农田灌溉水质对农作物质量的影响因素及有效改善措施
作者: 张升第本文从灌溉水中化学元素、微生物、物理特性和灌溉方式等方面分析了灌溉水质对农作物质量的影响因素并提出了改善灌溉水质的措施,包括加强水质监测评估、采用水质处理技术和优化农业生产管理,以期为保障灌溉农业的可持续发展提供参考。
近年工农业快速发展,灌溉水源日益紧缺,水质不断恶化给农业生产带来严重威胁。灌溉水质的好坏直接关系到农作物的品质亦关系到人民群众的身体健康。因此,深入分析灌溉水质对农作物的影响因素,采取有效措施改善灌溉水质可以促进农业的可持续发展。
一、农田灌溉水质的现状
据统计,我国灌溉面积已达7.4亿亩,占耕地总面积的52%,灌溉用水量占农业用水量的94%以上。然而,随着经济社会的快速发展和用水需求的不断增长,我国灌溉水资源形势日益严峻,灌溉水质问题日益突出。灌溉水质的好坏直接关系到农作物的生长发育、产量品质和农产品的安全卫生,关系到农业生产的可持续发展和粮食安全。因此,加强灌溉水质管理,改善灌溉水质状况,已成为当前农业面临的一项重要而紧迫的任务。
据相关监测数据显示,我国灌溉水质总体为轻度污染,部分地区灌溉水质已不能满足农业灌溉用水要求。其中,南方地区灌溉水质优于北方地区,西部地区优于东部地区。灌溉水质主要污染指标为氨氮、总磷、化学需氧量等,部分地区重金属和农药污染也较为突出。造成灌溉水质问题的原因既有工业和城镇生活污水直排、农药化肥过量施用等人为因素,也有地质背景差异、气候变化等自然因素。
当前我国灌溉水质面临诸多问题。一是,工农业污染问题仍较突出。部分企业偷排偷放,超标排污现象时有发生,工业废水和城镇生活污水对灌溉水源构成严重污染。与此同时,农业面源污染问题日益凸显,农田径流、排水携带大量氮磷等营养物质进入水体,导致灌溉水源富营养化。二是,过度开采导致水资源短缺。为满足农业灌溉用水需求,一些地区过度开采地下水,导致水位下降、水质变差,灌溉水源面临枯竭风险。三是,气候变化带来新的不确定性。气候变暖、极端天气事件频发,干旱、洪涝等灾害对灌溉水源质量影响加剧,灌溉水质问题更加复杂多变。
二、灌溉水质对农作物质量的影响因素
1、水中化学元素对农作物的影响
一方面,水中存在的一些有毒有害的重金属元素,如汞、镉、铅、砷等,可通过农作物的根系被吸收积累进入作物体内,并在植株内迁移转运,最终在各器官尤其是可食用部分(如籽粒、果实等)富集。重金属在作物体内过量累积会影响作物的生理生化过程,干扰光合作用、呼吸作用等代谢活动,引起细胞损伤进而影响农作物的生长发育,导致农作物产量下降和品质变劣,甚至完全失去食用和经济价值。例如,汞和镉等重金属可抑制农作物光合作用,降低叶绿素含量,削弱作物的生长势;铅会抑制农作物的细胞分裂,导致生长缓慢、矮小、叶片发黄等症状;砷会影响植物的根系发育,造成营养吸收不良。另一方面,水中还含有一些植物生长所必需的营养元素,如氮、磷、钾等。适量的氮、磷、钾等元素能促进作物的生长发育,提高产量和品质。但过量的氮磷会引起农作物徒长,导致延迟成熟并降低抗病能力和储藏品质。如过量施用氮肥会导致作物叶片脆弱、倒伏、影响农作物品质;过多的磷会与土壤中的铁、锰等形成难溶性化合物,反而影响作物对这些微量元素的吸收利用。
2、水中微生物对农作物的影响
水中存在的微生物与农作物的生长发育息息相关。一些病原微生物如细菌、真菌、病毒可通过灌溉水侵染农作物,引发各种病害导致农作物减产甚至绝收。如水中的软腐病菌可引起马铃薯、番茄等作物的茎基部腐烂。瘟霉病菌可导致辣椒等茄科作物叶斑、枯萎等症状。黄萎病病毒则可危害多种蔬菜瓜果的根系和维管束,造成植株萎蔫死亡。水体污染还可能导致一些产毒微生物大量繁殖,其释放的毒素可污染农田土壤和作物,危害人畜健康。例如,蓝藻门、裸藻门的藻类会产生微囊藻毒素、鱼腥藻毒素等,这些毒素具有肝毒、神经毒作用,可引起急性中毒甚至致死。但并非所有的微生物都是有害的,水中还存在一些有益微生物能够促进农作物的生长发育,提高农作物的抗逆性。例如,根瘤菌可与豆科作物形成共生关系,固定空气中的氮素供作物吸收利用。而假单胞菌、芽孢杆菌等能分泌抗生物质抑制病原菌的生长繁殖。
3、水的物理特性对农作物的影响
水的物理特性如温度、pH值等也会影响农作物生长发育。水温会直接影响作物的生理代谢活动,如光合作用、呼吸作用、蒸腾作用等。一般来说过高或过低的水温都会抑制作物的正常生长。例如,水稻生长的适宜水温为20℃—35℃,低于15℃时会延缓水稻的生长发育,高于40℃则会影响水稻的开花结实和籽粒充实。再如马铃薯生长的适宜水温为15℃—20℃,超过25℃会导致块茎变形、空洞、褐变等问题。灌溉水的pH值也会影响作物对养分的吸收利用。作物生长的适宜pH值范围为5.5—7.5。过低的pH值会增加铝、锰等金属元素的活性,导致作物出现烧根、生长缓慢等症状,而过高的pH值则会降低磷、铁、锌、硼等元素的有效性,从而引起作物缺素。如在pH值低于5.0的酸性条件下,水稻会出现根系发育不良、分叶力差、叶片发黄等缺钙症状。而在pH值高于8.5的碱性条件下,大豆会表现出缺铁性叶绿素症,新叶黄化、叶脉变绿。水中溶解氧的含量、电导率、浊度等指标也会在一定程度上影响作物的生长。溶解氧含量过低会抑制作物根系的呼吸作用,导致根系生长不良、养分吸收能力下降。而电导率过高则意味着水中盐分含量偏高,可能引起作物盐害。浊度过大则会影响水中光照的透射,降低水中溶解氧含量,不利于作物的光合作用和呼吸作用。
4、灌溉方式对农作物的影响
灌溉方式的选择和管理会直接影响农作物水分状况和养分供给,进而影响农作物的生长发育和产量品质。常见的农田灌溉方式有漫灌、沟灌、喷灌、滴灌等,各有其优缺点。漫灌是传统的地表灌溉方式,操作简单但用水量大,水分利用率低易造成土壤板结、盐碱化等问题,且会加剧农田养分的流失。沟灌则是在农田内开挖灌溉沟渠灌溉,与漫灌相比用水量略有降低,但仍存在水分利用率不高、深层渗漏严重等缺陷。
喷灌具有布水均匀、用水量少、效率高等优点,但喷灌设备投资和能耗较高,喷水质量要求也高,否则易堵塞喷头,且部分作物叶面浇水可能引起病害。滴灌通过管道和滴头将水缓慢、均匀地滴入作物根部土壤,具有精确补水、高效节水、不打湿叶面等优点,但易受堵塞影响,管理要求高且不宜用于大田作物。
灌溉频率和灌水定额也会影响农田水分状况与作物生长。过于频繁的灌溉会使土壤长期处于湿润状态,导致土壤通气性差,不利于作物根系生长和养分吸收;而灌溉频率过低则难以满足作物需水引起作物干旱胁迫。灌水定额过大会加剧水分下渗和养分淋失,造成水肥资源浪费,而灌水定额不足则会使作物面临水分亏缺的风险。
三、改善农田灌溉水质的有效措施
1、水质监测与评估
水质监测与评估是农田灌溉水质管理的前提。准确掌握灌溉水源的水质状况才能有针对性地制定水质改良措施,保障农田灌溉用水安全。建立完善的灌溉水质监测体系应根据灌溉水源类型、水质特点、农田作物种类等因素,科学设置监测点位,合理确定监测指标和频次。对于地表水灌溉水源,应重点监测水温、pH值、溶解氧、电导率、氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、总磷、重金属等指标;而对于地下水灌溉水源,除了上述指标外,还应关注氟化物、砷、硒、硫酸盐等特征污染物。监测频次应根据水质变化的季节性规律和灌溉用水的时间分布来确定,在作物生长关键时期和用水高峰期应适当增加监测频次。
在获取灌溉水质监测数据的基础上,还应开展科学的水质评价,判断灌溉水质是否适宜农田灌溉。目前,我国已制定了《农田灌溉水质标准》(GB 5084-2021),规定了农田灌溉水的水质分类和评价指标限值。根据灌溉水的pH值、矿化度、碱化度、氯化物毒害、污染物毒害等指标可将灌溉水质分为Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类和Ⅴ类,其中Ⅰ类和Ⅱ类水质优良,适宜作物灌溉,Ⅲ类水质一般,需根据具体情况和作物种类谨慎使用,而Ⅳ类和Ⅴ类水质较差或极差,不宜直接用于农田灌溉,应采取必要的水质改良措施。在进行灌溉水质评价时应全面考虑各项评价指标,综合判断水质类别。如果某些指标超标,但其他指标均达标,不能简单地将水质定为劣Ⅳ类或Ⅴ类,而应从实际情况出发分析超标指标对作物生长的影响程度,必要时可开展专项试验或示范观测,以科学评估灌溉水质的适用性。水质评价结果应及时反馈给灌溉水源管理部门和农田种植人员,以便采取相应的水质改良和灌溉管理措施。对于水质良好的灌溉水源应加强水源保护,防止水质恶化;对于水质一般或较差的灌溉水源应因地制宜地开展水质处理,如絮凝、过滤、吸附、离子交换、膜分离等,提高灌溉水质;而对于水质极差的灌溉水源,则应禁止用于农田灌溉,避免污染农田环境和农产品,危害人体健康。
2、农田灌溉水质处理技术
针对灌溉水质存在的问题,可采用物理、化学、生物等方法进行水质处理,以改善灌溉水质,满足农作物生长需求。物理处理法主要利用水质颗粒物与水的物理性质差异,通过重力沉降、过滤、吸附等作用去除水中的悬浮物、胶体等。常见的物理处理设施有沉淀池、砂滤池、多介质过滤器等。这些设施操作简单、见效快,适用于处理浑浊度高、悬浮物含量大的地表水。但物理法去除效果有限,不能有效去除水中溶解性污染物。
化学处理法通过投加化学药剂,利用凝聚、吸附、氧化、络合等作用去除水中污染物。常用的药剂有明矾、聚合氯化铝(PAC)、硫酸亚铁等无机絮凝剂能够去除水中胶体和悬浮颗粒;活性炭、沸石、膨润土等吸附剂,可去除水中有机污染物、重金属、氨氮等;漂白粉、次氯酸钠等氧化剂,可氧化分解水中有机物,并具有消毒作用;EDTA、柠檬酸等络合剂,可钝化重金属离子,减轻毒害作用。化学法去污能力强,适用范围广,但成本较高,且可能引入二次污染。生物处理法则是利用微生物的新陈代谢活动去除水中有机污染物、氮磷营养盐等的方法。常见的生物处理设施有人工湿地、生物滤池、曝气生物滤池等。其中人工湿地是模拟天然湿地,利用基质、植物和微生物的协同作用净化污水的生态系统,具有运行费用低、景观效果好等优点,但占地面积大、处理效率易受气候影响。生物滤池是利用生物膜法在滤料表面形成附着生物膜去除水中污染物的一种生物反应器,但易产生板结堵塞,需定期反冲洗。曝气生物滤池是生物滤池与曝气充氧相结合的一种处理设施,具有供氧充足、生物活性高、处理效率高等特点,但能耗较大且运行成本高。在实际应用中应根据灌溉水的水质特征、污染程度、处理要求、投资运行成本等因素,选择合适的处理工艺路线。对于污染程度轻、以悬浮物为主要污染物的灌溉水,可采用沉淀、过滤等物理法处理;对于有机污染严重、氮磷含量高的灌溉水,可采用人工湿地、生物滤池等生物处理设施;而对于重金属等有毒污染物超标的灌溉水,则需采用化学法深度处理。必要时还可将不同处理方法联用组合,优化工艺路线,提高处理效率。
3、农业生产管理措施
除了改善灌溉水质外,在农业生产管理中还可采取其他措施减轻灌溉水质问题对农作物生长的不利影响。可以通过合理选择农作物品种应对灌溉水质问题。不同作物品种对水质条件的适应性差异很大,一些品种耐盐碱、耐重金属、抗逆性强,而另一些品种则对水质条件要求较高,抗逆性差。在灌溉水质不理想的地区应优先选择与当地水质条件相适应的耐逆品种,通过适地适作实现农业生产与灌溉水质的协调。例如,在盐碱地区可选择耐盐碱的水稻品种,如南海优系列、青引系列等;在重金属污染地区可选择富集植物,如印度芥菜、向日葵等,这些植物可大量富集重金属,有利于污染修复。
不当施肥会加剧灌溉水质问题。过量施用氮肥、磷肥等化学肥料,会增加灌溉回归水的氮磷流失,引起水体富营养化。不合理使用农家肥、污泥等有机肥料,也可能导致重金属、病原菌等污染物进入农田水环境。因此,应根据作物需肥规律和土壤养分状况制定科学的施肥方案,实施精准施肥。在施肥种类上要优先使用符合标准或有机认证的优质肥料,避免劣质肥料污染农田;在施肥数量上,要严格按照推荐用量施用避免过量施肥;在施肥时间和方法上,要采取分次施肥、穴施等措施提高肥料利用率,减少流失。
传统的大水漫灌,不仅浪费水资源,而且易造成养分淋失和盐分积累,加剧灌溉水质恶化。因此,要根据作物需水规律和土壤墒情,采用喷灌、滴灌等先进灌溉技术,实现精准灌溉、定额灌溉。在灌溉定额上,要严格控制单位灌溉用水量,既满足作物需水,又避免过量灌溉;在灌溉频次上,要增加灌水次数、减小灌水定额,避免长时间大量灌溉引起深层渗漏。在条件允许的情况下,还可采取交替灌溉的方式,轮换使用地表水和地下水、淡水和微咸水等不同水源,避免单一水源引起的水质问题。保持农田排水系统通畅能够及时排除农田积水,防止水体污染和盐碱化。但排出的农田退水若直接排入河道或湖泊又可能污染地表水体。因此,要建立农田尾水收集和处理系统,将农田排水引入沉淀池、人工湿地等设施进行净化处理回用于农业灌溉,实现农田水资源的循环利用。
综上,加强农田灌溉水质管理,既要做好灌溉水质监测评估,科学判断水质状况,也要采取有效的工程技术和农艺管理措施,从源头上控制和治理水质污染。同时,还要转变农业发展方式,走节水、环保、高效、优质的现代农业发展道路。标本兼治,才能不断改善灌溉水质,保障农田生态环境安全,促进农业的可持续发展,为建设生态文明和实现农业现代化提供坚实保障。
(作者单位:271000山东省泰安市水文中心)