不同盐浓度生活污水对土壤水盐和养分含量及小白菜品质的影响

张丹丹，郑向群，李厚禹，陈昢圳，张耕涛，孔豪，黄治平

(农业农村部环境保护科研监测所，天津 300191)

水资源缺乏与土壤盐渍化已成为限制农业安全生产的重要因素。目前已有研究表明，土壤盐分对土壤养分环境分布有着重要作用[1，2]。周永学等[3]就长期咸水滴灌对土壤理化性质影响的研究表明，微咸水和咸水灌溉会显著增加土壤容重、盐分、pH值和土壤含水量，并显著降低土壤孔隙度、全氮和有机质含量。而土壤盐渍化程度主要受盐分含量、碱化特征和土壤结构的影响。靳三玲等[4]在对表层土壤盐分的研究中得出，土壤盐渍化的主要特征因子为Na＋、Cl－、；刘易等[5]研究发现，微咸水灌溉导致土壤pH值升高和含盐量增加，造成土壤盐分积累。

目前对土壤盐分的研究主要有土壤盐分的迁移估算、土壤盐分积累、剖面分布及离子组成、土壤盐分对土壤肥力及对作物生长影响等[6－8]。我国农业用水占总用水资源的60%～80%，为弥补农业灌溉用水不足问题，农村生活污水已成为农业生产的重要水资源来源[9]。由于农村生活污水中含有一定浓度的盐分，这成为农业安全利用需要考虑的问题之一。污水盐分研究常见于再生水及工业废水[10，11]，而对生活污水的盐分研究较少。因此，本试验基于农村农田灌溉标准(GB 5084—2021)规定水样全盐含量0～1.0 g/L范围，选用Na＋、Ca2＋、Mg2＋、Cl－、等主要盐基离子对生活污水进行配置，控制盐分浓度为0～2.0 g/L，设置7个不同盐浓度污水灌溉处理，研究其对不同土层水盐分布、主要盐基离子对土壤养分含量的影响并分析其对小白菜品质的影响，以揭示影响土壤养分变化的主控盐分因子，为农村生活污水科学用于灌溉提供参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试土壤取自天津市静海区农田土壤表层至80 cm深处，类型为潮土。土样经自然风干、混匀后过2 mm网筛用于填充土柱。生活污水取自天津市静海区生活污水处理厂。供试样品理化性质见表1、表2。

表1 供试土壤(表层)颗粒组成 (%)

表2 样品理化性质

1.2 试验设计及方法

采用室内有机玻璃土柱模拟试验法，于2020年6月7日至8月28日进行试验。有机玻璃壁厚5 mm，直径15 cm，柱高95 cm，0～5 cm不填充土壤，为灌溉渗滤层；85～95 cm为返渗层。土柱每隔20 cm设置取样孔，共设置5对直径4 mm的取样孔(图1)。土柱填充后用蒸馏水进行洗盐，使土壤充分与空气接触，以减少土壤本身盐分含量，最终测得土壤含盐量为0.58 mg/kg。

图1 土柱示意图

试验共设置7个不同盐浓度污水灌溉处理，分别是CK(0 g/L)、RW(raw water，0.2 g/L)、W1(0.5 g/L)、W2(0.8 g/L)、W3(1.2 g/L)、W4(1.6 g/L)、W5(2.0 g/L)，每处理重复3次。为保证污水盐分含量不同水平，将原水(RW)进行稀释再通过人工配比盐分使用，即选用NaCl、CaCl2和MgSO4含量按照2∶1∶2配置盐水，再与生活污水配置成不同盐浓度的灌溉用水。灌水定额由单位面积内小白菜需水量确定，为0.35 L。2天浇灌一次，每浇灌6次取一次土样，共取土样6次。周期为72天。每个土柱表层播20粒小白菜种子，出苗后每5天间苗1次，最后保留3株。

本试验不同土层土壤持水率选取第12天与第72天取样测得数据进行分析，其他分析数据来源于6次取样测得数据的平均值。

1.3 测定指标及方法

土壤TP采用(HJ 632—2011)碱熔－钼锑抗分光光度法测定，土壤TN采用(HJ 717—2014)凯氏法测定，土壤氨氮和硝态氮参照HJ 665—2013和HJ/T 346—2007的方法[12]测定，土壤有机质采用水合热重铬酸钾氧化法——比色法[13]测定。土壤电导率按照蒸馏水与样品5∶1使用电导率仪(SX650，上海三信仪表厂)测定，土壤容重按照NY/T 1121.4—2006中方法测定，土壤田间持水率按照NY/T 1121.22—2010中方法测定，土壤Na＋、Mg2＋、Ca2＋、、Cl－含 量 按 照LYT 1251—1999中方法测定。8月28日采集土柱内种植的小白菜样品，测其株高、叶宽及植株鲜重。小白菜维生素C按照GB 5009.86—2016、蛋白质按照GB 5009.5—2016、可溶性糖按NY/T 1278—2007中的方法测定。

土壤含盐量(SSC)计算公式[14]:

式中EC1∶5为水土比为5∶1的土壤浸提液所测得的土壤电导率(dS/m)，3.77及0.24为换算系数。

单位面积土壤含盐量(S)计算公式:

式中ρs为土壤容重(g/cm3)，L为土层深度(cm)。

土壤脱盐率(N)计算公式[15]:

式中S1为灌溉前土壤盐分(dS/m)，S2为灌溉后土壤盐分(dS/m)。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel整理数据、Origin 2021制图，利用SPSS 25.0软件进行相关性分析、显著性检验及运用Canoco 5.0进行冗余分析。

2 结果与分析

2.1 不同盐浓度生活污水灌溉下的土壤盐分垂直分布特征

由表3看出，不同盐浓度污水处理W2～W5的浅层土盐分含量显著高于深层土，且随盐浓度增加浅层土盐分积聚现象逐渐明显。各处理下60～80 cm土层含盐量均值在0.78～1.43 g/kg之间，变化不大；而0～20 cm浅层土含盐量差异较大，均值范围在0.49～2.82 g/kg之间。RW、W1、W2、W3、W4、W5表层土壤盐分均值依次为0.74、1.08、1.24、1.66、2.29 g/kg和2.82 g/kg，相较于灌溉前土柱含盐量0.58 g/kg，各处理分别显著增长27.59%、86.21%、113.79%、186.21%、294.83%、386.21%。综上表明，不同盐浓度污水处理后土壤盐分的差异主要表现在浅层土上，灌溉污水盐浓度越高，浅层土含盐量越大，而深层土盐分含量相对稳定，变幅较小。

表3 土壤全盐量特征值(各层土壤n＝20)(g/kg)

2.2 不同盐浓度生活污水灌溉下土壤水分的变化特征

由图2看出，不同盐浓度污水灌溉后土柱各土层均得到水分补给，随灌溉时间推移各处理土壤剖面水分含量逐渐升高。灌水后12天测定结果表明，不同盐浓度污水灌溉处理下各土层持水率变幅较小，其中60～80 cm土层持水率较浅层土增加略明显。同一土层随灌溉水盐浓度增加土壤持水率逐渐提高，高盐污水处理显著高于低盐处理。

图2 不同盐浓度污水灌溉后土壤剖面水分变化

灌水后72天，RW～W5处理的表层土持水率分别为29.50%、30.17%、30.24%、30.98%、30.85%、32.07%，而且W5处理表层(0)、20、40、60、80 cm土层持水率相较于CK依次增加10.20%、10.43%、12.45%、16.52%、14.87%，进一步表明土壤盐分增加会提高土壤持水性。而W3、W4、W5处理60～80 cm土层土壤接近饱和，均在34.08%～37.84%之间。

2.3 不同盐浓度污水灌溉后土壤盐基离子及养分含量变化

土壤离子组成、全盐变化、土壤养分及pH值基本能够反映土壤盐分影响情况[16]。由表4看出，含盐污水灌溉后土壤盐基离子各层积累总量以Na＋、Ca2＋含量居多，不同处理各土层Na＋含量范围为22.96～29.65 mg/kg、Ca2＋含量达21.95～26.16 mg/kg、Cl－为0.72～35.12 mg/kg、SO42－为11.67～14.82 mg/kg、Mg2＋为7.09～14.86 mg/kg。W1～W5处理Cl－截留量较SO42－高。随着灌溉水盐浓度增加，各处理有机质含量下降明显，RW～W5处理较CK分别减少0.99%、12.63%、16.16%、16.73%、29.78%、33.55%，TN较对照分别减少7.14%、10.20%、13.27%、16.33%、19.39%、23.47%，硝态氮较CK分别增长36.36%、86.36%、76.14%、88.64%、84.09%、103.41%，TP、NH4＋－N、pH值无明显变化。

表4 各处理盐基离子土壤截留总量及养分指标

利用Canoco 5.0软件对土柱(0～80 cm)土壤盐基离子、pH值、TN、TP、－N、OM进行冗余分析，进一步明确土壤盐基离子与土壤养分之间的关系。首先对土壤盐基离子与各养分指标的数据进行降趋对应分析(DCA)，发现灌溉4个轴中梯度长度最大值为0.966，最小值为0.287，其值均小于3，可以对约束性排序选择冗余分析(RDA)。将土壤中的Ca2＋、Cl－、Mg2＋、Na＋、作为解释量，土壤pH值、TN、TP、－N、－N、OM为被解释量，绘制线性排序图并直观地给出盐基离子与土壤养分、pH值的关系，并通过前两个排序轴的解释率来确定影响试验区土壤盐渍化的主要因子。如图3所示，研究对象与养分因子相关关系中解释量与被解释量的特征值分别为0.634、0.682，相关性变量累积百分比分别是85.8%、97.3%。土壤盐分对pH值与养分变化的总解释率为34.2%，其中，在第一轴解释率为29.32%。结果表明，各盐基离子对pH值与养分含量的影响程度为32.5%，土壤盐基离子与pH值、养分呈显著相关关系(P＝0.02，F＝21.2)。其中Na＋与TN、－N、OM呈显著负相关；与－N、TP呈显著正相关；Cl－与TN、－N、－N呈显著正相关，与TP、pH值、OM呈显著负相关。

2.4 不同盐浓度生活污水对小白菜生长及品质的影响

由表5看出，土壤全盐量、Mg2＋、Cl－与小白菜蛋白质呈显著或极显著负相关，与可溶性糖呈显著正相关；Ca2＋、与小白菜株高呈显著或极显著负相关；全盐量、Mg2＋、Cl－与小白菜叶宽、鲜重均呈极显著负相关。以上分析表明，全盐量、Mg2＋、Cl－为小白菜品质的主要影响因子。

表5 盐分与小白菜品质的相关性分析结果

由图4看出，RW、W1、W2、W3、W4、W5小白菜蛋白质含量较CK分别显著减少7.97%、9.05%、10.56%、11.21%、12.93%、14.01%，而可溶性糖含量较CK分别显著增加16.67%、50.00%、66.67%、150.00%、150.00%、83.33%，维生素C含量较CK分别显著降低7.04%、12.18%、17.56%、41.32%、18.54%、21.51%。含盐污水灌溉下小白菜株高RW～W4处理较CK分别增加35.61%、27.27%、22.93%、5.18%、1.67%，W5降低18.36%；叶宽RW～W5处理较CK分别显著减少21.75%、28.89%、31.47%、38.09%、44.88%和44.37%；鲜重显著减少6.59%、6.54%、12.36%、15.88%、18.74%和31.87%。

图4 不同含盐生活污水对小白菜品质的影响

3 讨论与结论

3.1 不同盐浓度生活污水灌溉下的土壤盐分分布

本研究发现盐浓度为0～2.0 g/L生活污水灌溉下土壤盐分在表层积累，具有明显的盐分迁移规律，而不同处理下的深层土盐分含量趋于稳定，变幅较小。窦旭等[14]对灌区土壤盐渍化的研究中发现0～20 cm土层盐分明显高于20～40 cm土层；王国帅等[17]在对河套灌区不同地类迁移估算研究中发现深层土只有轻微积盐现象；邹晓霞等[18]在土壤盐分的时空演化特征研究中也发现0～20 cm土壤盐分显著高于60～100 cm土层，空间表现为强变异性，随着土层深度的增加，盐分空间变异减小。由于本试验在夏季开展，气温较高、蒸发量大，水盐运动将深层土壤可溶性盐分运移至表层，而作物种植使土壤表面的覆盖度有所增加，从而减少表层土水分蒸发，使表层盐分有所累积[17－19]。并且主要盐基离子中Na＋与Cl－易发生表面积聚现象，盐浓度为0～2.0 g/L的生活污水灌溉下，土壤中Na＋向下迁移路径并不发生显著变化，较多Na＋积聚表层。

3.2 不同盐浓度生活污水灌溉下的土壤水分变化

本试验表明，不同盐浓度生活污水灌溉后深层土壤持水率大于浅层土。李争争等[20]研究发现土壤盐分含量高会增加土壤持水率，10 g/L咸水灌溉下土壤持水率高于3 g/L微咸水灌溉；廖海等[21]也发现，轻度盐渍化土壤田间持水率较无盐渍化土壤40、60 cm土层分别增加32.6%、28.8%，这与本研究的高盐浓度生活污水灌溉下土壤持水率大于低盐污水灌溉，且各土层持水率表现为W5>W4>W3>W2>W1>RW>CK的结果相似。原因可能是由于土壤总孔隙度和团聚体稳定性指数随灌水盐浓度的增加而降低，土壤持水能力随着灌水盐浓度的增加而增加，但是当土壤电导率超过4000 μS/cm时会降低土壤持水率[21]。本研究还发现，高盐浓度生活污水(>1.0 g/L)比低盐生活污水(<1.0 g/L)灌溉更易使土壤发生饱和现象，增加土壤持水率。灌水之初土壤持水尚未饱和时，盐分随水分向下运移，当灌水超过土壤饱和持水率时则会起返盐效果[22]。因此在利用农村生活污水进行菜地、园地浇灌时，制定合理的农业灌溉制度，控制土壤水分过度饱和，以避免土壤盐分积盐、返盐现象的发生，实现农村生活污水安全利用。

3.3 土壤盐基离子与养分含量的相关性

由冗余分析可知，Cl－、Na＋均与OM呈显著负相关。盐分增加易使土壤板结，土壤孔隙度降低，从而使土壤有机质含量减少。含盐生活污水灌溉下，Na＋水解后与结合，会加大土壤碱性，使土壤结构体分散，破坏土壤物理结构及团聚体的稳定性等，从而影响肥力释放[23]。Na＋浓度过高易引起植物Ca2＋、Mg2＋、K＋的缺乏，造成作物营养失衡，进一步影响作物对K、N元素的吸收[24]。Cl－是一种致酸离子，含量过高会使土壤pH值减小，而pH与土壤养分、微生物密切相关[16]，并且Cl－主要在土壤耕层(0～20 cm)积累，长时间积累会对幼苗生长产生抑制作用。Na＋、Cl－主要积聚于0～20 cm浅土层，其表聚现象较强。由于生活污水中盐基离子以Na＋、Cl－为主，因此长期灌溉农村生活污水尤其需关注钠盐、氯盐对土壤养分的影响。

3.4 不同盐浓度生活污水对作物品质的影响

含盐生活污水灌溉下Cl－过高会使作物代谢紊乱，甚至出现中毒现象；高浓度具有明显毒性，其通过限制Ca2＋的活性，阻碍小白菜对Ca2＋的吸收，而Mg2＋含量过少使作物缺素，易出现叶片斑驳症状，进一步降低小白菜蛋白质含量、鲜重等[25]。可溶性糖的主要功能是渗透保护、渗透适应、碳储存和清除活性氧[26]，一定浓度的含盐污水灌溉可以提高作物可溶性糖含量[27]。研究发现低浓度盐水促进株高增长，而高浓度盐水则会降低株高[28]。本研究中低浓度(<1.0 g/L)生活污水(RW、W1、W2)灌溉，小白菜株高较对照分别增长35.61%、27.27%、22.93%，而高浓度(W5)生活污水灌溉下小白菜株高显著降低。原因是含盐污水灌溉下，作物光合速率及酶活性的变化进一步影响蛋白质合成，同时降低碳水化合物及生长激素水平，从而限制作物生长[29]。

综上，高盐浓度生活污水(>1.0 g/L)灌溉更易使土壤持水率发生饱和现象，需制定合理灌溉制度，控制土壤水分过度饱和，有效避免灌概地返盐现象发生。长期灌溉以Na＋、Cl－为主要盐基离子的生活污水可能对土壤养分带来负面影响。一定盐浓度生活污水灌溉下小白菜品质指标均有显著变化，蛋白质含量、维生素C含量、叶宽、鲜重较CK显著减少，可溶性糖及株高显著增加。相关性分析表明土壤全盐量、Mg2＋、Cl－为小白菜品质的主要影响因子。