再生水灌溉对作物及土壤安全性影响研究进展

摘要：中国水资源供需矛盾突出,农业灌溉用水尤为紧张,合理利用再生水进行农田灌溉是未来农业灌溉发展的趋势。再生水既是水源、肥源也是污染源,若使用不当会对作物和土壤造成负面影响。在对国内外相关资料进行分析的基础上,从作物生理生长、土壤理化性质、重金属污染、卫生学指标4个方面,对国内外再生水灌溉的研究现状进行了总结分析。研究发现,再生水灌溉研究主要存在3个方面的问题:国内大部分再生水灌溉试验周期短,缺乏长期观测;新型灌水技术和灌溉方式在再生水灌溉上的应用较少;关于再生水灌溉对土壤病原菌污染方面的研究较少。建议加强长期再生水灌溉试验、再生水灌溉下不同灌溉方式和灌水技术以及不同灌溉方式下再生水灌溉对土壤病原菌和土壤重金属分布特征和累积规律的研究工作。

0 引言

中国作为农业大国,农业水资源的供需矛盾却十分突出,农业正常年份缺水量已高达300亿m3,严重威胁到国家粮食生产安全。解决中国农业水资源短缺问题的关键,除了重视和发展节水灌溉,广辟水源也尤为重要。除了常规水源,再生水已经成为许多国家广泛认可的农业灌溉水资源。以色列、日本等发达国家和干旱半干旱地区的发展中国家如印度、伊朗已将再生水作为农业灌溉的主体水源,使用再生水灌溉的技术已相当成熟,利用范围也逐步扩大。以色列从1972年就开始制定了污水再利用计划,大范围实施城市污水回用,目前其污水回用率高达72%;日本十分重视农村污水处理后再利用,处理后的污水在水质方面具有良好的稳定性,可用于水稻、蔬菜灌溉,有效地缓解了该国淡水资源短缺的压力;印度用于农业灌溉的再生水量已达26亿m3。相比国外,中国再生水灌溉事业起步较晚,开始于20世纪80年代,再生水来源主要是工业废水,约占总量的40%~50%。由于再生处理技术难度大、成本高,因此一般仅在绿化草地或距离污水处理厂较近的灌区利用再生水进行灌溉,再生水灌溉技术在农业灌区仍没有得到大面积推广。

利用再生水灌溉是解决当前中国农业用水量短缺问题的重要手段之一。再生水替代常规水资源灌溉同当前中国水资源需求量的快速增长相适应,并且可以减少排入地表水体的污染物质,降低废弃污水的处理成本。因此,利用再生水灌溉是实现城市污水再利用,降低清洁水资源消耗量和污染物排放量的必然选择。再生水给土壤和作物带来丰富的营养元素,如氮、磷和大量有机质,从而改善土壤理化性能,增强土壤肥力。但也有研究认为再生水中有机物含量过高会造成土壤孔隙度降低,进而使土壤持水性能和水力传导度下降,导致土壤生产力下降。并且,虽然再生水是污水经过加工处理后得到的水,但仍含有一定量的病原菌、重金属等污染物,如果使用再生水灌溉的方式不当会对生态环境、人体健康造成危害。因此,有必要对再生水灌溉的研究现状进行系统梳理,弄清楚目前存在的主要问题并提出合理建议,对于提高再生水灌溉的高效性和安全性具有重要意义。

1 再生水灌溉对作物生理生长的影响

再生水中含有作物生长不可或缺的多种营养物质,这些营养物质能够增强土壤肥力,促进作物生长,增加作物生物量。刘增进等利用再生水与清水对冬小麦进行1/3和2/3的比例混灌,对冬小麦的生长发育起到了显著的促进作用,冬小麦产量相比清水灌溉处理提高了42.1%。李中阳等利用再生水对黑麦草进行灌溉,结果表明,再生水灌溉相比清水灌溉显著提高了黑麦草地上和根系的生物量,并且使得土壤中的磷素利用率得到了提高。吴卫熊等分别使用清水、再生水对甘蔗进行灌溉,结果表明,再生水中含有的重金属成分对甘蔗种子的萌芽起到了一定程度的抑制作用,但由于再生水中含有丰富的N、P等益于植物生长的营养元素,促进了甘蔗的生长发育,使甘蔗产量得以提高,再生水灌溉相比清水灌溉产量提高了17.31%。但没有考虑到长期再生水灌溉可能会使土壤重金属发生累积效应,进而危害到作物品质安全。陈治江等利用不同级别的再生水对棉花进行浇灌,认为50%的再生水可以用来替代清水浇灌棉花,其对于棉花质量和产量并无不利影响,但该试验仍局限于短期浇灌的研究,缺乏长期试验观测。胡超、李平等通过减量追氮的方法利用再生水对设施番茄进行灌溉,研究其对番茄产量与品质的影响,结果表明,适量的减量追氮配合再生水灌溉显著提高了番茄的品质和产量。谢深喜等通过不同再生水灌水量对柠檬生长发育的影响研究发现,再生水灌溉量越大,柠檬生长越快,但没有考虑到长期再生水灌溉对土壤环境的影响。潘秋艳等使用再生水对盆栽棉花土壤进行灌溉,研究结果表明,再生水灌溉增加了土壤有机质和硝态氮含量,从而促进棉花根系的生长,但没有考虑到长期灌溉下,水中的污染物质对棉花的不利影响。裴亮等用不同比例的再生水对黄瓜进行地下滴灌,结果表明,全部再生水滴灌条件下的黄瓜茎粗最大,叶面积最大,单株叶片数最多;在生育后期,全部采用再生水滴灌处理的黄瓜株高最高,且产量最高。相比清水施肥灌溉,利用再生水进行地下滴灌可显著提高作物产量。局部灌溉相比全面灌溉在提高作物产量的同时,还可以减轻土壤受污染程度,提高灌溉水利用效率,应加强这方面的试验研究。

目前针对再生水灌溉对作物生理生长方面的研究比较丰富,但对于再生水灌溉下不同灌溉方式和灌水技术对作物生理和品质影响方面的研究较少,且大部分再生水灌溉试验的周期较短,缺乏长期试验研究,应加强多年观测。

2 再生水灌溉对土壤理化性质的影响

土壤的入渗性能和毛管张力会受到再生水表面活性剂的影响。长期再生水灌溉会降低土壤孔隙率,使土壤对水分和营养物质的吸收能力下降,从而降低土壤质量。再生水灌溉过程中,水中的悬浮无机固体会随水进入土壤,在地表和土壤孔隙当中不断累积沉淀,使地表的透水性能逐渐降低,土壤孔隙率减小、容重增大,从而降低土壤入渗率和导水率。随着土壤入渗和通气性能的降低,土壤中有毒物质的积累得到促进,严重危害作物的生长。Lado等研究表明,再生水水质与土壤介质对土壤入渗率和水力传导度的影响显著,再生水中的悬浮无机固体含量越高,土壤孔隙就越易发生堵塞,土壤孔隙率降低越快,土壤入渗速率和导水性能下降也越明显。也有研究指出,再生水中的大分子有机质颗粒有利于提高土壤的通气和保水能力,改善土壤的入渗性能和导水性能。此外,再生水中的有机质被土壤微生物降解后所产生的腐殖质可以促进土壤稳定性团聚体结构的形成,从而提高土壤的入渗和导水性能。因此,再生水灌溉对土壤入渗和导水性能影响的研究结论不一致,还有待进一步的研究。

再生水中通常含有较高的盐分,短期灌溉会改变土壤微环境,长期灌溉甚至会使土壤发生盐碱化,形成有害重金属离子的累积。魏益华等研究表明,相比清水,再生水灌溉后浅层土壤的含盐量增加明显,但深层土壤含盐量与清水灌溉相比无明显差异,短期内再生水灌溉土壤中的阳离子含量增加并不明显,表明短期再生水灌溉对土壤环境不会造成较大影响。徐小元等研究了不同再生水灌溉年限与土壤盐分积累的关系,结果表明,再生水灌溉后的土壤中Na+、Mg2+、K+等离子浓度有明显增加,但在0~40cm浅层土壤变化较小,40~80cm的深层土壤增加量明显;随着降雨和灌溉,土壤中的盐分会向深层土壤移动。说明长期再生水灌溉会使地下水受到一定程度的污染。薛彦东等研究表明,再生水灌溉下,土壤中大部分盐分离子均存在向深层土壤迁移的趋势,但土壤中盐分的积累与再生水灌溉之间无显著关系;土壤表层盐分的累积主要与蒸发有关,深层土壤未出现盐分的累积现象,但再生水灌溉后土壤pH值较高,说明长期再生水灌溉可能会使土壤碱化。

3 再生水灌溉对土壤重金属污染的影响

长期使用污水灌溉会使土壤中的重金属污染物累积超标,导致土壤环境恶化,进而抑制作物的正常生长;重金属在植物体内残留,对人体健康构成极大威胁。污水进入土壤后,一部分重金属被土壤颗粒所吸附,另一部分则随水流通过土壤孔隙向下流动,到达浅层地下水,使地下水体受到污染。很多污灌时间较长的灌区均已在地下水中检测到一定程度的重金属污染物。再生水虽然是污水经过处理后得到的水资源,但仍含有微量的重金属污染物,长期灌溉会对土壤和作物构成一定程度的安全威胁。巫常林等通过4年的再生水灌溉试验,研究重金属在土壤-作物系统中的转化分布规律,结果表明短期再生水灌溉不会对作物和土壤造成危害,并且再生水灌溉量的多少不会影响土壤中重金属含量的变化。杜娟等通过土柱试验分析了再生水灌溉下土壤中Zn、Cd、Cu、As4种重金属的形态分布,结果表明,灌溉条件不同,重金属在土壤当中的分布形态也不一,再生水灌溉会影响到土壤重金属形态的稳定性。铅和镉对于土壤和地下水安全都会构成极大威胁,一旦进入农田,就会在土壤中不断累积,阻碍作物对养分的吸收,降低作物品质。居煇等研究表明,短期再生水灌溉不会显著增加土壤中铅和镉的含量,混灌和轮灌可以使土壤中铅含量降低,但对土壤镉含量没有起到降低效果。说明采取适当的灌溉方式可以降低一部分重金属在土壤当中的积累。马闯等研究表明,再生水灌溉条件下,重金属主要分布在土壤表层,向下层迁移的趋势非常小,地下水重金属污染与再生水灌溉之间的关系不大,人工施肥和大气沉降才是导致地下水受到重金属污染的主要原因。严兴等研究表明:经再生水灌溉后的蔬菜中含有一定量重金属,且重金属在蔬菜中的富集程度与蔬菜品种相关,果实类蔬菜在安全标准内,但茎叶类蔬菜超出了污染物限量标准。因此,有必要加强再生水灌溉对不同品种作物的重金属污染的研究,从理论上揭示再生水灌溉对不同品种作物和同种作物的不同生育阶段的安全性影响机理,并提出相应的调控措施,提高再生水灌溉的安全性。齐学斌等研究了不同灌水方式和不同灌水技术下再生水灌溉对土壤重金属残留的影响,结果表明,其他条件相同时,分根交替灌溉相比充分灌溉降低了土壤中重金属镉和铅的残留,再生水相比清水增加了土壤中铅和镉的残留。充分灌溉条件下,地下滴灌相比沟灌降低了重金属镉和铅的残留;而分根交替灌溉下,滴灌仍比沟灌降低了铅的残留量,镉则相反。说明了不同的灌溉技术和灌溉方式对于重金属在土壤当中的累积有一定的影响,应用合理的灌水技术和灌溉方式对于降低土壤重金属污染、提高再生水灌溉的安全性和高效性具有重要意义。

未来应加强再生水灌溉下,不同灌溉方式和灌水技术的研究工作,探索土壤理化性质和作物生理生长对非充分灌溉条件下再生水灌溉的响应特征。加强非充分灌溉条件下再生水灌溉对土壤和作物中的重金属分布特征的研究工作,深入研究其对土壤安全的影响机理,做到从理论上揭示非充分再生水灌溉对于土壤和作物的调控机制。

4 再生水灌溉对卫生学指标的影响

病原菌是指对人体具有致病性的微生物,再生水中通常含有一定量的病原菌,如致病性大肠杆菌、沙门氏菌和志贺氏菌。大肠杆菌会导致腹泻等疾病,沙门氏菌会引起败血病、风寒、急性肠胃炎等疾病,志贺氏菌可导致杆菌性痢疾等危害人体健康的肠道疾病。这些病原菌随再生水进入农田土壤后能够在土壤中存活相当长一段时间并不断繁殖,严重威胁到人类健康。合理的灌溉方式可以直接降低病原菌的传播几率,从而提高再生水灌溉的安全性,因此采用合理的灌溉方式和灌水技术是再生水灌溉事业长足发展的必然选择。地下滴灌相比地面灌溉能够延缓病原菌通过土壤吸附向地表的运移,减少作物因与土壤直接接触或因灌水飞溅而造成的污染;同时也能避免灌溉水与人群间的接触,使再生水得以安全利用。以色列对比了地表滴灌和地下滴灌2种灌溉方式后发现,采用何种灌溉系统对病原菌的污染范围影响很大,地表滴灌与地下滴灌下病原菌的分布范围不同,地表滴灌后蛔虫卵分布于地表,地下滴灌后蛔虫卵分布于地表以下40cm范围;英格兰使用再生水灌溉后发现:蔬菜叶片上出现蛔虫卵的累积现象,而在果实表面并无累积现象发生;Loveys等研究表明,分根交替灌溉能够改善作物品质,如促进作物早熟、增加作物含糖量等,并且能够通过根区土壤的交替干旱机制,降低病原菌的存活率。因此采取新型灌溉技术和方法对于提高再生水利用率、降低病原菌传播率等方面具有重要意义。

5 结论与建议

中国水资源供需矛盾呈逐年增加趋势,随着国内污水处理技术的逐步提高和污水处理厂的不断扩建,利用再生水代替传统水资源进行农田灌溉将是缓解农业用水压力、提高污水利用率的必然选择。合理利用再生水进行农田灌溉还可以减少灌溉施肥量,促进农作物生长发育,达到粮食增产的效果。国内外对于再生水回灌方面的研究很多,但截至目前对于再生水灌溉条件下,不同灌溉方式和不同灌水技术对作物生理和品质影响方面的研究较少。对于再生水灌溉试验研究多集中在短期试验,应加强长期试验观测。

应用合理的灌水技术和灌溉方式对于降低土壤重金属污染,提高再生水灌溉的安全性和高效性将起到重要作用。未来应加强再生水灌溉条件下,不同灌溉方式和灌水技术的研究工作,探索土壤理化特性和安全性对非充分灌溉条件下再生水灌溉的响应特征。加强非充分灌溉条件下再生水灌溉对土壤中重金属迁移和分布特征的研究工作,深入研究其对土壤和作物安全性的影响机理,做到从理论上揭示非充分再生水灌溉对于土壤和作物安全性的调控机制。

再生水灌溉在病原菌污染方面存在着一定风险,病原菌一旦进入土壤,就能在土壤当中大量繁殖,从而造成土壤的大面积污染,甚至会污染地下水体,威胁到人畜健康安全。因此对再生水灌溉下病原菌在土壤中的吸附传输规律进行全面深入的研究意义重大。然而,目前国内关于再生水灌溉的安全性问题的研究主要集中在有机污染物、无机盐、重金属污染等方面的研究,对土壤病原菌污染方面的影响研究甚少,今后应加强再生水灌溉条件下病原菌在土壤中的迁移动力学过程的研究,研究不同灌溉方式和灌水技术下病原菌在土壤中的分布、传输和代谢规律,采取有效的措施减少再生水灌溉过程中病原菌引起的健康风险并进行合理预测,从而降低再生水灌溉过程中病原菌的威胁性。