尾菜再生水灌溉對(duì)土壤酶活性與重金屬含量的影響

盧秀霞,趙 洋,王 晶,楊祎程,張譯丹,何 瀟,汪建旭

(1.蘭州現(xiàn)代職業(yè)學(xué)院農(nóng)林科技學(xué)院,甘肅 蘭州 730300;2.蘭州理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730050;3.蘭州市農(nóng)業(yè)科技研究推廣中心,甘肅 蘭州 730010)

缺水是中國糧食生產(chǎn)面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。我國水資源時(shí)空分布不均將進(jìn)一步加劇未來的水資源短缺[1],尤其是西北干旱和半干旱地區(qū)水資源嚴(yán)重不足,為農(nóng)業(yè)灌溉開發(fā)新的替代水資源對(duì)于中國淡水保護(hù)至關(guān)重要[2]。開發(fā)和利用再生廢水(RW)作為替代水資源,可以有效促進(jìn)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的水供需平衡[3]。再生水中豐富的氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素,用作灌溉水可以提高土壤肥力,減少化肥的使用,對(duì)植物生長有促進(jìn)作用,但痕量的銅、鋅、鎘等重金屬存在潛在的土壤累積風(fēng)險(xiǎn)[4-5]。再生水的質(zhì)量對(duì)土壤-作物生態(tài)系統(tǒng)平衡有重要影響,影響程度取決于廢水來源和回收技術(shù)[1,6]。

近年來,圍繞城市生活/工業(yè)廢水、養(yǎng)殖廢水對(duì)土壤、作物與環(huán)境影響的研究報(bào)道較多[7]。在對(duì)土壤酶活性和重金屬含量的影響研究方面,不同來源再生水灌溉均可提高土壤酶活性[8-11],短期灌溉和適度利用對(duì)土壤重金屬含量影響不明顯[12]。也有研究表明,短期再生水灌溉對(duì)土壤脲酶和堿性磷酸酶活性無顯著影響[13],再生水灌溉可加重土壤中Cd、Zn、Cu和Ni等累積,引起土壤重金屬污染[14]。而韓洋等[15]研究發(fā)現(xiàn)再生水短期灌溉會(huì)提高土壤重金屬Cd、Pb的含量,但其含量均低于國家規(guī)定的限值,不會(huì)造成重金屬污染。目前國內(nèi)外關(guān)于尾菜再生水灌溉對(duì)土壤環(huán)境的影響研究尚不充分。

甘肅省作為我國“西菜東調(diào)”和“北菜南運(yùn)”的重要生產(chǎn)基地,2021年全省高原夏菜總產(chǎn)量達(dá)1 655.30萬t[16],據(jù)測(cè)算,蔬菜廢棄物/剩余物(以下簡稱為“尾菜”)產(chǎn)生量約1 015.2萬t,由于易腐爛變質(zhì)、數(shù)量巨大且季節(jié)性強(qiáng)、資源化利用增值空間小等特點(diǎn),尾菜已成為農(nóng)村和城郊生態(tài)環(huán)境主要污染源[17]。目前尾菜處理主要采用直接還田、飼料化、堆肥和厭氧消化等方式。尾菜含水率高(≥90%),有機(jī)物和營養(yǎng)成分豐富,非常適宜厭氧消化處理[18],該方法在全國大宗蔬菜產(chǎn)地廢棄物資源高效處理領(lǐng)域應(yīng)用普遍,但尾菜厭氧消化后產(chǎn)生的大量沼液對(duì)周邊環(huán)境造成嚴(yán)重威脅,處理不當(dāng)易引起二次污染。本研究針對(duì)甘肅高原夏菜尾菜處理利用現(xiàn)狀,通過“厭氧反應(yīng)+兩級(jí)A/O+MBR(膜生物反應(yīng)器)生化處理+混凝沉淀+深度處理”主體工藝處理尾菜沼液,獲得尾菜再生水,探究再生水灌溉處理對(duì)土壤酶活性和重金屬含量的影響及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),為高原夏菜尾菜再生水農(nóng)田回收利用提供應(yīng)用依據(jù)及實(shí)踐基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤取自甘肅省蘭州市榆中縣三角城鄉(xiāng)高原夏菜生產(chǎn)基地(104°09′53″E,35°53′43″N,海拔1 810 m)0～20 cm耕層土壤,質(zhì)地為砂壤土,經(jīng)自然風(fēng)干、去除可見雜物,過5 mm篩后,取部分土樣測(cè)其理化性質(zhì),其余填裝試驗(yàn)土柱。供試土樣基礎(chǔ)理化性質(zhì)為含水率2.44%,容重1.39 g·cm-3,pH值8.46,有機(jī)質(zhì)18.32 g·kg-1,總氮0.10 g·kg-1,總磷0.13 g·kg-1,總鉀0.27 g·kg-1,重金屬含量分別為63.39(Pb)、28.49 (Cu)、0.344(Cd)、82.94(Cr)mg·kg-1和80.91(Zn)mg·kg-1。

供試水樣取自蘭州新蘇生態(tài)能源有限公司尾菜厭氧消化后的沼液,經(jīng)“厭氧反應(yīng)+兩級(jí)A/O+MBR生化處理+混凝沉淀+深度處理”主體工藝處理后的再生水,pH值7.46～7.51,其常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)符合農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(GB 5084-2021)[19],重金屬含量分別為0.042(Pb)、0.019(Cu)、0.092(Zn)mg·L-1和0.87(Cr)、0.091(Cd) μg·L-1;以自來水為對(duì)照(CK),其pH值8.08,重金屬含量分別為0.003(Pb)、0.005(Cu)、0.014(Zn)mg·L-1和0.16(Cr)、0.018(Cd)μg·L-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用室內(nèi)土柱灌溉淋溶模擬試驗(yàn),土柱為透明有機(jī)玻璃管材,外徑25.0 cm,高72.0 cm,壁厚0.50 cm,柱體底部設(shè)有排水管,便于收集淋出液,柱體自上而下在15、35、45 cm處設(shè)有直徑為2.5 cm的取樣孔。

試驗(yàn)采用尾菜再生水和自來水兩種水質(zhì),設(shè)計(jì)充分灌溉(90%田間持水量(09FC),7.86 L)和非充分灌溉(70%田間持水量(07FC),6.12 L)兩種灌溉水平,尾菜再生水充分灌溉(VW-09FC)、尾菜再生水非充分灌溉(VW-07FC)為處理,分別以自來水充分灌溉(TW-09FC)、自來水非充分灌溉(TW-07FC)為對(duì)照,每處理設(shè)置3次重復(fù)。室內(nèi)土柱試驗(yàn)自2021年7月23日開始,2022年4月25日結(jié)束,根據(jù)當(dāng)?shù)刈魑锷L周期及水肥管理模式,確定一次灌水周期為18 d,整個(gè)試驗(yàn)累計(jì)16個(gè)灌水周期,共計(jì)288 d。灌水后72、144、216、288 d分別進(jìn)行分層取樣檢測(cè)。

再生水中重金屬元素的去向主要包括土壤的吸附和解吸、作物或土壤生物的吸收以及滲入地表水或地下水[3],土壤中重金屬可能影響作物的生長,而淋洗液的重金屬主要影響地表水或地下水的質(zhì)量。本文僅對(duì)照國家農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)研究尾菜再生水對(duì)土壤重金屬分布的影響,其在淋洗液中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及對(duì)地下水的影響將在今后進(jìn)一步開展試驗(yàn)研究。

1.3 研究方法

供試土樣以實(shí)際干容重1.39 g·cm-3、含水率2.44%計(jì)算,每5 cm土層所需填裝的土壤質(zhì)量為3 230.28 g,土壤分層由下而上裝入柱內(nèi),每個(gè)土柱均分為12次填裝,每次填裝要保證土壤顆粒分布均勻,嚴(yán)格將土柱內(nèi)壁邊緣土壤夯實(shí),以保證灌水時(shí)無貼壁水流現(xiàn)象,盡量避免邊緣效應(yīng)發(fā)生(內(nèi)壁均勻涂抹凡士林),裝填完成后,用0.20 mm厚度鋁箔包裹土柱外壁。

土壤、再生水和自來水中重金屬(Cd、Pb、Cr、Cu、Zn)含量采用王水-高氯酸消煮島津AA6680型原子吸收分光光度計(jì)法測(cè)定;脲酶(UE)活性采用苯酚鈉比色法測(cè)定;蔗糖酶(IA)活性采用3,5-二硝基水楊酸比色法測(cè)定;過氧化氫酶(CAT)活性采用KMnO4顯色滴定法測(cè)定;堿性磷酸酶(ALP)活性采用磷酸苯二鈉比色法測(cè)定[20]。

采用Hakanson潛在生態(tài)危害指數(shù)法[21]評(píng)價(jià)研究土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),公式如下:

(1)

式中,Eri為第i種重金屬潛在生態(tài)危害系數(shù);Tri為第i種重金屬毒性系數(shù),Cu、Pb、Cd、Zn、Cr的Tri分別為5、5、30、1和2[22];Ci為重金屬i濃度實(shí)測(cè)值;Si為重金屬i濃度的參照值,可參考食用農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(HJ 332-2006)[23]確定;RI為綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù),是參評(píng)元素Eri的和。根據(jù)Eri和RI值的大小,對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分級(jí):Er<40或RI<150,輕微生態(tài)危害;40≤Er<80或150≤RI<300,中等生態(tài)危害;80≤Er<160或300≤RI<600,強(qiáng)生態(tài)危害;160≤Er<320或600≤RI<1 200,很強(qiáng)生態(tài)危害;Er≥320,或RI≥1 200,極強(qiáng)生態(tài)危害。其中用Eri評(píng)價(jià)所得為依據(jù)重金屬i元素評(píng)價(jià)結(jié)果,用RI評(píng)價(jià)所得為依據(jù)所有參評(píng)重金屬綜合評(píng)價(jià)結(jié)果[24]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、計(jì)算及制圖;采用SPSS 20.0進(jìn)行顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 再生水灌溉對(duì)土壤酶活性的影響

2.1.1 再生水灌溉對(duì)土壤過氧化氫酶(CAT)活性的影響 不同灌溉處理?xiàng)l件下土壤過氧化氫酶(CAT)活性如圖1所示。灌溉72 d后,0～20 cm土層VW-07FC處理CAT活性顯著高于TW-07FC處理(P<0.05),較之提高了14.19%;VW-09FC處理CAT活性略高于TW-09FC處理,差異不顯著(P>0.05);VW-09FC處理0～60 cm土層土壤CAT活性均顯著高于VW-07FC(P<0.05),3個(gè)土層分別提高12.17%、12.65%、19.48%。灌溉144 d后,VW-09FC處理0～40 cm土層土壤CAT活性顯著高于TW-09FC處理(P<0.05),0～20 cm和20～40 cm土層分別提高了13.4%、5.9%;VW-09FC處理0～60 cm土層CAT活性均顯著高于VW-07FC處理(P<0.05),3個(gè)土層分別提高了22.74%、6.40%、15.06%。灌溉216 d后,0～20 cm土層再生水灌溉CAT活性均有顯著提高(P<0.05),VW-09FC處理與TW-09FC處理相比提高了7.49%,VW-07FC處理與VW-07FC處理相比提高了8.68%;20～60 cm土層VW-07FC處理顯著高于TW-07FC處理,2個(gè)土層分別提高了13.46%、6.38%,VW-09FC處理與TW-07FC處理差異不顯著(P>0.05)。灌溉288 d后,20～60 cm土層VW-09FC處理土壤CAT活性顯著高于TW-09FC處理(P<0.05),20～40 cm和40～60 cm土層分別提高了16.53%、15.80%;40～60 cm土層VW-07FC處理與VW-07FC處理相比提高了15.01%。灌溉216、288 d后,VW-09FC處理與VW-07FC處理之間無顯著差異(P>0.05)。再生水兩種灌溉水平土壤CAT活性均表現(xiàn)先升后降的變化趨勢(shì)(圖2A),且在144 d其活性達(dá)到最高值。

注:圖中不同字母表示同一土層不同處理之間差異顯著(P<0.05),下同。Note: Different letters in the figure indicate significant differences among treatments in the same soil layer (P<0.05). The same below.圖1 不同灌溉條件下土壤過氧化氫酶(CAT)活性變化Fig.1 Changes of soil CAT activity under different irrigation conditions

圖2 不同灌溉處理0～60 cm土層土壤酶活性變化Fig.2 Changes of average soil enzyme activity in 0～60 cm soil under different irrigation treatments

2.1.2 再生水灌溉對(duì)土壤蔗糖酶(IA)活性的影響 不同處理下土壤蔗糖酶(IA)活性變化如圖3所示。灌溉72 d后,VW-09FC處理顯著提高了0～40 cm土層土壤IA活性(P<0.05),0～20 cm和20～40 cm土層較TW-09FC處理分別提高了5.69%、7.35%。灌溉144、216 d后,再生水灌溉與自來水灌溉相比0～60 cm土層土壤IA活性均無顯著差異(P>0.05)。灌溉288 d后,VW-09FC處理顯著提高了0～20 cm土層土壤IA活性(P<0.05),且較TW-09FC處理提高了6.55%;其余土層均無顯著差異(P>0.05)。VW-09FC處理與VW-07FC處理相比,無論是短期灌溉還是長期灌溉,兩者0～60 cm土層土壤IA活性均無顯著差異(P>0.05);且隨著灌溉次數(shù)的增加,IA活性均呈降低趨勢(shì)(圖2B)。

2.1.3再生水灌溉對(duì)土壤脲酶(UE)活性的影響 不同處理下土壤脲酶(UE)活性變化如圖4所示。灌溉72 d后,VW-09FC處理顯著提高了0～20 cm土層土壤UE活性(P<0.05),較TW-09FC處理提高了33.00%;VW-07FC處理顯著提高20～40 cm土層土壤UE活性(P>0.05),較TW-07FC處理提高了15.56%,其余土層均無顯著差異(P>0.05);VW-09FC處理較VW-07FC處理顯著提高了0～20 cm土層土壤UE活性(P<0.05),增幅為13.82%。灌溉144 d后,兩種再生水處理土壤均顯著低于兩種自來水處理(P<0.05),且VW-09FC處理較VW-07FC處理顯著降低了0～60 cm土層土壤UE活性(P<0.05),3個(gè)土層分別降低10.97%、26.97%、8.32%。灌溉216 d后,再生水處理土壤UE活性均顯著高于自來水處理(P<0.05),VW-09FC處理0～60 cm土層土壤UE活性較TW-09FC處理分別提高了20.23%、16.54%和17.08%,VW-07FC處理0～20、20～40 cm土層土壤UE活性較TW-07FC處理分別提高了12.64%、11.99%;VW-09FC處理0～20、20～40、40～60 cm土層土壤平均UE活性較VW-07FC處理顯著提高了7.33%。灌溉288 d后,VW-09FC處理0～60 cm各土層土壤UE活性顯著高于TW-09FC處理(P<0.05),3個(gè)土層分別提高了15.75%、17.10%和9.55%;VW-07FC處理0～60 cm各土層土壤UE活性均顯著高于TW-07FC處理(P<0.05),分別提高了5.17%、24.14%和16.81%。無論何種再生水灌溉處理,土壤UE活性均隨灌溉周期的增加均呈現(xiàn)先降低后升高的變化趨勢(shì)(圖2C),且在144 d降至最低。

圖4 不同灌溉條件下土壤脲酶(UE)活性變化Fig.4 Changes of soil UE activity under different irrigation conditions

2.1.4 再生水灌溉對(duì)土壤堿性磷酸酶(ALP)活性的影響 不同處理下土壤堿性磷酸酶(ALP)活性變化如圖5所示。灌溉72 d后,兩種再生水灌溉處理均顯著提高了0～60 cm各土層ALP活性(P<0.05),VW-09FC處理較TW-09FC處理分別提高了14.34%、14.98%、17.92%,VW-07FC處理較TW-07FC處理分別提高了12.94%、6.49%、8.30%。灌溉144 d后,再生水顯著提高了0～20、20～40 cm各土層土壤ALP活性(P<0.05),VW-09FC處理較TW-09FC處理分別提高了5.31%、13.75%,VW-07FC處理較TW-07FC處理分別提高了12.18%、11.91%。灌溉288 d后,VW-09FC處理顯著提高了0～20、20～40、40～60 cm各土層土壤ALP活性(P<0.05),且分別較TW-09FC處理提高了13.52%、16.91%和13.47%;VW-07FC處理與TW-07FC處理間無顯著差異(P>0.05)。VW-09FC處理與VW-07FC處理相比,灌溉72、144、216 d后,0～60 cm土層平均ALP活性無顯著差異(P<0.05);灌溉288 d后,0～60 cm土層ALP活性VW-09FC處理0～60 cm土層土壤平均ALP活性較VW-07FC處理顯著提高了7.70%。由圖2D可知,中短期(144 d)再生水灌溉后土壤堿性磷酸酶活性達(dá)到最高。

圖5 不同灌溉條件下土壤堿性磷酸酶(ALP)活性變化Fig.5 Changes of soil ALP activity under different irrigation conditions

2.2 再生水灌溉對(duì)土壤重金屬累積分布的影響

不同灌溉處理0～60 cm土層土壤重金屬含量變化見表1。再生水灌溉顯著提高了土壤重金屬含量,其中Pb、Cd含量升高更為顯著,兩種再生水灌溉方式在72、144、216、288 d較相應(yīng)自來水灌溉顯著提高了各土層Pb、Cd含量,隨著灌溉次數(shù)的增加,Zn、Cr、Cu含量在土層中均有一定的累積;VW-09FC處理與VW-07FC處理相比,重金屬含量并未隨著灌溉次數(shù)的增加表現(xiàn)出顯著的差異性(P>0.05)。由表1可知,長期再生水灌溉條件下,Pb、Cd、Zn、Cr、Cu含量在耕層土壤(0～20 cm土層)累積效果更為顯著,且隨著淋灌次數(shù)的增加,Pb、Cd、Cu有向深層土壤遷移的趨勢(shì),而Zn、Cr向下遷移趨勢(shì)不明顯,主要在耕層土壤富集;這與鄧金鋒等[25]研究結(jié)果一致。

表1 不同灌溉處理各土層土壤重金屬含量變化/(mg·kg-1)Table 1 Changes of heavy metal contents in soil layers under different irrigation treatments

2.3 再生水灌溉后土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

由表2可知,Pb、Zn、Cr、Cd、Cu對(duì)土壤環(huán)境造成生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的大小順序?yàn)?Cd>Pb>Cu>Cr>Zn,且這5種重金屬Er均遠(yuǎn)低于40,RI也遠(yuǎn)低于150,說明本試驗(yàn)尾菜再生水灌溉不會(huì)對(duì)土壤生態(tài)環(huán)境造成污染。

表2 再生水灌溉后土壤重金屬污染潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)Table 2 Soil heavy metal pollution potential ecological risk coefficient after irrigated

2.4 土壤酶活性與重金屬含量的相關(guān)性分析

為進(jìn)一步分析再生水中重金屬對(duì)土壤酶活性的影響,選取了再生水72、144、216、288 d灌溉后0 ～ 60 cm土層平均土壤重金屬含量和酶活性進(jìn)行相關(guān)性分析。如表3所示,CAT與Cu、Zn呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),相關(guān)系數(shù)分別為0.64、0.79,與Cr、Cd呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,但相關(guān)性不顯著(P>0.05);IA與Pb、Cr、Cd呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,且與Cr顯著負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)為-0.59 (P<0.05);UE與Zn、Cr呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,與Cd呈正相關(guān)關(guān)系,但相關(guān)性均不顯著(P>0.05);ALP與Zn、Cu呈正相關(guān)關(guān)系,且與Zn顯著正相關(guān)(P<0.05),相關(guān)系數(shù)為0.70,與Cr、Cd呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,且與Cd顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05),相關(guān)系數(shù)為-0.57。表明在研究區(qū)域CAT可一定程度上反映重金屬Cu、Zn的污染程度,ALP可反映Zn的污染程度,且Cu、Zn對(duì)CAT、ALP活性具有一定的刺激作用,而重金屬Pb、Cr、Cd對(duì)絕大多數(shù)酶具有抑制作用。

表3 土壤酶活性與重金屬元素含量間相關(guān)性分析Table 3 Correlation analysis between soil enzyme activities and heavy metal contents

3 討 論

3.1 再生水灌溉對(duì)土壤酶活性的影響

土壤酶是由土壤微生物分泌的具有生物催化作用的蛋白質(zhì)[26],與微生物共同作用于土壤生境的物質(zhì)循環(huán),是土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化動(dòng)態(tài)特征的表現(xiàn)形式和判斷土壤肥力大小的重要生物指標(biāo),也是土壤敏感性生態(tài)指標(biāo)[27]。影響土壤酶活性的因素很多,土壤養(yǎng)分含量、土壤微生物豐度和種類、施肥種類和數(shù)量、植物種植方式、農(nóng)藥和重金屬等均會(huì)影響土壤酶的種類和活性[28]。多數(shù)學(xué)者認(rèn)為再生水灌溉會(huì)在一定程度上提高土壤酶活性[29-30]。本研究表明,再生水兩種灌溉模式下土壤CAT活性先升后降,最終其活性水平與自來水灌溉無明顯差異,這與Meli等[31]研究結(jié)果一致。且再生水充分灌溉土壤CAT活性均高于同時(shí)段的非充分灌溉,說明再生水充分灌溉較非充分灌溉含有更多的過氧化氫等有害物質(zhì),更易受到某些污染物的刺激,促進(jìn)土壤CAT活性提高,但隨著灌溉時(shí)間延長和淋溶作用,過氧化氫等有害物質(zhì)減少,土壤CAT的活性也逐漸降低[32],尤其在0～20 cm土層效果更為明顯。再生水灌溉可顯著提高0～20 cm土層土壤IA和ALP活性,不同灌水水平之間差異不大,這與韓洋等[33]研究結(jié)果一致。與常規(guī)灌溉水相比,再生水中常富含氮、磷、鉀、有機(jī)質(zhì)等養(yǎng)分以及種群龐大的微生物群體,這些養(yǎng)分和微生物群體隨灌溉進(jìn)入土壤,使土壤養(yǎng)分含量和微生物群體數(shù)量均得到提高[34],進(jìn)而使土壤ALP和IA活性得到提升。本研究發(fā)現(xiàn),相比自來水,短期再生水灌溉明顯提高0～20 cm土層土壤UE活性,灌溉中期UE活性明顯降低,但長期再生水非充分灌溉0～20 cm土層土壤UE活性顯著高于再生水充分灌溉,說明長期再生水非充分灌溉更有利于土壤氮素轉(zhuǎn)化及綜合肥力的提升。

3.2 再生水灌溉對(duì)土壤重金屬的影響

近年來,土壤中重金屬污染持續(xù)引起全球的高度關(guān)注[35],土壤中重金屬具有高毒性、生物不可降解性、持久性和在食物鏈中的生物蓄積性,會(huì)直接或間接地對(duì)人體的健康造成危害[36]。由于在高原夏菜種植生產(chǎn)過程中存在農(nóng)藥的不規(guī)范或過量使用、高強(qiáng)度的化肥施用及再生水處理工藝和成本局限等問題,尾菜源再生水中含有一定量重金屬離子及無機(jī)有機(jī)污染物,是其回收利用的限制性因素。本研究結(jié)果表明,再生水灌溉顯著提高了土壤重金屬含量,長期再生水灌溉條件下,無論哪種灌溉模式,重金屬(Pb、Cd、Zn、Cr、Cu)在耕層土壤(0～20 cm土層)的累積效果更為顯著,且有向深層土壤遷移的趨勢(shì);這可能是再生水中重金屬在土壤中的累積、土壤吸附作用及再生水淋溶等因素共同作用的結(jié)果。檢測(cè)結(jié)果表明再生水灌溉后土壤中5種重金屬(Pb、Zn、Cr、Cd、Cu)含量遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)限定值[37],兩種再生水灌水模式均不會(huì)對(duì)土壤生境造成污染,這與大多數(shù)研究一致[38-39]。

3.3 土壤酶活性與土壤重金屬含量的相關(guān)性

有研究表明,重金屬對(duì)土壤酶活性的影響很大,并因重金屬的種類及濃度不同,兩者之間存在相互拮抗或協(xié)同作用[40]。土壤酶活性對(duì)重金屬含量較敏感,常作為判斷污染物對(duì)生物潛在毒性的手段[41]。重金屬離子對(duì)土壤具有持續(xù)的毒害作用,尤其對(duì)土壤酶催化的生化反應(yīng)有很大程度的影響,其通過抑制土壤微生物的生長繁殖、減少體內(nèi)某些酶的合成與分泌從而降低土壤酶活性[42-44];但也有研究表明,有些重金屬對(duì)土壤酶具有激活效應(yīng)[45]。本研究發(fā)現(xiàn),Cr、Cd與過氧化氫酶、蔗糖酶、脲酶、堿性磷酸酶均存在負(fù)相關(guān)關(guān)系,說明這兩種重金屬元素對(duì)多數(shù)土壤酶具有抑制作用。Zn與堿性磷酸酶呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,Zn、Cu與過氧化氫酶呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01) ,說明Zn2+、Cu2+可能參與過氧化氫酶和堿性磷酸酶催化的酶促反應(yīng),可推斷Zn、Cu對(duì)過氧化氫酶和堿性磷酸酶具有一定的激活作用,這與王盼盼等[46]研究結(jié)果相反。土壤Pb、Zn、Cr、Cd、Cu含量對(duì)脲酶活性影響不大,可能是重金屬刺激土壤氮素循環(huán)中其他酶的活性,致使脲酶對(duì)這5種重金屬敏感度不高,這與大多數(shù)學(xué)者研究結(jié)果一致[47-48]。因此,再生水處理過程中在控制處理成本的同時(shí)應(yīng)增加重金屬的去除工藝,改善再生水的水質(zhì),同時(shí)科學(xué)合理控制再生水灌溉水平,保證尾菜再生水回用的高效性和安全性。

4 結(jié) 論

1)尾菜再生水灌溉可增加0～20 cm土層土壤IA、UE和ALP活性,長期非充分灌溉更有利于土壤氮素轉(zhuǎn)化。

2)尾菜再生水灌溉能夠引起部分重金屬元素(Pb、Cr、Zn)的累積,但遠(yuǎn)低于相關(guān)限定值[36],表明兩種再生水灌溉水平均不會(huì)對(duì)土壤生境造成污染。

3)Pb、Zn、Cr、Cd、Cu生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)的大小順序?yàn)?Cd>Pb>Cu>Cr>Zn,單潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)和整體潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)遠(yuǎn)低于輕微生態(tài)危害的風(fēng)險(xiǎn)值。