基于CNKI文獻統計的中國再生水灌溉研究分析

孫夢瑩，仇振杰,2*

(1. 湖南城市學院 土木工程學院，湖南 益陽 413000；2. 城市地下基礎設施結構安全與防災湖南省工程研究中心，湖南 益陽 413000)

隨著全球人口的增長和城市化進程的加快，用水供需矛盾進一步加劇[1].據統計，近20 a 來，全球人均淡水資源可供量減少了20%，超12 億人口面臨嚴峻的水資源短缺和干旱問題；雖有60%的抽取水被用于農業灌溉，但仍有超60%的灌溉農田正承受巨大的水資源壓力[2].我國作為全球第一人口大國(占世界人口的20%以上)，其水資源總量僅占世界水資源總量的5.1%，人均水資源僅為世界平均水平的28%[3].水資源的緊缺，直接遏制了我國經濟社會的高速發展.

作為唯一一種供給穩定且總量持續增長的水源，再生水(它是指城市生活污水經適當再生工藝處理后，達到了一定的水質標準，可以滿足某種用途的功能要求，能夠進行有益使用的水)回用進行農田和園林灌溉，可以有效地緩解農業用水緊張，提高水資源承載力，并已在世界各地的干旱和半干旱地區得到了廣泛應用[4-5].2012 年，聯合國糧食及農業組織(FAO)出版的38 號(水)報告指出，據估計，全世界污水灌溉面積約達2 000 萬hm2，在水資源日益緊缺的形勢下，再生水在農業灌溉中發揮著重要作用，可將再生水灌溉列為解決水危機的重要舉措[4].

據統計，以色列80%以上的污水經處理后被用于農業灌溉，且到2020 年再生水回用將達到其農業用水量的50%[6].迄今美國市政污水總量約為442 億m3/a，其中可再生利用量約為164 億m3/a[7].相較于以色列、美國等發達國家，我國再生水灌溉利用與研究工作起步較晚，且再生水供水量和利用率均較低.為了緩解水資源供需矛盾，減輕常規水資源開發利用壓力，促進再生水開發利用，國家發展和改革委員會等[8]于2021 年1 月發布的《關于推進污水資源化利用的指導意見》明確指出，至2025 年，全國地級及以上缺水城市的再生水利用率要達到25%以上，京津冀地區要達到35%.截至2019 年，我國可利用再生水量為87.36 億m3/a，約占廢污水排放量的11.7%，僅占農業用水量的2.4%[9].因此，再生水灌溉在我國未來農業生產中的發展潛力巨大.

為了更好地辨析再生水灌溉在我國的發展現狀和趨勢，把握再生水灌溉領域的最新研究動向和前沿技術，本文對1991—2021 年國內關于再生水灌溉的期刊文獻主題、內容等進行了分析，以期為相關研究人員提供參考，推動國內再生水灌溉研究的快速發展.

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源

利用中文科技期刊數據庫(CNKI)，以篇名含“再生水”和“灌溉”或“再生水”和“滴灌”或“再生水”和“地下滴灌”或“再生水”和“地面灌”或“再生水”和“畦灌”或“再生水”和“噴灌”進行檢索；時間選定為1991-01-01—2021-05-21；文獻來源選定為SCI 來源期刊、EI 來源期刊、核心期刊、CSSCI和CSCD；期刊語言選定為中文，并對所有檢索結果，套錄其全部字段數據用于分析.

1.2 研究方法

檢索結果顯示，CNKI 數據庫近30 a 的關于“再生水灌溉”或“再生水滴灌”或“再生水地下滴灌”或“再生水地面灌”或“再生水畦灌”或“再生水噴灌”的研究文獻共236 篇，其中綜述、評估和報道類文獻共38 篇.首先，剔除綜述、評估和報道類文獻，僅針對198 篇研究論文進行數據統計與分析；其次，利用CNKI 數據庫平臺中的分析功能，并通過EXCEL 軟件對所得檢索結果的研究主題、試驗因素、研究區域尺度、灌溉年限等方面的數據進行整理；最后，將所有統計數據用SPSS 軟件進行分析.

2 結果與分析

2.1 文獻主題和研究內容

再生水灌溉研究的文獻分類整理結果如表1所示.由表1 可知，統計數據中試驗研究類文獻共188 篇，占比為95%；數值模擬分析類文獻共10 篇，占比為5%.這可能與再生水成分復雜且其在土壤中的遷移轉化規律仍處于試驗驗證階段而尚未形成統一理論有關.

表1 再生水灌溉研究的文獻分類統計數據 篇

由表1 還可知，在試驗研究類文獻中，較多學者重點關注了再生水和常規水灌溉的區別，共有140 篇文獻涉及灌溉水質的研究；另有37、30和16 篇文獻分別對影響再生水在土壤中分布遷移的灌溉模式、灌溉參數和水肥管理措施進行了探討，相關研究仍有待進一步開展.國內再生水灌溉有關文獻較多地關注了其對土壤理化性質與養分和作物生長及其品質方面的研究，分別為103 和83 篇；再生水灌溉對土壤、作物重金屬離子的遷移累積研究也是學者們關注的熱點，文獻數量分別為34 和21 篇；針對再生水灌溉對土壤和作物生物活性影響的研究文獻分別為20 和13篇；針對再生水灌溉對地下水水質和空氣質量方面影響的研究文獻較少，說明其關注度不高.在所有統計文獻中，明確灌溉方式的文獻共有142篇，其中采用澆灌、地表滴灌和地面灌的方式進行灌溉的研究文獻分別為48、44 和24 篇，占比為82%.這表明再生水灌溉大多以澆灌、地表滴灌和地面灌的方式進行，其他灌溉方式如地下滴灌、噴灌等應用較少.

2.2 研究區域分布

再生水灌溉的研究區域分布如表2 所示.由表2 可知，國內再生水灌溉研究區域涉及19 個省市，占全國31 個省級行政區域(不含香港、澳門和臺灣地區)的61%，這表明再生水灌溉研究在我國覆蓋區域較廣.其中，再生水灌溉研究主要集中于北方地區，研究文獻數量共179 篇，占比為90%；涉及南方地區的研究文獻數量共19 篇，占比為10%.若以降雨量大小劃分干濕區域，我國再生水灌溉研究主要集中在半濕潤區，相關文獻共151 篇，占比為76%；干旱、半干旱和濕潤地區的研究文獻數量分別為3、11 和32 篇，占比分別為2%、6%和16%；其中北方地區和半濕潤區的再生水灌溉研究又主要集中在北京和河南，相關文獻數量分別為90 和32 篇.

表2 再生水灌溉研究區域分布統計 篇

2.3 研究尺度與年限

對再生水灌溉研究對象在時空方面的影響也是學者們關注的熱點，因此試驗研究的尺度大小和灌溉年限是發展再生水灌溉研究的2 個十分重要的方面.表3 給出了國內再生水灌溉研究尺度與年限的統計數據.

表3 再生水灌溉研究尺度與年限統計

由表3 可知，再生水灌溉研究在田間和室內均有開展，文獻數量分別為90 和86 篇；在田間尺度上主要由小區試驗開展，在室內尺度上主要以盆栽試驗開展.不少學者還對再生水灌溉區域野外采集的土壤樣本進行了分析研究，相關文獻數量為29 篇.我國再生水灌溉研究年限偏短，大部分研究不足2 a，其中112 篇文獻研究的灌溉年限低于1 a；灌溉年限介于2～5 a 的研究文獻數量為42 篇，占比為20%；中長期以上研究(灌溉年限≥5 a)僅24 篇，占比為12%.

3 討論

3.1 再生水灌溉影響差異性

與常規水相比，再生水水質復雜.其不僅含有豐富的營養元素，如氮、磷等，可促進作物生長、提高產量，并減少化肥施用量[10]，還含有大量病原體、毒性有機物、懸浮固體、殘留氯、鹽分和微量元素，這可能會降低土壤肥力，增加土壤鹽漬化和地下水污染風險，同時增加人與作物在病原體環境中的暴露風險[4].再生水灌溉對土壤、作物和環境的影響同其各成分的種類和含量也密切相關.鄭錦濤等[11]歸納總結了Sharma 與裴亮等試驗研究中再生水灌溉對土壤團聚體和透氣性影響差異的原因，并認為與再生水有機質含量的差異高度相關.

由于我國各地再生水處理工藝水平不一，在滿足再生水農田灌溉水質標準的前提下，各地再生水水質成分含量的差異較大；同時，再生水水質復雜，各成分之間的相互作用也使得同一水廠再生水的成分隨時間呈波動變化.例如，黃占斌等[12]通過再生水灌溉玉米和大豆盆栽試驗，發現再生水灌溉明顯促進了玉米、大豆的生長，并提高了其產量；黃冠華等[13]同樣取水于北京高碑店污水處理廠，其研究則表明再生水灌溉與常規水灌溉對谷類作物的產量無明顯影響，甚至會帶來土壤鹽分累積進而影響作物生長的負面影響.由此可見，再生水水質成分的差異是造成再生水灌溉試驗研究結果顯著差異的重要原因.

3.2 再生水灌溉對土壤酶活性的影響

酶是土壤中廣泛存在的催化劑，它不僅參與了土壤有機質分解的全過程，還對土壤微生物很多必要的生命進程起催化作用[14-15].由于土壤酶在土壤生物活性中的主導作用及酶活性對土壤管理措施的敏感快速的反映，其常被作為土壤肥力、土壤環境和土壤健康的指示物[15-16].Chen 等[17]通過對美國加州再生水灌溉樣地進行調查研究指出，脲酶、堿性磷酸酶、酸性磷酸酶、脫氫酶和過氧化氫的酶活性在長期再生水灌溉條件下平均增加了2.2～3.1 倍.相似地，針對長期再生水灌溉耕地，Adrover 等[18]分析了其化學性質和生物活性，并指出土壤微生物量、β-葡萄糖苷酶和堿性磷酸酶活性隨再生水灌溉而增加.盡管這些研究表明了再生水灌溉促進了土壤酶活性，但其對土壤生物活性的影響依賴于再生水的水質成分和質量.Liang 等[19]研究了再生水傳輸渠道沿線的土壤理化性質和酶活性變化，發現渠道上中游土壤脫氫酶、β-葡糖苷酶、脲酶、堿性磷酸酶和芳基硫酸酯酶活性顯著增加；下游土壤酶活性在20 a后因重金屬離子在土壤中累積顯著減小.Rietz等[20]研究了灌溉水含鹽量和含鈉量對土壤酶活性的抑制效應，結果表明β-葡糖苷酶、酸性磷酸酶和芳基硫酸酯酶活性隨鹽分增加呈指數降低且隨含鈉量線性降低.此外，由于酶活性對土壤水分和養分的快速反映，其在土壤中的行為特征還受灌溉參數和作物生長的影響.Qiu 等[1]通過2 a的再生水地下滴灌玉米大田試驗，發現滴灌帶埋深顯著影響了酶活性在土壤中的分布，較淺的滴灌帶埋深明顯提高了表層土壤酶活性；較大的滴灌帶埋深則顯著促進了深層土壤酶活性.Kang等[21]采用滴灌灌溉鹽堿地，發現堿性磷酸酶、脲酶和蔗糖酶活性在土壤中的分布以滴頭為中心且隨著滴灌距離的增加而減小，以及隨著灌溉年限延長而增加.目前，灌溉方式和相關技術參數對土壤酶活性的影響尚不清楚，不同灌溉方式的土壤酶活性空間分布也不明晰，尤其是在使用再生水灌溉的條件下.因此，在施用再生水時應更多關注灌溉方式和技術參數對土壤酶活性的影響.

3.3 再生水灌溉方式

與澆灌、地面灌和噴灌相比，滴灌尤其是地下滴灌能夠有效減少灌溉水中病原體數量[22]，避免人畜和作物與再生水中病原體等污染物直接接觸，降低污染物隨地表徑流遷移的風險，減少再生水氣溶膠在空氣中的傳播與異味，是相對安全的再生水灌溉方式[4,10].Fonseca 等[23]研究了再生水噴灌、溝灌和地下滴灌對生菜的影響，結果表明地下滴灌處理后的生菜樣品未檢出大腸桿菌，而噴灌和溝灌處理的生菜樣品大腸桿菌污染濃度較高.滴灌的技術參數也會影響再生水中污染成分在土壤-作物-地下水系統中的遷移轉化.仇振杰[10]研究了在滴灌條件下，灌溉水質、滴灌帶埋深和灌水量對深層滲漏、硝態氮淋失和大腸桿菌分布的影響，結果表明滴灌帶埋深顯著影響了大腸桿菌在土壤中的分布，較大的滴灌帶埋深會導致深層土壤大腸桿菌的累積.然而，再生水在土壤-作物-地下水系統中的行為特征仍缺乏充分研究，滴灌技術參數和水肥管理措施對再生水土壤-作物-地下水系統的影響有待進一步探索.

綠地景觀園林灌溉是應用再生水的一個重要方面.調查研究顯示，我國用于農業灌溉和生態環境的再生水回用量分別占比29%和34%[24].與農田作物灌溉不同，綠地景觀園林接近居民生活區，且一般使用噴灌或微噴灌進行灌溉，其在灌溉過程中霧化程度高，再生水的暴露風險大，易引起人畜呼吸道感染等病癥.郝杰等[25]對經再生水灌溉后的高爾夫球場草坪空氣中的揮發性有機物進行了檢測和健康風險評價，發現當再生水灌溉2 h 后，揮發性有機物的健康風險達到最大值.Manios 等[26]在地中海地區研究了加氯再生水灌溉草坪后對大腸桿菌存活的影響，結果指出加氯處理、高溫和太陽輻射均只能短暫抑制大腸桿菌，在灌溉4 h 后大腸桿菌呈增長趨勢.由此可知，仍需進一步研究土壤類型、深度和灌溉水質與大腸桿菌活性的關系.

除此之外，噴灌可能會引起地表徑流，殘留的再生水會隨著排水系統進入湖泊或地下水，造成富營養化等環境問題.因此，在綠地景觀園林再生水噴灌過程中，灌溉參數對再生水中污染物的遷移以及污染物與環境介質(草類、土壤、空氣)的相互作用規律均是確保再生水灌溉安全的重要研究課題，還有待進一步發展.

3.4 再生水灌溉區域、尺度與年限

我國再生水灌溉區域90%以上集中在北方水資源嚴重短缺的黃、淮、海及遼河流域，且主要集中在北方大、中城市的近郊，形成了北京、天津武寶寧(武清、寶坻、寧河)、遼寧沈撫(沈陽和撫順)、山西惠明及新疆石河子5 大灌區[27].這也是我國再生水灌溉研究主要集中在北方地區的重要原因.統計顯示，2019 年北京市再生水利用量占污水處理總量的58%，居全國首位，遠超排名第2 的山東和云南(44%)[28].新疆、甘肅、寧夏等干旱、半干旱地區再生水利用量占污水處理總量不足15%，而這些地區的農業用水總量已占全國農業用水總量的18%(北京市農業用水總量僅占全國農業用水總量的0.1%)[9].因此，亟需加大干旱、半干旱地區再生水灌溉的研究與推廣.相較于北方地區，南方地區水資源相對豐沛，但仍存在時空分布不均.研究表明，隨著全球氣候變暖，南方干旱明顯加重，尤其是大旱范圍明顯增加[29].2000—2010 年，南方出現了6 次大范圍農業干旱，糧食等種植業損失巨大[30].我國南方是中國經濟較發達的地區，隨著氣候變化和城鎮化加快，區域農業用水面臨日趨嚴重的挑戰，開展再生水灌溉研究有助于緩解南方地區農業水資源在時空分布上的不足.

相較于盆栽、溫室等農業科學試驗，田間試驗是最接近實際生產條件的.只有通過田間試驗確定的研究成果才有可能在生產實踐中進行推廣和應用.然而，田間試驗周期長，環境因子(降水和氣溫等)影響大且不易控制.Van Donk 等[31]在內布拉斯加州評估了地下滴灌對玉米產量的影響，結果表明較多的降水和較冷的天氣導致不同灌溉方式處理的玉米產量無顯著差異.Qiu等[1]通過2 a 的再生水滴灌試驗發現，若降水量高于灌水量，則可消除不同灌水量處理所造成的實驗差異.這可能是再生水灌溉研究中以田間小區形式開展較多的原因.此外，我國再生水灌溉研究涉及年限偏短，再生水灌溉對土壤、地下水和空氣的影響及作物、生物對再生水的響應均是短期行為，具有不確定性.鄭順安等[32]對比研究了6 個不同灌溉年限(2、3、5、8、10 和12 a)的再生水灌區紫色水稻土中重金屬Cu、Pb 和Cd 的富集特征，發現隨著灌溉時間的延長，重金屬離子富集系數呈下降趨勢.由此可知，需注意再生水長期應用對土壤、地下水、空氣和作物的影響變化.

4 結論與展望

水資源短缺已成為限制經濟發展的主要瓶頸之一，將城市污水處理后回用作為替代性水源進行農田和園林灌溉，可以有效地緩解農業用水緊張.加強再生水灌溉研究，確定再生水灌溉水質、灌溉模式、灌溉參數和水肥管理措施對人體健康、土壤、作物、地下水、空氣等環境介質的影響規律及風險等級，有助于推進再生水灌溉在農業中的應用，改善城鄉水生態環境，助力鄉村振興戰略的實現.針對我國再生水灌溉的研究現狀，從以下3 個方面進行展望.

1)優化再生水灌溉標準.再生水灌溉對土壤健康和作物生長的影響較大程度上取決灌溉水質的質量，應嚴格限制再生水成分含量有助于降低再生水灌溉對土壤、作物的不利影響.

2)基于風險控制確定再生水灌溉參數和水肥管理制度，盡量減少或避免人畜、作物在再生水灌溉條件下的暴露風險，有助于再生水灌溉的推廣與利用.

3)強化再生水灌溉的長期監測與評估.灌溉用再生水在土壤-作物-地下水-空氣系統中的遷移轉化需持續、長期地進行監測與評估，同時，對再生水長期利用下引起的環境因子變化的動力學也仍需進一步研究.