再生水灌水水平對土壤重金屬及致病菌分布的影響

韓 洋,李 平,齊學斌,郭 魏,崔丙健,陸紅飛

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再生水灌水水平對土壤重金屬及致病菌分布的影響

韓 洋1,2,李 平1,3,齊學斌1,3*,郭 魏1,3,崔丙健1,3,陸紅飛1,3

(1.中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)田灌溉研究所,河南 新鄉(xiāng) 453003；2.中國農(nóng)業(yè)科學院研究生院,北京 100081；3.農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全水環(huán)境因子風險評估實驗室,河南 新鄉(xiāng) 453003)

為了探討再生水不同灌水水平對土壤重金屬、活性微生物和典型環(huán)境致病菌分布的影響,采用室內(nèi)土柱灌水實驗,研究再生水、自來水不同灌水水平對土壤重金屬Cd、Pb、Cu、Zn和土壤細菌、真菌、大腸菌群、大腸埃希氏菌分布的影響.結果表明:相同灌水水平下,與自來水灌溉處理相比,再生水灌溉處理下土壤重金屬含量略有提高,但仍遠低于《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》[GB15618-1995]限值,因此短期再生水灌溉不會造成土壤重金屬污染;再生水不同灌水水平對比分析表明,充分灌溉相比非充分灌溉提高了表層土壤Cd、Pb含量,Cu、Zn含量無明顯差異.此外,相同灌水水平下,再生水灌溉相比自來水顯著提高了表層土壤細菌總數(shù)和大腸菌群、大腸埃希氏菌數(shù)量,對土壤真菌總數(shù)影響不大;再生水不同灌水水平對比分析表明,充分灌溉相比非充分灌溉顯著提高了表層土壤細菌和真菌總數(shù)及大腸菌群、大腸埃希氏菌數(shù)量. 土壤重金屬與土壤活性微生物及典型環(huán)境致病菌之間的相關性分析表明,土壤Cd、Pb、Zn含量與土壤細菌、真菌總數(shù)及大腸菌群、大腸埃希氏菌數(shù)量之間呈正相關性,推斷較低含量重金屬對土壤活性微生物及典型致病菌的生長繁殖存在一定程度上的刺激作用.因此,再生水灌溉促進了土壤活性微生物的繁衍,并且在一定程度上增加了土壤重金屬和環(huán)境致病菌的污染風險;合理控制再生水灌水水平可以有效阻控土壤重金屬和致病菌含量.

再生水；土柱；灌水水平；重金屬；活性微生物；環(huán)境致病菌

隨著水資源供需矛盾的不斷加劇,作為替代水資源的再生水農(nóng)業(yè)利用日益受到重視[1].再生水作為邊界水源,具有量大、面廣、輸水方便、工藝處理成本低等特點[2],與海水淡化、跨流域調(diào)水相比,具有明顯優(yōu)勢[3];將其用于農(nóng)業(yè)灌溉一方面可緩解水資源緊缺之態(tài)勢,另一方面,水體當中富含的多種營養(yǎng)元素還可提高土壤肥力和農(nóng)作物產(chǎn)量[4-5].然而,除有益成分外,再生水中往往還含有一些無機污染物、有機污染物、鹽分、痕量重金屬、病原菌等會對生態(tài)環(huán)境和人畜健康構成潛在威脅的物質(zhì),特別是再生水中重金屬和病原菌在隨灌溉進入土壤后,會導致土壤環(huán)境急速惡化,降低作物品質(zhì),危害人體健康[6-8].再生水中部分重金屬含量高于清水,因此再生水灌溉后土壤重金屬殘留量往往也相對較高.研究表明,短期再生水灌溉下土壤重金屬在一定程度上存在積累現(xiàn)象,但并未超出限值[9-12];長期再生水灌溉下土壤重金屬累積效應明顯[13-14].再生水灌溉下,土壤Cu、Cr和Zn等重金屬元素主要富集于表層0~20cm土壤,深層土壤含量甚微[15].再生水灌溉下表層土壤重金屬含量高于清水灌溉,并且會影響重金屬在土壤中的遷移和累積[16];但也有研究指出,再生水灌溉對土壤重金屬遷移無顯著影響[17].再生水中除含有一系列益于土壤環(huán)境發(fā)展的活性微生物外,往往還攜帶大量致病菌,在一定條件下可產(chǎn)生毒性物質(zhì),造成宿主感染,與人體接觸極易導致腸道線蟲類疾病、腹瀉、痢疾、傷寒、腸胃炎、肝炎等疾病發(fā)生[18].大腸埃希氏菌通常被作為環(huán)境污染指示菌所提出,同時其檢出也標志著環(huán)境中賈第蟲屬和隱孢子蟲的存在,特別是部分血清型的大腸埃希氏菌諸如腸致病性大腸埃希氏菌、腸產(chǎn)毒性大腸埃希氏菌、腸侵襲性大腸埃希氏菌、腸出血性大腸埃希氏菌等具有嚴重致病性,能夠引起敗血癥及出血性腹瀉等疾病,其危害不容小覷[19].有研究指出,灌溉水中大腸桿菌濃度的高低會對土壤中大腸桿菌的分布造成直接影響[20];再生水灌溉作物收獲后土壤大腸桿菌濃度較首次灌水后的數(shù)量有明顯降低趨勢,認為再生水灌溉不會導致大腸桿菌在土壤中發(fā)生累積[21];相似的研究中也表明,頻繁使用再生水灌溉會導致短期內(nèi)土壤大腸桿菌污染,但長期土壤大腸桿菌濃度呈下降趨勢[22].截至目前,關于再生水灌溉下土壤重金屬及致病菌的相關研究多集中于短期、長期累積效應的觀測,但從再生水灌水量調(diào)控角度出發(fā),研究其不同灌水水平下土壤重金屬和致病菌分布差異性及二者間潛在關聯(lián)性的報道較少.為此,通過室內(nèi)土柱灌水實驗,以再生水和自來水不同灌水水平條件下的土壤為研究對象,探討不同灌水處理對土壤重金屬(Cd、Pb、Cu、Zn)、活性微生物(細菌、真菌)及典型致病菌(大腸埃希氏菌、總大腸菌群)分布的影響,以期為非常規(guī)水農(nóng)業(yè)利用的環(huán)境安全效應研究工作提供數(shù)據(jù)支撐和理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 供試土壤與實驗用水

實驗用土采自中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)水土環(huán)境野外科學觀測試驗站附近0~20cm耕層土壤,質(zhì)地為砂壤土.供試土樣基本理化指標如下:土壤干容重1.42g/cm3,有機質(zhì)含量8.682g/kg,全氮含量0.207g/kg,全磷含量0.376g/kg,全鹽量(EC值)150.57ds/m,pH值8.62,重金屬Cd含量0.055mg/kg,Pb含量5.357mg/kg, Cu含量10.026mg/kg,Zn含量42.971mg/kg.土樣經(jīng)自然風干后過5mm篩,混合均勻后取小部分土樣裝入無菌密封袋中,帶回實驗室用于測定土壤基本理化性質(zhì),剩余土樣用于填裝土柱.

實驗用再生水取自河南省新鄉(xiāng)市駱駝灣污水處理廠,污水主要來源于城市生活污水,污水處理工藝為A/O反硝化生物濾池和臭氧氧化組合工藝.實驗用再生水常規(guī)水質(zhì)指標完全符合農(nóng)田灌溉水質(zhì)標準[GB 5084-2005]、再生水水質(zhì)標準[SL368-2006]和城市污水再生利用農(nóng)田灌溉用水水質(zhì)標準[ GB 20922-2007]規(guī)定,實驗用再生水及自來水水質(zhì)指標詳見表1.

1.2 實驗設計

實驗設自來水(CK)、再生水(RW)2種灌溉水質(zhì),充分灌水(DI)、非充分灌水(FI)2種灌水水平,充分灌水處理保持土壤含水率為田間質(zhì)量持水率(FH)的90%,非充分灌水處理保持土壤含水率為充分灌水處理的70%.共計4個處理:自來水非充分灌溉(CKDI)、自來水充分灌溉(CKFI)、再生水非充分灌溉(RWDI)、再生水充分灌溉(RWFI),每個處理設3個重復.實驗用土柱材質(zhì)為硬質(zhì)PVC,外徑40cm,高70cm,壁厚0.98cm.土柱底部(反濾層位置處)設有排水孔,柱體上方布設管道式灌水系統(tǒng),每個土柱均于土壤表層等間距插入4個滴頭,以保證灌溉水均勻、穩(wěn)定入滲.柱體由下至上依次是3cm反濾層、40~ 60cm土壤、20~40cm土壤、0~20cm土壤.土柱頂部預留7cm高度以備灌水時利用.分別在柱體各個深度土層埋設土壤負壓計,用于監(jiān)測土柱不同深度土壤水分情況.實驗共用土柱12根,所有土柱填裝完畢后統(tǒng)一用清水灌溉20d,待土壤形成穩(wěn)定結構后開始實驗.實驗從2017年8月1日~2018年3月29日于室內(nèi)進行,充分灌水處理每次灌水量為9.70L,非充分灌水處理每次灌水量為6.80L.灌水周期為20d,于實驗開始后的第241d進行土壤分層取樣,分析化驗0~10、10~20、20~30、30~40、40~60cm各土層土壤重金屬(Cd、Pb、Cu、Zn)含量、活性微生物(細菌、真菌)及典型致病菌(大腸埃希氏菌、總大腸菌群)數(shù)量.

1.3 測試指標與方法

土壤基本理化性質(zhì)測定:土壤pH值采用PHS-1型酸度計測定;土壤鹽分采用電導法(DDB-303A型便攜式電導率儀,上海雷磁)測定;土壤有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定;土壤全氮、全磷含量采用流動分析儀(德國BRAN LUEBBE AA3)測定.土壤Cd、Pb、Cu、Zn含量通過王水-高氯酸消解后采用原子吸收分光光度計法測定.土壤活性微生物及典型致病菌數(shù)量采用稀釋涂布平板計數(shù)法測定.

1.4 數(shù)據(jù)分析

應用 Excel 2010和SAS 9.2 進行數(shù)據(jù)的方差分析和相關性分析;選取95 %置信水平,應用最小顯著差異法(LSD)進行不同處理間的多重比較分析.

2 結果與分析

2.1 再生水不同灌水水平對土壤重金屬分布的影響

不同處理不同土層深度土壤重金屬含量見表2.在土壤Cd分布方面,經(jīng)灌溉240d后,RWDI處理下30~40cm土層Cd含量顯著高于CKDI處理(<0.05),而在其他土層,除20~30cm外,RWDI處理下土壤Cd含量均略高于CKDI處理,但差異不顯著(>0.05). RWFI處理下0~60cm土層Cd含量均顯著高于CKFI處理(<0.05).這表明相同灌水水平下,相比自來水,再生水灌溉在一定程度上提高了土壤Cd含量,且于較高灌水水平條件下二者差異顯著,但仍遠低于《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》[GB15618-1995]中Cd含量限值(1.0mg/kg),說明再生水灌溉不會引起土壤Cd污染.RWFI處理下0~30cm土層土壤Cd含量顯著高于RWDI處理(<0.05),而在30~60cm土層無顯著性差異,說明再生水充分灌溉相比非充分灌溉提高了表層土壤Cd含量.

在土壤Pb分布方面,RWDI處理下0~20cm土層Pb含量顯著高于CKDI處理(<0.05),而在20~ 60cm土層, RWDI處理土壤Pb含量略高于CKDI處理,無顯著性差異(>0.05).RWFI處理下0~20cm、30~40cm土層Pb含量顯著高于CKFI處理(<0.05), 20~30cm、40~60cm土層略高于CKFI處理,但差異不顯著(>0.05).說明在相同灌水水平下,再生水灌溉相比自來水提高了土壤中Pb含量,且表層土壤提高顯著,但仍遠低于《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》[GB15618-1995]中Pb含量限值(350mg/kg),說明再生水灌溉不會引起土壤Pb污染.RWFI處理下0~10cm土層Pb含量顯著高于RWDI處理(<0.05), 10~60cm土層差異不顯著,表明再生水充分灌溉相比非充分灌溉可顯著提高表層土壤Pb含量.

在土壤Cu分布方面,RWDI處理下0~40cm土層Cu含量顯著高于CKDI處理(<0.05),40~60cm土層差異不顯著(>0.05).RWFI處理下0~60cm土層Cu含量略高于CKFI處理,但均無顯著性差異(>0.05).這表明相同灌水水平下,相比自來水,再生水灌溉可在一定程度上提高土壤Cu含量,且于非充分灌溉條件下,表層土壤二者之間差異顯著,但仍遠低于《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》[GB15618-1995]中Cu含量限值(100mg/kg),說明再生水灌溉不會引起土壤Cu污染.RWFI處理0~60cm土層Cu含量略高于RWDI處理,但均無顯著性差異(>0.05),這說明再生水不同灌水水平對土壤Cu含量差異性影響不大.

在土壤Zn分布方面,RWDI處理下0~10cm、20~ 40cm土層Zn含量顯著高于CKDI處理(<0.05), 10~20cm、40~60cm土層無顯著性差異(>0.05). RWFI處理下30~40cm土層Zn含量顯著高于CKFI處理(<0.05),其他土層差異不顯著.土壤Zn含量遠低于《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》[GB15618-1995]中Zn含量限值(300mg/kg),說明再生水灌溉不會引起土壤Zn污染.RWFI處理與RWDI處理下的0~60cm土層Zn含量均無顯著性差異(>0.05),這說明再生水2種灌水水平下的土壤Zn含量差異不明顯.

表2 不同處理下土壤重金屬含量

注:表中不同字母表示同一土層不同處理之間存在顯著性差異(<0.05).

2.2 再生水不同灌水水平對土壤活性微生物分布的影響

2.2.1 再生水不同灌水水平對土壤細菌分布的影響 不同灌水處理下土壤細菌分布見圖1.相同灌水水平不同灌水水質(zhì)下土壤細菌分布差異表明,經(jīng)灌溉240d后,RWDI處理下0~10cm、10~20cm土層細菌總數(shù)顯著高于CKDI處理(<0.05), 20~60cm土層差異不顯著(>0.05);RWFI處理下0~10cm、10~ 20cm、30~40cm土層細菌總數(shù)顯著高于CKFI處理,其他土層無顯著性差異.其中,RWDI處理下0~ 10cm、10~20cm土層細菌總數(shù)分別是CKDI處理的1.19、1.34倍;RWFI處理下0~10cm、10~20cm土層細菌總數(shù)分別是CKFI處理的1.37、1.33倍.表明再生水灌溉相比自來水顯著提高了表層土壤細菌數(shù)量,但對深層土壤細菌數(shù)量影響不大.相同灌水水質(zhì)不同灌水水平下土壤細菌分布差異表明,經(jīng)灌溉240d后, RWFI處理0~10cm土層細菌總數(shù)顯著高于RWDI處理(<0.05),10~60cm土層均無顯著性差異(>0.05).這表明再生水不同灌水水平對表層土壤細菌數(shù)量和活性存在較為顯著的影響,但于深層土壤影響甚微;灌水量越高,土壤水分條件越充足,表層土壤細菌數(shù)量則越高.

圖1 不同灌水處理下土壤細菌分布比較

同一土層不同字母表示不同處理間存在顯著性差異(<0.05),下同

2.2.2 再生水不同灌水水平對土壤真菌分布的影響 不同灌水處理下土壤真菌分布見圖2.相同灌水水平不同灌水水質(zhì)下土壤真菌分布差異表明,經(jīng)灌溉240d后,RWDI處理0~60cm各土層真菌總數(shù)與CKDI處理均無顯著性差異(>0.05),而RWFI處理除40~60cm土層外,其他土層與CKFI處理均差異不顯著.這表明與自來水相比,再生水灌溉對于土壤真菌數(shù)量影響不大.相同灌水水質(zhì)不同灌水水平下土壤真菌分布差異表明,經(jīng)灌溉240d后,RWFI處理0~10cm土層真菌總數(shù)顯著高于RWDI處理(<0.05),而10~60cm土層均無顯著性差異(>0.05).相比之下,CKFI與CKDI處理下各土層土壤真菌數(shù)量均差異不顯著(>0.05).這說明相比自來水,再生水不同灌水水平對表層土壤真菌數(shù)量和活性影響顯著,但對深層土壤影響甚微;灌水量越高,土壤水分越充足,表層土壤真菌數(shù)量則相對越高.

圖2 不同灌水處理下土壤真菌分布比較

2.3 再生水不同灌水水平對土壤致病菌分布的影響

2.3.1 再生水不同灌水水平對土壤大腸菌群分布的影響 不同灌水處理下土壤大腸菌群分布見圖3.相同灌水水平不同灌水水質(zhì)下土壤大腸菌群分布差異表明, RWDI處理0~20cm土層大腸菌群總數(shù)顯著高于CKDI處理(<0.05),20~60cm土層無顯著差異;RWFI處理0~30cm土層大腸菌群總數(shù)顯著高于CKFI處理(<0.05),30~60cm土層無顯著差異.其中,RWDI處理下0~10cm、10~20cm土層大腸菌群總數(shù)分別是CKDI處理的1.15、1.09倍;RWFI處理下0~10cm、10~20cm土層大腸菌群總數(shù)分別是CKFI處理的1.26、1.22倍.這表明與自來水相比,再生水灌溉顯著提高了表層土壤大腸菌群數(shù)量,但對深層土壤大腸菌群數(shù)量影響不大.相同灌水水質(zhì)不同灌水水平下土壤大腸菌群分布差異表明,RWFI處理0~30cm土層大腸菌群總數(shù)顯著高于RWDI處理(<0.05),30~60cm土層差異不顯著(>0.05).這表明再生水不同灌水水平對表層土壤大腸菌群數(shù)量和活性存在較為顯著的影響,對深層土壤影響不大;灌水水平越高,表層土壤大腸菌群數(shù)量則相對越高.

圖3 不同灌水處理下土壤大腸菌群分布比較

2.3.2 再生水不同灌水水平對土壤大腸埃希氏菌分布的影響 不同灌水處理下土壤大腸埃希氏菌分布見圖4.相同灌水水平不同灌水水質(zhì)下土壤大腸埃希氏菌分布差異表明, RWDI、RWFI處理下的0~20cm土層大腸埃希氏菌數(shù)量均顯著高于CKDI和CKFI處理(<0.05),20~60cm土層無顯著差異.其中,RWDI處理0~10cm、10~20cm土層大腸埃希氏菌數(shù)量分別是CKDI處理的1.22、1.14倍;RWFI處理0~10cm、10~20cm土層大腸埃希氏菌數(shù)量分別是CKFI處理的1.43、1.27倍.這表明相比自來水,再生水灌溉顯著提高了表層土壤大腸埃希氏菌數(shù)量,但對于深層土壤大腸埃希氏菌數(shù)量影響不大.相同灌水水質(zhì)不同灌水水平下土壤大腸埃希氏菌的分布差異表明,RWFI處理0~20cm土層大腸埃希氏菌數(shù)量顯著高于RWDI處理(<0.05),20~60cm土層無顯著性差異(>0.05).說明再生水不同灌水水平對表層土壤大腸埃希氏菌數(shù)量與活性影響顯著;灌水水平越高,表層土壤大腸埃希氏菌的數(shù)量則相對越高.

圖4 不同灌水處理下土壤大腸埃希氏菌分布比較

表3 土壤重金屬與活性微生物、典型致病菌之間相關矩陣

注:表中Bac表示細菌;Fun表示真菌;TC表示總大腸菌群;E.C表示大腸埃希氏菌.*,**表示相關性達到顯著或極顯著水平.

2.4 土壤重金屬與活性微生物、典型致病菌之間相關性分析土壤重金屬與活性微生物、典型致病菌之間的相關性見表3.重金屬Cd、Pb、Zn含量與細菌總數(shù)、真菌總數(shù)、大腸菌群總數(shù)、大腸埃希氏菌數(shù)量均呈顯著正相關(<0.05),說明較低含量的重金屬對土壤中活性微生物及致病菌的生長繁殖具有一定程度上的刺激作用.此外,細菌總數(shù)與真菌總數(shù)之間具有顯著正相關性(<0.05);細菌總數(shù)與大腸菌群總數(shù)、大腸埃希氏菌數(shù)量之間具有極顯著正相關性(<0.01);大腸菌群總數(shù)與大腸埃希氏菌數(shù)量之間具有極顯著正相關性(<0.01).可見土壤當中不同類群微生物在生長繁殖過程中具有不同程度上的協(xié)同生存作用.

3 討論

3.1 再生水不同灌水水平對土壤重金屬分布的影響

Cd會阻礙土壤微生物的物質(zhì)、能量循環(huán)過程,對作物形態(tài)、生理及結構等諸多方面均會造成嚴重負面影響;Pb對作物根系生長具有嚴重的抑制和毒害作用,尤其會導致作物根系對養(yǎng)分吸收過程受阻,致使產(chǎn)量下降[23].此兩種重金屬元素在土壤中的含量水平在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和灌溉過程中均受到嚴格限制.以往相關研究表明,短期再生水灌溉下土壤Cd、Pb含量與清水相比無顯著差異[9-10],再生水長期灌溉下土壤重金屬累積效應明顯[24].本項試驗結果表明,再生水灌溉相比自來水在一定程度上提高了土壤Cd、Pb含量;且于不同灌水水平下,經(jīng)2種水質(zhì)灌溉后的土壤Cd、Pb含量均呈現(xiàn)出不同程度上的差異性.分析原因,一是再生水中重金屬離子含量高于自來水,灌溉過程中向土壤中輸入了更高濃度的Cd、Pb離子;二是與自來水相比,再生水富含更高濃度的碳、氮等營養(yǎng)元素,灌溉后提高了土壤養(yǎng)分和有機質(zhì)含量,有機質(zhì)含量越高的土壤對水體當中重金屬離子的吸附能力則越強,進而提高了土壤重金屬有機形態(tài)比例和含量[16];三是本實驗中土柱不種植作物,通過再生水灌溉輸入的外源重金屬元素主要累積于土壤,無法通過植物根系的吸收轉移過程來降低土壤重金屬含量.本研究中經(jīng)再生水灌溉后的土壤重金屬存在一定程度上的積累現(xiàn)象,但仍遠低于《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》[GB15618-1995]中重金屬含量限值,說明短期再生水灌溉不會引起土壤重金屬污染.再生水不同灌水水平下表層土壤Cd、Pb含量差異性表明,相比非充分灌溉,一方面,充分灌溉條件下的灌水量高,灌溉過程中向土壤輸送的重金屬離子含量相對較高;另一方面,重金屬離子在隨水向下遷移的過程中因受到土壤有機質(zhì)的吸附固定而被截留在有機質(zhì)相對豐富的表層土壤[16,25],從而導致再生水充分灌溉下表層土壤Cd、Pb含量略高于非充分灌溉.

3.2 再生水不同灌水水平對土壤活性微生物分布的影響

土壤微生物作為土壤中的活性膠體,具有比表面積大、代謝活動強等特點,幾乎參與土壤中一切生化反應過程,在土壤結構組成、物質(zhì)循環(huán)、腐殖質(zhì)形成、毒性物質(zhì)降解、微環(huán)境凈化等方面均起到重要推動作用[26-28].細菌與真菌作為土壤環(huán)境中兩大活性微生物類群,其數(shù)量分布一定程度上可反映土壤微環(huán)境狀況.細菌主要包括自養(yǎng)、兼性自養(yǎng)與異養(yǎng)型菌,其中一些自養(yǎng)型菌如氨化、硝化細菌可促進土壤氮素循環(huán),在土壤肥力演變過程中作用尤為顯著[29].真菌對土壤中諸多有害成分均可起到降解作用,此外在土壤病理解析、有機體早期分解、促進土壤物質(zhì)循環(huán)和能量轉化等方面均具有重要驅(qū)動作用,是評價土壤環(huán)境質(zhì)量的重要指標之一[30-32].本研究結果表明,與自來水相比,再生水灌溉顯著提高了表層土壤細菌數(shù)量,深層土壤差異不顯著.究其原因,一是再生水本身細菌含量高于自來水;二是再生水相比自來水富含更高的碳、氮等營養(yǎng)元素,可提供細菌代謝繁殖所必需的能量來源,促進其生長[33];三是再生水水質(zhì)異質(zhì)性較強,不能排除其中含有部分與細菌具有協(xié)同生存能力的菌種,加速細菌繁殖[34].再生水灌溉對深層土壤細菌數(shù)量無顯著影響,原因可能是土柱深層的密閉缺氧環(huán)境不利于好氧及兼性好養(yǎng)型細菌的生長,使其代謝繁殖受限.再生水灌溉下的土壤真菌數(shù)量與自來水相比無顯著差異,這與龔雪等[33]的研究結果相似.后者研究表明,再生水灌溉顯著提高了表層土壤細菌數(shù)量,但對真菌數(shù)量影響不大;張娟等[35]的研究也表明,經(jīng)再生水灌溉的土壤細菌數(shù)量存在顯著提高,而真菌數(shù)量與清水灌溉相比差異不明顯.此外,裴亮等[36]研究表明,再生水灌溉顯著提高了土壤真菌數(shù)量;郭魏等[37]研究指出,低氮水平下,再生水灌溉促進土壤真菌生長,高氮水平下,再生水灌溉抑制土壤真菌生長;與本實驗結果均不一致.推斷可能與再生水水質(zhì)的時空變異性、土質(zhì)差異性、作物種植情況和灌溉條件等因素相關.再生水充分灌溉相比非充分灌溉顯著提高了表層土壤細菌和真菌數(shù)量,原因可能是再生水充分灌溉向土壤中輸送的營養(yǎng)物質(zhì)含量相對更高,導致表層土壤水分和養(yǎng)分條件更為充足,更有利于刺激微生物的代謝繁殖;此外,較高的灌水水平也伴隨著相對更高的微生物輸入量,從而使得土壤細菌和真菌數(shù)量得到了提高.

3.3 再生水不同灌水水平對土壤典型致病菌分布的影響

大腸菌群是指在37℃下能夠分解乳糖從而產(chǎn)酸產(chǎn)氣的革蘭氏陰性無芽孢桿菌,主要包括大腸埃希氏菌、檸檬酸桿菌、產(chǎn)氣克雷伯氏菌及陰溝腸桿菌;其作為人畜排泄物中數(shù)量最多的一類細菌,被許多國家作為糞便污染指示菌所提出.大腸埃希氏菌為大腸菌群中的一類菌屬,往往能夠較好地指示人類腸道病毒;在溫度適中和營養(yǎng)物質(zhì)豐富的地表水體中可迅速增生、擴散,并在受污染土壤中大量繁殖[38-39].本項實驗結果表明,再生水灌溉相比自來水顯著提高了表層土壤大腸菌群、大腸埃希氏菌數(shù)量.原因可能是再生水本身大腸菌群、大腸埃希氏菌濃度高于自來水,灌溉過程中隨水進入土壤中的大腸菌群和大腸埃希氏菌數(shù)量相對更多;且由于土壤本身的吸附性能較強[40-41],微生物在向深層土壤遷移的過程中速度極為緩慢,致使再生水中大腸菌群和大腸埃希氏菌主要宿集于表層土壤,從而使得表層土壤大腸菌群、大腸埃希氏菌數(shù)量得到了顯著提高.此外,再生水中往往還含有部分可與大腸菌群、大腸埃希氏菌協(xié)同生長的微生物和病毒;加之水體中營養(yǎng)成分輸入土壤,給大腸菌群和大腸埃希氏菌提供了相對更為充足的養(yǎng)分和水分條件,促進其生長[42]. Forslund等[43]研究表明,灌溉水中大腸桿菌濃度對土壤中大腸桿菌數(shù)量存在一定影響;當水體中大腸桿菌濃度較高時,土壤中大腸桿菌數(shù)量也相對較高,與本研究結果相似.再生水不同灌水水平對比分析結果表明,再生水充分灌溉下表層土壤大腸菌群、大腸埃希氏菌數(shù)量顯著高于非充分灌溉,深層土壤二者之間無顯著差異.Wen等[44]研究表明,地表滴灌條件下,灌水量越大,表層土壤大腸桿菌含量則相對越多;Libutti等[45]的研究中也指出,應用二級處理水灌溉時,通過采用滴灌和減少灌水量的方式可有效降低表層土壤和作物體中病原菌的污染風險,以上均與本實驗結果相似.而造成此結果的主要原因是再生水充分灌溉相比非充分灌溉向土壤中輸送的大腸菌群和大腸埃希氏菌數(shù)量更高;此外,再生水充分灌溉向土壤中輸入的營養(yǎng)物質(zhì)含量相對更高,充足的土壤水分和養(yǎng)分條件更有利于致病菌的生長繁殖.

3.4 土壤重金屬與活性微生物、典型致病菌之間相關性分析

相關性分析表明,土壤重金屬Cd、Pb、Zn含量與土壤細菌、真菌、大腸菌群、大腸埃希氏菌數(shù)量之間均具有顯著正相關性.刁展等[46]研究表明,土壤Cd、Pb含量較低時可刺激土壤微生物的生長繁殖并提高土壤微生物量碳水平,但隨著重金屬濃度的不斷提高,刺激作用逐漸轉變?yōu)橐种菩Ч?朱紅梅等[47]研究中指出,低濃度重金屬可刺激土壤微生物量碳提高,與本研究結果相似.而Deng等[48]研究表明,較高濃度重金屬污染顯著降低了土壤細菌和真菌豐度,并且對微生物群落結構產(chǎn)生一定影響.Xie等[49]研究也表明,土壤微生物活性、豐度和多樣性均隨土壤重金屬濃度的升高而降低,與本研究結果相悖.主要原因是土壤微生物對重金屬的響應取決于土壤中重金屬的濃度和有效性,本研究中土壤重金屬含量甚微,遠低于《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》[GB15618-1995]限值;此外,微生物的生長受土壤介質(zhì)當中多種因素影響,如土壤水分、溫度條件和有機質(zhì)含量等,土壤環(huán)境中諸多因素間的交互作用對土壤微生物代謝繁殖的影響同樣不可忽視[50].

4 結論

4.1 與自來水相比,再生水灌溉在一定程度上提高了土壤重金屬含量,但仍遠低于《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》[GB15618-1995]限值;再生水充分灌溉相比非充分灌溉提高了表層土壤Cd、Pb含量,Cu、Zn含量無顯著差異.

4.2 與自來水相比,再生水灌溉顯著提高了表層土壤細菌、大腸菌群、大腸埃希氏菌數(shù)量,對土壤真菌數(shù)量影響不大;再生水充分灌溉相比非充分灌溉顯著提高了表層土壤細菌、真菌、大腸菌群及大腸埃希氏菌數(shù)量.

4.3 土壤Cd、Pb、Zn含量與土壤細菌、真菌、大腸菌群、大腸埃希氏菌數(shù)量之間呈正相關性.

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Effects of different irrigation levels of reclaimed water on the distribution of soil heavy metals and typical pathogenic bacteria.

HAN Yang1,2, LI Ping1,3, QI Xue-bin1,3*, GUO Wei1,3, CUI Bing-jian1,3, LU Hong-fei1,3

(1.Farmland Irrigation Research Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Xinxiang 453003, China；2.Graduate University of Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China；3.The Ministry of Agriculture Water Environment Factor Risk Assessment Laboratory of Agricultural Products Quality and Safety, Xinxiang 453003, China)., 2019,39(2)：723~731

This study aimed to discern the effect of different levels of irrigation with reclaimed water on soil heavy metals and the distribution of soil active microorganisms and typical environmental pathogenic bacteria. The effects of two irrigation water qualities (reclaimed water and tap water) and two irrigation levels (full irrigation and insufficient irrigation) on soil heavy metals and the distribution of soil active microorganisms and typical environmental pathogenic bacteria were studied through indoor soil column irrigation. Results indicated that reclaimed water irrigation increased the content of heavy metals in soil , but according to the soil environmental quality standard, soil after irrigated by reclaimed water did not exceed the standard. Therefore, reclaimed water irrigation could not cause soil heavy metals pollution. Compared with insufficient irrigation with reclaimed water, full irrigation with reclaimed water significantly increased the content of Cd and Pb in surface soil, there was no significant difference in the content of Cu and Zn. At the same irrigation level, the number of bacteria, coliform group andin surface soil significantly increased with reclaimed water irrigation, there was no significant difference in the number of soil fungi at two irrigation water quality. The number of bacteria, fungi, coliform group andin surface soil under full irrigation with reclaimed water was significantly higher than with insufficient irrigation using reclaimed water. There was a positive correlation between the content of heavy metals (Cd, Pb, Zn) and the quantity of bacteria and fungi, and between the content of heavy metals and the quantity of coliform group and. Reclaimed water therefore promoted the reproduction of active microorganisms in surface soil, and increased the risk of soil heavy metals and environmental pathogens pollution. Reasonable irrigation with reclaimed water can therefore effectively control the content of heavy metals and the quantity of soil pathogens in soil.

reclaimed water；soil column；irrigation level；heavy metals；active microorganisms；environmental pathogenic bacteria

X703.5

A

1000-6923(2019)02-0723-09

韓 洋(1993-),男,遼寧沈陽人,中國農(nóng)業(yè)科學院碩士研究生,主要從事農(nóng)業(yè)水資源與水環(huán)境方面研究.發(fā)表論文4篇.

2018-07-10

國家自然科學基金資助項目(51679241,51709265,51879268);國家重點研發(fā)計劃(2017YFD0800403)

* 責任作者, 研究員, qxb6301@sina.cn