再生水灌溉農(nóng)作物研究進(jìn)展

李瑞楠，田軍倉，2，3*

（1.寧夏大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021；2.寧夏節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術(shù)研究中心，寧夏 銀川 750021；3.旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用教育部工程研究中心，寧夏 銀川 750021）

農(nóng)業(yè)灌溉是我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的支柱和糧食安全的保障，近年來我國水資源整體利用效率較低[1]，研究發(fā)展再生水灌溉，符合現(xiàn)階段農(nóng)業(yè)節(jié)水、高效用水、循環(huán)農(nóng)業(yè)及可持續(xù)發(fā)展的要求。再生水是指污水經(jīng)適當(dāng)處理后，達(dá)到一定的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，滿足某種使用要求，可以進(jìn)行有益使用的水[2]。本文中對(duì)于中水、處理過的污廢水等均認(rèn)為是再生水。污水的再生實(shí)現(xiàn)了水資源的循環(huán)利用[3]。農(nóng)業(yè)灌溉在我國每年水資源使用中占有相當(dāng)?shù)谋戎?，將再生水用于農(nóng)田灌溉，一方面提高了水資源的利用率，另一方面再生水中較高含量的營養(yǎng)元素會(huì)對(duì)農(nóng)作物的生長狀況、產(chǎn)量以及土壤、地下水等產(chǎn)生影響。研究人員經(jīng)過長期的試驗(yàn)與探索，對(duì)于再生水灌溉農(nóng)作物等相關(guān)研究均取得了一些突破并拓展了一些新的方向。當(dāng)前以再生水灌溉為核心的研究主要集中于再生水灌溉對(duì)作物、土壤、地下水的影響以及再生水水質(zhì)指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)等。本文對(duì)近年來再生水灌溉農(nóng)作物的研究進(jìn)行了綜述，首先分析了使用再生水灌溉對(duì)農(nóng)作物的光合、產(chǎn)量和品質(zhì)產(chǎn)生的影響；其次分析了在長期使用再生水灌溉后，對(duì)土壤、地下水等外界環(huán)境的影響；再次從再生水灌溉農(nóng)作物的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀出發(fā)，總結(jié)了再生水水質(zhì)所要控制的指標(biāo)與各個(gè)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)限值；最后對(duì)存在問題進(jìn)行了討論分析，并對(duì)未來的研究趨勢進(jìn)行了展望，為再生水灌溉農(nóng)作物的研究提供參考和思路。

1 再生水灌溉對(duì)農(nóng)作物的影響

M.S.Kang 等[4-5]研究了不同污水處理水平對(duì)水稻生長、產(chǎn)量及品質(zhì)的影響，試驗(yàn)中灌溉用水采用5個(gè)處理（分別為地下水、污染河水、污水處理廠的出水、污水處理廠出水經(jīng)砂濾處理、污水處理廠出水經(jīng)砂濾后再進(jìn)行紫外線處理）灌溉，結(jié)果表明，污水回灌栽培水稻對(duì)作物生長、產(chǎn)量及品質(zhì)未發(fā)現(xiàn)有不良影響，稻米的化學(xué)成分以及重金屬含量均在正常范圍內(nèi)。李中陽等[6]研究了在不同施肥條件下再生水灌溉對(duì)茄子生長及品質(zhì)的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，在3種不同的施肥條件（分別為磷酸二銨、鈣鎂磷肥、過磷酸鈣）下，再生水灌溉茄子的產(chǎn)量和果長都有一定程度的提高，其中，施肥條件為鈣鎂磷肥時(shí)的效果最為顯著，施肥條件為過磷酸鈣的效果最不顯著。I.Petousi 等[7]研究了處理過的廢水回灌對(duì)橄欖生長情況的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用3 個(gè)灌水處理（分別為二級(jí)處理廢水、三級(jí)處理廢水和自來水）灌溉的橄欖果實(shí)的礦物質(zhì)微量元素、重金屬元素等無顯著差異，也未檢測到有微生物污染，作物的樹干直徑、株高和光合活性等生長情況基本無差別。徐桂紅[8]研究了再生水滴灌對(duì)辣椒、番茄產(chǎn)量的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)灌溉定額為4 540 m3/hm2時(shí)，辣椒的產(chǎn)量及生長指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)；當(dāng)灌溉定額為3 235 m3/hm2時(shí)，番茄的產(chǎn)量及生長指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)；再生水滴灌同時(shí)降低了辣椒和番茄的維生素含量，增加了可溶性糖的含量，對(duì)兩種作物的光合有促進(jìn)作用。王璐璐等[9]研究了再生水滴灌對(duì)黃瓜葉綠素、光合、產(chǎn)量及品質(zhì)的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，在有再生水和自來水灌溉的多個(gè)處理下，采用pH 為7.51、總磷（P）為16.4 mg/L、總氮（N）為0.41 mg/L、總鉀（K）為19.3 mg/L、溶解性固體（TDS）為393 mg/L 和懸浮物（SS）為8.1 mg/L的再生水灌溉，當(dāng)灌溉定額為3 780 m3/hm2時(shí)，黃瓜的4 個(gè)光合指標(biāo)（凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度和胞間CO2摩爾分?jǐn)?shù)）、葉綠素（SPAD）值以及產(chǎn)量最高。戚至輝等[10]研究了再生水滴灌水量對(duì)枸杞產(chǎn)量與品質(zhì)的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：采用再生水與自來水1∶1混灌，灌溉定額為3 564 m3/hm2時(shí)，最適宜枸杞產(chǎn)量與株高的增加，灌溉定額為4 466 m3/hm2時(shí)，枸杞的葉綠素（SPAD）值最大。據(jù)報(bào)道，美國加州的納帕和索諾瑪谷的葡萄園已經(jīng)大規(guī)模采用再生水進(jìn)行灌溉[11]，說明再生水灌溉確實(shí)會(huì)對(duì)葡萄的產(chǎn)量與品質(zhì)有一定程度的提高。綜上所述，采用適量的再生水進(jìn)行灌溉，會(huì)對(duì)作物光合起到促進(jìn)作用，使得作物增產(chǎn)提質(zhì)，同時(shí)也要保證再生水水質(zhì)指標(biāo)符合地方與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求?，F(xiàn)階段，再生水灌溉農(nóng)作物的研究主要集中在對(duì)作物生理、光合、產(chǎn)量以及品質(zhì)等指標(biāo)的影響，但是對(duì)再生水灌溉后作物各組織器官重金屬富集遷移及相關(guān)人類健康潛在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的研究較少。因此，未來的研究以保證作物食用安全為基礎(chǔ)，以作物增產(chǎn)提質(zhì)為目標(biāo)，以植物的生理系統(tǒng)、組織、器官及細(xì)胞等的結(jié)構(gòu)變化為核心，深入探究再生水灌溉對(duì)作物的影響機(jī)理，這對(duì)農(nóng)業(yè)水資源高效利用具有重要意義。

2 再生水灌溉對(duì)農(nóng)田土壤的影響

F.M.Kiziloglu 等[12]研究了處理與未處理的污水灌溉對(duì)石灰性土壤性質(zhì)的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，再生水灌溉會(huì)一定程度上提高土壤的肥力。M.S.Kang等[4-5]研究了不同污水處理水平對(duì)水稻土壤的影響，試驗(yàn)中灌溉用水采用5 個(gè)處理（各處理情況見前文所述）灌溉，結(jié)果表明，種植稻田土壤的重金屬含量均在正常范圍內(nèi)，也沒有表現(xiàn)出其他的不良影響，處理后的污水可以用于農(nóng)田灌溉中，但是建議對(duì)土壤化學(xué)特性及其相關(guān)潛在影響進(jìn)行長期監(jiān)測。I.Petousi等[7]研究了處理過的廢水回灌對(duì)種植橄欖土壤的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：相比較自來水灌溉，采用經(jīng)過處理的污水灌溉后，土壤中的鹽分（Na）、營養(yǎng)元素（P，K）有一定的積累現(xiàn)象，但未超過相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，說明再生水可以用于橄欖的安全灌溉。在作物生育周期內(nèi)，采用再生水灌溉農(nóng)田，植物體、水體、土壤以及大氣中的元素、物質(zhì)在不斷地循環(huán)往復(fù)，長期使用再生水進(jìn)行灌溉會(huì)使得土壤中重金屬離子富集。再生水灌溉農(nóng)作物對(duì)土壤環(huán)境的影響存在兩面性：一方面使得土壤肥力有一定程度的提高；另一方面會(huì)使得土壤有一定程度的富營養(yǎng)化。以往關(guān)于再生水灌溉對(duì)土壤的影響研究聚焦于肥力、富營養(yǎng)化等方面，但是對(duì)土壤結(jié)構(gòu)以及土壤中重金屬、致病菌、酶活性、微生物群落變化的研究較少。今后要在確保作物食用安全的前提下，加強(qiáng)再生水灌溉導(dǎo)致土壤酶活性變化、致病菌變異以及微生物基因改變機(jī)理的研究，以期對(duì)土壤安全風(fēng)險(xiǎn)采取科學(xué)的管理控制。

3 再生水灌溉對(duì)地下水的影響

再生水灌溉農(nóng)田，水中的物質(zhì)會(huì)在“土壤-地下水-作物”之間遷移形成一個(gè)循環(huán)，長期在一片土地上進(jìn)行再生水灌溉也會(huì)對(duì)此地的地下水產(chǎn)生影響。T.Jang 等[13]研究了再生水灌溉對(duì)地下水水質(zhì)的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用符合當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)水質(zhì)要求、經(jīng)過紫外線處理的過濾生活廢水灌溉，地下水水質(zhì)未有明顯的不良影響，生活再生水灌溉對(duì)稻田農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)沒有顯著的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，但需要進(jìn)行長期監(jiān)測，以充分描述其影響。A.Christou 等[14]分析了再生水灌溉對(duì)農(nóng)業(yè)環(huán)境的潛在影響，根據(jù)以往的相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果，長期采用再生水灌溉，抗生素、抗性基因等的污染物質(zhì)可能會(huì)在土壤、地下水和食物鏈中被吸附、轉(zhuǎn)化以及傳播，破壞了地下水和土壤的微生物群。而在長期灌溉過程中，再生水中含有的有機(jī)物、鹽離子以及重金屬元素等物質(zhì)在“土壤-地下水-作物”系統(tǒng)中積累、遷移與循環(huán)的影響鮮有報(bào)道。未來要加強(qiáng)以再生水灌溉農(nóng)作物對(duì)地下水環(huán)境不利影響最小化為目標(biāo)，以優(yōu)化再生水灌溉制度、施肥制度為重點(diǎn)的“土壤-地下水-作物”系統(tǒng)的研究。

4 再生水灌溉農(nóng)作物技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

按照農(nóng)作物的不同品種種類和所適應(yīng)的種植環(huán)境，我國將灌溉作物分為纖維作物、油料作物、旱地谷物、水田谷物和露地蔬菜。由于不同作物的耐受性、抗寒性和抗旱性等性質(zhì)的不同，利用再生水灌溉時(shí)，對(duì)于不同類型的農(nóng)作物再生水灌溉技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是有區(qū)別的。再生水灌溉農(nóng)作物技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)主要包括兩部分：再生水水質(zhì)指標(biāo)和水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

4.1 再生水灌溉農(nóng)作物的水質(zhì)指標(biāo)

再生水水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)的規(guī)定，可以幫助研究人員微觀地分析再生水中的各種成分，從而對(duì)再生水水質(zhì)開展深層次的分析。按照我國現(xiàn)行的再生水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，再生水水質(zhì)監(jiān)測項(xiàng)目包括：色度、濁度、pH、總硬度、溶解氧、懸浮物、五日生化需氧量、化學(xué)需氧量、溶解性總固體、陰離子表面活性劑、氨氮、亞硝酸鹽氮、總磷、汞、鎘、鉻、砷、鉛、鐵、錳、氰化物、氟化物、石油類和糞大腸桿菌等[15-25]。根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測項(xiàng)目性質(zhì)，本文將水質(zhì)監(jiān)測項(xiàng)目歸納為幾類再生水水質(zhì)指標(biāo)，具體如表1 所示。

表1 再生水水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)

4.2 再生水灌溉農(nóng)作物的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)

不同種類作物的生長環(huán)境、生理特性不同，因此各類作物的再生水灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)也有所差異，結(jié)合對(duì)再生水灌溉研究比較全面的國家出臺(tái)的相關(guān)再生水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和研究成果[15-25]，本文對(duì)國內(nèi)外再生水灌溉的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了總結(jié)（表2～表3）。

再生水灌溉農(nóng)作物的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)是水資源安全使用及高效循環(huán)利用的制度保證，一方面可以為制定廢水處理標(biāo)準(zhǔn)提供依據(jù)，另一方面可以控制管理農(nóng)作物、土壤等的安全風(fēng)險(xiǎn)。國內(nèi)再生水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)是以再生水用途的不同，遵循“分質(zhì)使用”的原則，制定了相對(duì)應(yīng)的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，從而實(shí)現(xiàn)再生水在生活、生產(chǎn)和生態(tài)中的應(yīng)用。由表2 可知，國內(nèi)的再生水灌溉農(nóng)作物水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)在作物種類上作出了分類，按照不同類型的作物制定了相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，并且監(jiān)測指標(biāo)較為全面，其中對(duì)于溶解性固體（TDS）的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定還進(jìn)行了是否為鹽堿地條件的區(qū)分。由表3 可知，國外的再生水灌溉農(nóng)作物水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中，以色列分別制定了不同類型作物的再生水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，美國、日本、加拿大的再生水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)均不區(qū)分作物種類，國外的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中的監(jiān)測項(xiàng)目較少，但是每種監(jiān)測項(xiàng)目所規(guī)定的限值更為細(xì)致嚴(yán)謹(jǐn)。

表2 國內(nèi)再生水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)

表3 國外再生水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)

5 再生水灌溉農(nóng)作物存在的問題

（1）長期使用再生水灌溉對(duì)土壤、地下水環(huán)境造成富營養(yǎng)化[7，14]。

（2）采用再生水灌溉對(duì)作物、土壤、地下水等安全的潛在影響需要長期監(jiān)測[4-5，7，13-14]。

（3）再生水灌溉農(nóng)作物水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)性不強(qiáng)。對(duì)于再生水灌溉技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，需要根據(jù)不同地區(qū)的地理環(huán)境和不同種類作物的耐受性、抗旱性等生理特性，結(jié)合相關(guān)的研究成果，制定出更加嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的再生水灌溉農(nóng)作物水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

6 研究趨勢與展望

推動(dòng)再生水灌溉發(fā)展，促進(jìn)水資源高效利用，必須要保證安全的“水支撐”，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)水與農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展相統(tǒng)一。目前再生水灌溉農(nóng)作物已有較多的研究，使用再生水灌溉會(huì)使得農(nóng)作物在一定程度上增產(chǎn)提質(zhì)，但是由于再生水灌溉的研究起步較晚，長期使用再生水灌溉對(duì)農(nóng)作物、土壤環(huán)境以及地下水環(huán)境的安全性研究的佐證不夠，對(duì)重金屬、鹽離子累積效應(yīng)缺乏長期的數(shù)據(jù)信息，對(duì)此，在現(xiàn)階段需借助計(jì)算機(jī)對(duì)長期再生水灌溉下重金屬、鹽離子等的累積效應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬，得出較為可靠、合理的規(guī)律，從而對(duì)再生水灌溉進(jìn)行科學(xué)管理，有效控制再生水灌溉的安全風(fēng)險(xiǎn)。我國對(duì)再生水灌溉方面的研究年限比較短，對(duì)于再生水灌溉缺乏系統(tǒng)性研究，對(duì)此，我們要以田間試驗(yàn)為基礎(chǔ)，結(jié)合對(duì)再生水灌溉后土壤及地下水環(huán)境的長期監(jiān)測和數(shù)值模擬，形成再生水長期灌溉的系統(tǒng)研究結(jié)果，分析解決再生水灌溉問題，揭示再生水灌溉的科學(xué)規(guī)律。未來有以下幾個(gè)方面需要進(jìn)一步研究。

（1）農(nóng)作物食用安全方面。在確保農(nóng)作物食用安全的前提下，農(nóng)作物的增產(chǎn)提質(zhì)是再生水灌溉研究最本質(zhì)的內(nèi)容。因此，我們要深入研究分析再生水灌溉下農(nóng)作物的生理系統(tǒng)、組織、器官以及細(xì)胞等結(jié)構(gòu)的變化過程，探究再生水灌溉使作物產(chǎn)量增加、品質(zhì)提升的機(jī)理。

（2）土壤環(huán)境和地下水環(huán)境方面。以農(nóng)作物食用安全為基礎(chǔ)，以對(duì)土壤、地下水環(huán)境不利影響最小化為目標(biāo)，制定最優(yōu)化的再生水灌溉和施肥制度是未來研究的重點(diǎn)與熱點(diǎn)。因此，要建立再生水灌溉對(duì)作物-環(huán)境系統(tǒng)化的監(jiān)測體系，深層次探索再生水灌溉對(duì)土壤、地下水環(huán)境造成的影響，探究再生水灌溉導(dǎo)致土壤與地下水環(huán)境的富營養(yǎng)化、酶活性變化、致病菌變異以及微生物基因改變的機(jī)理，從而滿足再生水灌溉的安全風(fēng)險(xiǎn)管控要求。

（3）再生水灌溉技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)方面?？偨Y(jié)作物、土壤、地下水中的有機(jī)物、重金屬等物質(zhì)累積影響的研究成果，考慮不同地區(qū)地理環(huán)境、不同作物生理特性，細(xì)化和完善再生水灌溉技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是未來相關(guān)研究的難點(diǎn)。因此，在再生水灌溉過程中，要根據(jù)不同地理環(huán)境、不同作物特性，明確需要把控的項(xiàng)目指標(biāo)，對(duì)再生水灌溉全程全方位進(jìn)行系統(tǒng)性控制管理與監(jiān)測探究，揭示再生水灌溉中各物質(zhì)的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，進(jìn)而對(duì)再生水灌溉提供安全支撐。

（4）再生水灌溉應(yīng)用與研究方法方面。以現(xiàn)階段再生水灌溉的重難點(diǎn)為依據(jù)，以再生水灌溉科學(xué)發(fā)展、推行普及為目標(biāo)，強(qiáng)化再生水灌溉技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)過程中的應(yīng)用。在開展實(shí)際生產(chǎn)過程中，有2 個(gè)方向需要進(jìn)一步研究：一是開展再生水灌溉應(yīng)用中設(shè)施裝置與聯(lián)合系統(tǒng)的研究；二是開展用于分析再生水灌溉相關(guān)影響的方法與軟件的研究。