劉春成,榮 昊,李中陽,胡 超,曾 智,吳海卿,王 娟,崔丙健,樊向陽,劉 源,崔二蘋,高 峰
(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)田灌溉研究所/農(nóng)業(yè)部節(jié)水灌溉工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 新鄉(xiāng) 453002;2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 研究生院,北京 100081;3.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 河南新鄉(xiāng)農(nóng)業(yè)水土環(huán)境野外科學(xué)觀測試驗(yàn)站/農(nóng)業(yè)水資源高效安全利用重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室,河南 新鄉(xiāng) 453000;4.中水北方勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,天津 300222;5.江西省水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院,江西 南昌 330000;6.揚(yáng)州大學(xué) 水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院,江蘇 揚(yáng)州 225009)
我國淡水等常規(guī)水資源短缺,但再生水等非常規(guī)水資源豐富,合理開發(fā)利用再生水等非常規(guī)水資源具有重要意義。再生水中的養(yǎng)分有部分替代肥料的作用,可以降低肥料成本進(jìn)而減少環(huán)境污染[1],短期灌溉有利于植物的生長且不會(huì)造成土壤重金屬污染[2],但長期灌溉對植物生長的促進(jìn)作用不明顯,甚至?xí)种撇糠种参锏纳L且重金屬會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞土壤質(zhì)量[3]。再生水灌溉后,小麥根中重金屬積累最多,莖葉次之,穗中最少[4]。此外,再生水中可能的新興污染物在土壤[5-6]、根系[7]累積,進(jìn)而轉(zhuǎn)移到葉片和果實(shí)[8-9],同時(shí)也有污染地下水的風(fēng)險(xiǎn)[10-11]。因此,再生水的安全利用成為緩解水資源短缺和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的熱點(diǎn)問題。
生物磁學(xué)是一門涉及多學(xué)科的邊緣學(xué)科,與醫(yī)學(xué)、工業(yè)、農(nóng)牧漁業(yè)、環(huán)境保護(hù)等學(xué)科密切相關(guān)。近年來,隨著生物磁學(xué)的不斷發(fā)展,磁化水在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用成為研究的熱點(diǎn)之一。作為一種新的水處理技術(shù),磁化水在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中的應(yīng)用潛力巨大[12-13]。磁化水包括靜態(tài)磁化水和動(dòng)態(tài)磁化水,前者是將水靜置于磁場中一定時(shí)間,后者是水分以一定的流速經(jīng)過磁場。磁化水的理化性質(zhì)諸如pH值[14]、溶解氧(Dissolved oxygen,DO)[15]、表面張力[14,16]、電導(dǎo)率(Electrical conductance,EC)[15]、化學(xué)位移、締合度[17-18]等較未磁化前具有一些有益的變化。水經(jīng)過磁場作用后,有利于某混合菌種的生長,進(jìn)而通過生物吸附法去除重金屬廢水中的銅[19],磁化水灌溉能有效降低土壤含鹽量[20],為再生水中的重金屬和鹽分等潛在危害因子的處理指明了方向。研究表明,磁化水浸種可以促進(jìn)水稻、大豆、玉米種子萌發(fā)和早期生長[21];磁化水灌溉有利于促進(jìn)番茄生長發(fā)育和抗氧化系統(tǒng)酶活性[22];磁化水灌溉能夠提高0~20 cm土層土壤含水率,降低深層土壤含水率,具有良好的洗鹽效果[20];王淥等[23]研究也表明,磁化水灌溉后鹽漬化土壤鹽分顯著降低,具有明顯的脫鹽效果。目前,關(guān)于磁化水的研究多集中于普通磁化水的理化性質(zhì)[14-18]及其對作物種子萌發(fā)[21]、生長發(fā)育[22]和鹽漬化土壤治理[20]等方面。然而,磁化再生水方面的研究尚未有報(bào)道。為此,研究磁化水對玉米種子萌發(fā)及磁化再生水對玉米幼苗生長發(fā)育和土壤鹽分的影響,為磁化再生水灌溉技術(shù)在再生水安全利用方面提供一定理論依據(jù)。
試驗(yàn)于2019年8月在河南省中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院新鄉(xiāng)農(nóng)業(yè)水土環(huán)境野外科學(xué)觀測試驗(yàn)站溫室大棚進(jìn)行。該站地處北緯35°19′、東經(jīng)113°53′,海拔73.2 m,年均氣溫為14.1 ℃,多年平均年降水量和蒸發(fā)量分別為588 mm和2 000 mm,無霜期為210 d,多年平均年日照時(shí)間為2 398 h。
供試土壤取自河南省中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院新鄉(xiāng)農(nóng)業(yè)水土環(huán)境野外科學(xué)觀測試驗(yàn)站耕層0~20 cm,土壤質(zhì)地為砂壤土,土壤容重為1.40 g/cm3,田間持水率(質(zhì)量)為23.02%,土壤浸提液EC為595.7 μS/cm,有機(jī)質(zhì)(Organic matter,OM)含量為26.6 g/kg。供試土壤經(jīng)風(fēng)干、碾碎、過2 mm篩后備用。
玉米品種為裕豐303,由北京聯(lián)創(chuàng)種業(yè)股份有限公司生產(chǎn)。
對于玉米種子萌發(fā)試驗(yàn),設(shè)5種磁化強(qiáng)度,分別為0、1 000、3 000、5 000、8 000 Gs,分別記為0、1、2、3、4,共計(jì)5個(gè)處理,3次重復(fù)。灌溉水為清水(Q),取自當(dāng)?shù)氐叵滤?。每個(gè)處理精選50粒玉米種子,在基質(zhì)培養(yǎng)盆中培養(yǎng),每隔1 d澆1次水以保證基質(zhì)濕潤,各處理澆水量相同,每處理3個(gè)重復(fù)。
對于玉米幼苗生長試驗(yàn),設(shè)2種水源和5種磁化強(qiáng)度,共計(jì)10個(gè)處理。灌溉水源包括再生水(Z)和清水(Q),再生水取自河南省新鄉(xiāng)市駱駝灣生活污水處理廠,該污水處理廠采用的工藝為A/O處理,污水處理后水質(zhì)符合《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5084—2005),清水取自當(dāng)?shù)氐叵滤?,再生水和清水水質(zhì)指標(biāo)如表1所示。磁化強(qiáng)度包括5個(gè)水平,分別為0、1 000、3 000、5 000、8 000 Gs,分別記為0、1、2、3、4。供試土壤按容重1.40 g/cm3裝入盆中(上口徑21 cm、下口徑14 cm、高16 cm),每盆裝土3.75 kg。于7月30日將玉米種子播種于盆中進(jìn)行苗期試驗(yàn),每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)。前期每隔2 d灌1次水,后期隨著玉米幼苗耗水增加,縮短灌水間隔,每1~2 d灌1次水,各處理每次灌水量均相同。于8月23日取土樣和植株樣品進(jìn)行分析。
表1 2種水源水質(zhì)指標(biāo)
1.3.1 種子萌發(fā)指標(biāo) 種子發(fā)芽期間,每天記錄1次發(fā)芽情況,處理3 d時(shí)統(tǒng)計(jì)發(fā)芽勢(Germination energy,GE3),7 d時(shí)統(tǒng)計(jì)發(fā)芽率(Germination rate,GR7),并計(jì)算發(fā)芽指數(shù)(Germination index,GI)和活力指數(shù)(Vigor index,VI),計(jì)算公式為:
GE3=G3/N
(1)
GR7=G7/N
(2)
GI=∑Gt/Dt
(3)
VI=GI×m
(4)
式中:G3、Gt、G7分別為前3、t、7 d的發(fā)芽種子數(shù)量;N為供試種子數(shù)量;m為處理7 d時(shí)的幼苗單株質(zhì)量;Dt為發(fā)芽天數(shù)。
1.3.2 幼苗生長指標(biāo) 玉米幼苗生長期間,從2019年8月8日開始,每隔2 d采用直尺測量幼苗株高(地面到所有葉片自然伸展時(shí)的最高處)。8月21日,采用葉綠素測定儀(TYS-B)測定葉片SPAD值和葉溫。8月23日,利用無菌刀片分別采集玉米地上部、地下部及葉片,稱量鮮質(zhì)量,然后迅速于105 ℃殺青10 min,于75 ℃烘干至恒質(zhì)量,稱其干質(zhì)量,測定地上部、地下部生物量和葉片含水率;并利用超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase,SOD)活性檢測試劑盒(索萊寶,北京)檢測葉片SOD活性。
2018高考全國卷I理綜第8題B選項(xiàng)“酶是一類具有高選擇性催化性能的蛋白質(zhì)”,在化學(xué)老師看來命題沒大問題,化學(xué)學(xué)科中對于酶沒有細(xì)分,強(qiáng)調(diào)酶的高催化性,而生物學(xué)科教師關(guān)注的是例外,因?yàn)椤敖^大多數(shù)的酶是蛋白質(zhì),極少數(shù)是RNA”。生物學(xué)與化學(xué)同屬科學(xué)課程,為何在同一個(gè)概念的認(rèn)知會(huì)出現(xiàn)偏離。由此引發(fā)了思考:為什么生物學(xué)概念、規(guī)律經(jīng)常有例外?下面以“蛋白質(zhì)單元教學(xué)”為例,闡明通過合理的教學(xué)情境的設(shè)置,讓學(xué)生用發(fā)展和辨證的眼光看待已有的生物學(xué)結(jié)論,促進(jìn)學(xué)科核心素養(yǎng)中“生命觀念”在課堂教學(xué)中落到實(shí)處。
1.3.3 土壤理化性質(zhì) 8月23日,采集土壤樣品,土壤樣品風(fēng)干、磨碎、過篩(2 mm)后,按照土水比(m∶V)1∶5配置土壤浸提液,中速(約100 r/min)振蕩30 min后靜置24 h,采用電導(dǎo)率儀測定土壤浸提液EC;采用低溫外熱重鉻酸鉀氧化-比色法測定土壤OM含量;采用滴水穿透時(shí)間法測定土壤斥水性,以土壤滴水穿透時(shí)間(Water drop penetration time,WDPT)表示。
采用Excel 2010和SPSS 25.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,采用LSD法進(jìn)行多重比較。
從表2可以看出,一定磁場強(qiáng)度(0~5 000 Gs)下,玉米種子的GE3、GR7、GI隨著磁場強(qiáng)度的增強(qiáng)而提高,但當(dāng)磁場強(qiáng)度超過該范圍達(dá)到8 000 Gs時(shí),GE3、GR7、GI均有所降低,但處理間差異均不顯著[除了GI在Q2、Q4處理間差異顯著(P<0.05)外]。磁化水處理后,隨著磁場強(qiáng)度(0~5 000 Gs)的增加,玉米種子VI逐漸降低,且在磁場強(qiáng)度5 000 Gs時(shí)與未磁化處理間差異達(dá)到顯著水平;但是,當(dāng)磁場強(qiáng)度達(dá)到8 000 Gs時(shí),與未磁化處理相同。綜合考慮,本試驗(yàn)條件下,磁化水對基質(zhì)培養(yǎng)種子萌發(fā)沒有顯著影響。
表2 磁化清水對玉米種子萌發(fā)的影響
2.2.1 株高 從表3可以看出,不論是清水還是再生水,同一取樣時(shí)期,磁化處理玉米幼苗株高與未磁化處理間沒有顯著差異,且不同磁化強(qiáng)度處理間也沒有顯著差異。相同磁場強(qiáng)度條件下,總體上再生水灌溉后玉米幼苗株高較清水灌溉有所增加,且在磁場強(qiáng)度8 000 Gs時(shí)差異達(dá)到顯著水平(8月11日除外),在8月8日、14日達(dá)到了極顯著水平;磁場強(qiáng)度3 000 Gs時(shí),玉米幼苗株高在8月11日及8月17日后差異達(dá)到顯著水平,其他磁場強(qiáng)度差異不顯著。
表3 磁化再生水和磁化清水條件下玉米幼苗的株高
此外,隨著時(shí)間的延長,玉米幼苗株高逐漸增高,且不論是否經(jīng)過磁化作用,再生水灌溉玉米幼苗株高整體上較清水灌溉高。對于清水,玉米幼苗期內(nèi),磁場強(qiáng)度5 000 Gs處理后玉米幼苗株高整體高于其他處理;對于再生水,前期磁化處理會(huì)在一定程度上抑制玉米幼苗株高的增加,但是后期磁化處理株高增幅有所提高,尤其是磁場強(qiáng)度3 000 Gs和8 000 Gs,說明磁化再生水可能對玉米幼苗具有“后期補(bǔ)償生長效應(yīng)”。
2.2.2 葉片含水率、葉溫、SPAD值 從表4可以看出,對于清水,磁化后灌溉能夠提高玉米幼苗葉片含水率,但是差異不顯著,且隨著磁場強(qiáng)度的增強(qiáng),總體呈上升趨勢。對于再生水,磁化后灌溉也能夠提高玉米幼苗葉片含水率,但差異不顯著;同時(shí)隨著磁場強(qiáng)度的增強(qiáng),葉片含水率變化沒有明顯的趨勢。磁場強(qiáng)度一定時(shí),再生水灌溉處理玉米幼苗葉片含水率低于清水灌溉處理,但差異不顯著。可見,磁化作用能夠提高玉米幼苗葉片含水率。
表4 磁化再生水和磁化清水條件下玉米幼苗葉片含水率、葉溫和SPAD值
對于玉米幼苗葉溫來說,清水磁化后灌溉降低了葉溫且差異極顯著,但不同磁場強(qiáng)度處理間葉溫差異不顯著,且沒有明顯規(guī)律;再生水磁化后灌溉葉溫與未磁化處理間差異不顯著,且不同磁場強(qiáng)度處理間亦無明顯規(guī)律;磁場強(qiáng)度一定時(shí),再生水灌溉處理和清水灌溉處理間葉溫沒有顯著差異,但未磁化處理時(shí)再生水灌溉可極顯著降低葉溫??梢姡逅呕罂梢越档陀衩子酌缛~溫,但是再生水磁化后對葉溫?zé)o影響。
對于玉米幼苗葉片SPAD值來說,除磁場強(qiáng)度3 000 Gs處理外,清水磁化后灌溉總體上可以提高葉片SPAD值,但差異不顯著,不同磁場強(qiáng)度間無明顯規(guī)律;再生水磁化處理與清水磁化處理的變化規(guī)律類似;磁場強(qiáng)度一定時(shí),再生水灌溉處理和清水灌溉處理間SPAD值沒有顯著差異(磁場強(qiáng)度1 000 Gs處理外)。可見,清水磁化后對SPAD值具有微弱的提升作用,但是再生水磁化后無明顯趨勢。
2.2.3 生物量 從表5可以看出,對于清水,磁化后灌溉處理玉米幼苗地上部鮮質(zhì)量、干質(zhì)量均增加,但差異不顯著;地下部鮮質(zhì)量、干質(zhì)量總體均下降,但差異不顯著。對于再生水,磁化后灌溉處理能夠提高玉米幼苗地上部鮮質(zhì)量、地下部的鮮質(zhì)量和干質(zhì)量,但差異不顯著(磁場強(qiáng)度5 000 Gs處理地下部干質(zhì)量除外),降低了地上部干質(zhì)量,但差異不顯著(磁場強(qiáng)度8 000 Gs處理除外)。磁場強(qiáng)度一定時(shí),總體上再生水灌溉處理較清水灌溉處理能夠提高地上部生物量(鮮質(zhì)量、干質(zhì)量),降低了地下部生物量(鮮質(zhì)量、干質(zhì)量),但趨勢不明顯(未磁化處理地上部和地下部的干質(zhì)量除外)。綜上,磁化再生水灌溉對玉米幼苗地上部鮮質(zhì)量及地下部鮮、干質(zhì)量均有提升作用,磁化清水對玉米幼苗地上部生物量有提升作用。
表5 磁化再生水和磁化清水條件下玉米幼苗生物量
2.2.4 SOD活性 從圖1可以看出,對于清水,磁化灌溉能夠提高玉米幼苗葉片SOD活性,但差異不顯著;隨著磁場強(qiáng)度的增強(qiáng),玉米幼苗葉片SOD活性先升高后降低,以磁場強(qiáng)度3 000 Gs時(shí)最高。對于再生水,除了磁場強(qiáng)度5 000 Gs處理玉米幼苗葉片SOD活性顯著高于未磁化處理外,其他磁場強(qiáng)度處理也能夠提高玉米幼苗葉片SOD活性,但差異不顯著;隨著磁場強(qiáng)度的增強(qiáng),玉米幼苗葉片SOD活性先升高后降低,以磁場強(qiáng)度5 000 Gs時(shí)最高。磁場強(qiáng)度為0、5 000、8 000 Gs時(shí),磁化再生水處理葉片SOD活性高于磁化清水處理,其中磁強(qiáng)強(qiáng)度5 000 Gs差異顯著;而磁場強(qiáng)度1 000、3 000 Gs時(shí),磁化清水處理葉片SOD活性高于磁化再生水,但差異不顯著??梢姡欢ù呕瘡?qiáng)度處理均能夠提高清水和再生水灌溉的玉米幼苗葉片SOD活性,且再生水較清水需要更強(qiáng)的磁場強(qiáng)度。
不同小寫字母表示在0.05水平下處理間差異顯著
2.3.1 EC和OM含量 從表6可以看出,對于土壤浸提液EC來說,磁化清水處理玉米苗期土壤浸提液EC有所增加,但差異不顯著,且不同磁化強(qiáng)度處理間也沒有顯著差異。磁化再生水處理玉米苗期土壤浸提液EC亦有所增加;隨著磁場強(qiáng)度的增強(qiáng),EC先增大后降低,磁場強(qiáng)度3 000 Gs處理最高,顯著高于除磁場強(qiáng)度5 000 Gs外的其他處理,其他處理間差異均不顯著。相同磁場強(qiáng)度條件下,再生水和清水灌溉后,總體上再生水灌溉處理土壤浸提液EC較清水灌溉處理有所降低,且在磁場強(qiáng)度8 000 Gs時(shí)差異達(dá)到顯著水平,其他磁場強(qiáng)度處理差異不顯著??梢姡缙诘痛呕瘡?qiáng)度再生水灌溉對土壤鹽分沒有顯著影響,但是中強(qiáng)度磁化再生水和磁化清水均有提高土壤鹽分的趨勢。
表6 磁化再生水和磁化清水條件下土壤EC、OM和WDPT
對于土壤OM含量來說,磁化清水處理玉米苗期土壤OM含量有所降低,但差異不顯著,且不同磁化強(qiáng)度處理間也沒有顯著差異。磁化再生水處理玉米苗期土壤OM含量總體上有所增加,但隨著磁場強(qiáng)度的增強(qiáng)OM含量變化趨勢不明顯,處理間差異不顯著。相同磁場強(qiáng)度條件下,再生水和清水處理間土壤OM含量差異不顯著,未磁化處理時(shí),再生水處理低于清水處理;但是磁化后,再生水處理高于清水處理(磁場強(qiáng)度3 000 Gs處理除外)??梢姡偕喔壬晕⒔档陀衩酌缙谕寥繭M,但是磁化再生水有提高土壤OM含量的趨勢。
2.3.2 WDPT 土壤斥水性是指水分不能或很難濕潤土壤顆粒表面的物理現(xiàn)象[24]。土壤斥水性會(huì)導(dǎo)致土壤水分分布不均,引起土壤表層干燥易形成水土流失,加強(qiáng)降雨或灌水后地表徑流和土壤侵蝕,進(jìn)而不利于作物的生長發(fā)育[25]。土壤斥水性的強(qiáng)弱程度一般用WDPT表征,當(dāng)WDPT>5 s時(shí),認(rèn)為土壤存在斥水性。從表6可以看出,不論是清水還是再生水,磁化后苗期灌溉沒有產(chǎn)生土壤斥水性,WDPT均遠(yuǎn)小于5 s。但是,磁化清水和磁化再生水灌溉均有降低土壤WDPT的趨勢,降低幅度以磁化清水更大。
本研究發(fā)現(xiàn),與未磁化清水相比,磁化1 000~5 000 Gs清水處理玉米種子的GE3、GR7、GI提高,VI降低,但當(dāng)磁場強(qiáng)度達(dá)到8 000 Gs時(shí),GE3、GR7、GI均有所降低,VI有所升高,但處理間差異總體上均不顯著。綜合考慮GE3、GR7、GI、VI指標(biāo),本試驗(yàn)條件下磁化清水對基質(zhì)培養(yǎng)種子萌發(fā)沒有顯著影響,這與前人研究結(jié)果[20]不同,一方面可能是本試驗(yàn)中采用的是磁化清水灌溉而不是磁化清水浸泡,另一方面可能與本試驗(yàn)采用基質(zhì)培養(yǎng)有關(guān),基質(zhì)養(yǎng)分充足,養(yǎng)分的作用可能掩蓋了磁化清水的作用。本研究還發(fā)現(xiàn),與未磁化處理相比,磁化清水有利于玉米幼苗后期的生長,其中磁場強(qiáng)度5 000 Gs磁化后表現(xiàn)最突出,高于其他處理,這與王洪波等[26]研究結(jié)果類似;磁化再生水處理玉米幼苗株高在前期受到一定的抑制作用,但在后期有促進(jìn)作用,具有一定的“后期補(bǔ)償生長效應(yīng)”,且不論是否經(jīng)過磁化作用,再生水處理玉米幼苗株高整體上較清水處理高。
本研究發(fā)現(xiàn),磁化清水和磁化再生水灌溉均能提高玉米幼苗葉片含水率,但不同磁場強(qiáng)度磁化再生水處理間沒有顯著差異,說明葉片細(xì)胞的水分狀況受磁化作用的影響較小。此外,磁化清水灌溉可以微弱提升葉片SPAD值,但是磁化再生水灌溉對SPAD值無明顯規(guī)律,說明葉綠素含量受磁化作用的影響也較小。這與邱念偉等[27]的研究結(jié)果類似。SPAD值的變化,也說明了磁化清水和磁化再生水灌溉對葉片光合作用的影響較小,進(jìn)而決定了對植株生物量的影響也較小,本試驗(yàn)結(jié)果也證實(shí)了玉米幼苗生物量基本不受磁化作用的影響。這與鄭世英等[28]研究結(jié)果不一致,可能和作物類型或磁場處理時(shí)間有關(guān)。磁化清水處理可以提高玉米幼苗SOD活性,這與張佳等[22]研究結(jié)果類似,而磁化再生水灌溉同樣可以提高玉米幼苗葉片SOD活性,且較清水需要更強(qiáng)的磁場。這可能是由于再生水水質(zhì)成分較為復(fù)雜導(dǎo)致的。
本研究發(fā)現(xiàn),磁化清水灌溉和磁化再生水灌溉后土壤含鹽量略有升高但差異不顯著,這與王淥等[23]研究結(jié)果不一致,原因在于本試驗(yàn)所取土樣是混合土樣,而不是分層取樣。磁化清水灌溉和磁化再生水灌溉均可以降低土壤WDPT,且磁化清水灌溉的降幅更大,這是因?yàn)樵偕喔瓤赡軙?huì)引起土壤斥水性[29],故而WDPT的降幅小于磁化清水灌溉。綜上,本試驗(yàn)條件下,玉米苗期再生水灌溉對土壤鹽分沒有顯著影響,但是中強(qiáng)度磁化再生水和磁化清水灌溉均有提高土壤鹽分的趨勢,且磁化再生水灌溉可以緩解再生水灌溉引發(fā)的土壤斥水性。