再生水灌溉对土壤性能和土壤微生物的影响研究

土壤性能和土壤微生物是再生水灌溉对环境安全效应评价的重要指标。通过模拟试验,以北京高碑店污水处理厂生产的再生水浇灌大豆为例,分析了收获期土壤理化特性及微生物类群变化。结果表明,再生水灌溉能够在一定程度上提高土壤肥力,表现为有机质和有效磷显著增加;土壤重金属铅、镉含量相对清水和土壤本底无明显增加,但土壤溶液电导值（EC）增加显著,在一定程度上造成盐度累积。在土壤微生物方面,再生水灌溉使土壤细菌数量相对清水灌溉处理增加;二级再生水和三级再生水灌溉处理间的放线菌数量差异显著,且明显高于清水对照;再生水灌溉对真菌数量影响不大。再生水灌溉使大豆根际土壤脲酶活性增加,碱性磷酸酶活性最高。土壤微生物数量、酶活性与土壤养分含量之间呈显著相关关系,可作为评价土壤肥力和土壤环境质量的指标。     

再生水短期灌溉对土壤-作物中重金属分布影响的试验研究

再生水是农业灌溉的重要水资源。该文在田间小区开展了为期4年的再生水灌溉试验，研究了重金属在土壤-作物系统中的转化与分布规律。结果表明：短期内重金属在土壤中的累积不明显，且土壤和作物籽粒中的重金属含量都远低于国家标准规定的允许值，再生水短期灌溉对土壤环境和作物均不会造成污染影响；同时，不同再生水灌溉水量条件下，土壤中重金属含量无显著差异，再生水灌溉带入土壤中的重金属量小于作物收获所带走的重金属量，带出量和带入量对土壤中重金属平衡的影响较小。     

再生水回用的改进健康风险评价及土壤承载能力研究

为揭示各重金属污染指标的健康风险水平和再生水回用于灌溉的最大承载水量,以西安市某污水处理厂的再生水出水为研究对象,从污染源到暴露点建立3种暴露途径物理模型,利用Logistic混沌系统产生较为可靠的随机数,采用改进蒙特卡罗模拟方法进行健康风险水平评估,结合土壤中各指标的污染标准和背景值,计算再生水灌溉的最大承载水量。结果表明:在3种不同的暴露途径情况下,指标砷都会产生一定的风险影响,当暴露途径为再生水→地表水→水产品→人体吸收时,指标铜和锌同样对人体健康风险产生影响的概率较高,再生水回用于园林灌溉和农业灌溉不会产生重金属污染。     

再生水灌溉对土壤主要盐分离子的分布特征及盐碱化的影响

通过田间试验,研究再生水纯灌、轮灌、重要时期灌清水等不同灌溉策略对西红柿和黄瓜地块土壤主要盐分离子的分布特征及盐碱化的影响。结果表明:对于西红柿地块,除Cl-和HCO3-在表土中的发生积累外,其他主要盐分离子均强烈受到灌溉水淋溶作用的影响,表现出向土壤深层迁移的特征,但是再生水灌溉未引起土壤剖面盐分的累积。对于黄瓜地块,土壤盐分分布对不同再生水灌溉策略的响应不同于西红柿地块,强烈的蒸发作用造成了主要盐分离子(除HCO3-外)在土壤表层中出现积累,但是未监测到盐分在深层土壤中累积。再生水灌溉对西红柿和黄瓜地块土壤的pH值和SAR值均未产生显著影响,但是较高的pH值(>8.0)说明长期灌溉再生水可能引起土壤的碱化。研究认为重要时期灌清水处理在控制土壤盐分累积方面效果明显,且未引起土壤发生碱化,可作为短期再生水灌溉果蔬菜(西红柿、黄瓜)的有益尝试。     

再生水灌溉对典型土壤盐分和离子浓度的影响

为推动再生水安全灌溉,避免土壤盐渍化。该文研究了不同再生水灌溉年限对土壤盐分的影响。结果表明,不同再生水灌溉年限对各层土壤电导率、pH值无显著影响,而钠吸附比有所增加,但仍在适宜范围内。再生水灌溉后土壤中Na+、Mg2+、K+和Cl-含量总体呈现增加趋势,但在0～40 cm层位增加不显著,40～80 cm存在增加明显,土壤盐分在降水淋溶作用下具有向根系活动层以下迁移的趋势,华北地区气候条件下再生水灌溉引起耕层土壤盐分显著累积的风险较低。     

再生水灌溉技术研究现状与展望

再生水灌溉利用是世界范围内缓解农业水资源短缺的重要途径,该文分析了国内外再生水利用研究现状与问题,提出了今后重点研究方向.再生水灌溉对土壤一植物系统影响的研究主要集中对农产品产量、品质的影响以及对土壤物理性质、盐分、重金属、养分形态与利用率、生态毒性的影响方面;再生水灌溉对地下水的影响研究主要集中在土壤一地下水系统盐分、重金属、氮磷形态与含量及迁移转化规律方面;再生水安全灌水技术、不同灌水技术下污染物迁移转化规律、灌区优化调度模式等成为研究热点之一.国外发达国家建立了比较完善的再生水安全灌溉的标准、规范体系.今后,应重点研究建立适合中国国情和区域特点的再生水适宜灌溉的作物分类目录、再生水安全灌溉区划方法、再生水安全灌水模式、再生水灌溉风险评价方法与标准及规范体系.     

再生水灌溉对番茄品质、重金属含量以及土壤的影响研究

通过田间试验，分析了再生水灌溉对番茄果实品质、重金属以及土壤重金属的影响。结果表明，番茄果实中蛋白质、维生素C、有机酸含量为清水灌溉（QG）〉清水再生水交替灌溉（HG）〉再生水灌溉（zG），差异显著；番茄果实中Cr，Cd，Pb的含量随再生水灌溉量的增大而增大，差异不显著，没有造成重金属的累积，而且远低于国家无公害蔬菜安全标准。土壤中的重金属含量差异不显著，远低于国家土壤质量标准。因此，经过二级处理后的再生水，短期灌溉除了降低番茄部分品质外，不会造成重金属在番茄果实和土壤中的累积。     

回填土下再生水灌溉对玉米生长及土壤理化性质的影响

为了对劣质土及再生水灌溉下农田水分高效利用进行研究,通过野外试验的方法,以内蒙古干旱区城郊建筑回填土农田再生水灌溉玉米为研究对象,系统研究了再生水灌溉劣质土对玉米生长及土壤理化性质的影响。试验期间共灌溉4次水,共设不同再生水(Z)—清水(Q)5个处理,分别是T1(4Q)、T2(2Q2Z)、T3(1Q3Z)、T4(1Q2Z1Q)、T5(1Q1Z1Q1Z)5种模式。结果表明:建筑回填土下再生水灌溉玉米能显著增加玉米干物质、株高、叶面积及产量,且增产最大为15.91%;短期再生水灌溉不会对玉米重金属含量产生影响;再生水灌溉后土壤容重呈增加趋势,长期再生水灌溉会对深层土壤盐分累积产生潜在风险。     

再生水及盐溶液入渗与蒸发对土壤水盐和碱性的影响

为研究再生水利用对土壤盐碱性影响的特殊性,采用室内大型土槽试验,对比研究了清水、再生水和钠吸附比(sodium adsorption ratio,SAR)分别为3、10和20(mmolc/L)0.5的盐溶液入渗与蒸发10次(模拟灌溉2a)期间对土壤及土壤溶液盐分迁移累积和碱性的影响。结果表明:与清水相比,再生水和SAR值为20(mmolc/L)0.5的盐溶液处理中0～40cm深度壤土含水率较高,80～120cm砂土含水率的增加产生滞后现象;再生水和盐溶液入渗与蒸发后土壤中盐分产生累积,累积量为9.54%～51.83%,而再生水处理中淋洗液带出的盐分最多,是其他处理的1.09～1.42倍。清水、再生水和盐溶液处理土壤溶液钠吸附比(SAR)<3(mmolc/L)0.5,土壤pH值<8.5,再生水和盐溶液入渗与蒸发引起土壤碱化的风险较低。再生水入渗与蒸发后土壤溶液中K+和Ca2+在土体中的迁移分布与清水和盐溶液处理不同,再生水对土壤中Cl-有较强的淋洗作用,长期再生水灌溉过程中土壤K+、Ca2+和Cl-的迁移和淋洗需要引起重视。试验结果对农业中长期安全合理利用再生水具有指导意义。     

再生水灌溉对土壤和葡萄品质的影响

2011—2013年,经过3年小区实验,分析了再生水灌溉对土壤和葡萄品质的影响。实验结果表明,再生水区的土壤总氮、总磷和有机质的含量呈现低于清水对照区的趋势,而硝态氮与碱解氮含量却高于清水对照区。再生水灌溉区土壤Cd含量高于清水对照区,而Pb、Cu的含量均低于清水对照区。土壤中重金属有一定的积累现象,但均未超出《土壤环境质量标准(GB 15618—1995)》中的重金属限量值,说明短期再生水灌溉未造成土壤重金属污染。再生水灌溉在一定程度上能提高葡萄的产量,但对葡萄的品质未产生有利的影响。3年实验中,再生水灌溉区葡萄的重金属含量低于清水灌溉区,说明短期再生水灌溉对葡萄重金属含量的影响不大。研究表明再生水可以用作灌溉用水,但再生水中重金属对环境的影响是长期的、积累的、复杂的,要确保再生水灌溉的安全还需进一步研究。     

再生水灌溉水平对土壤盐分累积与细菌群落组成的影响

为探明再生水不同灌水水平下土壤盐分、氮素、磷素与细菌群落组成动态变化效应,采用室内土柱灌水试验,研究再生水、自来水不同灌水水平对土壤盐分、氮素、磷素及细菌群落组成结构的影响。结果表明:1)再生水灌溉相比自来水显著提高了0~60 cm土层盐分含量、磷素及0~30 cm土层氮素含量也有所提高,降低了土壤细菌群落多样性和OTU数量;充分灌溉相比非充分灌溉提高了深层土壤盐分含量,降低了深层土壤细菌群落多样性和种类数。2)不同处理土壤细菌类群以放线菌门(24.5%~40.6%)和变形菌门(22.4%~30.3%)为主。非充分灌溉下,再生水灌溉相比自来水提高了土壤放线菌门、绿弯菌门、厚壁菌门及酸杆菌门比例,降低了变形菌门比例;充分灌溉下,再生水灌溉相比自来水大幅度提高了土壤放线菌门和硝化螺旋菌门比例,降低了土壤变形菌门、绿弯菌门、酸杆菌门及厚壁菌门比例。无论是在充分灌溉还是非充分灌溉下,再生水灌溉均对土壤放线菌门表现为促进作用,对变形菌门表现为抑制作用。再生水充分灌溉相比非充分灌溉对土壤放线菌门和变形菌门具有促进作用,对土壤绿弯菌门、酸杆菌门和厚壁菌门具有抑制作用;再生水灌水水平越高,越有利于土壤中优势菌群的生长。3)各处理土壤细菌代谢通路丰度占比最大的为膜转运、碳水化合物代谢及氨基酸代谢,再生水辅以较高灌水水平能够显著促进表层土壤微生物膜转运、碳水化合物代谢及氨基酸代谢过程。因此,再生水较高灌水水平可促进土壤物质能量循环,且对土壤细菌代谢繁殖过程也可起到积极的调节作用。研究可为再生水灌溉下的土壤生态环境效应研究提供依据。     

再生水灌溉对园林植物叶片生理及根际土壤特性的影响

选用8种河北省常见园林植物（大叶黄杨、女贞、月季、丁香、紫荆、连翘、海棠和榆叶梅）进行再生水灌溉试验,浇灌周期为3年,以自来水灌溉作为对照,研究了再生水灌溉对园林植物生长特性及根际土壤和微生物数量的影响。结果表明:再生水中所含有的植物生长所需的元素大部分可被植物有效吸收,而植物对一些有毒元素的吸收受到抑制;再生水处理的植物叶片矿质元素含量总体上比对照增加,部分差异达到了显著水平,与对照自来水相比,8种园林植物出现了钠元素的积累,重金属也有逐渐升高趋势,但植物表观并未表现出异常现象。在土壤理化性状方面,再生水灌溉情况下,8种园林植物的土壤pH值与对照相比无显著差异;土壤全盐量、水溶性钠和氯离子含量均高于自来水灌溉,多种植物土壤中含量与自来水灌溉相比达到了显著差异或极显著差异;在土壤养分和酶活性方面,再生水灌溉不同程度促进了土壤养分和酶活性的提高,除了女贞、月季和紫荆以外,与对照相比,绝大部分土壤养分和酶活性差异均不显著;在土壤微生物方面,再生水灌溉不同程度促进了土壤微生物数量的增加,其中,以女贞、月季和紫荆增加幅度较大;8种园林植物土壤微生物均以细菌最多,占微生物总数的90%以上,其次是放线菌和真菌。综合分析可知,再生水灌溉能够短期内促进园林植物的生长和根际土壤养分、酶活性微生物数目的提高。     

再生水灌溉对农田土壤水流运动影响的研究进展

再生水灌溉农田既可节约宝贵的水资源、缓解农业用水紧缺,同时再生水中的多种营养元素和微量元素可促进作物生长、提高粮食产量。但再生水中的物质进入农田后将引起土壤孔隙结构、团聚体结构、黏粒分散特征和水土作用关系等一系列的变化,进而引起土壤入渗性能和导水性能的改变,增大环境污染风险。该文综述了再生水中的悬浮无机固体、大分子有机质、油脂、表面活性剂和盐分对农田土壤水流运动的影响及其作用机理,指出受灌农田土壤结构性质演化过程与驱动机制、受灌农田土壤与灌溉入渗水流之间的相互作用关系为该领域亟需开展的2个研究方向。文章对再生水农田灌溉制度制定、污染风险控制和生态环境保护均有参考价值。     

生物质炭和果胶对再生水灌溉下玉米生长及养分、重金属迁移的影响

利用根箱试验方法比较了生物质炭和果胶对再生水灌溉下土壤—植物系统养分和重金属迁移特征的影响及差异性。结果表明,再生水灌溉不利于植物的生长,果胶和生物质炭两个处理相比,虽然植株生长无显著差异,但果胶处理植株的生长状况优于生物质炭处理;再生水灌溉时,果胶处理地上部生物量比对照增加了59.32%。与蒸馏水灌溉相比,再生水灌溉增加了根际土壤pH;灌溉水源相同时,果胶处理根际土壤pH略低于生物质炭处理。生物质炭和果胶都增加了土壤养分的含量,果胶对土壤碱解氮、有效磷和有机质的增加效果优于生物质炭,生物质炭对土壤有效钾的增加幅度大于果胶。生物质炭增加了植株的养分含量,果胶提高了养分的转运能力。生物质炭降低了土壤有效态Fe、Mn、Cu、Ni的含量,果胶增加了土壤有效态Fe、Mn、Cu、Pb、Ni的含量。果胶处理植株根系重金属含量普遍高于生物质炭处理,如蒸馏水灌溉下果胶处理根系Fe、Mn、Cu、Zn、Pb、Cd、Ni含量分别比生物质炭处理增加了165.29%,113.01%,21.16%,92.74%,14.61%,26.86%和53.43%,但Cu、Zn、Pb、Cd、Ni等元素在果胶处理的转运系数最低。该研究可为再生水灌溉下生物质炭和果胶在北方碱性土壤的农业安全利用提供理论依据。     

Influence of long-term irrigation with treated papermaking wastewater on soil ecosystem of a full-scale managed reed wetland

Purpose

A large-scale managed reed wetland in Yancheng Biosphere Reserve of China has been irrigated by treated papermaking wastewater (TPW) for approximately 8 to 12 years. This report details the risk evaluation of long-term TPW irrigation on the soil and its microbial viability, providing important perspective on the suitability of TPW reuse for irrigation.

Materials and methods

An extensive field survey was employed for assessing the impacts of long-term TPW irrigation of reed fields (F1 to F6), as compared to river water irrigated field, on soil physicochemical properties, accumulation of heavy metals (Cu, Cd, Pb), soil enzyme activities (i.e., urease, invertase, catalase, and polyphenol oxidase), and soil microbial community metabolic profiles.

Results and discussion

The results revealed that long-term TPW reuse for irrigation resulted in a slight increase of pH value, while a remarkable increase was identified regarding to soil organic carbon, as expected from the organic carbon content of the wastewater, but was not proportional to the time of irrigation. TPW irrigation caused a remarkable increase in soil electrical conductivity and resulted in soil salinization, having strong correlation with the duration of irrigation. Soil salinization increase in irrigated area was mainly due to the high sodium content of the wastewater applied for irrigation. Furthermore, soil enzymes displayed significantly increased activities (except for catalase) in the irrigated fields, while the microbial ability of utilizing carbon source was enhanced. The diversity of microbial communities was boomed due to the increase of soil organic matter, as evidenced by the calculated diversity indices. However, a remarkable increase of heavy metals was also identified regarding Cd and Pb concentrations, which may pose potential risks to human health.

Conclusions

The input of excessive pollutants and nutrients will disrupt the equilibrium mechanism of the wetland ecosystem. Although long-term TPW irrigation may increase the soil fertility and microbial activity, heavy metals (i.e., Cd and Pb) in wastewater can be accumulated in the soil. Furthermore, alkaline TPW caused an increase in soil salinity. Therefore, more cautions should be exercised in the reuse of TPW for irrigation.

     

城市污水再生水灌溉对黑麦草生长及土壤磷素转化的影响

为了进一步明确城市污水再生水的农业利用价值,在温室条件下采用盆栽试验方法种植黑麦草,以自来水(clean water,CW)灌溉为对照,分别进行全再生水(reclaimed municipal wastewater,RW)和混合再生水(自来水+再生水,CW+RW,1∶1)灌溉处理,研究了再生水灌溉对黑麦草生长和土壤磷素的转化特征。结果表明,城市污水再生水灌溉显著增加了黑麦草地上部和根系的生物量,CW+RW处理黑麦草地上部和根系生物量在播种55 d后分别较对照(CW)增加18.92%和6.42%,RW处理分别增加26.79%和10.55%;黑麦草地上部磷含量分别显著增加8.48%和10.93%。再生水灌溉土壤全磷含量变化不大并有减少趋势,但土壤速效磷含量CW+RW和RW处理分别较对照(CW)增加29.15%和43.80%;CW+RW和RW处理显著增加了土壤有机磷组分中的活性有机磷和中活性有机磷,与对照CW相比,其中活性有机磷增幅分别为50.30%和81.57%,中活性有机磷增幅分别为7.66%和13.68%;也显著增加了无机磷组分中的Ca2-P和Ca8-P,CW+RW和RW处理Ca2-P含量由对照的12.90 mg·kg-1分别增加到16.42 mg·kg-1和15.49 mg·kg-1,与对照相比,增幅分别为27.29%和19.38%,Ca8-P增幅分别为19.94%和16.03%。再生水灌溉显著降低了土壤pH并显著增加了土壤有机质含量,这可能是增加土壤磷活性的原因之一。再生水灌溉对提高土壤磷素利用率有促进作用。     

短期和长期中水灌溉对绿地土壤理化性质的影响

采用短期室内中水灌溉土柱模拟和长期中水灌溉区大田定位调查,对中水灌溉后对植物体内营养元素、毒害离子以及重金属的增减变化进行对比分析。结果表明,与清水对照相比,中水灌溉使绿地土壤pH值降低,土壤有机质含量增加,孔隙度增大,容重及田间持水量减小;全氮、全磷含量随土层厚度的增加而呈减少的趋势;碱解氮、有效磷和速效钾含量增加且与清水对照之间差异显著（P〈0.05）;盐离子在土壤中得以积累,含量增加;毒害离子和重金属含量呈增大或减少的趋势,与不同离子种类有关,但其含量极少,累积效应变化缓慢,且由于自然降水等因素的稀释和植物、土壤微生物等因素的吸收及降解,一般不会造成对土壤的污染及对植物的生长胁迫。     

低盐再生水灌溉对亚热带红壤水力特性及微观结构的影响

低盐再生水是一种回用潜力巨大的替代性水源,为探究其灌溉亚热带红壤的适宜性,该研究以校园生活污水为再生水水源,设置再生水单一灌溉（WW）、再生水与蒸馏水交替灌溉（AWW）两种灌水模式,并以蒸馏水单一灌溉（CK）为对照。通过室外模拟土柱试验,研究了低盐再生水不同灌溉模式下红壤的盐碱度、微观结构及水力特性,并探讨了三者之间的相互作用关系。结果表明：1）低盐再生水灌溉降低了红壤的持水能力和导水能力;2）与CK处理相比,低盐再生水灌溉导致红壤田间持水率和凋萎系数降低,有效水在WW处理下增加6.33%,在AWW处理下减小27.85%;3） 两种低盐再生水灌溉模式下土壤大孔隙均增加,而有效孔隙、微小孔隙在WW处理下分别增加1.3%、5.0%,在AWW处理下分别减小4.3%、1.1%;4）与CK处理相比,低盐再生水灌溉使红壤电导率（Electrical Conductivity,EC）和Na+含量显著提高,而交换性阳离子总量（Cation Exchange Capacity,CEC）显著降低（P<0.05）。再生水两种灌溉模式中,AWW处理下土壤交换性钠百分比（Exchangeable Sodium Percentage,ESP）和钠吸附比（Sodium Adsorption Ratio,SAR）分别显著高于WW处理142.4%、120.3%（P<0.05）,从而引起更强烈的土壤黏粒分散;5）田间持水率、凋萎系数、有效水及有效孔隙和微小孔隙比例均与交换性Na+、ESP、SAR呈显著负相关,与CEC呈显著正相关。综上,低盐再生水灌溉亚热带红壤宜选择单一灌溉模式,且应定期监测土壤SAR和ESP等指标。研究结果可为再生水水质标准和灌溉制度制定提供参考。     

Dynamics of Organic C Mineralization and the Mobile Fraction of Heavy Metals in a Calcareous Soil Incubated with Organic Wastes

Organic wastes such as sewage sludge and compost increase the input of carbon and nutrients to the soil. However, sewage sludge-applied heavy metals, and organic pollutants adversely affect soil biochemical properties. Therefore, an incubation experiment lasting 90 days was carried out to evaluate the effect of the addition of two sources of organic C: sewage sludge or composted turf and plant residues to a calcareous soil at three rates (15, 45, and 90 t of dry matter ha^–1) on pH, EC, dissolved organic C, humic substances C, organic matter mineralization, microbial biomass C, and metabolic quotient. The mobile fraction of heavy metals (Zn, Cd, Cu, Ni, and Pb) extracted by NH₄NO₃ was also investigated.The addition of sewage sludge decreased soil pH and increased soil salinity to a greater extent than the addition of compost. Both sewage sludge and compost increased significantly the values of the cumulative C mineralized, dissolved organic C, humic and fulvic acid C, microbial biomass C, and metabolic quotient (qCO₂), especially with increasing application rate. Compared to compost, the addition of sewage sludge caused higher increases in the values of these parameters. The values of dissolved organic C, fulvic acid C, microbial biomass C, metabolic quotient, and C/N ratio tended to decrease with time. The soil treated with sewage sludge showed a significant increase in the mobile fractions of Zn, Cd, Cu, and Ni and a significant decrease in the mobile fraction of Pb compared to control. The high application rate of compost resulted in the lowest mobility of Cu, Ni, and Pb. The results suggest that biochemical properties of calcareous soil can be enhanced by both organic wastes. But, the high salinity and extractability of heavy metals, due to the addition of sewage sludge, may limit the application of sewage sludge.