摘要：中國水資源供需矛盾突出,農(nóng)業(yè)灌溉用水尤為緊張,合理利用再生水進行農(nóng)田灌溉是未來農(nóng)業(yè)灌溉發(fā)展的趨勢。再生水既是水源、肥源也是污染源,若使用不當會對作物和土壤造成負面影響。在對國內(nèi)外相關資料進行分析的基礎上,從作物生理生長、土壤理化性質(zhì)、重金屬污染、衛(wèi)生學指標4個方面,對國內(nèi)外再生水灌溉的研究現(xiàn)狀進行了總結(jié)分析。研究發(fā)現(xiàn),再生水灌溉研究主要存在3個方面的問題:國內(nèi)大部分再生水灌溉試驗周期短,缺乏長期觀測;新型灌水技術和灌溉方式在再生水灌溉上的應用較少;關于再生水灌溉對土壤病原菌污染方面的研究較少。建議加強長期再生水灌溉試驗、再生水灌溉下不同灌溉方式和灌水技術以及不同灌溉方式下再生水灌溉對土壤病原菌和土壤重金屬分布特征和累積規(guī)律的研究工作。
0 引言
中國作為農(nóng)業(yè)大國,農(nóng)業(yè)水資源的供需矛盾卻十分突出,農(nóng)業(yè)正常年份缺水量已高達300億m3,嚴重威脅到國家糧食生產(chǎn)安全。解決中國農(nóng)業(yè)水資源短缺問題的關鍵,除了重視和發(fā)展節(jié)水灌溉,廣辟水源也尤為重要。除了常規(guī)水源,再生水已經(jīng)成為許多國家廣泛認可的農(nóng)業(yè)灌溉水資源。以色列、日本等發(fā)達國家和干旱半干旱地區(qū)的發(fā)展中國家如印度、伊朗已將再生水作為農(nóng)業(yè)灌溉的主體水源,使用再生水灌溉的技術已相當成熟,利用范圍也逐步擴大。以色列從1972年就開始制定了污水再利用計劃,大范圍實施城市污水回用,目前其污水回用率高達72%;日本十分重視農(nóng)村污水處理后再利用,處理后的污水在水質(zhì)方面具有良好的穩(wěn)定性,可用于水稻、蔬菜灌溉,有效地緩解了該國淡水資源短缺的壓力;印度用于農(nóng)業(yè)灌溉的再生水量已達26億m3。相比國外,中國再生水灌溉事業(yè)起步較晚,開始于20世紀80年代,再生水來源主要是工業(yè)廢水,約占總量的40%~50%。由于再生處理技術難度大、成本高,因此一般僅在綠化草地或距離污水處理廠較近的灌區(qū)利用再生水進行灌溉,再生水灌溉技術在農(nóng)業(yè)灌區(qū)仍沒有得到大面積推廣。
利用再生水灌溉是解決當前中國農(nóng)業(yè)用水量短缺問題的重要手段之一。再生水替代常規(guī)水資源灌溉同當前中國水資源需求量的快速增長相適應,并且可以減少排入地表水體的污染物質(zhì),降低廢棄污水的處理成本。因此,利用再生水灌溉是實現(xiàn)城市污水再利用,降低清潔水資源消耗量和污染物排放量的必然選擇。再生水給土壤和作物帶來豐富的營養(yǎng)元素,如氮、磷和大量有機質(zhì),從而改善土壤理化性能,增強土壤肥力。但也有研究認為再生水中有機物含量過高會造成土壤孔隙度降低,進而使土壤持水性能和水力傳導度下降,導致土壤生產(chǎn)力下降。并且,雖然再生水是污水經(jīng)過加工處理后得到的水,但仍含有一定量的病原菌、重金屬等污染物,如果使用再生水灌溉的方式不當會對生態(tài)環(huán)境、人體健康造成危害。因此,有必要對再生水灌溉的研究現(xiàn)狀進行系統(tǒng)梳理,弄清楚目前存在的主要問題并提出合理建議,對于提高再生水灌溉的高效性和安全性具有重要意義。
1 再生水灌溉對作物生理生長的影響
再生水中含有作物生長不可或缺的多種營養(yǎng)物質(zhì),這些營養(yǎng)物質(zhì)能夠增強土壤肥力,促進作物生長,增加作物生物量。劉增進等利用再生水與清水對冬小麥進行1/3和2/3的比例混灌,對冬小麥的生長發(fā)育起到了顯著的促進作用,冬小麥產(chǎn)量相比清水灌溉處理提高了42.1%。李中陽等利用再生水對黑麥草進行灌溉,結(jié)果表明,再生水灌溉相比清水灌溉顯著提高了黑麥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。吳衛(wèi)熊等分別使用清水、再生水對甘蔗進行灌溉,結(jié)果表明,再生水中含有的重金屬成分對甘蔗種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豐富的N、P等益于植物生長的營養(yǎng)元素,促進了甘蔗的生長發(fā)育,使甘蔗產(chǎn)量得以提高,再生水灌溉相比清水灌溉產(chǎn)量提高了17.31%。但沒有考慮到長期再生水灌溉可能會使土壤重金屬發(fā)生累積效應,進而危害到作物品質(zhì)安全。陳治江等利用不同級別的再生水對棉花進行澆灌,認為50%的再生水可以用來替代清水澆灌棉花,其對于棉花質(zhì)量和產(chǎn)量并無不利影響,但該試驗仍局限于短期澆灌的研究,缺乏長期試驗觀測。胡超、李平等通過減量追氮的方法利用再生水對設施番茄進行灌溉,研究其對番茄產(chǎn)量與品質(zhì)的影響,結(jié)果表明,適量的減量追氮配合再生水灌溉顯著提高了番茄的品質(zhì)和產(chǎn)量。謝深喜等通過不同再生水灌水量對檸檬生長發(fā)育的影響研究發(fā)現(xiàn),再生水灌溉量越大,檸檬生長越快,但沒有考慮到長期再生水灌溉對土壤環(huán)境的影響。潘秋艷等使用再生水對盆栽棉花土壤進行灌溉,研究結(jié)果表明,再生水灌溉增加了土壤有機質(zhì)和硝態(tài)氮含量,從而促進棉花根系的生長,但沒有考慮到長期灌溉下,水中的污染物質(zhì)對棉花的不利影響。裴亮等用不同比例的再生水對黃瓜進行地下滴灌,結(jié)果表明,全部再生水滴灌條件下的黃瓜莖粗最大,葉面積最大,單株葉片數(shù)最多;在生育后期,全部采用再生水滴灌處理的黃瓜株高最高,且產(chǎn)量最高。相比清水施肥灌溉,利用再生水進行地下滴灌可顯著提高作物產(chǎn)量。局部灌溉相比全面灌溉在提高作物產(chǎn)量的同時,還可以減輕土壤受污染程度,提高灌溉水利用效率,應加強這方面的試驗研究。
目前針對再生水灌溉對作物生理生長方面的研究比較豐富,但對于再生水灌溉下不同灌溉方式和灌水技術對作物生理和品質(zhì)影響方面的研究較少,且大部分再生水灌溉試驗的周期較短,缺乏長期試驗研究,應加強多年觀測。
2 再生水灌溉對土壤理化性質(zhì)的影響
土壤的入滲性能和毛管張力會受到再生水表面活性劑的影響。長期再生水灌溉會降低土壤孔隙率,使土壤對水分和營養(yǎng)物質(zhì)的吸收能力下降,從而降低土壤質(zhì)量。再生水灌溉過程中,水中的懸浮無機固體會隨水進入土壤,在地表和土壤孔隙當中不斷累積沉淀,使地表的透水性能逐漸降低,土壤孔隙率減小、容重增大,從而降低土壤入滲率和導水率。隨著土壤入滲和通氣性能的降低,土壤中有毒物質(zhì)的積累得到促進,嚴重危害作物的生長。Lado等研究表明,再生水水質(zhì)與土壤介質(zhì)對土壤入滲率和水力傳導度的影響顯著,再生水中的懸浮無機固體含量越高,土壤孔隙就越易發(fā)生堵塞,土壤孔隙率降低越快,土壤入滲速率和導水性能下降也越明顯。也有研究指出,再生水中的大分子有機質(zhì)顆粒有利于提高土壤的通氣和保水能力,改善土壤的入滲性能和導水性能。此外,再生水中的有機質(zhì)被土壤微生物降解后所產(chǎn)生的腐殖質(zhì)可以促進土壤穩(wěn)定性團聚體結(jié)構(gòu)的形成,從而提高土壤的入滲和導水性能。因此,再生水灌溉對土壤入滲和導水性能影響的研究結(jié)論不一致,還有待進一步的研究。
再生水中通常含有較高的鹽分,短期灌溉會改變土壤微環(huán)境,長期灌溉甚至會使土壤發(fā)生鹽堿化,形成有害重金屬離子的累積。魏益華等研究表明,相比清水,再生水灌溉后淺層土壤的含鹽量增加明顯,但深層土壤含鹽量與清水灌溉相比無明顯差異,短期內(nèi)再生水灌溉土壤中的陽離子含量增加并不明顯,表明短期再生水灌溉對土壤環(huán)境不會造成較大影響。徐小元等研究了不同再生水灌溉年限與土壤鹽分積累的關系,結(jié)果表明,再生水灌溉后的土壤中Na+、Mg2+、K+等離子濃度有明顯增加,但在0~40cm淺層土壤變化較小,40~80cm的深層土壤增加量明顯;隨著降雨和灌溉,土壤中的鹽分會向深層土壤移動。說明長期再生水灌溉會使地下水受到一定程度的污染。薛彥東等研究表明,再生水灌溉下,土壤中大部分鹽分離子均存在向深層土壤遷移的趨勢,但土壤中鹽分的積累與再生水灌溉之間無顯著關系;土壤表層鹽分的累積主要與蒸發(fā)有關,深層土壤未出現(xiàn)鹽分的累積現(xiàn)象,但再生水灌溉后土壤pH值較高,說明長期再生水灌溉可能會使土壤堿化。
3 再生水灌溉對土壤重金屬污染的影響
長期使用污水灌溉會使土壤中的重金屬污染物累積超標,導致土壤環(huán)境惡化,進而抑制作物的正常生長;重金屬在植物體內(nèi)殘留,對人體健康構(gòu)成極大威脅。污水進入土壤后,一部分重金屬被土壤顆粒所吸附,另一部分則隨水流通過土壤孔隙向下流動,到達淺層地下水,使地下水體受到污染。很多污灌時間較長的灌區(qū)均已在地下水中檢測到一定程度的重金屬污染物。再生水雖然是污水經(jīng)過處理后得到的水資源,但仍含有微量的重金屬污染物,長期灌溉會對土壤和作物構(gòu)成一定程度的安全威脅。巫常林等通過4年的再生水灌溉試驗,研究重金屬在土壤-作物系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)化分布規(guī)律,結(jié)果表明短期再生水灌溉不會對作物和土壤造成危害,并且再生水灌溉量的多少不會影響土壤中重金屬含量的變化。杜娟等通過土柱試驗分析了再生水灌溉下土壤中Zn、Cd、Cu、As4種重金屬的形態(tài)分布,結(jié)果表明,灌溉條件不同,重金屬在土壤當中的分布形態(tài)也不一,再生水灌溉會影響到土壤重金屬形態(tài)的穩(wěn)定性。鉛和鎘對于土壤和地下水安全都會構(gòu)成極大威脅,一旦進入農(nóng)田,就會在土壤中不斷累積,阻礙作物對養(yǎng)分的吸收,降低作物品質(zhì)。居煇等研究表明,短期再生水灌溉不會顯著增加土壤中鉛和鎘的含量,混灌和輪灌可以使土壤中鉛含量降低,但對土壤鎘含量沒有起到降低效果。說明采取適當?shù)墓喔确绞娇梢越档鸵徊糠种亟饘僭谕寥喇斨械姆e累。馬闖等研究表明,再生水灌溉條件下,重金屬主要分布在土壤表層,向下層遷移的趨勢非常小,地下水重金屬污染與再生水灌溉之間的關系不大,人工施肥和大氣沉降才是導致地下水受到重金屬污染的主要原因。嚴興等研究表明:經(jīng)再生水灌溉后的蔬菜中含有一定量重金屬,且重金屬在蔬菜中的富集程度與蔬菜品種相關,果實類蔬菜在安全標準內(nèi),但莖葉類蔬菜超出了污染物限量標準。因此,有必要加強再生水灌溉對不同品種作物的重金屬污染的研究,從理論上揭示再生水灌溉對不同品種作物和同種作物的不同生育階段的安全性影響機理,并提出相應的調(diào)控措施,提高再生水灌溉的安全性。齊學斌等研究了不同灌水方式和不同灌水技術下再生水灌溉對土壤重金屬殘留的影響,結(jié)果表明,其他條件相同時,分根交替灌溉相比充分灌溉降低了土壤中重金屬鎘和鉛的殘留,再生水相比清水增加了土壤中鉛和鎘的殘留。充分灌溉條件下,地下滴灌相比溝灌降低了重金屬鎘和鉛的殘留;而分根交替灌溉下,滴灌仍比溝灌降低了鉛的殘留量,鎘則相反。說明了不同的灌溉技術和灌溉方式對于重金屬在土壤當中的累積有一定的影響,應用合理的灌水技術和灌溉方式對于降低土壤重金屬污染、提高再生水灌溉的安全性和高效性具有重要意義。
未來應加強再生水灌溉下,不同灌溉方式和灌水技術的研究工作,探索土壤理化性質(zhì)和作物生理生長對非充分灌溉條件下再生水灌溉的響應特征。加強非充分灌溉條件下再生水灌溉對土壤和作物中的重金屬分布特征的研究工作,深入研究其對土壤安全的影響機理,做到從理論上揭示非充分再生水灌溉對于土壤和作物的調(diào)控機制。
4 再生水灌溉對衛(wèi)生學指標的影響
病原菌是指對人體具有致病性的微生物,再生水中通常含有一定量的病原菌,如致病性大腸桿菌、沙門氏菌和志賀氏菌。大腸桿菌會導致腹瀉等疾病,沙門氏菌會引起敗血病、風寒、急性腸胃炎等疾病,志賀氏菌可導致桿菌性痢疾等危害人體健康的腸道疾病。這些病原菌隨再生水進入農(nóng)田土壤后能夠在土壤中存活相當長一段時間并不斷繁殖,嚴重威脅到人類健康。合理的灌溉方式可以直接降低病原菌的傳播幾率,從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術是再生水灌溉事業(yè)長足發(fā)展的必然選擇。地下滴灌相比地面灌溉能夠延緩病原菌通過土壤吸附向地表的運移,減少作物因與土壤直接接觸或因灌水飛濺而造成的污染;同時也能避免灌溉水與人群間的接觸,使再生水得以安全利用。以色列對比了地表滴灌和地下滴灌2種灌溉方式后發(fā)現(xiàn),采用何種灌溉系統(tǒng)對病原菌的污染范圍影響很大,地表滴灌與地下滴灌下病原菌的分布范圍不同,地表滴灌后蛔蟲卵分布于地表,地下滴灌后蛔蟲卵分布于地表以下40cm范圍;英格蘭使用再生水灌溉后發(fā)現(xiàn):蔬菜葉片上出現(xiàn)蛔蟲卵的累積現(xiàn)象,而在果實表面并無累積現(xiàn)象發(fā)生;Loveys等研究表明,分根交替灌溉能夠改善作物品質(zhì),如促進作物早熟、增加作物含糖量等,并且能夠通過根區(qū)土壤的交替干旱機制,降低病原菌的存活率。因此采取新型灌溉技術和方法對于提高再生水利用率、降低病原菌傳播率等方面具有重要意義。
5 結(jié)論與建議
中國水資源供需矛盾呈逐年增加趨勢,隨著國內(nèi)污水處理技術的逐步提高和污水處理廠的不斷擴建,利用再生水代替?zhèn)鹘y(tǒng)水資源進行農(nóng)田灌溉將是緩解農(nóng)業(yè)用水壓力、提高污水利用率的必然選擇。合理利用再生水進行農(nóng)田灌溉還可以減少灌溉施肥量,促進農(nóng)作物生長發(fā)育,達到糧食增產(chǎn)的效果。國內(nèi)外對于再生水回灌方面的研究很多,但截至目前對于再生水灌溉條件下,不同灌溉方式和不同灌水技術對作物生理和品質(zhì)影響方面的研究較少。對于再生水灌溉試驗研究多集中在短期試驗,應加強長期試驗觀測。
應用合理的灌水技術和灌溉方式對于降低土壤重金屬污染,提高再生水灌溉的安全性和高效性將起到重要作用。未來應加強再生水灌溉條件下,不同灌溉方式和灌水技術的研究工作,探索土壤理化特性和安全性對非充分灌溉條件下再生水灌溉的響應特征。加強非充分灌溉條件下再生水灌溉對土壤中重金屬遷移和分布特征的研究工作,深入研究其對土壤和作物安全性的影響機理,做到從理論上揭示非充分再生水灌溉對于土壤和作物安全性的調(diào)控機制。
再生水灌溉在病原菌污染方面存在著一定風險,病原菌一旦進入土壤,就能在土壤當中大量繁殖,從而造成土壤的大面積污染,甚至會污染地下水體,威脅到人畜健康安全。因此對再生水灌溉下病原菌在土壤中的吸附傳輸規(guī)律進行全面深入的研究意義重大。然而,目前國內(nèi)關于再生水灌溉的安全性問題的研究主要集中在有機污染物、無機鹽、重金屬污染等方面的研究,對土壤病原菌污染方面的影響研究甚少,今后應加強再生水灌溉條件下病原菌在土壤中的遷移動力學過程的研究,研究不同灌溉方式和灌水技術下病原菌在土壤中的分布、傳輸和代謝規(guī)律,采取有效的措施減少再生水灌溉過程中病原菌引起的健康風險并進行合理預測,從而降低再生水灌溉過程中病原菌的威脅性。
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