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再生水指污水經水處理工藝處理后具有一定功能的可以回用的水。地球上水資源短缺推動了污水再生利用，預計到2030年，我國缺水量將達130億m3，再生水可利用量將達到767億m3［2］。美國、日本、以色列等已將再生水回用作為緩解水資源危機的重要舉措，其中以色列再生水回用總量將達到水資源總需求量的四分之一左右［3－4］。農業灌溉是再生水利用的主要形式，澳大利亞的Werribee農場從1897年開始利用再生水灌溉［5］，美國再生水回用量中42%的水量用于農業灌溉［6－7］。近半個世紀以來，隨著再生水灌溉區域范圍增加，其安全性及對環境的影響引起廣泛關注［8－10］，國外相關研究主要集中在灌溉用的再生水對植物生長、土壤質量、地下水質量的影響以及安全灌水技術方面，中國對于再生水灌溉技術的研究起步較晚［11］。近幾年，污水資源化循環利用成為緩解我國水資源短缺的主要途徑之一［12］，特別是我國北方區域，農業灌溉缺水日趨嚴重，再生水灌溉得到越來越多的重視［13］。再生水灌溉一方面能避免利用污水直接灌溉所引起的嚴重的面源污染問題，并為植物生長提供所需養分，增加土壤有機質，從而提高土壤肥力和生產力水平［14］。另一方面，能避免過量的養分、有毒化學物質和病原體等物質同時輸入環境生態系統，也會一定程度的減緩環境污染［15］，降低對環境和人類健康的危害。因此，研究再生水灌溉環境生態效應對農業面源污染控制及污水資源化利用具有重要科學意義和實用價值［16］。本文分別綜述了近年來國內外對再生水灌溉環境生態效應的研究，并對我國再生水灌溉技術研究發展方向進行了展望。 1再生水灌溉對地下水質量影響研究 長期利用再生水進行灌溉的地區普遍都存在地下水質量變差的問題。通過研究建立科學合理灌溉制度和灌區建設模式，防治再生水灌溉導致的地下水的污染［17］。灌區地下水的防污性能與包氣帶巖性、地下水力學特征、再生水灌溉制度、灌區工程布置等有關，當前研究主要聚焦于再生水灌溉對地下水鹽分、氮素、重金屬含量等的影響［11］。在再生水灌溉中由硝化作用產生的NO－2和NO－3會進入地下水，并不斷隨水從表層向下逐層滲透，造成地下水的NO－2-N和NO－3-N污染［18－19］。關于地下水的另一個最嚴重的問題就是水資源的迅速鹽化，再生水灌溉是水鹽化的一個主要原因［20］。KassA等［21］研究表明，飽和含水層地下水的鹽分和成分隨距離變化非常大，主要由灌溉水源和非飽和層的推移控制。再生水灌溉中的高土壤鈉吸附比(SAR)導致土壤中鈉的吸收和鈣釋放到充填水中，地下水中的NO－3主要來源于再生水中NH+4的硝化［17］。MüllerK［22］等進行了含有農藥再生水灌溉對地下水污染影響的研究，但是僅限于室內試驗，還沒有長期的監測數據來支持模擬結論。MenahemR等［23］研究表明再生水中鈉含量較高，灌溉入滲補給地下水的過程中，Ca2+與Na+發生離子交換反應，導致地下水中鹽分增加。ChenJY等［24］采用δ15N示蹤方法研究得出再生水灌溉導致地下水中硝氮含量增加，由于黏土土壤通透性較差，再生水灌溉時反硝化速率顯著增加，土壤氮素利用率下降，HoodaAK［25］等的研究解釋說，這可以減少氮素滲漏對地下水的威脅。陸桂華［26］的實驗結果也表明，再生水灌溉對土壤下層及地下水中NH4+影響較小，但對NO－3影響較大，尤其是長期用再生水灌溉的土壤。李勇等［26］結合我國淺水湖泊的特點，利用土槽試驗和數學模擬方法，模擬了兩種典型潛水含水層中地下水及其營養物質入湖的規律，揭示了滲流速度和營養物質濃度在湖泊岸坡和湖底兩個交界面上的分布形式，并將模型應用到我國的滇池污染治理。宋曉焱等［27］針對焦作市南部新河沿岸灌溉區的污染情況，分別用再生水和大氣降水進行了土柱淋濾模擬實驗，分析了氯離子、總硬度及TDS在土壤中的遷移轉化機理，實驗結果表明，滲出液中的污染物濃度最初較小，隨后出現最大值，最后開始下降，表明當地淺層地下水中氯離子、總硬度及TDS污染與再生水灌溉有關。吳文勇等［28］為了對再生水灌溉灌區調蓄工程選址提供依據，通過建立5個不同深度監測井研究了再生水灌溉對地下水鹽分的影響，再生水經包氣帶入滲后滲濾液氯離子、全鹽、總硬度含量有所增加，12m包氣帶厚度對總氮、總磷去除率達到97．3%和99．0%以上，但是滲濾液中全鹽、總氮、氮磷、總硬度等含量指標接近地下水背景值，未發現再生水灌溉導致地下水水質發生明顯變化，說明研究區域再生水滲濾進入地下水對鹽分的影響與其他補給水源的影響效果無顯著差異，再生水灌溉灌區調蓄工程應建設在具有包氣帶巖性粗細相間、防污性能較好的區域。 2再生水灌溉對地表水質量影響研究 在再生水灌溉情況下，徑流一方面把土壤殘留污染物帶出農田、流匯水域，另一方面再生水灌溉退水，也將部分排入水域，加之再生水灌溉區域中，N、P等營養物質更為豐富，因此，灌區徑流對地表水體有很大的影響。DianeS等［29］利用200m3/hm2的厭氧消化污泥對東北部蘇格蘭Monaughty森林1．33hm2的試驗地進行污水處理和再生水灌溉，研究成熟的歐洲赤松林中土壤排水的化學性質，污水處理中施入了大約400kg/hm2的N和200kg/hm2的P，施用3個月和17個月后，對有機層和礦質層的水文學平衡、凈降水量、土壤排水中N和P通量與對照地區進行了比較，發現由于污泥中含大量營養物質的液體占了95%，所以污水處理地區有機土層內可溶性的銨和磷酸鹽、礦質層的磷酸鹽增加較快，由于污泥在晚秋施入，最初僅含0．05kg/hm2的NO－3，所以礦化增加不明顯，只有少量的NO－3被淋洗，1年半后，水處理地區N和P總通量仍然要比對照大，在有機層和礦化層觀察到大量的NO－3損失，土壤排水中NH+4、NO－3的濃度與對照相比明顯增加了，從最低的土層測得土壤排水中N的總通量超過了整個研究階段隨污泥施入總量的2．5%。HuXD等［30］利用田間測量方法，調查長期再生水灌溉條件下N和P的富集情況，選擇位于湯斯維爾、昆士蘭州的3個再生水灌溉地點測定N和P濃度，并且已經分別進行了5年、20年和30年的再生水灌溉，不同地點的再生水質量不同。從灌區地點抽取樣品分析N、P濃度，結果發現，在土壤分析深度內，大約有19．5%的磷和36．4%的氮已經脫離了土壤植物系統，并總結出了對地表水有污染的威脅的結論［31］。#p#分頁標題#e# 3再生水灌溉對土壤質量影響的研究 一般來說土壤都具有一定的自凈能力，但土壤的自凈力是有限的，長期再生水灌溉會使污染物在土壤中的積累，造成土壤污染，使pH值、鹽分等發生變化，出現土壤板結、肥力下降、土體結構和功能失調，破壞了土壤生態平衡，土壤污染后進一步對地下水和農作物造成污染［13，32］。再生水灌溉對土壤質量影響的程度關系到土壤生產能力和生態平衡，通過研究建立再生水灌溉條件下防止土壤質量惡化的技術措施。目前，國內外研究重點包括再生水灌溉對土壤結構、孔隙率、導水率等物理性質、對重金屬、持久性有機污染物、鹽分、養分等化學性質與土壤微生物群落的影響等方面［11］。LatterellJJ［33］、Al－NakshabandiGA［34］、Mo-hammadMJ［35］和HookJE［36］等研究表明再生水灌溉可以增加土壤中有效磷的含量，土壤中磷的含量主要與土壤的吸附量、作物提取量與污水帶入量密切相關，通過收獲可以把磷帶出土壤－植物系統。BouwerH［37］等研究表明再生水灌溉不會導致土壤環境的pH值上升，但也有研究表明［38－39］，再生水灌溉會導致土壤環境pH值有輕微上升，主要原因是再生水中含有各種營養元素和鹽分導致pH值輕微增加。以色列政府1998年和1999年連續兩年對全國200余個再生水灌溉的柑橘和鱷梨園的調查發現，與淡水相比，再生水灌溉使SAR、N、P、K和B濃度增加，土壤電導率(EC)和部分重金屬的含量無明顯變化。再生水灌溉草坪草引起土壤EC值、鉀、鈉、磷濃度均顯著增加，而鐵、錳、銅、鋅、鋅濃度以及pH值無顯著影響［39］。再生水灌溉條件下土壤中氮素的利用效率的研究也逐漸受到重視，隨著NO－3－N濃度增加、土壤含氧量減少，可以使反硝化作用增強2～50倍［40－41］。SmithCJ［42］等研究表明長期再生水灌溉條件下土壤Cd的累積是不容忽視的問題。WangZ等［43］研究表明長期再生水灌溉對土壤孔隙率和鎂含量造成影響，造成土壤密實度增加，對營養物的吸持能力下降，北京市主要污水處理廠二級處理出水中重金屬含量比國內或發達國家灌溉水質標準低1～2個數量級。楊金忠等［44］采用污水處理與再生水回用相結合系統，污水中的氮素經過處理后再經過作物的吸收以及氮素的硝化、反硝化等各種遷移轉化過程后的氮素濃度可以滿足環境排放標準。禹果等［45］利用化學分析和生物測試相結合方法研究再生水灌溉條件下土壤中芳烴受體效應物質的積累、判斷土壤生態毒性變化規律，這也是今后研究的主要方向之一，ChenY等［46］研究再生水灌溉條件下土壤多環芳烴污染與無脊椎動物體內發生的基因損傷與修復具有相關性。CarlosA等［47］研究得出，具有30年再生水灌溉歷史的土壤重金屬含量與對照相比無顯著增加。對6～41年再生水灌溉區域的調查發現，TOC、硼、Zn含量隨著灌溉年限的增加而增加，有幾種作物中的Pb、Cd濃度超標情況突出。對美國干旱與半干旱地區5處再生水灌溉(灌溉時間4～33年)與五處地表水灌溉的高爾夫球場綠地的對比試驗研究，土壤EC值與鈉吸附比(SAR)分別增加187%和481%，土壤鈉、硼分別增加200%和40%，土壤pH值增加0．3個單位，土壤有機質無顯著變化，研究區域為干旱少雨地區，土壤蒸發強烈，土壤鹽分累積較為明顯，可以認為在干旱少雨地區鹽分累積是再生水灌溉的主要問題之一［48］。AlitWS等［49］研究表明再生水表面活性劑含量較高時對土壤入滲性能與毛管張力有顯著影響。張娟等［50］研究表明再生水灌區土層的金屬離子含量、鹽分含量、鈉吸附比及電導率大體都高于地下水灌區的含量，土壤金屬含量和鹽分有一定程度的累積。魏益華等［51］研究了再生水灌溉對菜地土壤次生鹽漬化及鹽分離子和重金屬離子累積分布規律的影響。結果表明:除0～15cm土層全鹽量增加外，15～45cm土壤層鹽分累積現象與自來水灌溉相比無明顯差異。短期內采用再生水灌溉不會顯著增加土壤陽離子含量，重金屬在土壤中的累積也不明顯，再生水短期灌溉對土壤環境不會造成污染影響。近年來，苗戰霞，等［52］分析了不同水質再生水在不同灌溉模式下對玉米根際土壤特性的影響。結果表明，當土壤中的重金屬如Cu2+、Zn2+、Cd2+、Ni2+含量在一定值時，可以抑制微生物的產生［13，31］。寶哲，等［53］研究再生水灌溉下原污灌區土壤中主要鹽分離子交換運移規律，采用有污水灌溉背景的兩種質地土壤，根據再生水的基本性質及其鹽分離子組分，配制4種濃度水平的入滲液，進行土柱模擬試驗。結果表明，不同質地土壤在低Na+配制液淋洗下的穿透曲線都出現下凹現象，但Na+在壤土中富集的表現并不顯著，而在粉質砂壤土中部分Na+吸附累積時間較長;模擬再生水入滲溶液中不同組分的鹽分離子在不同程度上影響污灌土壤中發生的離子化學反應的進行，導致各處理下Na+穿透時間發生顯著差異;長期再生水灌溉會對HCO－3含量較高且粉粒比重大的土壤的入滲等性能產生更為不利的影響。再生水灌溉對土壤生態系統影響機理與量化方法的研究需要進一步加強。 4再生水灌溉對作物生長的影響研究 再生水灌溉對農作物生長的影響主要包括兩個方面:再生水灌溉對農作物產量的影響，以及再生水灌溉下有害元素在作物體內的累積及對作物品質的影響。國外發達國家對利用再生水灌溉蔬菜開展了不少研究，如AlNakshabandiGA等［54］于1993年在約旦安曼附近應用經過穩定塘處理和經氯消毒的再生水進行茄子生長的田間試驗，并以清水灌溉作對照，對茄子的營養物質含量、重金屬含量及微生物學性質、產量等進行評價。ArmonD等［55］在以色列對地表滴灌和地下滴灌進行了對比試驗，研究發現灌溉系統對病菌的存在范圍影響很大，灌溉系統不同，病菌的存在范圍也不同，地表滴灌后蛔蟲卵存在于地表，地下滴灌后蛔蟲卵存在于地表下40cm范圍。Al－LahaamO等［56］在約旦進行了清水與再生水不同混合比例對西紅柿品質影響的大田試驗研究。PolliceA等［57］在意大利應用三級處理的再生水澆灌茴香和西紅柿，并以井水為對照，研究不同水質對蔬菜果實的影響。BoleJ［58］，BangeMP［59］，GadallahMAA［60］，左海濤［61］，彭致功［62］和黃冠華，等［63］試驗表明，采用再生水灌溉苜蓿、蘆葦草、雀麥草、阿爾泰野生黑麥、高麥草，可以促使土壤含氮量增加，提高了作物產量，但再生水中磷含量超過作物需求，苜蓿是利用再生水灌溉的最佳飼料類作物，再生水灌溉導致向日葵葉片氮素含量增加，光合效率增加，植株Ca2+、Mg2+、Cl－含量出現增加。再生水灌溉C4草種可以獲得更好的產量與品質［64］，草坪草再生水灌溉可以節肥32%～81%［65］。ParanychianakisNV［66］研究結果表明再生水灌溉對水果生長也有一定影響，再生水中磷、鉀、鎂、鐵等營養元素可以滿足葡萄生長的需要，但是再生水灌溉條件下葉片磷、鉀含量增加會對葡萄生長存在潛在危害，再生水灌溉香蕉會導致土壤飽和導水率下降，而清水和再生水混合灌溉處理取得較高產量，兩處理EC和SAR值的增加并沒有導致產量下降［67］，再生水灌溉將促進養分吸收，盡管土壤鹽分有所增加，但是并不影響作物生長［68－69］。MurilloJM［70］，GuoLB［71］和MoffatAJ［72］等由于再生水灌溉時中污染物不易進入食物鏈，林木也成為再生水灌溉的主要研究對象之一。張志華等［73］通過盆栽試驗，研究了再生水不同灌溉方式對苜蓿生長發育和品質的影響。結果表明:與清水灌溉相比，再生水能顯著增加苜蓿的株高、側枝數及產草量，但對苜蓿葉面積有一定的抑制作用;再生水灌溉、再生水與清水混灌和輪灌使苜蓿體內可溶性蛋白含量分別增加78．43%、83．68%、72．53%，但再生水灌溉不利于苜蓿可溶性糖的累積．再生水灌溉下，苜蓿植株體內的Mg2+、Ca2+濃度較清水灌溉分別增加了27．78%、26．61%;再生水灌溉及混灌下，苜蓿體內的Fe質量分數較清水灌溉分別降低28．7%、10．1%;再生水灌溉、輪灌和混灌下苜蓿地上部Cd質量分數較清水灌溉分別增加98．6%、89．5%和59．0%，但苜蓿體內重金屬Pb、Cd濃度仍低于國家衛生標準(GB13078－2001)規定限量值。說明再生水是苜?？衫玫墓喔荣Y源，但其長期效應仍需進一步研究。劉洪祿，等［74］研究了再生水灌溉對典型糧食作物冬小麥、夏玉米產量與品質的影響規律，為糧食作物再生水安全灌溉提供科技支撐。通過田間試驗得出:再生水灌溉處理與清水處理相比，冬小麥和夏玉米平均增產6．49%和5．42%，再生水灌溉對冬小麥和夏玉米產量沒有顯著影響(α=0．05);再生水灌溉對冬小麥和夏玉米籽粒中的粗蛋白、可溶性總糖、粗灰分、粗淀粉和還原型Vc含量等主要品質指標無顯著性影響(α=0．05);再生水灌溉處理的冬小麥籽粒中全氮質量分數平均增加10．2%、夏玉米籽粒中全氮、全磷質量分數平均增加10．40%和16．40%，冬小麥籽粒中全磷、全鉀含量和夏玉米籽粒中的全鉀含量沒有明顯變化。該研究成果對于推動再生水灌溉利用具有積極意義。#p#分頁標題#e# 5展望 全球性的水資源相對緊缺給再生水灌溉帶來了相當大的發展空間［75］，再生水灌溉可以從一定程度上減輕污水直接灌溉導致的環境和糧食安全問題，但也存在諸多問題。再生水灌溉一定程度上加重了地下水的N污染和鹽化，導致地表水體的富營養化，引起土壤結構的破壞和有害物質的累積，雖然對作物的產量具有促進作用，但殘留于作物內的有害物質不容忽視。 我國的再生水灌溉的研究尚處在起步階段，由于我國存在區域結構性缺水，再生水灌溉在缺水的北方具有巨大潛力，而就目前再生水灌溉中存在的問題來看，我國未來再生水灌溉在以下幾個涉及到技術、管理、轉化機理和環境安全問題等幾個方面還需加大投入:①再生水處理新工藝及再生水灌溉新技術和新制度研究;②再生水灌溉標準制定;③再生水灌溉條件下氮、磷、有機物、重金屬在土壤植被系統中的遷移轉化規律研究;④再生水安全高效灌溉技術、再生水灌溉施肥耦合增產效應及灌溉后農田適宜的灌溉施肥量研究;⑤再生水灌溉對環境影響和健康風險評價指標與評價方法的建立。必須通過技術、管理和科學研究相結合，利用再生水灌溉緩解水資源短缺壓力的同時，保證糧食的安全性，并確保其不會對生態環境造成重大危害。