莫 宇 ，高 峰 ，王 宇，馬歡歡 ，張 茜 ，胡 超 ，崔丙健 ，劉春成

（1.中國農(nóng)業(yè)科學院 農(nóng)田灌溉研究所，河南 新鄉(xiāng) 453002；2.中國農(nóng)業(yè)科學院 研究生院，北京 100081；3.中國農(nóng)業(yè)科學院 農(nóng)業(yè)水資源高效安全利用重點開放實驗室，河南 新鄉(xiāng) 453002；4.河南省新鄉(xiāng)市水文水資源勘測局，河南 新鄉(xiāng) 453000）

0 引 言

【研究意義】再生水是指污水經(jīng)適當工藝處理后，達到一定水質(zhì)標準，滿足某種使用功能要求，可以進行有益使用的水[1]，目前水資源現(xiàn)狀與環(huán)境保護的需求促進了再生水用于農(nóng)業(yè)的發(fā)展[2]。施肥是提高產(chǎn)量的重要方式之一，但我國化肥的施用強度遠超過了國家推薦標準，過量施用程度嚴重[3]。再生水中含有的氮、磷等營養(yǎng)元素，施入土壤可以提高土壤肥力，進而減少施肥量[4-5]，因此進行再生水灌溉與施肥的合理配合使用研究對緩解農(nóng)業(yè)水資源短缺、農(nóng)業(yè)面源污染等具有重要意義?！狙芯窟M展】再生水灌溉對土壤理化性質(zhì)及酶活性的影響已有一定研究。韓洋等[6-7]研究認為再生水灌溉能在一定程度上增加土壤養(yǎng)分，提高土壤脲酶活性；潘能等[8]研究認為再生水灌溉有助于提高公園綠地和農(nóng)田土壤酶活性；裴亮等[9-10]研究認為再生水灌溉可顯著提高土壤有機質(zhì)量，且硝態(tài)氮在土壤中有一定富集現(xiàn)象。與上述研究結(jié)果不同，韓烈保等[11]研究認為再生水灌溉后土壤總氮、硝態(tài)氮、有機質(zhì)無顯著變化；郭魏等[12]研究認為再生水灌溉對土壤全氮、全磷及脲酶活性無顯著影響?！厩腥朦c】目前針對再生水灌溉條件下土壤氮素分布與脲酶活性已有一定研究，但結(jié)果不相一致；且針對不同施氮條件下再生水灌溉土壤理化性質(zhì)和脲酶活性的研究較少?！緮M解決的關鍵問題】因此，通過盆栽實驗，探討不同施氮條件下再生水灌溉對土壤氮素分布及脲酶活性的影響，為再生水灌溉安全利用及化肥合理施用提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗于2019年11月—2020年1月在中國農(nóng)業(yè)科學院新鄉(xiāng)農(nóng)業(yè)水土環(huán)境野外科學觀測試驗站日光溫室進行，地處東經(jīng)113°15′55″、北緯35°15′39.16″，海拔73.2 m。多年平均降水量588.8 mm，降水主要集中于7—9月，多年平均蒸發(fā)量2 000 mm，年平均氣溫14.1 ℃，無霜期210 d。試驗用土取自試驗站周邊0～20 cm耕層土壤，自然風干后去除雜質(zhì)過2 mm篩，混合均勻后裝盆，土壤基本理化性質(zhì)見表1。供試作物為上海青（東方麗美青梗菜），采用PVC盆撒播的方式播種（d×h=30 cm×25 cm），每盆裝土10 kg，定苗后每盆留10株，管理方式參考當?shù)仄胀ㄌ镩g管理。

表1 供試土壤基本理化性質(zhì)Table 1 Basic physicochemical properties of tested soil

本試驗用再生水于2019年11月取自試驗站附近河南省新鄉(xiāng)市駱駝灣污水處理廠，污水來源主要為城市生活污水，處理工藝為A/O反硝化生物濾池和臭氧氧化組合工藝，處理后污水排放標準為《城鎮(zhèn)污水處理廠排放標準》一級A，處理后再生水常規(guī)水質(zhì)指標符合農(nóng)田灌溉水質(zhì)標準（GB5084—2005）和城市污水再生水利用農(nóng)田灌溉用水水質(zhì)標準（GB20922—2007）規(guī)定；清水取自當?shù)氐叵滤?，試驗用再生水及清水水質(zhì)見表2。

表2 試驗用再生水及清水水質(zhì)Table 2 Quality index of reclaimed water and underground water

1.2 試驗設計

試驗設置水質(zhì)和施氮量2個因素，其中水質(zhì)為：清水（W）和再生水（RW），對應的施氮量為：N0、N120、N150和N180共4個水平，施用氮肥量分別為：0、120、150 mg/kg和180 mg/kg。組合后共8個處理，分別記為：WN0、WN120、WN150、WN180、RWN0、RWN120、RWN150和RWN180，每個處理設3個重復。使用肥料為尿素（TN≥46%）、鈣鎂磷肥（P2O5≥18%）和氯化鉀（K2O≥60%），每盆施P2O5為100 mg/kg，K2O為200 mg/kg，均作為底肥一次性添加。上海青出苗后共灌水4次，分別于2019年11月21日、12月2、12日和24日各灌水1 L。

1.3 樣品采集與測定方法

在上海青出苗60 d后，每盆選取9個取樣點進行取土，深度為0～5、5～10 cm和10～15 cm，將同一深度9個土樣均勻混合為一個樣品。土壤pH值使用臺式pH計（310P-02A，美國Orion Star A211）測定（土水比為1∶5）；土壤電導率（EC）使用便攜式電導率儀（DDB-303A型，上海儀電科學儀器股份有限公司）測定；土壤水溶性Na+、K+使用火焰光度計測定；土壤有機質(zhì)量使用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定；土壤全氮量使用開氏法消解，AA3型連續(xù)流動分析儀（Auto Analyzer 3型，德國BRAN LUEBBE）測定；土壤銨態(tài)氮量、硝態(tài)氮量使用氯化鈣浸提，AA3型連續(xù)流動分析儀測定；土壤脲酶活性使用靛酚藍比色法[13]測定，以每24 h每g土樣中產(chǎn)生1 mg NH3-N表示。

1.4 數(shù)據(jù)分析

應用Microsoft Excel 2016進行初步數(shù)據(jù)處理；使用SPSS 25.0中單因素ANOVA進行顯著性分析，利用Duncan’s新復極差法進行多重比較，顯著性水平選為0.05；使用SPSS 25.0進行相關性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 再生水灌溉對土壤理化性質(zhì)的影響

不同土層土壤理化性質(zhì)如表3所示。在0～5 cm土層，與清水灌溉相比，再生水灌溉降低土壤pH值；在5～10 cm土層，同一施氮條件下，再生水灌溉處理和清水灌溉處理土壤pH值無顯著差異。再生水灌溉條件下，與N0處理相比，增加施氮量降低土壤pH值，但N120、N150處理和N180處理間無顯著差異。與清水灌溉相比，在0～5 cm土層，同一施氮條件下，再生水灌溉處理土壤EC值低于清水灌溉處理；在5～10 cm土層，N120處理再生水灌溉土壤EC值高于清水灌溉處理，但差異不顯著，N150處理和N180處理再生水灌溉降低土壤EC值；在10～15 cm土層，N120處理和N150處理再生水灌溉顯著降低土壤EC值，N180處理再生水灌溉土壤EC值高于清水灌溉處理，但差異不顯著。再生水灌溉條件下，不同施氮條件下各處理土壤EC值無顯著差異。土壤EC值隨土層深度的增加呈先減小后增加變化，施氮條件下各處理在10～15 cm土層土壤EC值最高。在0～15 cm土層，同一施氮條件下再生水灌溉土壤水溶性Na+量顯著低于清水灌溉；再生水灌溉條件不同施氮條件對土壤水溶性Na+量無顯著影響。土壤水溶性Na+量隨土壤深度增加而減小。同一施氮條件下，再生水灌溉水溶性K+量高于清水灌溉；再生水灌溉條件下，不同施氮條件對土壤水溶性K+量無顯著影響。土壤水溶性K+量在0～5 cm土層和5～10 cm土層無顯著差異，10～15 cm土層土壤水溶性K+量顯著高于0～5 cm和5～10 cm土層的。總體來看，灌溉水質(zhì)主要影響土壤pH值和鹽分，對土壤有機質(zhì)無顯著影響。

表3 不同處理土壤基本理化性質(zhì)Table 3 Basic physicochemical properties of soil in different treatments

2.2 再生水灌溉對土壤氮素分布的影響

不同土層土壤氮素分布如表4所示。在0～5 cm土層，N0、N120處理和N180處理再生水灌溉土壤銨態(tài)氮量略高于清水灌溉，N150處理再生水灌溉土壤銨態(tài)氮量略低于清水灌溉。在5～15 cm土層，不同施氮條件下，再生水灌溉土壤銨態(tài)氮量均略高于清水灌溉。再生水灌溉條件下，在0～5 cm和10～15 cm土層，土壤銨態(tài)氮量表現(xiàn)為：N180處理>N150處理>N120處理>N0處理，隨施氮量增加而增加；在5～10 cm土層，土壤銨態(tài)氮量表現(xiàn)為：N150處理>N180處理>N120處理>N0處理，隨施氮量增加先增加后降低，在N150處理量最高。

由表4可知，土壤硝態(tài)氮量在0～10 cm無顯著差異，在10～15 cm土層顯著增加，這主要是由于硝態(tài)氮難以被土壤吸附，會隨灌溉水向土壤深層移動[15]。施氮肥顯著增加土壤硝態(tài)氮量，在同一施氮條件下，再生水灌溉土壤硝態(tài)氮量高于清水灌溉。再生水灌溉條件下，在0～5 cm土層土壤硝態(tài)氮量表現(xiàn)為：N120處理>N150處理>N180處理，隨施氮量增加而減少，但差異不顯著（p>0.05）；在5～15 cm土層，土壤硝態(tài)氮量表現(xiàn)為：N180處理>N150處理>N120處理，隨施氮量增加而增加，其中N120處理和N150處理間差異不顯著（p>0.05），N180處理差異顯著（p<0.05）。再生水灌溉后會增加土壤硝態(tài)氮量，且有向下層淋溶趨勢，深層土壤硝化作用較弱，長期灌溉后可能會造成地下水污染[16]。

由表4可知，土壤全氮量隨土層深度變化無顯著差異。與清水灌溉相比，再生水灌溉降低土壤全氮量，但同一施氮條件下，再生水灌溉對土壤全氮量無顯著影響。0～5 cm土層和10～15 cm土層各處理土壤全氮無顯著差異。在5～10 cm土層，施氮肥顯著增加土壤全氮量；再生水灌溉條件下，N120處理土壤全氮量最高。說明再生水灌溉條件下更有利于作物對氮素的吸收，同時短期再生水灌溉對土壤全氮量無顯著影響。

表4 不同土層土壤氮素分布Table 4 Distribution of soil ammonium nitrogen content in different soil layers

2.3 再生水灌溉對土壤脲酶活性的影響

不同土層各處理土壤脲酶活性分布如表5所示。各土層脲酶活性無顯著差異（p>0.05）。在0～10 cm土層，同一施氮條件下，再生水灌溉土壤脲酶活性顯著高于清水灌溉；再生水灌溉條件下，施氮肥顯著增加土壤脲酶活性（p<0.05）。在10～15 cm土層，除對照組外，N120、N150、N180處理再生水灌溉土壤脲酶活性均低于清水灌溉，且土壤脲酶活性隨施氮量增加而減少，N150處理和N180處理間差異不顯著；再生水灌溉條件下，施氮肥對土壤脲酶活性無顯著影響（p>0.05）。再生水灌溉條件下，各土層均表現(xiàn)為N120處理土壤脲酶活性最高。

表5 不同土層土壤脲酶活性Table 5 Soil urease activity in different soil layers mg/g

2.4 土壤理化性質(zhì)與脲酶活性相關性分析

表6為不同土層土壤脲酶活性與土壤理化性質(zhì)間相關性分析結(jié)果。在0～5 cm土層，土壤脲酶活性與土壤水溶性Na+、K+和全氮顯著相關，其中與水溶性K+顯著正相關，與水溶性Na+和全氮呈顯著負相關；在5～10 cm土層，土壤脲酶活性與土壤水溶性Na+顯著負相關；在10～15 cm土層，土壤脲酶活性與土壤理化性質(zhì)無顯著相關關系。

表6 土壤脲酶活性與土壤理化性質(zhì)間相關性分析Table 6 Correlation analysis between soil urease activity and physicochemical properties

3 討 論

與清水灌溉相比，再生水灌溉對土壤有機質(zhì)、全氮無顯著影響，這與韓烈保等[11]、郭魏等[12]、Guo等[17]、張娟等[18]研究結(jié)果基本一致，表明短期再生水灌溉對土壤養(yǎng)分無顯著影響，但也有研究結(jié)果表明再生水灌溉顯著提高土壤有機質(zhì)、全氮[6,19]，這可能是由于試驗所用水質(zhì)存在差異，且灌溉條件與作物類型都可能對試驗結(jié)果造成影響。

再生水灌溉處理土壤pH值略小于清水灌溉，這可能是由于再生水中含有一定的有機質(zhì)，有機質(zhì)分解后產(chǎn)生的有機酸、CO2等會降低土壤pH值，但各處理pH值均在8.00～8.60之間，這是由于土壤自身的緩沖作用調(diào)節(jié)。灌溉水質(zhì)是造成不同處理土壤可溶性鹽量的主要原因，由于試驗用清水與再生水中水溶性鹽離子質(zhì)量濃度存在差異，導致土壤水溶性鹽離子濃度發(fā)生顯著變化。地下水本身水溶性Na+量大于再生水中，所以灌溉后導致再生水灌溉處理土壤水溶性Na+量小于清水灌溉。

土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮作為作物可以直接利用的礦質(zhì)態(tài)氮，其高低直接反應土壤短期氮素供應狀況[20]。本研究表明，再生水灌溉對土壤銨態(tài)氮無顯著影響，顯著增加土壤硝態(tài)氮。土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮均隨土層深度增加而增加，一方面是由于表層土壤銨態(tài)氮易揮發(fā)，且上海青屬于淺根系作物，作物根系在0～10 cm土層較發(fā)達，對土壤礦質(zhì)氮吸收能力較強[21-22]；另一方面由于水是硝態(tài)氮在土壤中移動的載體，會隨水分下滲向下運動[15]。試驗所用土壤為砂質(zhì)壤土，空隙大、透氣性好，水分和銨態(tài)氮易下移，而土壤離子和硝態(tài)氮均帶負電荷，不易被土壤膠體吸附，因此隨水分下移，淋溶至深層土壤，長期灌溉后可能會對地下水安全產(chǎn)生威脅。

土壤脲酶作為C-N鍵的水解酶，能酶促土中尿素水解成氨，可以用于表征土壤氮素狀況[23]。本研究表明，在0～10 cm土層再生水灌溉顯著增加土壤脲酶活性，這可能是由于再生水灌溉增加了土壤微生物量[24]，土壤酶主要來源于土壤微生物和植物根系的分泌釋放[13]；在10～15 cm土層，土壤脲酶活性隨施氮量增加而增加，但差異不顯著，這可能是由于高水平氮素抑制脲酶活性[12]。

4 結(jié) 論

與清水灌溉相比，再生水灌溉對土壤有機質(zhì)和全氮的影響無顯著差異，降低土壤pH值。由于試驗所用清水含鹽量高于再生水，因此同一施氮條件下，再生水灌溉顯著減少土壤EC和水溶性Na+量，顯著增加土壤硝態(tài)氮量和水溶性K+量。因此，短期再生水灌溉對土壤肥力無顯著影響，但可能會造成土壤硝態(tài)氮的淋溶，進而威脅地下水安全。

根據(jù)土壤脲酶活性與土壤理化性質(zhì)間相關性分析，在0～5 cm土層，再生水灌溉和施氮量對土壤脲酶活性均有顯著影響，其中土壤全氮、水溶性Na+和K+是影響土壤脲酶活性的主要環(huán)境因子。