再生水滴灌土壤中重金属Cd分布运移实验研究

裴 亮，廖晓勇，孙莉英，颜 明

(1. 中国科学院地理科学与资源研究所，陆地水循环及地表过程重点实验室，北京 100101；2. 中国科学院地理科学与资源研究所，环境损害与污染修复北京市重点实验室，北京 100101；3. 中国科学院陆地表层格局与模拟重点实验室，北京 100101)

经过处理的污水用于灌溉的再生水灌溉方式和高频、低强度、低灌水量的滴灌灌溉方式结合的再生水滴灌模式是当前节水和环保研究的热点[1,2]，国内的齐学斌[3,4]和裴亮[5,6]以及国外的Oron G[7]等人的研究非常多。土壤植物系统中重金属在再生水灌溉情况下的迁移转化及作用有很多研究经验[4,5,8]。再生水滴灌由于其灌水频率、强度、灌溉水量与普通灌溉方式，因此水及水中物质在土壤植物系统的分布转化也不同。另外，再生水污染物多样，其中重金属对作物生长及环境影响极大，不能忽视，研究重金属运移规律是非常必要的[9]。当前的再生水灌溉研究主要集中在表层土壤，很少涉及深层土壤。灌溉方式也多采用漫灌等灌溉方式，对滴灌的研究较少。对再生水滴灌条件下，重金属在土壤中运移转化规律的研究极少，因此污染物在滴灌情况下的分布运移特征需要进行详细研究。本课题组在再生水滴灌方面进行了很多研究，主要集中在养分运移、养分对植物生长及产量的影响、养分胁迫等方面，对重金属污染情况没有过研究[10-13]。Cd污染事件频发，通过对作物的污染从而和人体接触并危害人体健康，因此再生水滴灌研究中，对再生水中Cd随水入土后的去向及运移规律需要进行深入研究。本研究就是在前期类似研究的基础上，和地下水滴灌对比，进行蔬菜生育期内再生水滴灌下土壤重金属Cd分布运移的研究。为制定高效绿色的再生水灌溉制度以及防治面源污染、预防人体健康风险提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

研究区地处湖北十堰山区，该区域的地理及自然情况见参考文献[10]～文献[13]，本研究在该区域大棚中进行，采用自然温度，极端温度-13.2 ℃，最高温度41 ℃，常年平均温度15.3 ℃，试验地土壤主体为沙壤土，1.52～1.73 g/cm3的密度。由于实验地近几年采用生活污水灌溉，从图1和图2看出土壤汞和镉有略微超标。

1.2 试验布置

本研究课题组文献[10]～文献[13]里有类似实验设计，试验在2016年10月2日到12月5日萝卜的生育期内进行。垄作方式，垄肩宽80 cm，两垄中心间距180 cm，垄高15 cm，垄上2行植物中间设一条间距20 cm、滴头流量2.7 L/h的滴灌带，在植物种植前，每公顷施复合肥150 kg。再生水水质为当地生活污水浓度的20%，每种蔬菜的试验采用5个处理，每个处理3个重复，每个试验小区为3.5 m × 3.5 m，灌水中根据GB5084-2005灌溉水质标准[14]中重金属限值控制重金属的浓度不过多超标(不超过限制2倍)。5个处理分别为Z1(全部再生水滴灌)、Z2(地下水与再生水按照1∶1混合滴灌)、Z3(地下水与再生水按照2∶1)、Z4(地下水与再生水按照4:1混合)和地下水滴灌对照D。灌溉采用1.2 m高处的蓄水桶滴灌，每个处理3个重复放置一个容积240 L的水桶，灌水前需将地下水和再生水按照处理中要求的比例加入水桶。每个处理中的某个重复小区的土壤下方20 cm处装备1个水势负压计，根据一些蔬菜的灌溉经验[10,11]，确定灌水方案，当水势负压计显示土壤水势低于-25 kPa时开始灌水，每次灌水量为5 mm。萝卜生育期内共5次灌水，共25 mm。

1.3 采样及测定项目及方法

每次灌水后第2 d、第4 d、第6 d、第8 d，取土样进行重金属测定，取样深度为0～20、20～40、40～60、60～80、80～100、100～120、120～140、140～160、160～180 cm。

各类水质情况及标准见表1。试验土壤重金属含量与国家土壤环境质量标准的比较见表2，试验土壤含量及pH值取0～200 cm各层含量及pH中位数。具体污染分布见后面结果与讨论。

表1 水质情况及和国家标准之间的比较[13,14]

表2 试验土壤重金属含量与国家土壤环境质量标准的比较[15]

1.4 样品配置及处理方法

再生水为十堰市污水厂二级出水经过简易过滤后和地下水混合进行配置而成。取样后的土壤先放置风干后置于烘箱中烘至110 ℃干燥为止，随后磨碎，通过前处理(消解等过程)后开始化学分析测试。采用原子吸收风光光度法检测镉[16]，采用原子荧光分光光度法检测砷[16]。

2 结果分析

2.1 再生水首次滴灌后土壤剖面重金属Cd运移分布情况

首次灌水后第2 d、第4 d、第6 d、第8 d，对蔬菜土壤剖面采样进行重金属Cd含量测定，发现重金属Cd在灌水第2 d，在表面0～20 cm土壤中含量最高，随深度降低浓度降低；第4 d开始，表面浓度略微降低，深层浓度逐渐增加；到第6 d、第8 d时，Cd主要在土壤表层(0～40 cm深度处)积累，浓度随深度降低，40～80 cm深度处无明显差异，80～120 cm深度处重金属含量突增，浓度最高，120～180 cm深度处重金属含量急剧降低。这是因为再生水滴灌灌水量较小、流速较小、时间较短，重金属很少被淋洗到深土层及地下径流中，且有一部分重金属在渗水后期，随毛管上升到一定位置，最终大部分维持在表层及80～120 cm处，第8 d时，180 cm处Cd浓度较第6 d有明显减少，说明淋洗及毛管孔隙上升作用使深层Cd产生一定运移，这与参考文献[16]结果较为一致，具体趋势如图1所示。

图1 首次滴灌后土壤剖面重金属Cd运移分布情况

2.2 生育期内土壤Cd浓度变化情况

上节中对首次滴灌后第2、4、6、8 d分别测定Cd在各层土壤中浓度变化，图中看出Cd在一次灌水作用下的变化规律。整个作物生育期内要灌水多次，本节主要综合整个生育期的Cd运移积累情况进行分析研究。生育期内对每个处理及重复的土壤表层各层采样测试，可以看出，再生水滴灌(Z1、Z2、Z3、Z4处理)过程里，随着时间的延长、灌水次数增加，土壤中蓄积的Cd浓度是增加的，但增加较缓慢。随着再生水浓度降低，蓄积Cd的浓度也降低。地下水滴灌(D处理)过程中，Cd蓄积趋势不明显，和再生水滴灌曲线比较，为较为平缓的曲线。可能是因为土壤和地下水本底的Cd在多频率、小流量的滴灌下，土壤浅层Cd淋洗速度快于蓄积速度，作物本身对Cd也有一定吸附吸收作用。同样，在每次灌水第2、4 d，表层Cd浓度略微降低，80～120 cm处浓度略增加，120 cm以下处浓度缓慢降低；第6、8 d，Cd主要在表层和100 cm左右聚集，120 cm以下处Cd浓度急剧降低。这与上一节研究一致，说明单次滴灌灌水停后，深层土壤重金属浓度差及毛管作用会使重金属盐分在土壤中随水调节至趋于平衡状态。与参考文献[4,13,16]结论符合，具体规律见图2和图3。

图2 生育期内土壤重金属Cd分布运移情况

图3 土壤各层Cd蓄积情况

3 结 语

本研究对生育期内大棚萝卜进行再生水滴灌试验，与地下水滴灌为对照，分析研究了再生水滴灌后8 d内土壤不同深度中重金属Cd积累分布和运移情况。结果表明：滴灌后第2 d，表层土壤Cd浓度最大，滴灌后第4 d 100 cm深度处Cd浓度最大，表层土壤Cd浓度略有降低，第6～8 d，各层土壤Cd浓度接近，0～40和80～120 cm处浓度最大，深度低于120 cm时Cd浓度随深度增加降低。当采用再生水滴灌情况下，水和土壤中Cd浓度符合灌溉水和土壤的标准限值二级土壤标准[14,15]。如果要确定再生水滴灌是否会造成Cd污染，还需进行多年度重复试验。

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参考文献：

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[14] GB5084-2005, 农田灌溉水质标准[S].

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