第 26 卷 第 5 期 农 业 工 程 学 报 Vol.26 No.5

34 2010 年 5 月 Transactions of the CSAE May 2010

再生水灌溉对典型土壤盐分和离子浓度的影响

徐小元 1，孙维红 3，吴文勇 2，刘洪禄 2※，李法虎 3，窦超银 4

（1．西安理工大学水利水电学院，西安 710048； 2．北京市水利科学研究所，北京 100048；

3．中国农业大学水利与土木工程学院，北京 100083； 4．中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101）

摘 要：为推动再生水安全灌溉，避免土壤盐渍化。该文研究了不同再生水灌溉年限对土壤盐分的影响。结果表明，不

同再生水灌溉年限对各层土壤电导率、pH 值无显著影响，而钠吸附比有所增加，但仍在适宜范围内。再生水灌溉后土壤

中 Na+、Mg2+、K+和 Cl-含量总体呈现增加趋势，但在 0～40 cm 层位增加不显著，40～80 cm 存在增加明显，土壤盐分

在降水淋溶作用下具有向根系活动层以下迁移的趋势，华北地区气候条件下再生水灌溉引起耕层土壤盐分显著累积的风

险较低。

关键词：灌溉，节水，再生水，土壤盐分

doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2010.05.006

中图分类号：S153 文献标识码：A 文章编号：1002-6819(2010)-05-0034-06

徐小元，孙维红，吴文勇，等. 再生水灌溉对典型土壤盐分和离子浓度的影响[J]. 农业工程学报，2010，26(5)：34－

39.

Xu Xiaoyuan, Sun Weihong, Wu Wenyong, et al. Effect of irrigation with reclaimed water on soil salt and ion content in

Beijing[J]. Transactions of the CSAE, 2010, 26(5): 34－39. (in Chinese with English abstract)

0 引 言

再生水灌溉可以缓解农业水资源短缺形势，促进作

物生长[1]、减少化肥施用量[2-3]，但是再生水灌溉还存在

一定风险[4]。有研究表明再生水灌溉具有增加表土盐度的

趋势[5-8]，也有研究发现再生水灌溉未导致土壤盐碱程度

显著增加[9-13]。草坪长期再生水灌溉导致了渗流层顶层土

壤中钠水平显著增加，如果长期用再生水灌溉草坪草有

可能导致土壤次生盐渍化[14-15]，再生水灌溉导致土壤中

钠含量增加，但由于土壤良好的排水性，试验土壤中的

盐度没有增加[16]。国外对再生水灌溉的研究较为深入，

但是国内在再生水灌溉对土壤盐分的影响规律研究方面

还不充分。

本文主要通过开展华北半湿润地区再生水灌溉试

验，研究不同灌溉年限对土壤盐分的影响，从而为该地

区再生水灌溉的使用和推广提供理论依据。

1 试验设计

1.1 试验区概况

试验在北京市通州区永乐店的北京市水利科学研究

所农业节水中心试验站完成。该试验站位于北纬 39°20'，

收稿日期：2009-07-31 修订日期：2010-04-12

基金项目：国家“863”计划项目（2006AA100205）；北京市“十一五”重

大科技攻关课题（D0706007040291）

作者简介：徐小元（1969－），男，湖北红安人，高级工程师，博士生，主

要从事水文水资源的研究。西安 西安理工大学水利水电学院，710048。

Email：xuxy@bjpc.gov.cn

※通信作者：刘洪禄（1963－），男，辽宁营口人，教授级高工，博士，中

国农业工程学会会员（B041100012S），主要从事再生水灌溉、农业节水方

向的研究。北京市海淀区车公庄西路 21 号 北京市水利科学研究所，

100048。Email: liuhonglu@yeah.net

东经 114°20'，处于永定河和潮白河冲积平原，地势平坦，

平均海拔为 12 m，属于温带大陆性半湿润季风气候区，

多年平均日照时数为 2 459 h，平均气温为 11.5℃，平均

降水量为 565 mm，无霜期 185 d。

试验共安排 12 个试验小区，试验小区附近设置气象

站。试验小区并排布置，周围为大田作物。每个小区的

面积为 2 m×3 m =6 m2。在每个试验小区周围采用浆砌

砖墙与外界或相邻小区隔离，以防止相互干扰。砖墙高

0.5 m，其中地面以上 0.2 m、地面以下 0.3 m，墙外水泥

抹面；砖墙以下采用厚 1 mm、宽 1 m 的土工防渗膜隔离。

试验小区的土壤为原状土壤，土壤质地为粉砂质黏壤土，

其主要黏土矿物为伊利石和蒙脱石。试验小区各层土壤

颗粒组成如表 1 所示。

表 1 试验小区土壤机械组成和体积质量

Table 1 Mechanical composition and bulk density of

experimental field

土层深度/cm 黏粒/% 粉粒/% 砂粒/% 干体积质量/(g·cm3)

0～10 15.8 74.6 9.6 1.671

10～20 15.2 76.1 8.7 1.579

20～40 14.9 78.3 6.8 1.485

40～60 13.8 76.2 10 1.464

60～80 10.8 84.4 4.8 1.472

1.2 试验处理

试验设置 4 个处理，分别是清水连续灌溉 6 a、清水

灌溉 3 a 后再生水灌溉 3 a、再生水灌溉 4 a 后清水灌溉

2 a 和再生水连续灌溉 6 a。试验处理随机排列，每个处理

重复 3 次。从 2000 年 10 月份开始至 2006 年 6 月份，试

验持续 6 a。试验小区以及周围大田作物为冬小麦与夏玉

米连作，每次灌水量相同，均为 450 m3/hm2。冬小麦每

第 5 期 徐小元等：再生水灌溉对典型土壤盐分和离子浓度的影响 35

年 9 月 30 日左右播种，播种前施加底肥（复合肥）

450 kg/hm2，拔节时施追肥（尿素）300～375 kg/hm2；夏

玉米于每年 6 月 16 日左右播种，播种时施加底肥（尿素）

450 kg/hm2，抽雄时施追肥（尿素）300～375 kg/hm2。试

验所用再生水来自北京市高碑店污水处理厂的二级出

水，清水为试验站的地下水。灌溉水化学见如表 2。

表 2 灌溉水水质指标

Table 2 Quality of irrigation water

质量浓度/(mg·L-1)水质指标

K+ Ca2+ Na+ Mg2+ Cl- SO42- 全氮 有机氮 总磷

电导值（EC） pH 值

地下水 4.9 45.6 105 68.6 67.2 98.6 0.28 0.02 0.14 1.11 7.63

再生水 83.5 87.6 120 34.0 223.1 147.7 34.00 2.00 3.70 1.19 7.34

冬小麦和夏玉米生育期内的灌水时间和灌水次数根

据生育期实际情况而定。2000－2006 年冬小麦和夏玉米

生长季节内降雨量和灌水次数如表 3 所示。

表 3 冬小麦和夏玉米生长季节内降雨量和灌水次数

Table 3 Rainfall and frequency of irrigation in growing season of

winter wheat and summer corn

冬小麦 夏玉米生长季节

降雨量/mm 灌水次数 降雨量/mm 灌水次数

2000-10－2001-10 83.6 5 251.1 3

2001-10－2002-10 158.0 5 354.3 1

2002-10－2003-10 156.0 5 247.9 2

2003-10－2004-10 218.2 3 467.6 0

2004-10－2005-10 112.4 5 328.0 1

2005-10－2006-06 96.9 3 351.8 1

1.3 取样及分析

土壤取样时间为 2006 年 6 月 17 号（小麦收获时间）。

取土深度由地面至 100 cm 深处，每 10 cm 取一土样。测

定土水质量比 1︰5 浸提液的电导率（EC）、pH 值以及

Ca2+、Mg2+、K+、Na+、SO42-、Cl-、CO3

2-和 HCO3-浓度。

EC 值由电导测定仪（DDS-307A，上海楚柏）测定；pH

值由 pH 计（pHS-3B，上海现科）测定；Ca2+、Mg2+、

K+和 Na+采用等离子质谱法（ICP-MS，上海赛默飞世尔）

测定；SO42-和 Cl-采用离子色谱法（DX-300，美国戴安公

司）测定；CO32-和 HCO3

-采用容量法测定。

1.4 数据处理及分析

土壤钠危害用土壤提取液的钠吸附比（ sodium

adsorption ratio，SAR），单位是(mmol/L)0.5，按下式计算

12+ 2+ 2

[ ]

[Ca +Mg ]

NaSAR

式中：Na+、Ca2+和 Mg2+——浓度，mmol/L。

采用运用双尾 t-检验成对双样本均值分析法对试验

数据进行分析，置信区间 α=0.05。

2 结果与分析

2.1 对土壤电导率（EC 值）的影响

如图 1，各种灌溉处理的土壤 EC 值随土壤深度呈现

先增大后减小的变化趋势，再生水 3 a 处理 40 cm 深度处

和再生水 4 a 处理 60 cm 深度处 EC 值出现峰值，说明随

着灌溉年限的增加，土壤 EC 值具有向下迁移的趋势。试

验地处于华北平原，在季风气候的控制下，土壤盐分含

量受蒸发积累与降雨淋溶过程的双重控制。本次试验取

土前的半个月时间内，分别在 5 月 26 日、5 月 27 日、6

月 6 日和 6 月 7 日发生降雨，其中 5 月 26 日降雨量达到

55.1 mm。取土前期大量的降雨以及持续的阴雨天气减小

了土壤水分的蒸发和土壤盐分的累积，同时降雨淋洗导

致盐分的下移，从而导致了较低的表层（＜30 cm）土壤

盐分浓度和各处理之间较小的盐分差异。而深处土壤盐

分较小的原因可能与该处土壤的质地有关。60 cm 以下土

壤中较少的黏粒含量可能有助于盐分的淋洗。

图 1 不同灌溉处理条件下土壤电导率随土壤深度的变化

Fig.1 Soil EC value versus soil depth for various treatments

与地下水灌溉处理相比，整个土壤剖面上（0～

100 cm）的土壤盐分在再生水灌溉后虽有稍微增大之趋

势（图 2），双尾 t-检验分析表明，再生水灌溉 3、4 和

6 a 后 0～100cm 土层内的盐分含量与清水灌溉相比没有

显著性差异（α≤0.05）。由于降雨淋洗作用以及再生水

中相对不太高的盐分浓度（与地下水相比），短期的再

生水灌溉不会引起试验地区土壤中的盐分累积。

图 2 不同处理对土壤剖面平均电导率的影响

Fig.2 Effects of different treatments on averaged

EC value on soil profile

土壤电导值/（dS·m-1）

36 农业工程学报 2010 年

2.2 对土壤 pH 值的影响

如图 3，不同深度土壤的 pH 值变化不大，且不同处

理之间的土壤 pH 值也基本相似。除表层（0～10 cm）、

50～60 cm 和 70～80 cm 土层外，其他土层 pH 值在再生

水灌溉条件下均小于清水灌溉。这可能是由于再生水中

较高的有机质所致。有机质分解的有机酸、CO2 会降低土

壤 pH 值，但由于土壤本身的缓冲能力，各处理之间的

pH 值变化并不显著[17]。双尾 t-检验分析表明，再生水灌

溉 3、4 和 6 a 后 0～100 cm 土层内的 pH 值与清水灌溉相

比没有显著性差异（α≤0.05）。

图 3 不同处理对土壤 pH 值随土壤深度的变化

Fig.3 Variations of soil pH value versus soil depth for various

treatments

2.3 对土壤钠吸附比（SAR 值）的影响

如图 4，3 个不同年限再生水处理与清水相比总体呈

现增加的趋势。除 20～30 cm 土层外，再生水灌溉 6 a 后

土壤的SAR值均高于清水灌溉处理，其变化范围在30%～

136%之间。再生水灌溉 4 a 后的土壤 SAR 值在 0～10 cm

和 40～90 cm 土层内明显地高于清水灌溉，增幅为

33.7%～104%；而在其他土层内均不同程度地减小，减幅

为 5.8%～22.7%。再生水灌溉 3 a 后土壤 SAR 值的变化规

律与灌溉 6 a 的基本相似，但两者的差异为 3.8%～151%。

虽然再生水灌溉情况下的土壤 SAR 值比清水灌溉处理的

高，但其最大值 1.13(mmol/L)0.5 远小于土壤碱化的临界

SAR 值 13(mmol/L)0.5。

图 4 不同处理对土壤 SAR 值随土壤深度的影响

Fig.4 Variation of soil SAR with soil depth for

various treatments

再生水灌溉增大了土壤的 SAR 值，见图 5。在整个

土壤剖面上，再生水灌溉 3、4 和 6 a 处理时的平均 SAR

值分别高出清水灌溉的 50%、16%和 68%。

图 5 不同处理对土壤剖面上平均 SAR 值的影响

Fig.5 Effects of different treatments on averaged SAR

on soil profile

盐分在降雨的淋洗作用下下移，尤其是易溶的钠盐，

因此，不同灌溉处理上层土壤 SAR 值可能相差不大，但

在 60 cm 以下各层，不同处理年限之间差异较大。

再生水灌溉 4 a 处理和再生水灌溉 3、6 a 之间存在显

著差异是因为再生水灌溉4 a之后又连续2 a的清水灌溉，

经过清水灌溉后，再生水灌溉4 a对土壤的影响逐渐减小，

各层 SAR 值开始接近清水灌溉水平，且沿深度变化与清

水灌溉一致。降雨结束到收获采样期间，由于作物吸水，

周围含有一定盐分的水向根系补充，水去盐存导致根层

SAR 值较大，因此，在清水灌溉处理中可以看到 SAR 值

先增大再减小的变化，再生水灌溉由于钠盐的淋洗累积，

根层以下 SAR 值也较大，整个土层中 SAR 值沿深度增加。

根据以上分析可以得知，长期再生水灌溉可能会改

变土壤质地，但经过清水的淋洗，土壤环境可以得到一

定的改善。根据美国盐土实验室提出的盐土和碱土的定

义，将土水质量比 1︰5 浸提液中的电导率（图 1）和 SAR

值（图 4）换算成饱和浸提液的相应参数值，从而可以判

断出，在试验条件下，短期的再生水灌溉不会导致土壤

的盐化或碱化，再生水可以作为一种农业水资源加以利

用，这与有关研究结论一致[18]。但由于再生水灌溉会导

致土壤中盐分稍微累积之趋势以及土壤 SAR 值有较显著

的增加，因此测试的再生水作为灌溉水源长期使用时会

对土壤存在潜在的盐碱化危险。

2.4 对土壤 Ca2+、Mg2+、Na+和 K+浓度的影响

由于再生水中还有较高的 Na+、K+离子含量，尤其是

K+含量远高于地下水，在灌溉过程中，Na+、K+和 Ca2+、

Mg2+发生离子交换，不同再生水灌溉处理土壤剖面浓度

发生显著变化。如图 6，不同再生水处理 0～100 cm 深度

Ca2+、Mg2+、Na+和 K+变化幅度分别为-1%～3%、-3%～

35%、17%～61%和 5%～38%，总体呈现增加的趋势，其

中，Ca2+总体变化幅度不大（α≤0.05）。从剖面深度来

看，Ca2+、Mg2+、Na+在 0～40 cm 变化不显著，在 40～

80 cm 层位累积明显，说明在降水淋溶作用下，盐分具有

向下迁移的趋势；K+在 0～40 cm 深度增加较为显著。

第 5 期 徐小元等：再生水灌溉对典型土壤盐分和离子浓度的影响 37

再生水灌溉 3、4 和 6 a 后土壤剖面上的平均 Na+浓

度比清水灌溉处理分别高出 52%、17%和 61%。这些数

据显示，长期的再生水灌溉将导致 Na+在土壤中的累积，

但适当的淋洗可以降低 Na+累积带来的风险。再生水不同

灌溉年限处理中，土壤 K+浓度增幅顺序为：再生水灌溉

6 a＞再生水灌溉 3 a＞再生水灌溉 4 a，分别增加了 38%、

11%和 5%。双尾 t-检验分析表明，再生水灌溉 3 a 和灌

溉 4 a 内 K+平均含量与清水灌溉相比没有显著性差异

（α≤0.05），再生水灌溉 6 a 后显著高于清水灌溉

（α≤0.05）。可见，与钠离子相比，K+累积速率要慢一

些。

图 6 不同处理对土壤剖面平均 Ca2+、Mg2+、Na+和 K+浓度的影响

Fig.6 Effects of different treatments on averaged Ca2+, Mg2+, Na+ and K+ concentrations in soil profile

2.5 对土壤 SO42-、Cl-和 HCO3

-浓度的影响

不同处理 SO42-浓度随深度呈现增加的趋势（图 7a），

再生水灌溉 3、4 和 6 a 处理与地下灌溉处理相比 0～100

cm 土壤 SO42-浓度分别降低了 0.42%、5.93%和 8.33%，

处理间无显著差异（α≤0.05）。

而再生水灌溉 3、4 和 6 a 处理条件下的土壤平均 Cl-

浓度分别比地下水灌溉处理增加了 77.57%、38.80%和

56.03%，呈显著增大趋势（α≤0.05）。其主要原因可能

是由于再生水中过高的 Cl-浓度（表 2），Cl-总体呈现向

下迁移的趋势（图 7b）。

HCO3-是在土壤剖面上总体呈现随深度逐渐减小的

趋势（图 7c），各处理之间在 α≤0.05 的可能概率水平

下没有显著性差异。因此，与地下水灌溉处理相比，再

生水灌溉不会因碳酸盐沉淀而导致土壤碱化危害的进一

步加剧。

从以上对土壤中各离子的测定结果可知，长期再生

水灌溉会导致 Na+、Mg2+、K+和 Cl-在土壤中的累积，Na+、

Mg2+和 Cl-在 0～40 cm 耕作层总体累积不明显，在 40～

80 cm 层位累积较为明显，说明再生水灌溉条件下盐分离

子向下迁移作用明显。由于自 1999 年以来试验地区处于

持续偏旱，降水仅为多年平均的 70%左右，降水对盐分

淋溶作用减弱情况下耕层盐分并未出现显著累积，因此，

在平水年降水情况下土壤盐分淋溶作用更为显著，再生

水灌溉导致 0～100 cm 土壤盐分累积的风险将进一步减

弱。同时，合理安排再生水灌溉制度，如再生水与清水

轮灌等，可在一定程度上降低再生水应用可能带来的负

面影响，从而有利于再生水资源化利用。

38 农业工程学报 2010 年

图 7 不同处理对土壤剖面平均 SO42-、Cl-和 HCO3

-浓度的影响

Fig.7 Effects of various treatments on averaged SO42-, Cl- and HCO3

- concentrations in soil profile

3 结 论

再生水灌溉 3、4 和 6 a 处理导致 0～100 cm 土壤盐

分及 Na+、Mg2+、K+、Cl-离子浓度呈现增加的趋势，其

中，Na+、Mg2+、Cl-浓度在 0～40 cm 耕层增加不显著，

在 40～80 cm 层位增加较为明显，说明土壤盐分在降水

条件下存在向根系活动层以下迁移的趋势，土壤钠吸附

比（SAR 值）随着再生水灌溉年限的增加而增大，而土

壤 pH 值处理间无显著差异。由于试验区连续 6a 降水仅

为多年平均的 70%，不利于土壤盐分向深层淋溶，在此

条件下土壤电导率（EC 值）、SAR 值总体水平仍在适宜

范围内（SAR≤10(mmol/L)0.5），且处于降低水平；若在

正常降水年份，降水淋溶作用将更加显著，再生水灌溉

导致土壤盐分累积的风险会进一步降低。因此，华北地

区降水条件下长期再生水灌溉导致耕层土壤盐分累积的

风险较低。不同区域实施再生水灌溉应当根据当地降水

条件、土壤条件制定合理灌溉制度，避免负面影响。

[参 考 文 献]

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Effect of irrigation with reclaimed water on soil salt and ion content in

Beijing

Xu Xiaoyuan1, Sun Weihong3, Wu Wenyong2, Liu Honglu2※, Li Fahu3, Dou Chaoyin4

(1. Institute of Water Resources and Hydro-electric Engineering of Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China;

2. Beijing Hydraulic Research Institute, Beijing 100048, China;

3. College of Water Resources and Civil Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China;

4. Institute of Geographic Sciences and Natural Resources, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China)

Abstract: In order to promote safe irrigation with reclaimed water for preventing soil salinisation, field experiments

were conducted to research the effects of different irrigation durations with reclaimed water on soil salt. The results

showed that the irrigation durations of reclaimed water imposed little effect on electrical conductivities and pH value of

soils in various depths. Soil sodium ratio (SAR) increased with it, but SAR is still in the scope of the feasible range. The

contents of Na+, Mg2+, K+, and Cl- in one meter soils column increased due to reclaimed water irrigation, which changed

slightly in the soil depth from zero to forty centimeters and increased significantly in the soil depth from forty

centimeters to eighty centimeters. The results showed that soil salt tended to penetrate outside of tillage layer by

precipitation leaching. There is low risk in soil sanitation with reclaimed water irrigation.

Key words: irrigation, water conservation, reclaimed water, soil salinity