随着城市发展进程的加速,城市对水资源的需求进一步加大,污水再生回用是解决城市水资源紧缺与水体污染矛盾的有效途径,也是建设可持续发展城市的重要环节[1].再生水是指经过城市污水再生处理系统充分可靠的净化处理、满足特定用水途径水质标准的净化处理水,其已广泛应用于地下水回灌、农业灌溉、工业利用、景观用水,城市杂用等多个方面[2,3].早在20世纪70年代初美国就开始大规模兴建污水处理厂并开始将污水再生回用[4],近年来随着水资源危机加剧,越来越多的国家开始重视对再生水的利用[5,6,7].但是再生水灌溉的环境安全性[8]和长期生态风险却一直以来备受人们的关注,并成为学术界争论的焦点和限制再生水灌溉的关键因素.
目前关于再生水的研究已有很多方面,主要包括再生水水质的研究[9,10]、再生水灌溉对植物的影响研究[11,12]、再生水灌溉对土壤环境的影响研究[13,14]和再生水回用的健康风险[15,16]等.哈尔滨地区关于再生水的研究极少,为验证哈尔滨地区再生水灌溉对土壤生态环境的影响,本研究采用室内灌溉土柱模拟的方法,探讨再生水灌溉对土壤化学性质和土壤微生物的影响,以期为再生水回用评价提供数据支持.
1 材料与方法 1.1 供试材料
实验用水取自哈尔滨市太平污水处理厂,水质指标(表 1)在地下水质量标准[17]和城市污水再生利用城市杂用水水质[18]范围内.实验用土取自哈尔滨市松北区南京路松花江支流河岸,采用五点法0-20 cm、20-40 cm、40-60 cm分层取土,用28 cm×40 cm灭菌自封袋分装并带回实验室,部分样品经室温自然风干、过1 mm孔筛后用于土壤化学性质测试分析,其余样品去除石块、植物根部等杂物后用于装柱. 再生水中可培养细菌种属见表 2.
![]() | 表 1 实验所用再生水及自来水水质指标Table 1 Quality index of reclaimed water and tap water |
![]() | 表 2 实验所用再生水中可培养细菌种属Table 2 Culturable bacteria species in reclaimed water |
以再生水为实验组,自来水为对照组进行土柱(有机玻璃材质,内径×高=20 cm×80 cm,柱底有孔可渗水,在柱体20 cm、40 cm、60 cm高度处四周分别设置取样口,柱子上方设有布水器,布水器与6850型防腐泵相连)灌溉实验.土壤分层取回后,以容重为1.4 g ·cm-3分层装填,柱体从下至上依次是粒状石块、40-60 cm土壤、20-40 cm土壤、0-20 cm土壤.在灌溉前,测试各土层化学性质、定量分析各土层微生物数量和定性解析0-20 cm土层微生物群落结构,作为空白参照值.模拟装置分别用再生水和自来水进行灌溉处理,每次灌溉量为500 mL,每10 d灌溉一次,在灌溉量为5 L和10 L时分别按土层取样(取样时间在下一次灌溉之前),分析各土层化学性质、定量分析各土层微生物数量和定性解析0-20 cm土层微生物群落结构. 1.3 测定方法
有机质(OM)含量采用重铬酸钾-外加热法测定,pH值采用电位测定法测定,全氮含量采用半微量开氏定氮法测定,全磷和速效磷含量采用钼锑抗比色法测定[19,20];微生物定量分析采用平板涂布计数法;微生物群落结构定性分析采用微生物传统培养法,经菌株分离、纯化、形态学观察和生理生化实验,最终参照文献[21]进行菌属鉴定. 1.4 数据分析 微生物种群的Shannon多样性指数(H′)、Pielou均匀度指数(J)和Margalef丰富度指数(R)计算公式如下:
应用EXCEL 2003和SPSS 17.0进行数据的方差分析和相关性分析,使用NTSYS-PC进行各土样细菌的聚类分析,通过CANOCO 4.5进行去趋势对应分析(DCA)和冗余分析(RDA). 2 结果与分析 2.1 再生水灌溉对土壤化学性质的影响
由表 3可知,再生水灌区0-20 cm土层OM含量随灌溉量的增加有升高趋势,且4和5显著高于1(P<0.05),20-40 cm和40-60 cm土层OM含量随灌溉量的增加也呈升高趋势,5与1之间差异显著(P<0.05);再生水灌区各土层TN含量随灌溉量的增加而升高,0-20 cm土层4和5的TN含量显著高于1(P<0.05),20-40 cm和40-60 cm土层5的TN含量显著高于4和1(P<0.05);在0-20 cm和20-40 cm土层全磷和速效磷含量随再生水灌溉量的增加也呈现升高趋势,5与1之间差异显著(P<0.05).
![]() | 表 3 不同土壤样品的化学性质比较 1) Table 3 Comparison of chemical properties of different soil samples |
由图 1和图 2每层细菌平均数量可知,自来水和再生水灌区细菌数量均随着土层深度的增加而递减,表现为0-20 cm>20-40 cm>40-60 cm,并且各土层之间差异显著(P <0.05).从灌区的各土层来看,自来水和再生水灌区0-20 cm土层细菌数量均随灌溉量的增加呈升高趋势,其中5与1之间差异显著(P<0.05);自来水和再生水灌区20-40 cm和40-60 cm土层细菌数量随灌溉量的增加无明显的变化趋势(P>0.05).
![]() | 图 1 自来水灌溉下土壤细菌的数量变化Fig. 1 Number of bacteria under tap water irrigation
图例土壤类型说明表 3,下同 |
![]() | 图 2 再生水灌溉下土壤细菌的数量变化Fig. 2 Number of bacteria under reclaimed water irrigation |
由图 3和图 4每层放线菌平均数量可知,自来水和再生水灌区放线菌数量均随着土层深度的增加而递减,0-20 cm土层与其他两层差异显著(P<0.05),20-40 cm土层放线菌数量大于40-60 cm土层但未达到显著差异(P>0.05).从灌区的各土层来看,再生水灌区0-20 cm土层放线菌数量呈增加趋势,并且5与1差异显著(P<0.05);再生水灌区20-40 cm土层放线菌数量随灌溉量的增加有升高趋势但未达到显著水平(P>0.05); 40-60 cm土层放线菌数量随再生水灌溉量的增加无明显的变化趋势(P>0.05).
![]() | 图 3 自来水灌溉下土壤放线菌的数量变化Fig. 3 Number of actinomycetes under tap water irrigation |
![]() | 图 4 再生水灌溉下土壤放线菌的数量变化Fig. 4 Number of actinomycetes under reclaimed water irrigation |
由图 5和图 6每层真菌平均数量可知,自来水和再生水灌区真菌数量均随着土层深度的增加也呈降低趋势,0-20 cm土层与其他两层之间差异显著(P<0.05).从灌区的各土层来看,自来水和再生水灌区每个土层真菌数量随灌溉量的增加无明显变化趋势(P>0.05),可见再生水灌溉对土壤真菌数量影响较小.
![]() | 图 5 自来水灌溉下土壤真菌的数量变化Fig. 5 Number of fungi under tap water irrigation |
![]() | 图 6 再生水灌溉下土壤真菌的数量变化Fig. 6 Number of fungi under reclaimed water irrigation |
由图 7可知,原土样可培养细菌分属于12个属.自来水灌区可培养细菌共15个属,其中11个属是原土样的共有菌属,其余4个属是自来水灌区的特有菌属,包括Branhamella、Staphylococcus、Moraxella、Sporolactobacillus,其含量均在0.37%-1.34%之间;再生水灌区可培养细菌共16个属,其中10个属是原土样的共有菌属,其余6个属是再生水灌区的特有菌属,包括Methylococcus、Aerococcus、Halobacterium、Aeromonas、Planococcus、Streptococcus,其含量分别在0.62%-3.73%之间. 5个土样共有菌属为9个,其中Acinetobacter是再生水灌区优势菌属,随灌溉量的增加有升高趋势,土样4(25.55%)和土样5(28.4%)比土样1(18.68%)分别增加36.78%和52.03%;Bacillus是自来水灌区的优势菌属,随灌溉量的增加有升高趋势,土样2(26.39%)和土样3(31.1%)比土样1(24.18%)分别增加9.14%和28.62%;Pseudomonas、Micrococcus、Azotobacter、Sporosarcina、Azomonas、Agrobacterium是两灌区共有亚优势菌属.
![]() | Bac:芽孢杆菌属(Bacillus)、Aci:不动杆菌属(Acinetobacter)、 Pse:假单胞菌属(Pseudomona)、Mic:微球菌属(Micrococcas)、Azo:固氮菌属(Azotobacter)、Xan:黄单胞菌属(Xanthomonas)、Sps:芽孢八叠球菌属(Sporosarcina)、Azm:氮单胞菌属(Azomonas)、Agr:土壤杆菌属(Agrobacterium)、Clo:梭菌属(Clostridium)、Nei:奈瑟氏球菌属(Neisseria)、Lac:乳杆菌属(Lactobacillus)、Bra:布兰汉氏球菌属(Branhamella)、Sta:葡萄球菌属(Staphylococcus)、Mor:莫拉氏菌属(Moraxella)、Spl:芽孢乳杆菌属(Sporolactobacillus)、 Met:甲基单胞菌属(Methylococcus)、Aec:气球菌属(Aerococcus)、Hal:盐杆菌属(Halobacterium)、 Aem:气单胞菌属(Aeromonas)、 Pla:动性球菌属(Planococcus)、 Str:链球菌属(Streptococcus)图 7 自来水和再生水灌溉下土壤细菌的种类变化Fig. 7 Change of soil bacterial species under tap water and reclaimed water irrigation |
通过表 4中Shannon多样性指数(H′)、Pielou均匀度指(J)和Margalef丰富度指数(R)等指标分析自来水和再生水灌溉对土壤微生物群落多样性的影响.多样性指数和均匀度指数最高的为1,丰富度指数最高的为5.通过SPSS差异显著性分析表明,5个土样的微生物群落多样性指数无显著差异(P>0.05);自来水和再生水灌区均匀度指数均呈现下降趋势,5与1之间差异显著(P<0.05);再生水灌区丰富度指数呈升高趋势,5显著高于4,4显著高于1(P<0.05).
![]() | 表 4 不同土壤类型的细菌种群多样性指数 1) Table 4 Bacterial population diversity index of different soil types |
由图 8可知,自来水灌溉土样与原土样细菌的种群相似性系数较大,2、3与1细菌的种群相似性系数分别是0.8636、 0.8182,而4、5与1细菌的种群相似性系数分别是0.6818、 0.6364,自来水灌溉土样与再生水灌溉土样细菌的种群相似性系数在0.5000-0.6364之间. 根据Jaccard相似性系数原理,原土样与自来水灌区土样的细菌种群为极相似,原土样与再生水灌区土样的细菌种群为中等相似.
![]() | 图 8 5个土样的聚类分析结果Fig. 8 Clustering analysis result of different soil types |
由表 5可知,OM、TN、TP、AP与pH值、SWC呈负相关;OM与TP的相关系数为0.896,TP与AP的相关系数为0.948,两者之间呈显著正相关.细菌总数、放线菌总数、真菌总数与OM、TN、TP、AP呈显著正相关,与pH值、SWC呈显著负相关,土壤微生物数量与OM、TP、AP的相关系数较高,可见营养丰富的土壤环境有利于土壤微生物的繁殖.
![]() | 表 5 土壤化学性质与微生物数量之间相关矩阵 1) Table 5 Correlation matrix between soil chemical properties and soil microbial quantity |
DCA排序结果如表 6所示,4个排序抽的长度为1.661、 1.297、 0.000、 0.000.第一轴最长,解释的物种变化率为32.5%,但4个排序轴的长度都小于2. Lep等[22]指出,如果4个轴中梯度最大值超过4,选择单峰模型比较合适;小于3,线性模型比较合适;介于3-4之间,两种模型均合适.因此再生水灌区、自来水灌区和原土样对生态梯度的相应是线性的,适合采用冗余分析(RDA).
![]() | 表 6 微生物群落的DCA分析结果Table 6 DCA analysis result of microbial communities |
由表 7和表 8可知,RDA分析前两轴特征值分别为0.322和0.145,物种与环境因子排序轴的相关系数均为1.000.因此排序图能够反映土壤细菌种群与环境因子之间的关系,蒙特卡罗置换检验(Monte Carlo permutation test)显示环境因子中的AP影响最为显著(P=0.002,F=1.400,permutation number=499).前两轴解释了土壤细菌群落变异程度的46.7%,轴1与OM、TN、TP、AP、pH值呈显著正相关,与SWC呈负相关;而轴2与OM、TP、TP、SWC呈正相关,与AP、pH值呈负相关.
![]() | 表 7 RDA分析排序轴特征值、物种与环境因子相关系数Table 7 Eigenvalues for RDA axis and species-environment correlation |
![]() | 表 8 各环境因子与排序轴相关系数Table 8 Correlation coefficients of environment factors with the first two axes of RDA |
RDA排序图 9中,箭头表示环境因子;箭头连线的长短表示微生物物种分布与环境因子相关性的大小;箭头连线与排序轴夹角的大小表示土壤化学性质与排序抽相关性的大小,夹角越小说明关系越密切;箭头所处的象限表示土壤化学性质与排序抽之间的正负相关性;物种之间的线段距离长短代表了物种间的亲疏关系.由图 9可知:Streptococcus和Aerococcus分布差异较小,Aeromonas、Planococcus和Halobacterium分布差异较小,Sporolactobacillus和Moraxella分布差异较小,Clostridium和Xanthomonas分布差异较小,Branhamella和Staphylococcus分布差异较小,Bacillus、 Acinetobacter、Pseudomona、 Sporosarcina、 Micrococcas、 Azatobacter、 Azomonas和Agrobacterium分布较为集中,其中TP和TN对Streptococcus、Aerococcus和Neisseria的影响较大,OM和AP含量对Aeromonas、Planococcus和Halobacterium影响较大.由RDA排序图 10,OM、TN、TP、AP、PH值对再生水灌区的微生物群落结构影响较大,而对自来水灌区影响较小.
![]() | 图 9 微生物群落与环境因子冗余分析(RDA)结果(细菌种群与环境因子) Fig. 9 Results of redundancy analysis(species and environment variables) |
![]() | 图 10 微生物群落与环境因子冗余分析(RDA)结果(各样地与环境因子)Fig. 10 Results of redundancy analysis (samples and environment variables) |
土壤OM和全氮是土壤养分的源和库,能改善土壤的化学性状,促进土壤生物活性.磷是植物生长发育必需的大量元素之一,土壤速效磷是植物体磷素的直接来源,其含量是评价土壤磷素供应水平的重要指标,它不仅可以反映出土壤磷素状态的动态变化,而且也可以反映土壤的供磷水平.再生水灌溉可显著提高表层土壤有机质和全氮含量,一方面是再生水中含有大量的氮素所致,另一方面是由于再生水水质的差异,使用再生水灌溉可能会增加土壤OM含量,而有机质与氮素的含量具有正相关性[23].适量的氮素可促进土壤微生物及植物的生长繁殖,而过高的氮含量则会对植物的生长不利,并且影响土壤的健康状况.因此在污水回用过程中应加强对氮元素的去除力度.再生水灌溉对土壤总磷、速效磷和pH值无显著影响,均在土壤元素安全含量范围内,说明污水处理过程中去磷率较高,灌溉过程不会造成磷元素的聚集和土壤酸碱化.
再生水灌溉能提高表层0-20 cm土壤细菌和放线菌数量,分析原因,一方面是再生水中含有的氮、磷、有机质等营养元素可提供微生物生长和繁殖的能源物质,促进土壤微生物的生长;另一方面再生水中可能含有一些能够与土壤中菌属具有协同生长作用的微生物;再生水灌溉对20-40 cm和40-60 cm土层微生物无显著影响,一方面可能是再生水中营养元素在土壤中的迁移速度比较缓慢,不能为土壤微生物提供充分的营养;另一方面可能与实验装置的封闭性有关,造成了缺氧和封闭的环境,不利于好氧微生物的生长.各土层微生物的数量为:0-20 cm土层>20-40 cm土层>40-60 cm土层,且差异显著,说明营养物质丰富和空气流通的表层有利于土壤微生物的生长.张娟等[24]研究表明,再生水灌溉不同程度地促进了土壤微生物数量的增加,其中细菌增加显著,放线菌和真菌数量与对照相比虽有所升高,但并未达到显著水平,与本研究结果相类似;而韩烈保等[25]对长期再生水灌溉的调查表明,自来水灌溉、二级水和一般三级水灌溉对草坪土壤的细菌总数、放线菌总数和真菌总数都没有显著影响,与本研究结果不一致,可能与再生水的水质指标、处理工艺、灌溉条件等相关.
从本研究细菌种属变化上看,不动杆菌属(Acinetobacter)是再生水灌区优势菌属,芽孢杆菌属(Bacillus)是自来水灌区的优势菌属;5个土壤的聚类分析结果表明,再生水灌区与原土样的细菌种群为极相似,自来水灌区与原土样为中等相似,可见再生水灌溉可丰富细菌群落的多样性;土壤细菌群落结构对再生水的响应不仅仅是基于个别微生物种群对再生水敏感性的反映,同时也是基于种群相互作用的群体性的反映,这种变化主要由优势种群和亚优势种群的含量变化及部分稀有种群的有无来体现;Shannon多样性指数、Pielou均匀度指数和Margalef丰富度指数是研究微生物多样性的重要指标,它们与土壤环境密切相关,多样性指数是反映群落物种及其个体数与分布均匀度的指标,均匀度指数的变化主要通过群落中优势类群多度的变化来实现,丰富度指数的变化是通过群落中的一部分敏感或偶见类群的有无来实现.本研究结果表明,再生水灌溉对土壤微生物群落多样性无明显影响,使土壤微生物群落均匀度降低,可提高土壤微生物群落丰富度. 3.2 土壤微生物与土壤化学性质之间的相关性分析
通过SPSS 17.0对土壤化学性质和三大微生物类群数量进行相关性分析表明,细菌总数、放线菌总数、真菌总数与OM、TN、TP、AP呈正相关,原因可能是再生水中的氮、磷、有机质等营养物质在土壤中积累,从而提高土壤肥力,为微生物创造良好的生存环境,刺激微生物的生长和繁衍;同时微生物在土壤营养物质循环与转化中起到重要作用,可将土壤中有机物质氧化为养料,并且参与土壤C、N、P等元素的循环过程,还深刻影响着土壤孔隙度、pH变化等,土壤微生物对于土壤可持续利用具有至关重要的作用,可见土壤微生物与土壤理化性质之间相互影响、相互促进.
采用CANOCO 4.5进行DCA和RDA表明,AP、TN、OM是影响再生水灌溉地区的主要因子;土壤微生物的群落结构随着化学指标的变化表现出一定的空间差异,其中TP和TN对Streptococcus、Aeromonas和Neisseria的影响较大,OM和AP含量对Aerococcus、Planococcus和Halobacterium影响较大,土壤的质量状况决定了微生物群落结构特征.
4 结论
(1)本研究中再生水灌溉提高了土壤OM和TN含量,推断该再生水灌溉在一定程度上会增加土壤肥力.
(2)本研究中再生水灌溉不仅促进表层微生物数量的增加,同时也改变了微生物群落结构.
(3)对土壤微生物与化学性质进行相关性分析和冗余分析表明,土壤化学性质与微生物的结构组成存在一定的相关性,其中速效磷、有机质、全氮是再生水灌溉对土壤影响较大的环境因子.
[1] | 徐冬英, 何哲波. 城市污水回用及其可持续发展 [J]. 中国城市经济, 2012, (2): 332-333. |
[2] | 翟羽佳, 王会肖, 王艳阳. 再生水灌溉利用对作物-土壤系统影响 [J]. 南水北调与水利科技, 2011, 9 (4): 120-124. |
[3] | 李玲莉, 刘华敏. 再生水回用在我国的应用前景 [J]. 北方园艺, 2011, (22): 177-179. |
[4] | 李春光. 美国污水再生利用的借鉴 [J]. 城市公用事业, 2009, 23 (2): 25-28. |
[5] | Ammary B Y. Wastewater reuse in Jordan: present status and future plans [J]. Desalination, 2007, 211 (1-3): 164-176. |
[6] | Bixio D, Thoeye C, De Koning J, et al. Wastewater reuse in Europe [J]. Desalination, 2006, 187 (1-3): 89-101. |
[7] | Asano T, Cotruvo J A. Groundwater recharge with reclaimed municipal wastewater: health and regulatory considerations [J]. Water Research, 2004, 38 (8): 1941-1951. |
[8] | Hamilton A J, Boland A M, Stevens D, et al. Position of the Australian horticultural industry with respect to the use of reclaimed water [J]. Agricultural Water Management, 2005, 71 (3): 181-209. |
[9] | 杨丽华, 魏建荣, 张冬莹, 等. 再生水应用现状及其水质特征探讨 [J]. 中国卫生检验杂志, 2011, 21 (8): 1936-1938. |
[10] | 周律, 刑丽贞, 段艳萍, 等. 再生水回用于景观水体的水质要求探讨 [J]. 给水排水, 2007, 33 (4): 38-42. |
[11] | 梁芳, 赖娜娜, 田静. 再生水灌溉对园林绿地土壤环境的影响 [J]. 北京园林, 2012, 28 (2): 40-45. |
[12] | Fabregat S, Mas J, Candela L, et al. Impact of urban treated wastewater reuse during irrigation of golf courses [J]. EGS XXVII General Assembly Girona-Spain, 2002, 77 (3): 21-26. |
[13] | 焦志华. 再生水灌溉对植物生长及土壤微生物生态系统的影响研究 [D]. 北京: 中国矿业大学, 2010. |
[14] | 李晓娜, 武菊英, 徐彪, 等. 再生水灌溉草坪对土壤质量影响的试验研究 [J]. 水土保持学报, 2011, 25 (3): 245-249. |
[15] | 马进军. 城市再生水的风险评价与管理 [D]. 北京: 清华大学, 2008. |
[16] | 高旭阔. 城市再生水资源价值评价研究 [D]. 西安: 西安建筑科技大学, 2011. |
[17] | GB/T 14848-1993, 地下水质量标准 [S]. |
[18] | GB/T 18920-2002, 城市污水再生利用城市杂用水水质 [S]. |
[19] | Kemper W D, Rosenau R C. Aggregate stability and size distribution [A]. In: Methods of Soil Analysis. Part 1. Physical and Mineralogical Methods [M]. (2nd ed.). Agronomy Monograph, No. 9, 1986. 425-442. |
[20] | 鲍士旦. 土壤农化分析[M]. 北京: 中国农业出版社, 2000. |
[21] | Buchanan R E, Gibbens N E, Murray R G E, et al. 伯杰细菌鉴定手册 [M]. 北京: 科学出版社, 1984. |
[22] | Lepš J, Šmilauer P. Multivariate Analysis of Ecological Data Using CANOCO [M]. Cambridge: Cambridge University Press, 2003. |
[23] | 葛晓改, 黄志霖, 程瑞梅, 等. 三峡库区马尾松人工林凋落物和根系输入对土壤理化性质的影响 [J]. 应用生态学报, 2012, 23 (12): 3301-3308. |
[24] | 张娟, 王艳春. 再生水灌溉对植物根际土壤特性和微生物数量的影响 [J]. 节水灌溉, 2009, (3): 5-8. |
[25] | 韩烈保, 周陆波, 甘一萍, 等. 再生水灌溉对草坪土壤微生物的影响 [J]. 北京林业大学学报, 2006, 28 (增刊1): 73-77. |