再生水灌溉对冬小麦种植区土壤次生盐渍化的影响

尹剑

摘要  {目的]研究再生水灌溉对冬小麦种植区土壤次生盐渍化的影响。{方法]基于新河灌区的再生水灌溉监测试验，采集再生水灌溉和井水灌溉的土壤样本，对再生水灌溉10年的土壤进行取样分析。{结果]再生水灌溉对土壤Na+的影响最为显著，增加了试验区土壤次生盐渍化的风险。在试验基础上，建立了再生水灌溉条件下土壤水-盐运移模型，采用Hydrus-1D模型模拟了冬小麦一个生长周期内（270d）再生水灌溉条件下0～120cm土壤内的水-盐运移状况。{結论]再生水灌溉期内，土壤中盐分累积效应显著。

关键词   再生水灌溉;土壤;冬小麦;次生盐渍化;Hydrus-1D

中图分类号S  274文献标识码

A文章编号0517-6611（2018）36-0057-04

污废水经处理后回用于农田灌溉，是水资源循环利用的重要环节。从20世纪30年代起，国外开始将处理后的污水，即再生水，用于农田灌溉。目前，再生水已在许多国家被用于农田灌溉{1]。再生水灌溉在缓解农业用水紧张局势的同时，也减少了污水处理、处置费用，同时避免了污水直接排放对生态环境存在的潜在威胁，但再生水灌溉对土壤-作物系统存在潜在污染风险。

造成土壤次生盐碱化是再生水灌溉的一个重要影响。Chandra{2]研究认为再生水灌溉能降低土壤容重，增加土壤孔隙度。再生水灌溉对土壤渗透性能的影响具体表现为过量的盐分在植物根部聚集，使土壤成分发生变化，造成土壤板结{2];同样，土壤盐离子的置换如钠离子对镁和钙离子的置换会改变土壤理化成分，导致土壤板结{3];再生水中的盐分（特别是Na+）可能在土壤中累积，并引起土壤的入渗性能的变化。灌溉水的盐分浓度和盐分组成对土壤入渗性能的影响程度不尽相同{4]。一般情况下，相同的土壤中灌溉水的盐分浓度越低，可交换性Na+在灌溉水中含量比例越高，土壤的饱和导水率越容易降低{5]。大量试验表明，再生水灌溉对土壤盐分累积效应显著，而盐分累积易引起土壤次生盐渍化{6]。建立再生水灌溉条件下的水盐运移模型，模拟再生水灌溉条件下的土壤盐分累积效应，对于指导再生水灌溉决策有重要意义。我国目前再生水灌溉的研究较多集中于灌溉对作物生理生长效应和土壤生态效应{7]。再生水灌溉土壤-作物系统风险研究尚停留于试验分析阶段，再生水灌溉条件下的土壤水盐运移模型亟需建立。

北京市通州区的新河灌区是典型的再生水灌区，按照北京市再生水灌溉适宜性评价，属于可直接再生水灌溉区域。该地区自2005年起对灌溉渠道进行了改造，便于利用再生水灌溉，研究区有十余年的再生水灌溉年限。该研究立足于田间试验与模型模拟，利用Hydrus-1D模型{8]揭示再生水灌溉对农田土壤次生盐渍化的影响，用以指导再生水安全、高效地回用于农田灌溉，同时可以为建立再生水灌溉污染风险预警、决策支持系统提供依据，为再生水水资源科学管理提供技术支撑。

1资料与方法

1.1研究区概况

通州区（116°32′～116°56′E，39°36′～40°02′N）位于北京市东南，多年平均气温（以通县气象站1956—2016年观测资料代表）为11.65℃。区内多年平均年光照时数2730h，无霜期185d，平均相对湿度56.8%，最大冻土深度0.56m，年平均风速2.6m/s。

目前通州区再生水利用主要用于农业灌溉，灌溉面积近2.47万hm2。以河道和灌渠结合的输送方式进行再生水灌溉。

1.2试验方法

基于新河灌区土壤样品检测，以井水灌溉土壤为对照，分析再生水灌溉对土壤盐离子（Ca2+、Mg2+、Na+、K+）的累积效应。以试验数据为基础，建立再生水灌溉条件下的土壤水盐运移模型，采用饱和-非饱和区域土壤水-热-盐迁移运移模型Hydrus-1D，对再生水灌溉条件下冬小麦一个作物周期内的土壤水、盐运移进行模拟。设置10个取样点进行取样，每个点以20cm为单位进行取土，总深度为200cm。对土样以5g为单位，采用烘干-超声振荡-静置过液等方式进行。采用美国DIONEX公司出产的离子色谱仪（DX600）来分析测定土壤盐离子（Ca2+、Mg2+、Na+、K+）的质量分数。采用土壤浸提液的钠吸附比SAR表示土壤的盐碱化情况。

1.3土壤水盐运移模拟该研究中采用Hydrus-1D模型，对冬小麦生长条件下再生水灌溉条件下土壤中的盐分运移状况进行了模拟。Hydrus-1D是模拟一维尺度变饱和区域水、热、盐迁移运移的模型{8]。Hydrus-1D忽略空气对水流的影响，水流控制方程采用修正的Richards方程来描述。Hydrus-1D推荐使用经验公式将潜在蒸散量分割为蒸腾潜力和土壤蒸发潜力。参照作物蒸发蒸腾量ETp，采用联合国粮农组织提出的最新修正彭曼-蒙特斯公式进行计算。Hydrus-1D使用水分胁迫和盐分胁迫模型处理根系的吸水。模型采用对流-弥散方程来模拟土壤溶质运移过程。

为研究再生水灌溉条件下冬小麦一个生长周期（试验期270d）内不同土壤剖面的土壤盐分含量，进而探讨再生水灌溉对土壤次生盐渍化的影响，利用Hydrus-1D模型，以试验数据为基础，对土壤不同剖面盐分含量进行了模拟。模型假定土壤中的盐分主要来自于再生水灌溉。该研究中，土壤剖面最大深度为从地面算起至120cm。结合实地调查，可将剖面分为两层，0～60cm为黏质壤土，60～120cm为砂质壤土。试验区小麦根系深度为0～100cm。潜水含水层埋深较大，土壤剖面底部为自由渗水边界。

（1）灌溉水量采用定溶质通量来描述，模型示意图如图1所示。

（2）土壤参数。Hydrus-1D内置了多种土壤水力学模型。在所有的模型中，共有6个参数，它们的物理含义分别如下：Qr对应田间持水率θr;Qs对应饱和含水率θs;Qa、Qm分别对应土壤水分特征曲线上θr、θs的2个外推值;Alpha、n

分别对应VG模型中的参数α（量纲L-1）和n;Ks、Kk分别对应饱和水力传导度Ks和实际的饱和水力传导度Kk，量纲

LT-1;Qk为与实际的饱和水力传导度Kk相对应的土壤含水率θk;修正后的VG模型认为Kk≤Ks、θk≤θs，但在实际的取用中，不妨认为VG模型的确定只依赖于5个参数值，即取Kk=Ks、θa=θr、θm=θk=θs。Hydrus-1D采用基于神经网络的土壤转换函数（PTFs）来预测VG模型中的土壤含水率参数，基于土壤类型来确定饱和水力传导度，并可通过设置参数的优化条件，对各水力学参数进行优化。

（3）灌水时间及灌水量。

为研究冬小麦一个生长周期内再生水灌溉条件下的土壤中盐离子累积、运移状况，根据冬小麦生长规律，设置灌水周期及灌溉定额，灌溉方案如表1所示。

2结果与分析

对研究区0～200cm土层内的土壤主要盐离子（Ca2+、Mg2+、Na+、K+）进行取样分析，结果表明（图2），再生水灌溉使得土壤盐离子含量显著增加，对Na+的影响程度最大。

图2不同取土深度土壤盐离子含量变化

Fig.2Variationofsaltioncontentinsoilswithdifferentsoildepths

利用土壤浸提液的钠吸附比（SAR）表示土壤碱化作用。对土壤浸提液SAR的测试结果（图3）表明，再生水灌溉使得土壤SAR显著增大，再生水灌溉区采样点的均值在每一个土层都比井灌区高。但SAR值仍小于10，表明再生水灌溉对作物生长危害程度相对不高。尽管尚未对作物生长产生影响，但再生水灌溉已经大大增大了SAR值，持续利用该类再生水灌溉，土壤出现次生盐渍化的可能性较大。

基于Hydrus-1D对冬小麦一个生长周期（270d）内的土壤盐分运移、累积状况进行了模拟。模拟期（2018年10月1日—2019年6月26日）内试验区潜在蒸散发量在冬小麦萌芽期（10、11月）为1～4mm/d，波动较大;越冬期（12、1、2月）潜在蒸散发量维持在较低的水平，波动较小。冬小麦发育期、灌浆期及成熟期（3、4、5月），试验区潜在蒸散发量维持在较高的水平，在此期间，根系吸水量较大，土壤中溶质运移较为活跃。

在土壤剖面上从土壤表面起每隔12cm设置一个观测点，分别记为N1、N2、N3、N4、N5、N6、N7、N8、N9、N10，各观测点随模拟时间的土壤含水率曲线如图4所示，溶质（Ca2+、Mg2+、Na+、K+

）浓度如图5所示。由图4可知，试验区冬小麦生长周期内，土壤含水率维持在20%～45%，土壤纵向剖面上，60～120cm处的土壤含水率略低于0～30cm的含水率。因冬小麦根系在0～100cm，所以在整个作物生长周期内土壤处于湿润状态。

据图5可得，再生水灌溉期内，土壤盐离子含量均有显著增加效应，灌水时间间隔较小时，盐离子累积程度越高。灌溉期Ca2+、Mg2+、Na+、K+离子浓度均呈现出纵向剖面随深度递减的趋势。Ca2+浓度处于0～3.5mmol/cm3，最高值出现在冬小麦种植后的第200天;Mg2+浓度处于0～3.5mmol/cm3;Na+浓度位于0～12mmol/cm3;K+浓度处于0～3.5mmol/cm3。模拟结果表明，使用Ca2+、Mg2+、Na+、K+离子浓度分别为1.51、1.47、5.47、0.38mmol/L的再生水进行农田灌溉时，土壤中盐离子累积效应较为显著。为防止出现土壤次生盐渍化，须控制再生水盐分含量。

基于Hydrus-1D对再生水灌溉条件下0～120cm土层内盐分的运移模拟表明，再生水灌溉使得不同深度的土壤盐离子含量均有显著增加效应。灌溉周期越短，越容易导致土壤盐分累积。因而未避免土壤次生盐渍化，须严格控制再生水中的盐分含量。同时采取合理措施，如再生水与清水轮灌等，从而降低再生水灌溉土壤次生盐渍化风险。

3结论与讨论

该研究依据田间试验与模型模拟，探讨了冬小麦区采用再生水灌溉的土壤次生盐碱化影响。通过建立再生水灌溉条件下的溶质运移模型，以Hydrus-1D模型对再生水灌溉条件下冬小麦一个生长周期内的土壤水盐运移进行了模拟。与井水灌溉相比，再生水灌溉使得土壤Ca2+、Mg2+、Na+、K+等离子的含量显著增加，且再生水灌区土壤重金属的钠吸附比（SAR）明显高于井灌区，表明再生水灌溉对试验区土壤次生盐渍化存在一定影响。模型模拟结果表明，使用Ca2+、Mg2+、Na+、K+离子浓度分别为1.51、1.47、5.47、0.38mmol/L的再生水进行农田灌溉时，土壤中盐离子累积效应较为显著。因而，为防止出现土壤次生盐渍化，须控制再生水中盐分含量。

根据研究结论，再生水灌溉10年使得试验区土壤存在次生盐渍化风险，因而为安全、高效利用再生水进行农田灌溉，需进一步分析长期再生水灌溉对土壤次生盐渍化的潜在影响，同时要采取合理措施来避免再生水灌溉的潜在污染风险，其实现措施可以分为3个方面：①严格控制灌溉用再生水中的盐分含量。常见二级再生水处理工艺对有机污染物、致病菌及部分重金属的处理率较高，而对盐离子的处理率较低。再生水是土壤盐分的重要来源，因而有必要进一步深度处理再生水，降低再生水中的全盐量。②通过研究筛选适宜再生水灌溉的作物种类。不同作物的耐盐性不同，选择合适的作物利用再生水灌溉，可以有效降低再生水对作物生长的潜在风险，促进再生水安全利用。这就需要通过进一步的研究，筛选建立我国再生水推荐灌溉的作物分类目录。③建立再生水安全灌溉技术体系。针对不同区域的水文地质条件及再生水情况，研究建立适宜的再生水灌溉系統，同时应当研究制定适合我国国情的再生水安全灌溉标准与规范体系。

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