中水灌溉对土壤成分与绿地植物的影响

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摘  要：中水运用于绿地灌溉，可以拓宽中水的应用范围，同时对缓解现在城市的水危机具有重要意义。近年来国内外中水(再生水)灌溉对绿地植物影响的研究成果，表明中水灌溉对绿地植物生长有正负两方面的影响，与中水水质、灌溉方式、植物种类、土壤类型及灌溉时间长短等多种因素有关。研究中水水质中影响绿地植物生长的氯化物、余氯、盐度、悬浮物及pH值表明．中水灌溉对绿地植物的生长特性、抗逆生理、光舍生理和营养水平有一定的影响，但不至于影响绿地植物的正常生长发育；中水灌溉不会造成绿地植物体内毒害离子如钠、氯、硼和重金属离子的大量累积．因此运用中水灌溉绿地是切实可行的。

关键词：中水；绿地灌溉；水质指标；重金属；氨氮；植物 我国是较为缺水的国家，由于时空分布不均，北方城市大多干旱少雨，属资源性缺水；南方城市降水量充沛，河湖众多，水资源丰富，但80年代以来，随着珠三角、长三角地区经济的快速发展，工业生产规模扩张，常住人口增长．相应的环保体系没有及时跟上。污水量急剧增加，湖、河污染严重．影响了水资源的有效性，造成有水不能用，致使南方城市水质型缺水．并且情势越来越严重。 众所周知，水是维系经济和生态系统的最关键要素。国际上，美国、日本、南非、以色列、澳大利亚、俄罗斯等国早已开展污水经处理后回用的工作。我国对城市污水处理与利用的研究．早在 “六五”期间就列入国家科研课题，20世纪60年代关于污水灌溉的研究已达到一定的水平，70年代中期进行了以回用为目的城市污水深度处理试验，80年代初的青岛、大连、太原、北京、天津、西安等缺水大城市相继开展了污水回用于工业和民用的试验研究，其中有些城市已修建了回用试点工程并取得了积极的成果，一些公共建筑也建设了中水回用装置等。 中水(reclaimed water)是指各种排水经处理后，达到规定的水质标准，可在生活、市政、环境等范围内重复使用的非饮用水。中水一词从20世纪80年代初在国内叫起至今20多年，现已被业内人士乃至缺水城市、地区的部分民众认知。开始时称“中水道”，来于日本，因其水质及其设施介于上水道和下水道之间。中水就是再生水，在污水工程方面称为“再生水”，工厂方面称为“回用水”，一般以水质作为区分的标志。 绿地灌溉是中水利用的重要方面，作为节约水资源的有效方法，用中水代替饮用水灌溉绿地在发达国家已大量使用．国内许多城市也已使用或计划使用中水灌溉绿地。如北京、天津、大连等诸多北方缺水城市已尝试使用中水灌溉街道、公园的草坪和树木。尽管如此，我国城市中水灌溉绿地研究和应用仍处于发展中。因此，开发利用中水用于灌溉是缓解水资源短缺的重要途径，开展中水灌溉绿地的研究工作，有助于拓宽中水利用范围，为中水在绿地灌溉中的推广应用提供依据和指导。 1  中水灌溉致使土壤性状变化对于植物的影响 1.1 相对电导率的变化拟合Logistic生长模型求半致死浓度及阈值确定 用相对电导率的变化拟合Logistic回归方程，求半致死浓度作为限值的方法主要被用在温度胁迫研究上，在草坪草、果树及很多木本植物中都采用了半致死温度作为抗寒的初步筛选指标，半致死温度的确定采用电解质外渗率配合Logistic曲线方程进行拟合。本研究通过引用，对中水灌溉绿地可能对植物造成胁迫危害的氯化物、余氯、盐度、悬浮物及pH值5个常见指标用相对电导率的变化进行了Logistic方程拟合，求出了相应的半致死浓度(值)，对比试验过程中的观测记录，所求得的半致死浓度与在这个浓度下的胁迫症状基本相符，胁迫症状出现相对滞后，这是由于植物受胁迫因子危害后，其表面症状不会立即出现，这也是植物抗性研究中难以准确确定受胁迫程度的主要原因。本试验应用相对电导率的变化拟合Logistic回归方程求半致死浓度作为上限阈值，从理论上和结果上看都是合理的，与试验实际表现一致。 1.2中水的酸碱性对植物生长的影响 中水水质的酸碱性通过影响一些营养元素、微量元素和其他一些金属元素的可溶性，从而对植物生长造成间接影响。如在强酸性土壤中，铁、铝等离子易溶出，通常在pH值4.5以下时，大量的活性铝会对植物根的生育产生抑制作用。在酸性条件下，土壤中大部分磷不能被植物有效利用，从而抑制了根对磷的吸收，引起磷营养和养分不平衡等一系列问题。受碱性危害时，引起缺锌，对某些营养元素不足的土壤，导致植物营养缺乏症状发生，导致枯黄病等。 所以在污水经不同的处理工艺生产中水时，水质的pH值应当控制在一定的范围之内。根据我国制定的《城市污水再生利用城市杂用水水质》中规定为6～9，从目前对中水(再生水)的研究来看都达到了这个标准，试验已验证了在pH值6～9的中水，不会对绿地植物和土壤产生不利影响。本试验通过模拟中水酸碱度对敏感植物浇灌的试验也表明，短期内植物能够忍受．pH值范围(半致死浓度)为5.29～10.28，超过这个范围植物就会受到伤害，甚至死亡。 1.3 中水中氯离子对植物生长的影响 城市污水中含有大量细菌、病毒、原生动物等微生物，很多是致病微生物。为了安全，中水回用之前需要经过消毒，目前我国仍然使用加氯消毒法。根据《城市污水再生利用城市杂用水水质》。，余氯在接触30 min后不得低于1.0 mg/L，管网末稍不得低于0.2 mg/L。处理时为了达到消毒的目的，一般加氯量都大于标准值，这样可以确保再生水中的细菌、病毒等对人体和生态环境构成威胁的微生物被杀死。这样就会在中水中存在一定量的余氯和氯化物。氯化物在灌溉中不能被土壤吸附，亦不会被土壤拦截，完全被植物吸收后进入植物叶片，造成叶片边缘呈现灼烧状和组织的破坏状，目前用常规工艺无法去除水中的氯离子，只能通过某些价格比较昂贵的方法如反渗透膜法才能实现。 目前就氯离子对植物的影响做了大量的研究，一些研究认为氯化物浓度大于350 mg/L对根吸收的植物有重度影响。HarivandiL221研究表明大多数树和灌木对氯化物浓度为355mg/L就非常敏感，木本植物对氯化物尤其敏感。张楠研究表明余氯对苗期高羊茅(Festuca arundinacea)的生长影响明显。当二级出水余氯为1.0mg/L时，对株高、光合速率的影响达到显著性水平，低于该浓度则各指标均未受影响；当余氯为1.5mg/L时2种水对苗期高羊茅理化指标的影响多数达显著性水平。但王昌俊等研究认为氯化物对草坪的毒害作用不显著。通过中水模拟浇灌试验也表明，当氯化物浓度小于550mg/L、余氯的浓度小于3mg/L时，短期内植物能够忍受，不会对绿地植物生长造成严重伤害，甚至死亡。 1.4 中水中盐分对植物生长的影响 目前大量研究证明，盐分及重金属等会对植物生长产生不利的影响。韩烈保等认为，对于景观用水来说，盐度是极为重要的量度标准，当过量盐在土壤中累积超过特定植物的忍受水平时，盐分根区伤害就会发生。张洪生等用再生水灌溉绿地时发现，随着灌溉时间的增加，各种水质的水灌溉都会使土壤全盐量呈增加的趋势。王昌俊等也认为，高水平的碳酸氢盐能改变土壤结构，通过蒸散，从土壤水或土壤溶液中沉淀钙镁离子，使其中钠的含量过高，从而对植物造成伤害。因此，土壤全盐含量的变化是中水灌溉绿地最关心的问题之一，也是长期以来最有争议之处。通过中水模拟浇灌试验也表明，当全盐浓度小于2 000 mg/L时，短期内不会对绿地植物生长造成严重伤害，甚至死亡。 其他指标如悬浮物(SS)，在污水中为微生物提供生长繁殖的附着场所，在深度处理时消毒剂需要透过悬浮固体，造成消毒剂浪费。采用紫外线消毒时，由于紫外线的穿透能力差，悬浮物会阻止光的透过，降低消毒效率。悬浮物过多在土壤表面积累，将使土壤板结，对植物正常生长不利。另外，细小的悬浮固体易形成气溶胶，会影响植物的光合作用。但在本试验中，悬浮物在小浓度(210 mg/L)时，短期内不会影响植物的正常生长发育，需要长期的浇灌试验才能表现出生长不良症状。 2  中水灌溉对于植物生长的影响 2.1对绿地植物生长的影响 一些研究表明，中水灌溉不会对绿地植物生长产生影响，甚至由于中水中含有大量营养元素，可以促进植物生长。如杨俊等利用深度处理后的生活污水浇灌12种植物并监测了种子萌发率，发现除个别物种外，其他植物与清水浇灌的种子萌发率相近或高于对照。王玉岱等对乔木、灌木、草本花卉和草坪植物、景观植物进行了再生水灌溉试验研究。结果表明应用二级和三级回用水对根、叶、花、枝和种子的生长发育及其生理活动未产生有害影响。而一些研究则认为，由于中水含有大量的盐离子和其他毒害离子，对绿地植物的生长不利。 另外，中水灌溉对其他作物影响的研究也有以上2种结论。如冯绍元等研究认为．再生水灌溉对冬小麦Triticum aestivum的茎叶有一定的促进作用，但不能显著提高其产量。郭逍宇等在研究北京市大兴区北野场水稻灌区野外定位研究过程中发现。再生水灌区水稻Oryza sa—tiva较自来水灌区植株庞大，根系发达，与乔丽等分析结果一致。郭逍宇等通过用再生水水培试验表明，各作物地上和地下干质量均显著高于对照，再生水对作物幼苗生长同样具有显著的促进作用。但培养末期小麦根尖出现发黄现象，表明不合理的再生水灌溉必然引起盐分的根区伤害。 2.2对绿地植物生理特性的影响 中水灌溉对绿地植物生理指标的影响与植物种类、水质等因素有关。周陆波等研究表明，不同水质灌溉对草坪草的细胞膜透性没有明显影响，二级处理水和一般三级处理水超滤灌溉的草坪草的细胞膜透性较小，从而说明二级处理水和一般三级处理水灌溉对草坪草来说并不是逆境，反而是有利的条件。从植物生理的微观角度看，二级水由于含有大量的盐分，对植物细胞膜的稳定性有一定的破坏性，使植物质膜透性增大。尤其对幼苗影响更显著。张楠等研究表明，全盐量对苗期高羊茅过氧化氢酶(CAT)活性的影响呈先增加后降低的趋势，说明胁迫下苗期高羊茅的抗逆性增强。 另外，对其他作物进行中水灌溉的研究也得出同样结论。郭逍宇等通过用再生水水培试验表明，再生水培养组小麦叶片的超氧化物歧化酶(SOD)显著低于对照组(P<0．05)；而黄瓜Cucumis sativus叶片SOD活性在再生水的作用下与对照组相比呈现激活趋势(P<0．05)；西红柿Solanum lycopersicumSOD酶活性与对照组无显著差异。再生水灌溉对不同作物叶片过氧化物酶(POD)影响因种而异，小麦和黄瓜叶片POD与对照组相比，呈现不同程度的下降(P<0．05)；而西红柿叶片中的POD在再生水的作用下与对照组无显著差异(P>0．05)，再生水灌溉对不同作物叶片CAT活性影响与POD呈现相同的变化趋势。 2.3对绿地植物光合生理的影响 植物的光合和蒸腾作用是植物的2个密切相关的生理过程，对植物的生长发育有着直接而重大的影响。中水灌溉绿地植物会影响其他代谢、物质及气体交换，这会直接或间接影响光合作用的各项指标，包括净光合速率、蒸腾速率、水分利用效率和气孔导度。大量研究表明，由于中水中含有高盐分，会导致绿地植物叶片叶绿素和净光合速率下降，生长减弱。但因植物种类、水质的不同而各异。通过对植物叶绿素进行差异显著性检验发现，除月季变化显著外，其他植物叶绿素含量均没有显著差异，说明灌溉水质虽然对植物产生影响，但危害程度较小，适当提高灌溉水质即可减轻或避免危害的发生。白宇等研究认为，叶绿素含量的变化与再生水中营养物质的含量有关，二级出水总氮、总磷、铵态氮、硝酸盐均浓度最高．因此二沉处理的叶绿素含量较高；而反渗透工艺处理的再生水由于营养物质含量相对较少，叶绿素的合成受到一定影响，含量较低。 对其他作物的研究结果也相似。如郭逍宇等研究表明，再生水灌溉后各作物幼苗叶片中的叶绿素含量或显著高于对照，或与对照无差异，再生水作用对各作物幼苗光合作用能力无不利影响。研究表明，使用再生水灌溉后，紫花苜蓿的叶片叶绿素含量及其光合作用能力均没有受到影响。叶片的类胡萝卜素含量和类胡萝卜素／叶绿素均没有出现明显变化；3个紫花苜蓿品种叶片的净光合速率和蒸腾速率均没有发生显著变化，从单叶水平上来看紫花苜蓿的光合生理没有受到再生水灌溉的影响。同时还发现，随着光照强度的增加，经再生水灌溉后的紫花苜蓿的光化学淬灭系数(qP)能够保持和清水灌溉下相似的下降速度；非光化学荧光淬灭系数(qN)能够保持和清水灌溉下相似的上升速度，说明3种紫花苜蓿PSⅡ反应中心的开放程度和热耗散能力都没有受到再生水灌溉的影响。 2.4对绿地植物营养元素含量的影响 水灌溉对植物营养元素含量的影响研究结果不一致。有些研究认为，中水中的养分水平要超过绿地乔灌植物所需的养分量．因此使用中水可以减少植物对肥料的需求，其中氮、磷、钾、硫是最有用的营养元素。Parsons等对再生水灌溉的柑橘Citrus reticulata林进行监测．发现再生水虽然不能提供完全的营养。但能提供植物所需的全部钙、磷，通过对柑橘林超过10年的土壤和叶矿质元素含量监测，没有显现出任何营养问题。黄冠华等的研究表明，再生水灌溉会导致草坪草植株中全氮的含量比清水灌溉平均高48％。 一些研究则认为，中水灌溉对绿地植物营养水平的影响不明显。不同水质灌溉下，不同植物叶中氮、磷、钾浓度一般无显著差异，并且和土壤中相应元素的变化规律并不一致。除钾元素在叶中增加趋势较明显外，不同植物叶中的氮、磷变化并无明显规律。而且通过对二级水长期灌溉下的植物调查研究中发现，二级处理水中的养分并没有明显促进植物的生长，部分植物的生长反而降低，其原因是二级水中有害物质的积累影响了植物的生长和灌溉水中的养分．尤其是氮进入土壤后没有完全被植物利用就通过其他途径损失了。 另外还有研究表明，长时间使用中水灌溉，可能会导致植物生长所需的某些微量元素缺乏。 2.5对绿地植物毒害离子含量的影响 大量研究表明，对植物产生毒害的离子主要为钠、氯和硼离子。钠和氯离子均能被植物根系吸收并转移到叶中．由于盐能被叶直接吸收，含有高钠或高氯的灌溉水通过高处喷撒也会对植物叶产生显著的毒害影响。高硼量对植物危害明显，即使灌溉水中的硼浓度低达1 mg／L也会对大多数景观植物产生毒害。并能导致叶灼伤，最常见的明显症状是在老叶边缘产生黑斑[3引。 2.5.1钠    不同植物对钠的敏感性差异很大，对钠敏感的植物受到钠伤害时通常表现为老叶边缘出现枯焦，这是植物从土壤水中吸收钠的结果。研究表明，钠对绿地植物的伤害与灌水方式、植物种类有关。如Lin等研究表明。钠离子对植物的伤害与再生水的灌溉方式有关，喷灌方式使再生水中钠离子能直接被吸收并能在湿叶中累积，最终导致叶灼伤；地面浇灌或地下滴灌可减少钠离子的伤害。 2.5.2氯化物    氯化物可使植物老叶边缘出现叶灼伤，并向后发展到叶刃。Harivandi等研究表明，大多数树和灌木对氯化物浓度为355 mg／L就非常敏感，木本植物对氯化物尤其敏感。王俊昌等研究认为，氯化物对草坪的毒害作用不显著。Lin等的研究结果表明，再生水灌溉的植物组织中，钠和氯水平都比对照高出许多，持续使用可能会造成危害。 2.5.3硼    研究表明硼对植物的生长是必须的，但过量的硼常会对植物产生毒害作用。如Musci用含硼的水灌溉葡萄树Ⅵtis vinifera时发现，含硼离子高的水对葡萄树的健康和长势有很大的影响，而且影响产量。 中水灌溉可以引起硼在植物体内的积累，但不足以对植物造成伤害。如Donaldson等究用含硼的处理水(4 mg／L)灌溉高尔夫果岭时，发现高硼水对果岭草坪草的影响不大，其原因可能是由于草坪草的快速生长和修剪物的频繁移去所致。 2.5.4重金属    大量研究表明，重金属对植物的生长发育会产生不同的影响。但目前国内外各污水厂生产的中水中重金属含量都低于符合国家规定的标准。中水灌溉绿地植物，重金属和其他矿物元素对植物有一定的影响，但不会造成伤害。如郭逍宇等研究认为，各种处理工艺处理后的再生水中重金属含量与当地地下水及自来水相比，没有显著区别，甚至低于地下水含量。韩烈保等通过对二级水长期灌溉下的植物调查研究中发现，重金属镉、铅和锌在植物叶中均没有显著差异；铜只在珍珠梅叶中有显著增长；铬的差异性较大，在榆叶梅、绦柳、珍珠梅中存在显著或极显著差异，而且是降低的趋势。周陆波等通过用再生水灌溉草坪草结果表明，在草坪草矿质元素含量上，自来水灌溉与再生水灌溉差异很小。 3  小结 综上所述。从国内外研究来看，中水作为新型水源可以取代地下水和自来水用于景观灌溉是可行的。长期中水可对绿地植物的生长、抗逆生理、光合生理造成一定的影响．但不至于对植物的生长发育造成影响。从化学成分上看，中水灌溉绿地土壤还可以提供土壤较多养分，减少肥料花费，促进植物生长；中水灌溉也不会造成植物体内钠、氯、硼和重金属及其他矿物质的累积，同样不会对绿地植物造成胁迫危害。 但是中水灌溉对绿地植物的影响还可能会随着中水处理工艺、气候、灌溉方式、植物品种间的遗传特性、土壤质地和结构、土壤肥力等的变化而变化；长期的中水灌溉，当一些离子超过一定的阈值，会对植物产生胁迫伤害，如中水中丰富的营养元素及较多的盐分．成为限制其广泛应用的主要原因，也是目前研究的热点。所以对中水的应用还需做大量的研究验证，才能对合理地推广运用中水做出科学依据。