微咸水與再生水混灌對土壤離子交換性能的影響

關鍵詞：土壤堿化度；陽離子交換量；微咸水；再生水；灌溉

中圖分類號：TV21 文獻標識碼：A 文章編號：1001-9235（2024）12-0105-09

灌溉是影響農業環境和作物生產的1個重要因素［1］，是確保半干旱和干旱地區農業生產的重要因素［2］。然而，淡水短缺越來越嚴重，開發替代淡水資源對于緩解灌溉用水短缺已經變得非常重要［3］。干旱地區的缺水正在推動農業更多地利用邊際或劣質水源進行灌溉［4］。一些研究人員報告稱，咸水可用于農業灌溉［5］，灌溉水的含鹽量對棉花產量沒有顯著影響［6］。一定程度下能夠提高小麥產量［7］，但持續咸水灌溉會增加土壤中交換性鈉離子的含量，導致土壤容重、飽和導水率、土壤有機碳等指標降低，對小麥產量也有負面影響［8-9］。利用咸水可以增加灌溉水源［10］，緩解農業生產淡水供應不足的問題［8，11］，保證作物產量不顯著降低［12］。然而，另一方面，咸水灌溉可能會導致土壤鹽堿化或堿化。一旦土壤鹽化和/或堿化，土壤的水力特性，如滲透率、飽和導水率和滲透率，將不可避免地發生變化［13］。而土壤溶液中的陽離子通過土壤黏土顆粒的分散和絮凝改變了土壤的結構特征［14］，提高了土壤容重［15］，降低了通氣透水性［16］和孔隙度［17］，可能誘發土壤斥水性［18］等。而且，微咸水灌溉地區，一般淡水資源都比較匱乏，這在很大程度上限制了微咸水的利用。因此，探索一種新的微咸水安全利用模式對解決灌溉水資源短缺具有重要意義。

再生水已經在許多國家廣泛應用于工業、農業、市政和景觀應用［19-22］。在過去10a中，氣候變化、快速城市化和人口增長是全球再生水使用量顯著增長的驅動因素。再生水市場在全球范圍內以農業灌溉用途（32%）為主，其次是景觀灌溉（20%）和工業部門（19%），環境、非飲用城市用途、娛樂再利用、地下水補給和間接飲用再利用也是潛在用途［23］。再生水灌溉污染風險遠低于污水灌溉，且再生水中含有氮、磷、鉀等營養物質［24］，一定程度上可以減少化肥使用量［25］，促進植物生長，提升土壤質量［26］，具有一定的環境效益。再生水灌溉不影響葉片和果實中的重金屬和微量元素濃度（例如B、Na、Zn），利用再生水灌溉是可行的［27］。此外，在河北省衡水市調研發現，當地使用再生水灌溉長達十余年，土壤和作物取樣檢測結果表明未超過現行標準閾值。而且，再生水具有量大、水質穩定等特點，其鹽分相較于微咸水而言較低，與其混灌能夠對微咸水的鹽分具有稀釋作用，而且離子間可能會發生一些相互作用。因此，利用再生水代替淡水與微咸水進行組合灌溉具有重要探索價值。再生水與微咸水配合灌溉有助于減少鹽對作物生長的負面影響，有利于土壤碳積累［28］，同時維持土壤中的養分［29］，顯著提高葉片SOD（Saperoxide Dismutase）活性［30］。土壤交換性能是土壤膠體的一種物理化學吸收性能，它使土壤具有供給和保蓄養分的能力以及緩沖性能。目前微咸水和再生水混灌的相關研究主要涉及土壤斥水性［31］、土壤酶活性［32］、土壤特性［33］、作物生理特性［34］等，對土壤交換性能的研究尚不足。因此，通過盆栽試驗，揭示微咸水與再生水混灌對土壤交換性能的影響機制，為微咸水的安全利用提供一定理論參考。

1材料和方法

1.1供試土壤與試驗方案

試驗在中國農業科學院新鄉農業水土環境野外科學觀測試驗站防雨棚內進行。供試土壤取自試驗站周邊農田耕層土壤，土壤經風干、碾碎、過篩（2mm）后備用。供試土壤基本理化性質見表1。

以上海青為研究對象，設純微咸水（5g/L）灌溉、微咸水與再生水1∶1混合灌溉、純再生水灌溉3個處理，分別記為B、BR、R，每個處理3次重復。試驗采用盆栽試驗，供試用盆規格為上口徑25cm、下口徑14.5cm、高19cm，每盆裝土7kg。于2021年6月9日播種，每盆均勻撒播，待兩葉一心時（6月21日）每盆定植5棵幼苗，并開始不同水源灌水處理，各處理灌水時間與灌水定額均保持一致，7月14日收獲。灌水方式采用傳統地面灌溉，低于灌水下限（田間持水率的75%）時，灌水300mL。施肥參照當地常規施肥量（1g/kg），肥料為復合肥（N-P2O5-K₂O為15-15-15），均作為基肥施入。微咸水通過向清水中添加海鹽（以NaCl為主）配置而成，再生水取自河南省新鄉市駱駝灣污水處理廠（A/O2工藝），微咸水、再生水水質參考文獻［35］研究結果，具體見表2。

1.2測定指標與方法

收獲時，每盆用土鉆取3個土樣并進行混合，分出一部分土樣，采用烘干法測定土壤質量含水率（θ），剩余土壤風干、磨碎、過篩后，采用電導率儀（DDB-303A，上海儀電科學儀器股份有限公司）測定土水比1∶5土壤浸提液電導率（Electrical Conductivity，EC）；低溫外熱重鉻酸鉀氧化比色法（紫外可見分光光度計L9，上海晶科）測定土壤有機質（Soil Organic Matter，SOM）；滴水穿透時間法測定土壤滴水穿透時間（Water Drop Penetration Time，WDPT）；采用電位法（310P-02，美國奧利龍）測定土壤浸提液pH（土水比1∶2.5）；土壤交換性K⁺和Na⁺用NH4Cl-乙醇交換-火焰光度法（火焰光度計FP6410，上海昕儀儀器儀表有限公司）測定，土壤交換性Ca²⁺和Mg²⁺用NH₄Cl-乙醇交換-原子吸收分光光度法（原子吸收分光光度計AA7000F，日本島津）測定。土壤陽離子交換量（Cation Exchange Capacity，CEC）采用乙酸鈣法測定［35］。土壤堿化度（Exchangeable Sodium Percentage，ESP）為土壤膠體上吸附的交換性Na⁺占陽離子交換量的比例。土壤總氮（Total Nitrogen，TN）和總磷（Total Phosphorus，TP）采用流動分析儀（Auto Analyzer 3型，德國BRAN LUEBBE）進行測定。

1.3數據分析

使用SPSS25.0軟件（IBMCrop.，Armonk，NY，USA）進行單變量方差分析，LSD檢驗對樣本進行配對比較，顯著性水平設定為0.05。使用Origin 2024軟件進行繪圖。

2結果與分析

2.1微咸水與再生水混灌下土壤水鹽與氮磷分布

上海青收獲后，各處理土壤水鹽以及總氮總磷含量的變化見表3。從表3可以看出，θ和EC變化趨勢相同，均隨著混合液中再生水比重的提升而呈顯著降低趨勢。這可能是因為高礦化度灌溉水限制了作物對水分的吸收，進而導致在其他條件一致時土壤中殘留的水分越多。與純微咸水灌溉相比，微咸水與再生水1∶1混灌土壤θ和EC分別顯著降低了22.08%、13.76%（Plt;0.05）。土壤總氮含量隨著混合液中再生水比重的升高而總體呈上升趨勢，且純微咸水灌溉處理土壤TN均顯著低于其他處理，而土壤TP則以混灌處理最高。

2.2微咸水與再生水混灌下土壤交換性鹽基離子分布

不同處理土壤交換性鹽基離子的變化見圖1。從圖1可以看出，微咸水與再生水混灌對不同土壤交換性離子含量的影響是具有一定差異的，其中土壤交換性鈉離子和鎂離子含量具有相反的變化趨勢，土壤交換性鈣離子和鉀離子變化趨勢總體亦相反。與純微咸水灌溉相比，微咸水與再生水1∶1混灌、純再生水灌溉土壤交換性鈉離子含量分別降低了59.43%、83.77%，土壤交換性鎂離子含量分別升高了25.94%、49.66%，土壤交換性鉀離子含量分別提高了57.89%、83.77%，土壤交換性鈣離子含量分別降低9.47%和提升0.56%。

隨著混合液中再生水比重的升高，土壤交換性鈉離子含量逐漸降低且處理間差異顯著，土壤交換性鎂離子含量則逐漸升高且處理間差異顯著。相較于純微咸水灌溉或純再生水灌溉，微咸水與再生水1∶1混灌降低了土壤交換性鈣離子含量且差異達到了顯著性水平，但卻提高了土壤交換性鉀離子含量，其中與純微咸水灌溉間差異達到了顯著性水平；不同的是，純微咸水灌溉土壤交換性鈣離子與純再生水灌溉間無顯著性差異，而土壤交換性鉀離子則顯著低于純再生水灌溉。

2.3微咸水與再生水混灌下土壤陽離子交換量與ESP

圖2顯示了不同處理土壤CEC和ESP的變化。由圖2可知，不同水源灌溉條件下，微咸水灌溉土壤CEC最高，為20.33cmol/kg，再生水灌溉土壤次之（18.23cmol/kg），微咸水與再生水1∶1混灌處理土壤CEC最低，為16.10cmol/kg，且處理間差異達到了顯著性水平。與純微咸水灌溉相比，微咸水與再生水1∶1混灌、純再生水灌溉土壤陽離子交換量分別降低了20.82%、10.33%。可見，微咸水與再生水混灌降低了土壤陽離子交換量。

隨著混合液中再生水比重的提升，土壤ESP呈顯著降低趨勢。微咸水灌溉條件下土壤ESP為20.82%，超過了閾值（15%），具有次生土壤鹽漬化風險。而微咸水與再生水混灌則顯著降低了土壤ESP，微咸水與再生水1∶1混灌、純再生水灌溉土壤ESP較純微咸水灌溉分別顯著降低了48.71%、81.90%。可見，微咸水與再生水混灌在降低土壤ESP方面具有顯著效應。

2.4微咸水與再生水混灌下土壤鹽基飽和度

上海青收獲后，測定土壤交換性鹽基總量和鹽基飽和度，并將其變化繪制于圖3。從圖3可以看出，微咸水與再生水1∶1混灌處理土壤交換性鹽基總量較純微咸水灌溉處理顯著降低，降幅為24.88%，略高于純再生水灌溉處理，其處理間差異無統計學意義。

隨著混合液中再生水比重的升高，土壤交換性鹽基總量和鹽基飽和度均呈逐漸降低趨勢，土壤鹽基飽和度在處理間差異達到了顯著性水平。相較于純微咸水灌溉，微咸水與再生水1∶1混灌、純再生水灌溉土壤鹽基飽和度分別顯著降低了5.06%、19.14%。

2.5土壤鹽基離子與基本理化指標的相關性

對不同處理條件下土壤交換性能與土壤基本理化指標進行了相關性分析，結果見圖4，其中Ex.Ca、Ex.Na、Ex.K、Ex.Mg分別代表土壤交換性鈣、鈉、鉀、鎂離子含量，TEB代表土壤交換性鹽基總量，BS代表土壤交換性鹽基飽和度。

從圖4可以看出，土壤含水率與土壤交換性鈉離子含量、鹽基總量、ESP和鹽基飽和度均呈極顯著正相關關系（Plt;0.01），但與土壤交換性鎂離子含量呈極顯著負相關關系（Plt;0.01）。土壤pH在7.9～8.1之間變化，與土壤交換性鉀離子、土壤交換性鎂離子含量呈極顯著正相關關系（Plt;0.01），與土壤交換性鈉離子含量、鹽基總量和ESP呈極顯著負相關關系（Plt;0.01），與CEC和鹽基飽和度呈顯著負相關關系（Plt;0.05）。土壤鹽分與土壤交換性鈉離子含量、鹽基總量、ESP和鹽基飽和度均呈極顯著正相關關系（Plt;0.01），與土壤交換性鎂離子含量呈極顯著負相關關系（Plt;0.01）。SOM和TP與各土壤交換性能指標未達到顯著相關關系（Pgt;0.05）。WDPT與土壤交換性鈉離子含量、鹽基總量、ESP呈極顯著正相關關系（Plt;0.01），與土壤交換性鉀、鎂離子含量呈極顯著負相關關系（Plt;0.01），與CEC和鹽基飽和度呈顯著正相關關系（Plt;0.05）。TN與土壤交換性鎂離子含量呈極顯著正相關關系（Plt;0.01），與土壤交換性鉀離子含量呈顯著正相關關系（Plt;0.05），與土壤交換性鈉離子含量、鹽基總量和ESP呈極顯著負相關關系（Plt;0.01），與CEC和鹽基飽和度呈顯著負相關關系（Plt;0.05）。

3討論

土壤交換性能是植物和微生物養分有效性的基礎［36］。土壤交換性能可以調節土壤溶液濃度，維持土壤溶液的“生理平衡”，還可以保持各種養分免于被雨水淋失。交換性鹽基離子是土壤養分的重要指標，一定程度上可以反映土壤肥力。中國土壤嚴重退化導致必需堿性陽離子大量流失，尤其是交換性陽離子，如Ca²⁺、Mg²⁺和K⁺［37］。試驗結果表明，微咸水與再生水混灌較純微咸水灌溉提升了土壤交換性鎂、鉀離子含量，降低了土壤交換性鈉離子含量，但也降低了土壤交換性鈣離子含量。這可能是由于鎂離子和鈣離子之間的離子競爭吸附引起的。

鹽基飽和度（Base Saturation，BS）是4種可交換陽離子（Ca²⁺、Mg²⁺、K⁺和Na⁺）的總和相對于陽離子交換容量（CEC）的百分比，是評估土壤肥力的重要化學指標［38］。較高的BS表明土壤中養分有效性較好，而較低的BS表明土壤酸化［39］。試驗結果表明，微咸水與再生水1∶1混灌處理土壤交換性鹽基總量和鹽基飽和度較純微咸水灌溉處理均顯著降低，這可能是因為微咸水與再生水混灌顯著降低了土壤交換性鈉離子和鈣離子，其降低幅度高于土壤交換性鉀離子和鎂離子含量的提升幅度。長期微咸水與再生水混灌條件下土壤交換性鹽基總量和鹽基飽和度變化規律有待進一步驗證，不同離子類型、不同濃度的微咸水與再生水中的離子間的相互作用有待進一步解析。

雖然土壤CEC是衡量作物養分保留和供應的1個指標［37］，但在研究中，土壤CEC的降低可能并不表明養分有效性的降低，因為土壤全氮和全碳含量在微咸水與再生水混灌下具有升高趨勢，這與已有研究結果［40］類似。這是因為微咸水與再生水混合后K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺等離子相較于純微咸水顯著降低，被吸附在土壤膠體表面的離子也就相對較少，使得CEC降低［37］。微咸水與再生水混灌土壤CEC雖然降低了，但是土壤交換性鈉離子含量亦顯著降低，進而引起土壤ESP顯著降低。土壤ESP是國內外劃分堿化土壤的2個通用指標之一［41］，也是影響土壤分散性的主要因素［42］。灌溉水礦化度并不一定意味著形成土壤次生鹽漬化，但是長期使用需要采取相應耕作措施進行預防［43］。本文試驗結果表明，微咸水灌溉處理土壤ESP大于15%，存在土壤次生鹽漬化風險的可能性，但是微咸水與再生水混灌則顯著降低土壤ESP，且未超過閾值范圍，說明短期微咸水與再生水混灌能夠緩解土壤次生鹽漬化風險，在淡水匱乏地區，可以使用再生水與微咸水混灌，進而緩解直接利用微咸水灌溉可能帶來的風險。

此外，不同地區的微咸水或再生水，其水質成分均不同，對土壤交換性能的影響可能亦不同。微咸水和再生水中含有不同的離子成分，這些離子之間可能會發生相互作用，從而影響土壤性質。具體的影響取決于離子的種類和濃度，以及土壤本身的特性。灌溉水中的鉀鈣鎂離子等，彼此之間存在競爭吸附作用，其含量的高低會對其吸附性能具有一定的影響。微咸水和再生水中的離子成分可能會發生化學反應，形成新的化合物。例如，鈣離子和碳酸根離子可能會結合形成碳酸鈣沉淀，這會影響水的硬度和pH。不同離子之間的相互作用也可能會影響土壤結構。例如，鋁離子和氫氧根離子的結合會形成氫氧化鋁，這可能會影響土壤的膠體結構和水分保持能力。不同離子結構與濃度的微咸水與再生水組合利用等相關研究，是今后進一步研究的主要內容。

4結論

微咸水與再生水混灌在降低土壤ESP方面具有顯著效應。隨著混合液中再生水比重的升高，土壤交換性鈉離子含量、ESP逐漸降低且處理間差異顯著，土壤交換性鎂離子含量則逐漸升高且處理間差異顯著，土壤交換性鹽基總量和鹽基飽和度均呈逐漸降低趨勢。

土壤交換性鈉離子、鹽基總量、ESP與土壤水分、鹽分、WDPT呈極顯著正相關關系（Plt;0.01），與pH和TN呈極顯著負相關關系（Plt;0.01）。土壤交換性鹽基飽和度與土壤水分、鹽分呈極顯著正相關關系（Plt;0.01），與pH和TN呈顯著負相關關系（Plt;0.05）。

微咸水與再生水混灌總體上可以改善土壤離子交換性能。與純微咸水灌溉相比，微咸水與再生水1∶1混灌降低了土壤交換性鈉離子、鈣離子含量、陽離子交換量、交換性鹽基總量，提高了土壤交換性鎂、鉀離子含量。