再生水灌溉的生态效应.docx

再生水灌溉的生态效应 再生水指污水经水处理工艺处理后具有一定功能的可以回用的水地球上水资源短缺推动了污水再生利用，预计到2030年，我国缺水量将达130亿m3，再生水可利用量将达到767亿m3［2］美国、日本、以色列等已将再生水回用作为缓解水资源危机的重要举措，其中以色列再生水回用总量将达到水资源总需求量的四分之一左右［3－4］农业灌溉是再生水利用的主要形式，澳大利亚的Werribee农场从1897年开始利用再生水灌溉［5］，美国再生水回用量中42%的水量用于农业灌溉［6－7］近半个世纪以来，随着再生水灌溉区域范围增加，其安全性及对环境的影响引起广泛关注［8－10］，国外相关研究主要集中在灌溉用的再生水对植物生长、土壤质量、地下水质量的影响以及安全灌水技术方面，中国对于再生水灌溉技术的研究起步较晚［11］近几年，污水资源化循环利用成为缓解我国水资源短缺的主要途径之一［12］，特别是我国北方区域，农业灌溉缺水日趋严重，再生水灌溉得到越来越多的重视［13］再生水灌溉一方面能避免利用污水直接灌溉所引起的严重的面源污染问题，并为植物生长提供所需养分，增加土壤有机质，从而提高土壤肥力和生产力水平［14］。

另一方面，能避免过量的养分、有毒化学物质和病原体等物质同时输入环境生态系统，也会一定程度的减缓环境污染［15］，降低对环境和人类健康的危害因此，研究再生水灌溉环境生态效应对农业面源污染控制及污水资源化利用具有重要科学意义和实用价值［16］本文分别综述了近年来国内外对再生水灌溉环境生态效应的研究，并对我国再生水灌溉技术研究发展方向进行了展望 1再生水灌溉对地下水质量影响研究 长期利用再生水进行灌溉的地区普遍都存在地下水质量变差的问题通过研究建立科学合理灌溉制度和灌区建设模式，防治再生水灌溉导致的地下水的污染［17］灌区地下水的防污性能与包气带岩性、地下水力学特征、再生水灌溉制度、灌区工程布置等有关，当前研究主要聚焦于再生水灌溉对地下水盐分、氮素、重金属含量等的影响［11］在再生水灌溉中由硝化作用产生的NO－2和NO－3会进入地下水，并不断随水从表层向下逐层渗透，造成地下水的NO－2-N和NO－3-N污染［18－19］关于地下水的另一个最严重的问题就是水资源的迅速盐化，再生水灌溉是水盐化的一个主要原因［20］KassA等［21］研究表明，饱和含水层地下水的盐分和成分随距离变化非常大，主要由灌溉水源和非饱和层的推移控制。

再生水灌溉中的高土壤钠吸附比(SAR)导致土壤中钠的吸收和钙释放到充填水中，地下水中的NO－3主要来源于再生水中NH+4的硝化［17］MüllerK［22］等进行了含有农药再生水灌溉对地下水污染影响的研究，但是仅限于室内试验，还没有长期的监测数据来支持模拟结论MenahemR等［23］研究表明再生水中钠含量较高，灌溉入渗补给地下水的过程中，Ca2+与Na+发生离子交换反应，导致地下水中盐分增加ChenJY等［24］采用δ15N示踪方法研究得出再生水灌溉导致地下水中硝氮含量增加，由于黏土土壤通透性较差，再生水灌溉时反硝化速率显著增加，土壤氮素利用率下降，HoodaAK［25］等的研究解释说，这可以减少氮素渗漏对地下水的威胁陆桂华［26］的实验结果也表明，再生水灌溉对土壤下层及地下水中NH4+影响较小，但对NO－3影响较大，尤其是长期用再生水灌溉的土壤李勇等［26］结合我国浅水湖泊的特点，利用土槽试验和数学模拟方法，模拟了两种典型潜水含水层中地下水及其营养物质入湖的规律，揭示了渗流速度和营养物质浓度在湖泊岸坡和湖底两个交界面上的分布形式，并将模型应用到我国的滇池污染治理。

宋晓焱等［27］针对焦作市南部新河沿岸灌溉区的污染情况，分别用再生水和大气降水进行了土柱淋滤模拟实验，分析了氯离子、总硬度及TDS在土壤中的迁移转化机理，实验结果表明，渗出液中的污染物浓度最初较小，随后出现最大值，最后开始下降，表明当地浅层地下水中氯离子、总硬度及TDS污染与再生水灌溉有关吴文勇等［28］为了对再生水灌溉灌区调蓄工程选址提供依据，通过建立5个不同深度监测井研究了再生水灌溉对地下水盐分的影响，再生水经包气带入渗后渗滤液氯离子、全盐、总硬度含量有所增加，12m包气带厚度对总氮、总磷去除率达到97．3%和99．0%以上，但是渗滤液中全盐、总氮、氮磷、总硬度等含量指标接近地下水背景值，未发现再生水灌溉导致地下水水质发生明显变化，说明研究区域再生水渗滤进入地下水对盐分的影响与其他补给水源的影响效果无显著差异，再生水灌溉灌区调蓄工程应建设在具有包气带岩性粗细相间、防污性能较好的区域 2再生水灌溉对地表水质量影响研究 在再生水灌溉情况下，径流一方面把土壤残留污染物带出农田、流汇水域，另一方面再生水灌溉退水，也将部分排入水域，加之再生水灌溉区域中，N、P等营养物质更为丰富，因此，灌区径流对地表水体有很大的影响。

DianeS等［29］利用200m3/hm2的厌氧消化污泥对东北部苏格兰Monaughty森林1．33hm2的试验地进行污水处理和再生水灌溉，研究成熟的欧洲赤松林中土壤排水的化学性质，污水处理中施入了大约400kg/hm2的N和200kg/hm2的P，施用3个月和17个月后，对有机层和矿质层的水文学平衡、净降水量、土壤排水中N和P通量与对照地区进行了比较，发现由于污泥中含大量营养物质的液体占了95%，所以污水处理地区有机土层内可溶性的铵和磷酸盐、矿质层的磷酸盐增加较快，由于污泥在晚秋施入，最初仅含0．05kg/hm2的NO－3，所以矿化增加不明显，只有少量的NO－3被淋洗，1年半后，水处理地区N和P总通量仍然要比对照大，在有机层和矿化层观察到大量的NO－3损失，土壤排水中NH+4、NO－3的浓度与对照相比明显增加了，从最低的土层测得土壤排水中N的总通量超过了整个研究阶段随污泥施入总量的2．5%HuXD等［30］利用田间测量方法，调查长期再生水灌溉条件下N和P的富集情况，选择位于汤斯维尔、昆士兰州的3个再生水灌溉地点测定N和P浓度，并且已经分别进行了5年、20年和30年的再生水灌溉，不同地点的再生水质量不同。

从灌区地点抽取样品分析N、P浓度，结果发现，在土壤分析深度内，大约有19．5%的磷和36．4%的氮已经脱离了土壤植物系统，并总结出了对地表水有污染的威胁的结论［31］p#分页标题#e# 3再生水灌溉对土壤质量影响的研究 一般来说土壤都具有一定的自净能力，但土壤的自净力是有限的，长期再生水灌溉会使污染物在土壤中的积累，造成土壤污染，使pH值、盐分等发生变化，出现土壤板结、肥力下降、土体结构和功能失调，破坏了土壤生态平衡，土壤污染后进一步对地下水和农作物造成污染［13，32］再生水灌溉对土壤质量影响的程度关系到土壤生产能力和生态平衡，通过研究建立再生水灌溉条件下防止土壤质量恶化的技术措施目前，国内外研究重点包括再生水灌溉对土壤结构、孔隙率、导水率等物理性质、对重金属、持久性有机污染物、盐分、养分等化学性质与土壤微生物群落的影响等方面［11］LatterellJJ［33］、Al－NakshabandiGA［34］、Mo-hammadMJ［35］和HookJE［36］等研究表明再生水灌溉可以增加土壤中有效磷的含量，土壤中磷的含量主要与土壤的吸附量、作物提取量与污水带入量密切相关，通过收获可以把磷带出土壤－植物系统。

BouwerH［37］等研究表明再生水灌溉不会导致土壤环境的pH值上升，但也有研究表明［38－39］，再生水灌溉会导致土壤环境pH值有轻微上升，主要原因是再生水中含有各种营养元素和盐分导致pH值轻微增加以色列政府1998年和1999年连续两年对全国200余个再生水灌溉的柑橘和鳄梨园的调查发现，与淡水相比，再生水灌溉使SAR、N、P、K和B浓度增加，土壤电导率(EC)和部分重金属的含量无明显变化再生水灌溉草坪草引起土壤EC值、钾、钠、磷浓度均显著增加，而铁、锰、铜、锌、锌浓度以及pH值无显著影响［39］再生水灌溉条件下土壤中氮素的利用效率的研究也逐渐受到重视，随着NO－3－N浓度增加、土壤含氧量减少，可以使反硝化作用增强2～50倍［40－41］SmithCJ［42］等研究表明长期再生水灌溉条件下土壤Cd的累积是不容忽视的问题WangZ等［43］研究表明长期再生水灌溉对土壤孔隙率和镁含量造成影响，造成土壤密实度增加，对营养物的吸持能力下降，北京市主要污水处理厂二级处理出水中重金属含量比国内或发达国家灌溉水质标准低1～2个数量级杨金忠等［44］采用污水处理与再生水回用相结合系统，污水中的氮素经过处理后再经过作物的吸收以及氮素的硝化、反硝化等各种迁移转化过程后的氮素浓度可以满足环境排放标准。

禹果等［45］利用化学分析和生物测试相结合方法研究再生水灌溉条件下土壤中芳烃受体效应物质的积累、判断土壤生态毒性变化规律，这也是今后研究的主要方向之一，ChenY等［46］研究再生水灌溉条件下土壤多环芳烃污染与无脊椎动物体内发生的基因损伤与修复具有相关性CarlosA等［47］研究得出，具有30年再生水灌溉历史的土壤重金属含量与对照相比无显著增加对6～41年再生水灌溉区域的调查发现，TOC、硼、Zn含量随着灌溉年限的增加而增加，有几种作物中的Pb、Cd浓度超标情况突出对美国干旱与半干旱地区5处再生水灌溉(灌溉时间4～33年)与五处地表水灌溉的高尔夫球场绿地的对比试验研究，土壤EC值与钠吸附比(SAR)分别增加187%和481%，土壤钠、硼分别增加200%和40%，土壤pH值增加0．3个单位，土壤有机质无显著变化，研究区域为干旱少雨地区，土壤蒸发强烈，土壤盐分累积较为明显，可以认为在干旱少雨地区盐分累积是再生水灌溉的主要问题之一［48］AlitWS等［49］研究表明再生水表面活性剂含量较高时对土壤入渗性能与毛管张力有显著影响张娟等［50］研究表明再生水灌区土层的金属离子含量、盐分含量、钠吸附比及电导率大体都高于地下水灌区的含量，土壤金属含量和盐分有一定程度的累积。

魏益华等［51］研究了再生水灌溉对菜地土壤次生盐渍化及盐分离子和重金属离子累积分布规律的影响结果表明:除0～15cm土层全盐量增加外，15～45cm土壤层盐分累积现象与自来水灌溉相比无明显差异短期内采用再生水灌溉不会显著增加土壤阳离子含量，重金属在土壤中的累积也不明显，再生水短期灌溉对土壤环境不会造成污染影响近年来，苗战霞，等［52］分析了不同水质再生水在不同灌溉模式下对玉米根际土壤特性的影响结果表明，当土壤中的重金属如Cu2+、Zn2+、Cd2+、Ni2+含量在一定值时，可以抑制微生物的产生［13，31］宝哲，等［53］研究再生水灌溉下原污灌区土壤中主要盐分离子交换运移规律，采用有污水灌溉背景的两种质地土壤，根据再生水的基本性质及其盐分离子组分，配制4种浓度水平的入渗液，进行土柱模拟试验结果表明，不同质地土壤在低Na+配制液淋洗下的穿透曲线都出现下凹现象，但Na+在壤土中富集的表现并不显著，而在粉质砂壤土中部分Na+吸附累积时间较长;模拟再生水入渗溶液中不同组分的盐分离子在不同程度上影响污灌土壤中发生的离子化学反应的进行，导致各处理下Na+穿透时间发生显著差异;长期再生水灌溉会对HCO－3含量较高且粉粒比重大的土壤的入渗等性能产生更为不利的影响。

再生水灌溉对土壤生态系统影响机理与量化方法的研究需要进一步加强 4再生水灌溉对作物生长的影响研究 再生水灌溉对农作物生长的影响主要包括两个方面:再生水灌溉对农作物产量的影响，以及再生水灌溉下有害元素在作物体内的累积及对作物品质的影响国外发达国家对利用再生水灌溉蔬菜开展了不少研究，如AlNakshabandiGA等［54］于1993年在约旦安曼附近应用经过稳定塘处理和经氯消毒的再生水进行茄子生长的田间试验，并以清水灌溉作对照，对茄子的营养物质含量、重金属含量及微生物学性质、产量等进行评价ArmonD等［55］在以色列对地表滴灌和。