市政处理废水对干旱地区条件下大麦（Hordeum vulgare L.）生长表现和营养组成的影响

《Journal of Sustainable Agriculture and Environment》：Impacts of Municipal Treated Wastewater on Growth Performance and Nutritional Composition of Barley (Hordeum vulgare L.) Under Arid Regions Conditions

　　本研究评估了处理过的市政污水（TWW）作为干旱和半干旱地区大麦灌溉水源的潜力，发现TWW灌溉显著提高大麦生物产量、籽粒产量、株高及千粒重，其中品种58 1A表现最佳，增产达40.64%-44.20%。TWW还提升叶绿素含量、粗蛋白及钾、镁、磷等必需矿物元素，纤维含量降低，重金属含量均低于饲料安全限值，证实TWW灌溉对大麦产量和品质的积极影响。分隔符

　　本研究聚焦于在干旱和半干旱地区利用城市处理后的污水（TWW）作为替代灌溉水源，评估其对大麦生长、产量、营养价值以及重金属积累的影响。大麦作为一种重要的谷物作物，具有较强的环境适应能力，尤其适合在水资源紧张的区域种植。然而，传统的大麦种植方式由于其对水分需求较高，难以在这些干旱地区持续发展。因此，寻找可持续的灌溉方案成为农业可持续发展的重要课题。

### 研究背景与意义

全球农业用水占总用水量的70%，而干旱和半干旱地区的水资源短缺问题尤为突出。这些地区的农业面临着自然条件的限制，例如降水稀少、蒸发强烈、土壤盐碱化严重等。因此，寻找能够适应这些环境条件的作物品种和灌溉方式，成为提高农业生产力和资源利用效率的关键。大麦因其较低的投入需求、较强的耐旱性和对盐碱环境的适应能力，被认为是一种潜在的解决方案。此外，大麦作为优质的牧草作物，不仅能够为反刍动物提供营养，还能有效缓解对自然水源的依赖，提高农业系统的可持续性。

城市处理后的污水是一种潜在的替代水资源，其不仅能够满足作物的灌溉需求，还含有丰富的氮、磷、钾等营养元素，以及多种微量元素。这些元素可以促进作物的生长，提高产量，并减少对化学肥料的依赖。然而，TWW中可能含有一定量的重金属，这些重金属的积累可能会对作物安全和生态环境产生负面影响。因此，如何在利用TWW提升作物产量和品质的同时，确保其对植物和土壤的长期安全性，是本研究的核心目标。

### 研究方法与实验设计

本研究在阿联酋阿布扎比大学农业与兽医学院的实验田中进行，实验区域的气候条件为年均降雨量低于100毫米，温度在19.2至26.4摄氏度之间，湿度在30%至80%之间。实验采用了三种大麦品种：CM 72、60 1A和58 1A，并设定了三种灌溉处理：饮用水（PW）、50%TWW和100%TWW。所有处理组的灌溉量相同，均通过滴灌系统进行施水。实验持续两年，分别于2022年和2023年进行，以确保数据的稳定性和代表性。

在实验过程中，研究人员对大麦的生长参数进行了详细测量，包括生物产量、籽粒产量、秸秆产量、穗数、千粒重、穗重等。此外，还对叶片中的叶绿素含量、粗蛋白含量、酸性洗涤纤维（ADF）和中性洗涤纤维（NDF）进行了分析。同时，对作物中的宏量元素和微量元素含量，以及重金属（如镉、铅、铬、镍、砷等）的积累情况进行了检测，以评估TWW对作物品质和安全性的综合影响。

### 研究结果与分析

#### 产量与生长指标

在两年的实验中，TWW灌溉显著提高了大麦的生物产量、籽粒产量、秸秆产量、穗数和千粒重。其中，58 1A品种在100%TWW灌溉条件下表现出最佳的产量表现，2022年的籽粒产量达到4.51吨/公顷，2023年则提升至5.16吨/公顷，分别比饮用水灌溉提高了40.64%和44.20%。这一结果表明，TWW的高营养含量和适宜的水分供应有助于促进大麦的生长和发育。

相比之下，60 1A品种在生物产量和秸秆产量方面表现突出，尤其是在100%TWW条件下，其生物产量和秸秆产量均高于其他处理。CM 72品种虽然在某些指标上表现良好，但整体上在TWW处理下的表现不如其他两个品种。值得注意的是，58 1A品种在TWW灌溉下不仅产量高，而且在收获指数和千粒重方面也表现出显著的优势，说明其对TWW的响应更为敏感。

#### 叶绿素与光合作用

叶绿素含量是衡量植物光合作用能力的重要指标。在TWW灌溉条件下，所有品种的叶绿素含量均高于饮用水灌溉。特别是58 1A品种，在100%TWW处理下叶绿素含量最高，表明其在光合作用过程中能够更高效地利用水分和营养元素。这一结果可能与TWW中较高的氮和镁含量有关，因为这两种元素是叶绿素合成的关键成分。

#### 营养成分与纤维含量

TWW灌溉显著提高了大麦籽粒中的粗蛋白含量、以及多种宏量和微量营养元素的浓度。在2022年和2023年的实验中，100%TWW处理下的大麦籽粒粗蛋白含量分别达到13.96%和13.92%，远高于饮用水灌溉下的8.03%和8.64%。此外，TWW处理下的磷、钾、钙、硫等元素的含量也显著增加，其中钾的含量达到6184毫克/千克，是饮用水灌溉下的1.5倍。

同时，TWW灌溉还降低了大麦籽粒中的纤维含量，这在一定程度上改善了饲料的消化率和营养价值。例如，在100%TWW处理下，ADF和NDF的含量分别降低了5.8%至4.4%和25%至18%。较低的纤维含量意味着大麦在TWW灌溉下更易于被动物消化，从而提高了其作为饲料的适用性。

#### 重金属含量与安全性

尽管TWW中可能含有一定量的重金属，但实验结果表明，其含量均未超过反刍动物饲料的允许上限。在2022年和2023年的实验中，所有处理组的大麦籽粒中镉、铅、铬、镍、砷等重金属的浓度均处于安全范围内，说明TWW的处理过程有效地去除了这些有害物质。此外，TWW灌溉并未显著增加重金属的积累，表明其在长期使用中对土壤和作物的潜在风险较低。

### 研究讨论

TWW作为替代灌溉水源，在提升作物产量和品质方面展现出巨大潜力。其富含的氮、磷、钾等营养元素能够促进作物的生长，提高光合作用效率，并改善作物的营养结构。同时，TWW中的有机质和微量元素有助于改善土壤结构，提高土壤肥力，从而进一步促进作物的可持续发展。

然而，TWW的使用仍需谨慎，特别是在长期应用中，其对土壤和植物健康的影响需要进一步研究。例如，某些重金属（如镍、镉）的浓度可能在特定条件下逐渐累积，因此，必须对TWW的处理过程进行严格监管，确保其在灌溉使用前达到安全标准。此外，不同大麦品种对TWW的响应存在差异，这表明在实际农业生产中，应根据品种特性选择合适的灌溉方式，以最大化产量和资源利用效率。

### 研究结论

本研究证明了TWW在干旱和半干旱地区作为替代灌溉水源的可行性。在100%TWW灌溉条件下，大麦的生长、产量和营养价值均得到了显著提升，同时其重金属含量保持在安全范围内。这不仅为水资源短缺地区提供了新的解决方案，也为农业可持续发展提供了理论支持。

然而，TWW的长期使用对土壤和生态环境的影响仍需进一步研究。此外，还需要探索更多适合TWW灌溉的作物品种和基因型，以确保其在不同环境条件下的适应性和安全性。通过优化TWW的处理技术，提高其水质，可以更有效地减少其对植物和土壤的潜在风险，同时最大化其对农业生产的贡献。

综上所述，TWW的合理利用不仅可以缓解水资源紧张的问题，还能提高作物的产量和营养价值，是未来农业可持续发展的重要方向之一。