【毕业学位论文】（Word原稿）再生水灌溉对冬小麦生产的安全性影响研究生态学硕士论文

密级： 论文编号： 中国农业科学院 学位论文 再生水灌溉对冬小麦生产 的 安全性 影响研究 on on I 摘 要 1 再生水是 各类 生活 污水 及工业废水等 经回收处理后可再次 利用的水资源 ，在 农业用水严重紧缺的现状下， 实现 再生水 农业安全利用， 将 开辟农业用水 的 新途径。因此， 再生水灌溉将给 作物产量和品质、 农田环境带来 怎样的影响成为普遍关注的问题。本研究以冬小麦为对象 ， 以不同处理程度的再生水（二级水、三级水）为灌溉用水， 通过盆栽 与田间试验，研究 了 再生水灌溉 对冬小麦 的 生长 ， 产量品质及土壤环境的影响，结果表明： 再生水灌溉一定程度上有利于冬小麦的生长 。从形态 表现 得知 ，再生水灌溉对冬小麦株高 的影响显著 ， 且差异 在生育后期表现更明显， 冬小麦抽穗后 再生水 处理 较清水处理 株高 提高 不同时期的 再生水 灌溉处理冬 小麦 叶面积 也略 高出了清水 处理。 从生化测定结果得知，再生水灌溉 对冬小麦抗氧化酶系统的影响主要体现在幼苗阶段，越冬期再生水处理的叶片 性较 清水处理提高了 ，后期差异不显著。 再生水灌溉 下，冬 小麦顶端叶片叶绿素含量相对 清水处理 有一定提 高， 拔节 与 抽穗阶段提高了 开花期 后处理间无显著差异。通过拔节期和抽穗期 对冬小麦 光合作用 测定得知， 二级水处理和三级水处理在开花前的光合作用较清水没有表现出优势，甚至 再生水处理冬小麦的光合速率 略 低于清水处理， 且 蒸腾速率均低于清水处理 ，说明 再生水灌溉在开花前对小麦的生理影响作用表现不明显 。 综合结果 分析 ， 再生水灌溉 对小麦的生长具有一定的促进作用， 再生水灌溉小麦在株高、叶面积、器官干物质积累等方面相对清水有一定的提高，且 到 后期的促进效果更明显。 再生水灌溉在一定程度上能够促进冬小麦产量提高 ，对冬 小麦的品质也有一定的改善 。三级水对小麦产量相对清水处理两年分别提高了 增产效果相对明显；二级再生水灌溉的冬小麦增产效果不显著，第一年较清水灌溉处理的产量提高 第二年产量基本和清水一致。再生水灌溉 下 冬小麦籽粒 蛋白质和面筋的含量 相对清水有所提高 ， 对冬小麦粉质指标中的形成时间和稳定时间有一定延长， 这就有利于提高小麦的营养价值和改善小麦的加工品质 ，但再生水灌溉的小麦在容重和出粉率上相对清水处理降低，这一定程度上降低了小麦磨制面粉的量。研究认为，再生水在一定程度上有利小麦品质改善，且二 级水灌溉对小麦品质改善的效果要好于三级水灌溉。 通过对 种重金 属的测定表明，重金属在小麦各器官中的累积效果不显著， 但出现了部分重金属较清水处理含量增加的现象，说明再生水灌溉对小麦的食用安全 尚未产生明显的不利影响 ，但存在一定的重金属积累 。 如 重金属镉在 冬小麦 籽粒中的累积较对照有一定的升高，但没有超过国家食品卫生标准 。 分析认为 再生水灌溉在短期内不会造成籽粒中重金属的含量超标，但对重金属镉的积累现象也不容忽视，尤其是长期使用再生水进行小麦灌溉生产时，要格外关注。 通过对再生水灌溉后的土壤 分析表明， 再生水 中存在 部分营养物质能给土壤带来一定可利用的营养成分，使土壤中的养分得到改善，表现为提高土壤的碱解氮、速效磷、速效钾含量，但对土壤的有机质影响较小。土壤微生物在数量上有较显著提高，盆栽试验 结果 在土壤细菌和真菌的资助 项 目 ： 北 京 城水 排 水 集 团 资助 项目 。 农 业 结 构 调 整 重 大 技 术 研 究 专 项“ 华 北 粮 食 主 产 区 农 业 环 境 监 测 评 价 体 系 ”资 助 。 “ 十 一 五 ” 国 家 863 项 目 “ 华 北 旱 作 农 业 环 境 评 价 体 系 研 究 ”（ 2006 0）。 著增多，田间试验表现在固氮菌和亚硝化细菌的显著增多。微生物增多将使土壤微生态系统组成丰富，功能稳定，从而提高了土壤的生物活性和缓冲能力，对土壤的理化性质产生有益影响，在一定意义上是有利于土壤环境的改善。 测定的五种重金属在土壤中各深度 分布不同，多数重金属元素在土壤 2040相对含量 较高。 不同处理的 相同重金属元素在同一土壤层 的含量 差异不大， 试验期 再生水灌溉没有导致土壤中 重金属 积累 升高的现象。 本研究结果 综合分析 认为 ，再生水灌溉促进冬小麦的生长，在一定程度上可 提高 小麦 的 产量。再生水灌溉可 提高 土壤中的碱解氮、速效磷和速效钾等养分的含量，促进微生物种群数量的生长繁殖，试验期内再生水灌溉没有造成籽粒 和土壤 中重金属含量超标 ，但存在一定的重金属积累 现象 。 关键词 ： 再生水 ， 冬 小麦 ， 灌溉 ， 产量 ， 品质 ， 土壤 he is a of is by of of a to a as of of as By of of by to of to it be of on of is in of by K of by is K. of it be of on is on OD of K, it of of by is a K, it of it of s it be s by is in s by by in of in it is on s of to of of by is of by is K by in st no nd of by is by of is is to of of of r, it be of is no to of is K it is of in of IV be in to is so on of of in of of in 040cm is so t of So it is to of of s no by in is of V 目 录 第一章 绪论 . 1 究背景 . 1 外再生水利用状况 . 2 生水回用的现状 . 2 生水利用的研究 . 3 内再生水农业利用 . 4 生水农业利用的潜力 . 4 生水农业利用的问题 . 4 生水农业利用问题及发展前景 . 6 究目的 . 7 第二章 研究内容与技术路线 . 8 要研究内容 . 8 生水灌溉对冬小麦生长的安全性研究 . 8 生水灌溉对冬小麦产量品质的安全性研究 . 8 生水灌溉对土壤环境的安全性研究 . 8 术路线和关键技术 . 8 术路线 . 8 键技术 . 9 第三章 再生水灌 溉对冬小麦生长的影响研究 . 10 料与方法 . 10 验地点概况 . 10 试作物 . 10 计及布局 . 10 定项目与方法 . 11 果与分析 . 12 生水灌溉对冬小麦形态指标的影响 . 12 生水灌溉对冬小麦生理、生化特性的影响 . 16 生水灌溉对冬小麦产量构成因素的影响 . 23 再生水灌溉下重金属在冬小麦体内积累与迁移 . 23 验小结 . 26 第四章 再生水灌溉对冬小麦产量和品质的影响研究 . 28 验材料与方法 . 28 计和布局 . 28 定指标和方法 . 28 果与分析 . 29 生水灌溉对冬小麦产量的影响 . 29 生水灌溉对冬小麦籽粒品质的影响 . 30 生水灌溉对冬小麦组织器官的重金属含量影响 . 33 验小结 . 35 第五章 再生水灌溉对土壤环境的影响研究 . 37 定指标与方法 . 37 果与分析 . 37 生水灌溉对土壤养分的影响 . 37 生水灌溉对土壤环境微生物的影响 . 38 金属在土壤中不同深层的积累与分布 . 41 验小结 . 43 第六章 结论与展望 . 45 论 . 45 生水灌溉对冬小麦生长的安全性 . 45 生水灌溉对冬小麦产量品质的安全性 . 46 生水灌溉对土壤环境的安全性 . 46 望 . 47 参考文献 . 48 附件 . 53 致谢 . 60 作者简历 . 61 文缩略表 英文缩写 英文全称 中文名称 F 清水 S 二级水 T 三级水 清混 清混 清轮 清轮 名词解释 再生水： 又称中水、回用水，是指对污水处理厂出水、工业排水、生活污水等非传统水资源进行回收，经适当处理后达到一定水质标准，并可以在一定范围内重复使用的水资源。 二级水： 指废水经过二级处理后排放的水 。它比处理前的进水大幅度去除了废水中呈胶体和溶解状态的有机污染物。其有机物的去除率可达 90以上， 出水中的 悬浮固体含量均在 30 以下。一般二级处理出水要求达到排放标准。 三级水： 废水二级处理或生物处理以后进行的废水深度处理，其目的在于去除废水中的氮、磷等营养物和进一步去除有机物和悬浮固体，使处理后的出水水质满足废水回用或某些特殊受纳水体的要求。 中国农业科学院 硕 士学位论文 第一章 绪论 1 第一章 绪论 究 背景 地球上可以利用的水资源很少，仅占地球上总水量的 右，而且分布不均。近年来，随着人口与经济的快速增长，导致世界上许多国家出现了水 资源 紧缺的现象，水资源短缺引起了世界各国的普遍关注。我国人均水资源 占有量仅为世界人均占有量的 1/4，属贫水国家之一 （ 甘一萍 ，2003） 。工农业生产的发展和人口的增加，对水的需求量越来越大，水资源短缺问题将会变的越来越突出。全国已有近 80%的城市缺水，北方尤为严重，北京地区年可用水资源 40 亿吨左右，全市人均占有水资源不足 300 全国人均的 1/8，世界人均的 1/30，排在世界 120 多个国家首都及大城市百位之后。 全国每年缺水总量达 1200 亿 业用水严重不足。在这种形势下，人们不得不充分利用有限的水资源。污水具有水量稳定、供给可靠的特点，污水回用，是一种能够缓解一 下农田灌溉水资源紧缺的矛盾的方法。我国从 20 世纪 50 年代开始大规模地采用污水灌溉，由于当时工业发展水平较低，工业废水不多，生活污水占大多数，污水及污水中的肥分及微量元素能使作物增产，因此，在一段时间内，污水灌溉对我国环境保护和农业发展都起到了积极的作用。 五十 年代后期到 六十 年代初，由于工业发展，城市扩大，用水矛盾开始突出，农业的缺水只好由工业废水和生活污水来补偿，致使全国、尤其是北方缺水地区污水灌溉面积迅速扩大， 刘润堂 ， 2002），暂时缓解了农业用水短缺问题，但 对污水灌溉的 水质处理问题未能引起应有的注意。 六十 年代至 七十 年代后期，随着世界环境问题的出现，我国也开始关注污水灌溉所带来的农业环境污染问题。近期统计资料表明，到 2000 年全国污水排放量将要达到 700 多亿 中约有 73 万 农田是用污水进行灌溉的。污水中有毒、有害物质的存在和严重超标，会导致土壤碱化、酸化、盐碱化、板结，使土质结构遭到破坏。特别是汞、镉、铅等重金属污染。研究表明，多数污染重金属在土壤中不为生物所分解，可在生物体内积累和转化。土地污染最直接危害是不利于植物生长，导致 农作物减产乃至绝收。据统计，每年 污水灌溉区产生 “ 镉米 ” 、 “ 汞米 ” 、 “ 砷米 ” 高达 十几亿 刘书运 ， 2005） 。大量的蔬菜也含有这些有毒元素。一旦汞、镉、砷等有毒重金属的摄入量超过容许量，会引起人体病变，给人的健康带来严重的威胁。因此，我国在 1979年、 1985 年和 1992 年先后三次颁布农田灌溉水质标准，并对农业灌溉用水水质标准明确规定，灌溉用水应严格按照农田灌溉水质标准控制。 再生水是污水经过处理后恢复了使用功能，水质介乎于清洁水和污水之间，可在一定范围内重复使用的非饮用水，与污水比较，再生水有水量稳定可靠、水质较好的优势。 目前， 我国再生水资源主要用于工业、园林绿化、环卫、洗车业等，在农业上的应用不是很广泛。 随着我国环境保护意识的增强，污水处理能力的提高，研究再生水灌溉作物的安全性将对缓解农业用水压力，合理利用再生水资源均具有重要的现实意义。 我国小麦栽培历史久远，种植面积广，产量居世界第一。其中冬小麦在全国小麦生产中居重中国农业科学院 硕 士学位论文 第一章 绪论 2 要地位，其产量较高，生育周期较长，从播种到收获的需 9 个月，占全年土地利用的大部分时间，是北方地区农田种植的主要粮食作物之一。由于水资源紧缺，造成了我国北方多数地区冬小麦产量降低，品质下降，威胁到我国粮食生产局面的稳 定。因此以冬小麦做为再生水灌溉的试验研究对象，具有较好的参考意义。 污水直接灌溉存在着种种风险和危害，污水中的部分污染物会对环境和健康造成影响，而经过处理后的再生水资源，对灌溉作物的危害会有所降低，因此就北京地区的实际情况，根据作物生长特点和灌溉需求，对再生水在农业上应用的可行性进行研究，可以为北京市再生水在农业方面的应用提供 技术支持 。 外 再生水 利用状况 生水 回用 的 现状 国外的 再生水利用 已经 有近一个世纪的历史，西欧、北美是世界上采用污水再生利用较早的地区。早在二十世纪三十年代，美国污水 研究俱乐部就利用模型进行了污水深度处理试验研究，60 年代末就将膜生物反应器用于废水处理， 70 年代初开始大规模污水处理。目前有 300 余座城市实现了污水处理后再利用；城市污水回用量达 260104 m3/d，污水回用工程主要分布于水资源短缺、地下水严重超采的西南部和中南部的各州，其再生水主要用于农业灌溉、工业冷却、环境和娱乐用水等诸多方面，其中 62%的再生水用于农业灌溉， 于工业， 5%用于地下水回灌，于城市设施、娱乐、渔业等 （ 齐学斌 ， 2006） 。且多数城镇污水处理已达二级或二级以上处理水质标 准，从总体上讲，用于灌溉的再生水水质是好的。再生水的使用对美国干旱地区的农业发展起了较为重要的作用。 以色列地处干早、半干旱地区，面积约 2 万平方公里，人口约 420 万，水资源总量 均年水资源占有量仅为 476 一个水资源极度贫乏的国家，在这样严重缺水地区建成经济发达国家并保持经济高速增长，其中心政策是农业节水和城市污水回用，因此，再生水已成为该国重要的水资源之一。目前，全国共建造了 200 多个污水回用工程， 100%的生活污水和 72%的城市污水得到了回用。由于农业灌溉用水水质要求较低，水量要 求较大，故再生水优先用于农业，农业灌溉用量占其污水处理总量的 46%。以色列对农作物、蔬菜、果树的灌溉水质均制定了较为严格的水质标准，以保证环境 以及 人群的安全。由于大范围的污水回用，对于包括回用水技术在内的节水技术、回用水水质以及污水回用产生的生态和流行病学问题，在以色列受到极大的重视。 日本由于国土狭窄，人口众多，水资源虽较丰富，但人均水资源占有量仍低于世界平均水平。这种情况与其高度发达的经济和较高的国民生产总值是不相称的，从长远看，缺水已成定势，因此节约用水一直受到全社会的关注。日本早在 1962 年就开始回 用污水， 70 年代已初见规模。随着污水处理技术的不断发展 ，再生成本不断下降、水质不断提高 ，逐渐成为缓解水资源短缺的重要措施之一。截至 1986 年，日本直接回用水的城市污水处理厂出水已达 3108 m3/d，已成为城市一种稳定、可靠的水源，并制定了相应的水质标准。其污水经处理后主要用于农田灌溉、城市中国农业科学院 硕 士学位论文 第一章 绪论 3 工业及市政杂用、河道补给等。日本直接回用于农业灌溉的污水占的比重较小，其原因之一是需限制以水稻种植为主的灌溉水中的氮 (特别是氨氮 )含量，故绝大部分污水回用，是污水处理厂出水排入地面水体经稀释缓冲后被间接回用。 生水 利用 的 研究 国外在再生水农业利用方面的研究较多，研究对象包括蔬菜、瓜果、粮食作物等多方面。 例如 约旦学者 进行清水和再生水不同混合比例下对西红柿质量影响试验。 用滴灌进行茄子 的 生长试验 ， 这些研究 对于再生水的农业利用具有较高的借鉴价值。 再生水灌溉后作物的食用安全，是各国相继研究的重点。欧洲国家的许多学者对再生水灌溉进行众多研究，意大利的 人应用经三级处理的再生水浇灌茴香和西红柿，灌溉方式为滴灌，结果 表明与清水灌溉后品质无明显差异。美国的 南部加州附近应用经消毒三级水灌溉的 5 年试验，以病原菌和寄生虫为追踪目标，通过检测认为这种水作为生吃作物的灌溉用水是安全的。 1995 年在以色列利用 500土地上应用二级再生水灌溉棉花、小麦、向日葵、玉米和各种胡椒，选择地下滴灌和地表滴灌及喷灌对比试验，结果表明再生水地下灌溉方式效果良好，但对水质要求较高。 人进行类似试验，葡萄园应用地下滴灌和地表滴灌两种方式，结果认为即使是低质量的再生水在合适的灌溉方式下也能被利用，对健康和环境的危害相对较小。 灌溉方式不同对再生水的利用将产生不同的环境影响，通过 应用污水处理厂的 再生水， 经过氧化塘稳定后 ， 种植红萝卜和莴苣， 采用的 灌溉方式为沟灌和滴灌等四种类型，以比较在不同灌溉方式下再生水应用的安全性。在作物和灌溉方式一定的情况 下，作物的污染情况和土壤及水质情况紧密相关，但仍然认为污染较少的 灌溉方式和较好的水质能最大限度的减小病菌传播的风险。Z. 人 对美国加州的 域 经过再生水灌溉愈 80 年的土壤的物理指标、化学及生物指标进行了检测，并同没有应用再生水灌溉的土壤进行对照，结果显示再生水长期 灌溉的土壤与未经再生水灌溉的土壤的性质差别很小，且测定值均在标准规定范围之内，只是再生水灌溉的土壤孔隙率和 量明显低于对照。对于再生水中各种污染物质在土壤中累计现象，二者没有明显差别。这个例子显示较好水质的再生水对土壤的长期影响较小，在一定程度上能满足土壤的可持续利用。 国外对 经过若干年污水灌溉的土壤进行调查研究，结果表明经过若干年的污水灌溉土壤性质虽然未有出现明显的退化现象，但是 进一步灌溉即使应用经处理的城市污水可能会增加土壤的盐度和碱度，给 以后的农业生产带来 不利影响 。利用处理过的污水进行灌溉农田也必 将接纳这些重金属等有害物质，经过长期灌溉后不同水质的再生水必将对土壤的可持续利用带来不同程度的影响。而针对具体水质的再生水和对具体土壤的这种影响到底有多大还需要进行实验研究。 中国农业科学院 硕 士学位论文 第一章 绪论 4 内 再生水 农业利用 生水 农业利用 的 潜