再生水滴灌土壤中重金屬Cd分布運(yùn)移實(shí)驗(yàn)研究

裴 亮，廖曉勇，孫莉英，顏 明

(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)

經(jīng)過(guò)處理的污水用于灌溉的再生水灌溉方式和高頻、低強(qiáng)度、低灌水量的滴灌灌溉方式結(jié)合的再生水滴灌模式是當(dāng)前節(jié)水和環(huán)保研究的熱點(diǎn)[1,2]，國(guó)內(nèi)的齊學(xué)斌[3,4]和裴亮[5,6]以及國(guó)外的Oron G[7]等人的研究非常多。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)化及作用有很多研究經(jīng)驗(yàn)[4,5,8]。再生水滴灌由于其灌水頻率、強(qiáng)度、灌溉水量與普通灌溉方式，因此水及水中物質(zhì)在土壤植物系統(tǒng)的分布轉(zhuǎn)化也不同。另外，再生水污染物多樣，其中重金屬對(duì)作物生長(zhǎng)及環(huán)境影響極大，不能忽視，研究重金屬運(yùn)移規(guī)律是非常必要的[9]。當(dāng)前的再生水灌溉研究主要集中在表層土壤，很少涉及深層土壤。灌溉方式也多采用漫灌等灌溉方式，對(duì)滴灌的研究較少。對(duì)再生水滴灌條件下，重金屬在土壤中運(yùn)移轉(zhuǎn)化規(guī)律的研究極少，因此污染物在滴灌情況下的分布運(yùn)移特征需要進(jìn)行詳細(xì)研究。本課題組在再生水滴灌方面進(jìn)行了很多研究，主要集中在養(yǎng)分運(yùn)移、養(yǎng)分對(duì)植物生長(zhǎng)及產(chǎn)量的影響、養(yǎng)分脅迫等方面，對(duì)重金屬污染情況沒(méi)有過(guò)研究[10-13]。Cd污染事件頻發(fā)，通過(guò)對(duì)作物的污染從而和人體接觸并危害人體健康，因此再生水滴灌研究中，對(duì)再生水中Cd隨水入土后的去向及運(yùn)移規(guī)律需要進(jìn)行深入研究。本研究就是在前期類似研究的基礎(chǔ)上，和地下水滴灌對(duì)比，進(jìn)行蔬菜生育期內(nèi)再生水滴灌下土壤重金屬Cd分布運(yùn)移的研究。為制定高效綠色的再生水灌溉制度以及防治面源污染、預(yù)防人體健康風(fēng)險(xiǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

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]～文獻(xiàn)[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的密度。由于實(shí)驗(yàn)地近幾年采用生活污水灌溉，從圖1和圖2看出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]～文獻(xiàn)[13]里有類似實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，試驗(yàn)在2016年10月2日到12月5日蘿卜的生育期內(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20 cm、滴頭流量2.7 L/h的滴灌帶，在植物種植前，每公頃施復(fù)合肥150 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)GB5084-2005灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[14]中重金屬限值控制重金屬的濃度不過(guò)多超標(biāo)(不超過(guò)限制2倍)。5個(gè)處理分別為Z1(全部再生水滴灌)、Z2(地下水與再生水按照1∶1混合滴灌)、Z3(地下水與再生水按照2∶1)、Z4(地下水與再生水按照4:1混合)和地下水滴灌對(duì)照D。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)處理中的某個(gè)重復(fù)小區(qū)的土壤下方20 cm處裝備1個(gè)水勢(shì)負(fù)壓計(jì)，根據(jù)一些蔬菜的灌溉經(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。蘿卜生育期內(nèi)共5次灌水，共25 mm。

1.3 采樣及測(cè)定項(xiàng)目及方法

每次灌水后第2 d、第4 d、第6 d、第8 d，取土樣進(jìn)行重金屬測(cè)定，取樣深度為0～20、20～40、40～60、60～80、80～100、100～120、120～140、140～160、160～180 cm。

各類水質(zhì)情況及標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。試驗(yàn)土壤重金屬含量與國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的比較見(jiàn)表2，試驗(yàn)土壤含量及pH值取0～200 cm各層含量及pH中位數(shù)。具體污染分布見(jiàn)后面結(jié)果與討論。

表1 水質(zhì)情況及和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)之間的比較[13,14]

表2 試驗(yàn)土壤重金屬含量與國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的比較[15]

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。采用原子吸收風(fēng)光光度法檢測(cè)鎘[16]，采用原子熒光分光光度法檢測(cè)砷[16]。

2 結(jié)果分析

2.1 再生水首次滴灌后土壤剖面重金屬Cd運(yùn)移分布情況

首次灌水后第2 d、第4 d、第6 d、第8 d，對(duì)蔬菜土壤剖面采樣進(jìn)行重金屬Cd含量測(cè)定，發(fā)現(xiàn)重金屬Cd在灌水第2 d，在表面0～20 cm土壤中含量最高，隨深度降低濃度降低；第4 d開(kāi)始，表面濃度略微降低，深層濃度逐漸增加；到第6 d、第8 d時(shí)，Cd主要在土壤表層(0～40 cm深度處)積累，濃度隨深度降低，40～80 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深度處重金屬含量急劇降低。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8 d時(shí)，180 cm處Cd濃度較第6 d有明顯減少，說(shuō)明淋洗及毛管孔隙上升作用使深層Cd產(chǎn)生一定運(yùn)移，這與參考文獻(xiàn)[16]結(jié)果較為一致，具體趨勢(shì)如圖1所示。

圖1 首次滴灌后土壤剖面重金屬Cd運(yùn)移分布情況

2.2 生育期內(nèi)土壤Cd濃度變化情況

上節(jié)中對(duì)首次滴灌后第2、4、6、8 d分別測(cè)定Cd在各層土壤中濃度變化，圖中看出Cd在一次灌水作用下的變化規(guī)律。整個(gè)作物生育期內(nèi)要灌水多次，本節(jié)主要綜合整個(gè)生育期的Cd運(yùn)移積累情況進(jìn)行分析研究。生育期內(nèi)對(duì)每個(gè)處理及重復(fù)的土壤表層各層采樣測(cè)試，可以看出，再生水滴灌(Z1、Z2、Z3、Z4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Cd濃度是增加的，但增加較緩慢。隨著再生水濃度降低，蓄積Cd的濃度也降低。地下水滴灌(D處理)過(guò)程中，Cd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镜椎腃d在多頻率、小流量的滴灌下，土壤淺層Cd淋洗速度快于蓄積速度，作物本身對(duì)Cd也有一定吸附吸收作用。同樣，在每次灌水第2、4 d，表層Cd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6、8 d，Cd主要在表層和100 cm左右聚集，120 cm以下處Cd濃度急劇降低。這與上一節(jié)研究一致，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)。與參考文獻(xiàn)[4,13,16]結(jié)論符合，具體規(guī)律見(jiàn)圖2和圖3。

圖2 生育期內(nèi)土壤重金屬Cd分布運(yùn)移情況

圖3 土壤各層Cd蓄積情況

3 結(jié) 語(yǔ)

本研究對(duì)生育期內(nèi)大棚蘿卜進(jìn)行再生水滴灌試驗(yàn)，與地下水滴灌為對(duì)照，分析研究了再生水滴灌后8 d內(nèi)土壤不同深度中重金屬Cd積累分布和運(yùn)移情況。結(jié)果表明：滴灌后第2 d，表層土壤Cd濃度最大，滴灌后第4 d 100 cm深度處Cd濃度最大，表層土壤Cd濃度略有降低，第6～8 d，各層土壤Cd濃度接近，0～40和80～120 cm處濃度最大，深度低于120 cm時(shí)Cd濃度隨深度增加降低。當(dāng)采用再生水滴灌情況下，水和土壤中Cd濃度符合灌溉水和土壤的標(biāo)準(zhǔn)限值二級(jí)土壤標(biāo)準(zhǔn)[14,15]。如果要確定再生水滴灌是否會(huì)造成Cd污染，還需進(jìn)行多年度重復(fù)試驗(yàn)。

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參考文獻(xiàn)：

[1] 裴 亮, 蔣樹(shù)芳, 劉士平, 等. 再生水灌溉水處理工藝及灌溉技術(shù)要求研究[J]. 水利水電技術(shù), 2012,43(1):93-97.

[2] 裴 亮, 顏 明, 陳永蓮, 等. 再生水灌溉環(huán)境生態(tài)效應(yīng)研究進(jìn)展[J]. 水資源與水工程學(xué)報(bào), 2012,23(3):15-21.

[3] 李中陽(yáng), 齊學(xué)斌, 樊向陽(yáng), 等. 再生水灌溉對(duì)黑麥草生長(zhǎng)及重金屬分布特征的影響[J]. 中國(guó)農(nóng)村水利水電, 2013,(3):85-87.

[4] 齊學(xué)斌, 李 平, 樊向陽(yáng), 等. 再生水灌溉方式對(duì)重金屬在土壤中殘留累積的影響[J]. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2008,16(4):839-842.

[5] 裴 亮, 劉慧明, 王理明. 農(nóng)業(yè)再生水灌溉現(xiàn)狀及發(fā)展對(duì)策分析[J]. 生態(tài)經(jīng)濟(jì), 2012,(1):152-155.

[6] 嚴(yán) 興, 羅 剛, 曹 健, 等. 污水處理廠再生水灌溉對(duì)土壤中重金屬污染的試驗(yàn)研究[J]. 中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào), 2014,30(36):226-231.

[7] Oron G, Campos C, Gillerman L, et al. Wastewater treatment renovation and reuse for agricultural irrigation in small communities[J]. Agricultural Water Management, 1999,38:223-234.

[8] 裴 亮, 張?bào)w彬, 陳永蓮, 等. 農(nóng)村生活污水再生水滴灌對(duì)根際土壤特性的影響研究[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2012,31(4):42-45.

[9] 蔡亭亭, 王文全, 阿米娜·買買提, 等. 重金屬Cd在再生水-土壤-蔬菜體系中的遷移[J]. 環(huán)境保護(hù)科學(xué), 2013,39(6):48-53.

[10] 裴 亮, 周 翀, 梁 晶, 等. 再生水滴灌對(duì)作物品質(zhì)和產(chǎn)量的影響研究-以菠菜為例[J]. 節(jié)水灌溉, 2013,(7):7-9.

[11] 裴 亮, 孫莉英, 張?bào)w彬. 再生水滴灌對(duì)蔬菜根際土壤微生物的影響研究[J]. 中國(guó)農(nóng)村水利水電, 2015,(11):39-42.

[12] 裴 亮, 張?bào)w彬, 梁 晶, 等. 再生水滴灌土壤中氮素的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律[J]. 河海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2013,41(1):70-74.

[13] 裴 亮, 劉榮豪, 薛 鑄, 等. 再生水滴灌作物生育期內(nèi)土壤氮素動(dòng)態(tài)變化規(guī)律研究[J]. 水利水電技術(shù), 2013,44(10):34-40.

[14] GB5084-2005, 農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[15] GB15618-1995, 土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[S].

[16] 馬 闖, 楊 軍, 雷 梅, 等. 北京市再生水灌溉對(duì)地下水的重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)[J]. 地理研究, 2012,31(12):2 250-2 258.