再生水灌溉研究進展

代志遠,高寶珠

再生水灌溉研究進展

代志遠1,高寶珠2

(1.華北水利水電大學水利學院,河南鄭州 450011;2.夏邑縣農業(yè)技術推廣中心,河南商丘 476400)

從再生水灌溉對土壤、作物、地下水和土壤斥水性4個方面簡述國內外再生水灌溉的發(fā)展概況和研究進展。已有研究表明：再生水灌溉對土壤肥力和土壤酶活性的影響尚未有定論;再生水對農作物生長的影響尚有分歧;再生水灌溉對地下水水質具有一定的影響,并顯著影響地下水水環(huán)境;長期的再生水灌溉會引發(fā)土壤斥水性的產生,且土壤斥水持續(xù)時間與土壤有機質質量分數呈正相關。目前存在的問題有：再生水灌溉對土壤和農作物的影響研究不一致,如何消除再生水灌水對地下水和土壤斥水性的影響。認為由于再生水中含有作物正常生長的必要營養(yǎng)元素,若能克服再生水灌溉存在的問題,可緩解淡水資源的壓力和減少化肥的使用,避免環(huán)境的污染。

再生水灌溉;水資源;研究進展

我國水資源總量豐富,居世界第6位,但由于我國人口基數大,人均水資源占有量僅是世界平均水平的1/4左右,因此,我國是世界水資源極度匱乏的國家之一。近年來經濟的迅速發(fā)展和人口的急劇增長,極大地刺激了工農業(yè)及生活的耗水,加劇了淡水資源的匱乏。用水量增加的同時也帶來了污水排放量過大的問題,合理回收利用再生水可以緩解淡水資源需求的壓力,但我國再生水處理技術還尚不成熟,有待進一步的提高。

再生水灌溉是指工業(yè)廢水和生活污水經過無害化處理后,直接或間接地用于農田灌溉、園林灌溉以及地下水庫回灌等。一方面,再生水灌溉可以提高水資源的利用率,減輕淡水資源的需求;再生水中含有作物生長所需要的N、P等營養(yǎng)物質,再生水灌溉可降低化肥的使用量,減少化肥生產及使用過程帶來的各種污染;再生水灌溉可以給污水處理廠帶來一定的經濟效益。另一方面,再生水灌溉制度的不合理和灌溉年限的增加可能會導致再生水中的有毒、有害物質在土壤中積累,這些物質被作物吸收、人類食用后的生物富集作用,可能會威脅到人體健康;再生水中的有機物和重金屬可能會對土壤和地下水產生污染,進而導致農業(yè)生產環(huán)境的惡化;再生水灌溉可能使土壤產生一定的土壤斥水性,進而改變土壤入滲性能,降低作物產量。再生水灌溉猶如一面雙刃劍,合理利用可以帶來經濟效益和社會效益。因此,再生水灌溉引起了世界各國的重視,對其做了大量的研究工作。筆者對再生水灌溉的發(fā)展概況和研究進展作闡述,并對再生水灌溉中存在的問題進行分析,以期為更好地利用再生水提供借鑒。

1 國內外再生水灌溉發(fā)展概況

隨著經濟和城市化的迅速發(fā)展,工業(yè)廢水和城市生活污水排放量日益增加,國內外高度重視污水的處理。將處理的污水進行農田灌溉已有近百年歷史。

1.1 國外概況

國外許多國家和地區(qū)都有再生水灌溉的歷史,其中美國、日本、以色列和南非等國家的再生水灌溉技術水平較為成熟。在水資源極度匱乏的以色列, 91%的工業(yè)和生活污水經過收集、處理后,超過一半的污水用于灌溉農業(yè)和園林草地。日本從1997年開始對農村污水進行處理,建成了約2 000個小型污水處理廠,處理過的再生水水質穩(wěn)定性較好,用于農田水稻和果園灌溉,緩解了淡水資源的壓力,改進了農村生活環(huán)境和水源水質;且污水處理裝置成本低,易于操作,適用于農村。西班牙用再生水灌溉果樹,面積達0.8萬hm2,雖然再生水灌溉影響芒果的大小,但是產量最高。捷克將經過生化曝氣池和機械處理相結合的方法處理后的污水用于農田灌溉,取得良好的效果。美國的污水回用,最初主要用于農業(yè)灌溉,后來逐步在農業(yè)、工業(yè)和城市生活用水方面均有應用,且回用水的標準很嚴格,處理率達到100%。印度每年城市污水量的一半用于農田灌溉。墨西哥利用城市污水灌溉農田的面積約9萬hm2。其他諸如巴西、希臘等國家也有成功應用再生水灌溉農田的經驗。

1.2 國內概況

我國再生水灌溉的發(fā)展包括自發(fā)灌溉時期(1957年以前)、初步發(fā)展時期(1957—1972年)、迅速發(fā)展時期(1972年至今)3個階段[1]。全國再生水灌溉面積由4.2萬hm2(20世紀60年代)增加到9.3萬hm2(20世紀70年代)。水資源的短缺和污水排放量增加,加速了再生水灌溉的應用。目前,我國再生水灌溉面積占全國總農田灌溉面積的7.3%,主要分布在我國北方水資源嚴重短缺的黃淮海遼4大流域,約占全國再生水灌溉面積的85%,大部分集中分布在相應大中城市的近郊區(qū)或工礦區(qū),其中包括北京、天津武寶寧污、遼寧沈撫、山西整明、新疆石河子等全國5大污灌區(qū)。從再生水農業(yè)利用特點來看,黃淮海遼4大流域地區(qū)屬于水肥并重的再生水灌溉區(qū),秦嶺、淮河以南和青藏高原以東為我國再生水灌溉中的重肥再生水灌溉區(qū)。

我國的再生水灌溉具有明顯的特殊性：①由于再生水處理技術水平低、經費投入不足、管理不到位等問題,我國再生水灌溉水質污染物超標嚴重,而美國、日本等發(fā)達國家的再生水灌溉水基本以處理達標后的再生水為主,水中有害物質含量低。②由于再生水以匯合排放為主,使得再生水成分復雜,進而導致土壤呈現復合污染[2-13]。③再生水灌溉點數量進一步增加。這是因為近年來隨著城市化進程的加快及污染產業(yè)向中小城市轉移,礦山開采加速,工礦廢污水排放量日益增多且呈現面廣量多的趨勢。

2 再生水灌溉的影響

2.1 對土壤的影響

有機質可以改善土壤的理化性質以利于土壤團粒結構的形成,進而促進作物的正常生長;N、P是作物正常生長的必要營養(yǎng)元素;土壤中各種生物化學過程都離不開土壤酶的參與。因此,土壤肥力(有機質和全氮)和土壤酶活性在再生水灌溉地區(qū)是影響土地生產力的主要因素。再生水灌溉時間的長短,會對土壤肥力和土壤酶活性有著不同的影響。郭曉明等[13]研究發(fā)現,再生水灌區(qū)TN、蔗糖酶、磷酸酶與再生水灌溉時間呈顯著正相關,而有機質等與再生水灌溉時間卻無顯著相關性;土壤肥力、總Cr、總Cd與水解酶呈顯著正相關,而交換態(tài)Cr與脫氫酶則呈顯著負相關。多數學者認為再生水灌溉可以提高土壤肥力,諸如Ramirez等[14]、Kiziloglu等[15]、Yadav等[16],但是再生水灌溉對土壤肥力無顯著影響的研究也有發(fā)現。同時,再生水灌溉對土壤酶活性的影響也存在著一定的差異,再生水灌溉對土壤肥力和土壤酶活性的影響尚未有定論。

Ndour等[17]認為再生水灌溉對酶活性無顯著影響,曹靖等[18]也發(fā)現,再生水灌區(qū)農田土壤中Cu、Ni含量超標,且在有機質和養(yǎng)分充足的土壤中,Cu、Ni復合污染對酶活性的交互影響表現出一定的屏蔽效應。而張彥等[19]發(fā)現土壤酶活性受土壤養(yǎng)分和重金屬污染等因素的綜合影響,Cd含量與多酚氧化酶活性呈極顯著負相關,與纖維素酶活性呈極顯著正相關,速效鉀含量與多酚氧化酶活性呈極顯著正相關。同時,長期進行再生水灌溉的農田,再生水中含有的重金屬會嚴重損壞土壤質量[20]。

此外,對再生水灌區(qū)土壤進行分析發(fā)現,再生水中過高的懸浮物、有機污染物和鹽分可增加土壤體積質量,堵塞土壤孔隙,破壞土壤原有的良好結構,使土壤板結,N、P在土壤中大量積累,使土壤鹽漬化加重,土壤受到污染,土質下降[21-23]。但如果對再生水水質和水量進行合理控制,就可避免上述土壤污染[24-26]。

2.2 對農作物的影響

再生水中含有一定的作物生產所需要的氮等營養(yǎng)物質,當土壤中營養(yǎng)物質含量不足時,再生水灌溉可以促進作物生長,增加作物產量。研究[27]表明,再生水灌溉能增加植株體內氮磷鉀鹽分積累量,增產效果明顯,小麥再生水灌溉比清水灌溉增產6.99%～19.40%,夏谷增產3.85%～30.53%;但也有研究表明,再生水灌溉會對作物產生負面影響。邵孝侯等[28]利用生活再生水灌溉小白菜,89%田間持水率灌水下限條件下,小白菜產量最高,葉綠素含量和水分利用效率較高,硝酸鹽和重金屬富集程度較低,其他灌水條件下,對小白菜的負面影響較大。

再生水灌溉在一定程度上可以提高氮的利用效率,如有關再生水灌溉條件下夏玉米水分與氮素的利用效率研究[29]表明,灌溉水質、灌水量、施肥量對夏玉米葉面積指數、株高和產量的影響很小。再生水灌溉后的玉米吸氮量高于清水灌溉的吸氮量,再生水灌溉后的氮利用效率高于清水的,氮的利用效率僅與灌溉水質有關。灌溉方式不同,再生水中的離子在土壤中的殘留量不同。研究[30]表明：再生水滲灌條件下,草坪草根系層土壤中的TN、速效氮和NH+4-N質量分數低于清水灌溉的,而NO-3-N的質量分數卻明顯高于清水灌溉的。植株中的TN質量分數也比清水灌溉的高;而滴灌條件下,土壤NO-3-N質量分數低于再生水滲灌,2種灌水方式NO-3-N質量分數有著顯著差異。

再生水中的重金屬會在植物的根、莖及籽粒中累積,由于生物富集作用,其殘留量若是超標會影響人體的健康。研究[31]表明,小麥植株體內重金屬積累量由大到小為根、莖葉、穗。孫愛華[32]在再生水灌溉對番茄生長品質的研究中發(fā)現,短期再生水灌溉有利于植物的生長,而長期進行再生水灌溉后,再生水中的營養(yǎng)物質無明顯促進植物的生長,甚至反而會抑制部分植物的生長;再生水灌溉在一定程度上可以提高番茄Vc和可溶性固型物的含量,但對蛋白和酸度的合成無顯著影響。另外,據研究[33],大白菜中Cu、Zn、Cd元素的累積效應,可溶性總糖、P質量分數顯著增加,但大白菜中粗蛋白、Vc、和NO-3-N的質量分數卻無顯著變化,雖然還尚未發(fā)現蔬菜中有害物質超標的情況,但Cu、Zn等重金屬的累積存在潛在風險。

2.3 對地下水的影響

由于再生水灌溉相關的管理不完善、水質不達標等因素,土壤及作物受到污染,污染物在土壤中向下遷移進而污染地下水。目前,我國對再生水灌溉造成地下水污染問題的研究尚不足,但是該問題已經引起了研究者們的注意與重視,并已有相關的研究。宋曉焱等[34]進行了土柱淋濾模擬試驗,發(fā)現再生水灌溉會造成地下水的污染,主要表現在當地淺層地下水Cl-、總硬度以及TDS質量濃度的升高。再生水中的污染物質在地下水的轉化規(guī)律[35]：由于再生水灌溉對土壤中的亞硝酸鹽和硝酸鹽的淋洗作用,土壤水中的NO-3-N會逐層累積;灌溉用再生水中的含氮有機物以及NH4+發(fā)生硝化作用產生的亞硝酸鹽和硝酸鹽會隨著再生水進入地下水,導致地下水的污染,并隨著再生水灌溉持續(xù)時間的延長,地下水的污染深度和程度加劇。

再生水灌溉對地下水水質有一定的影響。高紅閣等[36]對比分析了再生水灌區(qū)與非再生水灌區(qū)的地下水主要水質指標的變化趨勢,發(fā)現再生水灌溉和化肥使用是再生水灌區(qū)地下水水質變差的主要原因,且再生水灌區(qū)和非再生水灌區(qū)地下水的各種離子和鹽的質量分數都有大幅度的增加,且呈現加速增長的趨勢,但是再生水灌區(qū)的水質明顯差于非再生水灌區(qū)的水質。也有研究[37]得出略微差異的結論,并非所有的離子均受再生水灌溉影響較大,如NH+4濃度受再生水灌溉的影響較小,NO-3濃度受到的影響較大,長期使用再生水灌溉容易造成地下水中NO-3的污染,同時地下水中NH+4、NO-3的污染情況可以利用數學模型進行預測。

再生水灌溉顯著影響地下水水環(huán)境。唐常源等[38]以石家莊近郊縣典型灌區(qū)的地下水為例,得出了農業(yè)再生水灌溉對區(qū)域地下水環(huán)境的影響,具體表現為：地下水已有自然狀態(tài)的重碳酸硫酸鈣(鈣鎂)型向重碳酸氯化鈣(鈣鎂)型水演變,礦化度和電導率也比較高;長期再生水灌溉使地下水中的NO-3濃度增高,其中區(qū)內超過一半的井水中的污染物濃度超標,地下水水環(huán)境嚴重惡化。

2.4 對土壤斥水性的影響

所謂土壤斥水性就是水分很難濕潤土壤表面顆粒的一種性質,土壤斥水性的存在嚴重影響了作物的正常生長與產量。而再生水灌溉有可能會引發(fā)土壤斥水性的發(fā)生。陳俊英等[39]基于再生水灌溉對土壤斥水性影響進行試驗研究,得出結論：再生水灌溉的水質在很大程度上影響著土壤斥水性,再生水的綜合水質指標與土壤斥水性存在顯著的正相關;各種水質指標均與土壤斥水性呈正相關,其中影響土壤斥水性最主要的因素是有機物含量指標,可見,長期再生水灌溉農田會引發(fā)土壤斥水性的發(fā)生。土壤斥水性產生以后,為了減輕它對作物的影響,采用溝種、摻入黏土、作物輪種、寬耕以及應用微生物等有效的物理措施可消除土壤斥水性。雖然暫時消除了土壤斥水性,但是繼續(xù)進行再生水灌溉是否會再次引發(fā)土壤斥水性?基于此問題,陳俊英等[40]繼續(xù)深入研究,以生活再生水作為水源對土壤進行滴灌,并以自來水作為對照,發(fā)現土壤斥水性會在灌溉一定時間后再次出現,且與灌溉水質和灌溉時長呈顯著正相關。有關再生水灌溉與土壤斥水性關系的研究尚不足,再生水中的離子或者有機物等是否會引發(fā)土壤斥水性等方面尚不明確,基于此,商艷玲等[41]研究了再生水灌溉對土壤斥水性的影響,結果發(fā)現,再生水灌溉后,不同質地土壤斥水性具有不同程度的增強,以鹽堿土最為明顯;再生水灌水量越大,引起土壤斥水性差異性越顯著,對砂姜黑土斥水性表現最明顯;Pearson秩相關系數法及多元回歸分析表明,再生水灌溉條件下有機質變化量與土壤斥水持續(xù)時間變化量呈正相關關系,Cl-變化量、電導率變化量和土壤斥水持續(xù)時間呈負相關關系;再生水灌溉使土壤顆粒黏性增大,斥水性增強,入滲能力降低。黏粒含量高的土壤斥水性受再生水灌溉的影響大于黏粒低的砂土,在砂土上進行再生水灌溉更適合。

3 存在的問題與展望

盡管國內外對再生水灌溉的研究已有近百年的歷史,但由于再生水中離子成分的復雜性以及區(qū)域田間土壤的復雜性等因素,迄今為止對再生水灌溉存在的問題尚無明確的定論與解決的方法,如再生水灌溉對土壤肥力和土壤酶活性的影響尚未有定論,再生水對農作物生長的影響尚有分歧,如何緩解再生水灌溉對地下水水質和水環(huán)境的影響以及避免土壤斥水性的產生等。由于再生水中含有作物正常生長的必要營養(yǎng)元素,若能克服再生水灌溉存在的問題,再生水灌溉可以緩解淡水資源的壓力和減少化肥的使用,避免環(huán)境的污染。因此,需要進一步深入研究的問題有：

a.受到土壤質地、重金屬濃度、不同重金屬組合方式、水肥等因素的干擾,重金屬復合污染對微生物和酶活性等參數的影響較為復雜,故重金屬復合污染對土壤質量影響的評價指標探索還有待進一步的深入研究。

b.灌溉再生水中N、P、鹽分及重金屬等在不同質地土壤、不同農作物及其地下水系統(tǒng)中的相互作用、運移轉化規(guī)律及其動態(tài)特征需要進一步探索研究。

c.長期進行再生水灌溉對土壤污染、地表水污染風險程度評價指標的預測理論及其模型研究。

d.根據不同農作物對水質的要求,制定不同的灌溉用水水質標準。

e.不合理的污水灌溉會造成一定的土壤污染,比如重金屬污染,重金屬會被作物吸收,被食用后由于生物富集作用,會對人體健康產生不利影響,有必要探索再生水灌溉對環(huán)境和人體健康的評價指標和方法。

f.土壤斥水性嚴重影響作物的產量,因此,再生水灌溉后是否產生土壤斥水性以及產生的機制有必要進一步開展大量試驗研究與探索。

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Research advances in reclaimed water irrigation

DAI Zhiyuan1,GAO Baozhu2
(1.School of Water Conservancy,North China University of Water Resources and Electric Power,Zhengzhou 450011,China; 2.Xiayi County Agricultural Technology Promotion Center,Shangqiu 476400,China)

Development progress and research advances in reclaimed water irrigation at home and abroad are summarized according to the effects of reclaimed water on soil,crops,groundwater,and soil water repellency. There is no definite conclusion about the effects of reclaimed water irrigation on soil fertilizer and soil enzyme activity,and reclaimed water's effect on crop growth is still controversial.Reclaimed water irrigation has a certain impact on groundwater quality and a significant impact on the groundwater environment.Long-term reclaimed water irrigation may cause soil water repellency,and there is a positive correlation between the soil water repellent duration and soil organic matter content.Existing problems include the difference of opinions upon the effects of reclaimed water irrigation on soil and crops,and determination of a way to eliminate the effects of reclaimed water irrigation on groundwater and soil water repellency.Due to the presence of necessary nutrient elements for crop growth in reclaimed water,reclaimed water irrigation could narrow the gap between the supply and demand of fresh water resources and reduce the use of chemical fertilizer in order to avoid environmental pollution,if the problems mentioned above can be overcome.

reclaimed water irrigation;water resources;research advances

S152.7

A

1004-6933(2014)01-0008-06

201308-08 編輯：徐 娟)

10.3969/j.issn.1004-6933.2014.01.002

代志遠(1990—),男,大學本科,再生水應用專業(yè)。E-mail：xiaoqi0612@126.com

高寶珠,高級農藝師。E-mail：xygcz@126.com