再生水農(nóng)業(yè)灌溉利用現(xiàn)狀及影響研究

鄭錦濤，馬 濤，劉九夫，鄧晰元，鄭 皓

（1.南京水利科學(xué)研究院，南京210029；2.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，南京210029；3.水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，南京210029）

0 引 言

再生水灌溉是指排入污水收集系統(tǒng)的污水經(jīng)再生處理，水質(zhì)達(dá)到灌溉標(biāo)準(zhǔn)后，按照作物生長的需要，利用工程設(shè)施送到田間，以滿足作物用水需求。因再生水中富含作物生長需要的N、P 等營養(yǎng)物質(zhì)，可減少化肥使用量，降低耕作成本，提高資源利用率，因此再生水農(nóng)業(yè)灌溉利用常被認(rèn)為是提高水資源循環(huán)利用率的一種積極方式。20世紀(jì)80年代，我國開始大規(guī)模發(fā)展城市污水再生利用技術(shù)，但當(dāng)時污水處理再生技術(shù)尚不成熟，處理成本較高，使得再生水灌溉局限于綠地利用，較少用于農(nóng)田灌溉［1］。隨著《國務(wù)院關(guān)于加強城市供水節(jié)水和水污染防治工作的通知（國發(fā)〔2000〕36 號）》《中華人民共和國水法》《中華人民共和國循環(huán)經(jīng)濟促進法》等政策法規(guī)相繼頒布，對再生水利用、管理、激勵措施等進行方向性指導(dǎo)，尤其是2017年《水利部關(guān)于非常規(guī)水源納入水資源統(tǒng)一配置的指導(dǎo)意見（水資源〔2017〕274 號）》頒布以來，明確“做好頂層設(shè)計，將再生水納入水資源統(tǒng)一配置體系”作為重要內(nèi)容，我國再生水利用事業(yè)迎來了跨域式發(fā)展，開發(fā)利用規(guī)模得到快速提升，并逐漸替代原污水或初級處理污水進行農(nóng)業(yè)灌溉。北京市作為我國再生水利用率最高的城市之一，于2003年開始推廣使用再生水進行農(nóng)業(yè)灌溉，并對多個灌區(qū)進行水網(wǎng)改造，2010年再生水灌區(qū)面積達(dá)到3.887 萬hm2，再生水農(nóng)業(yè)灌溉利用量近3.0 億m3，占農(nóng)業(yè)用水總量的26%。隨著再生水處理工藝的快速發(fā)展，出水水質(zhì)不斷提高，再生水越來越多的為缺水地區(qū)農(nóng)田灌溉提供水源保障，對于緩解城鄉(xiāng)水資源短缺矛盾、助力鄉(xiāng)村振興、改善水生態(tài)環(huán)境等具有十分重要的意義。

目前，我國再生水農(nóng)業(yè)灌溉利用尚處于發(fā)展階段，關(guān)于再生水中鹽分、重金屬、人畜致病菌、藥物和內(nèi)分泌干擾物等污染物在灌溉中對農(nóng)作物、土壤、地下水、消費者等產(chǎn)生的潛在環(huán)境和健康影響的研究尚不充分，制約著再生水農(nóng)業(yè)灌溉的發(fā)展。因此，本文收集了近20年國內(nèi)外再生水農(nóng)業(yè)灌溉的相關(guān)文獻(xiàn)，系統(tǒng)歸納總結(jié)再生水灌溉對土壤物理性質(zhì)、土壤肥力質(zhì)量、土壤環(huán)境質(zhì)量、農(nóng)作物品質(zhì)、人體健康與地下水等6個方面影響的研究進展，并剖析不同方面的研究重點與存在的問題，提出針對性改進建議，以期為再生水農(nóng)業(yè)灌溉高效、安全利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 再生水灌溉對土壤物理性質(zhì)的影響

關(guān)于再生水灌溉對土壤影響的研究取得了許多進展，但集中于水質(zhì)對農(nóng)作物生長機理和產(chǎn)量的影響、對土壤營養(yǎng)元素轉(zhuǎn)化與遷移的影響、對土壤及作物重金屬累積量影響等方面，關(guān)于再生水灌溉對土壤物理性質(zhì)，包括土壤基本物理特性、力學(xué)特性與水動力學(xué)特性等方面的研究報道較少。土壤物理性質(zhì)與土壤水、氣、肥、熱循環(huán)聯(lián)系密切，探求再生水灌溉對土壤物理性質(zhì)的作用與影響，對完善再生水灌溉技術(shù)理論與保護農(nóng)田土壤質(zhì)量等具有重要意義。

再生水灌溉對土壤物理性質(zhì)影響主要表現(xiàn)在土壤孔隙度［2］、結(jié)持性、滲透速率等方面的變化，物理性質(zhì)的變化將導(dǎo)致土壤生態(tài)平衡失穩(wěn)，生物群落結(jié)構(gòu)受到破壞，進而可能產(chǎn)生更為嚴(yán)重的環(huán)境問題［3，4］。

對于再生水灌溉是否會導(dǎo)致土壤板結(jié)，結(jié)論尚不統(tǒng)一。Sharma［5］認(rèn)為水中較高的Na+會導(dǎo)致土壤顆粒膨脹分散，團聚體分離，從而導(dǎo)致土壤板結(jié)，降低土壤透氣性。但裴亮等［6］得出相反結(jié)論，通過采用大田試驗法，分析農(nóng)村生活污水再生水灌溉對菠菜根際土壤的影響，認(rèn)為再生水灌溉使土壤有機質(zhì)與微生物數(shù)量均有不同程度增加，微生物代謝對土壤呼吸有明顯促進，較清水滴灌對照組土壤呼吸作用提升20%～57.8%。劉帆［7］通過采用大田試驗法，分析了再生水灌溉對玉米、小麥等經(jīng)濟作物及土壤的影響，得出了類似結(jié)論，認(rèn)為再生水灌溉區(qū)與對照區(qū)土壤理化指標(biāo)對比發(fā)現(xiàn)再生水處理土壤總孔隙度、細(xì)菌總數(shù)和有機質(zhì)等均顯著高于清水處理，增加了土壤呼吸度指標(biāo)。對于結(jié)論的差異，初步認(rèn)為與再生水中有機質(zhì)含量相關(guān)，當(dāng)再生水中BOD/CODcr≥0.45 時，難降解有機物含量處于較低水平，將有利于微生物代謝促進土壤呼吸。另外，再生水長期灌溉可能導(dǎo)致土壤黏性增加，有效含水率下降，導(dǎo)致作物汲水困難，土壤可耕性下降。王婷慧等［8］通過實驗得出相似結(jié)論，灌溉水中高鈉吸附比（SAR＞14）會造成土壤分散性與膨脹性增強，表層土壤堅實度增加42%～55%，從而降低土壤持水性和土壤水力傳導(dǎo)度。郭魏等［9］通過盆栽試驗，研究了不同施氮水平再生水灌溉對土壤的影響，認(rèn)為再生水灌溉使土壤毛管孔隙度增加，但土壤容重和土壤田間持水量與清水對照差異不顯著。

針對再生水灌溉對土壤斥水性影響，普遍認(rèn)為是由于再生水中一些長鏈、具有斥水性的有機化合物填補了土壤的孔隙或在土壤顆粒周圍形成包衣或富集于土壤表層，導(dǎo)致水分較難濕潤土壤顆粒表面造成的［10，11］。宏觀研究中，陳俊英［12］發(fā)現(xiàn)斥水性強的土壤較易形成優(yōu)先流（指流），加劇了土壤水分分布不均勻，使灌溉水中攜帶的溶質(zhì)更快地流入地下，降低土壤持水能力，甚至造成土壤水蝕，從而影響農(nóng)作物生長，降低土壤可耕性。商艷玲［13］等通過多元回歸分析發(fā)現(xiàn)再生水有機質(zhì)含量與土壤斥水時間變化值呈正向相關(guān)關(guān)系，且黏粒含量高的土壤斥水性受再生水灌溉的影響高于含黏粒低的砂土，因此推薦在砂質(zhì)土壤上進行再生水灌溉。微觀研究中，Ma′shum［14］等研究發(fā)現(xiàn)土壤斥水性程度與土壤有機碳及礦物基質(zhì)的比值密切相關(guān)，當(dāng)比值較高時，土壤有機質(zhì)分子被強迫形成直角方向，親水基朝外，土壤具有較高的可濕性，反之，有機質(zhì)親水基朝向礦物表面，疏水基朝外，土壤則具有較強斥水性。

2 再生水灌溉對土壤肥力質(zhì)量的影響

土壤肥力質(zhì)量是指生物物質(zhì)的優(yōu)質(zhì)適產(chǎn)、可持續(xù)供給植物養(yǎng)分以及抵御侵蝕的能力［15］，是土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)等指標(biāo)性質(zhì)的綜合反映。郭海松［16］、唐海明［17］認(rèn)為土壤肥力是土壤內(nèi)在物質(zhì)、結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)與外界環(huán)境條件綜合作用的結(jié)果，有機質(zhì)、氮磷鉀等營養(yǎng)元素是衡量土壤肥力的重要指標(biāo)［18］。

對于再生水灌溉對土壤肥力影響的研究結(jié)果不一致，但多數(shù)學(xué)者認(rèn)為，再生水灌溉能夠提高土壤肥力。裴亮等［19，20］通過采用大田試驗法，在黃瓜生長季的一個灌水周期內(nèi)開展再生水滴灌與地下水滴灌對照試驗，分析土壤中營養(yǎng)元素的動態(tài)變化，結(jié)果表明，再生水灌溉可顯著提高土壤有機質(zhì)和速效P 含量，硝態(tài)N 在土壤中有一定富集現(xiàn)象。鄭順安等［21］比較分析了再生水灌溉年限分別為3年與8年的土壤中有機碳、氮、磷等分布情況及化學(xué)形態(tài)，研究發(fā)現(xiàn)再生水灌溉可增加砂質(zhì)土壤的有機碳、氮和磷的含量，使砂質(zhì)紫色土土壤中交換態(tài)磷及鈣結(jié)合態(tài)磷比例上升，而鐵鋁結(jié)合態(tài)磷比例下降，長期再生水灌溉可減少土壤人工施肥量。程先軍等［22］采用土柱實驗對不同碳含量的再生水灌溉黑麥草發(fā)現(xiàn)，再生水中碳含量較高時，隨灌溉水進入系統(tǒng)的氮素更有利于被作物吸收利用。通過短期再生水灌溉試驗，研究者［23-25］發(fā)現(xiàn)再生水灌溉能夠增加根際土壤養(yǎng)分、酶活性及微生物數(shù)量，顯著增加土壤中有機質(zhì)含量并促進土壤對礦物元素的吸收，提高植物對礦物元素的利用效率。這主要是由于再生水中豐富的營養(yǎng)元素有利于根際微生物生長繁殖，加快根系層營養(yǎng)元素循環(huán)速率和能量流動速率，使土壤微生態(tài)環(huán)境更有利于微生物繁殖和植物生長，形成了土壤—微生物相互影響、相互促進的過程，從而進一步改善了土壤環(huán)境，提升了土壤肥力水平［26，27］。但也學(xué)者認(rèn)為再生水灌溉對土壤肥力的影響并不明顯。韓烈保等［28］通過開展污水處理廠廠區(qū)內(nèi)再生水對月季、大葉黃楊等植物的灌溉研究工作，結(jié)果表明，再生水灌溉對土壤有機質(zhì)和全氮的影響并不顯著。張娟等［29］采用盆栽試驗方法，對比2年期再生水灌溉下的不同園林植物根際土壤，發(fā)現(xiàn)短期再生水灌溉不會使土壤的供磷水平、速效鉀水平增加。葉瀾濤等［30］開展2年再生水灌溉對苜蓿影響的小區(qū)試驗，結(jié)果表明，再生水灌溉土壤硝態(tài)氮、堿解氮、有效磷含量平均高于清水灌溉，但差異不顯著。造成結(jié)論不一致的原因，可能是由于不同植物與農(nóng)作物對再生水營養(yǎng)元素的不同吸收利用能力、土壤種類、再生水灌溉制度等因素對土壤肥力產(chǎn)生的不同影響造成的［31］。

3 再生水灌溉對農(nóng)作物品質(zhì)的影響

為緩解我國嚴(yán)重的水資源短缺問題，再生水灌溉糧食作物的規(guī)模迅速擴大。再生水灌溉對作物產(chǎn)量的影響主要是通過穗長、禿尖長、穗重、株高、穗粒數(shù)、百粒重等指標(biāo)進行評估。作物產(chǎn)量是否提高與作物類型、再生水的營養(yǎng)水平有關(guān)，Mok等［32］報道了類似結(jié)論，此外，作物生長和產(chǎn)量也受到再生水灌水量與灌溉年限的影響，研究表明［33，34］灌水量充足條件下再生水灌溉玉米的株高具有數(shù)據(jù)優(yōu)勢，而且籽粒重金屬含量較清水灌溉無差異，符合《糧食衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 2715-2005）和《食品中污染物限量》（GB 2762-2017）規(guī)定，但劉陽等［35］通過盆栽試驗?zāi)M1、3、5、10年再生水灌溉對玉米幼苗抗性累積效應(yīng)影響，研究發(fā)現(xiàn)，短期再生水灌溉可促進玉米幼苗的生長，但長期（10年）灌溉后，累積的有害物質(zhì)會對幼苗生長產(chǎn)生一定抑制作用。因此，在再生水灌溉條件下，養(yǎng)分供應(yīng)—吸收—產(chǎn)量之間的關(guān)系較為復(fù)雜，需進一步研究再生水中所含營養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化和吸收。

不同比例再生水或不同化學(xué)處理（加氯和加酸）等灌溉措施對于作物品質(zhì)改良及再生水高效利用具有積極意義。郭利君等［36］認(rèn)為隨灌溉水中再生水所占比例的提高，玉米葉面積指數(shù)和葉綠素含量均有增大趨勢，但綜合考慮不同灌溉水質(zhì)對玉米生長、葉片相對葉綠素含量和氮肥吸收利用等指標(biāo)的影響，認(rèn)為再生水與地下水體積比5∶1混合滴灌最為適宜。再生水加氯或加酸可有效減緩灌水器堵塞的發(fā)生，但可能造成鹽分在土壤中累積，氯的強氧化性可能影響根區(qū)土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和微生物活性，進而對作物根系生長產(chǎn)生影響。郝鋒珍等［37］通過兩年再生水灌溉玉米田間試驗發(fā)現(xiàn)，加氯措施歷時延長，株高呈現(xiàn)一定的減小趨勢，但未達(dá)到顯著水平，并且再生水加氯灌溉并未造成植株生育期內(nèi)葉面積指數(shù)的降低。

再生水不同灌溉時期對于水分利用效率（Water Use Efficiency，WUE）也會產(chǎn)生不同影響，侯利偉等［38］研究發(fā)現(xiàn)拔節(jié)期后灌溉再生水均會促進玉米生長并提高水分利用率，可能是由于玉米植株長大后抗性增強，有利于對再生水中養(yǎng)分的吸收轉(zhuǎn)化。

4 再生水灌溉對土壤環(huán)境質(zhì)量的影響

廣義的“土壤環(huán)境質(zhì)量”根據(jù)保護對象不同大致分為三類［39］：一是基于人體健康風(fēng)險，旨在保護暴露于污染物中的人體健康安全；二是基于生態(tài)風(fēng)險，旨在保護土壤的生態(tài)功能；三是基于污染土壤的環(huán)境風(fēng)險，旨在保護與土壤相鄰的介質(zhì)不受污染。狹義的“土壤環(huán)境質(zhì)量”是指土壤容納、吸收和降解土壤媒介中各種污染物的能力。我國現(xiàn)行的土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB 15618-2018）基于生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，根據(jù)土壤應(yīng)用功能、保護目標(biāo)和土壤主要性質(zhì)，規(guī)定檢測具體污染物指標(biāo)包括：8種生物毒性顯著的重金屬（Hg、Cd、Pb、As、Cu、Zn、Cr、Ni）、2 種有機氯類致癌物（六六六總量、滴滴涕總量）和1 種多環(huán)芳香烴類致癌物（苯并［a］芘）。

國內(nèi)外針對再生水農(nóng)業(yè)灌溉對土壤環(huán)境質(zhì)量的影響研究，集中于對農(nóng)田土壤重金屬、抗生素、土壤病原菌、有機污染物以及土壤微生物活性等方面。

再生水長期灌溉使土壤重金屬含量累積趨勢顯著。Klay等［40］的研究結(jié)果表明，14年再生水灌溉使得重金屬Pb 和Cd 有明顯的殘留蓄積。Kalavrouziotis［41］稱再生水灌溉下土壤中少量重金屬含量超出了安全標(biāo)準(zhǔn)，說明再生水灌溉存在殘留效應(yīng)。Gwenzi［42］在砂壤土上灌溉再生水發(fā)現(xiàn)土壤Cr 顯著累積，但Zn、Cu 和Cd 含量卻顯著降低，說明再生水灌溉不僅有殘留效應(yīng)，還可能存在多元生物—土壤聯(lián)合的重金屬修復(fù)作用。此外，不同灌水技術(shù)和灌溉制度對土壤中重金屬的遷移轉(zhuǎn)化影響也已見報道，研究表明［43］充分灌溉土壤Cd、Pb 含量高于分根交替灌溉，分根交替溝灌土壤Cd、Pb 殘留累積含量小于分根交替地下滴灌土壤。較完全再生水灌溉，再生水與地下水輪灌方式可緩解重金屬對土壤和作物的污染［44］，將其與地下水按不同比例混合滴灌后，土壤重金屬含量出現(xiàn)降低趨勢，表明適當(dāng)濃度的再生水滴灌或可緩解重金屬污染［45，46］。對北京市通州區(qū)新河灌區(qū)［47］調(diào)查采樣分析可知，再生水灌溉已經(jīng)成為土壤重金屬污染的重要影響因素，但土壤具有一定自凈能力，采用低頻率周期灌溉是可行的。

關(guān)于再生水中抗生素對土壤的影響，國內(nèi)外研究學(xué)者進行了統(tǒng)計學(xué)分析，Wang 等［48］研究長期再生水灌溉對綠地中抗生素的影響，從土壤中檢測出5 種四環(huán)素類抗生素及其9 種代謝產(chǎn)物，且抗生素總檢出濃度范圍為12.7～145.2 μg/kg，氟喹諾酮類抗生素最高濃度為79.2 μg/kg，高于本地物濃度，因此認(rèn)為再生水灌溉時會因其較高抗生素濃度，造成土壤殘留檢出濃度處于偏高水平。但Grossberger［49］用再生水對胡蘿卜進行單生育期灌溉時，不同類型土壤中磺胺甲惡唑的濃度范圍僅為0.12～0.28 μg/kg，Kinney等［50］在美國科羅拉多州再生水灌溉土壤中紅霉素檢出水平也僅為0.02～15 μg/kg。國外檢驗結(jié)果與國內(nèi)差異顯著，初步認(rèn)為與再生水處理工藝及再生水水源水質(zhì)有關(guān)。

再生水中通常含有一定量的病原菌，如致病性大腸桿菌、沙門氏菌等衛(wèi)生指示菌，進入農(nóng)田土壤后可存活相當(dāng)長一段時間并不斷繁殖，對人類健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅［51］。病原菌在表層土和底層土中的動態(tài)變化可作為環(huán)境響應(yīng)指標(biāo)，但再生水中病原菌遷移特性信息的缺失將造成生物污染的不確定性，為此Qiu等［52］進行田間試驗研究了不同埋深、灌溉水平等對大腸桿菌淋洗影響，結(jié)果表明再生水灌溉對土壤大腸桿菌生存無顯著影響，土壤滲濾液中也未檢測到大腸桿菌，并認(rèn)為15 cm 滴灌埋深有利于降低大腸桿菌污染風(fēng)險。此外，Benami［53］也得到相似結(jié)論，認(rèn)為再生水灌溉對土壤中的病原菌多樣性與豐富度沒有顯著影響，細(xì)菌學(xué)分析結(jié)果表明再生水與清水灌溉相比，土壤需氧菌總數(shù)基本相同，再生水灌溉并未促進或抑制土著微生物，但也有研究者［54］發(fā)現(xiàn)再生水灌溉增加了土壤中不動桿菌、軍團菌、分枝桿菌和假單胞菌數(shù)量。目前針對再生水灌溉傳播病原菌的風(fēng)險難以估算，主要由于風(fēng)險因素過于龐雜，見諸報道的常見病原菌風(fēng)險因子包括［55］：病原菌在環(huán)境中的存活量、感染劑量和宿主免疫能力、與土著微生物的拮抗能力、土壤含水量、有機質(zhì)、pH值、溫度等。

針對再生水灌溉對土壤微生物的影響，一些學(xué)者［56，57］認(rèn)為再生水灌溉使土壤中有機質(zhì)、氮磷鉀等養(yǎng)分含量增加，植物根系可溢泌更多有機物，釋放無機離子，可為土壤微生物繁殖提供更佳生存條件，因此再生水灌區(qū)表層土壤微生物多樣性增加，豐富度較清水灌區(qū)偏大，對土壤質(zhì)量的提高具有積極作用。但Elifantz等［58］發(fā)現(xiàn)，灌溉期再生水灌溉可以顯著增加土壤微生物活性，而非灌溉期，微生物活性與清水灌溉模式相比變化不顯著。并且不同土地利用方式（旱田、蔬菜、水田）再生水灌溉對土壤微生物數(shù)量和生物多樣性產(chǎn)生影響不同［59］。此外，研究表明［60］可用較易檢測的理化指標(biāo)代替土壤微生物量指標(biāo)，如土壤總PLFA、革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌、真菌、放線菌含量與土壤速效鉀、硝酸鹽氮、蘿卜Pb含量呈極顯著正相關(guān)，因此可用這三種的理化指標(biāo)代替土壤微生物量的指標(biāo)。

5 再生水灌溉對人體健康的影響

再生水用于農(nóng)田灌溉最重要的問題是對人體健康的風(fēng)險問題［61］。健康風(fēng)險評價指人體暴露于環(huán)境介質(zhì)，化學(xué)物質(zhì)和微生物等所導(dǎo)致的潛在健康風(fēng)險的性質(zhì)與量度的過程［62］。20世紀(jì)80年代，隨著劑量外推模型和健康風(fēng)險評價方法的完善，人體健康風(fēng)險評價框架基本形成，但國內(nèi)由于起步較晚，對健康風(fēng)險評價的研究還處于發(fā)展和完善階段。針對再生水灌溉對人體健康影響，國內(nèi)外相關(guān)報道較少，多集中于再生水中殘余重金屬、有機污染物的生物鏈傳遞導(dǎo)致攝食的人體健康風(fēng)險，健康風(fēng)險評價方法普遍采用的是美國科學(xué)院（NAS）公布的四步法，即危害鑒別、劑量反應(yīng)關(guān)系評價、暴露評價和風(fēng)險評定。王春花等［63］于2016-2018年通過對城市再生水中16 種多環(huán)芳烴的跟蹤監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，再生水于城市綠化、農(nóng)田灌溉和景觀娛樂等利用途徑下，人體與再生水接觸過程中致癌和非致癌風(fēng)險均低于美國國家科學(xué)院推薦閾值，健康風(fēng)險處于可接受水平，但未對潛在健康風(fēng)險進行評價。王晨晨［64］檢測再生水中9 種重金屬指標(biāo)，針對不同再生水利用的職業(yè)暴露和非職業(yè)暴露途徑，分別進行了致癌風(fēng)險和非致癌風(fēng)險的評價，結(jié)果表明不同利用模式下的致癌風(fēng)險均在可接受水平以內(nèi)，但未達(dá)到可忽略水平，非致癌風(fēng)險達(dá)到可忽略水平。申崢［65］針對城市再生水多種利用途徑下的職業(yè)和非職業(yè)暴露情況，分別計算萘、蒽、苯并［a］蒽與苯并［a］芘等四種多環(huán)芳烴致癌與非致癌風(fēng)險，結(jié)果表明各種利用模式下的致癌風(fēng)險均處于可接受水平，但職業(yè)暴露情況下，非致癌風(fēng)險超過最大可接受水平，需要采取有效防護措施。

6 再生水灌溉對地下水的影響

地下水回灌是再生水應(yīng)用的前沿領(lǐng)域［66］，再生水用于農(nóng)業(yè)灌溉時會使得再生水通過土壤含水層滲濾至地下水系統(tǒng)，可視為地表回灌。雖然再生水經(jīng)過深度處理后可達(dá)到特定水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，但其中污染物并未完全去除，仍可釋放較高濃度的痕量物質(zhì)（重金屬、有機污染物等）、鹽度、營養(yǎng)物質(zhì)與微生物等，從而引發(fā)地下水污染問題［67，68］。

再生水中常見有機污染物［69］包括多環(huán)芳烴（PAHs）、藥物及個人護理品（PPSPs）與分泌干擾物（EDCs）等。其中低環(huán)芳烴［70］遷移性相對較強，并且經(jīng)土壤介質(zhì)長距離運輸后，仍可長期存留，對人類健康和地下水環(huán)境造成潛在威脅。藥物及個人護理品［71］包括各種抗生素、激素、香料等，由于在常規(guī)污水處理工藝中很難被去除，且絕大多數(shù)具有親水性，因此在持續(xù)的下滲水流作用下易于從土壤遷移至地下水中。再生水中部分鹽分可被植物或土壤微生物吸收利用，多余鹽分會出現(xiàn)殘留累積效應(yīng)，對土壤和地下水造成一定影響［72］，又由于再生水受納區(qū)蒸發(fā)率、浸出率、土壤類型等因素不同，導(dǎo)致殘留鹽分對土壤與地下水的影響程度不同［73］。此外，再生水經(jīng)土壤淋濾發(fā)生陽離子交換反應(yīng)會加劇地下水鹽分污染，土壤滲流區(qū)結(jié)構(gòu)對于鹽分分布也密切相關(guān)，Shang 等［74］在北京市大興區(qū)和通州再生水受納區(qū)觀察到地下水的高電導(dǎo)率，說明地下水鹽度已有相當(dāng)程度累積，并且由于滲流區(qū)結(jié)構(gòu)的不同，同等條件下通州地下水污染風(fēng)險較大興區(qū)高。再生水pH 值也會導(dǎo)致一系列連鎖反應(yīng)［75］，影響作物對于營養(yǎng)元素的吸收，多余的營養(yǎng)物質(zhì)會殘留在土壤中，隨之淋濾至地下水系統(tǒng)，其次再生水中的污染物協(xié)同作用，如NO3-N 氧化、有機物降解、金屬離子價態(tài)變化等，會加劇pH值的影響。再生水中部分重金屬會滲濾至含水層［76，77］，但研究多局限于地下水中所含重金屬濃度的統(tǒng)計學(xué)分析。遷移性較強的病原微生物會隨著再生水淋濾，從土壤遷移至受納區(qū)地下水，對飲用水安全造成威脅，但目前相關(guān)報道較少。

7 存在的問題

國內(nèi)外對再生水灌溉已開展了大量研究，但相比常規(guī)水資源，再生水應(yīng)用于農(nóng)田灌溉時間相對較短，應(yīng)用范圍受限，研究尚不充分［78］。

針對土壤物理性質(zhì)影響的研究，多數(shù)學(xué)者通過室內(nèi)試驗結(jié)合數(shù)值模型模擬再生水在土壤中運移過程，采取統(tǒng)計學(xué)方法分析土壤單一物理特性，如土壤導(dǎo)水性、膨脹性、入滲率等，但再生水灌溉對土壤的影響是復(fù)雜的物理—化學(xué)—生物過程，較常規(guī)灌溉水，再生水中由于富含土壤團聚體形成及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定相關(guān)的物質(zhì)，如有機質(zhì)、礦物質(zhì)、微生物等，從而影響土壤物理性質(zhì)。目前研究多采用因子相關(guān)分析法，僅體現(xiàn)了統(tǒng)計學(xué)意義，距解釋再生水灌溉對土壤物理學(xué)特征參數(shù)、力學(xué)性質(zhì)等尚有較大差距。

針對土壤土壤肥力質(zhì)量影響的研究，缺乏對土壤肥力因子特征全生育期定量描述，需重點研究再生水于不同灌溉制度下、作物全生育期內(nèi)土壤營養(yǎng)元素不同形態(tài)累積特征的響應(yīng)，厘清作物養(yǎng)分吸收—運輸過程中對土壤肥力水平的反饋，從而構(gòu)建再生水灌溉下土壤—作物系統(tǒng)營養(yǎng)元素運移模型與土壤肥力營養(yǎng)評價體系。

針對土壤環(huán)境質(zhì)量影響的研究，重金屬以背景值數(shù)據(jù)對比分析為主，缺乏內(nèi)在機理探討。長期灌溉下土壤酶活性與土壤肥力因子的響應(yīng)特征尚不明確，激發(fā)效應(yīng)的協(xié)同關(guān)系研究較少。病原菌方面研究缺乏有效統(tǒng)計數(shù)據(jù)，采用傳統(tǒng)計數(shù)方法一定程度上未能實現(xiàn)精準(zhǔn)計量，建議從分子學(xué)角度，如熒光定量法對土壤病原菌展開更為細(xì)致的研究，并且現(xiàn)以大腸桿菌為主要指標(biāo)體系的管理措施，不能有效保證再生水灌溉風(fēng)險管控要求，因此開展再生水流行病學(xué)研究研究十分必要。土壤微生物群落生物信息學(xué)分析對微生物基因和功能層面上探索不夠深入，物種鑒定深度研究不足，應(yīng)加強宏基因組測序方法對土壤微生物群落及功能性展開更為全面、深入的研究。

針對農(nóng)作物生長與品質(zhì)影響的研究，多集中于作物籽粒干物質(zhì)、重金屬含量、有機酸等統(tǒng)計學(xué)方面研究，對作物超微結(jié)構(gòu)研究較少。事實上，再生水灌溉使得作物生長過程中組織結(jié)構(gòu)、細(xì)胞及亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化［79］，因此深層分析再生水灌溉下作物細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能，探索超微結(jié)構(gòu)變化造成作物生長、品質(zhì)改變的機理將是未來研究的重點。

針對再生水補給對地下水影響的研究，多集中在土壤近地表層對再生水中可溶性有機污染物的去除效率、活性較強病原微生物的監(jiān)測等工作［67］。目前國內(nèi)缺乏長期、系統(tǒng)性研究，應(yīng)耦合田間試驗、野外調(diào)查、模型模擬、同位素示蹤等方法，建立再生水長期灌溉的生態(tài)與環(huán)境效應(yīng)定位監(jiān)測，揭示再生水中污染物的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律及對地下水的影響，為再生水科學(xué)回灌地下水提供有力支撐。

8 展 望

加強再生水用于農(nóng)田灌溉基礎(chǔ)理論和技術(shù)的研究，綜合開展對土壤、作物、人體健康與地下水的影響評價，科學(xué)指導(dǎo)再生水農(nóng)田灌溉，對緩解我國水資源短缺矛盾、改善城鄉(xiāng)水生態(tài)環(huán)境、助力實現(xiàn)鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略具有十分重要的意義。為推動再生水用于農(nóng)業(yè)灌溉的實施進程，在系統(tǒng)總結(jié)國內(nèi)外實驗研究及典型經(jīng)驗做法的基礎(chǔ)上，提出如下建議：

在概念定義、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計制定方面，存在再生水灌溉水質(zhì)處理標(biāo)準(zhǔn)總體偏低、灌溉利用量統(tǒng)計口徑不一致、再生水灌溉相關(guān)定義與范疇不明確等問題，已成為加大再生水灌溉利用的重大障礙。建議在充分考慮我國南北方差異、借鑒地方已有成果和經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，重點研究再生水灌溉風(fēng)險，提升再生水灌溉水質(zhì)的國家標(biāo)準(zhǔn)，明確再生水定義與統(tǒng)計口徑，推進再生水灌溉的科學(xué)管理。

在再生水灌溉風(fēng)險管理方面，再生水中新型化學(xué)組分如藥物活性劑、家庭護理品等對人體的接觸危害尚不明晰，物化性質(zhì)及毒理學(xué)數(shù)據(jù)缺乏，即使已知化學(xué)組分的危害毒性等參數(shù)也主要引自于美國環(huán)保署公開數(shù)據(jù)或其他國外文獻(xiàn)，對于評價國內(nèi)再生水健康風(fēng)險存在一定的局限性。建議針對再生水中新型化學(xué)組分的毒性效應(yīng)進一步研究，明確影響再生水灌溉對人體健康安全的目標(biāo)污染物與其危害程度，為再生水用于灌溉的調(diào)控策略提供理論支撐。