2020, Vol. 39
面对日益增长的社会经济可持续发展需求，合理利用再生水进行农田灌溉是实现污水资源化、降低污水排放率的有效途径，具有重要的现实意义。然而，再生水虽经二级处理，其中仍含有较高的盐分、有机物和悬浮固体等[1-2]，长期灌溉可能导致土壤物理化学性质发生改变[3]，直接影响土壤团聚体的组成[4]，使得团聚体对土壤有机碳的固持和释放能力发生改变[5-6]。Tarchitzky等[7]研究发现再生水携带大量盐分进入受灌土壤后，使得土壤盐分含量提高，有利于促进土壤颗粒的絮凝作用，使得土壤颗粒团聚性增加；Halliwell等[8]研究认为再生水中Na+浓度过高会使土壤颗粒膨胀和团聚体分散，破坏土壤团聚体结构；李霄云等[9]研究表明有机污染型水体灌溉可以显著改善微团聚体的特性，增大土壤团聚度从而改善土壤结构状况；盛丰等[10]研究发现采用含盐灌溉水-清水交替灌溉有利于提升土壤团聚体稳定性，抑制土壤板结；郑顺安等[11]研究表明再生水灌溉促进土壤中>2 mm的大粒径团聚体向较小粒径转化，有效改善砂质紫色土有机碳库。以上研究初步证实再生水灌溉显著影响受灌土壤团聚状况及有机碳分布特征。但关于受灌土团聚状况与有机碳含量之间的内在联系还缺乏深入研究，不同灌溉模式下土壤团聚体及其有机碳分布差异还不清楚。随着南方地区社会经济发展和节水城市建设理念的推行，再生水的利用在中国亚热带地区受到越来越多的重视，研究再生水灌溉模式对土壤团聚体及其有机碳分布的影响对提高南方地区再生水利用率具有重要意义。为此，本文以潮土、紫色土和水稻土为研究对象，采用再生水进行模拟灌溉试验，以清水灌溉为对照，分析再生水不同灌溉模式（再生水灌溉、再生水-清水混合灌溉及再生水-清水交替灌溉）下土壤团聚体含量及稳定性、土壤总有机碳、各粒级团聚体有机碳及其对土壤总有机碳贡献率的差异，以期为再生水资源化利用及土壤肥力提高途径提供一定的理论依据和技术支持。
1 材料与方法 1.1 供试材料供试土壤为研究区域内具有代表性的潮土、紫色土及水稻土，分别取自湖南省岳阳市（29°03′21.8″N，113°00′ 46.2″E）和湖南省长沙市（28°11′ 45″N，113° 07′ 33″ E和28°18′ 44.4″N，113°16′ 10.5″ E），主要土地利用方式为旱地和水田。利用随机、多点（10个点）法采集表层0~20 cm土样，自然风干，除去根、石块等杂物，磨碎过2 mm筛，充分混匀后备用。供试土壤的理化性质见表 1。其中土壤机械组成采用吸管法测定；取20g试验土样按土水比1:5浸提后取上清液测定其电导率（EC）和pH；土壤有机碳的测定采用重铬酸钾氧化法。
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表 1 供试土壤基本理化性质 Table 1 Initial physical-chemical properties for tested soils |
试验再生水取自长沙市花桥污水处理厂，污水处理采用A2/O处理工艺，日处理能力9.57万m3。经处理后的污水水质符合国家《城市污水再生利用农田灌溉用水水质》（GB 20922—2007）和《农田灌溉水质标准》（GB 5084—2005）。其pH为7.6±0.02，EC为1 000.13±134.75 μS·cm-1，SO42-、Cl-、K+、Na+、Ca2+、Mg2+分别为37.51±4.67、38.2±6.8、6.12±1.22、20.58±2.38、7.95±0.27 μg·L-1和5.61±0.53 μg·L-1，SAR为7.92±1.04，总氮（TN）、总磷（TP）、总悬浮物（TSS）和化学需氧量（COD）分别为3.92±1.01、0.79±0.52、4.80±1.02 mg·L-1和39.80±7.68 mg·L-1。
1.2 试验设计及过程考虑到灌溉过程中降雨的介入，且理想状态下雨水为纯净水，试验采用蒸馏水灌溉作为对照（CK）。为揭示再生水不同灌溉模式下土壤团聚体及其有机碳分布特征的差异，探寻一种对土壤团聚体及其有机碳含量改善较好的再生水灌溉模式。试验设置再生水灌溉（RW）、再生水-清水混合灌溉（RW-2）及再生水-清水交替灌溉（ARW）3种灌水模式。其中，RW-2为利用蒸馏水将再生水稀释2倍后灌溉；ARW为第一次采用再生水灌溉，下次采用蒸馏水灌溉，两者依次交替进行。
试验于2017年3月—2018年10月在湖南农业大学灌溉排水工程实验室内进行。试验土柱由直径26 cm，高32 cm的圆形培养桶制成，桶底均匀分布直径5 mm的渗水小孔以避免空气封闭和让多余的水流出。装土前在桶底铺设两层直径1 mm的纱网，而后均匀装填5 cm石英砂过滤层，过滤层表面铺设一层直径1 mm纱网。按1.20 g·cm-3的设计容重分层（5 cm）装填土柱，层与层之间采用毛刷进行打毛处理，装填高度为17 cm。土柱装填完毕后，每个土柱分别采用6 L蒸馏水进行初灌，灌水时在土壤表面放置防冲滤网，防止灌水过程中对培养桶中的土壤造成冲刷作用。灌水后24 h内堵塞培养桶底孔以保证试验土样充分饱和，而后打开培养桶底孔将土柱自然风干。试验过程中所有土柱均采取避雨措施，防止自然降雨对试验造成干扰。
用于控制灌水下限的指标主要有土壤含水量和土水势。试验随机选取6个土柱埋设张力计，张力计埋在土柱中部、埋深为10 cm。试验根据张力计测定的土水势控制土柱灌水下限。试验土壤含水量达到田间持水量时张力计读数为10~35 kPa，土壤含水量低于田间持水量的60%已为轻度干旱，一般将此含水量作为灌溉的起点，因此每次当张力计读数为80~ 100 kPa时即进行灌水。每次灌水均测定土壤稳定入渗率，当前后3次土柱稳定入渗率均小于5%时，认为土壤结构基本稳定，终止灌水试验。灌溉持续时间1 a，每次灌水量均为6 L，共灌溉8次，单个土样灌水定额48 L。每个处理重复3次。灌水试验终止后，将土柱自然风干两星期左右。从每个处理的3个重复样品中采集0~15 cm原状土样，充分混合后形成1个处理的复合样品，用于土壤团聚体分离及其有机碳测定。
1.3 测定项目及方法 1.3.1 土壤团聚体组成及稳定性采用干筛法测定土壤团聚体组成[12]。取200 g土样用震击式标准振筛机（ZBSX-92A型，孔径依次为5、2、0.5 mm和0.25 mm）在最大功率下振荡5 min后，分别得到粒径>5、2~5、0.5~2、0.25~0.5 mm和 < 0.25 mm 5个级别土粒，称量各粒级土样质量。根据干筛法测定团聚体比例，称取50 g土样，采用湿筛法测定团聚体水稳定性[12]，用土壤团粒分析仪（FT-3型，孔径依次为5、2、0.5 mm和0.25 mm）以30次·min-1频率振荡10 min，将各粒级土样置于100 ℃烘箱中烘干并称质量。利用公式（1）和公式（2）分别计算各粒级团聚体及大团聚体（R0.25）百分含量，利用公式（3）和公式（4）计算土壤团聚体平均质量直径（MWD）和几何平均直径（GMD）[12]。
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(1) |
式中：Wi为各粒级团聚体百分含量，%；Mi为各粒级团聚体烘干土质量，g。
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(2) |
式中：Mr>0.25为粒径>0.25 mm团聚体烘干土质量，g。
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(3) |
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(4) |
式中：Xi为各粒级团聚体平均直径，mm。
1.3.2 团聚体有机碳含量由于土壤养分的水溶性较大，任何涉及化学物质的预处理都可能对养分状况产生很大影响。因此本文将干筛后各粒级土壤分别研磨后用于土壤有机碳的分析[13]。团聚体有机碳对土壤总有机碳贡献率（F）采用公式（5）计算。
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(5) |
式中：OCi为第i级团聚体中有机碳含量，g·kg-1；SOC为土壤总有机碳含量，g·kg-1。
1.4 试验数据处理运用Duncan′s法对不同处理间的差异显著性进行分析，显著性检验设定为P < 0.05，采用Pearson方法对土壤水稳定性团聚体参数进行相关性分析。
2 结果与分析 2.1 再生水灌溉模式对土壤团聚体分布及其稳定性的影响干筛处理后，3种灌溉模式下土壤机械稳定性团聚体分布特征见图 1。潮土以>5 mm、2~5 mm和0.5~ 2 mm等3个粒级团聚体为主，3个粒级团聚体总量为79.90%~92.70%；紫色土以>5 mm和2~5 mm两个粒级团聚体为主，两个粒级团聚体总量为73.00%~ 82.82%；水稻土则以2~5 mm和0.5~2 mm两个粒级团聚体为主。两个粒级团聚体总量为61.90%~ 68.22%。3种土壤R0.25均达89.56%以上（表 2）。方差分析表明：相比CK，除潮土RW处理R0.25无显著差异外，其他处理差异均显著（P < 0.05）；紫色土和水稻土各处理下R0.25均无显著性差异。经湿筛处理后，土壤水稳性团聚体分布特征见图 2。湿筛过程中非水稳性大团聚体破碎成较小粒级团聚体，使得3种土壤R0.25相比干筛处理后显著降低（表 2），潮土、紫色土和水稻土依次分别下降18.31%~30.09%、16.44%~ 20.10%和11.74%~24.45%。方差分析表明：相比CK，除潮土ARW处理下R0.25差异显著外（P < 0.05），其他处理均无显著差异；紫色土和水稻土各处理下R0.25差异均不显著。
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图 1 干筛处理下各粒级土壤团聚体含量 Figure 1 The contents of soil aggregates with different particle sizes by dry seive |
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表 2 干筛与湿筛处理下不同灌溉模式R0.25含量 Table 2 The contents of macroaggregates by dry sieve or wet seive under different irrigation modes with reclaimed water |
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图 2 湿筛处理下各粒级土壤团聚体含量 Figure 2 The contents of soil aggregates with different particle sizes by wet seive |
MWD和GMD是反映土壤团聚体大小分布状况的常用指标，其值越大表明土壤平均粒径团聚度越高，抗侵蚀能力越强。从表 3可以看出，潮土各处理下MWD和GMD表现为CK>RW-2>ARW>RW，相比CK，MWD和GMD分别显著降低13.61%~33.31%和7.24%~14.37%（P < 0.05）；紫色土表现为RW>RW-2> ARW>CK，相比CK，MWD和GMD分别显著增长46.05%~85.46%和12.19%~25.31%（P < 0.05）；水稻土MWD和GMD均表现为RW - 2>CK>RW>ARW，相比CK，RW-2处理下MWD和GMD分别增长2.86%和7.71%，其他处理则分别降低4.02%~8.19%和1.69%~2.97%，但差异均不显著。
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表 3 再生水不同灌溉模式下大团聚体与微团聚体有机碳含量 Table 3 The contents of soil macroaggregate-associated organic carbon and microaggregate-associated organic carbon under different irrigation modes with reclaimed water |
图 3表明3种灌溉模式下土壤总有机碳含量变化显著（P < 0.05）。相比初始有机碳含量，潮土和水稻土分别增长2.62%~34.07%和40.72%~73.05%；紫色土RW和RW - 2处理分别增长61.02%和67.87%，而ARW和CK处理则分别降低11.00%和19.36%。多次灌水后，潮土各处理总有机碳含量表现为ARW>RW> RW-2>CK，相比CK，分别显著增长14.57%~30.65%（P < 0.05）；紫色土总有机碳含量表现为RW-2>RW> ARW>CK，相比CK，各处理分别显著增长9.13%~ 103.36%（P < 0.05）；水稻土各处理总有机碳含量表现为RW>CK≈RW - 2>ARW，相比CK，RW处理增长8.16%，ARW处理下降13.70%，但差异均不显著。
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不同字母表示不同处理差异显著（P < 0.05，n=3）。下同 Different letters indicate significant difference among treatments (P < 0.05, n=3). The same below 图 3 再生水不同灌溉模式下土壤总有机碳含量 Figure 3 The content of soil total organic carbon under different irrigation modes with reclaimed water |
图 4表明3种灌溉模式下土壤团聚体有机碳含量变化显著（P < 0.05）。相比CK，RW、RW-2和ARW处理下，潮土各粒级团聚体有机碳含量依次分别显著增长1.10%~44.56%、- 8.28%~53.18%和- 0.79%~ 48.11%（P < 0.05）；紫色土分别显著增加40.29%~ 163.09%、110.40%~129.67%和10.96%~27.70%（P < 0.05）；水稻土RW处理各粒级团聚体有机碳含量分别显著增长8.35%~19.54%（P < 0.05），RW-2处理除0.5~2、2~5 mm两个粒级团聚体有机碳含量分别显著增长27.43%~46.75%（P < 0.05）外，其他粒级团聚体分别显著降低6.54%~33.51%（P < 0.05），ARW处理除0.25~0.5 mm粒级团聚体有机碳含量增长9.25%外，其他粒级团聚体有机碳含量分别显著降低2.76%~ 42.20%（P < 0.05）。
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图 4 再生水不同灌溉模式下各粒级土壤团聚体有机碳含量 Figure 4 The contents of organic carbon in soil aggregates with different particle sizes under different irrigation modes with reclaimed water |
>0.25 mm粒级团聚体称为大团聚体，< 0.25 mm粒级团聚体称为微团聚体。根据实测各粒级团聚体含量及其有机碳含量计算大团聚体有机碳含量和微团聚体有机碳含量（表 3）。潮土、紫色土和水稻土大团聚体有机碳含量均显著高于微团聚体有机碳含量（P < 0.01），其比值依次分别介于9.87~18.84、17.29~ 29.95和8.83~21.54。相比CK，各处理下潮土、紫色土和水稻土中大团聚体有机碳含量分别增长26.60%~ 46.43%、14.80%~99.13%和-3.16%~20.47%，方差分析表明：潮土ARW处理，紫色土RW和RW-2处理与水稻土RW处理大团聚体有机碳含量相比CK差异均显著（P < 0.05），其他处理无显著性差异。相比CK，潮土RW处理微团聚体有机碳含量增长6.87%，RW-2和ARW处理则分别降低40.31%和21.67%；紫色土各处理微团聚体有机碳含量分别显著增长24.87%~ 195.59%；水稻土除ARW处理下降48.01%外，RW-2和RW处理则分别增长53.65%和12.02%。方差分析表明：除紫色土RW-2与水稻土RW处理微团聚体有机碳含量相比CK差异性显著（P < 0.05）外，其他处理均无显著性差异。
2.3 不同粒级团聚体对土壤总有机碳的贡献率根据实测各粒级团聚体百分含量及其有机碳含量计算3种土壤总有机碳含量，在潮土、紫色土和水稻土中，其与实测土壤总有机碳含量的比值分别介于0.98~1.04、0.91~0.98和0.97~1.11。为方便作图与描述，本文采用计算土壤总有机碳含量表征再生水灌溉后的3种土壤总有机碳含量。
由图 5可以看出，不同灌溉模式下，潮土各粒级团聚体对土壤有机碳的贡献率均以2~5 mm粒级团聚体最大，>5 mm和0.5~2 mm粒级团聚体次之，其中>0.5 mm粒级团聚体对土壤总有机碳的贡献率为82.06%~90.66%；紫色土各处理对土壤总有机碳的贡献率以>5 mm和2~5 mm为主，其中>2 mm粒级团聚体对土壤总有机碳的贡献率共占71.21%~78.99%；水稻土各处理下则以0.5~2 mm粒级团聚体最大，2~5 mm粒级团聚体次之，其中0.5~5 mm粒级团聚体对土壤总有机碳的贡献率共占58.21%~69.96%。从图 5和表 3还可看出：大团聚体有机碳含量对土壤总有机碳含量的贡献率介于89.42%~97.09%，微团聚体有机碳含量的贡献率仅为2.91%~10.58%（不考虑土壤质地差异）。
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图 5 团聚体有机碳含量占土壤总有机碳含量的百分比 Figure 5 The proportion of aggregate-associated organic carbon contents in soil total organic carbon contents |
不同质地土壤由于土壤黏粒、粉粒及本身化学物质等含量差异影响土壤对入渗溶液中化学物质的吸附截留能力[14]。使得再生水入渗对3种土壤团聚体组成产生不同影响，造成潮土、紫色土和水稻土优势粒级团聚体分布差异。从表 3可以看出，潮土MWD和GMD表现为CK>RW-2>ARW>RW，紫色土表现为RW>RW-2>ARW>CK，水稻土则表现为RW-2>CK> RW>ARW。这表明再生水3种灌溉模式均降低潮土团聚体水稳定性，对紫色土团聚体水稳定性有增强作用；除RW-2处理外，其他处理均降低水稻土团聚体水稳定性。3种土壤团聚体水稳定性差异主要与土壤有机碳含量及土壤黏粒含量有关。土壤有机碳是形成土壤团聚体的重要胶结物质，土壤中有机碳含量增长会促进土壤较大粒级团聚体的形成[15]。由于再生水中盐分含量较高（1 000.13±134.75 μS·cm-1），盐分进入土壤首先作用于土壤团聚体胶结物质，使得胶结剂发生糊化由凝胶变为溶胶，土壤胶结剂被软化溶解后，土壤团聚体遭到破坏，水稳定性降低。当盐分离子与土壤胶结剂反应过程结束后，继续与土壤黏粒发生水化膨胀作用，使得土壤结构进一步被破坏。从图 3可以看出，虽然3种灌溉模式下潮土有机碳含量相比CK显著增长（P < 0.05），但总体有机碳含量仍较低，而RW、RW-2和ARW等处理带入土壤的盐离子较多，部分盐离子将土壤有机碳软化溶解，其余继续与土壤黏粒发生水化膨胀作用，潮土黏粒含量较高（38.00%），3种灌溉模式下潮土黏粒与盐离子的水化膨胀作用高于CK处理，使得潮土团聚体水稳定性显著降低。而紫色土RW、RW-2和ARW处理带入的有机碳胶结作用大于再生水带入的盐离子对土壤胶结剂的破坏作用，使得紫色土团聚作用提高，团聚体水稳定性增强。水稻土各处理有机碳含量变化并不显著，且黏粒含量较低（26.00%），与盐分的水化膨胀作用较弱，使得水稻土各处理团聚体水稳定性变化不显著。
试验前土壤溶液中化学物质浓度基本相同，再生水灌溉条件下，由于RW-2处理对再生水原液具有一定的稀释作用，使得入渗溶液中化学物质浓度处于较低水平；而ARW处理在清水交替灌溉时，对土壤的淋洗作用较为强烈，使得潮土和水稻土RW处理下团聚体水稳定性低于RW-2或ARW处理。而紫色土RW处理团聚体水稳定性高于RW-2或ARW处理，这可能是紫色土RW处理较高的有机碳含量造成的，其具体原因还需进一步深入研究。
3.2 再生水不同灌溉模式下土壤团聚体有机碳含量及其贡献率差异由于再生水中所含的有机物成分复杂，难以一一分离测定。为了全面地反映再生水中有机物状况，本试验选用COD作为反映有机物含量的因子[9]。以往研究认为再生水灌溉促进土壤有机质含量的累积[11, 16-17]，本研究结果与其具有一致性（图 3）。这是由于再生水中含有较高浓度的悬浮物（TSS为4.80± 1.02 mg·L-1）及有机质（COD为39.80±7.68 mg·L-1）等，灌溉时给土壤输入了一定量的有机碳源，导致潮土和紫色土总有机碳含量显著增长（图 3）。其次，由于再生水3种灌溉模式下潮土团聚体稳定性降低（表 3），团聚体结构被破坏，导致团聚体内部相对稳定的有机质被暴露，使得潮土总有机碳含量增加。由于RW-2处理对再生水中化学成分浓度具有一定的稀释作用，弱化再生水灌溉对土壤有机物质的补给强度；ARW处理下，清水灌溉对土壤中有机物质的淋洗作用导致土壤有机质随灌溉水迁移流失，使得水稻土RW-2和ARW处理土壤总有机碳含量低于RW处理。
土壤有机胶结物质的变化驱动土壤团聚体组成发生变异，进而影响土壤有机碳在不同粒级团聚体中的分配。由表 3可以看出，3种土壤大团聚体有机碳含量显著高于微团聚体有机碳含量（P < 0.01）。这与Choudhury等[18]和Kabiri等[19]的研究结果相似。说明大团聚体是土壤有机碳供给的主要来源[20]。大团聚体的形成和周转是影响土壤有机碳动态变化的关键过程[21]，由于微团聚体具有较大的比表面积，新鲜输入的有机物质进入土壤后，首先与土壤中粒径相对较小的微团聚体通过胶结作用聚合为大团聚体[22]，导致有机碳发生转移进入大团聚体，从而降低微团聚体中有机碳含量。由图 4可以看出，虽然潮土和紫色土微团聚体有机碳含量相比其他粒级总体无显著性差异，且水稻土RW和CK处理微团聚体有机碳含量显著高于其他粒级团聚体，但微团聚体贡献率却远小于大团聚体。这表明土壤团聚体含量是引起团聚体养分贡献率变化的主要因素，这与王碧胜等[23]研究结果一致。再生水3种灌溉模式下，土壤团聚体均以机械稳定性大团聚体为主（最低为89.56%），而团聚体有机碳对土壤总有机碳的贡献率取决于各粒级团聚体中有机碳含量和各粒级团聚体百分含量，使得大团聚体有机碳含量对土壤总有机碳含量的贡献率显著高于微团聚体（表 3）。
4 结论（1）再生水3种灌溉模式下，土壤机械稳定性团聚体均以大团聚体为主，湿筛后3种土壤大团聚体含量显著降低（P < 0.05）。再生水灌溉显著降低潮土团聚体水稳定性（P < 0.05），对紫色土团聚体水稳定性具有增强作用，采用RW-2模式可以增强水稻土团聚体水稳定性。
（2）再生水灌溉使得潮土和紫色土总有机碳及各粒级团聚体有机碳含量显著增长（P < 0.05），水稻土变化不显著。3种土壤大团聚体有机碳含量及其对土壤总有机碳的贡献率均显著高于微团聚体（P < 0.01）。
（3）从改善土壤团聚状况及有机碳固持方面考虑，在紫色土和水稻土上进行再生水灌溉更适合。紫色土以RW模式改善效果最好，水稻土更适合采用RW-2模式。
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