻控土壤表層糞大腸菌群數(shù)量，進(jìn)而降低尾菜再生水灌溉下土壤病原菌的污染風(fēng)險。

再生水灌溉可以改變土壤微生物群落的數(shù)量和多樣性，并針對性地刺激土壤中的代謝途徑或微生物活性，進(jìn)而影響土壤肥力和生產(chǎn)力［3435］。土壤理化性質(zhì)和糞大腸菌群的相關(guān)性分析表明，F(xiàn)DC與pH、EC、TN、TP、TK均呈顯著正相關(guān)（P<0.05），與OM呈正相關(guān)（P>0.05）。原因可能是尾菜再生水灌溉增加了土壤中的營養(yǎng)元素含量，這為糞大腸菌群的增殖提供了能量，進(jìn)而有利于病原菌在土壤中的生長和傳播。因此，尾菜再生水在農(nóng)業(yè)回用過程中要加大病原菌的去除力度及檢測力度，以保證尾菜再生水農(nóng)田回用的安全性和可靠性。

4結(jié)論

1）? 本文通過土柱滴灌淋溶試驗，研究尾菜再生水不同灌溉水平對土壤理化性質(zhì)和糞大腸菌群分布的影響，揭示再生水不同灌溉模式下土壤質(zhì)量的分布特征。

2）? 通過對0～60cm土層理化指標(biāo)、養(yǎng)分及糞大腸菌群的測定，發(fā)現(xiàn)再生水不同灌溉處理均顯著提高了0～20cm土層總氮和總磷含量（P<0.05），且增幅分別為4.31%～9.68%、4.73%～11.35%；總鉀和有機(jī)質(zhì)含量略有增加，但不顯著（P>0.05），說明再生水灌溉能夠在一定程度上增加土壤養(yǎng)分，提高土壤肥力，且長期充分灌溉（90%FC）優(yōu)于非充分灌溉（70%FC）；長期再生水灌溉對土壤pH影響較小，但顯著提高了土壤的可溶性鹽含量（P<0.05），EC值增幅為27.05%～51.87%，增加了土壤積鹽風(fēng)險；無論是哪種再生水灌溉水平，與對照相比，均顯著提高了0～40cm土層糞大腸菌群數(shù)量（P<0.05），增幅為4.84%～7.96%，說明再生水灌溉增加了土壤病原菌污染風(fēng)險。

3）? 通過相關(guān)性分析可知，再生水灌溉條件下，F(xiàn)DC與pH、EC、TN、TP、TK呈顯著正相關(guān)（P<0.05），與OM呈正相關(guān)；EC與TN、TP、TK均呈極顯著正相關(guān)（P<0.01），與OM呈負(fù)相關(guān)；OM與TN、TP、TK均呈負(fù)相關(guān)；TN、TP與TK相互之間呈極顯著正相關(guān)（P<0.01）。

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