再生水灌溉对系统性能与环境介质的影响及其调控机制

The efficient utilization of water and fertilizers as well as reduction of pollution risk is increasingly concerned in reuse of urban wastewater for agricultural irrigation. Aiming at efficient and safe use of secondary sewage effluent, we will conduct extensive laboratory and field experiments in the proposed project. Regarding increasing the safety of sewage irrigation, the influence of sewage application on irrigation systems performances, environments and agricultural products will be addressed. The behaviors and accumulation characteristics of several typical pollutants (e.g., pathogen of fecal coliform) will be investigated at different scales varying from flow paths of drip emitters to field level. The influence of sewage application and chemical treatments (e.g., chlorination) on irrigation systems performances will be evaluated. The risk assessment procedures of environmental pollution caused by sewage irrigation will be established. Regarding improving the efficiency of water and fertilizers for sewage irrigation, the influence of water, salts, and microorganisms on the transport, transformation, and uptake of nutrients will be studied. The coupling and cycle of water, nutrients, and salts in the soil will be studied at both rhizosphere and field scales. The methods of regulating the behaviors of nutrients, salts, and typical pollutants in the soil can be proposed with the optimal combinations of irrigation technical parameters. The expected results of the project can add new knowledge to the regulation theory of water, nutrients and salts for irrigation and will be a contribution to enhancing the efficiency and safety of reuse of wastewater for irrigation.

实现水肥高效利用与降低污染风险是再生水灌溉最为关注的问题。本项目以再生水高效安全灌溉为目标，开展系统的室内外试验和理论研究。在提高再生水灌溉安全性方面，重点关注灌溉系统安全、环境安全和农产品安全，探讨再生水中典型污染物（如：病原体粪大肠菌群）从滴灌灌水器内部流道到农田环境介质中的迁移富集规律和行为特征，揭示再生水灌溉对灌溉系统性能和环境介质的影响机理与数学描述方法，提出再生水灌溉环境污染风险评估方法和安全的系统防堵塞化学处理模式；在提高再生水灌溉水肥利用率方面，以水、盐分和微生物（酶）对养分迁移转化及吸收利用规律的影响和参与机制为重点，从土壤根际到田间尺度研究再生水灌溉的水肥盐耦合循环机理，提出利用灌溉技术参数对养分、盐分和典型污染物行为特征进行调控的方法及优化技术参数组合。预期成果对丰富水肥盐灌溉调控理论和再生水高效安全灌溉具有重要意义。

与常规灌溉水源相比，再生水中含有丰富的营养物质可供植物利用，同时含有一定量可能引起农田生态环境污染的有害物质，实现水肥高效利用与降低污染风险是再生水灌溉最为关注的问题。本项目考虑再生水灌溉的系统（管网及灌水器）安全、环境安全和农产品安全，采用理论分析、数值模拟、室内试验、田间试验和产品研发相结合的方法，以滴灌技术为重点研究再生水灌溉对系统性能的影响过程及防止与减缓堵塞措施，探索了不同再生水灌溉模式下备受关注的病原体（如粪大肠菌群）、重金属、持久性有机污染物等的行为特征和影响机制，同时研究了再生水中氮素的有效性及土壤酶活性对水肥管理措施的响应，为实现再生水的高效安全灌溉提供科学依据。.本研究取得的主要结果如下：（1）再生水灌溉条件下，非生物物质和有机聚合物基质在微生物群体作用下形成的生物膜是造成灌水器堵塞的主要物质，其中的磷脂脂肪酸（PLFAs）对堵塞的贡献最大；（2）加氯可以减少生物膜中PLFAs含量和种类，使得灌水器Dra提升40%以上，使用低浓度的加氯措施可有效控制滴灌系统堵塞，且不会对土壤环境造成明显影响；（3）指示性病原体E. coli在进入土壤后，受土壤颗粒吸附作用明显，再生水带入的E. coli主要分布于滴头附近，采用地下滴灌或较低的灌溉频率均能有效控制土壤-作物系统病原体污染风险；（4）再生水灌溉不会造成土壤—作物系统中有机污染物和重金属污染，再生水灌溉长期应用时可将有机污染物中的PAHs、PAEs和酚类和重金属中的As、Cr、Cu和Cd作为污染风险控制指标；（5）再生水灌溉不会对土壤酶活性造成显著影响，但再生水氮对玉米生长的有效性仅相当于尿素氮的50%~69%，且随施氮量的增加而降低，华北地区再生水滴灌玉米条件下施氮量可减少20 kg/hm2，以减少氮素淋失、实现再生水中氮素的高效利用。