0 引言
再生水、养殖废水作为一种经济可行的废水，可有效缓解我国北方干旱半干旱地区农业水资源紧缺的压力[1-2]。再生水中含有氮、磷、钾和有机物，但再生水也会向土壤中带入重金属和盐分并逐年累积，存在一定风险[3]。我国是农业大国，集约化畜禽养殖业发展迅速，畜禽养殖位居世界第一，养殖场废水数量大，分布广，处理利用率低，养殖废水还田可以把其中高质量浓度的氮磷加以利用，可在一定程度上缓解农业水资源紧缺状况[4]。废水中的高盐分会随着灌溉进入土壤，导致土壤表层盐分积聚[5]。废水可持续利用的2个限制因素是过量的NO-3淋溶入地下水以及引起土壤的盐碱化[6]。
生物质炭是生物质通过厌氧热解产生的富碳材料，对土壤体积质量、保水能力及微生物多样性、酸度改良、修复重金属和有机物污染等产生有利影响，其用作土壤改良剂以提高作物产量的效果已被广泛证实[7]，但其对北方碱性土壤盐碱化的影响报道较少。果胶是一种重要的细胞壁多糖，促进细胞壁延长和植物生长，是植物根尖黏液中的一种成分，参与土壤中许多重要的反应[8]。植物通过根系吸收土壤溶液中的养分和有效金属，植物根系分泌的黏液存在于根际土壤中，黏液可与土壤相互作用，从而影响金属（Al[9]、Cd[8]、Cu[10]）、养分（N[11]、Ca[12]、B[13]）等在土壤-植物系统中的迁移转化，影响微生物的生长[14]，但其对土壤盐碱化的影响报道也相对较少。生物质炭和果胶的添加可能会通过影响土壤的盐基离子从而影响土壤的盐碱化，而迄今关于生物质炭和果胶对再生水和养殖废水灌溉下土壤盐碱化影响的研究较少。因此，选取新乡市郊区农田土壤为供试土壤，种植玉米，采用根箱试验方法，探讨生物质炭和果胶对再生水和养殖废水灌溉下土壤盐碱化的影响。以期为再生水和养殖废水的农业合理灌溉以及生物质炭和果胶的农业安全利用提供一些科学依据。
1 材料和方法
1.1 供试材料
试验土壤为新乡市郊区农田0～20 cm土壤，土壤类型为碱性砂壤土，基本性质见表1。土样风干磨碎后过2 mm筛备用。生物质炭是由河南省商丘市三利新能源有限公司提供的小麦秸秆炭，总C、总N、总P、总K质量分数分别为625.84、5.24、0.89、44.24 g/kg，阳离子交换量为33.6 mmol/kg。果胶购买自阿拉丁试剂公司，半乳糖醛酸（干基计）量不低于74%。玉米种子为浚单20。试验所用再生水取于新乡市骆驼湾污水处理厂（厦门水务集团（新乡）城建投资有限公司），设计处理能力为日处理污水15.00万m3。自2003年12月正式投入运行以来，污水处理设备运转良好，日平均处理污水量为9.77万m3。该公司采用先进的污水处理设备，厂区主体工艺采用A/O处理工艺，经处理后的污水水质排放标准为国家《城镇污水处理厂排放标准》一级A排标准。所选养猪场属于I级规模集约化养殖场，养殖废水收集池建有微生物厌氧消化（即沼气发酵，通过厌氧水解菌和厌氧产甲烷菌的代谢活动，将废水污染物中的大分子水解为小分子，最终转化为甲烷和二氧化碳）处理系统，废水经处理后符合《畜禽养殖业污染物排放标准》（GB 18596—2001），粪大肠菌群数未检出，蛔虫卵死亡率达98%。水样基本性质见表2。
表1 土样基本性质
表2 水样基本性质
1.2 根箱试验
试验于2016年8—10月在中国农业科学院农田灌溉研究所日光温室进行。采用长14 cm、高17 cm、宽12 cm的PVC根箱（图1）进行试验，沿长边把根箱用300目尼龙网分成5部分（5∶1∶2∶1∶5），二头为非根际，其次为过渡层，最中间为根际。各处理N（尿素）、P（过磷酸钙，P2O5质量分数为16%）、K（氯化钾）添加量均分别为200、100、200 mg/kg。试验设灌溉水源和添加物二因素，其中灌溉水源包括蒸馏水、再生水和养殖废水，添加物包括生物质炭、果胶、不添加。生物质炭或果胶均按1%的比例与土壤混匀，同时设置不加生物质炭和果胶的处理。为了与1%生物质炭进行比较，也为了更好地揭示果胶添加对土壤性质影响的机理，故选用了1%的果胶添加量；每个根箱装土3 kg，灌蒸馏水400 mL，第1天在根际播种玉米，每个处理播6粒种子。种子发芽1周后每个处理间苗至3株，然后开始进行不同处理，以蒸馏水为对照（CK），进行再生水和养殖废水灌溉，共9个处理，每个处理重复3次。试验期间保持土壤水分为田间持水率的70%，每个根箱总灌溉水量约为3 L。试验共进行60 d，在第60天取根际和非根际土样，风干研磨过60目筛备用。
图1 根箱图
1.3 测定项目与方法
根据《土壤农业化学分析方法》[15]，按1∶2.5的固液质量比制备土壤悬液，用电位法测定pH值，用电导法测定EC；制备1∶5土水质量比浸提液，采用原子吸收分光光度法（HITACHI，Z-5000）测定Ca2+、Mg2+，用火焰光度法（上海傲谱，HP1401）测定K+、Na+，用离子色谱法（THERMO Scientific，DioNEX ICS-900）测定Cl-、NO3-、SO42-，用双指示剂中和滴定法测定HCO3-、CO32-，采用气量法测定碳酸盐。土壤盐分采用离子总和法计算，由于灌溉后土壤NO3-量相对较高，会造成电解质质量浓度较高，因此兹计算的总盐分为八大离子与NO3-之和。土壤的碱化度（ESP）为土壤胶体上吸咐的交换性Na+占阳离子交换量的比例（%），钠吸附比（SAR）为土壤溶液中的Na+与Ca2+、Mg2+之和平方根的比值。
采用SPSS 16.0（SPSS Inc.，Chicago,IL,Version 16.0）对数据进行方差分析，并采用Duncan’s多重检验法对各个处理进行差异显著性检验。
2 结果与分析
2.1 土壤pH值
各处理土壤pH值如表3所示。从表3可以看出，不同的灌溉水源对土壤pH值有极显著影响（P＜0.01），而添加生物质炭或果胶对土壤pH值无影响。不添加和添加果胶条件下，再生水灌溉的根际土壤pH值显著高于蒸馏水灌溉的，可能是由于再生水带入的有机氮发生矿化作用引起了pH值升高。除添加果胶的再生水灌溉根际土壤pH值和养殖废水灌溉根际土壤pH值无显著差异外，再生水灌溉根际和非根际土壤pH值均显著高于相应的养殖废水灌溉的，增加了0.12～0.32。养殖废水中铵态氮量较高，在本试验土壤pH值条件下，铵态氮很容易进行硝化反应，而硝化反应释放质子会导致土壤pH值下降[16]，且硝化作用抵消了矿化作用导致的pH值升高，综合表现为土壤pH值下降。养殖废水灌溉时，果胶处理根际土壤pH值显著高于添加生物质炭的，可能是因为养殖废水带入了较多的有机质，生物质炭的碳氮比是119∶1，而果胶含炭不含氮，碳氮比过大不利于微生物的分解，生物质炭相比于果胶会有利于微生物的分解活动，生物质炭处理在有机氮发生矿化作用后硝化作用也相对活跃。
表3 各处理土壤pH值、电导率和碳酸盐量
注 同一指标下同列数据不同字母表示处理间差异显著（P＜0.05），下同。
2.2 土壤电导率和碳酸盐
土壤电导率与土壤含盐量有较高的相关性[17]，土壤电导率是反映土壤盐渍化的重要指标。土壤碳酸盐主要成分是碳酸钙，对土壤酸碱度、养分状况、土壤胶体性状影响较大，是土壤分类和用土改土的重要依据之一[15]。再生水和养殖废水灌溉下添加生物质炭和果胶后土壤电导率和碳酸盐量如表3所示。
从表3可以看出，再生水和养殖废水灌溉对土壤碳酸盐量无显著影响，添加生物质炭和果胶对土壤碳酸盐量也无显著影响。灌溉水源对根际和非根际土壤电导率均有极显著影响（P＜0.01），添加物对非根际土壤电导率有极显著影响（P＜0.01）。与蒸馏水灌溉相比，再生水灌溉增加了根际和非根际土壤电导率，养殖废水灌溉增加了非根际土壤电导率。再生水灌溉的土壤电导率均高于养殖废水灌溉的，这是因为再生水的电导率大于养殖废水的。不加生物质炭和果胶时，再生水灌溉条件下的根际和非根际土壤电导率分别比蒸馏水灌溉条件下的增加了16.0%和58.8%（P＜0.05），养殖废水灌溉条件下的非根际土壤电导率比蒸馏水灌溉条件下的增加了20.9%。在蒸馏水灌溉时，添加生物质炭或果胶后根际和非根际土壤的电导率均低于不添加的，但无显著性差异。在再生水和养殖废水灌溉时，添加生物质炭后根际和非根际土壤的电导率均高于不添加物质和添加果胶的，这主要是由于添加生物质炭增加了土壤可溶性K+和NO3-的量（表4）。在养殖废水灌溉条件下，添加生物质炭后非根际土壤电导率显著高于不添加物质的和添加果胶的（P＜0.05），分别高了34.9%和30.9%。在蒸馏水和再生水灌溉条件下，添加生物质炭和果胶对土壤电导率无显著影响。灌溉水源相同时，添加生物质炭土壤电导率普遍高于添加果胶的，而添加果胶的土壤电导率与不添加物质的无显著性差异。
再生水和养殖废水灌溉条件下添加生物质炭或果胶后土壤盐分离子和总盐分量如表4所示。从表4可以看出，再生水和养殖废水灌溉对土壤盐分有显著影响（P＜0.05），且在非根际区达到极显著性水平（P＜0.01）；对根际和非根际土壤总盐分、K+、Na+、SO42-、NO3-以及非根际土壤Ca2+、Mg2+、Cl-有极显著影响（P＜0.01），对根际Cl-、HCO3-有显著影响（P＜0.05）。与蒸馏水灌溉相比，再生水灌溉增加了根际和非根际土壤的Na+、Mg2+、Cl-、SO42-、NO3-的量，进而增加了土壤总盐分量。以不加添加物为例，再生水灌溉根际和非根际土壤的Na+量分别比蒸馏水灌溉土壤高了267.1%（P＜0.05）和504.7%（P＜0.05），Mg2+量分别高了2.8%和44.1%（P＜0.05），Cl-量分别高了128.3%和244.8%（P＜0.05），SO42-量分别高了15.8%和112.5%（P＜0.05），NO3-量分别高了127.4%和15.5%，总盐分分别增加了0.32 g/kg和0.84 g/kg（P＜0.05），土壤由轻度盐渍化转为中度盐渍化。而养殖废水灌溉相比于蒸馏水灌溉，非根际土壤的Ca2+、Mg2+、总盐分有所增加，根际和非根际的NO3-量均增加，其中NO3-量增加最明显。不添加生物质炭和果胶处理，养殖废水灌溉根际和非根际土壤的NO3-分别比蒸馏水灌溉处理高了377.4%和154.5%（P＜0.05）。
添加生物质炭和果胶对根际和非根际土壤的K+、Na+、Ca2+、HCO3-以及根际土壤Mg2+、非根际土壤NO3-有极显著影响（P＜0.01），对非根际土壤Mg2+和非根际土壤总盐分有显著影响（P＜0.05）。与不添加物质处理相比，添加生物质炭增加了土壤的K+和NO3-的量。再生水灌溉时，添加生物质炭后根际土壤K+和NO3-分别比不添加物质处理提高了74.7%（P＜0.05）和63.4%，非根际土壤分别提高了64.8%（P＜0.05）和27.2%。养殖废水灌溉时，添加生物质炭后根际土壤K+和NO3-量分别比不添加物质处理提高了92.6%（P＜0.05）和99.9%，非根际土壤分别高了71.6%（P＜0.05）和54.8%（P＜0.05）。同时，养殖废水灌溉时，添加生物质炭后非根际土壤的Ca2+、Mg2+、Cl-、NO3-量比不添加物质处理分别提高了32.4%、28.9%（P＜0.05）、230.65%（P＜0.05）和54.8%（P＜0.05）。添加果胶处理与不添加物质处理相比增加了根际和非根际土壤Na+的量，却降低了根际和非根际土壤K+、Ca2+和Mg2+的量以及根际土壤HCO3-的量。以养殖废水灌溉根际土壤为例，添加果胶后根际土壤的Na+比不添加物质处理的显著增加了121.1%（P＜0.05），K+、Ca2+、Mg2+和HCO3-量分别降低了17.5%、28.7%（P＜0.05）、25.9%（P＜0.05）和28.9%（P＜0.05）。综合生物质炭和果胶对盐基离子的影响，添加果胶后土壤总盐分量均低于不添加物质处理，而添加生物质炭后用养殖废水灌溉时非根际土壤总盐分比不添加物质处理显著提高了40.4%（P＜0.05），其他条件下与不添加物质处理无显著差异。
2.3 土壤钠吸附比和碱化度
土壤的钠吸附比（SAR）和碱化度（ESP）可以反映土壤的碱化程度，试验结果如图2（图中直方柱上方不同英文字母表示处理间差异显著（P＜0.05））所示。
表4 土壤各盐分离子量和总盐分量
图2 土壤钠吸附比和碱化度
从方差分析结果得知，灌溉水源对SAR和碱化度ESP有极显著影响（P＜0.01）。与蒸馏水灌溉相比，再生水灌溉显著增加了所有处理根际和非根际土壤的SAR和ESP（P＜0.05），养殖废水灌溉显著降低了果胶处理根际和非根际土壤的SAR以及生物质炭和果胶处理非根际土壤的ESP（P＜0.05），这与土壤水溶性Na+的变化趋势一致（表4）。在再生水灌溉条件下，果胶处理根际土壤以及所有处理的非根际土壤SAR均超过了10，土壤已呈碱化状态。虽然再生水灌溉导致土壤ESP显著增加，但未超过15%（土壤碱化的临界值）。与养殖废水灌溉相比，再生水灌溉有引起土壤碱化的风险。
灌溉水源相同时，添加果胶显著增加了根际和非根际土壤的SAR和ESP（P＜0.05），而添加生物质炭对此无显著影响，因为果胶增加了土壤Na+量（表4）。以再生水灌溉根际土壤为例，添加果胶后土壤SAR和ESP分别比不添加物质处理显著增加了43.87%和35.11%。添加果胶使蒸馏水和再生水灌溉的根际土壤SAR均超过了10，土壤呈现碱化。
3 讨论
已有研究中添加生物质炭对土壤盐分的影响主要表现在：①生物质炭具有较强的吸附Na+的能力，从而减少了土壤中可溶性Na+量[21]；②生物质炭孔隙丰富，比表面积较大，具有较强的保水能力，对土壤盐分有稀释效应，降低了渗透压[22]；③生物质炭向土壤中释放K+、Ca2+、Mg2+，进而降低了Na+的比例，保持了土壤溶液中的养分平衡[23]；④生物质炭改善了土壤的孔隙结构、团聚体，降低了土壤体积质量，促进了土壤中盐分的淋洗[24]。本研究采用根箱，灌溉未起到淋洗作用。蒸馏水灌溉时，添加生物质炭降低土壤电导率和盐分的主要原因是生物质炭降低了土壤中可溶性Ca2+、Mg2+、SO42-和HCO3-的量；在再生水灌溉时，添加生物质炭在降低了土壤中可溶性Ca2+、Mg2+、SO42-和HCO3-量的同时，增加了土壤可溶性K+和NO3-量，综合表现为对土壤电导率和盐分无显著影响；但用养殖废水灌溉时，土壤电导率和盐分均有所增加，主要原因是土壤中可溶性K+、Mg2+、Cl-和NO3-有所增加，尤其是土壤可溶性NO3-的大幅度增加。再生水和养殖废水灌溉时，添加生物质炭增加了土壤可溶性K+和NO3-量，但养殖废水的含氮量和钾离子量高于再生水的，导致养殖废水引入土壤中的氮和钾较多。因此，生物质炭的作用在养殖废水灌溉时效果更明显。生物质炭对土壤盐分表聚的影响效果还与生物质炭添加量密切相关[25]，当添加量较低（不超过5%）时，抑制土壤蒸发，降低土壤表层返盐量，当生物质炭量较大时（不小于10%），增强土壤蒸发能力，加剧表层土壤盐碱化的程度；生物质炭对不同可溶性离子积累过程的影响有差异，在本试验中，生物质炭主要促进了土壤中K+和NO3-的积累。
果胶的水溶性低，添加的果胶主要在固相部分，其通过官能团与K+、Ca2+和Mg2+结合，从而降低了土壤中水溶态K+、Ca2+、Mg2+的量。而果胶处理土壤水溶性Na+量显著增加的原因可能是果胶呈酸性，对土壤中的碳酸钙有溶出作用，溶出的Ca2+与土壤胶体上的其他阳离子发生交换作用，但Na+的吸附能力最弱，最终被交换下来。
4 结论
与养殖废水灌溉相比，再生水灌溉增加了土壤pH值、EC、盐分、钠吸附比和碱化度，有引起土壤发生次生盐渍化和碱化的风险。添加生物质炭和果胶对土壤pH值无显著影响。与不添加物质处理相比，添加生物质炭后土壤电导率和盐分在蒸馏水和再生水灌溉时无显著变化，但在养殖废水灌溉时显著增加。灌溉水源相同时，添加果胶后土壤电导率和盐分与不添加处理无显著差异。添加果胶后土壤的钠吸附比和碱化度高于添加生物质炭的和不添加物质的。添加生物质炭增加了养殖废水灌溉下土壤发生次生盐渍化的风险，而添加果胶增加了再生水和养殖废水灌溉下土壤发生碱化的风险。
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