城市二級污水灌溉對3種草坪草生理特性及土壤性狀的影響

雷 瓊，李 輝

(臨沂大學農林科學學院，山東 臨沂 276005)

【研究意義】近年來，隨著中國城市化進程的飛速發展，城市綠地面積日益增加，綠地用水供需矛盾在缺水地區逐漸凸顯出來[1-3]。以草坪為例，根據鄭茜等在蘭州地區的研究，在微噴灌條件下，蘭州地區草坪年需水量約18 730.26 m3/hm2[4]，該數據說明人們在享受草坪帶來環境效益的同時，又面臨著解決草坪草生長所需灌溉用水的問題。城市二級污水是指工業廢水與生活污水進入城市污水處理廠，經二級處理后排放的水的總稱[5]。研究表明，在城市綠地灌溉中合理利用污水代替自來水是一個非常有利的節水措施[6-7]。采用城市二級污水灌溉草坪，不僅可以緩解水資源緊缺的壓力，而且還能為草坪生長提供一定的營養元素[8-9]。但限于經濟和技術的原因，城市二級污水中仍然存在危害土壤和植物生長的重金屬及大量的溶解性鹽類[10]。【前人研究進展】近年來，圍繞污水灌溉對園林植物及土壤的影響方面，國內相繼開展了相關研究，如周益奇[11]等用污水對北京不同城市綠地進行灌溉，發現污水灌溉的土壤重金屬(鉻、鎳、銅、鋅、鉛)主要在表層富集，但與對照相比沒有顯著差異；李競等[12]對8種河北省常見園林植物進行為期3年灌溉試驗發現，污水灌溉條件下5種植物土壤全鹽含量較對照差異不顯著，3種植物差異顯著，李河等[13]在內蒙古開展的灌溉研究發現污水灌溉提高了黑麥草土壤全鹽含量，但短期內污水灌溉下的土壤不會對其生長產生鹽害；在污水對植物生長的影響方面，李翔[14]、王有國等[15]開展的試驗表明污水灌溉處理對幾種園林植物的個別生長指標存在一定影響，但未造成脅迫危害。目前，一些城市已經嘗試性的運用污水進行綠地灌溉[16]，然而相關研究主要集中在土壤-作物系統對污水中污染物累積的測定以及污水對植物生長及表觀質量的影響方面，關于污水灌溉對植物生理特性方面影響的研究不多，且由于受區域土壤類型、植物種類、灌溉時間等因素的影響導致污水灌溉對城市綠地及植物生長的影響研究結果存在不同，如S.Baón等[17]的研究認為污水灌導致植物葉片中過量吸收Cl和Na而不利于植物的生長；孫紅星等[18]等用污水對5種木本園林植物進行灌溉亦發現，污水灌溉改變了種植在不同土壤的各綠化樹種株高生長狀況。【本研究切入點】鑒于此，本實驗針對北方城市綠地幾種常見的冷季型草坪草(高羊茅、早熟禾、黑麥草)，選取臨沂地區草坪建植常見的褐土為實驗土壤，通過測定葉片葉綠素、細胞膜透性、丙二醛(MDA)、過氧化氫酶(CAT)及土壤速效養分、土壤全N、土壤全鹽量等指標，觀察其含量或活性變化規律。【擬解決的關鍵問題】旨在從植物生理指標、土壤肥力及土壤鹽分變化方面探討城市二級污水灌溉對草坪草生理特性和土壤化學性狀的影響，為城市污水資源利用提供進一步的理論依據。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

實驗于2016年3月12日在臨沂大學水土保持與環境保育研究實驗室進行，灌溉用水為自來水和臨沂河東區首創污水處理廠二級出水(工業和生活混合出水)，水質檢測結果見表1。實驗草坪草草種選用高羊茅(Festucaarundinacea)品種愛瑞三號(Erie III)、草地早熟禾(Poaannua)品種肯塔基(Kentucky)、黑麥草(Loliumperenne)品種凱蒂莎(Caddieshack)3種北方常用的草坪草，草種均購于內蒙古赤峰塞諾園藝有限公司，供試土壤為臨沂草坪建植常見褐土，取自臨沂河東區湯河鎮東嶺村苗圃地內，土壤基本性狀見表2。

表1 城市二級污水指標

表2 供試土壤基本性狀

1.2 實驗方法

實驗采用盆栽對比法。2016年4月12日取土風干，4月23日將風干后的土壤過2 mm篩，裝入有孔塑料花盆(20 cm×16 cm)，每盆裝土3.0 kg，澆透水，未施肥(避免外來肥源對土壤養分供給的影響)，于陰涼處靜置2 d后，于4月25日播種，每盆播種量為0.15 g，先用自來水澆灌，于播種37 d后選取長勢均一的植株進行污水灌溉實驗，每種草設污灌(二級污水灌溉)和對照(自來水灌溉)兩種處理，每種處理6次重復，隨機區組排列。視天氣情況每隔3～5 d進行灌溉，每盆澆350 mL水。自2016年7月2日開始，每隔1個月測定每盆草坪草各項生理指標1次，共測4次；為避免生長期取土對草坪草生長帶來的影響，土壤性狀指標在最后一次生理指標測定取樣完畢后進行測定，共測1次。

1.3 指標則定及數據分析

1.3.1 生理指標的測定 草坪草葉綠素含量采用丙酮浸提法測定，細胞膜透性采用電導法測定，過氧化氫酶(CAT)活性采用高錳酸鉀滴定法測定，丙二醛(MDA)含量采用分光光度計測定[19]。

1.3.2 壤性狀指標的測定 各生理指標取樣測定完畢后，3種草坪草各處理分別進行土壤取樣，進行土壤理化指標測定。所取土樣在實驗室內風干碾碎、分別過篩處理后用于測定土壤全氮、速效磷、速效鉀、土壤pH值和土壤鹽分含量。測定方法參照鮑士旦編著《土壤農化分析》[20]書中的方法。

1.3.3 數據分析 所得數據利用Excel2013和SPSS16.0統計軟件進行統計分析，采用獨立樣本t檢驗對2種灌溉水源間的草坪草生理特性和土壤性狀進行顯著性方差分析，差異顯著水平α=0.05。

2 結果與分析

2.1 污水灌溉對草坪草葉綠素含量的影響

植物葉片葉綠素含量的高低直接影響著植物光合作用的光能利用效率，是衡量植物生長狀況的重要指標之一，葉綠素含量高則草坪草長勢好[21]。測定結果表明(表3～4)，二級污水灌溉提高了3種草坪草葉片葉綠素含量。與對照相比，高羊茅、早熟禾、黑麥草葉綠素a含量增幅分別為11.42 %～14.51 %、12.39 %～22.02 %、24.63 %～36.10 %，葉綠素b含量3種草坪草增幅依次為21.19 %～31.56 %、22.39 %～27.43 %、40.87 %～54.48 %。統計分析表明，高羊茅葉綠素a含量在8月2種處理差異顯著，其余月份差異不顯著，而各月份葉綠素b含量則是2種處理差異顯著；早熟禾、黑麥草葉綠素a和葉綠素b含量2種處理各月測定值都達到差異顯著水平，說明二級污水灌溉能促進3種草坪草葉綠素的合成。

2.2 污水灌溉對草坪草細胞膜透性的影響

細胞膜透性是植物響應逆境的重要生理指標，細胞膜透性越大，表明逆境對植物的傷害就越大[22]。測定結果(表5)表明，二級污水灌溉顯著提高了3種草坪草的細胞膜透性，與對照相比，早熟禾污灌處理細胞膜透性增幅最大，其4次測定的平均值為8.95 %，較對照處理(7.35 %)增加了21.76 %，其次是黑麥草、高羊茅，平均增幅分別為17.20 %，12.71 %。從各月變化來看，高羊茅、早熟禾、黑麥草污灌處理細胞膜透性較對照處理增幅依次為11.57 %～14.36 %、17.08 %～25.76 %、14.19 %～20.10 %，統計分析表明，3種草坪草兩種處理各月份細胞膜透性差異均達到顯著水平，說明污水灌溉對3種草坪草細胞膜透性均產生了不利的影響。

表4 不同水源灌溉處理3種草坪草葉綠素b含量比較

表5 不同水源灌溉處理三種草坪草細胞膜透性比較

2.3 污水灌溉對草坪草過氧化氫酶(CAT)活性的影響

CAT能清除掉植物遭受逆境傷害時產生的H2O2，是植物體內重要的酶促防御系統之一[23]。由表6可知：二級污水灌溉條件下，高羊茅、早熟禾植物體內的CAT活性增強，其中高羊茅、早熟禾污灌處理CAT活性平均值分別為359.68、277.29 mg·g-1·min-1，與對照(CAT活性均值順次為283.43、263.09 mg·g-1·min-1)相比，分別提高了26.90 %、5.39 %；黑麥草則相反，其污灌處理CAT平均值為210.39 mg·g-1·min-1，較對照處理(264.75 mg·g-1·min-1)降低了20.52 %，顯然，二級污水灌溉對黑麥草CAT活性產生了不利的影響。對比7-10月的CAT活性變化，高羊茅、早熟和、黑麥草污灌處理較對照處理CAT活性變化幅度分別為25.23 %～28.64 %、1.63 %～8.48 %、-21.26 %～-19.26 %，統計分析表明，高羊茅、黑麥草CAT活性2種處理差異達到顯著水平，而早熟禾則無明顯差異。

表6 不同水源灌溉處理3種草坪草過氧化氫酶(CAT)活性比較

2.4 污水灌溉對草坪草丙二醛(MDA)含量的影響

由表7可知，二級污水灌溉提高了的3種草坪草葉片中MDA含量。對照相比，早熟禾MDA污灌處理平均值為0.3239 μmol·g-1，較對照處理(平均值為0.2645 μmol·g-1)增加了22.46 %，增幅最大。其次是高羊茅、黑麥草，MDA含量平均值依次為0.2701、0.3292 μmol·g-1，較對照處理(MDA均值依次為0.2565、0.3239 μmol·g-1)分別增加了5.30 %、1.64 %。從各月變化來看(7-10月)，高羊茅、早熟禾、黑麥草MDA含量增幅分別為1.87 %～9.88 %、20.07 %～24.10 %、0.49 %～4.30 %，但各月份污水灌溉與對照之間MDA含量差異均未達到顯著水平。

表7 不同水源灌溉處理3種草坪草丙二醛(MDA)含量比較

2.5 污灌對土壤養分的影響

2種灌溉處理土壤養分含量變化結果見表8。與對照相比，3種草坪草污灌處理土壤全氮、速效磷、速效鉀含量均有所增加。尤其是土壤速效鉀含量，早熟禾、高羊茅、黑麥草3種草坪草污灌處理速效鉀含量分別是140.42、161.45、161.96 mg/kg，較對照處理分別增加11.65、13.37、12.18 mg/kg,增加百分數依次為10.38 %、9.03 %、8.13 %。統計分析表明3種草坪草2種處理速效鉀含量差異顯著。早熟禾污灌處理土壤速效磷較對照處理增加4.54 mg/kg，增加百分數為15.6 %，而高羊茅與黑麥草兩種處理速效磷含量均無明顯變化。3種草坪草土壤全氮含量2種處理差異不顯著，但均呈增加趨勢，早熟禾、高羊茅、黑麥草污灌處理較對照處理分別增加了6.48 %、3.58 %、3.37 %。

表8 不同水源灌溉處理土壤養分含量變化情況

可見，3種草坪草污灌處理土壤全氮、土壤速效磷略有增加，但差異不顯著，速效鉀養分明顯增加，原因可能與植物對養分吸收不同和污水中含有一定氮磷鉀養分有關，但由于本實驗灌溉周期較短，除速效鉀外，污水對土壤肥力指標的影響不大，推測長期灌溉對土壤肥力的提高是有利的。

2.6 污灌對土壤全鹽量及pH值的影響

從表9可以看出，污水灌溉對增加了土壤中全鹽含量。早熟禾、高羊茅、黑麥草污灌處理土壤全鹽含量分別是0.074 %、0.075 %、0.067 %，與對照相比，3種草坪草分別增加了4.23 %、2.74 %、3.08 %。統計分析表明，3種草坪草2種處理土壤全鹽含量差異均不顯著。不過，需要注意的是，3種草坪草兩種處理土壤全鹽含量均比原土樣高(0.067 %)，原因可能與2種水源中含鈉離子有關(見表1)，并且污水中的鈉離子含量(27.5 μg·mL-1)遠高于自來水中的鈉離子含量(2.008 μg·mL-1)，這可能是污灌處理土壤全鹽含量高于對照處理土壤全鹽含量的原因。本實驗3種草坪草污灌處理全鹽含量雖然較對照處理增加趨勢明顯，但尚未達到土壤輕度鹽漬化(0.1 %)水平，如要長期使用污水灌溉需要特別監控，以防避鹽分在土壤中積累。

表9 不同水源灌溉處理土壤全鹽量及土壤pH值變化情況

土壤pH值測定結果表明，污水灌溉對土壤pH值影響總體為增加趨勢，與對照相比，pH值增幅范圍在0.12～0.03之間，最大增幅達到0.11個單位。統計分析表明，2種處理除黑麥草pH值達顯著差異水平外，早熟禾、高羊茅土壤pH值差異均不顯著。從3種草坪草生長狀況來看，3種草坪草暫時也沒有受到影響。

3 討 論

(1)利用城市二級污水對3種草坪草進行灌溉，顯著提高了3種草坪草的葉綠素含量。這也與大多數學者的研究結果一致[21-26]。本研究中，污水灌溉處理葉綠素含量增高原因可能與二級污水中含有一定濃度的營養元素有關。其中，二級污水中氨氮含量大約是自來水中氨氮含量的500倍，而氮素是合成葉綠素的必要組分。因此，與對照相比，采用二級污水灌溉能補充草坪草所需的一部分養分，從而有利于草坪草的生長。

(2)細胞膜透性、CAT活性是植物響應逆境的重要生理指標，能夠有效反映植物細胞膜的受傷害程度和植物遭受逆境傷害時的酶促防御能力[26]。測定結果表明，污水灌溉顯著提高了3種草坪草的細胞膜透性，對草坪草的細胞膜系統產生了不利的影響，李翔[14]、楊嫦麗[24]等對其它園林植物進行污水灌溉研究也曾得出類似的結果。從CAT活性分析來看，除黑麥草外，污水灌溉處理增強了高羊茅和早熟禾的CAT酶活性，從而提高了兩種草坪草對污水脅迫環境的抗逆能力，減輕了因為細胞膜透性增大而帶來的傷害，MDA分析也印證了這一點，MDA是植物細胞膜脂過氧化產物，MDA含量高，說明植物細胞膜質過氧化程度高，細胞膜受到的傷害越嚴重[21]。本研究中二級污水灌溉提高了3種草坪草植物體內MDA含量，但與對照處理差異都不顯著，說明二級污水灌溉對3種草坪草的生長沒有產生明顯不利的影響，相關研究也表明，污水短期灌溉可能會改變綠地植物的一些生理特性，但對其正常生長影響并不明顯[21-26]。

(3)3種草坪草的污灌處理中土壤全氮、土壤速效磷略有增加，速效鉀顯著增加。原因可能與植物對養分吸收不同和污水中含有一定氮磷鉀養分有關。這與Chang等[27]對草坪草進行污水灌溉的研究結果一致。由于本實驗灌溉周期較短，除速效鉀外，污水對土壤肥力指標的影響不大，推測長期灌溉對土壤肥力的提高是有利的。

(4)與李河[13]等研究得出的結果一致，二級污水污灌提高了土壤全鹽含量和pH值。除黑麥草兩種處理pH值差異顯著外，其余處理兩個指標與對照相比差異均不顯著。說明污水灌溉在短期內對土壤全鹽含量和pH值變化影響不大，對草坪草生長暫時不會產生鹽害。

4 結 論

二級污水短期灌溉對3種草坪草的生理和土壤性狀指標產生了正負兩方面的影響，但未對3種草坪草生長造成脅迫危害和引起土壤鹽漬化；長期灌溉是否會對草坪草生長產生不利影響，土壤pH值、鹽分是否會繼續積累，還需要加強監控和進一步的試驗來驗證。