再生水灌溉农作物研究进展

李瑞楠，田军仓，2，3*

（1.宁夏大学 土木与水利工程学院，宁夏 银川 750021；2.宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心，宁夏 银川 750021；3.旱区现代农业水资源高效利用教育部工程研究中心，宁夏 银川 750021）

农业灌溉是我国农业发展的支柱和粮食安全的保障，近年来我国水资源整体利用效率较低[1]，研究发展再生水灌溉，符合现阶段农业节水、高效用水、循环农业及可持续发展的要求。再生水是指污水经适当处理后，达到一定的水质标准，满足某种使用要求，可以进行有益使用的水[2]。本文中对于中水、处理过的污废水等均认为是再生水。污水的再生实现了水资源的循环利用[3]。农业灌溉在我国每年水资源使用中占有相当的比重，将再生水用于农田灌溉，一方面提高了水资源的利用率，另一方面再生水中较高含量的营养元素会对农作物的生长状况、产量以及土壤、地下水等产生影响。研究人员经过长期的试验与探索，对于再生水灌溉农作物等相关研究均取得了一些突破并拓展了一些新的方向。当前以再生水灌溉为核心的研究主要集中于再生水灌溉对作物、土壤、地下水的影响以及再生水水质指标与标准等。本文对近年来再生水灌溉农作物的研究进行了综述，首先分析了使用再生水灌溉对农作物的光合、产量和品质产生的影响；其次分析了在长期使用再生水灌溉后，对土壤、地下水等外界环境的影响；再次从再生水灌溉农作物的技术标准现状出发，总结了再生水水质所要控制的指标与各个指标的标准限值；最后对存在问题进行了讨论分析，并对未来的研究趋势进行了展望，为再生水灌溉农作物的研究提供参考和思路。

1 再生水灌溉对农作物的影响

M.S.Kang 等[4-5]研究了不同污水处理水平对水稻生长、产量及品质的影响，试验中灌溉用水采用5个处理（分别为地下水、污染河水、污水处理厂的出水、污水处理厂出水经砂滤处理、污水处理厂出水经砂滤后再进行紫外线处理）灌溉，结果表明，污水回灌栽培水稻对作物生长、产量及品质未发现有不良影响，稻米的化学成分以及重金属含量均在正常范围内。李中阳等[6]研究了在不同施肥条件下再生水灌溉对茄子生长及品质的影响，试验结果表明，在3种不同的施肥条件（分别为磷酸二铵、钙镁磷肥、过磷酸钙）下，再生水灌溉茄子的产量和果长都有一定程度的提高，其中，施肥条件为钙镁磷肥时的效果最为显著，施肥条件为过磷酸钙的效果最不显著。I.Petousi 等[7]研究了处理过的废水回灌对橄榄生长情况的影响。试验结果表明，采用3 个灌水处理（分别为二级处理废水、三级处理废水和自来水）灌溉的橄榄果实的矿物质微量元素、重金属元素等无显著差异，也未检测到有微生物污染，作物的树干直径、株高和光合活性等生长情况基本无差别。徐桂红[8]研究了再生水滴灌对辣椒、番茄产量的影响。试验结果表明：当灌溉定额为4 540 m3/hm2时，辣椒的产量及生长指标达到最优；当灌溉定额为3 235 m3/hm2时，番茄的产量及生长指标达到最优；再生水滴灌同时降低了辣椒和番茄的维生素含量，增加了可溶性糖的含量，对两种作物的光合有促进作用。王璐璐等[9]研究了再生水滴灌对黄瓜叶绿素、光合、产量及品质的影响，试验结果表明，在有再生水和自来水灌溉的多个处理下，采用pH 为7.51、总磷（P）为16.4 mg/L、总氮（N）为0.41 mg/L、总钾（K）为19.3 mg/L、溶解性固体（TDS）为393 mg/L 和悬浮物（SS）为8.1 mg/L的再生水灌溉，当灌溉定额为3 780 m3/hm2时，黄瓜的4 个光合指标（净光合速率、蒸腾速率、气孔导度和胞间CO2摩尔分数）、叶绿素（SPAD）值以及产量最高。戚至辉等[10]研究了再生水滴灌水量对枸杞产量与品质的影响。试验结果表明：采用再生水与自来水1∶1混灌，灌溉定额为3 564 m3/hm2时，最适宜枸杞产量与株高的增加，灌溉定额为4 466 m3/hm2时，枸杞的叶绿素（SPAD）值最大。据报道，美国加州的纳帕和索诺玛谷的葡萄园已经大规模采用再生水进行灌溉[11]，说明再生水灌溉确实会对葡萄的产量与品质有一定程度的提高。综上所述，采用适量的再生水进行灌溉，会对作物光合起到促进作用，使得作物增产提质，同时也要保证再生水水质指标符合地方与行业标准要求。现阶段，再生水灌溉农作物的研究主要集中在对作物生理、光合、产量以及品质等指标的影响，但是对再生水灌溉后作物各组织器官重金属富集迁移及相关人类健康潜在风险评估的研究较少。因此，未来的研究以保证作物食用安全为基础，以作物增产提质为目标，以植物的生理系统、组织、器官及细胞等的结构变化为核心，深入探究再生水灌溉对作物的影响机理，这对农业水资源高效利用具有重要意义。

2 再生水灌溉对农田土壤的影响

F.M.Kiziloglu 等[12]研究了处理与未处理的污水灌溉对石灰性土壤性质的影响，试验结果表明，再生水灌溉会一定程度上提高土壤的肥力。M.S.Kang等[4-5]研究了不同污水处理水平对水稻土壤的影响，试验中灌溉用水采用5 个处理（各处理情况见前文所述）灌溉，结果表明，种植稻田土壤的重金属含量均在正常范围内，也没有表现出其他的不良影响，处理后的污水可以用于农田灌溉中，但是建议对土壤化学特性及其相关潜在影响进行长期监测。I.Petousi等[7]研究了处理过的废水回灌对种植橄榄土壤的影响。试验结果表明：相比较自来水灌溉，采用经过处理的污水灌溉后，土壤中的盐分（Na）、营养元素（P，K）有一定的积累现象，但未超过相关标准，说明再生水可以用于橄榄的安全灌溉。在作物生育周期内，采用再生水灌溉农田，植物体、水体、土壤以及大气中的元素、物质在不断地循环往复，长期使用再生水进行灌溉会使得土壤中重金属离子富集。再生水灌溉农作物对土壤环境的影响存在两面性：一方面使得土壤肥力有一定程度的提高；另一方面会使得土壤有一定程度的富营养化。以往关于再生水灌溉对土壤的影响研究聚焦于肥力、富营养化等方面，但是对土壤结构以及土壤中重金属、致病菌、酶活性、微生物群落变化的研究较少。今后要在确保作物食用安全的前提下，加强再生水灌溉导致土壤酶活性变化、致病菌变异以及微生物基因改变机理的研究，以期对土壤安全风险采取科学的管理控制。

3 再生水灌溉对地下水的影响

再生水灌溉农田，水中的物质会在“土壤-地下水-作物”之间迁移形成一个循环，长期在一片土地上进行再生水灌溉也会对此地的地下水产生影响。T.Jang 等[13]研究了再生水灌溉对地下水水质的影响。试验结果表明，采用符合当地农业水质要求、经过紫外线处理的过滤生活废水灌溉，地下水水质未有明显的不良影响，生活再生水灌溉对稻田农业生态系统没有显著的环境风险，但需要进行长期监测，以充分描述其影响。A.Christou 等[14]分析了再生水灌溉对农业环境的潜在影响，根据以往的相关试验结果，长期采用再生水灌溉，抗生素、抗性基因等的污染物质可能会在土壤、地下水和食物链中被吸附、转化以及传播，破坏了地下水和土壤的微生物群。而在长期灌溉过程中，再生水中含有的有机物、盐离子以及重金属元素等物质在“土壤-地下水-作物”系统中积累、迁移与循环的影响鲜有报道。未来要加强以再生水灌溉农作物对地下水环境不利影响最小化为目标，以优化再生水灌溉制度、施肥制度为重点的“土壤-地下水-作物”系统的研究。

4 再生水灌溉农作物技术标准现状

按照农作物的不同品种种类和所适应的种植环境，我国将灌溉作物分为纤维作物、油料作物、旱地谷物、水田谷物和露地蔬菜。由于不同作物的耐受性、抗寒性和抗旱性等性质的不同，利用再生水灌溉时，对于不同类型的农作物再生水灌溉技术标准是有区别的。再生水灌溉农作物技术标准主要包括两部分：再生水水质指标和水质标准。

4.1 再生水灌溉农作物的水质指标

再生水水质监测指标的规定，可以帮助研究人员微观地分析再生水中的各种成分，从而对再生水水质开展深层次的分析。按照我国现行的再生水水质标准，再生水水质监测项目包括：色度、浊度、pH、总硬度、溶解氧、悬浮物、五日生化需氧量、化学需氧量、溶解性总固体、阴离子表面活性剂、氨氮、亚硝酸盐氮、总磷、汞、镉、铬、砷、铅、铁、锰、氰化物、氟化物、石油类和粪大肠杆菌等[15-25]。根据水质监测项目性质，本文将水质监测项目归纳为几类再生水水质指标，具体如表1 所示。

表1 再生水水质监测指标

4.2 再生水灌溉农作物的水质标准

不同种类作物的生长环境、生理特性不同，因此各类作物的再生水灌溉水质标准也有所差异，结合对再生水灌溉研究比较全面的国家出台的相关再生水水质标准和研究成果[15-25]，本文对国内外再生水灌溉的水质标准进行了总结（表2～表3）。

再生水灌溉农作物的水质标准是水资源安全使用及高效循环利用的制度保证，一方面可以为制定废水处理标准提供依据，另一方面可以控制管理农作物、土壤等的安全风险。国内再生水水质标准是以再生水用途的不同，遵循“分质使用”的原则，制定了相对应的水质标准，从而实现再生水在生活、生产和生态中的应用。由表2 可知，国内的再生水灌溉农作物水质标准在作物种类上作出了分类，按照不同类型的作物制定了相应标准，并且监测指标较为全面，其中对于溶解性固体（TDS）的标准规定还进行了是否为盐碱地条件的区分。由表3 可知，国外的再生水灌溉农作物水质标准中，以色列分别制定了不同类型作物的再生水水质标准，美国、日本、加拿大的再生水水质标准均不区分作物种类，国外的水质标准中的监测项目较少，但是每种监测项目所规定的限值更为细致严谨。

表2 国内再生水水质标准

表3 国外再生水水质标准

5 再生水灌溉农作物存在的问题

（1）长期使用再生水灌溉对土壤、地下水环境造成富营养化[7，14]。

（2）采用再生水灌溉对作物、土壤、地下水等安全的潜在影响需要长期监测[4-5，7，13-14]。

（3）再生水灌溉农作物水质标准针对性不强。对于再生水灌溉技术标准，需要根据不同地区的地理环境和不同种类作物的耐受性、抗旱性等生理特性，结合相关的研究成果，制定出更加严谨细致的再生水灌溉农作物水质标准。

6 研究趋势与展望

推动再生水灌溉发展，促进水资源高效利用，必须要保证安全的“水支撑”，从而实现节水与农业高质量发展相统一。目前再生水灌溉农作物已有较多的研究，使用再生水灌溉会使得农作物在一定程度上增产提质，但是由于再生水灌溉的研究起步较晚，长期使用再生水灌溉对农作物、土壤环境以及地下水环境的安全性研究的佐证不够，对重金属、盐离子累积效应缺乏长期的数据信息，对此，在现阶段需借助计算机对长期再生水灌溉下重金属、盐离子等的累积效应进行数值模拟，得出较为可靠、合理的规律，从而对再生水灌溉进行科学管理，有效控制再生水灌溉的安全风险。我国对再生水灌溉方面的研究年限比较短，对于再生水灌溉缺乏系统性研究，对此，我们要以田间试验为基础，结合对再生水灌溉后土壤及地下水环境的长期监测和数值模拟，形成再生水长期灌溉的系统研究结果，分析解决再生水灌溉问题，揭示再生水灌溉的科学规律。未来有以下几个方面需要进一步研究。

（1）农作物食用安全方面。在确保农作物食用安全的前提下，农作物的增产提质是再生水灌溉研究最本质的内容。因此，我们要深入研究分析再生水灌溉下农作物的生理系统、组织、器官以及细胞等结构的变化过程，探究再生水灌溉使作物产量增加、品质提升的机理。

（2）土壤环境和地下水环境方面。以农作物食用安全为基础，以对土壤、地下水环境不利影响最小化为目标，制定最优化的再生水灌溉和施肥制度是未来研究的重点与热点。因此，要建立再生水灌溉对作物-环境系统化的监测体系，深层次探索再生水灌溉对土壤、地下水环境造成的影响，探究再生水灌溉导致土壤与地下水环境的富营养化、酶活性变化、致病菌变异以及微生物基因改变的机理，从而满足再生水灌溉的安全风险管控要求。

（3）再生水灌溉技术标准方面。总结作物、土壤、地下水中的有机物、重金属等物质累积影响的研究成果，考虑不同地区地理环境、不同作物生理特性，细化和完善再生水灌溉技术标准是未来相关研究的难点。因此，在再生水灌溉过程中，要根据不同地理环境、不同作物特性，明确需要把控的项目指标，对再生水灌溉全程全方位进行系统性控制管理与监测探究，揭示再生水灌溉中各物质的迁移转化规律，进而对再生水灌溉提供安全支撑。

（4）再生水灌溉应用与研究方法方面。以现阶段再生水灌溉的重难点为依据，以再生水灌溉科学发展、推行普及为目标，强化再生水灌溉技术在实际生产过程中的应用。在开展实际生产过程中，有2 个方向需要进一步研究：一是开展再生水灌溉应用中设施装置与联合系统的研究；二是开展用于分析再生水灌溉相关影响的方法与软件的研究。