再生水滴灌土壤中砷(As)時空分布規律試驗研究

裴 亮， 廖曉勇

(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)

采用經過處理的再生水進行蔬菜滴灌是當前熱點研究之一[1-2]，國內外的相關研究非常多[3-6]。國內的李中陽等[3]、齊學斌等[4]以及國外的Morillo等[2]、Al Kuisi等[1]、Gwenzi等[5]和Oron等[7]對污染物隨再生水進入土壤進行了初步研究。近些年對土壤植物系統中重金屬在再生水灌溉情況下的遷移轉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、強度、灌溉水量與普通灌溉方式大相徑庭，所以水及水中物質在土壤里的時空分布也與傳統灌溉方式不同。還有再生水污染物種類繁多，其中重金屬對作物生長及環境影響極大，尤其As,Cd等不但影響作物產量還對作物安全性有影響，絕不能忽視，所以研究土壤重金屬時空分布規律是急需的[8-9]。在前期再生水循環利用研究[10-13]的基礎上，采用不同濃度再生水對照地下水進行滴灌，進行蔬菜生長季內土壤重金屬As時空分布規律的研究。

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[10-13]，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。由于試驗地近幾年采用生活污水灌溉，土壤汞和鎘有略微超標。

1.2 試驗布置

本研究課題組文獻[10-13]里有類似試驗設計，試驗在2016年10月2日到12月5日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20cm、滴頭流量2.7 L/h的滴灌帶，在植物種植前，每畝施復合肥10 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，灌水中根據農田灌溉水質標準GB5084-2005[15]中重金屬限值控制重金屬的濃度(不超過限值2倍)。5個處理分別為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。每個處理中的每個重復小區的土壤下方20 cm處安裝1個水勢負壓計，根據蔬菜的灌溉經驗[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。蘿卜生長季內共灌水5次，共25 mm。

1.3 采樣及測定項目及方法

每次灌水后第1天、第3天、第5天、第7天，取土樣進行重金屬測定，在取樣深度為0～200 cm的土層內每隔20 cm 進行取樣，選取10個深度土壤進行分析，，分析標準見參考文獻[14-15]，再生水水質情況及再生水滴灌小區處理情況見表1、2。

表1 水質情況 mg/L

表2 再生水滴灌試驗5個處理

1.4 樣品配置及處理方法

再生水為十堰市污水廠二級出水經過簡易過濾后和地下水混合進行配置而成。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。砷的測定采用熒光原子分光光度法[16]。

2 結果分析

2.1 再生水首次滴灌后土壤剖面重金屬As運移分布情況

從圖1中第1、3、5、7天數據可以看到，首次灌水后第1天、第3天、第5天、第7天，對蔬菜土壤剖面采樣進行重金屬As含量測定，發現重金屬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，As主要在土壤80～120 cm深度處積累，0～80 cm深度處無明顯差異，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，180 cm處As濃度較第5天也有所減少，說明淋洗及毛管孔隙上升作用使深層As產生一定運移，具體趨勢如下圖1所示。

2.2 生長季內土壤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變化規律。整個作物生長季內要灌水多次，本節主要對作物整個生長季土壤As的運移積累情況進行分析研究。生長季內As的變化情況如圖2所示。

圖2 2016年生長季內土壤重金屬As分布運移情況

對各次滴灌后第1、3、5、7天分別測定As在各層土壤中濃度變化。圖2中，生長季內對每個處理及重復的土壤表層各層進行采樣測試，可以看出，再生水滴灌(A1、A2、A3、A4處理)過程里，隨著時間的延長、灌水次數增加，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)過程中，As蓄積趨勢不明顯，和再生水滴灌曲線比較，為較為平緩的曲線。可能是因為土壤和地下水本底的As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規律較接近，說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使重金屬鹽分在土壤中隨水調節至趨于平衡狀態。生育期結束后，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過程中，As含量逐漸降低。

圖3 土壤各層As蓄積情況

3 結 論

(1) 以地下水滴灌為對照，在蔬菜大棚對生長季蘿卜進行再生水滴灌試驗研究，分析研究了再生水滴灌后7天內土壤不同深度中重金屬As時空分布變化情況。結果表明：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As濃度隨深度增加而降低。

(2) 全生長季內土壤As隨著灌水次數增加而變化，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準限值[14-15]。

(3) 生育期結束后，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過程中，As含量逐漸降低。因此用經過一定程度處理的適當濃度再生水進行滴灌造成As污染概率極小。

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