《Groundwater for Sustainable Development》：Sustainable Practices to Combat Water Crises: Assessing Impacts of Direct Recycled Water Versus Indirectly Recharged Groundwater on Agroecosystem Health
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再生水灌溉与间接回灌井水及雨季井水在土壤健康、微生物多样性和作物产量上的系统比较，证实符合国家水质标准的再生水可安全替代淡水灌溉，提升作物发芽率和营养成分，助力节水及可持续发展目标。
Kavita Verma | Manjari Manisha | Shwetha J | Ramesh N | Rohan HS | Mohan Kumar MS | Chanakya HN | Parama V. R. R | Sarala Kumari J | Lakshminarayana Rao
印度卡纳塔克邦班加罗尔印度科学研究所可持续技术中心，邮编560012
摘要
水资源短缺对农业可持续性构成了严重挑战，尤其是在干旱和半干旱地区。在农业中使用再生水（RW）为淡水资源提供了一种可行的替代方案；然而，关于水质的担忧往往限制了其在发展中国家的应用。通过使用处理过的生活污水进行土壤含水层处理（SAT）来间接补充地下水的方法已被广泛采用，但不断上升的能源和抽水成本重新激发了对直接使用再生水灌溉的兴趣。因此，本研究系统地比较了直接使用再生水灌溉与间接补充的井水（IRBW）和雨水补给的井水（BW）在灌溉水质、土壤物理化学性质和微生物特性以及作物表现方面的差异。实验在五种作物类型上进行了漫灌试验。尽管再生水在物理化学参数上存在轻微变化，但所有数值均符合国家绿色法庭（NGT）的指导标准。比较评估显示，再生水对土壤物理化学特性或微生物多样性没有不良影响。作物农艺参数在不同处理方式下基本相当，使用再生水灌溉的作物表现出更高的发芽率和某些作物的色素浓度。此外，再生水灌溉还略微增加了作物中的微量营养素含量，从而提高了产量，同时对微生物负荷或收获后的保质期没有显著影响。在土壤或收获产品中未检测到重金属的积累。总体而言，研究结果表明，经过适当处理的再生水可以作为安全的有效替代品，用于直接农业灌溉，并通过消除额外的抽水需求实现显著的能源节约。这种方法符合循环经济原则，提高了水资源短缺地区的用水效率，与可持续发展目标（SDGs）2、6、11、12、13和15相一致。
引言
水资源短缺已成为二十一世纪最严重的全球挑战之一，其根本原因包括人口快速增长、城市化进程加快、工业扩张以及气候变化影响的加剧。气候变化导致水文循环发生变化——包括降水变异性增加、干旱频率和持续时间延长、冰川退缩以及全球气温上升——这些变化严重扰乱了全球淡水资源的可用性。因此，许多地区面临严重的水资源压力，对粮食生产、能源系统和经济稳定产生了连锁影响（Granados等人，2024；Manisha等人，2024a, b；Khanpae等人，2020）。预计到2050年，全球超过一半的人口将生活在水资源短缺的地区，这凸显了迫切需要可持续的水资源管理策略。
在这种全球背景下，印度的情况尤为严峻。尽管印度是一个发展中国家，拥有世界16%的人口，但其淡水资源仅占全球总量的4%（Mishra，2023；Sarkar和Chakraborty，2021；Giwa等人，2017）。家庭、工业和农业部门的用水需求正在急剧增加；然而，农业仍然是最大的用水户，占淡水总消耗量的80-90%（约6880亿立方米/年）（CGWB，2020）。这种高度依赖给本已紧张的印度水资源储备带来了巨大压力。此外，中央水资源委员会（CWC）的预测表明，未来五年内印度人均年用水量将降至约1367立方米，使该国明确处于“水资源紧张”类别（CWC，2019）。日益增长的水资源需求与不断减少的淡水供应之间的差距凸显了采用替代性、可持续的水资源用于灌溉的紧迫性——农业是用水需求最大的领域（Liu等人，2025）。
根据联合国（UN）的可持续发展目标（SDG）6，一个可行的解决方案是重新利用处理过的废水（TWW），即再生水（RW），作为解决水资源危机的可持续方法（Shi等人，2024；Obaideen等人，2022；Vergine等人，2017；Cherfi等人，2015）。将再生水应用于农业实践不仅能够缓解水资源短缺问题，还能支持水资源的循环利用，将废水视为一种宝贵的资源（Abou等人，2024；Mishra等人，2023；Singh等人，2021；Pandey等人，2016；Anane等人，2012）。这种可持续方法可以提高用水效率，增强农业抵御能力，并有助于印度的长期水资源安全（Al-Hazmi等人，2023；Verma等人，2023a, b, c, d；Obaideen等人，2022；Garcia和Pargament，2015；Adewumi等人，2010）。
世界上许多国家，如埃及（Aly Gondia等人，2021）、中国（Xu等人，2020）、新加坡（Tortajada和Bindal，2020）、约旦（Al-Kharabsheh，2020）、南非（Bakare等人，2017）和以色列（Icekson-Tal等人，2003）已经实施了不同程度的再生水再利用策略，并取得了不同程度的成功。据报道，全球有1.6-6.3%的处理过的污水被用于灌溉农田（Mishra等人，2023；Ungureanu等人，2018）。根据世界卫生组织（WHO，2006）的数据，全球超过10%的人口食用了使用再生水灌溉的作物。在发达国家中，以色列在废水处理和再利用方面处于领先地位，其90%的生活污水得到处理，并有70%被回收用于灌溉（Icekson-Tal等人，2003）。在印度，尽管城市地区产生了72,368百万升/天的污水，但只有37%得到了处理，其中仅有一小部分（约3%）被重新用于灌溉73,000公顷的土地（CPCB，2021）。因此，由于需要满足国家绿色法庭（NGT，2019）设定的新的严格水质标准，再生水在农业中的使用仍然是一个新兴的概念（Bassi等人，2023；Breitenmoser等人，2022）。多项研究指出，直接使用未经充分处理或未经处理的废水或工业混合废水进行灌溉存在重大风险，包括对土壤和作物健康的威胁（Della-Negra等人，2025；Minhas等人，2022；Ofori等人，2021）。另一方面，也有少数研究表明，在使用适当处理的再生水进行灌溉时，土壤质量和作物产量有显著改善（Verma等人，2023c；Amori等人，2022；Hortelano等人，2020；Farhadkhani等人，2018）。然而，仍需进一步研究以促进这一做法的更广泛应用，并在严格的水质监管和实际田间条件下建立对使用适当处理的家庭废水的信心。
关于通过土壤含水层处理（SAT）利用再生水间接补充井水（地下水）（IRBW）用于灌溉的研究正在进行中，这些研究证明了其作为传统淡水来源的安全和可持续替代方案的潜力（Manisha等人，2024a, b；Verma等人，2023a, b, c；Manisha等人，2023a, b）。IRBW具有多种优势，包括自然过滤、提高地下水位和增强长期水资源安全。然而，由于能耗高的抽水、基础设施要求和监管合规性，这一过程的成本较高，相比直接使用再生水进行灌溉，经济性较差。
尽管直接使用再生水在缓解农业淡水短缺方面具有巨大潜力且具有可扩展性，但其广泛采用需要严格的现场验证，以全面评估相关环境和农艺影响。因此，在本研究中，我们假设直接使用再生水在土壤健康、微生物多样性、养分动态和作物生产力方面与间接补充的井水（IRBW）和雨水补给的井水（BW）的表现相当，且不会在土壤或植物组织中造成显著的污染物积累。为了验证这一假设，本研究提供了对再生水、IRBW和BW灌溉的全面现场评估。与大多数先前的实验室规模研究不同，这种方法不仅评估了水质特性，还评估了半干旱印度环境中的土壤物理化学性质、微生物群落组成和农艺响应。
研究区域和实验田描述
本研究在卡纳塔克邦的Kolar区进行，该地区位于该邦南部，人口为1,536,401人（2011年人口普查；Kolar区概况，2009年）。该地区属于“东部干旱农业气候区”，被归类为易受干旱影响的地区，气候类型为半干旱至干旱（DEIAA，2019；CGWB，2016）。Kolar区包括五个行政区——Kolar、Malur、Bangarpet、Mulbagal和Srinivaspur，农业仍然是该地区的主要产业。
三种灌溉水的特性
表2展示了用于灌溉的三种测试水的物理化学和微生物特性。可以看出，来自班加罗尔并储存在Kolar区现有地表水池中的再生水（RW）已达到“尊敬的国家绿色法庭（NGT，2019）”的严格水质标准（粪便大肠菌群除外），可用于排放到水体中或土地处理/应用（NGT，2019）。
结论
本研究调查了三种不同类型的灌溉水——再生水（RW）、间接补充的井水（IRBW）和雨水补给的井水（BW）对土壤健康和作物产力的影响。在田间实验中种植了五种不同的作物：薄荷、万寿菊、番茄、黄瓜和甜菜根。进行这项研究的原因是出于对再生水在农业中应用的紧迫关切和现有知识空白。
尽管现场实验结果较为可靠，但本研究仍存在某些局限性。首先，评估时间范围有限，未包括多季节或长期监测，尤其是在雨季前后，这些因素可能显著影响盐分平衡、养分循环和微生物群落动态。其次，作物表现的评估仅限于有限的作物类型和生长季节。
Manjari Manisha：撰写 – 审稿与编辑、软件开发、数据分析。Shwetha J：方法论设计、数据分析、数据管理。Ramesh N：项目管理、方法论设计、数据分析、数据管理。Rohan HS：软件开发、数据分析、数据管理。Kavita Verma：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证、资源协调、项目管理、方法论设计、调查实施、数据分析、数据管理。Mohan Kumar MS：撰写 – 审稿与编辑、可视化设计。
Al-Ansari等人，2013；Awual等人，2015；BIS 10500，2012；印度人口普查，2011；CGWBCentral地下水委员会，2016；CGWBCentral地下水委员会，2020；CPCBCentral污染控制委员会，2013；Datta等人，2000；El Khoumsi等人，2024；GoK，2016；Manjari等人，2024；Maron和Marler，2008；Naik和Seetaramu，2019；?ere?等人，2021；世界卫生组织，2006；Wu等人，2015；Zhao等人，2023。
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
衷心感谢“卡纳塔克邦小型灌溉部门”为这项研究提供的财政支持。特别感谢小型灌溉与地下水开发部门秘书以及AEE部门的支持。作者还要感谢“班加罗尔农业科学大学”的教职员工为研究提供的指导和帮助。
