基于CNKI文献统计的中国再生水灌溉研究分析

孙梦莹，仇振杰,2*

(1. 湖南城市学院 土木工程学院，湖南 益阳 413000；2. 城市地下基础设施结构安全与防灾湖南省工程研究中心，湖南 益阳 413000)

随着全球人口的增长和城市化进程的加快，用水供需矛盾进一步加剧[1].据统计，近20 a 来，全球人均淡水资源可供量减少了20%，超12 亿人口面临严峻的水资源短缺和干旱问题；虽有60%的抽取水被用于农业灌溉，但仍有超60%的灌溉农田正承受巨大的水资源压力[2].我国作为全球第一人口大国(占世界人口的20%以上)，其水资源总量仅占世界水资源总量的5.1%，人均水资源仅为世界平均水平的28%[3].水资源的紧缺，直接遏制了我国经济社会的高速发展.

作为唯一一种供给稳定且总量持续增长的水源，再生水(它是指城市生活污水经适当再生工艺处理后，达到了一定的水质标准，可以满足某种用途的功能要求，能够进行有益使用的水)回用进行农田和园林灌溉，可以有效地缓解农业用水紧张，提高水资源承载力，并已在世界各地的干旱和半干旱地区得到了广泛应用[4-5].2012 年，联合国粮食及农业组织(FAO)出版的38 号(水)报告指出，据估计，全世界污水灌溉面积约达2 000 万hm2，在水资源日益紧缺的形势下，再生水在农业灌溉中发挥着重要作用，可将再生水灌溉列为解决水危机的重要举措[4].

据统计，以色列80%以上的污水经处理后被用于农业灌溉，且到2020 年再生水回用将达到其农业用水量的50%[6].迄今美国市政污水总量约为442 亿m3/a，其中可再生利用量约为164 亿m3/a[7].相较于以色列、美国等发达国家，我国再生水灌溉利用与研究工作起步较晚，且再生水供水量和利用率均较低.为了缓解水资源供需矛盾，减轻常规水资源开发利用压力，促进再生水开发利用，国家发展和改革委员会等[8]于2021 年1 月发布的《关于推进污水资源化利用的指导意见》明确指出，至2025 年，全国地级及以上缺水城市的再生水利用率要达到25%以上，京津冀地区要达到35%.截至2019 年，我国可利用再生水量为87.36 亿m3/a，约占废污水排放量的11.7%，仅占农业用水量的2.4%[9].因此，再生水灌溉在我国未来农业生产中的发展潜力巨大.

为了更好地辨析再生水灌溉在我国的发展现状和趋势，把握再生水灌溉领域的最新研究动向和前沿技术，本文对1991—2021 年国内关于再生水灌溉的期刊文献主题、内容等进行了分析，以期为相关研究人员提供参考，推动国内再生水灌溉研究的快速发展.

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

利用中文科技期刊数据库(CNKI)，以篇名含“再生水”和“灌溉”或“再生水”和“滴灌”或“再生水”和“地下滴灌”或“再生水”和“地面灌”或“再生水”和“畦灌”或“再生水”和“喷灌”进行检索；时间选定为1991-01-01—2021-05-21；文献来源选定为SCI 来源期刊、EI 来源期刊、核心期刊、CSSCI和CSCD；期刊语言选定为中文，并对所有检索结果，套录其全部字段数据用于分析.

1.2 研究方法

检索结果显示，CNKI 数据库近30 a 的关于“再生水灌溉”或“再生水滴灌”或“再生水地下滴灌”或“再生水地面灌”或“再生水畦灌”或“再生水喷灌”的研究文献共236 篇，其中综述、评估和报道类文献共38 篇.首先，剔除综述、评估和报道类文献，仅针对198 篇研究论文进行数据统计与分析；其次，利用CNKI 数据库平台中的分析功能，并通过EXCEL 软件对所得检索结果的研究主题、试验因素、研究区域尺度、灌溉年限等方面的数据进行整理；最后，将所有统计数据用SPSS 软件进行分析.

2 结果与分析

2.1 文献主题和研究内容

再生水灌溉研究的文献分类整理结果如表1所示.由表1 可知，统计数据中试验研究类文献共188 篇，占比为95%；数值模拟分析类文献共10 篇，占比为5%.这可能与再生水成分复杂且其在土壤中的迁移转化规律仍处于试验验证阶段而尚未形成统一理论有关.

表1 再生水灌溉研究的文献分类统计数据 篇

由表1 还可知，在试验研究类文献中，较多学者重点关注了再生水和常规水灌溉的区别，共有140 篇文献涉及灌溉水质的研究；另有37、30和16 篇文献分别对影响再生水在土壤中分布迁移的灌溉模式、灌溉参数和水肥管理措施进行了探讨，相关研究仍有待进一步开展.国内再生水灌溉有关文献较多地关注了其对土壤理化性质与养分和作物生长及其品质方面的研究，分别为103 和83 篇；再生水灌溉对土壤、作物重金属离子的迁移累积研究也是学者们关注的热点，文献数量分别为34 和21 篇；针对再生水灌溉对土壤和作物生物活性影响的研究文献分别为20 和13篇；针对再生水灌溉对地下水水质和空气质量方面影响的研究文献较少，说明其关注度不高.在所有统计文献中，明确灌溉方式的文献共有142篇，其中采用浇灌、地表滴灌和地面灌的方式进行灌溉的研究文献分别为48、44 和24 篇，占比为82%.这表明再生水灌溉大多以浇灌、地表滴灌和地面灌的方式进行，其他灌溉方式如地下滴灌、喷灌等应用较少.

2.2 研究区域分布

再生水灌溉的研究区域分布如表2 所示.由表2 可知，国内再生水灌溉研究区域涉及19 个省市，占全国31 个省级行政区域(不含香港、澳门和台湾地区)的61%，这表明再生水灌溉研究在我国覆盖区域较广.其中，再生水灌溉研究主要集中于北方地区，研究文献数量共179 篇，占比为90%；涉及南方地区的研究文献数量共19 篇，占比为10%.若以降雨量大小划分干湿区域，我国再生水灌溉研究主要集中在半湿润区，相关文献共151 篇，占比为76%；干旱、半干旱和湿润地区的研究文献数量分别为3、11 和32 篇，占比分别为2%、6%和16%；其中北方地区和半湿润区的再生水灌溉研究又主要集中在北京和河南，相关文献数量分别为90 和32 篇.

表2 再生水灌溉研究区域分布统计 篇

2.3 研究尺度与年限

对再生水灌溉研究对象在时空方面的影响也是学者们关注的热点，因此试验研究的尺度大小和灌溉年限是发展再生水灌溉研究的2 个十分重要的方面.表3 给出了国内再生水灌溉研究尺度与年限的统计数据.

表3 再生水灌溉研究尺度与年限统计

由表3 可知，再生水灌溉研究在田间和室内均有开展，文献数量分别为90 和86 篇；在田间尺度上主要由小区试验开展，在室内尺度上主要以盆栽试验开展.不少学者还对再生水灌溉区域野外采集的土壤样本进行了分析研究，相关文献数量为29 篇.我国再生水灌溉研究年限偏短，大部分研究不足2 a，其中112 篇文献研究的灌溉年限低于1 a；灌溉年限介于2～5 a 的研究文献数量为42 篇，占比为20%；中长期以上研究(灌溉年限≥5 a)仅24 篇，占比为12%.

3 讨论

3.1 再生水灌溉影响差异性

与常规水相比，再生水水质复杂.其不仅含有丰富的营养元素，如氮、磷等，可促进作物生长、提高产量，并减少化肥施用量[10]，还含有大量病原体、毒性有机物、悬浮固体、残留氯、盐分和微量元素，这可能会降低土壤肥力，增加土壤盐渍化和地下水污染风险，同时增加人与作物在病原体环境中的暴露风险[4].再生水灌溉对土壤、作物和环境的影响同其各成分的种类和含量也密切相关.郑锦涛等[11]归纳总结了Sharma 与裴亮等试验研究中再生水灌溉对土壤团聚体和透气性影响差异的原因，并认为与再生水有机质含量的差异高度相关.

由于我国各地再生水处理工艺水平不一，在满足再生水农田灌溉水质标准的前提下，各地再生水水质成分含量的差异较大；同时，再生水水质复杂，各成分之间的相互作用也使得同一水厂再生水的成分随时间呈波动变化.例如，黄占斌等[12]通过再生水灌溉玉米和大豆盆栽试验，发现再生水灌溉明显促进了玉米、大豆的生长，并提高了其产量；黄冠华等[13]同样取水于北京高碑店污水处理厂，其研究则表明再生水灌溉与常规水灌溉对谷类作物的产量无明显影响，甚至会带来土壤盐分累积进而影响作物生长的负面影响.由此可见，再生水水质成分的差异是造成再生水灌溉试验研究结果显著差异的重要原因.

3.2 再生水灌溉对土壤酶活性的影响

酶是土壤中广泛存在的催化剂，它不仅参与了土壤有机质分解的全过程，还对土壤微生物很多必要的生命进程起催化作用[14-15].由于土壤酶在土壤生物活性中的主导作用及酶活性对土壤管理措施的敏感快速的反映，其常被作为土壤肥力、土壤环境和土壤健康的指示物[15-16].Chen 等[17]通过对美国加州再生水灌溉样地进行调查研究指出，脲酶、碱性磷酸酶、酸性磷酸酶、脱氢酶和过氧化氢的酶活性在长期再生水灌溉条件下平均增加了2.2～3.1 倍.相似地，针对长期再生水灌溉耕地，Adrover 等[18]分析了其化学性质和生物活性，并指出土壤微生物量、β-葡萄糖苷酶和碱性磷酸酶活性随再生水灌溉而增加.尽管这些研究表明了再生水灌溉促进了土壤酶活性，但其对土壤生物活性的影响依赖于再生水的水质成分和质量.Liang 等[19]研究了再生水传输渠道沿线的土壤理化性质和酶活性变化，发现渠道上中游土壤脱氢酶、β-葡糖苷酶、脲酶、碱性磷酸酶和芳基硫酸酯酶活性显著增加；下游土壤酶活性在20 a后因重金属离子在土壤中累积显著减小.Rietz等[20]研究了灌溉水含盐量和含钠量对土壤酶活性的抑制效应，结果表明β-葡糖苷酶、酸性磷酸酶和芳基硫酸酯酶活性随盐分增加呈指数降低且随含钠量线性降低.此外，由于酶活性对土壤水分和养分的快速反映，其在土壤中的行为特征还受灌溉参数和作物生长的影响.Qiu 等[1]通过2 a的再生水地下滴灌玉米大田试验，发现滴灌带埋深显著影响了酶活性在土壤中的分布，较浅的滴灌带埋深明显提高了表层土壤酶活性；较大的滴灌带埋深则显著促进了深层土壤酶活性.Kang等[21]采用滴灌灌溉盐碱地，发现碱性磷酸酶、脲酶和蔗糖酶活性在土壤中的分布以滴头为中心且随着滴灌距离的增加而减小，以及随着灌溉年限延长而增加.目前，灌溉方式和相关技术参数对土壤酶活性的影响尚不清楚，不同灌溉方式的土壤酶活性空间分布也不明晰，尤其是在使用再生水灌溉的条件下.因此，在施用再生水时应更多关注灌溉方式和技术参数对土壤酶活性的影响.

3.3 再生水灌溉方式

与浇灌、地面灌和喷灌相比，滴灌尤其是地下滴灌能够有效减少灌溉水中病原体数量[22]，避免人畜和作物与再生水中病原体等污染物直接接触，降低污染物随地表径流迁移的风险，减少再生水气溶胶在空气中的传播与异味，是相对安全的再生水灌溉方式[4,10].Fonseca 等[23]研究了再生水喷灌、沟灌和地下滴灌对生菜的影响，结果表明地下滴灌处理后的生菜样品未检出大肠杆菌，而喷灌和沟灌处理的生菜样品大肠杆菌污染浓度较高.滴灌的技术参数也会影响再生水中污染成分在土壤-作物-地下水系统中的迁移转化.仇振杰[10]研究了在滴灌条件下，灌溉水质、滴灌带埋深和灌水量对深层渗漏、硝态氮淋失和大肠杆菌分布的影响，结果表明滴灌带埋深显著影响了大肠杆菌在土壤中的分布，较大的滴灌带埋深会导致深层土壤大肠杆菌的累积.然而，再生水在土壤-作物-地下水系统中的行为特征仍缺乏充分研究，滴灌技术参数和水肥管理措施对再生水土壤-作物-地下水系统的影响有待进一步探索.

绿地景观园林灌溉是应用再生水的一个重要方面.调查研究显示，我国用于农业灌溉和生态环境的再生水回用量分别占比29%和34%[24].与农田作物灌溉不同，绿地景观园林接近居民生活区，且一般使用喷灌或微喷灌进行灌溉，其在灌溉过程中雾化程度高，再生水的暴露风险大，易引起人畜呼吸道感染等病症.郝杰等[25]对经再生水灌溉后的高尔夫球场草坪空气中的挥发性有机物进行了检测和健康风险评价，发现当再生水灌溉2 h 后，挥发性有机物的健康风险达到最大值.Manios 等[26]在地中海地区研究了加氯再生水灌溉草坪后对大肠杆菌存活的影响，结果指出加氯处理、高温和太阳辐射均只能短暂抑制大肠杆菌，在灌溉4 h 后大肠杆菌呈增长趋势.由此可知，仍需进一步研究土壤类型、深度和灌溉水质与大肠杆菌活性的关系.

除此之外，喷灌可能会引起地表径流，残留的再生水会随着排水系统进入湖泊或地下水，造成富营养化等环境问题.因此，在绿地景观园林再生水喷灌过程中，灌溉参数对再生水中污染物的迁移以及污染物与环境介质(草类、土壤、空气)的相互作用规律均是确保再生水灌溉安全的重要研究课题，还有待进一步发展.

3.4 再生水灌溉区域、尺度与年限

我国再生水灌溉区域90%以上集中在北方水资源严重短缺的黄、淮、海及辽河流域，且主要集中在北方大、中城市的近郊，形成了北京、天津武宝宁(武清、宝坻、宁河)、辽宁沈抚(沈阳和抚顺)、山西惠明及新疆石河子5 大灌区[27].这也是我国再生水灌溉研究主要集中在北方地区的重要原因.统计显示，2019 年北京市再生水利用量占污水处理总量的58%，居全国首位，远超排名第2 的山东和云南(44%)[28].新疆、甘肃、宁夏等干旱、半干旱地区再生水利用量占污水处理总量不足15%，而这些地区的农业用水总量已占全国农业用水总量的18%(北京市农业用水总量仅占全国农业用水总量的0.1%)[9].因此，亟需加大干旱、半干旱地区再生水灌溉的研究与推广.相较于北方地区，南方地区水资源相对丰沛，但仍存在时空分布不均.研究表明，随着全球气候变暖，南方干旱明显加重，尤其是大旱范围明显增加[29].2000—2010 年，南方出现了6 次大范围农业干旱，粮食等种植业损失巨大[30].我国南方是中国经济较发达的地区，随着气候变化和城镇化加快，区域农业用水面临日趋严重的挑战，开展再生水灌溉研究有助于缓解南方地区农业水资源在时空分布上的不足.

相较于盆栽、温室等农业科学试验，田间试验是最接近实际生产条件的.只有通过田间试验确定的研究成果才有可能在生产实践中进行推广和应用.然而，田间试验周期长，环境因子(降水和气温等)影响大且不易控制.Van Donk 等[31]在内布拉斯加州评估了地下滴灌对玉米产量的影响，结果表明较多的降水和较冷的天气导致不同灌溉方式处理的玉米产量无显著差异.Qiu等[1]通过2 a 的再生水滴灌试验发现，若降水量高于灌水量，则可消除不同灌水量处理所造成的实验差异.这可能是再生水灌溉研究中以田间小区形式开展较多的原因.此外，我国再生水灌溉研究涉及年限偏短，再生水灌溉对土壤、地下水和空气的影响及作物、生物对再生水的响应均是短期行为，具有不确定性.郑顺安等[32]对比研究了6 个不同灌溉年限(2、3、5、8、10 和12 a)的再生水灌区紫色水稻土中重金属Cu、Pb 和Cd 的富集特征，发现随着灌溉时间的延长，重金属离子富集系数呈下降趋势.由此可知，需注意再生水长期应用对土壤、地下水、空气和作物的影响变化.

4 结论与展望

水资源短缺已成为限制经济发展的主要瓶颈之一，将城市污水处理后回用作为替代性水源进行农田和园林灌溉，可以有效地缓解农业用水紧张.加强再生水灌溉研究，确定再生水灌溉水质、灌溉模式、灌溉参数和水肥管理措施对人体健康、土壤、作物、地下水、空气等环境介质的影响规律及风险等级，有助于推进再生水灌溉在农业中的应用，改善城乡水生态环境，助力乡村振兴战略的实现.针对我国再生水灌溉的研究现状，从以下3 个方面进行展望.

1)优化再生水灌溉标准.再生水灌溉对土壤健康和作物生长的影响较大程度上取决灌溉水质的质量，应严格限制再生水成分含量有助于降低再生水灌溉对土壤、作物的不利影响.

2)基于风险控制确定再生水灌溉参数和水肥管理制度，尽量减少或避免人畜、作物在再生水灌溉条件下的暴露风险，有助于再生水灌溉的推广与利用.

3)强化再生水灌溉的长期监测与评估.灌溉用再生水在土壤-作物-地下水-空气系统中的迁移转化需持续、长期地进行监测与评估，同时，对再生水长期利用下引起的环境因子变化的动力学也仍需进一步研究.