再生水灌溉土壤對蔬菜食用安全的風險性評價

嚴興，羅剛，陳瓊賢，曹健，盧岳英，梁毅成，卜偉林

（1.廣州市凈水有限公司，廣東廣州 510163；2.廣東省農業(yè)科學研究院蔬菜研究所，廣東廣州 510640）

再生水灌溉土壤對蔬菜食用安全的風險性評價

嚴興1，羅剛1，陳瓊賢2，曹健2，盧岳英1，梁毅成1，卜偉林1

（1.廣州市凈水有限公司，廣東廣州 510163；2.廣東省農業(yè)科學研究院蔬菜研究所，廣東廣州 510640）

再生水灌溉是解決水資源短缺的潛在途徑之一，關于再生水灌溉條件下土壤中重金屬的遷移行為及其對表層土壤的污染風險至今仍缺乏研究。為此，進行了對不同水體澆灌蔬菜的試驗研究。相比較污水澆灌和自來水澆灌，再生水灌溉不僅對土壤沒有污染，還極大地節(jié)約了水資源成本，并為蔬菜提供了大量的生長元素。研究結果表明，再生水澆灌蔬菜長勢優(yōu)于自來水和污水澆灌蔬菜，且澆灌60 d后，再生水中的Cr、Cd、As、Hg、Pb、Ni、Zn和Cu在土壤中雖有一定的富集，但隨著淋溶時間的延長，各種重金屬質量分數(shù)保持不變；再生水澆灌的土壤在重金屬垂直遷移上的質量分數(shù)變化也不大，基本呈水平趨勢；與土壤環(huán)境質量標準（GB15618-1995）相比，再生水澆灌后的土壤重金屬沒有額外超標，優(yōu)于蔬菜種植的土壤標準要求。風險綜合評價等級為可承受（一級）風險。

污水；再生水；土壤；蔬菜；富集

蔬菜從土壤中攝取生長所必需的營養(yǎng)物質，而污染水體澆灌土壤引起土壤污染而導致蔬菜重金屬超標等食品安全問題越來越嚴重［4-5］。再生水是指城市污水經過處理后達到一定的水質標準在一定范圍內重復使用的非飲用的雜用水，因此再生水灌溉將是解決水質性水資源短缺的潛在途徑［6-8］。但關于再生水灌溉條件下土壤中重金屬的遷移行為、對淺層地下水的污染風險，及其再生水澆灌蔬菜過程中重金屬在土壤中的富集狀況至今仍缺乏研究［9］，本文作者特別針對廣州市城市污水處理廠再生水灌溉蔬菜過程中重金屬在土壤中的垂直遷移及其污染風險作評價，為廣州市蔬菜種植提供一種既安全又經濟有效的澆灌水體。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

1.1.1 試驗大棚試驗大棚采用鍍鋅鋼管架，規(guī)格長×寬×高為30 000 mm×6 000 mm×3 000 mm，在棚一側設一扇長×高為2 000 mm×2 500 mm大門。鋼管架采用卯扣固定，接地鋼管插入地下500 mm深處。大棚頂端采用透明的塑料膜封蓋，防止雨水等干擾試驗過程，棚周圍采用密閉紗網圍合，防止蟲害等，大棚設4臺風扇進行通風散熱，確保蔬菜不因溫度過高而枯萎，試驗裝置如圖1所示。

1.1.2 蔬菜缽蔬菜缽采用塑料材質的缽體，容積20 L。規(guī)格為直徑300 mm，高400 mm，下有托盤，詳見圖2所示。

圖2 蔬菜缽Fig.2Vegetable pot

1.1.3 試驗土壤蔬菜種植土壤就近選用約3.5 t質地較好的土壤（宜選用沙壤土），土壤在空曠室外晾干，去除草根、石粒等雜物，過20目篩備用。加入500 kg的腐熟有機肥和適量無機肥料，拌勻后作為試驗土壤。將土壤裝盤后充分淋水，遮蓋薄膜保濕，至不滴水以后放置于實驗蔬菜棚。同時取部分土壤樣本烘干稱質量，檢測計算土壤pH值和各重金屬元素，詳見表1。

表1 土壤重金屬含量Table 1Heavy metal content in soil

除鎘超標外，基本滿足土壤環(huán)境質量標準（GB15618-1995）中的二級標準，詳見表2。

表2 土壤環(huán)境質量標準值Table 2Sool environmental quality standard

1.1.4 試驗用水灌溉用水選用廣州市石井污水處理廠進水（污水）、再生水和自來水作為實驗水體，水質情況詳見表3。

表3 實驗用水指標Table 3Index of experimental watermg/L

1.2 試驗方法

試驗設計各小區(qū)分布安排見表4，試驗分為2個重復灌溉區(qū)，現(xiàn)選第一區(qū)的實驗缽為研究對象，每小組種植5缽，在蔬菜生長過程中，每天上午8：00和下午4：00澆水一次，每次約1 L。

表4 蔬菜灌溉水試驗設計安排Table 4Experimental design of irrigation water for vegetable

實驗從2013年9月1日開始至2013年12月31日為止，每月的第1日取樣一次，自來水澆灌的缽體取混合樣100 g，再生水和污水澆灌的缽體表層（0 mm）及深60、120、180 mm和240 mm處各取樣100 g。

1.3 樣品處理及方法

取樣后的土壤先放置實驗室通風處自然風干，然后在105℃烘箱中烘干，磨碎后，通過消解等前處理過程后開始檢測分析。其中重金屬鉻、鎘、銅、鋅、鎳和鉛采用原子吸收分光光度法檢測，汞和砷采用原子熒光分光光度法檢測。

2 結果與分析

實驗發(fā)現(xiàn)再生水澆灌的蔬菜長勢明顯優(yōu)于自來水澆灌和污水澆灌的蔬菜，見圖3、圖4、圖5。

圖3 再生水澆灌蔬菜Fig.3Irrigate the vegetable with recycled water

圖4 自來水澆灌蔬菜Fig.4Irrigate the vegetable with water

圖5 污水澆灌蔬菜Fig.5Irrigate the Vegetable with sewage

通過收成比較發(fā)現(xiàn)，再生水澆灌的蔬菜產量大于自來水和污水澆灌的蔬菜。說明在相同的營養(yǎng)條件下，再生水較自來水含有更多的營養(yǎng)元素，通過土壤吸收，并最終促進蔬菜的生長；而污水中雖然含有更多的營養(yǎng)元素，但也含有較多的重金屬，抑制了蔬菜的生長。

通過檢測證實，再生水澆灌的蔬菜土壤中重金屬含量較小，而污水澆灌的蔬菜土壤中重金屬含量相對較大，實驗數(shù)據如表5所示。

表5 實驗蔬菜土壤中重金屬含量Table 5Heavy metal content of experimental vegetable soil

參比自來水澆灌的土壤值，選擇有代表性的鉛和鎘作為研究對象進行數(shù)據分析，將同一時間的表層（0 mm）、60、120、180 mm和240 mm處土壤的鉛和鎘值平均，以時間為橫坐標，鉛和鎘質量分數(shù)為縱坐標，得到如圖6和圖7所示的曲線圖。從圖中曲線可知：用污水澆灌的土壤隨著時間的延長，土壤中重金屬含量逐漸增加，時間越長，增加幅度逐漸降低，增加趨勢基本滿足對數(shù)方程的遞增模式。而再生水澆灌的土壤，重金屬含量增加幅度較小，在土壤中富集情況基本呈水平趨勢，增加幅度較小，甚至出現(xiàn)降低的現(xiàn)象，說明重金屬在土壤中的富集是動態(tài)平衡的過程，因為再生水中重金屬含量低，用再生水澆灌土壤的過程中，部分富集的重金屬又隨著水流滲透出來。而污水中的重金屬質量分數(shù)高，隨著時間的延長，富集的重金屬量高于滲透出來的重金屬，重金屬含量呈遞增趨勢。

圖6 蔬菜土壤中鉛金屬的富集狀況Fig.6Enrichment situation of lead metal in vegetable soil

圖7 蔬菜土壤中鎘金屬的富集狀況Fig.7Enrichment situation of cadmium metal in vegetable soil

取不同深度的泥樣檢測得到重金屬鉛和鎘的質量分數(shù)值，以土壤深度為橫坐標，重金屬質量分數(shù)值為縱坐標，得到圖8、圖9、圖10和圖11，從圖曲線可知，用中水澆灌的蔬菜土壤中，重金屬的含量基本呈水平線性，隨著澆灌時間和土壤深度的變化，重金屬質量分數(shù)的變化較小，這也是因為再生水中的重金屬含量低，在土壤中富集遵循動態(tài)平衡的規(guī)律，富集量和脫附量基本持平，質量分數(shù)值基本與土壤底值接近，所以表現(xiàn)出來的重金屬含量略高于原來水平，并一直呈穩(wěn)定狀態(tài)。而污水澆灌的土壤重金屬含量在60 mm處呈現(xiàn)極大值，而后質量分數(shù)隨著土壤深度的增加，水中的重金屬脫附量增加，土壤中重金屬含量逐漸降低。但隨著時間的延長，重金屬的含量又逐漸增加，這與圖6、圖7一致。

圖8 再生水澆灌蔬菜土壤鉛濃度隨深度的變化Fig.8Change of vegetable soil lead content irrigation with reclaimed water with soil depth

圖9 污水澆灌蔬菜土壤鉛濃度隨深度的變化Fig.9Change of vegetable soil lead content irrigation with sewage with soil depth

圖10 再生水澆灌蔬菜土壤鎘質量分數(shù)隨土壤深度的變化Fig.10Change of vegetable soil cadmium content irrigation with reclaimed water with soil depth

圖11 污水澆灌蔬菜土壤鎘質量分數(shù)隨土壤深度的變化Fig.11Changeofvegetablesoilcadmiumcontentirrigation

采用LEC風險評價法對再生水澆灌的土壤進行風險性評價，因污水處理廠每天都會對再生水檢測分析，滿足蔬菜灌溉的標準后才能回用于灌溉，且通過上述實驗，發(fā)現(xiàn)再生水澆灌的土壤中重金屬的含量增加不明顯，且保持穩(wěn)定，達到蔬菜種植的標準要求，因此事故蔬菜食用發(fā)生的可能性屬于“很不可能，可以設想”，L值為0.5；而再生水澆灌蔬菜后，假設存在蔬菜接觸到澆灌水體，人體通過食用蔬菜間接置于危險環(huán)境，因人體每天都會食用蔬菜，因此暴露于風險環(huán)境的頻繁程度屬于最高級別“連續(xù)暴露”，E值為10；再生水中重金屬含量低，富集到土壤中的重金屬也較低，滿足蔬菜種植的需要，因此基本上不會存在對蔬菜食用者傷害的危險，發(fā)生蔬菜食用事故的后果屬于“輕傷”，C值為1；通過計算風險分值D（D=L×E×C）為5，小于20，稍有危險。因此，再生水澆灌的土壤定性等級為可承受風險（一級）：安全，不需要采取措施。

3 結語

針對城市水質性缺水的實際情況開展研究，從實驗研究可知，相比較污水澆灌的蔬菜土壤，再生水澆灌蔬菜土壤中的重金屬含量基本滿足土壤環(huán)境質量標準（GB15618-1995）中的二級標準，雖然在澆灌過程中有一定程度的重金屬富集，但隨著時間的延長，富集到土壤中的重金屬會逐漸脫附，保持蔬菜種植的表層土壤完全符合土壤環(huán)境質量要求。

通過LEC風險評價法對再生水澆灌的蔬菜土壤進行風險性評價，定性等級為可承受風險（一級）：安全，不需要采取措施。為廣州市蔬菜種植提供了一種既安全又經濟有效的澆灌水體。明晰了重金屬在土壤中的遷移行為和對淺層地下水的污染風險，及其再生水澆灌蔬菜過程中重金屬在土壤中的富集狀況，為今后深入研究蔬菜重金屬富集等食品安全問題初步提供了基礎理論依據。

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Plant Irrigated by Reclaimed Water and Risk Assessment

YAN Xing，LUO Gang，CHEN Qiongxian，CAO Jian，LU Yueying，LIANG Yicheng，BU Weilin
（1.Guangzhou Sewage Purification Co.，LTD，Guangzhou 510163，China；2.Vegetable Research Institute Guangdong Academy of Agriculture Sciences，Guangzhou 510640，China）

Reclaimed water irrigation is a potential alternate source of water to help meet water shortages.There are few studies focus on the migration of heavy metals in soil and the topsoil contamination when reclaimed water is used for irrigation.The irrigation on vegetables using reclaimed water from different sources was studied.Reclaimed water irrigation didn't cause soil contamination and conserved fresh water resources comparing with sewage irrigation and tap water irrigation，at the meanwhile，it also could provide large amounts of nutrients for vegetables.The growth of vegetable irrigated by reclaimed water was better than those using tap water or sewage.The heavy metal accumulation in soil was observed after 60 days including Cr，Cd，As，Hg，Pb，Ni，Zn and Cu，which was low in concentration and stayed stable within irrigation duration.The vertical distribution of heavy metals in soil also changed little，with trends staying intact.The heavy metal content in soil was lower than the value in the soil environment quality standard（GB15618-1995），and better than the soil quality standard of vegetable planting.Risk assessment is within the generally acceptable risk range（a）.

sewage，reclaimed water，soil，vegetable，accumulation

X826

A

1673—1689（2015）06—0660—06

2014-05-28

廣州市天河區(qū)科技計劃重點項目（201205YG088）

嚴興（1982-），男，湖南華容人，工程師，主要從事污水的處理等研究。E-mail：yanxing82001@163.com