不同水質(zhì)灌溉對毛紅椿生長及基質(zhì)性質(zhì)的影響*

宋曰欽 孫 虎 胡凌峰 張 程

(黃山學(xué)院生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，安徽 黃山 245041)

不同水質(zhì)灌溉對毛紅椿生長及基質(zhì)性質(zhì)的影響*

宋曰欽 孫 虎 胡凌峰 張 程

(黃山學(xué)院生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，安徽 黃山 245041)

在全球水資源日益缺乏的情景下，伴隨城市化過程出現(xiàn)的生活污水量顯著增加，如何有效利用這一資源成為社會、經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。以珍貴樹種毛紅椿為材料，在遮雨棚下系統(tǒng)研究了生活污水、生活污水與自來水的混合水(以下簡稱“混合水”)以及自來水為灌溉水質(zhì)，對毛紅椿播種苗生長、育苗基質(zhì)的性質(zhì)及其中主要重金屬含量的影響，以探討生活污水應(yīng)用于育苗生產(chǎn)的可能性。結(jié)果表明：(1)生活污水與混合水灌溉后均促進(jìn)了毛紅椿苗高、地徑的生長，苗高分別為自來水的213.1%、210.4%，地徑分別為163.9%、155.5%，生物量的增加也非常明顯，特別是地上部分生物量，不同水質(zhì)間苗高、地徑、生物量均達(dá)到顯著性差異。(2)生活污水灌溉改善了栽培基質(zhì)的pH、容重等性質(zhì)，但重金屬含量也出現(xiàn)增加的趨勢，不過均低于《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB15618—1995)中二級標(biāo)準(zhǔn)限值，同時毛紅椿各器官中重金屬含量也升高。不同重金屬在不同器官中的富集程度不同，Cu、Zn、As、Mn在葉中富集較明顯，Cr、Pb沒有出現(xiàn)富集現(xiàn)象。因此，生活污水及混合水可應(yīng)用于毛紅椿苗木培育。

生活污水 毛紅椿 生長 富集系數(shù)

Abstract: It was key to use sewage water sufficiently to achieve socio-economical sustainable development which increased dramatically with urbanization in the scenario of water shortage globally. Influence of irrigation by different quality water，i.e. sewage water，mixture water of sewage water and tap water and tap water on growth of seedlings，matrix properties and their heavy metal concentration were studied by one precious tree -Toonaciliatavar.pubescensunder shelter to value the possibility of usage of sewage water in seedlings culture. The results showed that：(1) growth of height and ground diameter ofToonaciliatavar.pubescenswere promoted when irrigated by sewage water and mixture water. Height of seedlings irrigated by sewage water were 213.1% to that irrigated by tap water，and height of seedlings irrigated by mixture water were 210.4% to that irrigated by tap water. Ground diameter of seedlings irrigated by sewage water were 163.9% to that irrigated by tap water，and ground diameter of seedlings irrigated by mixture water were 155.5% to that irrigated by tap water. Biomass，especially over ground biomass was more when irrigated by sewage water than when irrigated by tap water. Seedlings height，ground diameter and biomass were different significantly irrigated by different quality water. (2) pH and density of matrix were improved by irrigated sewage and mixture water. Heavy metal concentration of matrix irrigated by sewage water was higher than that irrigated by tap water too. However，the heavy metals were under the limiting value for culture soil according to Ⅱ class value of “Standord of soil environmental quality” (GB 15618-1995). Meanwhile，heavy metal concentration inToonaciliatavar.pubescensirrigated by sewage water were higher than that irrigated by tap water. However，only the enrichment coefficient of Cu，Zn，As and Mn in leaf were greater than 1.Cr，Mn and Pb didn't accumulate in leaf，stem and root of seedlings. Sewage water，especially mixture water could be used in seedlings culture for its multiple benefits.

Keywords: sewage water；Toonaciliatavar.pubescens； growth； enrichment coefficient

水資源是社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)性資源，由于水資源分布與人類社會經(jīng)濟(jì)活動存在時空差異，必然產(chǎn)生不同程度的水資源短缺，制約區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展。大力發(fā)展節(jié)水灌溉、充分挖掘水資源潛力成為一個國家或地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會穩(wěn)定、生態(tài)優(yōu)良的基本條件，其中加強(qiáng)對生活污水的利用是重要措施之一。一方面，隨著城市化的發(fā)展，城市污水排放量迅速增加，到2020年我國生活污水的排放量將達(dá)到4.024×1010t[1]，是不可忽視的資源；另一方面，生活污水灌溉利用還可減少因直接排放而引起的河流和地下水的污染，為農(nóng)作物提供微量元素、有機(jī)質(zhì)及所需的氮、磷和鉀[2]26。因而，生活污水的利用歷史很久，應(yīng)用范圍很廣，特別是缺水嚴(yán)重的干旱、半干旱地區(qū)。據(jù)估計，世界上50個國家2 000萬hm2的農(nóng)田均使用了污水灌溉[2]26。但生活污水灌溉也引起了爭論，主要是由于污水中存在的微生物、有機(jī)或無機(jī)化學(xué)物對直接或間接接觸的工人或消費(fèi)者可能造成的健康損傷，以及長期廢水灌溉造成的土壤組成改變，特別是重金屬積累引起的環(huán)境問題[3]754，此外，長期的污水灌溉導(dǎo)致了土壤緊實度的增加和保持養(yǎng)分能力的降低[4]。相對于農(nóng)作物食用安全的風(fēng)險，林木主要收獲其木質(zhì)部為主，因此生活污水應(yīng)用于城市林業(yè)發(fā)展具有更大的潛力，特別是林木具有更大的表面積、深達(dá)數(shù)米的根系，需要更多的水分，其蒸騰作用也就能促進(jìn)土壤對廢水通過過濾作用修復(fù)，推動廢水中的養(yǎng)分合成生物量，從而產(chǎn)生社會效益、環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益等多種效益[5]152。研究結(jié)果顯示，由城市廢水灌溉以林地生態(tài)用水虧缺所造成的經(jīng)濟(jì)損失率遠(yuǎn)高于單位國民經(jīng)濟(jì)用水量收益率、單位農(nóng)業(yè)用水收益率和單位工業(yè)用水收益[6]。但目前有關(guān)城市廢水應(yīng)用方面的研究主要集中于蔬菜[7]、草坪[8]等，應(yīng)用于林木栽培的不多見[9]。因此，有必要研究生活污水對苗木生長、栽培基質(zhì)的影響，以評價生活污水在苗木培育中的應(yīng)用。

毛紅椿(Toonaciliatavar.pubescens)是楝科香椿屬紅椿(Toonaciliata)的一個變種，是我國特有種，由于其干形通直和優(yōu)良的木材性質(zhì)，大樹屢遭破壞，天然母樹急劇減少，被列為國家Ⅱ級重點保護(hù)野生植物[10]。有關(guān)毛紅椿的研究較多[11-12]，[13]59，[14]，為毛紅椿的擴(kuò)大繁殖、栽培利用提供了理論依據(jù)，但生活污水是否可應(yīng)用于毛紅椿育苗，對苗木生長和栽培基質(zhì)的影響如何，尚未見報道。為此，本研究以生活污水、自來水及兩者混合水(等體積混合)為3種不同水源，在遮雨棚下進(jìn)行毛紅椿播種苗的灌溉試驗，系統(tǒng)分析不同水質(zhì)對毛紅椿生長、栽培基質(zhì)性質(zhì)等的影響，評價生活污水應(yīng)用于毛紅椿育苗的可能性。

1 材料與方法

1.1 材 料

毛紅椿種子來源于安徽省涇縣，種子采收時間為2013年10月26日，帶回實驗室后，在室內(nèi)攤開、晾放干燥，待果實開裂獲得純凈種子和果殼。經(jīng)測定，種子的千粒重為6.18 g，優(yōu)良度為94%[13]60。

1.2 實驗方法

實驗在黃山學(xué)院苗圃內(nèi)的遮雨棚下完成，于2014年2月底以園土為栽培基質(zhì)，選取90粒健壯、飽滿的毛紅椿種子，按照技術(shù)要求播放在30個底徑8 cm、口徑16 cm、高20 cm的塑料花盆中，在每個花盆的中央位置按等邊三角形分別播放3粒種子。將30個花盆放在遮雨棚下進(jìn)行培育，以防止降雨對實驗的影響。30個花盆隨機(jī)分為3組，每組10個，每次分別澆灌同量的水，水質(zhì)分別為生活污水、混合水、自來水，分別編號為A、H、N處理。種子發(fā)芽后，根據(jù)幼苗生長情況進(jìn)行間苗，最終每個花盆保留1株生長健壯的苗，至2014年10月20日結(jié)束。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

栽培土壤性質(zhì)的測定：按照《土壤檢測 第4部分：土壤容重的測定》(NY/T 1121.4—2006)中環(huán)刀法測定園土的容重，根據(jù)容重計算孔隙度；取土樣在室內(nèi)風(fēng)干后碾磨，按照《森林土壤全氮的測定》(LY/T 1228—2015)中的堿解擴(kuò)散法測定速效氮；按照《森林土壤全磷的測定》(LY/T 1232—2015)中的鉬銻抗比色法測定速效磷；紫外分光光度計(1810D)測定速效鉀；按照《森林土壤有機(jī)質(zhì)的測定及碳氮化的計算》(LY/T 1237—1999)測定有機(jī)質(zhì)。

每次從污水處理廠取處理前的生活污水后，pH計(PHS-3C)測定pH，電導(dǎo)率(EC)儀(DDSJ-308f)測定EC，按照《水質(zhì) 化學(xué)需氧量的測定 重鉻酸鹽法》(GB 11914—89)測定COD，按照《水質(zhì) 五日生化需氧量(BOD5)的測定 稀釋與接種法》(HJ 505—2009)測定BOD5，過硫酸鉀消解后紫外分光光度計測定總氮，按照《水質(zhì) 氨氮的測定 納氏試劑分光光度法》(HJ 535—2009)測定氨氮，紫外分光光度計測定硝態(tài)氮及正磷酸鹽，保留500 mL樣品，在冰柜中冷凍保存，至2014年11月最后一次取水后，按照《水質(zhì) 65種元素的測定 電感耦合等離子體質(zhì)譜法》(HJ 700—2014)進(jìn)行樣品處理，并測定Cr、Cu、Zn、As、Pb。

實驗結(jié)束時測定每一處理的苗高、地莖，測定花盆中土壤的容重、pH和EC。

在每一處理中挖取3株中等大小的苗木，要求根系完整，洗凈根系的泥土后，分株將葉、莖枝和根放入烘箱中，在85 ℃烘干72 h，測定葉、莖枝和根的生物量，粉碎后玻璃瓶中保存待用。

取粉碎后葉、莖枝、根樣品和土壤樣品各5 g左右，按表1進(jìn)行消煮，消煮酸液為83%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)硝酸、17%高氯酸(HClO4)等體積混合，消煮后的溶液定容至50 mL，電感耦合等離子體質(zhì)譜法測定Cr、Cu、Zn、Mn、As、Pb，檢出限分別為0.1、0.02、0.2、0.2、0.1、0.02 mg/kg。

表1 樣品消煮程序

以SPSS16.0進(jìn)行單因素方差分析，在Microsoft excel 2003中完成圖、表制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 栽培土壤、水源的性質(zhì)

栽培土壤的基本性質(zhì)見表2，不同灌溉水源水質(zhì)的主要性質(zhì)見表3。

表2 栽培土壤的基本性質(zhì)

表3 不同灌溉水質(zhì)的主要性質(zhì)

2.2 不同水質(zhì)灌溉對毛紅椿生長的影響

2.2.1 毛紅椿苗高

由圖1可見，水質(zhì)不同，苗高存在顯著性差異(P=0)。自來水灌溉的毛紅椿苗高低于生活污水、混合水，生活污水灌溉后毛紅椿的苗高是混合水、自來水的101.3%、213.1%；混合水灌溉后苗高為自來水的210.4%。因此，生活污水顯著促進(jìn)了毛紅椿苗高。

圖1 不同水質(zhì)灌溉下毛紅椿的苗高Fig.1 Height of Toona ciliata var. pubescens irrigated by different quality water

2.2.2 毛紅椿地徑

由圖2可見，不同水質(zhì)灌溉后，毛紅椿地徑生長存在顯著性差異(P=0)。生活污水灌溉后毛紅椿地徑最大，達(dá)到(0.59±0.06) cm，分別是混合水、自來水的105.4%、163.9%；混合水灌溉后地徑為自來水的155.5%。

2.2.3 毛紅椿生物量

生物量的積累反映植物對資源利用的效率。生活污水灌溉后毛紅椿總生物量最大(見表4)，是混合水、自來水的133.7%、397.0%。水質(zhì)不同，生物量間存在顯著性差異(P=0)。從不同器官生物量來看，地上部分(莖枝和葉)的生物量均表現(xiàn)出相同規(guī)律，即生活污水>混合水>自來水，但根系生物量的表現(xiàn)不同，以混合水灌溉后的生物量最大，自來水最小。方差分析顯示，不同水質(zhì)灌溉后各器官的生物量均存在顯著性差異(P均為0)。

圖2 不同水質(zhì)灌溉下毛紅椿地徑Fig.2 Ground diameter of Toona ciliata var. pubescens irrigated by different quality water

表4 不同水質(zhì)灌溉下毛紅椿的生物量

2.3 不同水質(zhì)對栽培基質(zhì)的影響

2.3.1 基質(zhì)pH

生活污水灌溉后的基質(zhì)pH較高，自來水則最低(見圖3)。但不同水質(zhì)灌溉后基質(zhì)pH間沒有顯著性差異(P=0.09)。

2.3.2 基質(zhì)容重

自來水灌溉后的基質(zhì)容重最大，生活污水則最小(見圖4)。自來水灌溉后的基質(zhì)容重是混合水、生活污水的103.1%、105.6%，不同灌溉水質(zhì)間的基質(zhì)容重存在顯著性差異(P=0)。

2.3.3 基質(zhì)EC

自來水灌溉后的基質(zhì)EC最高，生活污水則最低(見圖5)。自來水灌溉后的基質(zhì)EC是混合水、生活污水的102.8%、108.7%。不同水質(zhì)灌溉后基質(zhì)EC間沒有顯著性差異(P=0.20)。

圖3 不同水質(zhì)灌溉后基質(zhì)pHFig.3 pH of matrix irrigated by different quality water

圖4 不同水質(zhì)灌溉后的基質(zhì)容重Fig.4 Bulk density of matrix irrigated by different quality water

圖5 不同水質(zhì)灌溉下的基質(zhì)ECFig.5 Electric conductivity of matrix irrigated by different quality water

2.4 不同水質(zhì)灌溉對基質(zhì)、毛紅椿重金屬含量的影響

由表5可見，不同水質(zhì)灌溉后基質(zhì)重金屬均低于《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618—1995)二級標(biāo)準(zhǔn)。說明研究期內(nèi)生活污水灌溉沒有造成基質(zhì)的重金屬污染問題。但與自來水相比，混合水和生活污水灌溉都使得基質(zhì)重金屬含量提高。生活污水灌溉后基質(zhì)重金屬含量均高于混合水和自來水，其中Cr分別為混合水、自來水的154.7%、165.1%，Cu分別為134.7%、202.5%，Zn分別為173.3%、262.6%，Mn分別為100.5%、105.9%，As分別為133.3%、133.3%，Pb分別為113.5%、439.1%；不同重金屬積累程度不同，Pb的增加最明顯，其次是Zn，Mn的增加最少，而其他重金屬均有不同程度的積累現(xiàn)象。

表5 不同水質(zhì)灌溉后基質(zhì)重金屬質(zhì)量濃度

表6 不同水質(zhì)灌溉后毛紅椿不同器官重金屬質(zhì)量濃度1)

注：1)ND表示未檢出。

由表6可見，從不同器官中重金屬含量來看，Cr以根最高，其次是莖枝，葉最低；Cu、Zn、Mn、As、Pb則以葉最高，根次之，莖枝最低。從不同水質(zhì)看，葉中各重金屬含量均以生活污水灌溉后最高，其次是混合水，最低為自來水，其中生活污水灌溉后葉中Cr分別為混合水、自來水的126.1%、138.5%，Cu分別為110.6%、119.2%，Zn分別為109.7%、123.2%，Mn分別為111.7%、117.1%，As分別為125.0%、125.0%，Pb分別為150.0%、457.9%；生活污水灌溉后莖枝中Cr分別為混合水、自來水的123.4%、135.6%，Cu分別為88.3%、143.0%，Zn分別為165.5%、139.1%，Mn分別為100.0%、287.5%，As分別為100.0%、50.0%，Pb為混合水的290.9%；生活污水灌溉后根中Cr分別為混合水、自來水的195.5%、256.3%，Cu分別為259.3%、391.7%，Zn分別為192.2%、88.5%，Mn分別為538.5%、424.2%，As分別為300.0%、150.0%，Pb為混合水的128.6%。

3 討 論

生活污水因含有氮、磷等營養(yǎng)元素[2]26，因此可促進(jìn)植物生長，本研究也證明了這一點，生活污水灌溉后，無論苗高、地徑和生物量均顯著高于自來水，說明在毛紅椿育苗中合理利用生活污水可促進(jìn)苗木生長，提高苗木質(zhì)量。此外，生活污水灌溉后，土壤的物理性質(zhì)得到改善，pH增加，趨向中性，容重則降低，這估計與生活污水中含有較多有機(jī)質(zhì)相關(guān)。長期生活污水灌溉研究中發(fā)現(xiàn)，利用不同比例的污水灌溉，有機(jī)質(zhì)可增加1.24%～1.78%，有機(jī)質(zhì)和營養(yǎng)元素的含量遠(yuǎn)高于自來水灌溉[15]481。也有報道，生活污水灌溉可使得土壤中有機(jī)質(zhì)，可利用的氮、磷、鉀、硫等營養(yǎng)成分增加1.5～2.0倍[16]。因而，生活污水灌溉不僅可節(jié)約水資源，還可利用其中的營養(yǎng)成分，產(chǎn)生多重效益[5]159。

但生活污水灌溉引起的環(huán)境問題也不可忽視。本研究發(fā)現(xiàn)，生活污水灌溉后引起了基質(zhì)中重金屬含量增加，增加程度隨重金屬的種類不同而不同，以Pb的增加最明顯，其次是Zn，Mn的增加最少，但測定的重金屬均低于GB 15618—1995二級標(biāo)準(zhǔn)限值，說明生活污水灌溉還不會造成土壤的重金屬污染。其他研究也認(rèn)為，地表水灌溉會增加土壤重金屬含量[15]485。此外，在以再生水為水源進(jìn)行灌溉的條件下，通過再生水灌溉途徑帶入的重金屬與地下水灌溉相當(dāng)，低于大氣沉降和有機(jī)肥施用等輸入途徑帶入的重金屬[17]。因此，僅考慮灌溉水質(zhì)對土壤重金屬含量的影響，生活污水可用于灌溉。

通常，以植物-土壤系統(tǒng)的富集系數(shù)評價重金屬從土壤轉(zhuǎn)移到植物的能力[18]，不同水質(zhì)灌溉下重金屬的富集系數(shù)見表7。不同重金屬在不同器官中的富集程度不同，Cu、Zn、As、Mn在葉中富集較明顯，Cr、Pb沒有出現(xiàn)富集現(xiàn)象(富集系數(shù)≤1)。這可能與不同器官的生理功能有關(guān)，同時也受不同重金屬自身的遷移能力等影響[19]。

表7 不同水質(zhì)灌溉下不同器官中重金屬的富集系數(shù)

生活污水灌溉除重金屬外，其中的微生物、有機(jī)或無機(jī)化學(xué)物也會引起環(huán)境問題[3]754，對土壤微生物種類和類群造成不同影響，導(dǎo)致土壤酶活性的改變，從而影響土壤質(zhì)量[20]，今后應(yīng)研究生活污水中有機(jī)、無機(jī)化學(xué)物含量對土壤質(zhì)量的影響，以全面評價生活污水灌溉對環(huán)境的影響。

4 結(jié) 論

(1) 生活污水與混合水灌溉后均促進(jìn)了毛紅椿苗高、地徑的生長，苗高分別為自來水的213.1%、210.4%，地徑分別為163.9%、155.5%，生物量的增加也非常明顯，特別是地上部分生物量，不同水質(zhì)間苗高、地徑、生物量均達(dá)到顯著性差異。

(2) 生活污水灌溉改善了栽培基質(zhì)的pH、容重等性質(zhì)，但重金屬含量出現(xiàn)增加的趨勢，但均低于GB 15618—1995二級標(biāo)準(zhǔn)限值，同時毛紅椿各器官中重金屬含量也升高。不同重金屬在不同器官中的富集程度不同，Cu、Zn、As、Mn在葉中富集較明顯，Cr、Pb沒有出現(xiàn)富集現(xiàn)象。因此，生活污水及混合水可應(yīng)用于毛紅椿苗木培育。

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InfluenceofirrigationbydifferentqualitywateronpropertiesofculturematrixandgrowthofToonaciliatavar.pubescens

SONGYueqin，SUNHu，HULingfeng，ZHANGCheng.

(CollegeofLifeandEnvironmentalScience，HuangshanUniversity，HuangshanAnhui245041)

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.07.014

2016-03-27)

宋曰欽，男，1967年生，博士，教授，研究方向為人工林栽培技術(shù)與理論。

*國家林業(yè)局“948計劃”項目(No.2014-4-64)。