不同水质灌溉对毛红椿生长及基质性质的影响*

宋曰钦 孙 虎 胡凌峰 张 程

(黄山学院生命与环境科学学院，安徽 黄山 245041)

不同水质灌溉对毛红椿生长及基质性质的影响*

宋曰钦 孙 虎 胡凌峰 张 程

(黄山学院生命与环境科学学院，安徽 黄山 245041)

在全球水资源日益缺乏的情景下，伴随城市化过程出现的生活污水量显著增加，如何有效利用这一资源成为社会、经济可持续发展的关键。以珍贵树种毛红椿为材料，在遮雨棚下系统研究了生活污水、生活污水与自来水的混合水(以下简称“混合水”)以及自来水为灌溉水质，对毛红椿播种苗生长、育苗基质的性质及其中主要重金属含量的影响，以探讨生活污水应用于育苗生产的可能性。结果表明：(1)生活污水与混合水灌溉后均促进了毛红椿苗高、地径的生长，苗高分别为自来水的213.1%、210.4%，地径分别为163.9%、155.5%，生物量的增加也非常明显，特别是地上部分生物量，不同水质间苗高、地径、生物量均达到显著性差异。(2)生活污水灌溉改善了栽培基质的pH、容重等性质，但重金属含量也出现增加的趋势，不过均低于《土壤环境质量标准》(GB15618—1995)中二级标准限值，同时毛红椿各器官中重金属含量也升高。不同重金属在不同器官中的富集程度不同，Cu、Zn、As、Mn在叶中富集较明显，Cr、Pb没有出现富集现象。因此，生活污水及混合水可应用于毛红椿苗木培育。

生活污水 毛红椿 生长 富集系数

Abstract: It was key to use sewage water sufficiently to achieve socio-economical sustainable development which increased dramatically with urbanization in the scenario of water shortage globally. Influence of irrigation by different quality water，i.e. sewage water，mixture water of sewage water and tap water and tap water on growth of seedlings，matrix properties and their heavy metal concentration were studied by one precious tree -Toonaciliatavar.pubescensunder shelter to value the possibility of usage of sewage water in seedlings culture. The results showed that：(1) growth of height and ground diameter ofToonaciliatavar.pubescenswere promoted when irrigated by sewage water and mixture water. Height of seedlings irrigated by sewage water were 213.1% to that irrigated by tap water，and height of seedlings irrigated by mixture water were 210.4% to that irrigated by tap water. Ground diameter of seedlings irrigated by sewage water were 163.9% to that irrigated by tap water，and ground diameter of seedlings irrigated by mixture water were 155.5% to that irrigated by tap water. Biomass，especially over ground biomass was more when irrigated by sewage water than when irrigated by tap water. Seedlings height，ground diameter and biomass were different significantly irrigated by different quality water. (2) pH and density of matrix were improved by irrigated sewage and mixture water. Heavy metal concentration of matrix irrigated by sewage water was higher than that irrigated by tap water too. However，the heavy metals were under the limiting value for culture soil according to Ⅱ class value of “Standord of soil environmental quality” (GB 15618-1995). Meanwhile，heavy metal concentration inToonaciliatavar.pubescensirrigated by sewage water were higher than that irrigated by tap water. However，only the enrichment coefficient of Cu，Zn，As and Mn in leaf were greater than 1.Cr，Mn and Pb didn't accumulate in leaf，stem and root of seedlings. Sewage water，especially mixture water could be used in seedlings culture for its multiple benefits.

Keywords: sewage water；Toonaciliatavar.pubescens； growth； enrichment coefficient

水资源是社会经济发展的基础性资源，由于水资源分布与人类社会经济活动存在时空差异，必然产生不同程度的水资源短缺，制约区域经济发展。大力发展节水灌溉、充分挖掘水资源潜力成为一个国家或地区经济发展、社会稳定、生态优良的基本条件，其中加强对生活污水的利用是重要措施之一。一方面，随着城市化的发展，城市污水排放量迅速增加，到2020年我国生活污水的排放量将达到4.024×1010t[1]，是不可忽视的资源；另一方面，生活污水灌溉利用还可减少因直接排放而引起的河流和地下水的污染，为农作物提供微量元素、有机质及所需的氮、磷和钾[2]26。因而，生活污水的利用历史很久，应用范围很广，特别是缺水严重的干旱、半干旱地区。据估计，世界上50个国家2 000万hm2的农田均使用了污水灌溉[2]26。但生活污水灌溉也引起了争论，主要是由于污水中存在的微生物、有机或无机化学物对直接或间接接触的工人或消费者可能造成的健康损伤，以及长期废水灌溉造成的土壤组成改变，特别是重金属积累引起的环境问题[3]754，此外，长期的污水灌溉导致了土壤紧实度的增加和保持养分能力的降低[4]。相对于农作物食用安全的风险，林木主要收获其木质部为主，因此生活污水应用于城市林业发展具有更大的潜力，特别是林木具有更大的表面积、深达数米的根系，需要更多的水分，其蒸腾作用也就能促进土壤对废水通过过滤作用修复，推动废水中的养分合成生物量，从而产生社会效益、环境效益和经济效益等多种效益[5]152。研究结果显示，由城市废水灌溉以林地生态用水亏缺所造成的经济损失率远高于单位国民经济用水量收益率、单位农业用水收益率和单位工业用水收益[6]。但目前有关城市废水应用方面的研究主要集中于蔬菜[7]、草坪[8]等，应用于林木栽培的不多见[9]。因此，有必要研究生活污水对苗木生长、栽培基质的影响，以评价生活污水在苗木培育中的应用。

毛红椿(Toonaciliatavar.pubescens)是楝科香椿属红椿(Toonaciliata)的一个变种，是我国特有种，由于其干形通直和优良的木材性质，大树屡遭破坏，天然母树急剧减少，被列为国家Ⅱ级重点保护野生植物[10]。有关毛红椿的研究较多[11-12]，[13]59，[14]，为毛红椿的扩大繁殖、栽培利用提供了理论依据，但生活污水是否可应用于毛红椿育苗，对苗木生长和栽培基质的影响如何，尚未见报道。为此，本研究以生活污水、自来水及两者混合水(等体积混合)为3种不同水源，在遮雨棚下进行毛红椿播种苗的灌溉试验，系统分析不同水质对毛红椿生长、栽培基质性质等的影响，评价生活污水应用于毛红椿育苗的可能性。

1 材料与方法

1.1 材 料

毛红椿种子来源于安徽省泾县，种子采收时间为2013年10月26日，带回实验室后，在室内摊开、晾放干燥，待果实开裂获得纯净种子和果壳。经测定，种子的千粒重为6.18 g，优良度为94%[13]60。

1.2 实验方法

实验在黄山学院苗圃内的遮雨棚下完成，于2014年2月底以园土为栽培基质，选取90粒健壮、饱满的毛红椿种子，按照技术要求播放在30个底径8 cm、口径16 cm、高20 cm的塑料花盆中，在每个花盆的中央位置按等边三角形分别播放3粒种子。将30个花盆放在遮雨棚下进行培育，以防止降雨对实验的影响。30个花盆随机分为3组，每组10个，每次分别浇灌同量的水，水质分别为生活污水、混合水、自来水，分别编号为A、H、N处理。种子发芽后，根据幼苗生长情况进行间苗，最终每个花盆保留1株生长健壮的苗，至2014年10月20日结束。

1.3 数据处理与分析

栽培土壤性质的测定：按照《土壤检测 第4部分：土壤容重的测定》(NY/T 1121.4—2006)中环刀法测定园土的容重，根据容重计算孔隙度；取土样在室内风干后碾磨，按照《森林土壤全氮的测定》(LY/T 1228—2015)中的碱解扩散法测定速效氮；按照《森林土壤全磷的测定》(LY/T 1232—2015)中的钼锑抗比色法测定速效磷；紫外分光光度计(1810D)测定速效钾；按照《森林土壤有机质的测定及碳氮化的计算》(LY/T 1237—1999)测定有机质。

每次从污水处理厂取处理前的生活污水后，pH计(PHS-3C)测定pH，电导率(EC)仪(DDSJ-308f)测定EC，按照《水质 化学需氧量的测定 重铬酸盐法》(GB 11914—89)测定COD，按照《水质 五日生化需氧量(BOD5)的测定 稀释与接种法》(HJ 505—2009)测定BOD5，过硫酸钾消解后紫外分光光度计测定总氮，按照《水质 氨氮的测定 纳氏试剂分光光度法》(HJ 535—2009)测定氨氮，紫外分光光度计测定硝态氮及正磷酸盐，保留500 mL样品，在冰柜中冷冻保存，至2014年11月最后一次取水后，按照《水质 65种元素的测定 电感耦合等离子体质谱法》(HJ 700—2014)进行样品处理，并测定Cr、Cu、Zn、As、Pb。

实验结束时测定每一处理的苗高、地茎，测定花盆中土壤的容重、pH和EC。

在每一处理中挖取3株中等大小的苗木，要求根系完整，洗净根系的泥土后，分株将叶、茎枝和根放入烘箱中，在85 ℃烘干72 h，测定叶、茎枝和根的生物量，粉碎后玻璃瓶中保存待用。

取粉碎后叶、茎枝、根样品和土壤样品各5 g左右，按表1进行消煮，消煮酸液为83%(质量分数，下同)硝酸、17%高氯酸(HClO4)等体积混合，消煮后的溶液定容至50 mL，电感耦合等离子体质谱法测定Cr、Cu、Zn、Mn、As、Pb，检出限分别为0.1、0.02、0.2、0.2、0.1、0.02 mg/kg。

表1 样品消煮程序

以SPSS16.0进行单因素方差分析，在Microsoft excel 2003中完成图、表制作。

2 结果与分析

2.1 栽培土壤、水源的性质

栽培土壤的基本性质见表2，不同灌溉水源水质的主要性质见表3。

表2 栽培土壤的基本性质

表3 不同灌溉水质的主要性质

2.2 不同水质灌溉对毛红椿生长的影响

2.2.1 毛红椿苗高

由图1可见，水质不同，苗高存在显著性差异(P=0)。自来水灌溉的毛红椿苗高低于生活污水、混合水，生活污水灌溉后毛红椿的苗高是混合水、自来水的101.3%、213.1%；混合水灌溉后苗高为自来水的210.4%。因此，生活污水显著促进了毛红椿苗高。

图1 不同水质灌溉下毛红椿的苗高Fig.1 Height of Toona ciliata var. pubescens irrigated by different quality water

2.2.2 毛红椿地径

由图2可见，不同水质灌溉后，毛红椿地径生长存在显著性差异(P=0)。生活污水灌溉后毛红椿地径最大，达到(0.59±0.06) cm，分别是混合水、自来水的105.4%、163.9%；混合水灌溉后地径为自来水的155.5%。

2.2.3 毛红椿生物量

生物量的积累反映植物对资源利用的效率。生活污水灌溉后毛红椿总生物量最大(见表4)，是混合水、自来水的133.7%、397.0%。水质不同，生物量间存在显著性差异(P=0)。从不同器官生物量来看，地上部分(茎枝和叶)的生物量均表现出相同规律，即生活污水>混合水>自来水，但根系生物量的表现不同，以混合水灌溉后的生物量最大，自来水最小。方差分析显示，不同水质灌溉后各器官的生物量均存在显著性差异(P均为0)。

图2 不同水质灌溉下毛红椿地径Fig.2 Ground diameter of Toona ciliata var. pubescens irrigated by different quality water

表4 不同水质灌溉下毛红椿的生物量

2.3 不同水质对栽培基质的影响

2.3.1 基质pH

生活污水灌溉后的基质pH较高，自来水则最低(见图3)。但不同水质灌溉后基质pH间没有显著性差异(P=0.09)。

2.3.2 基质容重

自来水灌溉后的基质容重最大，生活污水则最小(见图4)。自来水灌溉后的基质容重是混合水、生活污水的103.1%、105.6%，不同灌溉水质间的基质容重存在显著性差异(P=0)。

2.3.3 基质EC

自来水灌溉后的基质EC最高，生活污水则最低(见图5)。自来水灌溉后的基质EC是混合水、生活污水的102.8%、108.7%。不同水质灌溉后基质EC间没有显著性差异(P=0.20)。

图3 不同水质灌溉后基质pHFig.3 pH of matrix irrigated by different quality water

图4 不同水质灌溉后的基质容重Fig.4 Bulk density of matrix irrigated by different quality water

图5 不同水质灌溉下的基质ECFig.5 Electric conductivity of matrix irrigated by different quality water

2.4 不同水质灌溉对基质、毛红椿重金属含量的影响

由表5可见，不同水质灌溉后基质重金属均低于《土壤环境质量标准》(GB 15618—1995)二级标准。说明研究期内生活污水灌溉没有造成基质的重金属污染问题。但与自来水相比，混合水和生活污水灌溉都使得基质重金属含量提高。生活污水灌溉后基质重金属含量均高于混合水和自来水，其中Cr分别为混合水、自来水的154.7%、165.1%，Cu分别为134.7%、202.5%，Zn分别为173.3%、262.6%，Mn分别为100.5%、105.9%，As分别为133.3%、133.3%，Pb分别为113.5%、439.1%；不同重金属积累程度不同，Pb的增加最明显，其次是Zn，Mn的增加最少，而其他重金属均有不同程度的积累现象。

表5 不同水质灌溉后基质重金属质量浓度

表6 不同水质灌溉后毛红椿不同器官重金属质量浓度1)

注：1)ND表示未检出。

由表6可见，从不同器官中重金属含量来看，Cr以根最高，其次是茎枝，叶最低；Cu、Zn、Mn、As、Pb则以叶最高，根次之，茎枝最低。从不同水质看，叶中各重金属含量均以生活污水灌溉后最高，其次是混合水，最低为自来水，其中生活污水灌溉后叶中Cr分别为混合水、自来水的126.1%、138.5%，Cu分别为110.6%、119.2%，Zn分别为109.7%、123.2%，Mn分别为111.7%、117.1%，As分别为125.0%、125.0%，Pb分别为150.0%、457.9%；生活污水灌溉后茎枝中Cr分别为混合水、自来水的123.4%、135.6%，Cu分别为88.3%、143.0%，Zn分别为165.5%、139.1%，Mn分别为100.0%、287.5%，As分别为100.0%、50.0%，Pb为混合水的290.9%；生活污水灌溉后根中Cr分别为混合水、自来水的195.5%、256.3%，Cu分别为259.3%、391.7%，Zn分别为192.2%、88.5%，Mn分别为538.5%、424.2%，As分别为300.0%、150.0%，Pb为混合水的128.6%。

3 讨 论

生活污水因含有氮、磷等营养元素[2]26，因此可促进植物生长，本研究也证明了这一点，生活污水灌溉后，无论苗高、地径和生物量均显著高于自来水，说明在毛红椿育苗中合理利用生活污水可促进苗木生长，提高苗木质量。此外，生活污水灌溉后，土壤的物理性质得到改善，pH增加，趋向中性，容重则降低，这估计与生活污水中含有较多有机质相关。长期生活污水灌溉研究中发现，利用不同比例的污水灌溉，有机质可增加1.24%～1.78%，有机质和营养元素的含量远高于自来水灌溉[15]481。也有报道，生活污水灌溉可使得土壤中有机质，可利用的氮、磷、钾、硫等营养成分增加1.5～2.0倍[16]。因而，生活污水灌溉不仅可节约水资源，还可利用其中的营养成分，产生多重效益[5]159。

但生活污水灌溉引起的环境问题也不可忽视。本研究发现，生活污水灌溉后引起了基质中重金属含量增加，增加程度随重金属的种类不同而不同，以Pb的增加最明显，其次是Zn，Mn的增加最少，但测定的重金属均低于GB 15618—1995二级标准限值，说明生活污水灌溉还不会造成土壤的重金属污染。其他研究也认为，地表水灌溉会增加土壤重金属含量[15]485。此外，在以再生水为水源进行灌溉的条件下，通过再生水灌溉途径带入的重金属与地下水灌溉相当，低于大气沉降和有机肥施用等输入途径带入的重金属[17]。因此，仅考虑灌溉水质对土壤重金属含量的影响，生活污水可用于灌溉。

通常，以植物-土壤系统的富集系数评价重金属从土壤转移到植物的能力[18]，不同水质灌溉下重金属的富集系数见表7。不同重金属在不同器官中的富集程度不同，Cu、Zn、As、Mn在叶中富集较明显，Cr、Pb没有出现富集现象(富集系数≤1)。这可能与不同器官的生理功能有关，同时也受不同重金属自身的迁移能力等影响[19]。

表7 不同水质灌溉下不同器官中重金属的富集系数

生活污水灌溉除重金属外，其中的微生物、有机或无机化学物也会引起环境问题[3]754，对土壤微生物种类和类群造成不同影响，导致土壤酶活性的改变，从而影响土壤质量[20]，今后应研究生活污水中有机、无机化学物含量对土壤质量的影响，以全面评价生活污水灌溉对环境的影响。

4 结 论

(1) 生活污水与混合水灌溉后均促进了毛红椿苗高、地径的生长，苗高分别为自来水的213.1%、210.4%，地径分别为163.9%、155.5%，生物量的增加也非常明显，特别是地上部分生物量，不同水质间苗高、地径、生物量均达到显著性差异。

(2) 生活污水灌溉改善了栽培基质的pH、容重等性质，但重金属含量出现增加的趋势，但均低于GB 15618—1995二级标准限值，同时毛红椿各器官中重金属含量也升高。不同重金属在不同器官中的富集程度不同，Cu、Zn、As、Mn在叶中富集较明显，Cr、Pb没有出现富集现象。因此，生活污水及混合水可应用于毛红椿苗木培育。

[1] 韩振宇.中国2020年城市生活污水排放量预测及淡水资源财富GDP指标的建立[J].环境科学研究，2005，18(5)：88-90.

[2] RAJA S，CHEEMA H M N，BABAR S，et al.Socio-economic background of wastewater irrigation and bioaccumulation of heavy metals in crops and vegetables[J].Agricultural Water Management，2015，158.

[3] MEKKI A，FKI F，KCHAOU M，et al.Short-term effects of gray wastewater on a mediterranean sandy soil[J].CLEAN - Soil，Air，Water，2015，43(5).

[4] WANG Z，CHANG A C，WU L，et al.Assessing the soil quality of longterm reclaimed wastewater-irrigated cropland[J].Geoderma，2003，114(3/4)：261-278.

[5] MINHAS P S，YADAV R K，LAL K，et al.Effect of long-term irrigation with wastewater on growth，biomass production and water use by Eucalyptus (EucalyptustereticornisSm.) planted at variable stocking density[J].Agricultural Water Management，2015，152.

[6] 胡廷兰，杨志峰.林地生态用水亏缺的经济损失估算研究[J].环境科学学报，2006，26(2)：345-351.

[7] 陈永杏，尚斌，陶秀萍，等.经处理小城镇污水灌溉保护地番茄的试验研究[J].中国农业科技导报，2012，14(5)：108-114.

[8] 李晓娜，武菊英，徐彪，等.再生水灌溉草坪对土壤质量影响的试验研究[J].水土保持学报，2011，25(3)：245-249.

[9] FARAHAT E，LINDERHOLM H W.The effect of long-term wastewater irrigation on accumulation and transfer of heavy metals inCupressussempervirensleaves and adjacent soils[J].Science of the Total Environment，2015，512/513：1-7.

[10] 周诚，廖海红，王丽艳，等.毛红椿播种苗苗期生长规律分析[J].林业科技开发，2013，27(1)：18-21.

[11] 邹高顺．珍贵速生树种红椿与毛红椿引种栽培研究[J].福建林学院学报，1989，19(3)：263-271.

[12] 张汝忠，彭佳龙，王坚娅.毛红椿播种育苗技术及苗期生长规律研究[J].浙江林业科技，2007，27(4)：51-53.

[13] 王金厚，乔春华，王立超，等.不同处理对毛红椿种子发芽的影响[J].黄山学院学报，2015，17(3).

[14] 赵坤.毛红椿光合及水分生理生态特性[J].中南林业科技大学学报，2011，31(5)：62-66.

[15] YADAV R K，GOYAL B，SHARMA R K，et al.Post-irrigation impact of domestic sewage effluent on composition of soils，crops and ground water - a case study[J].Environment International，2002，28(6).

[16] VARKEY B K，DASOG G S，WANI S，et al.Impact of long-term application of domestic sewage water on soil properties around Hubli City in Karnataka，India[J].Agriculture Research，2015，4(3)：1-5.

[17] 杨军，陈同斌，雷梅，等.北京市再生水灌溉对土壤、农作物的重金属污染风险[J].自然资源学报，2011，26(2)：209-217.

[18] VAZQUEZ MONTIEL O，HORAN N J，MARA D D.Management of domestic wastewater for reuse in irrigation[J].Water Science and Technology，1996，33(10/11)：355-362.

[19] ALBUSAIDI A，SHAHROONA B，ALYAHYAI R，et al.Heavy metal concentrations in soils and date palms irrigated by groundwater and treated wastewater[J].Pakistan Journal Agriculture Science，2015，52(1)：129-134.

[20] 焦志华，黄占斌，李勇，等.再生水灌溉对土壤性能和土壤微生物的影响研究[J].农业环境科学学报，2010，29(2)：319-323.

InfluenceofirrigationbydifferentqualitywateronpropertiesofculturematrixandgrowthofToonaciliatavar.pubescens

SONGYueqin，SUNHu，HULingfeng，ZHANGCheng.

(CollegeofLifeandEnvironmentalScience，HuangshanUniversity，HuangshanAnhui245041)

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.07.014

2016-03-27)

宋曰钦，男，1967年生，博士，教授，研究方向为人工林栽培技术与理论。

*国家林业局“948计划”项目(No.2014-4-64)。