再生水滴灌土壤中砷(As)時(shí)空分布規(guī)律試驗(yàn)研究

裴 亮， 廖曉勇

(1.中國(guó)科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所，陸地水循環(huán)及地表過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101；2.中國(guó)科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所，環(huán)境損害與污染修復(fù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101；3.中國(guó)科學(xué)院 陸地表層格局與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100101)

采用經(jīng)過(guò)處理的再生水進(jìn)行蔬菜滴灌是當(dāng)前熱點(diǎn)研究之一[1-2]，國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究非常多[3-6]。國(guó)內(nèi)的李中陽(yáng)等[3]、齊學(xué)斌等[4]以及國(guó)外的Morillo等[2]、Al Kuisi等[1]、Gwenzi等[5]和Oron等[7]對(duì)污染物隨再生水進(jìn)入土壤進(jìn)行了初步研究。近些年對(duì)土壤植物系統(tǒng)中重金屬在再生水灌溉情況下的遷移轉(zhuǎn)化及作用的研究也較多[4-5,8]。由于再生水采用滴灌灌水，頻率、強(qiáng)度、灌溉水量與普通灌溉方式大相徑庭，所以水及水中物質(zhì)在土壤里的時(shí)空分布也與傳統(tǒng)灌溉方式不同。還有再生水污染物種類(lèi)繁多，其中重金屬對(duì)作物生長(zhǎng)及環(huán)境影響極大，尤其As,Cd等不但影響作物產(chǎn)量還對(duì)作物安全性有影響，絕不能忽視，所以研究土壤重金屬時(shí)空分布規(guī)律是急需的[8-9]。在前期再生水循環(huán)利用研究[10-13]的基礎(chǔ)上，采用不同濃度再生水對(duì)照地下水進(jìn)行滴灌，進(jìn)行蔬菜生長(zhǎng)季內(nèi)土壤重金屬As時(shí)空分布規(guī)律的研究。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

研究區(qū)地處湖北十堰山區(qū)，該區(qū)域的地理及自然情況見(jiàn)參考文獻(xiàn)[10-13]，本研究在該區(qū)域大棚中進(jìn)行，采用自然溫度，極端溫度-13.2℃，最高溫度41℃，常年平均溫度15.3℃，試驗(yàn)地土壤主體為沙壤土，1.52～1.73 g/cm3的容重。由于試驗(yàn)地近幾年采用生活污水灌溉，土壤汞和鎘有略微超標(biāo)。

1.2 試驗(yàn)布置

本研究課題組文獻(xiàn)[10-13]里有類(lèi)似試驗(yàn)設(shè)計(jì)，試驗(yàn)在2016年10月2日到12月5日蘿卜的生長(zhǎng)季內(nèi)進(jìn)行。壟作方式，壟肩寬80 cm，兩壟中心間距180 cm，壟高15 cm，壟上2行植物中間設(shè)一條間距20cm、滴頭流量2.7 L/h的滴灌帶，在植物種植前，每畝施復(fù)合肥10 kg。再生水水質(zhì)為當(dāng)?shù)厣钗鬯疂舛鹊?0%，每種蔬菜的試驗(yàn)采用5個(gè)處理，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)為3.5 m×3.5 m，灌水中根據(jù)農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)GB5084-2005[15]中重金屬限值控制重金屬的濃度(不超過(guò)限值2倍)。5個(gè)處理分別為A1(全再生水滴灌)、A2(再生水與地下水按照1∶1混合滴灌)、A3(再生水與地下水按照1∶2)、A4(再生水與地下水按照1∶4混合)和地下水滴灌處理E。

灌溉采用1.2 m高處的蓄水桶滴灌，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)放置一個(gè)容積240 L的水桶，灌水前需將地下水和再生水按照處理中要求的比例加入水桶。每個(gè)處理中的每個(gè)重復(fù)小區(qū)的土壤下方20 cm處安裝1個(gè)水勢(shì)負(fù)壓計(jì)，根據(jù)蔬菜的灌溉經(jīng)驗(yàn)[10-11]，確定灌水方案，當(dāng)水勢(shì)負(fù)壓計(jì)顯示土壤水勢(shì)低于-25 kPa時(shí)開(kāi)始灌水，每次灌水量為5 mm。蘿卜生長(zhǎng)季內(nèi)共灌水5次，共25 mm。

1.3 采樣及測(cè)定項(xiàng)目及方法

每次灌水后第1天、第3天、第5天、第7天，取土樣進(jìn)行重金屬測(cè)定，在取樣深度為0～200 cm的土層內(nèi)每隔20 cm 進(jìn)行取樣，選取10個(gè)深度土壤進(jìn)行分析，，分析標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)參考文獻(xiàn)[14-15]，再生水水質(zhì)情況及再生水滴灌小區(qū)處理情況見(jiàn)表1、2。

表1 水質(zhì)情況 mg/L

表2 再生水滴灌試驗(yàn)5個(gè)處理

1.4 樣品配置及處理方法

再生水為十堰市污水廠二級(jí)出水經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)易過(guò)濾后和地下水混合進(jìn)行配置而成。取樣后的土壤先放置風(fēng)干后置于烘箱中烘至110℃干燥為止，隨后磨碎，通過(guò)前處理(消解等過(guò)程)后開(kāi)始化學(xué)分析測(cè)試。砷的測(cè)定采用熒光原子分光光度法[16]。

2 結(jié)果分析

2.1 再生水首次滴灌后土壤剖面重金屬As運(yùn)移分布情況

從圖1中第1、3、5、7天數(shù)據(jù)可以看到，首次灌水后第1天、第3天、第5天、第7天，對(duì)蔬菜土壤剖面采樣進(jìn)行重金屬As含量測(cè)定，發(fā)現(xiàn)重金屬As在灌水第1天，在表面土壤(0～20 cm)中含量最高，隨深度降低濃度降低；第3天開(kāi)始，表面濃度略微降低，深層濃度逐漸增加；到第5天、第7天時(shí)，As主要在土壤80～120 cm深度處積累，0～80 cm深度處無(wú)明顯差異，80～120 cm深度處重金屬含量突增，濃度最高，120～180 cm深度處重金屬含量逐漸降低。

這是因?yàn)樵偕喂喙嗨枯^小、流速較小、時(shí)間較短，重金屬很少被淋洗到深土層及地下徑流中，且有一部分重金屬在滲水后期，隨毛管上升到一定位置，最終大部分維持在表層及80～120 cm處，第7天時(shí)，180 cm處As濃度較第5天也有所減少，說(shuō)明淋洗及毛管孔隙上升作用使深層As產(chǎn)生一定運(yùn)移，具體趨勢(shì)如下圖1所示。

2.2 生長(zhǎng)季內(nèi)土壤As濃度變化情況

圖1中看出As在一次灌水作用下第1、3、5、7天的As變化規(guī)律。整個(gè)作物生長(zhǎng)季內(nèi)要灌水多次，本節(jié)主要對(duì)作物整個(gè)生長(zhǎng)季土壤As的運(yùn)移積累情況進(jìn)行分析研究。生長(zhǎng)季內(nèi)As的變化情況如圖2所示。

圖2 2016年生長(zhǎng)季內(nèi)土壤重金屬As分布運(yùn)移情況

對(duì)各次滴灌后第1、3、5、7天分別測(cè)定As在各層土壤中濃度變化。圖2中，生長(zhǎng)季內(nèi)對(duì)每個(gè)處理及重復(fù)的土壤表層各層進(jìn)行采樣測(cè)試，可以看出，再生水滴灌(A1、A2、A3、A4處理)過(guò)程里，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)、灌水次數(shù)增加，土壤中蓄積的As濃度是增加的，但增加較緩慢。隨著再生水濃度降低，蓄積As的濃度也降低。地下水滴灌(E處理)過(guò)程中，As蓄積趨勢(shì)不明顯，和再生水滴灌曲線比較，為較為平緩的曲線?？赡苁且?yàn)橥寥篮偷叵滤镜椎腁s在多頻率、小流量的滴灌下，土壤淺層As淋洗速度快于蓄積速度，作物本身對(duì)As也有一定吸附吸收作用。同樣，在每次灌水第1、3天，表層As濃度略微降低，80～120 cm處濃度略增加，120 cm以下處濃度緩慢降低；第5、7天，As主要在100 cm左右聚集，120 cm以下處As濃度逐漸降低。這與圖1規(guī)律較接近，說(shuō)明單次滴灌灌水停后，深層土壤重金屬濃度差及毛管作用會(huì)使重金屬鹽分在土壤中隨水調(diào)節(jié)至趨于平衡狀態(tài)。生育期結(jié)束后，As的最終蓄積情況如圖3所示，地下水灌溉條件下，20 cm和80～100 cm處，As蓄積較多；再生水灌溉條件下，從20到120 cm過(guò)程中，As蓄積量增加，其中80～100 cm處As含量隨深度增加較少，100到200 cm過(guò)程中，As含量逐漸降低。

圖3 土壤各層As蓄積情況

3 結(jié) 論

(1) 以地下水滴灌為對(duì)照，在蔬菜大棚對(duì)生長(zhǎng)季蘿卜進(jìn)行再生水滴灌試驗(yàn)研究，分析研究了再生水滴灌后7天內(nèi)土壤不同深度中重金屬As時(shí)空分布變化情況。結(jié)果表明：滴灌后第1天，表層土壤As濃度最大，滴灌后第3天100 cm深度處As濃度最大，表層土壤As濃度略有降低，第5天到第7天，各層土壤As濃度接近，80～120 cm處濃度最大，深度低于120 cm時(shí)As濃度隨深度增加而降低。

(2) 全生長(zhǎng)季內(nèi)土壤As隨著灌水次數(shù)增加而變化，具體情況是表層土壤As蓄積增加，土壤深度80～120 cm處As增加較少，200 cm處As濃度減小。當(dāng)再生水滴灌條件下，再生水和深層土壤中As濃度符合土壤和灌溉水的標(biāo)準(zhǔn)限值[14-15]。

(3) 生育期結(jié)束后，As的最終蓄積情況為：地下水灌溉條件下，20 cm和80～100 cm處，As蓄積較多；再生水灌溉條件下，從20到120 cm過(guò)程中，As蓄積量隨深度增加，其中80～100 cm處As含量隨深度增加幅度較小，100到200 cm過(guò)程中，As含量逐漸降低。因此用經(jīng)過(guò)一定程度處理的適當(dāng)濃度再生水進(jìn)行滴灌造成As污染概率極小。

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