磁化再生水对玉米幼苗生长及土壤盐分的影响

刘春成，荣 昊，李中阳，胡 超，曾 智，吴海卿，王 娟，崔丙健，樊向阳，刘 源，崔二苹，高 峰

(1.中国农业科学院 农田灌溉研究所/农业部节水灌溉工程重点实验室，河南 新乡 453002；2.中国农业科学院 研究生院，北京 100081；3.中国农业科学院 河南新乡农业水土环境野外科学观测试验站/农业水资源高效安全利用重点开放实验室，河南 新乡 453000；4.中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222；5.江西省水利规划设计院，江西 南昌 330000；6.扬州大学 水利与能源动力工程学院，江苏 扬州 225009)

我国淡水等常规水资源短缺，但再生水等非常规水资源丰富，合理开发利用再生水等非常规水资源具有重要意义。再生水中的养分有部分替代肥料的作用，可以降低肥料成本进而减少环境污染[1]，短期灌溉有利于植物的生长且不会造成土壤重金属污染[2]，但长期灌溉对植物生长的促进作用不明显，甚至会抑制部分植物的生长且重金属会严重损坏土壤质量[3]。再生水灌溉后，小麦根中重金属积累最多，茎叶次之，穗中最少[4]。此外，再生水中可能的新兴污染物在土壤[5-6]、根系[7]累积，进而转移到叶片和果实[8-9]，同时也有污染地下水的风险[10-11]。因此，再生水的安全利用成为缓解水资源短缺和农业可持续发展的热点问题。

生物磁学是一门涉及多学科的边缘学科，与医学、工业、农牧渔业、环境保护等学科密切相关。近年来，随着生物磁学的不断发展，磁化水在农业中的应用成为研究的热点之一。作为一种新的水处理技术，磁化水在农业生产领域中的应用潜力巨大[12-13]。磁化水包括静态磁化水和动态磁化水，前者是将水静置于磁场中一定时间，后者是水分以一定的流速经过磁场。磁化水的理化性质诸如pH值[14]、溶解氧(Dissolved oxygen，DO)[15]、表面张力[14,16]、电导率(Electrical conductance，EC)[15]、化学位移、缔合度[17-18]等较未磁化前具有一些有益的变化。水经过磁场作用后，有利于某混合菌种的生长，进而通过生物吸附法去除重金属废水中的铜[19]，磁化水灌溉能有效降低土壤含盐量[20]，为再生水中的重金属和盐分等潜在危害因子的处理指明了方向。研究表明，磁化水浸种可以促进水稻、大豆、玉米种子萌发和早期生长[21]；磁化水灌溉有利于促进番茄生长发育和抗氧化系统酶活性[22]；磁化水灌溉能够提高0～20 cm土层土壤含水率，降低深层土壤含水率，具有良好的洗盐效果[20]；王渌等[23]研究也表明，磁化水灌溉后盐渍化土壤盐分显著降低，具有明显的脱盐效果。目前，关于磁化水的研究多集中于普通磁化水的理化性质[14-18]及其对作物种子萌发[21]、生长发育[22]和盐渍化土壤治理[20]等方面。然而，磁化再生水方面的研究尚未有报道。为此，研究磁化水对玉米种子萌发及磁化再生水对玉米幼苗生长发育和土壤盐分的影响，为磁化再生水灌溉技术在再生水安全利用方面提供一定理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况及试验材料

试验于2019年8月在河南省中国农业科学院新乡农业水土环境野外科学观测试验站温室大棚进行。该站地处北纬35°19′、东经113°53′，海拔73.2 m，年均气温为14.1 ℃，多年平均年降水量和蒸发量分别为588 mm和2 000 mm，无霜期为210 d，多年平均年日照时间为2 398 h。

供试土壤取自河南省中国农业科学院新乡农业水土环境野外科学观测试验站耕层0～20 cm，土壤质地为砂壤土，土壤容重为1.40 g/cm3，田间持水率(质量)为23.02%，土壤浸提液EC为595.7 μS/cm，有机质(Organic matter,OM)含量为26.6 g/kg。供试土壤经风干、碾碎、过2 mm筛后备用。

玉米品种为裕丰303，由北京联创种业股份有限公司生产。

1.2 试验设计

对于玉米种子萌发试验，设5种磁化强度，分别为0、1 000、3 000、5 000、8 000 Gs，分别记为0、1、2、3、4，共计5个处理，3次重复。灌溉水为清水(Q)，取自当地地下水。每个处理精选50粒玉米种子，在基质培养盆中培养，每隔1 d浇1次水以保证基质湿润，各处理浇水量相同，每处理3个重复。

对于玉米幼苗生长试验，设2种水源和5种磁化强度，共计10个处理。灌溉水源包括再生水(Z)和清水(Q)，再生水取自河南省新乡市骆驼湾生活污水处理厂，该污水处理厂采用的工艺为A/O处理，污水处理后水质符合《农田灌溉水质标准》(GB 5084—2005)，清水取自当地地下水，再生水和清水水质指标如表1所示。磁化强度包括5个水平，分别为0、1 000、3 000、5 000、8 000 Gs，分别记为0、1、2、3、4。供试土壤按容重1.40 g/cm3装入盆中(上口径21 cm、下口径14 cm、高16 cm)，每盆装土3.75 kg。于7月30日将玉米种子播种于盆中进行苗期试验，每个处理3个重复。前期每隔2 d灌1次水，后期随着玉米幼苗耗水增加，缩短灌水间隔，每1～2 d灌1次水，各处理每次灌水量均相同。于8月23日取土样和植株样品进行分析。

表1 2种水源水质指标

1.3 测定项目及方法

1.3.1 种子萌发指标 种子发芽期间，每天记录1次发芽情况，处理3 d时统计发芽势(Germination energy,GE3)，7 d时统计发芽率(Germination rate,GR7)，并计算发芽指数(Germination index,GI)和活力指数(Vigor index，VI)，计算公式为：

GE3=G3/N

(1)

GR7=G7/N

(2)

GI=∑Gt/Dt

(3)

VI=GI×m

(4)

式中：G3、Gt、G7分别为前3、t、7 d的发芽种子数量；N为供试种子数量；m为处理7 d时的幼苗单株质量;Dt为发芽天数。

1.3.2 幼苗生长指标 玉米幼苗生长期间，从2019年8月8日开始，每隔2 d采用直尺测量幼苗株高(地面到所有叶片自然伸展时的最高处)。8月21日，采用叶绿素测定仪(TYS-B)测定叶片SPAD值和叶温。8月23日，利用无菌刀片分别采集玉米地上部、地下部及叶片，称量鲜质量，然后迅速于105 ℃杀青10 min，于75 ℃烘干至恒质量，称其干质量，测定地上部、地下部生物量和叶片含水率；并利用超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase，SOD)活性检测试剂盒(索莱宝，北京)检测叶片SOD活性。

2018高考全国卷I理综第8题B选项“酶是一类具有高选择性催化性能的蛋白质”，在化学老师看来命题没大问题，化学学科中对于酶没有细分，强调酶的高催化性，而生物学科教师关注的是例外，因为“绝大多数的酶是蛋白质，极少数是RNA”。生物学与化学同属科学课程，为何在同一个概念的认知会出现偏离。由此引发了思考：为什么生物学概念、规律经常有例外？下面以“蛋白质单元教学”为例，阐明通过合理的教学情境的设置，让学生用发展和辨证的眼光看待已有的生物学结论，促进学科核心素养中“生命观念”在课堂教学中落到实处。

1.3.3 土壤理化性质 8月23日，采集土壤样品，土壤样品风干、磨碎、过筛(2 mm)后，按照土水比(m∶V)1∶5配置土壤浸提液，中速(约100 r/min)振荡30 min后静置24 h，采用电导率仪测定土壤浸提液EC；采用低温外热重铬酸钾氧化-比色法测定土壤OM含量；采用滴水穿透时间法测定土壤斥水性，以土壤滴水穿透时间(Water drop penetration time，WDPT)表示。

1.4 数据分析

采用Excel 2010和SPSS 25.0进行数据统计分析，采用LSD法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 磁化清水对玉米种子萌发的影响

从表2可以看出，一定磁场强度(0～5 000 Gs)下，玉米种子的GE3、GR7、GI随着磁场强度的增强而提高，但当磁场强度超过该范围达到8 000 Gs时，GE3、GR7、GI均有所降低，但处理间差异均不显著[除了GI在Q2、Q4处理间差异显著(P<0.05)外]。磁化水处理后，随着磁场强度(0～5 000 Gs)的增加，玉米种子VI逐渐降低，且在磁场强度5 000 Gs时与未磁化处理间差异达到显著水平；但是，当磁场强度达到8 000 Gs时，与未磁化处理相同。综合考虑，本试验条件下，磁化水对基质培养种子萌发没有显著影响。

表2 磁化清水对玉米种子萌发的影响

2.2 磁化再生水和磁化清水对玉米幼苗生长的影响

2.2.1 株高 从表3可以看出，不论是清水还是再生水，同一取样时期，磁化处理玉米幼苗株高与未磁化处理间没有显著差异，且不同磁化强度处理间也没有显著差异。相同磁场强度条件下，总体上再生水灌溉后玉米幼苗株高较清水灌溉有所增加，且在磁场强度8 000 Gs时差异达到显著水平(8月11日除外)，在8月8日、14日达到了极显著水平；磁场强度3 000 Gs时，玉米幼苗株高在8月11日及8月17日后差异达到显著水平，其他磁场强度差异不显著。

表3 磁化再生水和磁化清水条件下玉米幼苗的株高

此外，随着时间的延长，玉米幼苗株高逐渐增高，且不论是否经过磁化作用，再生水灌溉玉米幼苗株高整体上较清水灌溉高。对于清水，玉米幼苗期内，磁场强度5 000 Gs处理后玉米幼苗株高整体高于其他处理；对于再生水，前期磁化处理会在一定程度上抑制玉米幼苗株高的增加，但是后期磁化处理株高增幅有所提高，尤其是磁场强度3 000 Gs和8 000 Gs，说明磁化再生水可能对玉米幼苗具有“后期补偿生长效应”。

2.2.2 叶片含水率、叶温、SPAD值 从表4可以看出，对于清水，磁化后灌溉能够提高玉米幼苗叶片含水率，但是差异不显著，且随着磁场强度的增强，总体呈上升趋势。对于再生水，磁化后灌溉也能够提高玉米幼苗叶片含水率，但差异不显著；同时随着磁场强度的增强，叶片含水率变化没有明显的趋势。磁场强度一定时，再生水灌溉处理玉米幼苗叶片含水率低于清水灌溉处理，但差异不显著。可见，磁化作用能够提高玉米幼苗叶片含水率。

表4 磁化再生水和磁化清水条件下玉米幼苗叶片含水率、叶温和SPAD值

对于玉米幼苗叶温来说，清水磁化后灌溉降低了叶温且差异极显著，但不同磁场强度处理间叶温差异不显著，且没有明显规律；再生水磁化后灌溉叶温与未磁化处理间差异不显著，且不同磁场强度处理间亦无明显规律；磁场强度一定时，再生水灌溉处理和清水灌溉处理间叶温没有显著差异，但未磁化处理时再生水灌溉可极显著降低叶温。可见，清水磁化后可以降低玉米幼苗叶温，但是再生水磁化后对叶温无影响。

对于玉米幼苗叶片SPAD值来说，除磁场强度3 000 Gs处理外，清水磁化后灌溉总体上可以提高叶片SPAD值，但差异不显著，不同磁场强度间无明显规律；再生水磁化处理与清水磁化处理的变化规律类似；磁场强度一定时，再生水灌溉处理和清水灌溉处理间SPAD值没有显著差异(磁场强度1 000 Gs处理外)。可见，清水磁化后对SPAD值具有微弱的提升作用，但是再生水磁化后无明显趋势。

2.2.3 生物量 从表5可以看出，对于清水，磁化后灌溉处理玉米幼苗地上部鲜质量、干质量均增加，但差异不显著；地下部鲜质量、干质量总体均下降，但差异不显著。对于再生水，磁化后灌溉处理能够提高玉米幼苗地上部鲜质量、地下部的鲜质量和干质量，但差异不显著(磁场强度5 000 Gs处理地下部干质量除外)，降低了地上部干质量，但差异不显著(磁场强度8 000 Gs处理除外)。磁场强度一定时，总体上再生水灌溉处理较清水灌溉处理能够提高地上部生物量(鲜质量、干质量)，降低了地下部生物量(鲜质量、干质量)，但趋势不明显(未磁化处理地上部和地下部的干质量除外)。综上，磁化再生水灌溉对玉米幼苗地上部鲜质量及地下部鲜、干质量均有提升作用，磁化清水对玉米幼苗地上部生物量有提升作用。

表5 磁化再生水和磁化清水条件下玉米幼苗生物量

2.2.4 SOD活性 从图1可以看出，对于清水，磁化灌溉能够提高玉米幼苗叶片SOD活性，但差异不显著；随着磁场强度的增强，玉米幼苗叶片SOD活性先升高后降低，以磁场强度3 000 Gs时最高。对于再生水，除了磁场强度5 000 Gs处理玉米幼苗叶片SOD活性显著高于未磁化处理外，其他磁场强度处理也能够提高玉米幼苗叶片SOD活性，但差异不显著；随着磁场强度的增强，玉米幼苗叶片SOD活性先升高后降低，以磁场强度5 000 Gs时最高。磁场强度为0、5 000、8 000 Gs时，磁化再生水处理叶片SOD活性高于磁化清水处理，其中磁强强度5 000 Gs差异显著；而磁场强度1 000、3 000 Gs时，磁化清水处理叶片SOD活性高于磁化再生水，但差异不显著。可见，一定磁化强度处理均能够提高清水和再生水灌溉的玉米幼苗叶片SOD活性，且再生水较清水需要更强的磁场强度。

不同小写字母表示在0.05水平下处理间差异显著

2.3 磁化再生水和磁化清水对土壤理化性质的影响

2.3.1 EC和OM含量 从表6可以看出，对于土壤浸提液EC来说，磁化清水处理玉米苗期土壤浸提液EC有所增加，但差异不显著，且不同磁化强度处理间也没有显著差异。磁化再生水处理玉米苗期土壤浸提液EC亦有所增加；随着磁场强度的增强，EC先增大后降低，磁场强度3 000 Gs处理最高，显著高于除磁场强度5 000 Gs外的其他处理，其他处理间差异均不显著。相同磁场强度条件下，再生水和清水灌溉后，总体上再生水灌溉处理土壤浸提液EC较清水灌溉处理有所降低，且在磁场强度8 000 Gs时差异达到显著水平，其他磁场强度处理差异不显著。可见，苗期低磁化强度再生水灌溉对土壤盐分没有显著影响，但是中强度磁化再生水和磁化清水均有提高土壤盐分的趋势。

表6 磁化再生水和磁化清水条件下土壤EC、OM和WDPT

对于土壤OM含量来说，磁化清水处理玉米苗期土壤OM含量有所降低，但差异不显著，且不同磁化强度处理间也没有显著差异。磁化再生水处理玉米苗期土壤OM含量总体上有所增加，但随着磁场强度的增强OM含量变化趋势不明显，处理间差异不显著。相同磁场强度条件下，再生水和清水处理间土壤OM含量差异不显著，未磁化处理时，再生水处理低于清水处理；但是磁化后，再生水处理高于清水处理(磁场强度3 000 Gs处理除外)。可见，再生水灌溉稍微降低玉米苗期土壤OM，但是磁化再生水有提高土壤OM含量的趋势。

2.3.2 WDPT 土壤斥水性是指水分不能或很难湿润土壤颗粒表面的物理现象[24]。土壤斥水性会导致土壤水分分布不均，引起土壤表层干燥易形成水土流失，加强降雨或灌水后地表径流和土壤侵蚀，进而不利于作物的生长发育[25]。土壤斥水性的强弱程度一般用WDPT表征，当WDPT>5 s时，认为土壤存在斥水性。从表6可以看出，不论是清水还是再生水，磁化后苗期灌溉没有产生土壤斥水性，WDPT均远小于5 s。但是，磁化清水和磁化再生水灌溉均有降低土壤WDPT的趋势，降低幅度以磁化清水更大。

3 结论与讨论

本研究发现，与未磁化清水相比，磁化1 000～5 000 Gs清水处理玉米种子的GE3、GR7、GI提高，VI降低，但当磁场强度达到8 000 Gs时，GE3、GR7、GI均有所降低，VI有所升高，但处理间差异总体上均不显著。综合考虑GE3、GR7、GI、VI指标，本试验条件下磁化清水对基质培养种子萌发没有显著影响，这与前人研究结果[20]不同，一方面可能是本试验中采用的是磁化清水灌溉而不是磁化清水浸泡，另一方面可能与本试验采用基质培养有关，基质养分充足，养分的作用可能掩盖了磁化清水的作用。本研究还发现，与未磁化处理相比，磁化清水有利于玉米幼苗后期的生长，其中磁场强度5 000 Gs磁化后表现最突出，高于其他处理，这与王洪波等[26]研究结果类似；磁化再生水处理玉米幼苗株高在前期受到一定的抑制作用，但在后期有促进作用，具有一定的“后期补偿生长效应”，且不论是否经过磁化作用，再生水处理玉米幼苗株高整体上较清水处理高。

本研究发现，磁化清水和磁化再生水灌溉均能提高玉米幼苗叶片含水率，但不同磁场强度磁化再生水处理间没有显著差异，说明叶片细胞的水分状况受磁化作用的影响较小。此外，磁化清水灌溉可以微弱提升叶片SPAD值，但是磁化再生水灌溉对SPAD值无明显规律，说明叶绿素含量受磁化作用的影响也较小。这与邱念伟等[27]的研究结果类似。SPAD值的变化，也说明了磁化清水和磁化再生水灌溉对叶片光合作用的影响较小，进而决定了对植株生物量的影响也较小，本试验结果也证实了玉米幼苗生物量基本不受磁化作用的影响。这与郑世英等[28]研究结果不一致，可能和作物类型或磁场处理时间有关。磁化清水处理可以提高玉米幼苗SOD活性，这与张佳等[22]研究结果类似，而磁化再生水灌溉同样可以提高玉米幼苗叶片SOD活性，且较清水需要更强的磁场。这可能是由于再生水水质成分较为复杂导致的。

本研究发现，磁化清水灌溉和磁化再生水灌溉后土壤含盐量略有升高但差异不显著，这与王渌等[23]研究结果不一致，原因在于本试验所取土样是混合土样，而不是分层取样。磁化清水灌溉和磁化再生水灌溉均可以降低土壤WDPT，且磁化清水灌溉的降幅更大，这是因为再生水灌溉可能会引起土壤斥水性[29]，故而WDPT的降幅小于磁化清水灌溉。综上，本试验条件下，玉米苗期再生水灌溉对土壤盐分没有显著影响，但是中强度磁化再生水和磁化清水灌溉均有提高土壤盐分的趋势，且磁化再生水灌溉可以缓解再生水灌溉引发的土壤斥水性。