摘要
针对生活再生水灌溉对辣椒产量-品质-土壤安全性和提质增效机理的科学问题，采用盆栽通用旋转组合设计试验和小区对比试验，以生活再生水灌溉辣椒为切入点，对再生水灌溉水质、灌溉定额及施肥量对辣椒产量、品质的影响机理、土壤-作物系统金属离子和非金属离子在土壤、辣椒根、茎、叶、果实的累积规律，以及不同情景下的土壤重金属迁移和累积风险进行了系统的研究。成果可以为生活再生水灌溉辣椒的安全性和可行性提供理论依据。主要研究成果如下: (1)针对生活再生水灌溉条件下如何通过辣椒氮(N)、磷(P2O5)、钾(K2O)施用比例提质增效问题，选取施纯氮量、纯磷量、纯钾量3因素，采用二次通用旋转组合设计田间试验，建立了辣椒产量与氮、磷、钾耦合模型，揭示了生活再生水灌溉提质增效的氮磷钾交互作用和优化组合方案。结果表明:①辣椒氮、磷、钾耦合模型达到显著性水平，氮肥对辣椒产量影响较为明显，磷肥次之，钾肥影响较小;②氮、磷、钾单因素分别为322.2kg·hm-2、134.3kg·hm-2、439kg·hm-2时产量极值分别为45236kg·hm-2、15669kg·hm-2、20074kg·hm-2;③氮磷、氮钾、磷钾均交互效应显著。施氮量、施磷量分别为240kg·hm-2、150kg·hm-2时产量达到48912kg·hm-2:施氮量和施钾量分别为240kg·hm-2、150kg·hm-2时产量达到43524kg·hm-2;施钾量和施磷量分别为150kg·hm-2、92kg·hm-2产量最大为18318kg·hm-2。④在产量大于52000kg·hm-2的条件下，施纯氮量、纯磷量、纯钾量优化组合方案为:施氮量为228.7kg·hm-2、施磷量103.4kg·hm-2和施钾量123.9kg·hm-2。 (2)针对生活再生水灌溉条件下如何通过辣椒氮、磷、钾施用比例提升作物品质的问题，采用二次通用旋转组合设计田间试验，建立了辣椒各品质含量与氮、磷、钾耦合模型，揭示了生活再生水灌溉提升品质的氮磷钾因素主次顺序、交互效应、优化组合方案。①分别建立了辣椒素、辣椒素类物质总量、维生素C含量与氮、磷、钾耦合模型，通过主因素效应分析，得出各因素对辣椒素含量影响的顺序为施氮量(x1)＞施磷量(x2)＞施钾量(x3)，各因素对辣椒素类物质含量、辣椒维生素C含量影响的顺序均为施磷量(x2)＞施钾量(x3)＞施氮量(x1);②氮钾交互能够有效提高辣椒维生素C含量，当施氮量最大、施钾量最低时，辣椒维生素C含量为82.2g·kg-1，施氮量增加、施钾量降低时，辣椒维生素C含量随之增加，表现出非常强烈的交互作用。③主要辣椒维生素C含量区间的氮、磷、钾最优组合方案为:在维生素C含量大于100.83g·kg-1条件下，施纯氮量、纯磷量、纯钾量分别为229.79kg·hm-2、107.79kg·hm-2和128.54kg·hm-2。 (3)分别采用盆栽对比试验和小区对比试验，研究了生活再生水灌溉辣椒对土壤盐分非金属离子、金属离子及产量的影响。结果表明:①小区非金属盐分离子含量表现出不同的差异性，各处理0-40cm土壤硫酸根离子含量随着土层深度的增加呈下降趋势、土壤碳酸氢根离子含量随着土层深度的增加呈上升趋势。桶栽试验各处理0-40cm土壤硫酸根离子平均含量按T4＞T6＞T5逐渐递减，并且随着土层深度的增加呈下降趋势;桶栽试验各处理0-40cm土壤碳酸氢根离子平均含量随着深度的增加呈上升趋势。大田试验再生水灌溉和混合水灌溉在20-40cm土壤硫酸根离子含量存在显著的差异(P＜0.05)，桶栽试验各处理在20-40cm土壤硫酸根离子含量存在显著的差异(P＜0.05);各处理之间及同一处理的不同深度土壤中的碳酸氢根离子平均含量和碳酸根离子平均含量在20-40cm土壤没有显著差异。②大田和桶栽试验各处理产量递减顺序均为:再生水灌溉＞混合水灌溉＞黄河水灌溉。大田试验条件下，再生水比混合水、黄河水灌溉辣椒分别增产12.9％和26％，混合水灌溉辣椒产量比黄河水灌溉辣椒增产11.6％。桶栽试验条件下，再生水比混合水、黄河水灌溉辣椒分别增产7.2％和21.5％，混合水灌溉辣椒产量比黄河水灌溉辣椒增产13.3％。③分析发现，碳酸根离子和硫酸根离子、钙离子和产量之间呈现强的负相关，相关性系数达到0.72以上。硫酸根离子与钙离子、氯离子与钠离子之间存在显著的相关性(P＜0.05)，可见土壤盐分主要是硫酸钙和氯化钠盐类。阳离子与阴离子的相关性表现为硫酸根离子与钠离子、钾离子具有较高的正相关，碳酸氢根离子与镁离子呈正相关，氯离子与钙离子、钾离子呈正相关。硫酸根离子、氯离子、钙离子、钠离子与辣椒产量呈正相关，而碳酸根离子、碳酸氢根离子、钾离子、镁离子与辣椒产量呈负相关。 (4)分别采用桶栽和大田小区对比试验，揭示了生活再生水灌溉对土壤-作物系统中土壤重金属累积规律以及辣椒植株重金属累积和果实品质影响规律。结果表明:①在大田和桶栽方式灌溉条件下，生活再生水处理0-10cm表层土壤中重金属对人体健康产生的健康风险，所有元素的非致癌风险均小于1，表明重金属对人体健康并不会产生风险。摄入途径是导致儿童和成人风险的主要途径，其中儿童经过摄入途径导致的非致癌和致癌风险均高于其余两个途径。总非致癌风险显示铬和砷元素对儿童的总非致癌风险较高，应该值得注意。致癌风险而言，铬对人群的致癌风险为可接受水平;砷对儿童的致癌风险为可接受水平;除此之外，所有重金属不会对人体健康产生风险。②桶栽条件下，再生水灌溉、混合水灌溉处理铬含量传输量均依次按照根、茎、叶递减，再生水灌溉辣椒根、茎、叶的铬含量分别为1.85mg/kg、1.61mg/kg和0.08mg/kg，混合水灌溉辣椒根、茎、叶的铬含量分别为2.26mg/kg、2.12mg/kg和0.48mg/kg。辣椒植株不同部位铅、镉、汞、砷含量具有显著差异(P＜0.05)，辣椒叶部更利于汞的累积。③大田栽培条件下再生水灌溉和混合水灌溉处理辣椒素含量均较高，桶栽条件下再生水灌溉辣椒素含量较高，黄河水灌溉和混合水灌溉辣椒素含量较为接近。大田及桶栽条件下辣椒维生素C含量差异显著(P＜0.05)，桶栽更有利于辣椒维生素C的形成。④土壤镉与植株根、叶镉含量呈正相关，而与植株茎镉含量呈负相关，根镉含量与茎镉含量呈显著负相关(P＜0.05)，与叶镉含量呈正相关，茎镉含量与叶镉含量呈负相关，土壤镉含量更有利于辣椒植株根镉含量的累积。 (5)针对宁夏中卫市黄河岸边的典型农田土壤，开展了室内土柱2种再生水和对照黄河水灌溉模拟试验，揭示了土柱再生水湿润锋运移、累积入渗量规律、不同情景下的重金属迁移和累积风险。主要结论如下:①不同再生水土柱实验的湿润锋运移过程基本符合幂函数关系，湿润锋运移速度从大到小依次为黄河水＞第一污水处理厂再生水＞第四污水处理厂再生水;②再生水长期灌溉(10年)后，随着土壤重金属浓度的再分布，不会导致显著的土壤和地下水重金属积累风险，汞主要集中在表层0-5cm范围内，砷主要分布在120-180cm土层中。相同条件下，汞元素积累的风险主要在表层土壤，而砷元素积累的风险则主要在深层土壤;③长期再生水灌溉后，地下水埋深越浅，出现地下水砷积累的概率就越高，但汞元素因为被土壤大量吸附不会导致明显的地下水污染。
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