经处理废水灌溉干旱区土壤特征的空间变异性：两处商业农场长期影响的比较评估

《Sustainability》：Spatial Variability of Soil Characterization in Arid Regions Irrigated with Treated Wastewater: Comparative Assessment of Long-Term Impacts on Two Commercial Farms

　　

土壤盐渍化和碱化是制约干旱地区农业生产力的主要因素，尤其是在采用经处理废水（TWW）进行灌溉的区域。本研究评估了沙特阿拉伯Wadi Hanifa沿线水体与土壤理化性质的空间变异性，并比较了两处分别以TWW灌溉约5年和15年的农场土壤，以评估灌溉持续时间对土壤性质的影响。研究人员使用手持式全球定位系统（GPS）沿Wadi Hanifa的25个位置采集土壤样品，并采用标准实验室程序分析水体和土壤性质。经处理废水表现出中等电导率（EC = 2.0 dS m^?1）和较低钠吸附比风险（SAR = 1.55），表明其在适当管理措施下适用于灌溉。研究区土壤以粗质地为主，盐分和化学组成存在显著空间变异。土壤pH总体保持相对稳定（7.33–8.07），而EC范围为0.88至2.64 dS m^?1，表明研究区整体处于非盐化至中度盐化状态。两处农场土壤剖面的比较显示，地下层土壤盐分更高，尤其是在采用TWW灌溉15年的农场中，EC达到4.15 dS m^?1，Na⁺浓度达到16.4 meq L^?1。这些观察结果提示，在长期灌溉条件下，盐分在较深土层中发生再分配并累积。总体而言，Wadi Hanifa的土壤与水体质量受空间变异性、土壤粗质地和干旱气候条件的强烈影响。研究结果强调了定期监测盐度与碱化指标，并结合充分淋洗和排水管理措施，对于保障经处理废水在干旱环境农业生产中的可持续利用具有重要意义。

该文发表于《Sustainability》，围绕干旱区经处理废水（TWW）农业回用背景下的土壤环境响应展开。研究背景在于，淡水资源短缺推动了非常规水资源在农业中的利用，TWW因能够补充灌溉水源而在干旱和半干旱地区被广泛采用。然而，TWW长期施用会持续向土壤输入可溶性盐、有机质、养分及微量元素，在高蒸发、低淋洗的干旱气候条件下，容易诱发土壤盐渍化、碱化、养分失衡以及土壤结构与水力学性质退化。Wadi Hanifa作为沙特阿拉伯利雅得地区接受城市排放和污水处理尾水的重要河谷水文系统，具有持续接受TWW输入、冲沟—冲积环境显著、土壤母质和沉积条件复杂等特点，因此是评估干旱区水土质量动态及灌溉长期效应的代表性区域。现有研究虽已证明TWW灌溉可能同时带来肥力提升与盐分风险，但针对Wadi Hanifa不同灌溉年限条件下土壤性质的空间—垂向耦合变异，尤其是盐分在土壤剖面中的下移与深层累积机制，仍缺乏对比性证据。基于此，研究人员围绕25个采样点的空间异质性及两处商业农场5年与15年灌溉历史开展比较，旨在明确长期TWW灌溉对土壤理化性质及剖面盐分再分配的影响。

研究人员主要采用了系统随机采样、土壤与灌溉水理化分析及多变量统计方法。具体而言，在Wadi Hanifa沿线按约1 km间距布设25个带地理坐标的采样点，分别采集0–30 cm与30–60 cm土层复合样；同时采集Manfuha处理单元及两处农场灌溉水样。采用标准方法测定pH、电导率（EC）、阳离子、阴离子、钠吸附比（SAR）、有机质（OM）和碳酸钙（CaCO₃），并利用双因素方差分析（ANOVA）与主成分分析（PCA）揭示空间与垂向差异及其主导因子。样本来源包括Wadi Hanifa流域25个地理参照点，以及具有约5年和15年TWW灌溉历史的两处农业农场。

在研究结果方面，论文首先报告了经处理废水水质特征。
3.1. Properties of Primary Source Treated Wastewater：Manfoha处理单元的TWW总体呈近中性pH（6.7），EC为2.0 dS m^?1，总溶解固体（TDS）为1300 mg L^?1，属于中等盐度水平。离子组成以Ca²⁺、SO₄^2?和Cl^?为主，SAR仅为1.55，说明其短期灌溉适宜性较好。重金属总体处于较低水平，Pb未检出，但Fe与Al相对较高。该结果表明研究区灌溉水并非高钠危害型水源，但在干旱条件下仍可能通过持续输入促成土壤盐分累积。

3.2. Soil Physical Properties Spatial Variation in Saturation Percentage and Soil Texture：研究区土壤总体以粗质地为主，砂粒含量约62%至93%以上，粉粒和黏粒比例较低，主要质地类型为Sand、Sandy loam和Loamy sand。饱和百分率（SP%）在19.07%至29.64%之间，细颗粒比例较高的样点SP较大，而高度砂质土壤SP较低。统计结果显示，采样点对SP、砂、粉、黏组成均具有极显著影响，表明沿Wadi Hanifa存在强烈空间异质性；深度对SP和黏粒影响不显著，但对粉粒和砂粒分布有显著作用，提示垂向颗粒再分配存在但整体弱于平面空间差异。该部分结果说明，粗质地与沉积环境异质性是后续盐分迁移与累积格局的重要土壤学基础。

3.3.1. Spatial Variation in EC and pH：25个点位土壤EC在0.88–2.64 dS m^?1之间，显示研究区整体为非盐化至中度盐化状态，但不同样点差异明显。较高EC见于Soil 6和Soil 10，较低值见于Soil 16和Soil 20。表层0–30 cm总体上较30–60 cm略高。土壤pH在7.33–8.07之间，整体为中性至微碱性，空间变化较小。统计分析表明，采样点对EC和pH均有极显著影响，而深度仅对EC有显著作用，对pH无显著作用，说明土壤盐分比酸碱度更易体现剖面分异。

3.3.2. Spatial Variation in Calcium Carbonate (CaCO₃)：CaCO₃含量在3.99%至24.22%之间，表现出明显空间变异。较高值集中于Soil 19、24、13和8，较低值见于Soil 6和2。多数样点CaCO₃随深度略有下降，采样点和深度效应均显著，而交互作用不显著。这表明研究区属典型石灰性土壤体系，碳酸盐分布受局地沉积条件和表层蒸发沉积共同控制。

3.3.3. Spatial Variation in Organic Matter Content (OM)：土壤有机质总体偏低，OM为0.15%至1.62%，符合干旱区土壤低有机碳特征。较高值出现在Soil 19、22、13、17与4，极低值见于Soil 24、5、7和23。多数样点表层OM高于下层，反映有机输入和微生物活性主要集中于地表根际环境。采样点和深度对OM均具有极显著影响，说明有机质既受空间环境差异影响，也表现出明确的垂向衰减规律。

3.3.4. Effect of Treated Wastewater on Soil Cations, Anions, and SAR：可溶性阳离子、阴离子及SAR在不同样点和深度之间变异显著。Na在Soil 10和Soil 12表层较高，K总体偏低但个别样点下层升高；Ca和Mg在不同剖面中的峰值分布不一致。阴离子方面，HCO₃^?、Cl^?和SO₄^2?均表现出明显空间差异，SAR最高值出现在Soil 23表层。该结果说明，在TWW长期输入背景下，研究区土壤已形成不均一的盐分—碱化化学格局，其风险受局地质地和水盐迁移条件共同调控。

3.4. Multivariate Analysis of Soil Properties Using Principal Component Analysis (PCA)：PCA前两轴累计解释59.44%的总变异，其中PC 1解释45.28%，主要由EC、HCO₃^?、Mg、Ca、Na和SO₄^2?等盐分相关变量主导，可视为“盐分—可溶性离子梯度”；PC 2解释14.16%，与K、SAR、Na呈正相关，与SP、CaCO₃和pH呈负相关，可视为“钠化—结构缓冲梯度”。样点在排序图中的分离表明，控制土壤性质的首要因素是空间差异，深度效应相对次要，但局部点位存在剖面分异。PCA结果从多变量层面支持了空间异质性主导研究区水土性质的结论。

3.5.1. Water Characteristics Used for Irrigation：两处农场灌溉水水质整体接近，pH分别为7.2和7.3，EC分别为1.99和2.12 dS m^?1，均属中等盐度。Na⁺、Ca²⁺和Mg²⁺为主要阳离子，HCO₃^?与Cl^?为主要阴离子，SAR分别为2.75和2.95，属于低至中等钠化风险。该结果说明两农场水质差异较小，因此后续土壤差异更可能与灌溉年限、土壤条件和局地管理差异相关。

3.5.2. Effects on Soil Characteristics：两处农场土壤比较结果表明，pH维持在7.30–8.00之间，深层略高；EC则随深度增加而升高。AL-FARYAN土壤EC为2.29–4.15 dS m^?1，AL-Rabiah and AL-Nassar为1.95–3.52 dS m^?1，均显示30–60 cm层盐分高于表层。离子组成方面，Ca²⁺和Mg²⁺占优势，Na⁺在深层升高明显，其中Na⁺最高达16.4 meq L^?1。Cl^?和HCO₃^?同样在深层富集。作者据此认为，长期TWW灌溉并未简单表现为表层盐分持续累积，而更突出地表现为盐分在剖面中的向下迁移和30–60 cm层位的再分配与聚积。这一现象提示，仅基于表层土样可能低估根区以下的潜在盐害风险。

讨论部分综合指出，Wadi Hanifa沿线TWW及土壤体系受干旱环境、高蒸发、粗质地和局地沉积差异共同控制。TWW水质总体适用于灌溉，但在持续输入下，盐分通过蒸发浓缩、溶解—沉淀反应及垂向淋洗—再积聚过程，塑造出显著的空间与剖面异质性。粗质地土壤促进盐分下移，但若深层渗透受限或淋洗不足，则可在次表层形成隐蔽性盐分积累。碳酸盐缓冲使pH保持稳定，而OM整体偏低反映干旱区碳输入有限、分解加快的土壤生态特征。研究还强调，两农场比较属于不同灌溉历史条件下的横断面调查，而非同一地点的连续时序监测，因此结论主要体现长期影响格局而非逐年变化过程。总体上，论文强调对TWW灌溉系统的评价不能仅关注灌溉水是否达标，更需同时考虑空间变异、土层深度、排水条件和长期管理。

研究结论部分可译为：Wadi Hanifa沿线土壤以粗质地（砂土至砂壤土）为主，因而持水能力低、养分保持能力有限，且有机质含量总体较低，这些均为干旱区土壤的典型特征。空间变异性是控制土壤理化性质的主导因素，而深度相关效应相对较弱。由于碳酸盐缓冲作用，土壤pH保持相对稳定；相比之下，盐度指标和可溶性离子表现出显著空间异质性。研究还揭示了次表层盐分累积的证据，尤其集中于30–60 cm土层，说明在长期经处理废水灌溉条件下盐分发生了剖面再分配。用于灌溉的经处理废水总体适于农业利用，其盐度中等、SAR为低至中等水平，且重金属浓度处于可接受范围。然而，次表层盐度升高表明，在干旱条件下长期灌溉若缺乏有效盐分管理，可能逐步影响根区环境、土壤水力学性质及长期土壤生产力。这些结果强调，在评估干旱环境中经处理废水灌溉系统可持续性时，必须同时考虑空间变异和垂向变异。研究同时指出，本研究基于单次时期的横断面采样设计，未评估季节性波动，亦未测定蒸散、流动动态和淋洗分数等关键水文学因子；此外，仅测定总有机质而未区分新鲜与稳定组分。总体而言，干旱土壤中TWW的可持续利用依赖于综合管理，包括定期监测EC和SAR，尤其关注30–60 cm次表层，实施适当淋洗与排水措施，并选择相对耐盐作物，以维持长期农业生产力。