不同水質灌溉對毛紅椿生長及基質性質的影響*

宋曰欽 孫 虎 胡凌峰 張 程

(黃山學院生命與環境科學學院，安徽 黃山 245041)

不同水質灌溉對毛紅椿生長及基質性質的影響*

宋曰欽 孫 虎 胡凌峰 張 程

(黃山學院生命與環境科學學院，安徽 黃山 245041)

在全球水資源日益缺乏的情景下，伴隨城市化過程出現的生活污水量顯著增加，如何有效利用這一資源成為社會、經濟可持續發展的關鍵。以珍貴樹種毛紅椿為材料，在遮雨棚下系統研究了生活污水、生活污水與自來水的混合水(以下簡稱“混合水”)以及自來水為灌溉水質，對毛紅椿播種苗生長、育苗基質的性質及其中主要重金屬含量的影響，以探討生活污水應用于育苗生產的可能性。結果表明：(1)生活污水與混合水灌溉后均促進了毛紅椿苗高、地徑的生長，苗高分別為自來水的213.1%、210.4%，地徑分別為163.9%、155.5%，生物量的增加也非常明顯，特別是地上部分生物量，不同水質間苗高、地徑、生物量均達到顯著性差異。(2)生活污水灌溉改善了栽培基質的pH、容重等性質，但重金屬含量也出現增加的趨勢，不過均低于《土壤環境質量標準》(GB15618—1995)中二級標準限值，同時毛紅椿各器官中重金屬含量也升高。不同重金屬在不同器官中的富集程度不同，Cu、Zn、As、Mn在葉中富集較明顯，Cr、Pb沒有出現富集現象。因此，生活污水及混合水可應用于毛紅椿苗木培育。

生活污水 毛紅椿 生長 富集系數

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

水資源是社會經濟發展的基礎性資源，由于水資源分布與人類社會經濟活動存在時空差異，必然產生不同程度的水資源短缺，制約區域經濟發展。大力發展節水灌溉、充分挖掘水資源潛力成為一個國家或地區經濟發展、社會穩定、生態優良的基本條件，其中加強對生活污水的利用是重要措施之一。一方面，隨著城市化的發展，城市污水排放量迅速增加，到2020年我國生活污水的排放量將達到4.024×1010t[1]，是不可忽視的資源；另一方面，生活污水灌溉利用還可減少因直接排放而引起的河流和地下水的污染，為農作物提供微量元素、有機質及所需的氮、磷和鉀[2]26。因而，生活污水的利用歷史很久，應用范圍很廣，特別是缺水嚴重的干旱、半干旱地區。據估計，世界上50個國家2 000萬hm2的農田均使用了污水灌溉[2]26。但生活污水灌溉也引起了爭論，主要是由于污水中存在的微生物、有機或無機化學物對直接或間接接觸的工人或消費者可能造成的健康損傷，以及長期廢水灌溉造成的土壤組成改變，特別是重金屬積累引起的環境問題[3]754，此外，長期的污水灌溉導致了土壤緊實度的增加和保持養分能力的降低[4]。相對于農作物食用安全的風險，林木主要收獲其木質部為主，因此生活污水應用于城市林業發展具有更大的潛力，特別是林木具有更大的表面積、深達數米的根系，需要更多的水分，其蒸騰作用也就能促進土壤對廢水通過過濾作用修復，推動廢水中的養分合成生物量，從而產生社會效益、環境效益和經濟效益等多種效益[5]152。研究結果顯示，由城市廢水灌溉以林地生態用水虧缺所造成的經濟損失率遠高于單位國民經濟用水量收益率、單位農業用水收益率和單位工業用水收益[6]。但目前有關城市廢水應用方面的研究主要集中于蔬菜[7]、草坪[8]等，應用于林木栽培的不多見[9]。因此，有必要研究生活污水對苗木生長、栽培基質的影響，以評價生活污水在苗木培育中的應用。

毛紅椿(Toonaciliatavar.pubescens)是楝科香椿屬紅椿(Toonaciliata)的一個變種，是我國特有種，由于其干形通直和優良的木材性質，大樹屢遭破壞，天然母樹急劇減少，被列為國家Ⅱ級重點保護野生植物[10]。有關毛紅椿的研究較多[11-12]，[13]59，[14]，為毛紅椿的擴大繁殖、栽培利用提供了理論依據，但生活污水是否可應用于毛紅椿育苗，對苗木生長和栽培基質的影響如何，尚未見報道。為此，本研究以生活污水、自來水及兩者混合水(等體積混合)為3種不同水源，在遮雨棚下進行毛紅椿播種苗的灌溉試驗，系統分析不同水質對毛紅椿生長、栽培基質性質等的影響，評價生活污水應用于毛紅椿育苗的可能性。

1 材料與方法

1.1 材 料

毛紅椿種子來源于安徽省涇縣，種子采收時間為2013年10月26日，帶回實驗室后，在室內攤開、晾放干燥，待果實開裂獲得純凈種子和果殼。經測定，種子的千粒重為6.18 g，優良度為94%[13]60。

1.2 實驗方法

實驗在黃山學院苗圃內的遮雨棚下完成，于2014年2月底以園土為栽培基質，選取90粒健壯、飽滿的毛紅椿種子，按照技術要求播放在30個底徑8 cm、口徑16 cm、高20 cm的塑料花盆中，在每個花盆的中央位置按等邊三角形分別播放3粒種子。將30個花盆放在遮雨棚下進行培育，以防止降雨對實驗的影響。30個花盆隨機分為3組，每組10個，每次分別澆灌同量的水，水質分別為生活污水、混合水、自來水，分別編號為A、H、N處理。種子發芽后，根據幼苗生長情況進行間苗，最終每個花盆保留1株生長健壯的苗，至2014年10月20日結束。

1.3 數據處理與分析

栽培土壤性質的測定：按照《土壤檢測 第4部分：土壤容重的測定》(NY/T 1121.4—2006)中環刀法測定園土的容重，根據容重計算孔隙度；取土樣在室內風干后碾磨，按照《森林土壤全氮的測定》(LY/T 1228—2015)中的堿解擴散法測定速效氮；按照《森林土壤全磷的測定》(LY/T 1232—2015)中的鉬銻抗比色法測定速效磷；紫外分光光度計(1810D)測定速效鉀；按照《森林土壤有機質的測定及碳氮化的計算》(LY/T 1237—1999)測定有機質。

每次從污水處理廠取處理前的生活污水后，pH計(PHS-3C)測定pH，電導率(EC)儀(DDSJ-308f)測定EC，按照《水質 化學需氧量的測定 重鉻酸鹽法》(GB 11914—89)測定COD，按照《水質 五日生化需氧量(BOD5)的測定 稀釋與接種法》(HJ 505—2009)測定BOD5，過硫酸鉀消解后紫外分光光度計測定總氮，按照《水質 氨氮的測定 納氏試劑分光光度法》(HJ 535—2009)測定氨氮，紫外分光光度計測定硝態氮及正磷酸鹽，保留500 mL樣品，在冰柜中冷凍保存，至2014年11月最后一次取水后，按照《水質 65種元素的測定 電感耦合等離子體質譜法》(HJ 700—2014)進行樣品處理，并測定Cr、Cu、Zn、As、Pb。

實驗結束時測定每一處理的苗高、地莖，測定花盆中土壤的容重、pH和EC。

在每一處理中挖取3株中等大小的苗木，要求根系完整，洗凈根系的泥土后，分株將葉、莖枝和根放入烘箱中，在85 ℃烘干72 h，測定葉、莖枝和根的生物量，粉碎后玻璃瓶中保存待用。

取粉碎后葉、莖枝、根樣品和土壤樣品各5 g左右，按表1進行消煮，消煮酸液為83%(質量分數，下同)硝酸、17%高氯酸(HClO4)等體積混合，消煮后的溶液定容至50 mL，電感耦合等離子體質譜法測定Cr、Cu、Zn、Mn、As、Pb，檢出限分別為0.1、0.02、0.2、0.2、0.1、0.02 mg/kg。

表1 樣品消煮程序

以SPSS16.0進行單因素方差分析，在Microsoft excel 2003中完成圖、表制作。

2 結果與分析

2.1 栽培土壤、水源的性質

栽培土壤的基本性質見表2，不同灌溉水源水質的主要性質見表3。

表2 栽培土壤的基本性質

表3 不同灌溉水質的主要性質

2.2 不同水質灌溉對毛紅椿生長的影響

2.2.1 毛紅椿苗高

由圖1可見，水質不同，苗高存在顯著性差異(P=0)。自來水灌溉的毛紅椿苗高低于生活污水、混合水，生活污水灌溉后毛紅椿的苗高是混合水、自來水的101.3%、213.1%；混合水灌溉后苗高為自來水的210.4%。因此，生活污水顯著促進了毛紅椿苗高。

圖1 不同水質灌溉下毛紅椿的苗高Fig.1 Height of Toona ciliata var. pubescens irrigated by different quality water

2.2.2 毛紅椿地徑

由圖2可見，不同水質灌溉后，毛紅椿地徑生長存在顯著性差異(P=0)。生活污水灌溉后毛紅椿地徑最大，達到(0.59±0.06) cm，分別是混合水、自來水的105.4%、163.9%；混合水灌溉后地徑為自來水的155.5%。

2.2.3 毛紅椿生物量

生物量的積累反映植物對資源利用的效率。生活污水灌溉后毛紅椿總生物量最大(見表4)，是混合水、自來水的133.7%、397.0%。水質不同，生物量間存在顯著性差異(P=0)。從不同器官生物量來看，地上部分(莖枝和葉)的生物量均表現出相同規律，即生活污水>混合水>自來水，但根系生物量的表現不同，以混合水灌溉后的生物量最大，自來水最小。方差分析顯示，不同水質灌溉后各器官的生物量均存在顯著性差異(P均為0)。

圖2 不同水質灌溉下毛紅椿地徑Fig.2 Ground diameter of Toona ciliata var. pubescens irrigated by different quality water

表4 不同水質灌溉下毛紅椿的生物量

2.3 不同水質對栽培基質的影響

2.3.1 基質pH

生活污水灌溉后的基質pH較高，自來水則最低(見圖3)。但不同水質灌溉后基質pH間沒有顯著性差異(P=0.09)。

2.3.2 基質容重

自來水灌溉后的基質容重最大，生活污水則最小(見圖4)。自來水灌溉后的基質容重是混合水、生活污水的103.1%、105.6%，不同灌溉水質間的基質容重存在顯著性差異(P=0)。

2.3.3 基質EC

自來水灌溉后的基質EC最高，生活污水則最低(見圖5)。自來水灌溉后的基質EC是混合水、生活污水的102.8%、108.7%。不同水質灌溉后基質EC間沒有顯著性差異(P=0.20)。

圖3 不同水質灌溉后基質pHFig.3 pH of matrix irrigated by different quality water

圖4 不同水質灌溉后的基質容重Fig.4 Bulk density of matrix irrigated by different quality water

圖5 不同水質灌溉下的基質ECFig.5 Electric conductivity of matrix irrigated by different quality water

2.4 不同水質灌溉對基質、毛紅椿重金屬含量的影響

由表5可見，不同水質灌溉后基質重金屬均低于《土壤環境質量標準》(GB 15618—1995)二級標準。說明研究期內生活污水灌溉沒有造成基質的重金屬污染問題。但與自來水相比，混合水和生活污水灌溉都使得基質重金屬含量提高。生活污水灌溉后基質重金屬含量均高于混合水和自來水，其中Cr分別為混合水、自來水的154.7%、165.1%，Cu分別為134.7%、202.5%，Zn分別為173.3%、262.6%，Mn分別為100.5%、105.9%，As分別為133.3%、133.3%，Pb分別為113.5%、439.1%；不同重金屬積累程度不同，Pb的增加最明顯，其次是Zn，Mn的增加最少，而其他重金屬均有不同程度的積累現象。

表5 不同水質灌溉后基質重金屬質量濃度

表6 不同水質灌溉后毛紅椿不同器官重金屬質量濃度1)

注：1)ND表示未檢出。

由表6可見，從不同器官中重金屬含量來看，Cr以根最高，其次是莖枝，葉最低；Cu、Zn、Mn、As、Pb則以葉最高，根次之，莖枝最低。從不同水質看，葉中各重金屬含量均以生活污水灌溉后最高，其次是混合水，最低為自來水，其中生活污水灌溉后葉中Cr分別為混合水、自來水的126.1%、138.5%，Cu分別為110.6%、119.2%，Zn分別為109.7%、123.2%，Mn分別為111.7%、117.1%，As分別為125.0%、125.0%，Pb分別為150.0%、457.9%；生活污水灌溉后莖枝中Cr分別為混合水、自來水的123.4%、135.6%，Cu分別為88.3%、143.0%，Zn分別為165.5%、139.1%，Mn分別為100.0%、287.5%，As分別為100.0%、50.0%，Pb為混合水的290.9%；生活污水灌溉后根中Cr分別為混合水、自來水的195.5%、256.3%，Cu分別為259.3%、391.7%，Zn分別為192.2%、88.5%，Mn分別為538.5%、424.2%，As分別為300.0%、150.0%，Pb為混合水的128.6%。

3 討 論

生活污水因含有氮、磷等營養元素[2]26，因此可促進植物生長，本研究也證明了這一點，生活污水灌溉后，無論苗高、地徑和生物量均顯著高于自來水，說明在毛紅椿育苗中合理利用生活污水可促進苗木生長，提高苗木質量。此外，生活污水灌溉后，土壤的物理性質得到改善，pH增加，趨向中性，容重則降低，這估計與生活污水中含有較多有機質相關。長期生活污水灌溉研究中發現，利用不同比例的污水灌溉，有機質可增加1.24%～1.78%，有機質和營養元素的含量遠高于自來水灌溉[15]481。也有報道，生活污水灌溉可使得土壤中有機質，可利用的氮、磷、鉀、硫等營養成分增加1.5～2.0倍[16]。因而，生活污水灌溉不僅可節約水資源，還可利用其中的營養成分，產生多重效益[5]159。

但生活污水灌溉引起的環境問題也不可忽視。本研究發現，生活污水灌溉后引起了基質中重金屬含量增加，增加程度隨重金屬的種類不同而不同，以Pb的增加最明顯，其次是Zn，Mn的增加最少，但測定的重金屬均低于GB 15618—1995二級標準限值，說明生活污水灌溉還不會造成土壤的重金屬污染。其他研究也認為，地表水灌溉會增加土壤重金屬含量[15]485。此外，在以再生水為水源進行灌溉的條件下，通過再生水灌溉途徑帶入的重金屬與地下水灌溉相當，低于大氣沉降和有機肥施用等輸入途徑帶入的重金屬[17]。因此，僅考慮灌溉水質對土壤重金屬含量的影響，生活污水可用于灌溉。

通常，以植物-土壤系統的富集系數評價重金屬從土壤轉移到植物的能力[18]，不同水質灌溉下重金屬的富集系數見表7。不同重金屬在不同器官中的富集程度不同，Cu、Zn、As、Mn在葉中富集較明顯，Cr、Pb沒有出現富集現象(富集系數≤1)。這可能與不同器官的生理功能有關，同時也受不同重金屬自身的遷移能力等影響[19]。

表7 不同水質灌溉下不同器官中重金屬的富集系數

生活污水灌溉除重金屬外，其中的微生物、有機或無機化學物也會引起環境問題[3]754，對土壤微生物種類和類群造成不同影響，導致土壤酶活性的改變，從而影響土壤質量[20]，今后應研究生活污水中有機、無機化學物含量對土壤質量的影響，以全面評價生活污水灌溉對環境的影響。

4 結 論

(1) 生活污水與混合水灌溉后均促進了毛紅椿苗高、地徑的生長，苗高分別為自來水的213.1%、210.4%，地徑分別為163.9%、155.5%，生物量的增加也非常明顯，特別是地上部分生物量，不同水質間苗高、地徑、生物量均達到顯著性差異。

(2) 生活污水灌溉改善了栽培基質的pH、容重等性質，但重金屬含量出現增加的趨勢，但均低于GB 15618—1995二級標準限值，同時毛紅椿各器官中重金屬含量也升高。不同重金屬在不同器官中的富集程度不同，Cu、Zn、As、Mn在葉中富集較明顯，Cr、Pb沒有出現富集現象。因此，生活污水及混合水可應用于毛紅椿苗木培育。

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InfluenceofirrigationbydifferentqualitywateronpropertiesofculturematrixandgrowthofToonaciliatavar.pubescens

SONGYueqin，SUNHu，HULingfeng，ZHANGCheng.

(CollegeofLifeandEnvironmentalScience，HuangshanUniversity，HuangshanAnhui245041)

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.07.014

2016-03-27)

宋曰欽，男，1967年生，博士，教授，研究方向為人工林栽培技術與理論。

*國家林業局“948計劃”項目(No.2014-4-64)。