尾菜再生水不同灌溉处理对土壤理化性质及粪大肠菌群分布的影响

王晶　汪建旭　卢秀霞　杨祎程　赵洋　何潇

摘要：為探讨尾菜再生水与自来水不同灌溉处理对土壤理化性质和指示性病原菌分布的影响，采用室内土柱淋溶试验，设置充分灌溉（田间质量持水率的90%）和非充分灌溉（田间质量持水率的70%）2个灌水梯度，18d为一个灌水周期，累计灌溉16期，分别在第72、144、216、288d进行分层取样，研究再生水在不同灌溉条件下土壤质量的时空分布特征，为尾菜再生水农田回用提供理论依据及实践基础。结果表明，与自来水灌溉相比，再生水灌溉条件下，无论是充分灌溉还是非充分灌溉，均显著提高表层土壤可溶性盐（EC）含量和粪大肠菌群（FDC）数量，对土壤pH值无显著影响；提高土壤总氮（TN）、总磷（TP）、总钾（TK）和有机质（OM）含量，随着灌溉次数的增加，土壤营养元素在各土层表现出一定的累积效应，且有向深层土壤迁移的趋势；相关性分析表明，FDC与pH、EC、TN、TP、TK呈显著正相关（P<0.05），与OM呈正相关（P>0.05）。综上所述，尾菜再生水长期灌溉有利于土壤TN、TP、TK和OM含量的累积，一定程度上增加土壤养分，提高土壤肥力，但存在盐害和致病菌污染风险。

关键词：尾菜再生水；土柱试验；土壤理化性质；粪大肠菌群；灌溉处理

中图分类号：S27

文献标识码：A

文章编号：20955553 （2023） 11019209

Effects of different irrigation treatments on soil physicochemical properties and

fecal coliform distribution of reclaimed water from vegetable residue

Wang Jing Wang Jianxu Lu Xiuxia Yang Yicheng Zhao Yang He Xiao

（1. Lanzhou Modern Vocational College， Lanzhou， 730300， China; 2. Lanzhou University of Technology， Lanzhou，

730050， China； 3. Agricutural Science and Technology Research Extension Center of Lanzhou， Lanzhou， 730010， China）

Abstract：In order to explore the effects of different irrigation treatments of reclaimed water from vegetable residue and tap water on soil physical and chemical properties and indicative pathogen distribution， the indoor soil column irrigation experiment was carried out to set two irrigation gradients as follows： full irrigation （90% of the field water holding capacity） and insufficient irrigation （70% of the field water holding capacity）. Each irrigation cycle lasted for 18 days， with a total of 16 cycles. Samples were taken in layers at 72， 144， 216， and 288 days， respectively， the temporal and spatial distribution characteristics of soil quality of reclaimed water under different irrigation conditions were studied to provide a theoretical basis and practical basis for the reuse of reclaimed water in the field. The results showed that， compared with tap water irrigation， the content of soluble salts （EC） and the number of fecal coliforms （FDC） in surface soil were significantly increased under the condition of reclaimed water irrigation， regardless of whether the irrigation was full or not， and there was no significant effect on soil pH. The contents of total nitrogen （TN）， total phosphorus （TP）， total potassium （TK） and organic matter （OM） in soil were increased. With the increase of irrigation times， soil nutrient elements showed a certain cumulative effect in each soil layer， and there was a trend of migration to deep soil. Correlation analysis showed that FDC was positively correlated with pH， EC， TN， TP， TK （P<0.05） and OM （P>0.05）. To sum up， long-term irrigation with the reclaimed water from vegetable residue is beneficial to the accumulation of soil TN， TP， TK and OM contents， to a certain extent， to increase soil nutrients and improve soil fertility， but there are risks of salt damage and pathogenic bacteria pollution.

Keywords：reclaimed water from vegetable residue; soil column experiment; physical and chemical properties of soil; fecal coliform; irrigation treatment

0引言

水資源是人类社会发展不可或缺的战略性资源，我国水资源严重短缺，尤其是西北干旱和半干旱地区水资源严重不足［12］。传统的开源节流的手段已不足以解决我国水资源短缺的根本问题，加大非常规水资源的开发利用势在必行［3］。再生水是指污水经一定的工艺处理后达到某种水质要求的特殊水资源［4］，2017年我国水利部规定非常规水源包含了“再生水”这一新型水资源，再生水的开发利用是促进我国农业用水供需平衡的有效途径，利用再生水代替常规水源进行农业灌溉可以有效地解决水资源短缺问题［5］。

目前，以美国、日本等为首的一些发达国家已将再生水回用作为缓解本国水资源短缺的重要举措，而以色列再生水回用总量已达到其本国水资源总量的四分之一左右［6］。我国对非常规水资源的利用起步较晚，与发达国家存在一定的差距，对再生水农业灌溉的应用正处于一个快速发展的时期［7］。大多数研究表明，再生水中会残留丰富的营养物质，再生水灌溉可以提高土壤肥力的观点受到了多数学者的认可［8］，如Lu等［9］研究发现，再生水灌溉可以增加土壤养分和有机质含量，再生水灌溉后，表层土壤养分含量显著增加［10］，且氮素输入可减少氮肥和磷肥施用量［11］。由此可见，利用再生水进行农业灌溉不但实现废水资源化，还可以减少农业面源污染［1213］。但由于技术和经济等原因，再生水中仍含有较高的盐分、多种痕量毒性物质（重金属、有机污染物等）和病原体，灌溉后对土壤乃至动植物生态链造成毒害［14］，大多数研究印证了这一观点，如郑伟等［15］在再生水灌溉草坪试验中发现，短期再生水灌溉使土壤出现一定的盐分累计，孔林华等［16］研究表明，再生水水质盐分增加明显，氮磷等营养元素含量丰富，且含有一定的病原微生物等，这些特征决定了再生水利用时存在一定的生态风险，故在利用之前必须要对再生水进行全面评估，并探索适宜于本地区的再生水灌溉模式。

甘肃省作为我国“西菜东调”“北菜南运”的重要生产基地，2021年全省蔬菜总产量达16 553.0kt［17］，据测算，蔬菜废弃物/剩余物（以下简称为“尾菜”）产生量约10 152kt，由于数量巨大、产生比较集中、易腐烂变质、资源化利用增值空间小等特点，已成为农村和城郊生态环境主要污染源。目前，尾菜的资源化利用主要集中在直接还田、饲料化、厌氧沤肥、混合好氧堆肥、能源化利用等方面［1819］，对流通环节尾菜集约化处理后再生水的研究鲜有报道。尾菜含水率较高，且含有丰富的有机物和营养成分，非常适宜厌氧消化处理［20］，尾菜厌氧消化后随之产生的大量沼液给周边环境造成严重威胁，处理不当后容易引起二次污染。

本文基于尾菜无害化处理和资源化利用并重的理念，以兰州某公司产生的尾菜再生水为研究对象，结合非充分灌溉理论，通过土柱滴灌淋溶试验，研究尾菜再生水不同灌溉处理对土壤理化性质和指示性病原菌分布的影响，揭示再生水不同灌溉模式下土壤质量的分布特征，以期为尾菜再生水农业回用提供理论补充和实践指导。

1材料与方法

1.1供试材料

利用随机、多点法于甘肃省兰州市榆中县三角城乡金星菜库周边（104°09′53″E，35°53′43″N）无污染耕地采集0～20cm的耕层土壤，土壤类型为灰钙土，经自然风干、去除杂物，过5mm筛后，取部分土样测其理化性质，其余填装试验土柱。供试土样基本理化性质如表1所示。

供试水样取自经“厌氧反应+两级A/O+MBR生化处理+混凝沉淀+深度处理”后的尾菜再生水，处理后再生水常规水质指标符合GB 5084—2021《农田灌溉水质标准》和GB 20922—2007《城市污水再生利用农田灌溉用水水质》规定；以自来水为对照，供试水样水质情况如表2所示。

1.2试验设计

试验用土柱为有机玻璃管材，外径25cm，高72cm，壁厚0.50cm，反滤层高5cm。柱体上方配套容积为11L的马氏瓶，布设管道式灌水系统，每个土柱在土面上方等距插入4个滴头；柱体底部设有排水孔，用于尾水收集；柱体自上而下17cm、33cm、49cm处设有取样孔。

供试土壤经自然风干、筛分后，以土壤实际容重和含水率计算每5cm土层所需填装的土壤质量为3 230.28g，土壤分层由下而上装入柱内，每个土柱均分为12次填装，每次填装均要保证土壤颗粒分布均匀。在土柱填装过程中，严格将土柱内壁边缘土壤压实，以保证灌水时无贴壁水流现象，尽量避免边缘效应发生（土柱内壁均匀涂抹凡士林），装填完成后，用0.20mm厚度铝箔包裹土柱外壁。

试验采用再生水和自来水2种灌溉水质，充分灌溉、非充分灌溉2个灌溉水平，充分灌溉量为田间质量持水量的90%（90%FC，7.86 L），非充分灌溉量为田间质量持水量的70%（70%FC，6.12 L）。共计4个处理：再生水充分灌溉（VW-09FC）、再生水非充分灌溉（VW-07FC）、自来水充分灌溉（TW-09FC）、自来水非充分灌溉（TW-07FC），每个处理设3次重复。试验共用土柱48根，采取分批次报废形式，即每取一批土样相应报废12根土柱，共取4批土样。所有土柱填装完成统一用自来水（按实际田间持水量计算8.74L）滴灌18d，用以稳定土柱中土壤结构。

根据当地作物生长周期及水肥管理模式，确定18d为一个灌水周期，整个试验累计16个灌水周期，共计288d。每灌水4个周期取一次土样，即在试验开始后的第4、8、12、16灌水周期进行土样分层取样，室内土柱试验自2021年7月23开始，至2022年4月25日结束。

1.3测定指标与方法

再生水和自来水的pH值采用PHSJ-4F型pH计（HJ 1147—2020）测定；水溶性总盐含量采用DDSJ-308F电导率仪测定；总磷含量采取钼酸铵分光光度法（GB 11893—89）测定；总氮含量采取碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法（HJ 671—2013）测定；总钾含量采用原子吸收分光光度计法测定，再生水有机质按照《水溶肥料有机质含量的测定》（NY/T 1976—2010）规定的方法测定，水质粪大肠菌群数量采用稀释涂布平板法测定。

土壤含水率通过水分烘干法测定；土壤pH的测定根据NY/T 1377—2007采用PHSJ-4F型pH计测定；土壤水溶性总盐含量根据GB 7871—87采用DDSJ-308F电导率仪测定；土壤总磷含量采取流动注射—钼酸铵分光光度法（HJ 671—2013）测定；土壤总氮含量采取碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法（HJ 671—2013）测定，土壤总钾含量采用碱熔—原子吸收分光光度计法测定，土壤有机质含量采用重铬酸钾容量法（GB 9834—88）测定，土壤粪大肠菌群数量采用稀释涂布平板法测定。

1.4数据处理及分析

采用Excel 2010进行数据处理、计算及制图；采用SPSS 20.0进行显著性分析。

2结果与分析

2.1再生水不同灌溉处理对土壤pH、EC的影响

不同土层土壤pH和EC如表3所示。与对照相比，再生水无论哪种灌溉水平，各土层pH均无显著性差异（P>0.05），随着灌溉次数的增加，再生水灌溉处理表现出先降低后升高的趋势。

再生水两种灌溉处理均会显著提高土壤EC值（P＜0.05），其中在充分灌溉条件下，再生水灌溉在72d、144d、216d、288d土样EC值较对照分别提高了28.57%、36.00%、45.70%、51.87%；非充分灌溉条件下，再生水灌溉较对照分别提高了27.05%、27.24%、33.46%、49.83%；且再生水灌溉288 d较72 d相比，充分灌溉EC值提高了31.38%，非充分灌溉EC值提高了29.32%，差异均达到显著水平（P＜0.05），结果如图1所示。

再生水灌溉会显著提高土壤可溶性盐含量，且随着灌溉次数的增加，再生水无论是充分灌溉还是非充分灌溉，土壤盐含量均有增加的趋势，而自来水灌溉土壤EC值变化趋势不显著（P＞0.05）。

2.2再生水不同灌溉处理对土壤TN、TP、TK和OM的影响

不同灌溉处理土壤各土层营养元素含量结果如表4所示。与对照相比，再生水无论是充分灌溉还是非充分灌溉，在72d、144d、216d、288d均提高了0～60cm各土层土壤中全氮（TN）、全磷（TP）、全钾（TK）和有机质（OM）含量。VW-09FC、VW-07FC处理与对照相比，无论短期灌溉还是长期灌溉，均显著提高了表层（0～20cm）土壤TN、TP含量（P＜0.05），其中再生水充分灌溉较对照相比，土壤TN、TP含量分别增加了5.08%～9.68%、6.40%～11.35%；非充分灌溉较对照相比，分别增加了4.31%～7.44%、4.73%～9.50%。土壤TK和OM含量也有所增加，但差异不显著（P＞0.05）。随着灌溉次数的增加，土壤营养元素都有向深层土壤迁移的趋势，且长期灌溉后两种再生水灌溉模式下深层土壤养分含量均显著高于对照（P＜0.05）。由图2可知，随着灌溉次数的增加，土壤TN、TP、TK和OM含量均有增大的趋势，且VW-09FC处理营养素的累积量略高于VW-07FC处理。说明再生水灌溉会提高土壤肥力，随着灌溉次数的增加，土壤营养元素在各土层表现出一定的累积效应，且有向深层土壤迁移的趋势，这可能是由于再生水中营养元素的流动性与土壤吸附性相互作用所致。

2.3再生水不同灌溉处理对土壤粪大肠菌群的影响

不同灌溉处理土壤粪大肠菌群分布如表5所示。无论是哪种再生水灌溉水平，经灌溉72d、144d、216d、288d后，与对照相比，0～20cm、20～40cm土层土壤粪大肠菌群数量均显著提高（P<0.05），其中0～20cm土层再生水充分灌溉较对照相比，分别提高了6.57%、6.60%、5.88%、7.96%；再生水非充分灌溉较对照相比，分别提高了5.47%、5.76%、6.81%、5.29%；20～40cm土层再生水充分灌溉较对照相比，分别提高了6.25%、5.10%、6.49%、6.21%；再生水非充分灌溉較对照相比，分别提高了4.84%、5.30%、5.30%、6.29%；而40～60cm土层土壤粪大肠菌群数量与对照相比无显著性差异（P>0.05）。随着灌溉次数的增多，再生水无论是充分灌溉还是非充分灌溉，各土层土壤粪大肠菌群数量在时间维度上均无显著性变化（P>0.05），而随着土壤深度的增加，再生水两种处理粪大肠菌群数量均表现出显著降低的趋势（P<0.05）。

2.4土壤理化性质和粪大肠菌群数量的相关性分析

经再生水长期灌溉0～20cm土层土壤理化性质和粪大肠菌群总量（FDC）的相关性分析如表6所示。FDC与pH、EC、TN、TP、TK呈显著正相关（P<0.05），与OM呈正相关（P>0.05）；EC与TN、TP、TK均呈极显著正相关（P<0.01），与OM呈负相关；OM与TN、TP、TK均呈负相关；TN、TP与TK相互之间呈极显著正相关（P<0.01）。说明再生水灌溉条件下所引起的土壤TN、TP、TK含量的增加更有利于粪大肠菌群的增殖。

3讨论

研究表明，再生水中含有大量的可溶性盐和营养物质，经长时间灌溉使其富集于土壤中导致土壤盐含量增加，而土壤体系本身的缓冲作用，致使再生水长期灌溉对土壤pH影响较小［2122］，这与本研究结果一致。由于土壤的缓冲作用，再生水不同灌溉水平和不同灌溉时段，不会对土壤pH造成显著差异，说明再生水灌溉不会加重土壤碱化。而再生水不同处理条件下，土壤EC值有持续增大的趋势，导致这种现象的发生可能是由于再生水中高的可溶性盐含量和不同灌水量的淋溶效应等多种因素共同作用的结果，这与已有研究结果相似［2324］。总之，再生水灌溉与对照相比，对pH影响较小，但显著提高了土壤可溶性盐含量，增加了土壤积盐风险［15， 25］。

再生水中会存留丰富的营养物质，很多学者研究了不同来源再生水灌溉对土壤肥力的影响，但大多数研究认为再生水灌溉可以提高土壤肥力［2628］，也有少数学者认为再生水灌溉对土壤肥力影响不显著或不会增加土壤肥力的结论［29］。造成结论不一致的原因可能是由于不同地域土壤类别、不同作物对营养元素的吸收能力及不同灌溉模式引起的。本研究结果表明，无论是哪种再生水灌溉处理，土壤总氮、总磷、总钾及有机质含量均高于相应对照，这可能是由于再生水中含有丰富的营养元素经灌溉后在土壤中富集所致。

灌溉水中的粪大肠菌群数量直接影响土壤中粪大肠菌群的数量和分布［30］，尾菜再生水中粪大肠菌群数量较高，灌溉后显著提高了土壤表层粪大肠菌群数量，而对深层土壤粪大肠菌群数量无显著影响，这与韩洋等［31］研究一致。这可能是由于土壤本身的强吸附性，致使土壤表层大肠杆菌向深层土壤迁移的过程中速度极为缓慢［32］。再生水不同灌溉水平研究表明，无论短期灌溉还是长期灌溉，再生水充分灌溉下土壤表层粪大肠菌群数量均高于非充分灌溉，这与Wen等［33］研究结果一致，可能由于再生水灌溉体量越大，粪大肠菌群数量越多所致；此外，再生水中高的营养元素也可能导致大肠杆菌的大量繁殖。因此，合理控制再生水灌水量可以有效阻控土壤表层粪大肠菌群数量，进而降低尾菜再生水灌溉下土壤病原菌的污染风险。

再生水灌溉可以改变土壤微生物群落的数量和多样性，并针对性地刺激土壤中的代谢途径或微生物活性，进而影响土壤肥力和生产力［3435］。土壤理化性质和粪大肠菌群的相关性分析表明，FDC与pH、EC、TN、TP、TK均呈显著正相关（P<0.05），与OM呈正相关（P>0.05）。原因可能是尾菜再生水灌溉增加了土壤中的营养元素含量，这为粪大肠菌群的增殖提供了能量，进而有利于病原菌在土壤中的生长和传播。因此，尾菜再生水在农业回用过程中要加大病原菌的去除力度及检测力度，以保证尾菜再生水农田回用的安全性和可靠性。

4结论

1）  本文通过土柱滴灌淋溶试验，研究尾菜再生水不同灌溉水平对土壤理化性质和粪大肠菌群分布的影响，揭示再生水不同灌溉模式下土壤质量的分布特征。

2）  通过对0～60cm土层理化指标、养分及粪大肠菌群的测定，发现再生水不同灌溉处理均显著提高了0～20cm土层总氮和总磷含量（P<0.05），且增幅分别为4.31%～9.68%、4.73%～11.35%；总钾和有机质含量略有增加，但不显著（P>0.05），说明再生水灌溉能够在一定程度上增加土壤养分，提高土壤肥力，且长期充分灌溉（90%FC）优于非充分灌溉（70%FC）；长期再生水灌溉对土壤pH影响较小，但显著提高了土壤的可溶性盐含量（P<0.05），EC值增幅为27.05%～51.87%，增加了土壤积盐风险；无论是哪种再生水灌溉水平，与对照相比，均显著提高了0～40cm土层粪大肠菌群数量（P<0.05），增幅为4.84%～7.96%，说明再生水灌溉增加了土壤病原菌污染风险。

3）  通过相关性分析可知，再生水灌溉条件下，FDC与pH、EC、TN、TP、TK呈显著正相关（P<0.05），与OM呈正相关；EC与TN、TP、TK均呈极显著正相关（P<0.01），与OM呈负相关；OM与TN、TP、TK均呈负相关；TN、TP与TK相互之间呈极显著正相关（P<0.01）。

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