城市二级污水灌溉对3种草坪草生理特性及土壤性状的影响

雷 琼，李 辉

(临沂大学农林科学学院，山东 临沂 276005)

【研究意义】近年来，随着中国城市化进程的飞速发展，城市绿地面积日益增加，绿地用水供需矛盾在缺水地区逐渐凸显出来[1-3]。以草坪为例，根据郑茜等在兰州地区的研究，在微喷灌条件下，兰州地区草坪年需水量约18 730.26 m3/hm2[4]，该数据说明人们在享受草坪带来环境效益的同时，又面临着解决草坪草生长所需灌溉用水的问题。城市二级污水是指工业废水与生活污水进入城市污水处理厂，经二级处理后排放的水的总称[5]。研究表明，在城市绿地灌溉中合理利用污水代替自来水是一个非常有利的节水措施[6-7]。采用城市二级污水灌溉草坪，不仅可以缓解水资源紧缺的压力，而且还能为草坪生长提供一定的营养元素[8-9]。但限于经济和技术的原因，城市二级污水中仍然存在危害土壤和植物生长的重金属及大量的溶解性盐类[10]。【前人研究进展】近年来，围绕污水灌溉对园林植物及土壤的影响方面，国内相继开展了相关研究，如周益奇[11]等用污水对北京不同城市绿地进行灌溉，发现污水灌溉的土壤重金属(铬、镍、铜、锌、铅)主要在表层富集，但与对照相比没有显著差异；李竞等[12]对8种河北省常见园林植物进行为期3年灌溉试验发现，污水灌溉条件下5种植物土壤全盐含量较对照差异不显著，3种植物差异显著，李河等[13]在内蒙古开展的灌溉研究发现污水灌溉提高了黑麦草土壤全盐含量，但短期内污水灌溉下的土壤不会对其生长产生盐害；在污水对植物生长的影响方面，李翔[14]、王有国等[15]开展的试验表明污水灌溉处理对几种园林植物的个别生长指标存在一定影响，但未造成胁迫危害。目前，一些城市已经尝试性的运用污水进行绿地灌溉[16]，然而相关研究主要集中在土壤-作物系统对污水中污染物累积的测定以及污水对植物生长及表观质量的影响方面，关于污水灌溉对植物生理特性方面影响的研究不多，且由于受区域土壤类型、植物种类、灌溉时间等因素的影响导致污水灌溉对城市绿地及植物生长的影响研究结果存在不同，如S.Baón等[17]的研究认为污水灌导致植物叶片中过量吸收Cl和Na而不利于植物的生长；孙红星等[18]等用污水对5种木本园林植物进行灌溉亦发现，污水灌溉改变了种植在不同土壤的各绿化树种株高生长状况。【本研究切入点】鉴于此，本实验针对北方城市绿地几种常见的冷季型草坪草(高羊茅、早熟禾、黑麦草)，选取临沂地区草坪建植常见的褐土为实验土壤，通过测定叶片叶绿素、细胞膜透性、丙二醛(MDA)、过氧化氢酶(CAT)及土壤速效养分、土壤全N、土壤全盐量等指标，观察其含量或活性变化规律。【拟解决的关键问题】旨在从植物生理指标、土壤肥力及土壤盐分变化方面探讨城市二级污水灌溉对草坪草生理特性和土壤化学性状的影响，为城市污水资源利用提供进一步的理论依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料

实验于2016年3月12日在临沂大学水土保持与环境保育研究实验室进行，灌溉用水为自来水和临沂河东区首创污水处理厂二级出水(工业和生活混合出水)，水质检测结果见表1。实验草坪草草种选用高羊茅(Festucaarundinacea)品种爱瑞三号(Erie III)、草地早熟禾(Poaannua)品种肯塔基(Kentucky)、黑麦草(Loliumperenne)品种凯蒂莎(Caddieshack)3种北方常用的草坪草，草种均购于内蒙古赤峰塞诺园艺有限公司，供试土壤为临沂草坪建植常见褐土，取自临沂河东区汤河镇东岭村苗圃地内，土壤基本性状见表2。

表1 城市二级污水指标

表2 供试土壤基本性状

1.2 实验方法

实验采用盆栽对比法。2016年4月12日取土风干，4月23日将风干后的土壤过2 mm筛，装入有孔塑料花盆(20 cm×16 cm)，每盆装土3.0 kg，浇透水，未施肥(避免外来肥源对土壤养分供给的影响)，于阴凉处静置2 d后，于4月25日播种，每盆播种量为0.15 g，先用自来水浇灌，于播种37 d后选取长势均一的植株进行污水灌溉实验，每种草设污灌(二级污水灌溉)和对照(自来水灌溉)两种处理，每种处理6次重复，随机区组排列。视天气情况每隔3～5 d进行灌溉，每盆浇350 mL水。自2016年7月2日开始，每隔1个月测定每盆草坪草各项生理指标1次，共测4次；为避免生长期取土对草坪草生长带来的影响，土壤性状指标在最后一次生理指标测定取样完毕后进行测定，共测1次。

1.3 指标则定及数据分析

1.3.1 生理指标的测定 草坪草叶绿素含量采用丙酮浸提法测定，细胞膜透性采用电导法测定，过氧化氢酶(CAT)活性采用高锰酸钾滴定法测定，丙二醛(MDA)含量采用分光光度计测定[19]。

1.3.2 壤性状指标的测定 各生理指标取样测定完毕后，3种草坪草各处理分别进行土壤取样，进行土壤理化指标测定。所取土样在实验室内风干碾碎、分别过筛处理后用于测定土壤全氮、速效磷、速效钾、土壤pH值和土壤盐分含量。测定方法参照鲍士旦编著《土壤农化分析》[20]书中的方法。

1.3.3 数据分析 所得数据利用Excel2013和SPSS16.0统计软件进行统计分析，采用独立样本t检验对2种灌溉水源间的草坪草生理特性和土壤性状进行显著性方差分析，差异显著水平α=0.05。

2 结果与分析

2.1 污水灌溉对草坪草叶绿素含量的影响

植物叶片叶绿素含量的高低直接影响着植物光合作用的光能利用效率，是衡量植物生长状况的重要指标之一，叶绿素含量高则草坪草长势好[21]。测定结果表明(表3～4)，二级污水灌溉提高了3种草坪草叶片叶绿素含量。与对照相比，高羊茅、早熟禾、黑麦草叶绿素a含量增幅分别为11.42 %～14.51 %、12.39 %～22.02 %、24.63 %～36.10 %，叶绿素b含量3种草坪草增幅依次为21.19 %～31.56 %、22.39 %～27.43 %、40.87 %～54.48 %。统计分析表明，高羊茅叶绿素a含量在8月2种处理差异显著，其余月份差异不显著，而各月份叶绿素b含量则是2种处理差异显著；早熟禾、黑麦草叶绿素a和叶绿素b含量2种处理各月测定值都达到差异显著水平，说明二级污水灌溉能促进3种草坪草叶绿素的合成。

2.2 污水灌溉对草坪草细胞膜透性的影响

细胞膜透性是植物响应逆境的重要生理指标，细胞膜透性越大，表明逆境对植物的伤害就越大[22]。测定结果(表5)表明，二级污水灌溉显著提高了3种草坪草的细胞膜透性，与对照相比，早熟禾污灌处理细胞膜透性增幅最大，其4次测定的平均值为8.95 %，较对照处理(7.35 %)增加了21.76 %，其次是黑麦草、高羊茅，平均增幅分别为17.20 %，12.71 %。从各月变化来看，高羊茅、早熟禾、黑麦草污灌处理细胞膜透性较对照处理增幅依次为11.57 %～14.36 %、17.08 %～25.76 %、14.19 %～20.10 %，统计分析表明，3种草坪草两种处理各月份细胞膜透性差异均达到显著水平，说明污水灌溉对3种草坪草细胞膜透性均产生了不利的影响。

表4 不同水源灌溉处理3种草坪草叶绿素b含量比较

表5 不同水源灌溉处理三种草坪草细胞膜透性比较

2.3 污水灌溉对草坪草过氧化氢酶(CAT)活性的影响

CAT能清除掉植物遭受逆境伤害时产生的H2O2，是植物体内重要的酶促防御系统之一[23]。由表6可知：二级污水灌溉条件下，高羊茅、早熟禾植物体内的CAT活性增强，其中高羊茅、早熟禾污灌处理CAT活性平均值分别为359.68、277.29 mg·g-1·min-1，与对照(CAT活性均值顺次为283.43、263.09 mg·g-1·min-1)相比，分别提高了26.90 %、5.39 %；黑麦草则相反，其污灌处理CAT平均值为210.39 mg·g-1·min-1，较对照处理(264.75 mg·g-1·min-1)降低了20.52 %，显然，二级污水灌溉对黑麦草CAT活性产生了不利的影响。对比7-10月的CAT活性变化，高羊茅、早熟和、黑麦草污灌处理较对照处理CAT活性变化幅度分别为25.23 %～28.64 %、1.63 %～8.48 %、-21.26 %～-19.26 %，统计分析表明，高羊茅、黑麦草CAT活性2种处理差异达到显著水平，而早熟禾则无明显差异。

表6 不同水源灌溉处理3种草坪草过氧化氢酶(CAT)活性比较

2.4 污水灌溉对草坪草丙二醛(MDA)含量的影响

由表7可知，二级污水灌溉提高了的3种草坪草叶片中MDA含量。对照相比，早熟禾MDA污灌处理平均值为0.3239 μmol·g-1，较对照处理(平均值为0.2645 μmol·g-1)增加了22.46 %，增幅最大。其次是高羊茅、黑麦草，MDA含量平均值依次为0.2701、0.3292 μmol·g-1，较对照处理(MDA均值依次为0.2565、0.3239 μmol·g-1)分别增加了5.30 %、1.64 %。从各月变化来看(7-10月)，高羊茅、早熟禾、黑麦草MDA含量增幅分别为1.87 %～9.88 %、20.07 %～24.10 %、0.49 %～4.30 %，但各月份污水灌溉与对照之间MDA含量差异均未达到显著水平。

表7 不同水源灌溉处理3种草坪草丙二醛(MDA)含量比较

2.5 污灌对土壤养分的影响

2种灌溉处理土壤养分含量变化结果见表8。与对照相比，3种草坪草污灌处理土壤全氮、速效磷、速效钾含量均有所增加。尤其是土壤速效钾含量，早熟禾、高羊茅、黑麦草3种草坪草污灌处理速效钾含量分别是140.42、161.45、161.96 mg/kg，较对照处理分别增加11.65、13.37、12.18 mg/kg,增加百分数依次为10.38 %、9.03 %、8.13 %。统计分析表明3种草坪草2种处理速效钾含量差异显著。早熟禾污灌处理土壤速效磷较对照处理增加4.54 mg/kg，增加百分数为15.6 %，而高羊茅与黑麦草两种处理速效磷含量均无明显变化。3种草坪草土壤全氮含量2种处理差异不显著，但均呈增加趋势，早熟禾、高羊茅、黑麦草污灌处理较对照处理分别增加了6.48 %、3.58 %、3.37 %。

表8 不同水源灌溉处理土壤养分含量变化情况

可见，3种草坪草污灌处理土壤全氮、土壤速效磷略有增加，但差异不显著，速效钾养分明显增加，原因可能与植物对养分吸收不同和污水中含有一定氮磷钾养分有关，但由于本实验灌溉周期较短，除速效钾外，污水对土壤肥力指标的影响不大，推测长期灌溉对土壤肥力的提高是有利的。

2.6 污灌对土壤全盐量及pH值的影响

从表9可以看出，污水灌溉对增加了土壤中全盐含量。早熟禾、高羊茅、黑麦草污灌处理土壤全盐含量分别是0.074 %、0.075 %、0.067 %，与对照相比，3种草坪草分别增加了4.23 %、2.74 %、3.08 %。统计分析表明，3种草坪草2种处理土壤全盐含量差异均不显著。不过，需要注意的是，3种草坪草两种处理土壤全盐含量均比原土样高(0.067 %)，原因可能与2种水源中含钠离子有关(见表1)，并且污水中的钠离子含量(27.5 μg·mL-1)远高于自来水中的钠离子含量(2.008 μg·mL-1)，这可能是污灌处理土壤全盐含量高于对照处理土壤全盐含量的原因。本实验3种草坪草污灌处理全盐含量虽然较对照处理增加趋势明显，但尚未达到土壤轻度盐渍化(0.1 %)水平，如要长期使用污水灌溉需要特别监控，以防避盐分在土壤中积累。

表9 不同水源灌溉处理土壤全盐量及土壤pH值变化情况

土壤pH值测定结果表明，污水灌溉对土壤pH值影响总体为增加趋势，与对照相比，pH值增幅范围在0.12～0.03之间，最大增幅达到0.11个单位。统计分析表明，2种处理除黑麦草pH值达显著差异水平外，早熟禾、高羊茅土壤pH值差异均不显著。从3种草坪草生长状况来看，3种草坪草暂时也没有受到影响。

3 讨 论

(1)利用城市二级污水对3种草坪草进行灌溉，显著提高了3种草坪草的叶绿素含量。这也与大多数学者的研究结果一致[21-26]。本研究中，污水灌溉处理叶绿素含量增高原因可能与二级污水中含有一定浓度的营养元素有关。其中，二级污水中氨氮含量大约是自来水中氨氮含量的500倍，而氮素是合成叶绿素的必要组分。因此，与对照相比，采用二级污水灌溉能补充草坪草所需的一部分养分，从而有利于草坪草的生长。

(2)细胞膜透性、CAT活性是植物响应逆境的重要生理指标，能够有效反映植物细胞膜的受伤害程度和植物遭受逆境伤害时的酶促防御能力[26]。测定结果表明，污水灌溉显著提高了3种草坪草的细胞膜透性，对草坪草的细胞膜系统产生了不利的影响，李翔[14]、杨嫦丽[24]等对其它园林植物进行污水灌溉研究也曾得出类似的结果。从CAT活性分析来看，除黑麦草外，污水灌溉处理增强了高羊茅和早熟禾的CAT酶活性，从而提高了两种草坪草对污水胁迫环境的抗逆能力，减轻了因为细胞膜透性增大而带来的伤害，MDA分析也印证了这一点，MDA是植物细胞膜脂过氧化产物，MDA含量高，说明植物细胞膜质过氧化程度高，细胞膜受到的伤害越严重[21]。本研究中二级污水灌溉提高了3种草坪草植物体内MDA含量，但与对照处理差异都不显著，说明二级污水灌溉对3种草坪草的生长没有产生明显不利的影响，相关研究也表明，污水短期灌溉可能会改变绿地植物的一些生理特性，但对其正常生长影响并不明显[21-26]。

(3)3种草坪草的污灌处理中土壤全氮、土壤速效磷略有增加，速效钾显著增加。原因可能与植物对养分吸收不同和污水中含有一定氮磷钾养分有关。这与Chang等[27]对草坪草进行污水灌溉的研究结果一致。由于本实验灌溉周期较短，除速效钾外，污水对土壤肥力指标的影响不大，推测长期灌溉对土壤肥力的提高是有利的。

(4)与李河[13]等研究得出的结果一致，二级污水污灌提高了土壤全盐含量和pH值。除黑麦草两种处理pH值差异显著外，其余处理两个指标与对照相比差异均不显著。说明污水灌溉在短期内对土壤全盐含量和pH值变化影响不大，对草坪草生长暂时不会产生盐害。

4 结 论

二级污水短期灌溉对3种草坪草的生理和土壤性状指标产生了正负两方面的影响，但未对3种草坪草生长造成胁迫危害和引起土壤盐渍化；长期灌溉是否会对草坪草生长产生不利影响，土壤pH值、盐分是否会继续积累，还需要加强监控和进一步的试验来验证。