王辉，罗丽澎，刘常，谭帅，胡传旺

(湖南农业大学水利与土木工程学院，湖南 长沙 410128)

再生水是将城市污水、工业废水等非传统水资源进行回收，经适当再生工艺处理后达到一定水质标准，满足某种使用功能要求，在一定范围内进行有益使用的水资源[1].在农业用水供需矛盾日益加剧的背景下，合理利用再生水灌溉对缓解农业用水短缺具有重要意义.使用含有丰富营养元素的再生水灌溉农田，可一定程度积累有机质、提升土壤肥力，影响土壤的理化性质[2].但因其含有大量盐分离子，长期灌溉将会影响土壤交换性盐基离子含量及土壤对阳离子(例如K+，Na+，Ca2+，Mg2+)的吸附解析能力，进而影响土壤交换性能并导致土壤肥力发生改变.土壤阳离子交换量(CEC)指土壤胶体所能吸附各种阳离子的总量，是土壤缓冲性能的主要来源，是表征土壤保肥和供肥能力的重要指标[3].土壤碱化度(ESP)与Na+含量和CEC有关，以土壤胶体上吸附的交换性Na+占CEC的百分率表示，常用于衡量土壤的碱化程度.

国内外众多学者就再生水灌溉对土壤交换性能的影响进行了探讨.张铁军等[4]就此开展了为期30 d的灌溉试验后发现，再生水的K+，Na+含量高于清水，持续灌溉增强了土壤对离子的交换吸附作用，土壤表层K+，Na+含量较本底值有所增加，而深层土壤阳离子无显著变化.LEAL等[5]用处理过的生活污水灌溉甘蔗田后，土壤剖面中交换性Na+含量较清水灌溉有所增加.LADO等[6]发现再生水长期灌溉下，土壤Na+含量和ESP增加，造成土壤中黏粒膨胀和分散，且再生水中悬浮颗粒物可堵塞土壤孔隙，降低土壤导水性，并导致土壤盐碱化.唐立军等[7]利用“清水+再生水”交替灌溉后发现，该模式促进了土壤阳离子的交换和总孔隙度增加，有利于改善土壤物理性状.由此可见，再生水灌溉对土壤交换性能的影响，不仅与土层深度、灌溉时间有关，还与灌溉水质、灌溉模式等密切相关.

目前，大多数关于再生水及微咸水等非常规水对土壤交换性能的影响研究主要集中在北方、西北干旱半干旱地区的砂性或盐碱性土壤地区[8]，而在南方黏性红壤区域考虑再生水不同离子浓度与灌溉模式耦合作用下对土壤交换性能影响的相关研究鲜有报道.因此，文中以南方红壤为研究对象，探索再生水不同离子浓度水平在再生水单一灌溉和再生水-蒸馏水交替灌溉条件下土壤交换性盐基离子的变化规律，分析在特定条件下再生水灌溉水质和灌溉模式对土壤交换性能的影响，以期为再生水灌溉制度的优化和推广运用提供参考.

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试土壤取自湖南省长沙市湖南农业大学校园附近试验农田(113°7′33″E，28°11′45″N).采集田间表层0～20 cm土壤，剔除土壤中的植物根系、碎石等杂质，经自然风干、碾压后过2 mm标准孔筛，均匀混合后备用.采用比重法测定土壤机械组成：>0.020 mm，[0.002,0.020] mm，<0.002 mm占比分别为12.06%，31.82%，56.12%.按照国际制土壤质地分级标准，供试土壤质地属于黏土，其基本理化性质：pH值为5.05；有机质质量比为3.280 g/kg；交换性K+、交换性Na+、交换性Ca2+、交换性Mg2+的质量摩尔浓度分别为0.150，0.297，3.168，0.499 cmol/kg；土壤阳离子交换量CEC为13.105 cmol/kg；土壤碱化度ESP为2.27%.

试验灌溉所用的再生水取自湖南省长沙市花桥污水处理厂二级处理出水，并用蒸馏水将再生水原液分别稀释2，4，6倍，灌溉水样的基本化学性质见表1，表中ρ为质量浓度，SAR为钠吸附比.

表1 灌溉水样基本化学成分指标平均值

1.2 试验设计及方法

1.2.1 试验设计

试验于湖南农业大学试验基地开展.选择底部直径为26 cm、高32 cm的PVC桶作为试验土柱，在塑料桶底部均匀钻好孔径为1 cm的孔，便于排水.在土柱底部铺设2层纱网，以防止土壤和细砂下漏流失.将5 cm厚的细砂装填作为过滤层后，采取分层填装土柱，装土容重为1.20 g/cm3，装土高度为17 cm，层与层的接触面进行打毛处理，以保证装填均匀，防止入渗时出现分层现象.每次灌溉时在土壤表面铺放防冲滤网，以防止灌水时对土壤产生冲刷作用而破坏土壤表层结构，影响试验结果.随机选择3个土柱埋设张力计，埋设深度为10 cm，以便确定土壤含水量状态，每个土柱均做遮雨处理.

采用室外模拟灌溉试验方法.设置再生水单一灌溉模式4种灌水处理：RW，RW-2，RW-4，RW-6；同样设置再生水-蒸馏水交替灌溉模式4种灌水处理：ARW，ARW-2，ARW-4，ARW-6.为了消除自来水中Cl-等物质干扰，将溶质少、电导率低的蒸馏水作为对照进行蒸馏水单一灌溉处理(CK)[9].灌水试验开始前，为了使土壤稳定，利用蒸馏水对每个土柱进行初灌，直至淹没土柱表面，当底部出现排水后，自然风干土柱两星期左右.在风干过程中观察张力计读数，待预埋的张力计值达到80 kPa左右时即可进行下一轮灌溉.使用2 L塑料水壶灌水，待液面稍微下降后继续灌水，连续灌溉3壶，灌溉时防止液面溢出土柱桶，每个土柱一次灌溉水量均为6 L.每次灌溉前，先在桶底垫好泡沫垫板以防止渗漏，待24 h后土水充分混合，土壤达到饱和膨胀后撤掉泡沫垫板，随后继续自然风干，待张力计达到预定值，再次灌溉.依此方法，重复再生水单一灌溉或再生水-蒸馏水交替灌溉，其中交替灌溉第1次采用再生水灌溉，下次采用蒸馏水灌溉，依次交替进行.当张力计读数为80 kPa时，表明土壤含水率较低，此时使用便携式入渗计进行入渗率测试，每隔30 s记录1次数据，计算得到土壤入渗率.通过比较前后3次相同水质灌溉，其土壤入渗率波动幅度小于5%时，说明土壤结构基本达到稳定状态，即可停止灌溉.该灌溉试验自2016年10月开始，于2017年12月结束，共计灌溉11次，灌水总量为66 L.每种处理设置3个重复.

再生水模拟灌溉试验处理结束后，利用5 cm高的环刀在各处理土柱表面无裂缝或裂缝较小处随机采集3个土样，用于测定其土壤容重等.随后利用取土器将表层(0～5 cm)土壤挖铲出，收集好后均匀混合，即得土柱表层试验土样；完成表层土样采集后，小心平整和清理土柱中层(5～10 cm)表面，在中层表面基础上，继续用环刀采集3个土样后，再收集土柱中层土样；依据同样的取样过程和方法，采集底层(10～15 cm)土样.为了获取整个土柱不同土层物理化学指标信息，采用分层取土样，并测定表层、中层、底层土样的理化指标，每一层的指标测定重复3次，最后进行平均得到整个土柱平均值.

1.2.2 测定项目与方法

所有土样采集完毕后，经自然风干、研磨、过筛后，测定土壤有机质和pH，CEC，ESP，以及交换性盐基离子K+，Na+，Ca2+，Mg2+等化学指标.土壤有机质采用重铬酸钾-硫酸消化法测定，pH采用梅特勒多功能离子计测定(土水比为1∶5)；CEC采用乙酸铵交换法测定；交换性盐基离子K+和Na+采用乙酸铵浸提液-火焰光度法测定，交换性盐基离子Ca2+和Mg2+采用乙酸铵浸提液-原子吸收分光光度法测定[10]；SO42-采用硫酸钡比浊法测定，Cl-采用硝酸银滴定法测定.土壤ESP的计算公式为

ESP=(bNa/CEC)×100%，

(1)

式中：bNa为交换性Na+的摩尔质量浓度，cmol/kg.

1.3 数据处理与分析

数据均取3次重复的平均值，采用Excel 2010处理数据、绘制图表，采用SPSS 22进行显著性分析.

2 结果与分析

2.1 不同处理对土壤交换性盐基离子含量的影响

图1描述了不同处理下土壤交换性盐基离子含量的变化特征，图中绿色标记表示再生水单一灌溉处理，蓝色标记表示再生水-蒸馏水交替灌溉处理，黄色标记表示蒸馏水对照处理.由图1a可知，与对照处理CK比较，单一灌溉模式下处理RW，RW-2，RW-4，RW-6的土壤交换性K+含量分别提高283.9%，112.4%，78.3%和9.7%，而交替灌溉模式下处理ARW，ARW-2，ARW-4，ARW-6则分别提高30.4%，8.1%，7.2%和13.0%，两种灌溉模式下K+累积含量平均分别比CK高出121.08%和14.68%；处理RW，RW-2，RW-4的土壤交换性K+含量显著高于对照CK(p<0.05)，其他处理不具有统计学意义.由图1b可知，与对照CK比较，单一灌溉模式下处理RW，RW-2，RW-4，RW-6的土壤交换性Na+含量分别提高777.3%，761.9%，320.7%和222.7%，交替灌溉模式下处理ARW，ARW-2，ARW-4，ARW-6提高1 272.8%，981.3%，946.2%和789.5%，2种灌溉模式下Na+累积含量平均分别比CK高出520.65%和997.45%；不同离子浓度水平再生水处理下土壤交换性Na+含量均显著高于处理CK(p<0.05).以上结果表明，单一灌溉模式下再生水不同离子浓度灌溉均会促进土壤交换性K+和Na+累积，但Na+累积程度比K+高很多；交替灌溉模式可以显著消除土壤交换性K+累积，而Na+却成倍累积.可能原因是再生水单一灌溉后土壤CaCO3释放的Ca2+会取代交换性Na+并将其淋溶出来[11]，而在交替灌溉时使用蒸馏水会使Ca2+含量累积较少，Na+很难被取代或取代量较少，导致同一水质交替灌溉的交换性Na+含量高于单一灌溉.此外，两种不同灌溉模式下Na+的增加量均高于K+，即交换性Na+累积速率快于K+.这可能是因为交换性K+和Na+之间存在此消彼长的拮抗效应关系，K+含量增加可抑制Na+在可交换复合物上的吸附作用，Na+被复合物吸附较少而导致其在土壤中含量较多[12]；处理CK的K+含量高于Na+，但大多处理下的K+含量较CK累积较少，在拮抗效应下则Na+含量较CK累积较多.

图1 不同处理土壤交换性K+，Na+，Ca2+，Mg2+含量对比

由图1c-d可知，不同处理下土壤交换性Ca2+和Mg2+含量的变化趋势基本相同.CK的土壤交换性Ca2+摩尔质量浓度为3.646 cmol/kg，单一灌溉模式下处理RW，RW-2，RW-4，RW-6的土壤交换性Ca2+较CK分别提高18.54%，8.65%，-0.79%和-8.91%，而交替灌溉模式下ARW，ARW-2，ARW-4，ARW-6较CK分别增加17.39%，9.53%，-5.92%，-7.99%；CK的土壤交换性Mg2+摩尔质量浓度为0.577 cmol/kg，单一灌溉模式下处理RW，RW-2，RW-4，RW-6的土壤交换性Mg2+含量较CK分别提高36.07%，17.46%，8.09%和3.24%，而交替灌溉模式下处理ARW，ARW-2，ARW-4，ARW-6较CK分别增加29.31%，20.81%，18.21%和7.23%，两种灌溉模式下Mg2+累积含量平均分别比CK高出16.22%和18.89%；除处理RW，ARW的土壤交换性Mg2+含量显著高于CK(p<0.05)外，其他处理则不显著.以上结果表明，除处理RW-4，RW-6，ARW-4，ARW-6的Ca2+含量有所降低外，其余处理交换性Ca2+和Mg2+含量普遍增加，其增长量随着再生水原液稀释倍数增大呈减小趋势.可能原因在于再生水中含有丰富的盐分离子，使用再生水灌溉时，水中的盐分离子会逐渐进入土壤中并累积；稀释倍数越大，离子浓度越低，离子累积量越少，甚至部分处理会淋洗出土壤原有的离子，使之低于CK.

2.2 不同处理对土壤阳离子交换量的影响

不同处理下土壤阳离子交换量(CEC)变化规律如图2所示.再生水单一灌溉模式下各处理的土壤CEC变化幅度为CK的-3.24%～2.53%，交替灌溉模式下CEC变化幅度为-2.21%～4.52%，并未显著高于CK(p>0.05).这可能是受土壤有机质含量的影响，土壤有机质作用促使土壤形成有机胶体以及有机无机复合胶体，不断增加表面阳离子吸附位点，从而提高了CEC[13].另一方面研究表明[14]再生水中的悬浮固体、各种类型的有机质等物质含量远高于常规的灌溉用水，随着再生水多次灌溉，水中有机质会在土壤中积累.土壤经不同稀释倍数再生水灌溉后，创造出适于土壤微生物存活的良好环境，微生物分解有机质能力较强，对有机质的消耗起促进作用，但灌溉水中有机物连续输入又在一定程度上补给了土壤有机质含量[15]，分解速度与补给速度不等，导致各灌溉处理下的CEC有所增减.

图2 不同处理土壤CEC对比

2.3 不同处理对土壤碱化度的影响

图3为不同处理的土壤碱化度ESP对比.由图可知，处理CK的ESP为1.20%，单一灌溉模式下处理RW，RW-2，RW-4，RW-6的土壤ESP较CK提高352.3%，374.6%，123.6%和68.5%；交替灌溉模式下处理ARW，ARW-2，ARW-4，ARW-6的土壤ESP较CK提高613.3%，465.0%，442.7%和349.2%.总体上，交替灌溉模式下各种处理的ESP平均比CK高出467.55%，而单一灌溉模式下各种处理的ESP平均仅比CK高229.75%.除处理RW-4，RW-6未表现出显著差异性外，其余不同离子浓度水平再生水处理下土壤ESP显著高于CK(p<0.05)，且同一灌溉模式下土壤ESP随稀释倍数增大而呈减小趋势.无论采用何种灌溉模式，再生水中原有Na+和Cl-等盐类离子含量较多，进入土壤中会与Ca2+，Mg2+等离子发生置换作用，从而增加土壤中钠盐和氯化物含量[16]，促进土壤ESP提升.

图3 不同处理土壤ESP对比Fig.3 Comparison of soil ESP values in different treatments

土壤ESP本底值为2.27%，根据碱化土壤分级指标[17]，属于非碱化土.不同离子浓度水平灌溉下土壤所得到的ESP均高于CK，且各处理的ESP均小于10%，属于弱碱化土，其中处理RW-4和RW-6灌溉下土壤ESP均低于4%.同时，在同种水质灌溉下，交替灌溉处理下的土壤ESP普遍高于单一灌溉.由图1b可知，同一水质交替灌溉下的Na+含量高于单一灌溉，而ESP受Na+含量影响较大，Na+含量越高，其ESP越大.经再生水灌溉1 a后，不同处理的土壤表现出弱碱性或非碱性(ESP<10%)，表明再生水灌溉对南方红壤的碱化度影响较小，短期灌溉不会产生土壤盐碱化风险，同时有利于调节南方酸性土壤的酸碱度以促进作物吸收离子，因此南方地区再生水灌溉利用具有一定应用前景.

3 讨 论

土壤CEC取决于土壤胶体的比表面积和表面负电荷密度，有机质作为土壤胶体的重要组成部分，对土壤CEC有重要贡献[18].再生水中有机质含量较多，多次灌溉致使土壤有机质积累，从而在一定程度上促进CEC增大，但灌溉过后土壤中适宜的环境会促进微生物繁殖及有机质分解，一定程度上又削减了CEC增大.因此，经不同处理灌溉后的CEC变化幅度较小，说明再生水单一灌溉或交替灌溉对提升土壤肥力的效果相差不大.交换性Ca2+与Mg2+含量比K+与Na+含量高，说明交换性Ca2+与Mg2+在土壤中有优先固持、富集的特点[19]，但仍随再生水原液稀释倍数增大而呈下降趋势，与其灌溉水中离子浓度密切相关；再生水单一灌溉或交替灌溉明显提高了Na+交换解吸性，但交换性K+在交替灌溉时使用蒸馏水会被淋洗出来，得不到明显累积，表明再生水-蒸馏水交替灌溉会促进K+在土壤中的迁移速率，使其易被淋失，从而抑制交换性K+的累积.

红壤属于黏重土壤，黏粒多致使其比表面相对较大，金属离子能被有效吸附，加之灌溉影响，盐基离子被释放，增加了盐基离子含量，促使ESP较本底值有所上升[20].此外，土壤的酸碱度也影响着土壤物质与能量交换，导致缓冲效果存在一定差异，土壤交换性K+，Na+，Ca2+，Mg2+含量在维持土壤养分与缓冲土壤酸化中起着重要作用[21]，而本次供试红壤的pH为5.05，故土壤交换性离子对土壤物质与能量交换的缓冲作用不容忽视.当CEC变化较小时，Na+含量对土壤ESP的改变起主导作用，交替灌溉中提高Na+含量直接促进土壤ESP增大，表明再生水交替灌溉产生盐碱化程度要高于单一灌溉.由此，仅从土壤肥力提升效果和碱化程度考虑农田再生水的灌溉模式，南方红壤地区的再生水灌溉宜采用单一灌溉模式，同时应综合考虑再生水不同离子浓度灌溉水平，以利于保持或提高土壤肥力.但再生水的灌溉用量、灌溉频率等对土壤影响还有待进一步研究，实际应用到农田灌溉时还需长期定位监测.

4 结 论

1) 再生水不同处理可对土壤交换性K+，Na+，Ca2+，Mg2+含量的累积产生不同程度的影响.与CK处理比较，单一灌溉模式下各处理交换性K+，Na+，Mg2+的累积含量平均提高了121.08%，520.65%和16.22%，且随着再生水稀释倍数增大呈减小趋势，这种趋势交换性K+表现最显著.与处理CK比较，再生水-蒸馏水交替灌溉模式下各处理交换性Na+和Mg2+的累积含量平均提高了997.45%和18.89%，而交换性K+没有累积现象.

2) 再生水不同处理对土壤CEC影响较小.在再生水单一灌溉模式下CEC变化幅度为CK的-3.24%～2.53%，交替灌溉为-2.21%～4.52%，并未显著高于CK(p>0.05).

3) 再生水不同处理促进土壤ESP增大.除处理RW-4，RW-6的ESP未表现出显著差异性外，其余处理显著高于CK(p<0.05)，且在同一灌溉模式下ESP随稀释倍数增大而减小；同种水质交替灌溉处理下的ESP均高于单一灌溉，表现出弱碱性或非碱性(ESP<10%)，表明再生水灌溉对南方红壤的碱化度影响不大，但交替灌溉具有增大土壤次生盐碱化的潜在风险，而单一灌溉模式可适度降低风险.