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生活污水再生水灌溉对生菜生长发育的影响

2024-12-31 60 上传者：管理员

摘要：以生活污水再生水为灌溉水源，对比其与地表水（单独或混合）灌溉对生菜生长的影响，初步讨论生活污水再生水农灌回用的可行性。结果表明：再生水与地表水混灌（1∶1）对生菜叶片数量、株高具有积极作用，但差异不显著；混灌过程显著提高生菜地上与地下部的鲜重和干重，其中地上部鲜重较再生水、地表水单独灌溉分别增加了23.23%和59.43%。此外，混灌显著增加了生菜可溶性糖和可溶性蛋白质含量；再生水灌溉（单独或混灌）虽会增加生菜硝酸盐含量，但均符合国家规定的叶菜类蔬菜中硝酸盐含量限值。总体来看，再生水与地表水混灌对生菜增产效果最为显著，初步证实了灌溉过程的有效性和可行性。

关键词：
农业灌溉
生活污水再生水
生菜
生长发育
非常规水源
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我国是传统的农业大国，对于灌溉用水的需求量常年居于高位。据统计，2021年我国的农业用水量为3644.3亿m3，占全国用水总量的61.5%[1]。目前，国内外水资源供需矛盾日益凸显，寻找新的替代水源或灌溉补给水源刻不容缓，再生水逐步显现出巨大潜力和综合优势。比如，美国将62%的再生水用于农业灌溉[2]，以色列则将这一比例提升至87%。我国的再生水利用量虽然仅为161.1亿m3(2021年）[1]，但再生水的回用前景值得期待。

再生水指污水经过处理后达到一定水质标准，能够被回用的非常规水源[3]。再生水常常含有作物生长所需的多种养分，可以一定程度上降低肥料施用率；但再生水的水质标准较低，将其用于农业灌溉要相对谨慎并合理调控风险。国内外对再生水灌溉作物的研究案例较为丰富：Maestre-Valero[4]发现再生水可以满足大部分作物的营养需求，对甜瓜、生菜和柠檬的灌溉过程显示了经济合理性；宋晴雯[5]认为适当浓度的再生水对植物种子、根生长具有促进作用，使用再生水进行农灌时应考虑其生态安全性。国内对相关方面的研究起步较晚，对于灌溉行为和界面机制等内容尚不清晰。基于前期研究基础，本文探究生菜生长特性与再生水施配之间的响应关系，力图为我国东北地区再生水农灌的规模化和集约化提供参考和借鉴。

1、材料与方法

1.1 试验材料

供试品种为意大利生菜，购于中蔬种业科技（北京）有限公司。该生菜具有耐寒、易种植、生长速度快等优点，适宜在我国东北地区推广种植。生活污水再生水取自沈阳市沈北新区某污水处理厂，该厂采用改良A2/O污水处理工艺，出水水质符合《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）一级A标准与《农田灌溉水质标准》（GB 5084-2021）限值，再生水水质参数见表1。

表1 再生水水质指标

1.2 试验设计

试验在沈阳师范大学温室大棚（123°24′38″E,41°54′22″N）内进行，试验期间平均温度为21.2℃，土壤理化性质详见表2。大棚试验周期为2023年5月至2023年7月，试验区面积为3 m×2.5 m样地，其中：5月11日开始播种育苗，苗期不做处理，待5叶1心（6月7日）时，参考同类文献处理方法[6]选取长势相似的幼苗移栽定植，7月19日采收。试验设置3种不同灌溉水源处理，分别为地表水单独灌溉（W1）、地表水与再生水1:1混合灌溉（W2）、再生水单独灌溉（W3）。各处理3次重复，不同处理下的田间灌水时间、灌水量和施肥量一致。

表2 土壤基本物理性质

1.3 测定指标与方法

1.3.1 生长指标

幼苗定植（6月7日）后，每隔7 d用精度为0.1 cm的卷尺测定每株生菜株高（基部至最高点），人工检测每株生菜叶片数量。

1.3.2 生物量

收获生菜（7月19日）时，从各处理中随机选取3株；将其地上部与地下部分离，清水冲洗地下部，去除根部附着土壤；用吸水纸吸净表面水分并称量鲜重，然后置于105℃烘箱中杀青20 min，转至70℃烘至恒重后测定其干重。

1.3.3 品质指标

从各处理的收获样品中随机采取3株生菜的可食用部分，分析其品质指标。其中：可溶性糖含量采用蒽酮比色法测定，可溶性蛋白质含量采用考马斯亮蓝法检测。同时，使用水杨酸比色法测定生菜地上部与地下部硝酸盐含量。

1.4 数据处理

采用Origin软件分析数据和绘图，差异显著性为P<0.05，所得数据均用平均数±标准误差表示。

2、结果与讨论

2.1 不同处理对生菜生长指标的影响

选取两类生长指标参数（叶片数和株高），分析再生水与地表水配施对生菜生长指标的影响。再生水与地表水配施对生菜叶片数的影响如图1a所示。可以看出，随着生长周期的延长，不同处理下生菜叶片数均有所增加；不过定植后7 d内，叶片数增长较慢，这可能与生菜的生长规律有关[6]；至第28 d时，W2和W3处理较W1处理的生菜叶片数分别高17.57%和6.08%，其中W2增幅最高，达到216.36%,W1次之为190.20%,W3为185.45%，表明再生水与地表水（按1:1配施）混灌能够大幅增加生菜叶片数，但试验各处理间差异不显著。对于生菜株高而言（图1b），随着定植天数增加其数值整体升高，但定植后14 d内长势较慢，而21 d、28 d增长速度最快。对于灌溉水的3种不同配施方式，W2处理的生菜株高增幅最高为257.44%,W1为233.14%,W3最低为225.65%，说明再生水与地表水（按1:1比例）混灌有助于增加生菜株高，但各处理间的差异不显著。

图1 不同处理对生菜生长指标的影响

从生菜生长指标（叶片数和株高）来看，再生水与地表水进行1:1配施混灌时，相关参数增幅均高于再生水与地表水单独灌溉的数值，推测再生水与地表水混施灌溉能使生菜一定程度上积极利用再生水养分，同时减缓了再生水消极组分的负面效应。杨小玲[7]认为，在灌溉用水养分浓度梯度较低时，作物会将营养组分优先保障根系生长，进而导致其地上部分生长指标变差；而再生水中的超量营养物质可能对作物生长产生反向胁迫，作物对营养组分的吸收将产生应激抑制[8]。这种影响对作物生长初期干扰不显著，随着生长周期的延长，生物抗性愈发明显，将产生作物生长指标的阶段性和规律性变化。本部分研究结果与之类似，这也与匡春兰等人[9]的研究大体相符。

2.2 不同处理对生菜生物量的影响

通常认为，适度的再生水灌溉作物自身往往表现出高度的根系觅食性，这有助于作物生物量的累积[7]；再生水与地表水配施对生菜生物量的影响见图2。结果表明：W2处理下的生菜生物量最高，其地上部鲜重（图2a）达到138.60±3.18 g/株，地上部鲜重较W3和W1处理分别高23.23%和59.43%，干重（图2b）为5.47±0.12 g/株。生菜地上部与地下部的鲜重、干重变化趋势一致，并且与各处理下叶片数的增长规律类似，表明再生水与地表水（按1:1配施）混灌有助于提高生菜生物量，体现了再生水中营养元素的强化效果[8]。此外，作物株高和叶片数量往往会影响光合作用进程和干物质积累[10]，因此，本部分生菜生物量也表现出与其生长指标相近的变化趋势。

图2 不同处理对生菜生物量的影响

2.3 不同处理对生菜品质的影响

选取4类品质指标参数（可溶性糖、可溶性蛋白、地上部硝酸盐和地下部硝酸盐），分析再生水与地表水配施对生菜品质的影响，结果如图3。研究表明：对于可溶性糖（图3a）和可溶性蛋白（图3b）而言，不同处理下的数值变化趋势一致，即W2处理都显著高于其他试验组，这与Lu[11]的研究结果吻合。具体来看：W2组可溶性糖含量为1.55%±0.05%，较W1和W3组分别高18.27%和23.49%，但W1与W3处理之间差异不显著；W2组可溶性蛋白含量为16.26±0.15mg/kg，较W1和W3组分别高59.11%和73.42%，各处理间差异显著。

相比之下，再生水单独灌溉（W3）对生菜硝酸盐含量的影响最显著。具体来看：W1组地上部硝酸盐（图3c）含量为806.61±18.30 mg/kg，明显低于W2的1043.63±19.97 mg/kg和W3的1232.34±40.84 mg/kg;W1处理地下部硝酸盐（图3d）含量为1110.05±47.57 mg/kg,W2地下部硝酸盐含量为1176.48±40.54 mg/kg，两者差异不显著，但均显著低于W3(1362.17±36.07 mg/kg）。这说明再生水与地表水（按1:1配施）混灌时可显著增加生菜可溶性糖与可溶性蛋白含量，再生水参与的灌溉将导致生菜硝酸盐含量总体升高。

图3 不同处理对生菜品质的影响

值得注意的是，对于生菜可溶性糖和可溶性蛋白含量，地表水单独灌溉得到的数值均大于再生水单独灌溉，且两种条件下可溶性蛋白含量存在显著差异，这与刘春成的研究相符[12]。再生水参与下的灌溉会引发生菜硝酸盐含量增加，再生水施用比重与生菜硝酸盐含量正相关；生菜地上部对硝酸盐含量的积累大于地下部，这可能与生菜不同部位对硝酸盐的累积和转化差异有关[13]。本研究中不同处理条件下，生菜硝酸盐含量均未超过国家规定的安全限量3000 mg/kg[14]，验证了再生水灌溉生菜的总体安全性，这与Rainey[15]的研究相符。

2.4 讨论

再生水不等同于地表水和地下水，因此，在实际农灌过程中，要保证灌溉过程效益最大化、风险最低化。以本研究为例，再生水和地表水混灌对生菜的积极影响最显著，不同处理间的结果差异较明显。但也有研究表明[16]，在不同灌溉模式下，再生水对酿酒葡萄产量、果实可溶性固形物、可滴定酸和糖酸比等影响均无显著性差异，推测可能与作物生长环境（露天培育或大棚种植）、再生水性质（来源和组分）、土壤性质、作物种类等有关。本研究后续将深度剖析再生水和地表水混灌比、再生水来源等细节问题，力争为再生水农灌的高效性和安全性提供更多保障。

3、结论

从生菜生长指标、生物量和品质指标来衡量，应用生活污水再生水（单独灌溉或与地表水配施）灌溉生菜是可行的。再生水与地表水混灌（按1:1配施）有利于生菜叶片数量、株高、地上部和地下部鲜重和干重等指标，也可以显著增加生菜可溶性糖和可溶性蛋白含量。再生水单独灌溉对生菜硝酸盐含量增加影响最大，但各处理条件下参数值均符合国家规定的叶菜类蔬菜中硝酸盐含量限值。相关结果有望为再生水农灌产业和相关理论研究提供科学依据。

参考文献:

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[3]马涛,刘九夫,彭安帮,等.中国非常规水资源开发利用进展[J].水科学进展, 2020, 31(6):960-969.

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基金资助:国家自然科学基金资助项目(21407103);..