尹劍

摘要 ?{目的]研究再生水灌溉對(duì)冬小麥種植區(qū)土壤次生鹽漬化的影響。{方法]基于新河灌區(qū)的再生水灌溉監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，采集再生水灌溉和井水灌溉的土壤樣本，對(duì)再生水灌溉10年的土壤進(jìn)行取樣分析。{結(jié)果]再生水灌溉對(duì)土壤Na+的影響最為顯著，增加了試驗(yàn)區(qū)土壤次生鹽漬化的風(fēng)險(xiǎn)。在試驗(yàn)基礎(chǔ)上，建立了再生水灌溉條件下土壤水-鹽運(yùn)移模型，采用Hydrus-1D模型模擬了冬小麥一個(gè)生長(zhǎng)周期內(nèi)（270d）再生水灌溉條件下0～120cm土壤內(nèi)的水-鹽運(yùn)移狀況。{結(jié)論]再生水灌溉期內(nèi)，土壤中鹽分累積效應(yīng)顯著。

關(guān)鍵詞 ??再生水灌溉;土壤;冬小麥;次生鹽漬化;Hydrus-1D

中圖分類號(hào)S??274文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼

A文章編號(hào)0517-6611（2018）36-0057-04

污廢水經(jīng)處理后回用于農(nóng)田灌溉，是水資源循環(huán)利用的重要環(huán)節(jié)。從20世紀(jì)30年代起，國(guó)外開(kāi)始將處理后的污水，即再生水，用于農(nóng)田灌溉。目前，再生水已在許多國(guó)家被用于農(nóng)田灌溉{1]。再生水灌溉在緩解農(nóng)業(yè)用水緊張局勢(shì)的同時(shí)，也減少了污水處理、處置費(fèi)用，同時(shí)避免了污水直接排放對(duì)生態(tài)環(huán)境存在的潛在威脅，但再生水灌溉對(duì)土壤-作物系統(tǒng)存在潛在污染風(fēng)險(xiǎn)。

造成土壤次生鹽堿化是再生水灌溉的一個(gè)重要影響。Chandra{2]研究認(rèn)為再生水灌溉能降低土壤容重，增加土壤孔隙度。再生水灌溉對(duì)土壤滲透性能的影響具體表現(xiàn)為過(guò)量的鹽分在植物根部聚集，使土壤成分發(fā)生變化，造成土壤板結(jié){2];同樣，土壤鹽離子的置換如鈉離子對(duì)鎂和鈣離子的置換會(huì)改變土壤理化成分，導(dǎo)致土壤板結(jié){3];再生水中的鹽分（特別是Na+）可能在土壤中累積，并引起土壤的入滲性能的變化。灌溉水的鹽分濃度和鹽分組成對(duì)土壤入滲性能的影響程度不盡相同{4]。一般情況下，相同的土壤中灌溉水的鹽分濃度越低，可交換性Na+在灌溉水中含量比例越高，土壤的飽和導(dǎo)水率越容易降低{5]。大量試驗(yàn)表明，再生水灌溉對(duì)土壤鹽分累積效應(yīng)顯著，而鹽分累積易引起土壤次生鹽漬化{6]。建立再生水灌溉條件下的水鹽運(yùn)移模型，模擬再生水灌溉條件下的土壤鹽分累積效應(yīng)，對(duì)于指導(dǎo)再生水灌溉決策有重要意義。我國(guó)目前再生水灌溉的研究較多集中于灌溉對(duì)作物生理生長(zhǎng)效應(yīng)和土壤生態(tài)效應(yīng){7]。再生水灌溉土壤-作物系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)研究尚停留于試驗(yàn)分析階段，再生水灌溉條件下的土壤水鹽運(yùn)移模型亟需建立。

北京市通州區(qū)的新河灌區(qū)是典型的再生水灌區(qū)，按照北京市再生水灌溉適宜性評(píng)價(jià)，屬于可直接再生水灌溉區(qū)域。該地區(qū)自2005年起對(duì)灌溉渠道進(jìn)行了改造，便于利用再生水灌溉，研究區(qū)有十余年的再生水灌溉年限。該研究立足于田間試驗(yàn)與模型模擬，利用Hydrus-1D模型{8]揭示再生水灌溉對(duì)農(nóng)田土壤次生鹽漬化的影響，用以指導(dǎo)再生水安全、高效地回用于農(nóng)田灌溉，同時(shí)可以為建立再生水灌溉污染風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、決策支持系統(tǒng)提供依據(jù)，為再生水水資源科學(xué)管理提供技術(shù)支撐。

1資料與方法

1.1研究區(qū)概況

通州區(qū)（116°32′～116°56′E，39°36′～40°02′N）位于北京市東南，多年平均氣溫（以通縣氣象站1956—2016年觀測(cè)資料代表）為11.65℃。區(qū)內(nèi)多年平均年光照時(shí)數(shù)2730h，無(wú)霜期185d，平均相對(duì)濕度56.8%，最大凍土深度0.56m，年平均風(fēng)速2.6m/s。

目前通州區(qū)再生水利用主要用于農(nóng)業(yè)灌溉，灌溉面積近2.47萬(wàn)hm2。以河道和灌渠結(jié)合的輸送方式進(jìn)行再生水灌溉。

1.2試驗(yàn)方法

基于新河灌區(qū)土壤樣品檢測(cè)，以井水灌溉土壤為對(duì)照，分析再生水灌溉對(duì)土壤鹽離子（Ca2+、Mg2+、Na+、K+）的累積效應(yīng)。以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立再生水灌溉條件下的土壤水鹽運(yùn)移模型，采用飽和-非飽和區(qū)域土壤水-熱-鹽遷移運(yùn)移模型Hydrus-1D，對(duì)再生水灌溉條件下冬小麥一個(gè)作物周期內(nèi)的土壤水、鹽運(yùn)移進(jìn)行模擬。設(shè)置10個(gè)取樣點(diǎn)進(jìn)行取樣，每個(gè)點(diǎn)以20cm為單位進(jìn)行取土，總深度為200cm。對(duì)土樣以5g為單位，采用烘干-超聲振蕩-靜置過(guò)液等方式進(jìn)行。采用美國(guó)DIONEX公司出產(chǎn)的離子色譜儀（DX600）來(lái)分析測(cè)定土壤鹽離子（Ca2+、Mg2+、Na+、K+）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。采用土壤浸提液的鈉吸附比SAR表示土壤的鹽堿化情況。

1.3土壤水鹽運(yùn)移模擬該研究中采用Hydrus-1D模型，對(duì)冬小麥生長(zhǎng)條件下再生水灌溉條件下土壤中的鹽分運(yùn)移狀況進(jìn)行了模擬。Hydrus-1D是模擬一維尺度變飽和區(qū)域水、熱、鹽遷移運(yùn)移的模型{8]。Hydrus-1D忽略空氣對(duì)水流的影響，水流控制方程采用修正的Richards方程來(lái)描述。Hydrus-1D推薦使用經(jīng)驗(yàn)公式將潛在蒸散量分割為蒸騰潛力和土壤蒸發(fā)潛力。參照作物蒸發(fā)蒸騰量ETp，采用聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織提出的最新修正彭曼-蒙特斯公式進(jìn)行計(jì)算。Hydrus-1D使用水分脅迫和鹽分脅迫模型處理根系的吸水。模型采用對(duì)流-彌散方程來(lái)模擬土壤溶質(zhì)運(yùn)移過(guò)程。

為研究再生水灌溉條件下冬小麥一個(gè)生長(zhǎng)周期（試驗(yàn)期270d）內(nèi)不同土壤剖面的土壤鹽分含量，進(jìn)而探討再生水灌溉對(duì)土壤次生鹽漬化的影響，利用Hydrus-1D模型，以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)土壤不同剖面鹽分含量進(jìn)行了模擬。模型假定土壤中的鹽分主要來(lái)自于再生水灌溉。該研究中，土壤剖面最大深度為從地面算起至120cm。結(jié)合實(shí)地調(diào)查，可將剖面分為兩層，0～60cm為黏質(zhì)壤土，60～120cm為砂質(zhì)壤土。試驗(yàn)區(qū)小麥根系深度為0～100cm。潛水含水層埋深較大，土壤剖面底部為自由滲水邊界。

（1）灌溉水量采用定溶質(zhì)通量來(lái)描述，模型示意圖如圖1所示。

（2）土壤參數(shù)。Hydrus-1D內(nèi)置了多種土壤水力學(xué)模型。在所有的模型中，共有6個(gè)參數(shù)，它們的物理含義分別如下：Qr對(duì)應(yīng)田間持水率θr;Qs對(duì)應(yīng)飽和含水率θs;Qa、Qm分別對(duì)應(yīng)土壤水分特征曲線上θr、θs的2個(gè)外推值;Alpha、n

分別對(duì)應(yīng)VG模型中的參數(shù)α（量綱L-1）和n;Ks、Kk分別對(duì)應(yīng)飽和水力傳導(dǎo)度Ks和實(shí)際的飽和水力傳導(dǎo)度Kk，量綱

LT-1;Qk為與實(shí)際的飽和水力傳導(dǎo)度Kk相對(duì)應(yīng)的土壤含水率θk;修正后的VG模型認(rèn)為Kk≤Ks、θk≤θs，但在實(shí)際的取用中，不妨認(rèn)為VG模型的確定只依賴于5個(gè)參數(shù)值，即取Kk=Ks、θa=θr、θm=θk=θs。Hydrus-1D采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的土壤轉(zhuǎn)換函數(shù)（PTFs）來(lái)預(yù)測(cè)VG模型中的土壤含水率參數(shù)，基于土壤類型來(lái)確定飽和水力傳導(dǎo)度，并可通過(guò)設(shè)置參數(shù)的優(yōu)化條件，對(duì)各水力學(xué)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

（3）灌水時(shí)間及灌水量。

為研究冬小麥一個(gè)生長(zhǎng)周期內(nèi)再生水灌溉條件下的土壤中鹽離子累積、運(yùn)移狀況，根據(jù)冬小麥生長(zhǎng)規(guī)律，設(shè)置灌水周期及灌溉定額，灌溉方案如表1所示。

2結(jié)果與分析

對(duì)研究區(qū)0～200cm土層內(nèi)的土壤主要鹽離子（Ca2+、Mg2+、Na+、K+）進(jìn)行取樣分析，結(jié)果表明（圖2），再生水灌溉使得土壤鹽離子含量顯著增加，對(duì)Na+的影響程度最大。

圖2不同取土深度土壤鹽離子含量變化

Fig.2Variationofsaltioncontentinsoilswithdifferentsoildepths

利用土壤浸提液的鈉吸附比（SAR）表示土壤堿化作用。對(duì)土壤浸提液SAR的測(cè)試結(jié)果（圖3）表明，再生水灌溉使得土壤SAR顯著增大，再生水灌溉區(qū)采樣點(diǎn)的均值在每一個(gè)土層都比井灌區(qū)高。但SAR值仍小于10，表明再生水灌溉對(duì)作物生長(zhǎng)危害程度相對(duì)不高。盡管尚未對(duì)作物生長(zhǎng)產(chǎn)生影響，但再生水灌溉已經(jīng)大大增大了SAR值，持續(xù)利用該類再生水灌溉，土壤出現(xiàn)次生鹽漬化的可能性較大。

基于Hydrus-1D對(duì)冬小麥一個(gè)生長(zhǎng)周期（270d）內(nèi)的土壤鹽分運(yùn)移、累積狀況進(jìn)行了模擬。模擬期（2018年10月1日—2019年6月26日）內(nèi)試驗(yàn)區(qū)潛在蒸散發(fā)量在冬小麥萌芽期（10、11月）為1～4mm/d，波動(dòng)較大;越冬期（12、1、2月）潛在蒸散發(fā)量維持在較低的水平，波動(dòng)較小。冬小麥發(fā)育期、灌漿期及成熟期（3、4、5月），試驗(yàn)區(qū)潛在蒸散發(fā)量維持在較高的水平，在此期間，根系吸水量較大，土壤中溶質(zhì)運(yùn)移較為活躍。

在土壤剖面上從土壤表面起每隔12cm設(shè)置一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，分別記為N1、N2、N3、N4、N5、N6、N7、N8、N9、N10，各觀測(cè)點(diǎn)隨模擬時(shí)間的土壤含水率曲線如圖4所示，溶質(zhì)（Ca2+、Mg2+、Na+、K+

）濃度如圖5所示。由圖4可知，試驗(yàn)區(qū)冬小麥生長(zhǎng)周期內(nèi)，土壤含水率維持在20%～45%，土壤縱向剖面上，60～120cm處的土壤含水率略低于0～30cm的含水率。因冬小麥根系在0～100cm，所以在整個(gè)作物生長(zhǎng)周期內(nèi)土壤處于濕潤(rùn)狀態(tài)。

據(jù)圖5可得，再生水灌溉期內(nèi)，土壤鹽離子含量均有顯著增加效應(yīng)，灌水時(shí)間間隔較小時(shí)，鹽離子累積程度越高。灌溉期Ca2+、Mg2+、Na+、K+離子濃度均呈現(xiàn)出縱向剖面隨深度遞減的趨勢(shì)。Ca2+濃度處于0～3.5mmol/cm3，最高值出現(xiàn)在冬小麥種植后的第200天;Mg2+濃度處于0～3.5mmol/cm3;Na+濃度位于0～12mmol/cm3;K+濃度處于0～3.5mmol/cm3。模擬結(jié)果表明，使用Ca2+、Mg2+、Na+、K+離子濃度分別為1.51、1.47、5.47、0.38mmol/L的再生水進(jìn)行農(nóng)田灌溉時(shí)，土壤中鹽離子累積效應(yīng)較為顯著。為防止出現(xiàn)土壤次生鹽漬化，須控制再生水鹽分含量。

基于Hydrus-1D對(duì)再生水灌溉條件下0～120cm土層內(nèi)鹽分的運(yùn)移模擬表明，再生水灌溉使得不同深度的土壤鹽離子含量均有顯著增加效應(yīng)。灌溉周期越短，越容易導(dǎo)致土壤鹽分累積。因而未避免土壤次生鹽漬化，須嚴(yán)格控制再生水中的鹽分含量。同時(shí)采取合理措施，如再生水與清水輪灌等，從而降低再生水灌溉土壤次生鹽漬化風(fēng)險(xiǎn)。

3結(jié)論與討論

該研究依據(jù)田間試驗(yàn)與模型模擬，探討了冬小麥區(qū)采用再生水灌溉的土壤次生鹽堿化影響。通過(guò)建立再生水灌溉條件下的溶質(zhì)運(yùn)移模型，以Hydrus-1D模型對(duì)再生水灌溉條件下冬小麥一個(gè)生長(zhǎng)周期內(nèi)的土壤水鹽運(yùn)移進(jìn)行了模擬。與井水灌溉相比，再生水灌溉使得土壤Ca2+、Mg2+、Na+、K+等離子的含量顯著增加，且再生水灌區(qū)土壤重金屬的鈉吸附比（SAR）明顯高于井灌區(qū)，表明再生水灌溉對(duì)試驗(yàn)區(qū)土壤次生鹽漬化存在一定影響。模型模擬結(jié)果表明，使用Ca2+、Mg2+、Na+、K+離子濃度分別為1.51、1.47、5.47、0.38mmol/L的再生水進(jìn)行農(nóng)田灌溉時(shí)，土壤中鹽離子累積效應(yīng)較為顯著。因而，為防止出現(xiàn)土壤次生鹽漬化，須控制再生水中鹽分含量。

根據(jù)研究結(jié)論，再生水灌溉10年使得試驗(yàn)區(qū)土壤存在次生鹽漬化風(fēng)險(xiǎn)，因而為安全、高效利用再生水進(jìn)行農(nóng)田灌溉，需進(jìn)一步分析長(zhǎng)期再生水灌溉對(duì)土壤次生鹽漬化的潛在影響，同時(shí)要采取合理措施來(lái)避免再生水灌溉的潛在污染風(fēng)險(xiǎn)，其實(shí)現(xiàn)措施可以分為3個(gè)方面：①嚴(yán)格控制灌溉用再生水中的鹽分含量。常見(jiàn)二級(jí)再生水處理工藝對(duì)有機(jī)污染物、致病菌及部分重金屬的處理率較高，而對(duì)鹽離子的處理率較低。再生水是土壤鹽分的重要來(lái)源，因而有必要進(jìn)一步深度處理再生水，降低再生水中的全鹽量。②通過(guò)研究篩選適宜再生水灌溉的作物種類。不同作物的耐鹽性不同，選擇合適的作物利用再生水灌溉，可以有效降低再生水對(duì)作物生長(zhǎng)的潛在風(fēng)險(xiǎn)，促進(jìn)再生水安全利用。這就需要通過(guò)進(jìn)一步的研究，篩選建立我國(guó)再生水推薦灌溉的作物分類目錄。③建立再生水安全灌溉技術(shù)體系。針對(duì)不同區(qū)域的水文地質(zhì)條件及再生水情況，研究建立適宜的再生水灌溉系統(tǒng)，同時(shí)應(yīng)當(dāng)研究制定適合我國(guó)國(guó)情的再生水安全灌溉標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范體系。

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