再生水滴灌土壤和植物中重金屬積累分布研究

裴　亮，廖曉勇，孫莉英

(1. 中國科學院地理科學與資源研究所，陸地水循環及地表過程重點實驗室，北京 100101；2. 中國科學院地理科學與資源研究所，環境損害與污染修復北京市重點實驗室，北京 100101；3. 中國科學院陸地表層格局與模擬重點實驗室，北京 100101)

近些年，由于水資源短缺，再生水成為有效補給水源之一，把污水進行一定處理后的再生水用于灌溉是一種重要節水方式[1,2]。滴灌技術節水節肥效果突出，將滴灌和再生水灌溉結合的再生水滴灌是當前研究熱點之一，國外的Oron G[3]和國內的齊學斌[4,5]和裴亮[6,7]等人的研究非常多。對再生水灌溉條件下，土壤植物系統中重金屬的遷移轉化及作用的研究有很多[4,5,8]。再生水滴灌由于水分使用情況及運移特征與普通灌溉方式大為不同，因此水及水中物質在土壤植物系統的分布轉化也不同。本研究就是在本課題組前期再生水滴灌方面研究[9-13]基礎上，以幾種蔬菜為研究對象，和地下水滴灌對比，進行重金屬在土壤植物系統中分布特征的研究，從而初步分析其安全性。

1　材料與方法

1.1　試驗地概況

研究區地處湖北十堰山區，該區域的地理及自然情況見參考文獻[9-13]，本研究在該區域大棚中進行，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 ℃，試驗地土壤主體為沙壤土，1.52～1.73 g/cm3的容重。

1.2　試驗布置

試驗布置具體參考本課題組的文獻[9-13]，試驗在2014-2015年白菜和蘿卜的生長季內進行。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，每公頃施復合肥150 kg。再生水水質為當地生活污水濃度的20%，每種蔬菜的試驗采用5個處理，每個處理3個重復，每個試驗小區為3.5 m×3.5 m，灌水中適當根據GB5084-2005灌溉水質標準[14]中重金屬限值設定Pb2+、Cu2+、Cd2+的濃度。5個處理分別為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1∶1混合+0.07 mg/L的Pb2+、Cu2+、Cd2+)、Z4(地下水與再生水按照1∶1混合+0.14 mg/L的Pb2+、Cu2+、Cd2+)和地下水滴灌對照D。灌溉采用1.2 m高處的蓄水桶滴灌，每個處理3個重復放置一個容積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。每個處理中的某個重復小區的土壤下方20 cm處裝備1個水勢負壓計，根據一些蔬菜的灌溉經驗[10,11]，確定灌水方案，當水勢負壓計顯示土壤水勢低于-25 kPa時開始灌水，每次灌水量為5 mm。白菜生育期內共10次灌水，共50 mm；蘿卜生育期內共8次灌水，共40 mm。

1.3　采樣及測定項目及方法

每次灌水后第3天，取土樣進行重金屬測定，取樣深度為0～20、20～40、40～60、60～80、80～100、100～120、120～140、140～160、160～180、180～200、200～220 cm。植物收獲后第2天對根、莖、葉進行采樣測定重金屬含量。

各類水質情況及標準見表1，具體用每個再生水滴灌小區處理情況見表2。

1.4　樣品配置及處理方法

灌溉水中Pb2+、Cu2+、Cd2+用金屬離子對應的硝酸鹽和地下水混合進行配置。取樣后的土壤先放置風干后置于烘箱中烘至110 ℃干燥為止，隨后磨碎，通過前處理(消解等過程)后開始化學分析測試。采用原子吸收風光光度法檢測銅、鋅、鉻、鎘、鉛、鎳[16]，采用原子熒光分光光度法檢測砷、汞[16]，見表3。

表1　水質情況及和國家標準之間的比較[13,14]

表2　再生水滴灌試驗5個處理

表3　試驗土壤重金屬含量與國家土壤環境質量標準的比較[15]

2　結果分析

2.1　再生水首次滴灌后土壤剖面重金屬分布情況

首次灌水后第3天，對白菜和蘿卜土壤剖面采樣進行重金屬含量測定，發現重金屬主要在土壤表層(0～40 cm深度處)積累，濃度隨深度降低，40～80 cm深度處無明顯差異，80～100 cm深度處重金屬含量突增，濃度最高，100～180 cm深度處重金屬含量急劇降低，180～220 cm深度處重金屬濃度無差異。這是因為再生水滴灌灌水量較小、流速較小、時間較短，重金屬很少被淋洗到深層，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100～180 cm處，具體趨勢如圖1所示。

圖1　再生水首次滴灌后土壤剖面重金屬分布情況

2.2　作物收獲后土壤剖面重金屬分布情況

作物收獲后再次進行土壤重金屬含量測定，發現此時兩種蔬菜地重金屬含量都比剛灌水時略減少10%左右。白菜地重金屬含量減少較多，大約在15%左右。也許是因為白菜是葉菜類，耗水量大灌溉次數多，蘿卜根莖類，需水少灌溉次數少，白菜地淋洗掉的重金屬多一些，也有可能因為白菜吸收重金屬量多一些。后面將進行作物地上與地下部分重金屬的測定來確定這一點。具體數據見圖2和圖3。

圖2　蘿卜收獲后土壤剖面重金屬分布情況

圖3　白菜收獲后土壤剖面重金屬分布情況

2.3　重金屬在作物中富集情況

從表4可以看出，和地下水灌溉條件比，再生水灌溉時兩種作物地上和地下部分重金屬含量都會高一些，說明作物會吸收一部分重金屬。白菜對Pb和Cu吸收較明顯，對地上和地下部分對Cd的吸收中Z3和Z4處理的重金屬含量差異都不明顯。蘿卜地下部分對Pb和Cu吸收較明顯，Cd的吸收較少，且幾個處理差異不明顯。兩種作物地上和地下部分Z3和Z4處理都出現差異不明顯情況，可能是因為作物對于土壤及灌水中的重金屬的吸收速度無法消化多余的重金屬，作物生育期內重金屬吸收已飽和，如繼續加大灌溉水中重金屬含量，也許會增加作物中重金屬含量，但大棚試驗中不宜設置更高濃度的再生水，否則會使土壤和地下水受到污染。總體看來，白菜和蘿卜各部分對重金屬吸收較明顯。

雖然試驗證明了含重金屬的再生水滴灌條件下，作物會吸收重金屬，作物中重金屬含量會高于地下水灌溉，但含量卻均沒超過國家食品中污染物限量(GB2762-2005)[17]和農作物重金屬污染評價標準(GB2762-2010)[18]的標準。因此再生水滴灌造成土壤和植物污染的概率很小，但還需進行長期研究。

表4　蔬菜地上部分與地下部分中重金屬含量　mg/kg

3　結　語

本研究對白菜和蘿卜進行再生水滴灌大棚試驗，與地下水滴灌為對照，分析得出了再生水滴灌后土壤和植物地下及地上部分中重金屬積累分布情況。重金屬主要在土壤表層(0～40 cm深度處)積累，濃度隨深度降低，40～80 cm深度處無明顯差異，80～100 cm深度處重金屬含量突增，濃度最高，100～180 cm深度處重金屬含量急劇降低，180～220 cm深度處重金屬濃度無差異，且低于土壤環境質量標準(GB15618-1995)[15]限值，且優于蔬菜種植的土壤標準要求。對植物地下及地上部分進行研究，發現再生水滴灌下，白菜和蘿卜地上部和根系中Pb2+、Cu2+、Cd2+的含量顯著增加。但含量均未超過國家食品中污染物限量(GB2762-2005)[17]和農作物重金屬污染評價標準(GB2762-2010)[18]的標準。因此再生水滴灌造成土壤和植物污染的可能性極小。

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