再生水灌溉對(duì)稻田重金屬分布的影響

王磊，周璐瑤，胡靜博，蔡佳坊，王偉，肖萬(wàn)川，何妙妙

(1. 浙江省水利河口研究院(浙江省海洋規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院)，浙江 杭州310020； 2. 浙江省水資源水電管理中心(浙江省水土保持監(jiān)測(cè)中心)，浙江 杭州310000； 3. 杭州蕭山水利水電勘察設(shè)計(jì)有限公司，浙江 杭州311200； 4. 杭州市余杭區(qū)西部水利綜合服務(wù)中心，浙江 杭州311100； 5. 蘇州市吳中區(qū)水務(wù)局，江蘇 蘇州215104)

當(dāng)前全球水資源供需矛盾日益加劇，污水資源化代替部分新鮮水用于農(nóng)業(yè)灌溉，可以在一定程度上節(jié)約水資源，成為緩解局部地區(qū)水資源短缺、水質(zhì)型缺水的重要舉措[1-3].目前，中國(guó)約有10%的耕地采用再生水進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉，并取得了較好的利用成效[4].相比城市污水，農(nóng)村生活污水N，P元素含量較高，重金屬污染物等毒理指標(biāo)量低，可生化性良好，可作為一種傳統(tǒng)的水肥資源，經(jīng)安全處理后灌溉回用，可以有效減排污染物，降低新鮮水資源的取用量[5-6].再生水灌溉引起的重金屬污染問(wèn)題是其回用研究和應(yīng)用廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題，重金屬遷移轉(zhuǎn)化存在各種物理、化學(xué)、生物等復(fù)雜行為特征[7-9].農(nóng)村生活污水中常見(jiàn)重金屬包括Cu，Cr，Pb，Cd，Zn，濃度通常在5 ug/L以下，其中Cr和Cd生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)最高[10-12].栗巖峰等[13]提出采用滴灌或分根交替灌溉技術(shù)較常規(guī)灌溉可以顯著降低土壤中重金屬含量.LI等[14]研究表明重金屬在作物各部位累積存在較大差異，籽粒中最低，根莖葉系統(tǒng)對(duì)重金屬向果實(shí)遷移起到屏障作用.竇韋強(qiáng)等[15]研究表明，中短期再生水灌溉回用土壤重金屬污染的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較低，但會(huì)導(dǎo)致20～40 cm土層重金屬含量增加，長(zhǎng)期再生水灌溉回用有可能造成土壤中重金屬的累積.因此，研究再生水灌溉對(duì)土壤-作物重金屬分布的影響，評(píng)估土壤重金屬風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)控制農(nóng)村耕地環(huán)境污染、維護(hù)中國(guó)農(nóng)田的土壤安全性能和制定再生水灌排策略，具有科學(xué)研究?jī)r(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義[16-17].基于此，文中以稻田作為研究對(duì)象，研究農(nóng)村生活再生水灌溉調(diào)控下，稻田、作物植株器官典型重金屬含量變化規(guī)律，分析稻田重金屬含量與土壤環(huán)境質(zhì)量的關(guān)系，評(píng)估再生水灌溉對(duì)稻田土壤重金屬風(fēng)險(xiǎn)的影響.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

表1 試驗(yàn)小區(qū)土壤基本物理性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置4種灌溉水源，分別為污水處理站一級(jí)出水R1、二級(jí)出水R2、生態(tài)塘水R3(二級(jí)處理單元出水深度處理后存儲(chǔ)于生態(tài)塘，蓄水容積6 000 m3)、舟山溪水(河道清水)R4，通過(guò)4座簡(jiǎn)易潛水泵提水灌溉.2020年，生態(tài)塘建設(shè)未完成，灌溉水源為R1，R2，R4共計(jì)3種，2021年，灌溉水源為R1，R2，R3，R4共計(jì)4種，各灌溉水源水質(zhì)指標(biāo)均達(dá)到灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(GB 5084—2021).設(shè)置3種水位調(diào)控處理，分別為低水位調(diào)控W1、中水位調(diào)控W2和高水位調(diào)控W3，各處理3個(gè)重復(fù)，田間水位控制標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2，試驗(yàn)場(chǎng)地示意圖見(jiàn)圖1.水稻供試品種為單季水稻嘉優(yōu)中科13-1，施肥方式按照當(dāng)?shù)厥┓柿?xí)慣，采用基肥+追肥方式.

表2 田間水位控制標(biāo)準(zhǔn)

圖1 試驗(yàn)區(qū)田間布置圖

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

在水稻種植前后分別對(duì)0～20 cm,20～40 cm,40～60 cm,60～80 cm土層進(jìn)行取樣，測(cè)定稻田土壤中5種典型重金屬元素(鎘Cd，鉛Pb，鉻Cr，銅Cu，鋅Zn)含量，其中Cd含量采用石墨爐原子吸收分光光度法測(cè)定，Pb，Cr，Cu，Zn含量采用火焰原子吸收分光光度法測(cè)定.在水稻收割后，對(duì)水稻植株進(jìn)行取樣，分別測(cè)定莖、葉、籽粒中重金屬含量，其中Cu，Zn采用火焰原子吸收光譜法測(cè)定，Pb，Cr，Cd采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法測(cè)定.

2 結(jié)果與分析

2.1 稻田土壤重金屬含量變化

不同灌溉水源和水位調(diào)控下稻田各土層重金屬質(zhì)量比W變化如圖2所示.

圖2 不同灌溉水源和不同水位調(diào)控下稻田重金屬質(zhì)量比變化

Cd質(zhì)量比在土壤表層中質(zhì)量比明顯高于深層，這是由于Cd在土壤中的移動(dòng)性較小，容易在土壤上層積累.R1水源灌溉下各土層Cd質(zhì)量比增幅最大，R2其次，R3水源下增幅最小，可見(jiàn)一二級(jí)再生水灌溉下土壤中Cd質(zhì)量比增加明顯.稻田各土層土壤Pb質(zhì)量比，隨著田間水位增加呈現(xiàn)升高趨勢(shì)，不同水源條件下稻田Pb質(zhì)量比變化較大.對(duì)Cr質(zhì)量比變化，2020年除處理W1R2和W3R2土壤Cr質(zhì)量比升高外，其余處理土壤內(nèi)Cr質(zhì)量比均下降，2021年與背景值相比總體有所升高.低水位W1調(diào)控下土壤中Cr質(zhì)量比降低較小，隨著灌溉時(shí)間增加，土壤Cr質(zhì)量比變化顯著.2020年、2021年農(nóng)村生活再生水灌溉調(diào)控下各處理土壤中Cu質(zhì)量比均未升高，呈現(xiàn)下降趨勢(shì).中低水位調(diào)控下，稻田Cu質(zhì)量比與背景值相比降幅較大，高水位下降幅較小.與Cu質(zhì)量比變化類似，土壤Zn質(zhì)量比呈現(xiàn)下降趨勢(shì).

方差分析結(jié)果如表3所示.由表可以看出不同水位調(diào)控和灌溉水源對(duì)土壤中0～20 cm土層Cd質(zhì)量比變化影響在0.01水平下具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，對(duì)20～40 cm土層Cd質(zhì)量比變化影響在0.05水平下具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；灌溉水源對(duì)土壤20～40 cm土層Cr質(zhì)量比變化影響在0.01水平下具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，對(duì)40～60 cm土層Cu質(zhì)量比影響在0.01水平下具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.

2.2 水稻植株重金屬質(zhì)量比變化

不同灌溉水源和水位調(diào)控下植株器官重金屬質(zhì)量比累積變化如圖3所示.對(duì)水稻莖部而言，除了Pb，Zn，Cd，Cr質(zhì)量比隨著灌溉水源從劣到優(yōu)而降低，重金屬總質(zhì)量比按灌溉水源排序從大到小依次為R1，R2，R4(2020年)；R1，R2，R3≈R4(2021年)，說(shuō)明R3，R4水源灌溉水稻莖部重金屬總量接近.不同水位調(diào)控重金屬總質(zhì)量比按水位調(diào)控排序從大到小依次為W1≈W2，W3(2020年)；W1≈W2≈W3(2021年)，田間控制水位對(duì)莖部重金屬質(zhì)量比影響較小.對(duì)水稻葉部而言，Zn,Pb,Cd,Cr質(zhì)量比隨著灌溉水源從劣到優(yōu)而降低，重金屬總質(zhì)量比按灌溉水源排序從大到小依次為R1，R2，R4(2020年)；R1，R4，R2≈R3(2021年)，相比莖部，灌溉水源對(duì)葉部重金屬質(zhì)量比影響減弱.不同水位調(diào)控下重金屬總質(zhì)量比按水位調(diào)控排序從大到小依次為W1，W3≈W2(2020年)；W3，W1，W2(2021年).對(duì)水稻籽粒而言，不同灌溉水源下重金屬總質(zhì)量比按灌溉水源排序從大到小依次為R2≈R1，R4(2020年)；R1，R2，R3≈R4(2021年).不同水位調(diào)控下重金屬總質(zhì)量比按水位調(diào)控排序從大到小依次為W3≈W1≈W2(2021年)；W3，W2≈W1(2021年)，再生水灌溉處理下籽粒重金屬質(zhì)量比并未明顯增加，符合《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量(GB 2762—2017)》中對(duì)稻谷中污染物的限量要求(Cd，Cr，Cu限量分別為0.2 ，1.0 ，0.2 mg/kg).水稻各部分重金屬質(zhì)量比從大到小依次為莖，籽?！秩~，重金屬組成從大到小依次為Zn，Cr，Pb，Cd，灌溉水源對(duì)水稻莖、葉、籽粒中重金屬質(zhì)量比影響逐漸減弱.方差分析結(jié)果見(jiàn)表4.

圖3 不同灌溉水源和不同水位調(diào)控下植株器官重金屬質(zhì)量比變化

表4 植株器官重金屬質(zhì)量比變化雙因素方差分析

可以看出灌溉水源對(duì)2020年莖、葉中Zn質(zhì)量比影響在0.05水平下具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，對(duì)2020年葉中Cr質(zhì)量比、2021年莖中Pb質(zhì)量比和葉、籽粒中Cu質(zhì)量比變化影響在0.01水平下具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，對(duì)籽粒中Pb質(zhì)量比變化影響在0.05水平下具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；水位調(diào)控對(duì)2021年莖、葉中Cd質(zhì)量比變化影響在0.01水平下具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，對(duì)2020年、2021年葉中Cr質(zhì)量比變化影響在0.05水平下具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.

2.3 土壤重金屬質(zhì)量比與土壤環(huán)境質(zhì)量關(guān)系

表5 不同水源條件下土壤重金屬質(zhì)量比與土壤環(huán)境質(zhì)量相關(guān)分析

2.4 稻田重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析

采用潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評(píng)價(jià)法對(duì)研究區(qū)域內(nèi)不同水源灌溉農(nóng)田土壤進(jìn)行重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析.計(jì)算公式為

RI=∑Ei=∑(Ti·Pi)，

(1)

式中：RI為土壤多種重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)；Ei為單因子生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)；Pi為單因子污染指數(shù)，為單污染因子的實(shí)測(cè)值與相應(yīng)背景值之比；Ti為土壤各重金屬的毒性系數(shù).

不同水源灌溉下稻田各土層重金屬綜合潛在風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)見(jiàn)表6.可以看出，稻田土壤Cd的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)最高，Cu和Pb次之，Cr和Zn風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)較低.

表6 不同水源灌溉下稻田重金屬潛在風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)

表7為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，由表可知，再生水灌溉總體并未對(duì)土壤造成嚴(yán)重污染，除R1外，其余水源灌溉下土壤平均重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度均為輕度，R1水源灌溉下60～80 cm土層土壤風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)最高，R2灌溉下20～40 cm土層土壤風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)最高.

表7 重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

各水源灌溉下Cd生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)最高，R1水源灌溉為很強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)，R3水源灌溉為中度風(fēng)險(xiǎn)，R2和R4為較強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn).不同水源灌溉相比，R3水源灌溉下土壤重金屬污染潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)最低，對(duì)土壤和地下水污染風(fēng)險(xiǎn)最小，R4其次，R1風(fēng)險(xiǎn)最大.

3 結(jié) 論

文中研究了農(nóng)村生活再生水灌溉調(diào)控下稻田土壤、作物器官重金屬質(zhì)量比變化規(guī)律，分析了再生水灌溉調(diào)控下稻田重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，主要結(jié)論如下：

1) 農(nóng)村生活污水再生灌溉稻田Cd,Pb質(zhì)量比略有升高，Cr,Cu,Zn質(zhì)量比下降，不同水位和水源處理對(duì)土壤中0～20 cm土層Cd質(zhì)量比影響在0.01水平下具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，對(duì)20～40 cm土層Cd質(zhì)量比影響在0.05水平下具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，灌溉水源對(duì)土壤20～40 cm土層Cr質(zhì)量比和40～60 cm土層Cu質(zhì)量比影響在0.01水平下具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.

2) 水稻各部分重金屬質(zhì)量比按植株器官排序從大到小依次為莖，籽?！秩~，重金屬組成從大到小依次為Zn，Cr，Pb，Cd，灌溉水源對(duì)水稻莖、葉、稻米中重金屬質(zhì)量比影響逐漸減弱，相對(duì)灌溉水源，水位調(diào)控對(duì)水稻植株各部分重金屬質(zhì)量比累積影響較小.再生水灌溉處理下籽粒重金屬質(zhì)量比并未明顯增加，符合《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量(GB 2762—2017)》中對(duì)稻谷中污染物的限量要求.

4) 農(nóng)村生活污水再生灌溉稻田Cd生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)最高，Cu和Pb次之，Cr和Zn風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)較低.各水源灌溉相比，R3灌溉下土壤重金屬污染潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)最低，對(duì)土壤和地下水污染風(fēng)險(xiǎn)最小.總體上，再生水灌溉并未對(duì)土壤造成嚴(yán)重污染，但長(zhǎng)期進(jìn)行再生水灌溉是否會(huì)造成重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)持續(xù)增加有待研究.