再生水重金属元素对小麦影响的研究进展

肖磊,刘博

（1.邯郸市农业科学院,河北邯郸056001；2.山西省农业科学院小麦研究所,山西临汾041000）

再生水重金属元素对小麦影响的研究进展

肖磊1,刘博2

（1.邯郸市农业科学院,河北邯郸056001；2.山西省农业科学院小麦研究所,山西临汾041000）

污水再生回用于麦田灌溉对缓解我国的水资源危机具有重要意义,而再生水中的重金属元素会对小麦产生抑制作用,也可经食物链途径毒害人体,是阻碍污水再生利用的重要因素之一.简述了再生水重金属元素对小麦萌发的影响,分析了重金属在小麦及土壤中的累积效应.认为再生水重金属元素影响小麦生长方面的研究有待开展,且有必要挖掘小麦吸收重金属元素的敏感期.对于易造成重金属污染风险的铬（Cr）、铅（Pb）、汞（Hg）和镉（Cd）等元素应做好预测、预报工作,同时在生产上宜选用再生水滴灌或与清水混灌及轮灌的方式来降低重金属污染的风险.

再生水；重金属；小麦；研究进展

我国是一个以农业为基础但水资源短缺的国家.农业作为生产上的用水大户,进一步加剧了我国水资源紧缺问题.污水再生回用于农业灌溉是一项缓解水资源危机的有效路径,许多国家都开展了再生水回用于农业灌溉的研究与利用工作.

美国是世界上最早利用处理后的污水进行农业灌溉的国家之一.目前,美国建立了470多个再生水灌溉工程用于农田灌溉,灌溉用水量约占总再生水量的62%[1].在水资源严重短缺的以色列,91%的工业及生活污水经过处理,约42%用于农业灌溉,每年灌水量大约有3亿m3[1-3].日本从1997年开始将农村污水进行收集并处理,处理后的水质较稳定,多数用于灌溉水稻或果园.作为农业大国的印度,随着人口的增加、经济的增长,水资源短缺问题更加严峻,每年城市污水经处理后约一半用于农业灌溉[1-2].捷克运用生化曝气池与机械处理相结合的方法来处理污水回用于农田灌溉.在墨西哥利用经过处理的城市污水灌溉的农田面积约9万hm2.其他国家例如巴西、希腊等也在尝试着利用再生水灌溉农田[2].

由于政策、技术以及资金等方面的影响,我国再生水农业利用较国外相对滞后多年.随着水资源短缺问题的加剧、污水的排放量增加以及水污染企业向中小城市、乡镇农村扩展等方面的影响,污水再生回用于农业灌溉才得以发展.目前我国农业灌溉用水量的7.3%来自于污水再生利用.这些区域多集中于我国北方水资源匮乏的黄淮海辽四大流域,占全国再生水灌溉面积的85%左右,对缓解水资源危机有着重要的现实意义[2].

小麦是我国的主要粮食作物,也是重要的灌溉耗水作物[4].利用再生水回用于麦田灌溉,一方面可以缓解我国的水资源危机；另一方面,因再生水含有大量及微量营养元素,可以减少肥料的投入,节约了成本.然而,污水中除含有对植物生长有益的物质外,还含有致病菌、挥发酚、重金属元素等有害物质,带来相应的负面效应.其中,重金属元素具有难降解、毒性强及累积效应等特点,会对小麦产生伤害,也可经各种食物链形式毒害人体[5-7].因此,本文就再生水重金属元素对小麦的影响进行了分析,以期为再生水麦田灌溉的研究与安全利用提供参考.

1 再生水重金属对小麦萌发的影响

种子萌发的优劣决定着播种后成苗的质量以及植株的生长发育状况.许多学者从萌发的形态学方面研究了再生水重金属元素对小麦的影响,而关于小麦萌发期生理变化的研究相对较少,有待进一步开展.王文萍等[8]研究发现,当再生水中含有低质量浓度的Pb（≤10 mg/L）和Cd（≤1.0 mg/L）时可促进种子萌发以及根系生长,而中、高质量浓度的Pb和Cd会表现出抑制作用,且随着重金属质量浓度的升高抑制作用愈强.此外,低质量浓度的Cr（Ⅵ,＜1 mg/L）对小麦各项发芽指标无显著影响,而高质量浓度的Cr会抑制小麦种子萌发,显著降低芽长、根长和鲜质量,且表现出质量浓度效应.其中,根对Cr的反应最敏感[9].

2 再生水重金属累积效应

污水是再生水的基础水源,是工业发展与人类活动的产物.因工业运转和人们活动在时空上具有可变性,引起污水的水质存在差异,经处理后所得再生水在重金属含量与成分方面不同,也不明确.经再生水灌溉引起的重金属累积是人类所担忧的问题.一般认为,重金属可以在小麦及土壤中产生累积现象,经食物链或直接食用小麦籽粒而对人类产生毒害.为消除人们的疑惑,并为再生水的合理利用提供科学依据,有不少学者研究了不同来源的再生水灌溉麦田所引起的重金属累积效应.

2.1 重金属在小麦中的含量、分布及动向

重金属在小麦中的累积效应与再生水重金属浓度有关.杨军等[10]研究发现,再生水重金属浓度远低于农田灌溉水质标准时,不会引起小麦籽粒的重金属含量超标.再生水灌溉后重金属在小麦体内的含量与分布因不同部位而异,且不同元素在小麦体内的累积存在差异.

再生水重金属在小麦体内的累积,尤其是在籽粒中的累积,可直接暴露于人体,产生毒害.许多学者应用再生水浇灌小麦后发现,短期的再生水利用虽引起小麦体内重金属出现累积现象,但并未超出国家规定标准[11-15].张麦生等[16]应用再生水进行的盆栽浇灌小麦试验表明,小麦根、茎与叶中具有低含量的重金属,而在籽粒中仅含有少量Cr.王爱芹等[17]研究指出,重金属在小麦体内的累积分布表现为根＞茎＞籽粒.此外,再生水中重金属的种类也会造成小麦重金属含量与分布存在差异.张航等[18]研究表明,重金属在小麦体内的累积趋势为Zn>Pb>Cu>Cd.杜娟等[19]测定了收割后的作物重金属含量发现,重金属在小麦体内的累积趋势为Zn＞Cu＞As＞Cd.其中,Pb含量分布趋势为根>茎>籽粒,Cu及Zn分布趋势为根>籽粒>茎[4,18].而有关Cd的分布趋势目前研究结论不统一,今后还应继续并深入开展相关研究.小麦对重金属吸收的敏感期浇灌也会影响到重金属在小麦中的累积.胡艳玲等[20]研究了微污染水灌溉小麦后重金属Cd的动态变化发现,灌浆期灌水易引起小麦吸收重金属Cd.数据分析显示,Cr、Pb、Hg和Cd会引起累积现象,存在安全风险[4,16,18],是今后重点监测与评价的重金属元素.

2.2 重金属在土壤中的含量、分布及动向

土壤是作物赖以生存的基质[21].再生水浇灌小麦暴露于土壤的重金属会经食物链毒害人体,威胁人类的健康.因此,再生水灌溉小麦引发的土壤重金属累积现象不容忽视.大量研究证实,短期使用再生水灌溉小麦,重金属在土壤中会形成一定累积[10,15,19],且这些重金属多分布于土壤表层,作物的种植会加大重金属向下迁移趋势[19].马福生等[22]研究了再生水以及再生水与清水交替灌溉小麦后土壤重金属含量情况发现,0~20 cm表层土壤的重金属含量低于《土壤环境质量标准》二级标准限值要求,经再生水灌溉对表层土壤的重金属无显著影响.

目前,关于再生水灌溉引起的土壤重金属累积多集中于短期的研究,随着灌溉次数增加以及时间的延续,探讨土壤重金属累积,尤其是作物非必需元素是否超出国家标准对社会的可持续发展具有重要意义.Ortega-larrocea等[23]对墨西哥Mezquital河谷几处具有5 a及90 a污灌史的土壤进行比较发现,重金属在土壤中的累积程度与污水灌溉时间密切相关,几种重金属引起累积程度与灌溉史的相关度为Cu>Ni>Cr>Zn>Pb.韩冰[24]调查了较长时间应用污水灌溉的白银市重金属累积效应发现,土壤中的重金属Cd、Pb、Cu、Zn、Hg及As的含量明显升高.邓金锋等[25]对北京市东南郊再生水灌溉后土壤中Cd的积累进行了模拟和预测,如果按再生水Cd含量10 mg/m3、土壤Cd含量为0.133 3 mg/kg计算,土壤中的Cd含量将在40 a之后超出国家土壤环境标准.如果再生水Cd含量降到5 mg/m3时,土壤中Cd含量将会在100 a之后达到国家土壤环境质量标准的阈值.此外,再生水水质也会影响土壤重金属累积.Manios等[26]研究指出,土壤中重金属元素的累积随污水重金属浓度的增加而加大.因此,再生水的利用应结合污水处理技术尽可能降低Cd含量.对于长期利用再生水灌溉小麦的区域,应做好重金属（尤其是Cd、Pb、Cu、Zn、Hg、As、Ni及Cr）的预测与监测工作,同时有必要在土壤重金属污染区开展土壤的修复及改良工作.

3 不同灌溉条件下土壤重金属累积效应

土壤重金属的累积因元素种类、灌溉方式、灌溉技术及灌水方式等而存在差异.再生水与清水混灌及轮灌较纯灌可以减少土壤Pb含量,但对土壤Cd含量没有明显的降低效果.从灌溉技术（沟灌、地下滴灌）与灌水方式（充分灌溉、分根交替灌溉）来看,充分灌水小区的土壤Cd含量高于分根交替灌水小区,充分灌溉条件下再生水滴灌小区低于沟灌小区.土壤中Pb含量的变化与Cd基本相似,无论充分灌溉还是分根交替灌溉条件下均为滴灌低于沟灌[4,27].因此,合理的灌溉方式、灌溉技术以及灌水方式对保障再生水的安全利用也具有重要意义.

4 结语

萌发作为小麦生活史的初始阶段,引起许多学者的广泛关注,从形态学方面探讨了再生水重金属元素对小麦萌发的影响.当再生水中Pb质量浓度小于10 mg/L以及Cd质量浓度小于1.0 mg/L时可促进种子萌发和根系生长；当Cr质量浓度小于1 mg/L时对小麦各项发芽指标无显著影响.关于再生水重金属元素影响小麦萌发的生理变化相对较少,今后有待进一步揭示其影响机理.

再生水重金属含量超过小麦耐受阈值时会对小麦生长发育产生伤害,进而影响小麦产量及品质.目前,有关再生水重金属对小麦的影响主要是考虑重金属个体或是再生水整体的效果[7,28-29],而未将再生水与重金属联系起来探讨小麦的影响.这样评价再生水重金属元素对小麦生长的影响存在一定片面性.因此,今后应重点研究再生水重金属与小麦生长规律的相关性研究,以便通过小麦的生理生态响应做出判断重金属的含量标准或依据重金属的量,预知小麦可能遭受的生态毒理学效应,及时采取措施将危害降到最小.

重金属在小麦体中的累积主要由土壤重金属本底值以及再生水重金属含量有关,不同元素在小麦体内的累积效应存在差异.有关小麦吸收重金属元素的敏感期有待进一步挖掘,避免敏感期利用再生水浇灌小麦,进而降低重金属在小麦体内的富集作用.

短期的再生水灌溉麦田不会引起土壤污染,但存在一定安全风险,Cr、Pb等小麦非必需元素易在小麦体中富集而超标.对于长期应用再生水灌溉的麦田,应重点监测Cd、Pb、Cu、Zn、Hg、As、Ni及Cr等元素.在灌溉方式方面,利用再生水浇灌小麦时宜选用滴灌或再生水与清水混灌及轮灌的方式来降低重金属污染的风险.

参考文献：

[1]金建华,孙书洪,王仰仁.再生水灌溉的研究进展[J].节水灌溉,2009（5）：30-34,38.

[2]代志远,高宝珠.再生水灌溉研究进展[J].水资源保护,2014,30（1）：8-13.

[3]USEPA.Guidelines for Water Reuse[M].Washington：USAgencyfor international development Washington,DC.2004.

[4]居煇,李康,姜帅,等.再生水灌溉冬小麦的铅和镉累积分布研究[J].农业环境科学学报,2011,30（1）：78-83.

[5]刘洪禄,吴文勇,郝仲勇,等.再生水灌溉水质安全性分析与评价研究[J].灌溉排水学报,2008,27（3）：9-12.

[6]郭逍宇,董志,宫辉力,等.再生水对作物种子萌发、幼苗生长及抗氧化系统的影响[J].环境科学学报,2006,26（8）：1337-1342.

[7]李康,居辉,赵颖,等.再生水灌溉对冬小麦形态及光合特性的影响[J].麦类作物学报,2006,26（6）：145-148.

[8]王文萍,黄占斌,毕涛,等.再生水及重金属Pb/Cd对种子萌发和成苗的影响[J].灌溉排水学报,2010,29（2）：81-84.

[9]王军涛,刘洪禄,吴文勇,等.水培条件下重金属Cr（Ⅵ）对作物种子萌发影响的试验研究[J].农业工程学报,2008,24（6）：222-225.

[10]杨军,陈同斌,雷梅,等.北京市再生水灌溉对土壤、农作物的重金属污染风险[J].自然资源学报,2011,26（2）：209-217.

[11]李玉明,程波,陈凌,等.城市再生水灌溉对农田环境的影响评价研究[J].农业环境科学学报,2007,26（增刊1）：697-703.

[12]李玉明,程波,张泽,等.城市再生水灌溉对农田环境的影响评价研究[J].农业环境科学学报,2006,25（增刊1）：550-555.

[13]刘帆,程波,张志敏,等.城市再生水灌溉区作物重金属的健康风险研究[J].中国农学通报,2008,24（4）：445-449.

[14]万亮婷,齐学斌.污水灌溉对冬小麦产量及其品质的影响[J].干旱地区农业研究,2007,25（5）：99-103.

[15]巫常林,黄冠华,刘洪禄,等.再生水短期灌溉对土壤-作物中重金属分布影响的试验研究[J].农业工程学报,2006,22（7）：91-96.

[16]张麦生,蒋爱凤,胡喜巧,等.不同水源灌溉冬小麦盆栽试验[J].贵州农业科学,2009,37（4）：35-37.

[17]王爱芹,王明森,辛宏杰,等.再生水灌溉条件对小麦品质、产量及重金属影响的试验研究[J].节水灌溉,2012（1）：18-21.

[18]张航,杨庆娥,孙红,等.不同水质灌溉对作物中重金属积累和分布影响的研究[J].科技情报开发与经济,2007,17（24）：191-193.

[19]杜娟,范瑜,钱新.再生水农灌过程中重金属迁移规律研究[J].环境污染与防治,2011,33（7）：74-77,82.

[20]胡艳玲,齐学斌,李平,等.微污染水灌溉对土壤-作物系统Cd动态的影响及小麦敏感期分析[J].中国农学通报,2015,31（20）：166-170.

[21]刘天学,常加忠,李敏,等.秸秆焚烧土壤提取液对小麦种子萌发和幼苗生长的影响[J].农业环境科学学报,2005,24（2）：252-255.

[22]马福生,刘洪禄,吴文勇,等.再生水灌溉对华北地区典型品种冬小麦影响的试验研究[J].灌溉排水学报,2013,32（6）：19-22.

[23]Ortega-Larrocea M P,Siebe C,Bécard G,et al.Impact of a century of waster water irrigation on the abundance of arbuscular mycorrhizal spores in the soil ofthe Mlezquital VallyofMexio[J].Applied Soil Ecology,2001,16（2）：149-157.

[24]韩冰.白银市污水灌溉对农田环境及小麦产量质量的影响研究[J].甘肃农业科技,1999（6）：46-47.

[25]邓金锋,焦志华,何晨玲,等.再生水灌溉土壤Cd累积的模拟和预测[J].灌溉排水学报,2008,27（2）：113-115.

[26]Manios T,Stentiford E I,Millner P.Removal of heavy metals from a metaliferous water solution by Typha latifolia plants and sew ager sludge compost[J].Chemosphere,2003,53（5）：487-494.

[27]齐学斌,李平,樊向阳,等.再生水灌溉方式对重金属在土壤中残留累积的影响[J].中国生态农业学报,2008,16（4）：839-842.

[28]宋玉芳,周启星,许华夏,等.重金属对土壤中小麦种子发芽与根伸长抑制的生态毒性[J].应用生态学报,2002,13（4）：459-462.

[29]马福生,刘洪禄,吴文勇,等.再生水灌溉对冬小麦根冠发育及产量的影响[J].农业工程学报,2008,24（2）：57-63.

（责任编辑：邓天福）

Research progress on the impacts of heavy metal from reclaimed water on wheat

XIAO Lei1,LIU Bo2
（1.Handan AcademyofAgricultural Sciences,Handan 056001,China；2.Wheat Research Institute, Shanxi AcademyofAgricultural Sciences,Linfen 041000,China）

It is very important for the water resource crisis to utilize reclaimed water to irrigate wheat fields. However,the heavy metal elements in reclaimed water can inhibit the wheat and poison the human body through food chain.It is one of the important factors that hinder reusing sewage.The effects of heavy metals on the germination of wheat and the accumulation effects of heavy metals in wheat and soil were analyzed in this paper.It is considered that the heavy metal elements in reclaimed water relating to the growth of wheat need to be carried out,and it is necessary to dig out the sensitive period of absorbing heavy metal elements.They should be forecasted for chromium, lead,mercury,cadmium and other elements that can easily lead to heavy metal pollution.The risk of heavy metal pollution can be reduced by using drip irrigation or reclaimed water mixing with fresh water in the production.

reclaimed water；heavy metal；wheat；research progress

S512.1

A

1008-7516（2016）03-0007-04

10.3969/j.issn.1008-7516.2016.03.002

2016-03-03

肖磊（1981―）,男,山东惠民人,助理研究员,硕士.主要从事小麦育种与栽培技术研究.

刘博（1983―）,男,河南灵宝人,助理研究员,硕士.主要从事大豆育种与栽培技术研究.