全 文 ：
摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
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摇 摇 第 猿源卷 第 员期摇 摇 圆园员源年 员月摇 渊半月刊冤
目摇 摇 次
卷首语院 复杂与永续 渊 玉 冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
前沿理论与学科综述
城市复合生态及生态空间管理 王如松袁李摇 锋袁韩宝龙袁等 渊 员 冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
海洋生态系统固碳能力估算方法研究进展 石洪华袁王晓丽袁郑摇 伟袁等 渊 员圆 冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
城市生态系统灵敏度模型评述 姚摇 亮袁王如松袁尹摇 科袁等 渊 圆猿 冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
城市生活垃圾代谢的研究进展 周传斌袁徐琬莹袁曹爱新 渊 猿猿 冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
个体与基础生态
胶州湾生物鄄物理耦合模型参数灵敏度分析 石洪华袁沈程程袁李摇 芬袁等 渊 源员 冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
渤海湾大型底栖动物调查及与环境因子的相关性 周摇 然袁覃雪波袁彭士涛袁等 渊 缘园 冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
生物扰动对沉积物中污染物环境行为的影响研究进展 覃雪波袁孙红文袁彭士涛袁等 渊 缘怨 冤噎噎噎噎噎噎噎噎
种群尧群落和生态系统
密云水库上游流域生态系统服务功能空间特征及其与居民福祉的关系 王大尚袁李屹峰袁郑摇 华袁等 渊 苑园 冤噎
长岛自然保护区生态系统维护的条件价值评估 郑摇 伟袁沈程程袁乔明阳袁等 渊 愿圆 冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
海岛陆地生态系统固碳估算方法 王晓丽袁王摇 嫒袁石洪华袁等 渊 愿愿 冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
景观尧区域和全球生态
区域生态文明建设水平综合评估指标 刘某承袁苏摇 宁袁伦摇 飞袁等 渊 怨苑 冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于生境质量和生态响应的莱州湾生态环境质量评价 杨建强袁朱永贵袁宋文鹏袁等 渊员园缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎
员怨愿缘年以来黄河三角洲孤东海岸演变与生态损益分析 刘大海袁陈小英袁徐摇 伟袁等 渊员员缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎
基于复合生态系统理论的海洋生态监控区区划指标框架研究 徐惠民袁丁德文袁石洪华袁等 渊员圆圆冤噎噎噎噎噎
我国环境功能评价与区划方案 王金南袁许开鹏袁迟妍妍袁等 渊员圆怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
资源与产业生态
生态产业园的复合生态效率及评价指标体系 刘晶茹袁吕摇 彬袁张摇 娜袁等 渊员猿远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
我国农业生态效率的时空差异 程翠云袁任景明袁王如松 渊员源圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
内蒙古半干旱生态脆弱矿区生态修复耦合机理与产业模式 陈玉碧袁黄锦楼袁徐华清袁等 渊员源怨冤噎噎噎噎噎噎
基于物质流分析方法的生态海岛建设研究要要要以长海县为例 陈东景袁郑摇 伟袁郭惠丽袁等 渊员缘源冤噎噎噎噎噎
再生渊污冤水灌溉生态风险与可持续利用 陈卫平袁吕斯丹袁张炜铃袁等 渊员远猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于流域单元的海湾农业非点源污染负荷估算要要要以莱州湾为例 麻德明袁石洪华袁丰爱平 渊员苑猿冤噎噎噎噎噎
集约用海对海洋生态环境影响的评价方法 罗先香袁朱永贵袁张龙军袁等 渊员愿圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
城乡与社会生态
基于生态系统服务的城市生态基础设施院现状尧问题与展望 李摇 锋袁王如松袁赵摇 丹 渊员怨园冤噎噎噎噎噎噎噎噎
北京城区道路系统路网空间特征及其与 蕴杂栽和 晕阅灾陨的相关性 郭摇 振袁胡摇 聃袁李元征袁等 渊圆园员冤噎噎噎噎
基于复合生态功能的城市土地共轭生态管理 尹摇 科袁王如松袁姚摇 亮袁等 渊圆员园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
重庆市森林生态系统服务功能价值评估 肖摇 强袁肖摇 洋袁欧阳志云袁等 渊圆员远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
渤海湾港口生态风险评估 彭士涛袁覃雪波袁周摇 然袁等 渊圆圆源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
达标污水离岸排海末端处置技术研究综述 彭士涛袁王心海 渊圆猿员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
期刊基本参数院悦晕 员员鄄圆园猿员 辕 匝鄢员怨愿员鄢皂鄢员远鄢圆猿愿鄢扎澡鄢孕鄢 预 怨园郾 园园鄢员缘员园鄢圆愿鄢圆园员源鄄园员
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封面图说院 北京奥林匹克公园要要要在高楼林立的大城市中袁办公楼尧居民区尧学校尧路网系统尧公园以及各种水泥尧沥青硬路面和
树木尧绿草地尧土面尧水面等等组成了复杂多样的城市生态景观袁居住着密集的人口并由于人们不断的尧强烈的干预袁
使这个城市生态系统显得尤其复杂而又多变遥 因此袁系统复杂性及灵敏度是困扰城市生态系统研究和管理的重要
因素袁建立灵敏度模型是致力于解决城市规划管理中的复杂性问题的有效方法袁网状思维与生物控制论观是其核
心袁也是灵敏度模型的思想基础遥 图为北京中轴线北端被高楼簇拥着的奥林匹克公园的仰山和龙型水系遥
彩图及图说提供院 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 耘鄄皂葬蚤造院 糟蚤贼藻泽援糟澡藻灶躁憎岳 员远猿援糟燥皂
第 34 卷第 1 期
2014年 1月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.34,No.1
Jan.,2014
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家自然科学基金资助项目(41271501)
收稿日期:2013鄄05鄄02; 摇 摇 修订日期:2013鄄11鄄13
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: wpchen@ rcees.ac.cn
DOI: 10.5846 / stxb201305020887
陈卫平,吕斯丹, 张炜铃, 伊丽丽, 焦文涛.再生(污)水灌溉生态风险与可持续利用.生态学报,2014,34(1):163鄄172.
Chen W P, L俟 S D, Zhang W L, Yi L L, Jiao W T.Ecological risks and sustainable utilization of reclaimed water and wastewater irrigation.Acta Ecologica
Sinica,2014,34(1):163鄄172.
再生(污)水灌溉生态风险与可持续利用
陈卫平*,吕斯丹, 张炜铃, 伊丽丽, 焦文涛
(中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室, 北京摇 100085)
摘要:作为一个农业大国,水资源贫乏及地域分布不均匀造成了我国严重的农业用水危机。 为缓解我国农业用水危机,污水灌
溉及再生水灌溉已成为解决农业灌溉水源不足的一项重要措施。 在总结污水灌溉及再生水灌溉生态风险的基础上,针对国内
研究现状,分析了我国再生水灌溉利用的可行性。 研究发现,再生水灌溉的污染风险远小于污水灌溉,且再生水灌溉还具有回
用成本低、减少农作物生产成本等经济效益,以及减少污染物向水环境中排放、改善土壤质量等环境效益。 与污水灌溉相比再
生水在农业灌溉上具有较大的应用前景,应加大其推广与应用的力度。 最后,根据国内外的研究现状,提出了一些再生水灌溉
可持续管理措施及其安全利用的相关建议。
关键词:污水回用;农业灌溉;污染风险;环境效益;可持续管理
Ecological risks and sustainable utilization of reclaimed water and wastewater
irrigation
CHEN Weiping*, L譈 Sidan, ZHANG Weiling, YI Lili, JIAO Wentao
State Key Laboratory for Urban and Regional Ecology, Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China
Abstract: Inherent uneven distributions of the already limited water resources have led to serious shortages of agricultural
irrigation water in China. Municipal and industrial wastewaters have been employed to relief the demand for agricultural
irrigation across the nation. Historically, both untreated raw wastewater ( including substandard treated effluents) and
properly reclaimed water have been involved. Since the 1940s, wastewater irrigated croplands gradually expanded, and by
1998 it increased to 3.62 million hectares. Meanwhile, the water quality of the applied wastewater incrementally improved.
Today, the reclaimed water that meets the regulatory standards is replacing the untreated wastewater. Water reuses have
drawn the central government忆s attention. Establishing systematic and comprehensive reuse programs across the nation have
become a focus in the most recent five鄄year national strategic planning. The pace of reclaimed water irrigation practices will
accelerate especially in the water deficient areas north of the Yangtze River. In this paper, we analyzed the ecological risks
of heavy metals, salts, nitrogen, organic pollutants especially emerging contaminants, and pathogens of irrigating croplands
with wastewater and reclaimed water. We found that the soils receiving wastewater irrigation might readily be polluted by the
heavy metals carried in the applied water, and the extents of pollutions were dependent on origin of the water and texture of
the soils. Heavy metals and organic pollutants that accumulated in the wastewater irrigated soils affected the diversities of
soil microbial communities and the activities of soil enzymes. Under long - term wastewater irrigation, soil salinization
occurred and led to reductions of soil permeability due to high dissolved salt contents of the applied water. Because of soil
salinity accumulation, Cl- and NO-3 in groundwater would easily exceed the water quality standards. In addition, the quality
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and yields of crops also could be harmed by excessive salinity and heavy metals in the soils. In the receiving areas of
wastewater irrigation people were exposed to potentially greater health risks than those otherwise due to pathogens in the
wastewater. From the agronomic point of view, the primary issue in using properly reclaimed water in irrigation is on salts
and nitrogen management. Reclaimed water tends to have higher levels of total dissolved minerals and nitrate. Over the long
-term reclaimed water irrigation could cause salinity and nitrate levels in soils and groundwater aquifers to exceed the
regulatory standards. When salinity of the irrigated soils rose as water evaporated and salts were left behind, plants will
experience increasingly severe salt injuries in terms of stunted growth and reduced yield potentials. The added nitrogen of
reclaimed water often caused imbalances of nutrients in the plants忆 growing medium and caused nitrate to pollute the
groundwater. Under the reclaimed water irrigation settings, heavy metal, pathogens and organic chemical pollutants posted
little risk to receiving soils and underlying groundwater aquifers. Drawing from the experiences of using reclaimed water in
the United States, European Union, and Australia, reclaimed water might be safely used in crop and landscape irrigations if
the practices were properly managed to minimize risks of salts buildup in and nitrogen leaching down the soil profile. It
illustrated that the risks of environmental pollution in soil and groundwater receiving reclaimed water irrigation were
considerably less than those receiving wastewater irrigation. Moreover, reclaimed water is cost effective and ecologically
beneficial. Based on the 2010 data, the present reclaimed water reuse program in Beijing generated a net annual benefit of
712 million RMB and the benefits to costs ratio was 1. 7 and this ratio would rise had more wastewater were reused.
Environmental benefits of reclaimed water irrigation included reducing pollutants discharge into surface water bodies,
improving soil quality, and etc. Undoubtedly, reclaimed water irrigation should be encouraged nationwide. At last, for safe
and sustainable uses of reclaimed water irrigation in China, we recommend: (a) following the best management practices in
irrigation management, ( b) improving soil quality appropriately, ( c) monitoring nutrient, salt, and pollutant inputs to
ensure proper plant growth and prevent salts and pollutants buildup in the soil profile, and (d) separating the application
sites and the surroundings by providing setback distances or buffer zones.
Key Words: water reuse; agricultural irrigation; pollution risk; environmental benefit; sustainable management
摇 摇 我国是一个水资源贫乏且地域分布很不均匀的
国家,人均水资源量仅为世界人均水平的 1 / 4[1],占
全国总面积 36.5%的长江及其以南地区,拥有全国
80.9%的水资源总量,而占全国总面积 63.5%的长江
以北地区,仅拥有全国 19.1%的水资源总量[2]。 快
速的经济发展进一步加剧了我国水资源的供需矛
盾,目前我国年缺水总量约为 300亿至 400亿 m3[3]。
于此同时,我国城镇污水排放量逐年增加,2010 年我
国污水排放总量为 617.3 亿 t,比上年增加 4.7%[4]。
开发利用废污水资源,不仅是缓解水资源供需矛盾
的重要措施,也是减轻环境污染的有效途径。
作为一个农业大国,我国农业年用水量能达到
全年总用水量的 60%以上[5],较高的农业需水量使
得我国污水回用主要集中于农业灌溉。 在我国,早
期由于污水处理技术及设施的限制,污水回灌大多
是使用未处理或处理后未达标的污水,1998 年污水
灌溉农田面积达 361.8 万 hm2[6]。 随着再生水概念
的提出、污水处理技术的发展,达到一定水质标准的
再生水逐步用于农业灌溉替代污水灌溉。 我国 2008
年再生水回用量是 16.6 亿 m3,占污水处理总量的
8%,其中 28.9%用于农业灌溉[1]。 同未经处理或简
单处理的污水相比,再生水水质大幅提高,有效降低
了其环境风险,此外再生水利用还具有节省肥料、促
进作物生长等经济效益,因此再生水在农业利用方
面具有较大的潜力。
本文通过对我国污水利用及国内外再生水利用
经验进行总结分析,明确了我国污水、再生水灌溉面
临的生态风险,探讨了再生水灌溉在我国可持续利
用的可行性,提出了再生水灌溉可持续管理的措施
及建议,以期推动我国再生水农业灌溉的发展,促进
我国再生水的安全利用。
1摇 我国污水灌溉利用生态风险分析
我国污水回灌农田可追溯到 20 世纪 40 年
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代[7],其主要经历了 4 个阶段:自发阶段(1957 年以
前)、初步发展阶段(1957—1972 年)、迅速发展阶段
(1972年—20世纪末)、理性发展阶段(21 世纪初至
今) [8鄄9]。 污灌面积从 1963 年的 4.2 万 hm2增加到
1998 年的 361. 8 万 hm2,占全国灌溉总面积的
7郾 3%[6],随着污水灌溉规模的扩大,污水成分愈发
复杂,同时管理规范不同步,环境意识不高等因素,
使得污灌的负效应开始凸显,由污水灌溉导致的生
态环境、卫生问题受到国内学者和管理者的广泛关
注。 用于灌溉的污水一般重金属严重超标,使得国
内对污水灌溉的研究主要集中在土壤重金属污染,
其污染程度受到灌溉水源、土壤性质等因素的影响;
长期污水灌溉会导致土壤出现次生盐碱化,易迁移
的无机盐离子 Cl-、NO-3 在地下水中易超标;污灌也
会使地下水中出现有机物污染;由于污灌水质较差,
在大多数地区污灌会抑制作物的生长,导致重金属
在植物中累积。 此外,重金属、病菌等污染物在灌区
土壤中的累积对灌区周围的居民有一定的潜在健康
风险,研究发现污灌区有对人体致突变的可能性存
在[10];农产品中积累的重金属等污染物可以通过食
物链进入人体[11鄄12];地下水污染也是人体健康潜在
风险的来源之一[13]。
1.1摇 污水灌溉对土壤物化性质的影响
污染物在土壤中的残留及积累是污水灌溉主要
生态环境影响之一。 由于灌溉污水中重金属含量较
高,国内关于土壤重金属污染的研究和报道较多。
据我国农业部进行的全国污灌区调查,在约 140 万
hm2的污灌区中,遭受重金属污染的土地面积占污灌
区面积的 64.8%,其中轻度污染面积占 46.7%,中度
污染面积占 9.7%,严重污染面积占 8.4%[14]。 多数
研究[12,15鄄16]均发现污灌区重金属在土壤中逐渐积
累,其含量明显高于土壤的背景值,甚至超过国家标
准[13],我国 37 个主要污灌区中明显重金属污染的
灌区有 22个,其中多半是积累性重金属超标[17];土
壤中重金属主要积累在耕作层[18鄄19],并且其污染程
度与污染源距离之间呈负相关[20鄄21]。 长期污灌下污
水中较高的全盐量会使土壤发生次生盐碱化,总碱
度和钠碱度急剧升高,进而导致土壤板结、土壤渗透
性降低[22鄄23]。 关于污灌下土壤中 PAHs( polycyclic
aromatic hydrocarbons)的变化研究较少,研究发现污
灌区土壤中的 PAHs 含量有超标现象,但是污水并
不是 PAHs的主要污染源,并且污灌区的 PAHs含量
与其他普通农田中的含量差别不大[24鄄25]。
1.2摇 污水灌溉对土壤微生物的影响
土壤微生物是土壤质量评价的重要内容之一,
学者主要从土壤微生物群落和土壤酶活性两个方面
来研究了污灌对土壤微生物生态系统的影响。 污灌
可以改变土壤中微生物的种群数量和多样性[26],并
且能够选择性地刺激土壤微生物中细菌和真菌类群
的生长[27]。 污灌对土壤酶活性的影响受到污染物
种类、土壤酶种类等因素的影响,曹靖等[28]以甘肃
省金昌市污灌土壤为研究对象,发现 Cu 与 Ni 复合
污染对土壤脲酶、酸性磷酸酶和碱性磷酸酶活性均
表现为激活作用,对过氧化氢酶和转化酶有轻微的
抑制作用,对多酚氧化酶有较强的抑制作用。 李慧
等[27]以沈抚污灌区为例,发现含石油烃污水灌溉能
够增加土壤中脱氢酶、过氧化氢酶、多酚氧化酶的活
性,且酶活性随着污染程度的增加而增加,土壤脲酶
则呈现相反趋势。
1.3摇 污水灌溉对地下水的影响
污水进入土壤后,污水中的重金属(Cu、Pb 等)
能够被土壤颗粒所吸附,而污水中的各种主要阴离
子(Cl-、NO-3 等)和阳离子(K
+、Na+等)则较易通过
土壤向下移动,进入浅层地下水,使浅层地下水受到
污染。 研究发现,土壤具有较强吸附污水中重金属
的能力,地下水受到重金属污染的风险较小[29]。 污
水中的 NH+4 可与土壤胶体表面的 Ca2
+、Mg2+发生离
子交换反应,使地下水硬度升高、土壤含氮量增加;
此外,土壤中的 NH+4 会发生硝化作用,其最终产物
NO-3 会在短期内加重地下水的污染[30鄄31];而污水中
的 NO-3 离子则易被淋洗至深层土壤或地下水中,导
致地下水中 NO-3 浓度超标[32鄄33];在长期污灌下还易
造成地下水中 Cl-的污染[34鄄35]。 国内大多数污灌历
史较长的灌区均已在地下水中发现不同程度的有机
物污染[36鄄37]。 对污灌区地下水中致病微生物的污染
目前国内研究相对较少,韩力峰等[38]发现赤峰市郊
区污灌区地下水中的细菌总数、大肠菌群、肠道致病
菌的检出高于清灌区。
1.4摇 污水灌溉对植被的影响
污水灌溉对植被的影响集中体现为作物产量和
品质、污染物累积等方面,由于物种、灌溉水质、灌溉
措施等因素的差异,污水回灌对作物的影响并不一
561摇 1期 摇 摇 摇 陈卫平摇 等:再生(污)水灌溉生态风险与可持续利用 摇
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致。 污水中富含有 N、P、K、Zn、S、B和有机质等营养
物质,污水灌溉在一定程度上能促进作物生长[39];
但大多数研究表明长期连续污灌使土壤性能降低如
土壤板结、通透性降低等,进而导致作物生长缓慢、
长势变差、生产量下降,叶片发黄等[19,40鄄41];此外,对
于植被生长非必需的微量元素 Cd、Cr和 Pb 等,能通
过植被的根系或其他途径进入植被并富集,影响植
被生长的同时,能通过食物链进入人体[12,42]。
2摇 再生水灌溉利用生态风险分析
再生水是指污水经适当处理后,达到一定的水
质标准,满足某种使用需求的水。 由于经济、技术等
原因,再生水中仍然含有较高的全盐量、多种毒性痕
量物质(重金属、有机污染物等)、丰富的氮元素及致
病微生物等,这些物质随着灌溉进入土壤-植被系统
中,有可能对土壤、植物生态系统产生危害,污染地
下水,进而危害人体健康[43]。 据此,国内外针对于
再生水灌溉下盐分、痕量污染物(重金属、有机污染
物等)、氮素、病原微生物等的潜在风险进行了相关
研究,研究发现再生灌溉下土壤具有较大的盐化风
险,尤其是长期灌溉,且土壤中盐分的累积会影响土
壤性质及植物生长,地下水中的含盐量也有增加的
趋势;灌区土壤、地下水受重金属污染的风险较小;
新型有机污染物对土壤及地下水的影响有待进一步
加强研究;氮的污染主要是导致土壤中营养元素失
衡,以及地下水中硝态氮含量增加;目前的研究表明
病原微生物对土壤、地下水污染的风险较小,但仍需
进一步的研究。
2.1摇 土壤、地下水盐化风险
再生水的含盐量一般可高于同地区自来水的 2
倍,尤其是再生水中的钠等一些可溶性盐分离子,即
使再进一步处理仍很难被有效去除[44]。 再生水灌
溉下土壤中盐分的累积受到土壤性质、灌溉水质、气
候条件等因素的影响,因此不同的条件下土壤盐分
累积的程度并不相同。 有研究表明,再生水灌溉下
土壤中盐分会出现累积,但并未达到盐化的程
度[45鄄46],然而也有研究表明在长期再生水灌溉下土
壤会出现一定程度的盐渍化[47],还有研究发现当土
壤中累积的盐分较多时会影响作物的正常生
长[48鄄49]。 此外,有研究发现[50]再生水中较高的 Na+,
会引起灌溉土壤板结,进而导致土壤的入渗性能下
降;也会导致土壤孔隙度减小,从而减小土壤滞留营
养元素的能力,最终使土壤肥力下降[45]。 对北京再
生水灌区[51]进行实地调查,发现再生水灌溉可导致
地下水中全盐量增加,其增加的程度依赖于灌溉水
质及地理环境等因素,其中 Cl-的增加较为明显。
2.2摇 痕量物质污染风险
随着工业污水处理能力的加强,以及工业、生活
污水的分开处理,近些年再生水中重金属含量明显
降低,通常与地表水没有明显差异,大多数研究[52鄄53]
均发现中短期的再生水灌溉不足以引起土壤重金属
的明显累积,土壤重金属污染风险较小;但长期再生
水灌溉土壤重金属可能累积至危害水平[54]。 此外,
再生水灌溉下重金属主要集中在土壤 20—40 cm 土
层[55],总体上污染地下水的风险较小。 再生水中
POPs(persistent organic pollutants)的含量一般较低,
如 OCPs ( organochlorine pesticides) 含量在 1—100
ng / L,PAHs 含量在 10—1000 ng / L[56],相对于大气
沉降等其他来源,对土壤污染的风险较小[57];但是
再生水中一些新型有机物污染物(阻燃剂、塑化剂、
个人护理产品等)的含量较高,如多环麝香抗生素含
量多在 1—10 滋g / L,因此这些新型污染物的再生水
灌溉污染风险逐渐受到关注,有研究表明再生水灌
溉下土壤中的新型污染物含量将会增加[58]。 此外,
研究还发现再生水灌区的地下水中能监测出一些新
型污染物,但一般浓度较小[59]。
2.3摇 氮素污染风险
经过常规二级处理的再生水硝态氮含量较高,
通常在 10 mg / L 以上,再生水中较高的氮含量能为
植物提供生长所需的氮营养元素,但不当的再生水
灌溉可能会导致土壤中氮过量,进而使植物的氮、
磷、钾等营养失衡,使植物非果实部分疯狂生长,果
实产量下降,果实质量下降等[48];甚至会导致易迁
移的硝态氮进入地下水,进而引起地下水污染[60]。
研究发现,再生水灌溉下地下水中的总氮含量会增
加[51,60];而由于氨态氮容易在土壤中被吸附、转化,
使得地下水中硝态氮一般增加的较多[61]。 但是,地
下水中氮的来源不仅仅局限于再生水,农业活动例
如施肥也会导致地下水中氮含量增加[59]。
2.4摇 病原微生物污染风险
再生水中含有多种病原微生物(包括细菌、原生
动物类、寄生虫和病毒等),目前对于再生水灌溉病
661 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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原微生物的污染研究较少,主要集中在大肠杆菌的
研究,大多数研究发现大肠杆菌主要集中在土壤表
层[60],且存活时间不长[62];地下水受到大肠杆菌污
染的风险较小[62];但是对于一些存活能力和迁移能
力较强的病原微生物,例如贾地鞭毛虫、沙门菌等,
其能在地下水中监测到, 只是监测到的数量
很小[63]。
3摇 再生水灌溉的可持续利用
3.1摇 可行性分析
(1)再生水利用已提升到国家战略规划的高度
为了加快建设全国城镇污水处理及再生利用设
施,2012年 4 月国务院办公厅印发了《“十二五冶全
国城镇污水处理及再生利用设施建设规划》,指出
“十二五冶期间再生水利用率需增加 5%以上,再生水
生产规模将从 2010年的 1210 万 m3 /日增加到 2015
年的 3885万 m3 /日。 此外,2012 年 12 月住房和城
乡建设部颁发了《城镇污水再生利用技术指南(试
行)》,提出城镇污水再生利用的总体目标是充分利
用城镇污水资源,缓解区域水资源短缺,提升我国城
镇水资源综合利用效率和水平。 为配合我国城市开
展污水再生利用工作,建设部和国家标准化管理委
员会编制了《城市污水处理厂工程质量验收规范》、
《城市污水再生利用鄄城市杂用水水质》等污水再生
利用系列规范和标准。 可见,我国再生水利用已提
升到国家战略规划的高度,这一点能极大地推进高
效、低耗能的污水处理再生技术发展,以及将再生水
作为可利用水资源的一部分来考虑的水资源统筹
规划。
(2)科学管理下再生水灌溉利用是安全的
对比污水灌溉和再生水灌溉生态风险分析的结
果可以看出,再生水灌溉下生态风险大大降低。 污
水灌溉通常会导致土壤重金属污染,而相对的再生
水灌溉下土壤、地下水重金属污染风险较小。 长期
污水灌溉会导致土壤出现次生盐碱化,地下水中无
机盐离子 Cl-、NO-3 容易超标,而再生水灌溉下虽然
也会导致一定程度的土壤盐渍化,以及地下水盐分、
硝态氮的增加,但通过适当的管理措施可以有效减
小再生水灌溉下土壤、地下水的盐化、氮污染风险。
此外,污灌会使地下水中出现有机物污染,而再生水
灌溉下地下水有机物污染风险通常较小。 众多发达
国家的再生水灌溉利用经验表明,在科学的管理下,
再生水灌溉利用是安全的[64]。
(3)再生水灌溉具有巨大的经济效益
再生水回用的基建投资比远距离引水便宜,城
市污水经处理后达到生活杂用水和工业冷却水水质
的基建投资相当于从 30 余 km 外引水,若处理到可
回用作较高要求的生产工艺用水,其投资也只相当
于从 40—60 km外引水[65];而南水北调东线输水主
干线长 1150 km,中线输水总干渠长 1246 km,可见
对于需要远距离引水的地方采取再生水回用更经
济。 再生水处理的成本一般在 0.3—2.5 元 / t 之间,
南水北调水的成本是 6.0—8.0 元 / t,我国海水淡化
的成本大至在 4.0—6.0 元 / t 左右,可见再生水回用
比南水北调和海水淡化具有更大的经济效益。 在农
业灌溉方面,由于再生水含有大量的氮、磷、钾、钙等
营养元素,当使用再生水灌溉农田时可以减少化肥
的使用量,节约生产成本,以北京市为例,经估算每
年使用再生水灌溉可以减少氮素的施用量 7140—
8610 t,磷的施用量 1119—1590 t。 再生水中含有较
丰富的 BOD(biochemical oxygen demand),在一定条
件下分解,可以释放为作物吸收利用的多种营养元
素,在一定范围内可以促使作物增产[57,66]。 以北京
市 2010年再生水的利用为例,通过计算再生处理厂
基建花费、运行和维护花费、管网建设花费、对人体
健康不利影响的花费等,以及再生水利用能减少污
染物排放、节省肥料、改善土壤环境等的利益,发现
能产生净利润 7.12 亿元,是再生水利用所需费用的
1.7倍。
(4)再生水灌溉具有巨大的环境效益
再生水灌溉时可以利用土壤、作物对污水的净
化过滤功能,减少污染物例如重金属、BOD等向水环
境中的排放,以 BOD 为例,研究发现[67]大多数可降
解性有机物能在土壤表层被降解,假设再生水灌溉
下土壤对 BOD 的降解率为 100%,对于北京二级处
理水 BOD 为 16. 0—25. 8 mg / L[66],每年可以减少
BOD向环境中排放 4800—7740 t;再生水灌溉能显
著改善土壤质量,例如提高土壤全氮、速效氮、速效
磷的含量,增加阳离子交换量[68],以及增加土壤微
生物数量[45, 69],提高土壤酶活性[47,70],这些具有较
高活性及数量的微生物通过自身的生命活动可使土
壤中的一些有害物质转化为可为植物吸收利用的某
761摇 1期 摇 摇 摇 陈卫平摇 等:再生(污)水灌溉生态风险与可持续利用 摇
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些营养成分[70]。 此外,再生水利用可以在一定程度
上缓解水资源的供需矛盾,以我国 2010 年城镇污水
处理设施的平均处理水量 0.96亿 m3 / d[4]来估算,可
知每年若将所有的再生水加以利用,可以缓解水资
源压力 350.4亿 m3。
3.2摇 可持续管理
考虑到再生水灌溉具有巨大的经济效益和环境
效益,再生水灌溉应该被积极推广。 为实现再生水
灌溉的可持续利用,应考虑如下几个方面:
(1)盐渍化是再生水灌溉利用的主要风险,但并
不属于再生水特有。 在一些干旱半干旱地区,其地
表水含盐量可高于再生水。 在蒸发蒸腾量大于降雨
及灌溉量的情况下,土壤盐渍化均可能发生。 因此,
再生水灌溉应保证适宜的淋溶量,在灌溉管理上遵
循最佳管理措施,节水灌溉并不适宜。 此外,可通过
调整种植措施及适当的土壤改良,避免盐渍化的
影响。
(2)高含氮量是再生水灌溉的双刃剑。 美国加
州的一些利用案例表明,再生水灌溉可满足一季作
物生长的需求,不需使用额外的肥料。 因而,为避免
营养失衡及潜在的地下水污染,需要根据再生水的
含氮量进行相应的灌溉调整。
(3)再生水中痕量污染物如重金属、新型污染物
受到广泛关注,现有的研究成果表明,再生水灌溉下
这些污染物的生态风险较小。 为确保再生水长期可
持续利用,需要依据再生水中这些污染物的含量,估
算再生水灌溉承载力,确定安全的再生水灌溉量阈
值及年限。
(4)病原菌传播是再生水灌溉利用的潜在风险,
可通过一些场地管理措施如设置缓冲区(远离水井、
公共可接触区)、径流控制管理及作物收获管理,有
效避免病原菌传播风险。
4摇 结论与建议
通过分析污水、再生水灌溉的相关研究,发现长
期污水灌溉易造成土壤重金属污染,农作物中重金
属含量超标,土壤出现次生盐碱化,地下水中无机盐
离子 Cl-、NO-3 超标;再生水灌溉下,盐分、氮素是土
壤、地下水受到的主要污染来源,重金属、有机物污
染的风险较小;而关于新型有机污染物、病原微生物
的污染风险,两种灌溉下都需要进一步研究。 据此,
针对国内研究现状,从再生水利用的安全性、经济效
益、环境效益等方面分析了再生水灌溉利用的可行
性,并提出了一些再生水灌溉可持续管理措施。
随着水资源供需矛盾的进一步加剧、污水处理
技术的发展,国家将更加重视再生水的利用,再生水
灌溉将会逐渐替代污水灌溉,为了进一步促进再生
水灌溉安全利用,提出以下建议:
(1)在科学研究层面,目前污染物研究范围还比
较有限,大多国内外的研究重点放在盐分、氮、重金
属、多环芳烃等物质上,而较忽略了新型污染物、致
病微生物等的影响研究;同时针对污染物在不同介
质之间的迁移转化规律、影响因素等研究需要进一
步完善,需要将多个学科联合起来展开共同研究。
此外,还需要进一步加强长期定位研究,由于许多污
染物形成风险需要经过长期再生水灌溉才能表现出
来,在时间和空间上是动态的,仅仅通过野外实地调
查和小规模室内模拟研究是不够的,为了尽可能获
取再生水灌溉风险及综合效应相关信息,应对灌区
的土壤、植被、地下水等进行定期监测。 通过进一步
加强再生水灌溉污染风险的理论研究,综合野外定
期监测、室内土柱模拟、模型研究,建立再生水水质
与生态风险的有机关联,以便在再生水灌溉前进行
相应的风险评估,进而减小再生水灌溉的污染风险。
(2)在标准体系方面,虽然我国已颁布了《城市
污水再生利用农田灌溉用水水质》标准,以指导再生
水灌溉利用,但该标准与灌溉利用的生态风险缺乏
有机联系,同时随着科学研究的进展以及检测技术
的发展,这些标准仍需要进一步的完善。
(3)在风险管理方面,目前还没有形成系统的科
学的风险管理体系。 为促进再生水灌溉的安全性和
可持续性,需结合我国再生水发展的特点并参考借
鉴国外再生水风险管理措施,建立耦合水质风险管
理鄄终端用户风险管理鄄设施风险管理鄄安全监督管理
的风险管理体系,以保障再生水灌溉的可持续利用。
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叶生态学报曳圆园员源年征订启事
叶生态学报曳是由中国科学技术协会主管袁中国生态学学会尧中国科学院生态环境研究中心主办的生态学
高级专业学术期刊袁创刊于 员怨愿员年袁报道生态学领域前沿理论和原始创新性研究成果遥 坚持野百花齐放袁百家
争鸣冶的方针袁依靠和团结广大生态学科研工作者袁探索生态学奥秘袁为生态学基础理论研究搭建交流平台袁
促进生态学研究深入发展袁为我国培养和造就生态学科研人才和知识创新服务尧为国民经济建设和发展服务遥
叶生态学报曳主要报道生态学及各分支学科的重要基础理论和应用研究的原始创新性科研成果遥 特别欢
迎能反映现代生态学发展方向的优秀综述性文章曰研究简报曰生态学新理论尧新方法尧新技术介绍曰新书评价和
学术尧科研动态及开放实验室介绍等遥
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编辑部主任摇 孔红梅摇 摇 摇 执行编辑摇 刘天星摇 段摇 靖
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编摇 摇 辑摇 叶生态学报曳编辑部
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主摇 摇 编摇 王如松
主摇 摇 管摇 中国科学技术协会
主摇 摇 办摇 中国生态学学会
中国科学院生态环境研究中心
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