鹿存照

（中國礦業大學，江蘇省徐州市，221116）

摘  要：隨著再生水處理工藝的快速發展,出水水質不斷提高,再生水越來越多的為缺水地區農田灌溉提供水源保障,對于緩解城鄉水資源短缺矛盾、助力鄉村振興、改善水生態環境等具有十分重要的意義。但是，從生態環境的角度來分析，雖然再生水經過一定的工序處理,但其水體中依然會存在一些對環境造成污染的物質，如重金屬、氨氮、TP、TN等。長期采用再生水灌溉會在土壤微域內產生效應，污染物會累積在土壤表面及土壤層中。

關鍵詞：再生水；灌溉；土壤；理化性質

土壤的物理性質包括土壤容重、土壤顆粒組成、土壤含水率以及士壤孔隙度等^[1]。而在再生水灌溉后土壤物理性質研究方面,土壤孔隙度是人們研究的重點物理性質。再生水灌溉土壤在灌溉前后土壤物理性質有顯著改變。盡管經過常規或深度處理流程，再生水中殘留的懸浮固體物質和鹽分灌溉后會對土壤結構的穩定產生危害，長期灌溉后在土壤中發生積累，惡化土壤性質，造成土壤孔隙度下降。鄭汐等研究表明，與清水灌溉相比，再生水灌溉下的土壤孔隙度有增加趨勢^[2]。但是 David^[3]等在對西班牙地區某公園進行5年再生水試驗后得出結論，使用再生水灌溉與使用清水灌溉土壤孔隙度并不存在顯著差別，說明土壤孔隙度的改變與灌水水質無關。而 Marcos^[4]等研究表明，再生水中的懸浮固體會在長期灌溉后堵塞土壤孔隙,改變土壤孔隙度。

目前研究表明，再生水灌溉對于土壤孔隙度的影響與灌溉時間有一定的關系。因此，為了避免土壤孔隙度變化帶來的影響，應針對土壤孔隙度的變化情況進行監測管理。

1 再生水灌溉對土壤pH的影響

在現有的國內外眾多研究成果中，對再生水灌溉后土壤pH值變化的結論各有不同。韓洋^[5]等對比發現，再生水灌溉與清水灌溉相比，灌溉后土壤pH呈現逐漸降低的趨勢。同時李中陽^[6]等研究發現，使用再生水灌溉可以顯著減輕土壤堿性程度。而王祥林^[7]、高遠^[8]等通過田間采樣發現，再生水灌溉雖然有可能會降低土壤pH但不具有顯著性。同時梁薇^[9]等也通過使用北京市再生水進行室內土柱淋濾模擬試驗得出結論,再生水淋濾后土柱內土壤pH平均值沒有發生顯著變化。王志超^[10]等認為土壤本身具有的緩沖能力可以維持短期內再生水灌溉后的土壤堿性環境穩定，因此再生水灌溉時間是影響土壤垂向pH值變化和同層土壤pH值隨灌水時間變化的主要因素。Stewart^[11]等研究表明，使用pH值較高的再生水進行4年灌溉后，士壤pH值升高，土壤環境堿性程度增強。無論短期再生水灌溉還是長期，灌溉水的pH值對土壤pH值的變化存在一定的影響。另外夏江寶^[12]等認為由于再生水的pH均小于當地土壤環境的pH本底值，因此再生水灌溉對土壤pH起到一定的稀釋作用。室內土柱模擬試驗結論表明，清水灌溉和再生水灌溉下土壤pH分別下降4.9%和1.3%，表明再生水灌溉雖然減輕了土壤堿性程度，但是對比清水灌溉來看堿性程度較強。

2 再生水灌溉對土壤肥力的影響研究

一般來講土壤肥力有雙重含義，一方面為土壤供應營養物質的能力，另一方面是土壤為植物生長提供適宜環境條件的能力。國內外眾多學者針對再生水灌溉對土壤肥力的影響進行了研究，研究結果普遍認為再生水灌溉提高了土壤肥力^[13]。鄭順安^[14]等通過試驗發現，再生水灌溉對砂質土壤的有機碳庫、氮庫和磷庫進行了有效的改善，長期灌溉可以減少人工施肥量。Manas^[15]等使用再生水并采用自來水作為對照組分別對石苣田進行3年灌溉，結果表明再生水灌溉土壤的氮、磷含量顯著高于對照組。楊雅銀對有機質、堿解氮、有效磷及速效鉀等在土壤中的分層分布情況研究表明,再生水灌溉對0~20cm和20~40cm土壤層的有效磷、速效鉀含量變化有顯著影響，而對土壤有機質的含量變化影響并不顯著，對20~40cm堿解氮的含量也有顯著影響。從分層規律來看，堿解氮在根系層形成富集后并向下含量逐漸減少，而有效磷、有機質及速效鉀則沒有明顯的分層規律。

3 再生水灌溉對土壤鹽堿化的影響

土壤鹽堿化分為鹽害和堿害，土壤含鹽量（礦化度）或電導率（EC）常用來衡量士壤鹽害水平，而土壤堿害通常使用堿化度（ESP）或鈉吸附比（SAR）為衡量指標。再生水含有較多的鹽分離子，雖然灌溉后不影響基至可以提高作物產量^[16-18]，但短期或長期灌溉后卻使得表層土壤垂向0~30cm范圍內累積了較高含量的鹽分^[19-23]。土壤中鹽分含量過高會堵塞土壤孔隙，對土壤水分下滲有阻滯作用，改變土壤抗性，同時再生水 Na+濃度較高的情況下會增強土壤堿化程度，增強土壤堿性風險^[24],Na+起到分散劑的作用會影響土壤的宏觀穩定性。Qian^[25]等以再生污水灌溉草地為實驗組并采用地表水灌溉草地作為對照組進行試驗發現，利用再生污水灌溉的草地EC值和SAR值分別增加了187%和481%。再生水灌溉主要對表層0~20cm內的鹽分積累情況影響最為顯著，>20cm土壤層的全鹽量與土壤本底值相比變化不大^[26]。以上研究人員針對再生水灌溉土壤鹽堿化的試驗結果均表明，與清水灌溉相比，再生水灌溉導致土壤鹽堿化的潛在風險更大。利用再生水灌溉時，再生水水質、灌溉年限、土壤類型以及作物種類等不同，發生鹽堿化風險的程度也不同。

4 再生水灌溉士壤重金屬遷移分布研究進展

部分再生水水質報告中指出，盡管再生水經過處理，但是重金屬元素并不能完全從水中去除^[27]。現有常規再生水處理流程處理出水中重金屬濃度一般很低，僅為g/L級別，但是使用此類再生水進行灌溉會使得土壤吸附大量的重金屬元素,長期灌溉重金屬濃度自然形成累積。目前己有研究發現,在長期再生水灌溉條件下,重金屬在土壤中的富集量高于脫附量，重金屬在土壤中有累積趨勢^[28]。再生水灌溉的條件下，土壤表面重金屬具有累積性^[29-30]。寶哲研究發現再生水灌溉重金屬物質在土壤縱向呈現累積特征，其中Hg有明顯累積特征，Cd、Pb、Cu均出現顯著累積，因此該學者提出在長期再生水灌溉土壤時需要將Hg、Cd、Pb、Cu列為風險指標并對其進行監測。另有學者進行室內土柱試驗發現,再生水灌溉后As、Ca和Zn在O~10cm 土層內也存在明顯累積現象，且灌溉后土壤中重金屬的增加量占再生水灌溉輸入量的90%~93%，土壤對重金屬污染物的吸附能力較強。在對北京市再生水綠化灌溉研究的基礎上，學者對土壤重金屬污染物指標進行了歸納總結^[31]。再生水的水質與清水不同，重金屬物質在土壤中的遷移與分布也有所不同^[32]。因此，對于再生水灌溉下土壤重金屬的遷移規律研究十分重要。

重金屬長期滯留積累在土壤中，對生態環境和人體健康產生諸多己知及潛在的風險，因此評價土壤中的重金屬污染程度對環境健康及人體健康風險具有重要意義。重金屬在土壤中的毒性效果強，極低的濃度既表現較強的毒性。從二十世紀六七十年代以來，土壤中重金屬污染評價己經成為全球重金屬污染研究領域的熱點問題之一^[33]。常規的土壤重金屬污染評價方法有單因子指數法和內梅羅指數法^[34-35]、地累積指數法^[36]、潛在生態危害指數法^[37]和富集因子法。此4種重金屬污染評價方法為較為常用的常規方法且評價結果為專家學者認可。目前，將土壤重金屬污染評價和算法結合的評價方法也被較多學者使用并認可，主要方法有神經網絡模型^[38]、主成分分析^[39]、層次分析^[40]和SVM支持向量機^[41]等。

單因子指數法結合內梅羅指數法適用于各種類型的土壤重金屬污染評價和潛在污染分析，此方法已用于評價三峽庫區、城市綠地、農田土壤^[42]以及礦區污染土壤^[43]當前重金屬污染程度以及土壤重金屬污染潛在危害。單因子指數法可以對單獨的某一種重金屬元素的污染程度進行評價,內梅羅指數法可以綜合地反映一個研究區域內.土壤中所有重金屬污染物的平均水平及環境質量。

地累積指數法在上世紀六十年代由 Muller首次提出，計算方法通過與參考值進行對比來反映土壤中重金屬的歷史沉積水平，用于評價沉積物污染風險。王美娥^[44]以及孫彤^[45]等人以當地土壤背景值作為參考值,借助地累積指數法對工業區土壤和呈弱堿性的玉米地重金屬污染風險進行評價，該方法在2種土壤中的評價效果良好并具有普適性。工業區土壤重金屬累積趨勢較為顯著。

Hakanson提出的潛在生態危害指數法可以同時對土壤環境和植物的重金屬污染風險進行評價，此方法包含了生態學、毒理學以及環境化學等多個方向的內容，相比前2個常規方法可以更科學有效地評估重金屬污染對土壤植物和人體的潛在危害。此方法也具有較強的適用性，多種類型的士壤重金屬評價效果都較為良好如沼液秸秤聯用墾田^[46]、城市綠化帶^[47]和使用年限較長的弱堿性玉米地。其中陳佳林等對南京市城市綠化帶土壤重金屬污染評價，作者認為評價結果可信，為南京市綠地重金屬治理提供了參考。

富集因子法較多應用在分析環境污染物來源。美國印地安納的大氣顆粒物主要來源于工廠的排放物，而舊金山的大氣顆粒物多數來源于揚塵都由此法判定。我國北京、天津地區用此法所得結果表明，鉛、硫、硒、鉻、釩等元素在顆粒物中富集較高，它們大多由人為活動而來。

在再生水灌溉土壤重金屬垂向遷移分布規律研究的基礎上,使用不同的土壤污染評價方法，對比不同的參考值，對當前土壤污染程度以及未來可能發生的潛在環境風險進行分析評價,可以進一步明確土壤重金屬污染的環境影響。

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作者簡介：鹿存照，男，江蘇徐州，碩士研究生，在校學生，主要研究再生水灌溉的風險與控制。