肖磊,劉博

（1.邯鄲市農業(yè)科學院,河北邯鄲056001；2.山西省農業(yè)科學院小麥研究所,山西臨汾041000）

再生水重金屬元素對小麥影響的研究進展

肖磊1,劉博2

（1.邯鄲市農業(yè)科學院,河北邯鄲056001；2.山西省農業(yè)科學院小麥研究所,山西臨汾041000）

污水再生回用于麥田灌溉對緩解我國的水資源危機具有重要意義,而再生水中的重金屬元素會對小麥產(chǎn)生抑制作用,也可經(jīng)食物鏈途徑毒害人體,是阻礙污水再生利用的重要因素之一.簡述了再生水重金屬元素對小麥萌發(fā)的影響,分析了重金屬在小麥及土壤中的累積效應.認為再生水重金屬元素影響小麥生長方面的研究有待開展,且有必要挖掘小麥吸收重金屬元素的敏感期.對于易造成重金屬污染風險的鉻（Cr）、鉛（Pb）、汞（Hg）和鎘（Cd）等元素應做好預測、預報工作,同時在生產(chǎn)上宜選用再生水滴灌或與清水混灌及輪灌的方式來降低重金屬污染的風險.

再生水；重金屬；小麥；研究進展

我國是一個以農業(yè)為基礎但水資源短缺的國家.農業(yè)作為生產(chǎn)上的用水大戶,進一步加劇了我國水資源緊缺問題.污水再生回用于農業(yè)灌溉是一項緩解水資源危機的有效路徑,許多國家都開展了再生水回用于農業(yè)灌溉的研究與利用工作.

美國是世界上最早利用處理后的污水進行農業(yè)灌溉的國家之一.目前,美國建立了470多個再生水灌溉工程用于農田灌溉,灌溉用水量約占總再生水量的62%[1].在水資源嚴重短缺的以色列,91%的工業(yè)及生活污水經(jīng)過處理,約42%用于農業(yè)灌溉,每年灌水量大約有3億m3[1-3].日本從1997年開始將農村污水進行收集并處理,處理后的水質較穩(wěn)定,多數(shù)用于灌溉水稻或果園.作為農業(yè)大國的印度,隨著人口的增加、經(jīng)濟的增長,水資源短缺問題更加嚴峻,每年城市污水經(jīng)處理后約一半用于農業(yè)灌溉[1-2].捷克運用生化曝氣池與機械處理相結合的方法來處理污水回用于農田灌溉.在墨西哥利用經(jīng)過處理的城市污水灌溉的農田面積約9萬hm2.其他國家例如巴西、希臘等也在嘗試著利用再生水灌溉農田[2].

由于政策、技術以及資金等方面的影響,我國再生水農業(yè)利用較國外相對滯后多年.隨著水資源短缺問題的加劇、污水的排放量增加以及水污染企業(yè)向中小城市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)農村擴展等方面的影響,污水再生回用于農業(yè)灌溉才得以發(fā)展.目前我國農業(yè)灌溉用水量的7.3%來自于污水再生利用.這些區(qū)域多集中于我國北方水資源匱乏的黃淮海遼四大流域,占全國再生水灌溉面積的85%左右,對緩解水資源危機有著重要的現(xiàn)實意義[2].

小麥是我國的主要糧食作物,也是重要的灌溉耗水作物[4].利用再生水回用于麥田灌溉,一方面可以緩解我國的水資源危機；另一方面,因再生水含有大量及微量營養(yǎng)元素,可以減少肥料的投入,節(jié)約了成本.然而,污水中除含有對植物生長有益的物質外,還含有致病菌、揮發(fā)酚、重金屬元素等有害物質,帶來相應的負面效應.其中,重金屬元素具有難降解、毒性強及累積效應等特點,會對小麥產(chǎn)生傷害,也可經(jīng)各種食物鏈形式毒害人體[5-7].因此,本文就再生水重金屬元素對小麥的影響進行了分析,以期為再生水麥田灌溉的研究與安全利用提供參考.

1 再生水重金屬對小麥萌發(fā)的影響

種子萌發(fā)的優(yōu)劣決定著播種后成苗的質量以及植株的生長發(fā)育狀況.許多學者從萌發(fā)的形態(tài)學方面研究了再生水重金屬元素對小麥的影響,而關于小麥萌發(fā)期生理變化的研究相對較少,有待進一步開展.王文萍等[8]研究發(fā)現(xiàn),當再生水中含有低質量濃度的Pb（≤10 mg/L）和Cd（≤1.0 mg/L）時可促進種子萌發(fā)以及根系生長,而中、高質量濃度的Pb和Cd會表現(xiàn)出抑制作用,且隨著重金屬質量濃度的升高抑制作用愈強.此外,低質量濃度的Cr（Ⅵ,＜1 mg/L）對小麥各項發(fā)芽指標無顯著影響,而高質量濃度的Cr會抑制小麥種子萌發(fā),顯著降低芽長、根長和鮮質量,且表現(xiàn)出質量濃度效應.其中,根對Cr的反應最敏感[9].

2 再生水重金屬累積效應

污水是再生水的基礎水源,是工業(yè)發(fā)展與人類活動的產(chǎn)物.因工業(yè)運轉和人們活動在時空上具有可變性,引起污水的水質存在差異,經(jīng)處理后所得再生水在重金屬含量與成分方面不同,也不明確.經(jīng)再生水灌溉引起的重金屬累積是人類所擔憂的問題.一般認為,重金屬可以在小麥及土壤中產(chǎn)生累積現(xiàn)象,經(jīng)食物鏈或直接食用小麥籽粒而對人類產(chǎn)生毒害.為消除人們的疑惑,并為再生水的合理利用提供科學依據(jù),有不少學者研究了不同來源的再生水灌溉麥田所引起的重金屬累積效應.

2.1 重金屬在小麥中的含量、分布及動向

重金屬在小麥中的累積效應與再生水重金屬濃度有關.楊軍等[10]研究發(fā)現(xiàn),再生水重金屬濃度遠低于農田灌溉水質標準時,不會引起小麥籽粒的重金屬含量超標.再生水灌溉后重金屬在小麥體內的含量與分布因不同部位而異,且不同元素在小麥體內的累積存在差異.

再生水重金屬在小麥體內的累積,尤其是在籽粒中的累積,可直接暴露于人體,產(chǎn)生毒害.許多學者應用再生水澆灌小麥后發(fā)現(xiàn),短期的再生水利用雖引起小麥體內重金屬出現(xiàn)累積現(xiàn)象,但并未超出國家規(guī)定標準[11-15].張麥生等[16]應用再生水進行的盆栽澆灌小麥試驗表明,小麥根、莖與葉中具有低含量的重金屬,而在籽粒中僅含有少量Cr.王愛芹等[17]研究指出,重金屬在小麥體內的累積分布表現(xiàn)為根＞莖＞籽粒.此外,再生水中重金屬的種類也會造成小麥重金屬含量與分布存在差異.張航等[18]研究表明,重金屬在小麥體內的累積趨勢為Zn>Pb>Cu>Cd.杜娟等[19]測定了收割后的作物重金屬含量發(fā)現(xiàn),重金屬在小麥體內的累積趨勢為Zn＞Cu＞As＞Cd.其中,Pb含量分布趨勢為根>莖>籽粒,Cu及Zn分布趨勢為根>籽粒>莖[4,18].而有關Cd的分布趨勢目前研究結論不統(tǒng)一,今后還應繼續(xù)并深入開展相關研究.小麥對重金屬吸收的敏感期澆灌也會影響到重金屬在小麥中的累積.胡艷玲等[20]研究了微污染水灌溉小麥后重金屬Cd的動態(tài)變化發(fā)現(xiàn),灌漿期灌水易引起小麥吸收重金屬Cd.數(shù)據(jù)分析顯示,Cr、Pb、Hg和Cd會引起累積現(xiàn)象,存在安全風險[4,16,18],是今后重點監(jiān)測與評價的重金屬元素.

2.2 重金屬在土壤中的含量、分布及動向

土壤是作物賴以生存的基質[21].再生水澆灌小麥暴露于土壤的重金屬會經(jīng)食物鏈毒害人體,威脅人類的健康.因此,再生水灌溉小麥引發(fā)的土壤重金屬累積現(xiàn)象不容忽視.大量研究證實,短期使用再生水灌溉小麥,重金屬在土壤中會形成一定累積[10,15,19],且這些重金屬多分布于土壤表層,作物的種植會加大重金屬向下遷移趨勢[19].馬福生等[22]研究了再生水以及再生水與清水交替灌溉小麥后土壤重金屬含量情況發(fā)現(xiàn),0~20 cm表層土壤的重金屬含量低于《土壤環(huán)境質量標準》二級標準限值要求,經(jīng)再生水灌溉對表層土壤的重金屬無顯著影響.

目前,關于再生水灌溉引起的土壤重金屬累積多集中于短期的研究,隨著灌溉次數(shù)增加以及時間的延續(xù),探討土壤重金屬累積,尤其是作物非必需元素是否超出國家標準對社會的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義.Ortega-larrocea等[23]對墨西哥Mezquital河谷幾處具有5 a及90 a污灌史的土壤進行比較發(fā)現(xiàn),重金屬在土壤中的累積程度與污水灌溉時間密切相關,幾種重金屬引起累積程度與灌溉史的相關度為Cu>Ni>Cr>Zn>Pb.韓冰[24]調查了較長時間應用污水灌溉的白銀市重金屬累積效應發(fā)現(xiàn),土壤中的重金屬Cd、Pb、Cu、Zn、Hg及As的含量明顯升高.鄧金鋒等[25]對北京市東南郊再生水灌溉后土壤中Cd的積累進行了模擬和預測,如果按再生水Cd含量10 mg/m3、土壤Cd含量為0.133 3 mg/kg計算,土壤中的Cd含量將在40 a之后超出國家土壤環(huán)境標準.如果再生水Cd含量降到5 mg/m3時,土壤中Cd含量將會在100 a之后達到國家土壤環(huán)境質量標準的閾值.此外,再生水水質也會影響土壤重金屬累積.Manios等[26]研究指出,土壤中重金屬元素的累積隨污水重金屬濃度的增加而加大.因此,再生水的利用應結合污水處理技術盡可能降低Cd含量.對于長期利用再生水灌溉小麥的區(qū)域,應做好重金屬（尤其是Cd、Pb、Cu、Zn、Hg、As、Ni及Cr）的預測與監(jiān)測工作,同時有必要在土壤重金屬污染區(qū)開展土壤的修復及改良工作.

3 不同灌溉條件下土壤重金屬累積效應

土壤重金屬的累積因元素種類、灌溉方式、灌溉技術及灌水方式等而存在差異.再生水與清水混灌及輪灌較純灌可以減少土壤Pb含量,但對土壤Cd含量沒有明顯的降低效果.從灌溉技術（溝灌、地下滴灌）與灌水方式（充分灌溉、分根交替灌溉）來看,充分灌水小區(qū)的土壤Cd含量高于分根交替灌水小區(qū),充分灌溉條件下再生水滴灌小區(qū)低于溝灌小區(qū).土壤中Pb含量的變化與Cd基本相似,無論充分灌溉還是分根交替灌溉條件下均為滴灌低于溝灌[4,27].因此,合理的灌溉方式、灌溉技術以及灌水方式對保障再生水的安全利用也具有重要意義.

4 結語

萌發(fā)作為小麥生活史的初始階段,引起許多學者的廣泛關注,從形態(tài)學方面探討了再生水重金屬元素對小麥萌發(fā)的影響.當再生水中Pb質量濃度小于10 mg/L以及Cd質量濃度小于1.0 mg/L時可促進種子萌發(fā)和根系生長；當Cr質量濃度小于1 mg/L時對小麥各項發(fā)芽指標無顯著影響.關于再生水重金屬元素影響小麥萌發(fā)的生理變化相對較少,今后有待進一步揭示其影響機理.

再生水重金屬含量超過小麥耐受閾值時會對小麥生長發(fā)育產(chǎn)生傷害,進而影響小麥產(chǎn)量及品質.目前,有關再生水重金屬對小麥的影響主要是考慮重金屬個體或是再生水整體的效果[7,28-29],而未將再生水與重金屬聯(lián)系起來探討小麥的影響.這樣評價再生水重金屬元素對小麥生長的影響存在一定片面性.因此,今后應重點研究再生水重金屬與小麥生長規(guī)律的相關性研究,以便通過小麥的生理生態(tài)響應做出判斷重金屬的含量標準或依據(jù)重金屬的量,預知小麥可能遭受的生態(tài)毒理學效應,及時采取措施將危害降到最小.

重金屬在小麥體中的累積主要由土壤重金屬本底值以及再生水重金屬含量有關,不同元素在小麥體內的累積效應存在差異.有關小麥吸收重金屬元素的敏感期有待進一步挖掘,避免敏感期利用再生水澆灌小麥,進而降低重金屬在小麥體內的富集作用.

短期的再生水灌溉麥田不會引起土壤污染,但存在一定安全風險,Cr、Pb等小麥非必需元素易在小麥體中富集而超標.對于長期應用再生水灌溉的麥田,應重點監(jiān)測Cd、Pb、Cu、Zn、Hg、As、Ni及Cr等元素.在灌溉方式方面,利用再生水澆灌小麥時宜選用滴灌或再生水與清水混灌及輪灌的方式來降低重金屬污染的風險.

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（責任編輯：鄧天福）

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,山東惠民人,助理研究員,碩士.主要從事小麥育種與栽培技術研究.

劉博（1983―）,男,河南靈寶人,助理研究員,碩士.主要從事大豆育種與栽培技術研究.