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(jìn)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(dāng)會(huì)對(duì)作物和土壤造成負(fù)面影響。在對(duì)國內(nèi)外相關(guān)資料進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,從作物生理生長、土壤理化性質(zhì)、重金屬污染、衛(wèi)生學(xué)指標(biāo)4個(gè)方面,對(duì)國內(nèi)外再生水灌溉的研究現(xiàn)狀進(jìn)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(gè)方面的問題:國內(nèi)大部分再生水灌溉試驗(yàn)周期短,缺乏長期觀測;新型灌水技術(shù)和灌溉方式在再生水灌溉上的應(yīng)用較少;關(guān)于再生水灌溉對(duì)土壤病原菌污染方面的研究較少。建議加強(qiáng)長期再生水灌溉試驗(yàn)、再生水灌溉下不同灌溉方式和灌水技術(shù)以及不同灌溉方式下再生水灌溉對(duì)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(dá)300億m3,嚴(yán)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(guān)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(rèn)可的農(nóng)業(yè)灌溉水資源。以色列、日本等發(fā)達(dá)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(shù)已相當(dāng)成熟,利用范圍也逐步擴(kuò)大。以色列從1972年就開始制定了污水再利用計(jì)劃,大范圍實(shí)施城市污水回用,目前其污水回用率高達(dá)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(dá)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(jì)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(shù)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(jìn)行灌溉,再生水灌溉技術(shù)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(dāng)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(dāng)前中國水資源需求量的快速增長相適應(yīng),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(shí)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(jī)質(zhì),從而改善土壤理化性能,增強(qiáng)土壤肥力。但也有研究認(rèn)為再生水中有機(jī)物含量過高會(huì)造成土壤孔隙度降低,進(jìn)而使土壤持水性能和水力傳導(dǎo)度下降,導(dǎo)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(dāng)會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境、人體健康造成危害。因此,有必要對(duì)再生水灌溉的研究現(xiàn)狀進(jìn)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(duì)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(duì)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(qiáng)土壤肥力,促進(jìn)作物生長,增加作物生物量。劉增進(jìn)等利用再生水與清水對(duì)冬小麥進(jìn)行1/3和2/3的比例混灌,對(duì)冬小麥的生長發(fā)育起到了顯著的促進(jìn)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(duì)黑麥草進(jìn)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(duì)甘蔗進(jìn)行灌溉,結(jié)果表明,再生水中含有的重金屬成分對(duì)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(jìn)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(huì)使土壤重金屬發(fā)生累積效應(yīng),進(jìn)而危害到作物品質(zhì)安全。陳治江等利用不同級(jí)別的再生水對(duì)棉花進(jìn)行澆灌,認(rèn)為50%的再生水可以用來替代清水澆灌棉花,其對(duì)于棉花質(zhì)量和產(chǎn)量并無不利影響,但該試驗(yàn)仍局限于短期澆灌的研究,缺乏長期試驗(yàn)觀測。胡超、李平等通過減量追氮的方法利用再生水對(duì)設(shè)施番茄進(jìn)行灌溉,研究其對(duì)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(duì)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(duì)土壤環(huán)境的影響。潘秋艷等使用再生水對(duì)盆栽棉花土壤進(jìn)行灌溉,研究結(jié)果表明,再生水灌溉增加了土壤有機(jī)質(zhì)和硝態(tài)氮含量,從而促進(jìn)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(duì)棉花的不利影響。裴亮等用不同比例的再生水對(duì)黃瓜進(jìn)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(jìn)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(shí),還可以減輕土壤受污染程度,提高灌溉水利用效率,應(yīng)加強(qiáng)這方面的試驗(yàn)研究。

目前針對(duì)再生水灌溉對(duì)作物生理生長方面的研究比較豐富,但對(duì)于再生水灌溉下不同灌溉方式和灌水技術(shù)對(duì)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(yàn)的周期較短,缺乏長期試驗(yàn)研究,應(yīng)加強(qiáng)多年觀測。

2 再生水灌溉對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

土壤的入滲性能和毛管張力會(huì)受到再生水表面活性劑的影響。長期再生水灌溉會(huì)降低土壤孔隙率,使土壤對(duì)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(jī)固體會(huì)隨水進(jìn)入土壤,在地表和土壤孔隙當(dāng)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(dǎo)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(jìn),嚴(yán)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(duì)土壤入滲率和水力傳導(dǎo)度的影響顯著,再生水中的懸浮無機(jī)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(dǎo)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(jī)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(dǎo)水性能。此外,再生水中的有機(jī)質(zhì)被土壤微生物降解后所產(chǎn)生的腐殖質(zhì)可以促進(jìn)土壤穩(wěn)定性團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的形成,從而提高土壤的入滲和導(dǎo)水性能。因此,再生水灌溉對(duì)土壤入滲和導(dǎo)水性能影響的研究結(jié)論不一致,還有待進(jìn)一步的研究。

再生水中通常含有較高的鹽分,短期灌溉會(huì)改變土壤微環(huán)境,長期灌溉甚至?xí)雇寥腊l(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(duì)土壤環(huán)境不會(huì)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(guān)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(huì)向深層土壤移動(dòng)。說明長期再生水灌溉會(huì)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(guān)系;土壤表層鹽分的累積主要與蒸發(fā)有關(guān),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(huì)使土壤堿化。

3 再生水灌溉對(duì)土壤重金屬污染的影響

長期使用污水灌溉會(huì)使土壤中的重金屬污染物累積超標(biāo),導(dǎo)致土壤環(huán)境惡化,進(jìn)而抑制作物的正常生長;重金屬在植物體內(nèi)殘留,對(duì)人體健康構(gòu)成極大威脅。污水進(jìn)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(dòng),到達(dá)淺層地下水,使地下水體受到污染。很多污灌時(shí)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(huì)對(duì)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(yàn),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(huì)對(duì)作物和土壤造成危害,并且再生水灌溉量的多少不會(huì)影響土壤中重金屬含量的變化。杜娟等通過土柱試驗(yàn)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(dāng)中的分布形態(tài)也不一,再生水灌溉會(huì)影響到土壤重金屬形態(tài)的穩(wěn)定性。鉛和鎘對(duì)于土壤和地下水安全都會(huì)構(gòu)成極大威脅,一旦進(jìn)入農(nóng)田,就會(huì)在土壤中不斷累積,阻礙作物對(duì)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(huì)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(duì)土壤鎘含量沒有起到降低效果。說明采取適當(dāng)?shù)墓喔确绞娇梢越档鸵徊糠种亟饘僭谕寥喇?dāng)中的積累。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(guān)系不大,人工施肥和大氣沉降才是導(dǎo)致地下水受到重金屬污染的主要原因。嚴(yán)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(guān),果實(shí)類蔬菜在安全標(biāo)準(zhǔn)內(nèi),但莖葉類蔬菜超出了污染物限量標(biāo)準(zhǔn)。因此,有必要加強(qiáng)再生水灌溉對(duì)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(duì)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(jī)理,并提出相應(yīng)的調(diào)控措施,提高再生水灌溉的安全性。齊學(xué)斌等研究了不同灌水方式和不同灌水技術(shù)下再生水灌溉對(duì)土壤重金屬殘留的影響,結(jié)果表明,其他條件相同時(shí),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(shù)和灌溉方式對(duì)于重金屬在土壤當(dāng)中的累積有一定的影響,應(yīng)用合理的灌水技術(shù)和灌溉方式對(duì)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(yīng)加強(qiáng)再生水灌溉下,不同灌溉方式和灌水技術(shù)的研究工作,探索土壤理化性質(zhì)和作物生理生長對(duì)非充分灌溉條件下再生水灌溉的響應(yīng)特征。加強(qiáng)非充分灌溉條件下再生水灌溉對(duì)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(duì)土壤安全的影響機(jī)理,做到從理論上揭示非充分再生水灌溉對(duì)于土壤和作物的調(diào)控機(jī)制。

4 再生水灌溉對(duì)衛(wèi)生學(xué)指標(biāo)的影響

病原菌是指對(duì)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(huì)導(dǎo)致腹瀉等疾病,沙門氏菌會(huì)引起敗血病、風(fēng)寒、急性腸胃炎等疾病,志賀氏菌可導(dǎo)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(jìn)入農(nóng)田土壤后能夠在土壤中存活相當(dāng)長一段時(shí)間并不斷繁殖,嚴(yán)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(shù)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(yùn)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(shí)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(duì)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(duì)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(shí)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(jìn)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(jī)制,降低病原菌的存活率。因此采取新型灌溉技術(shù)和方法對(duì)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(shù)的逐步提高和污水處理廠的不斷擴(kuò)建,利用再生水代替?zhèn)鹘y(tǒng)水資源進(jìn)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(jìn)行農(nóng)田灌溉還可以減少灌溉施肥量,促進(jìn)農(nóng)作物生長發(fā)育,達(dá)到糧食增產(chǎn)的效果。國內(nèi)外對(duì)于再生水回灌方面的研究很多,但截至目前對(duì)于再生水灌溉條件下,不同灌溉方式和不同灌水技術(shù)對(duì)作物生理和品質(zhì)影響方面的研究較少。對(duì)于再生水灌溉試驗(yàn)研究多集中在短期試驗(yàn),應(yīng)加強(qiáng)長期試驗(yàn)觀測。

應(yīng)用合理的灌水技術(shù)和灌溉方式對(duì)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(yīng)加強(qiáng)再生水灌溉條件下,不同灌溉方式和灌水技術(shù)的研究工作,探索土壤理化特性和安全性對(duì)非充分灌溉條件下再生水灌溉的響應(yīng)特征。加強(qiáng)非充分灌溉條件下再生水灌溉對(duì)土壤中重金屬遷移和分布特征的研究工作,深入研究其對(duì)土壤和作物安全性的影響機(jī)理,做到從理論上揭示非充分再生水灌溉對(duì)于土壤和作物安全性的調(diào)控機(jī)制。

再生水灌溉在病原菌污染方面存在著一定風(fēng)險(xiǎn),病原菌一旦進(jìn)入土壤,就能在土壤當(dāng)中大量繁殖,從而造成土壤的大面積污染,甚至?xí)廴镜叵滤w,威脅到人畜健康安全。因此對(duì)再生水灌溉下病原菌在土壤中的吸附傳輸規(guī)律進(jìn)行全面深入的研究意義重大。然而,目前國內(nèi)關(guān)于再生水灌溉的安全性問題的研究主要集中在有機(jī)污染物、無機(jī)鹽、重金屬污染等方面的研究,對(duì)土壤病原菌污染方面的影響研究甚少,今后應(yīng)加強(qiáng)再生水灌溉條件下病原菌在土壤中的遷移動(dòng)力學(xué)過程的研究,研究不同灌溉方式和灌水技術(shù)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(fēng)險(xiǎn)并進(jìn)行合理預(yù)測,從而降低再生水灌溉過程中病原菌的威脅性。

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