再生水滴灌土壤和植物中重金属积累分布研究

裴　亮，廖晓勇，孙莉英

(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)

近些年，由于水资源短缺，再生水成为有效补给水源之一，把污水进行一定处理后的再生水用于灌溉是一种重要节水方式[1,2]。滴灌技术节水节肥效果突出，将滴灌和再生水灌溉结合的再生水滴灌是当前研究热点之一，国外的Oron G[3]和国内的齐学斌[4,5]和裴亮[6,7]等人的研究非常多。对再生水灌溉条件下，土壤植物系统中重金属的迁移转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况及运移特征与普通灌溉方式大为不同，因此水及水中物质在土壤植物系统的分布转化也不同。本研究就是在本课题组前期再生水滴灌方面研究[9-13]基础上，以几种蔬菜为研究对象，和地下水滴灌对比，进行重金属在土壤植物系统中分布特征的研究，从而初步分析其安全性。

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[9-13]，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的容重。

1.2　试验布置

试验布置具体参考本课题组的文献[9-13]，试验在2014-2015年白菜和萝卜的生长季内进行。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，灌水中适当根据GB5084-2005灌溉水质标准[14]中重金属限值设定Pb2+、Cu2+、Cd2+的浓度。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1∶1混合+0.07 mg/L的Pb2+、Cu2+、Cd2+)、Z4(地下水与再生水按照1∶1混合+0.14 mg/L的Pb2+、Cu2+、Cd2+)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。白菜生育期内共10次灌水，共50 mm；萝卜生育期内共8次灌水，共40 mm。

1.3　采样及测定项目及方法

每次灌水后第3天，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、180～200、200～220 cm。植物收获后第2天对根、茎、叶进行采样测定重金属含量。

各类水质情况及标准见表1，具体用每个再生水滴灌小区处理情况见表2。

1.4　样品配置及处理方法

灌溉水中Pb2+、Cu2+、Cd2+用金属离子对应的硝酸盐和地下水混合进行配置。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铜、锌、铬、镉、铅、镍[16]，采用原子荧光分光光度法检测砷、汞[16]，见表3。

表1　水质情况及和国家标准之间的比较[13,14]

表2　再生水滴灌试验5个处理

表3　试验土壤重金属含量与国家土壤环境质量标准的比较[15]

2　结果分析

2.1　再生水首次滴灌后土壤剖面重金属分布情况

首次灌水后第3天，对白菜和萝卜土壤剖面采样进行重金属含量测定，发现重金属主要在土壤表层(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，80～100 cm深度处重金属含量突增，浓度最高，100～180 cm深度处重金属含量急剧降低，180～220 cm深度处重金属浓度无差异。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层，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100～180 cm处，具体趋势如图1所示。

图1　再生水首次滴灌后土壤剖面重金属分布情况

2.2　作物收获后土壤剖面重金属分布情况

作物收获后再次进行土壤重金属含量测定，发现此时两种蔬菜地重金属含量都比刚灌水时略减少10%左右。白菜地重金属含量减少较多，大约在15%左右。也许是因为白菜是叶菜类，耗水量大灌溉次数多，萝卜根茎类，需水少灌溉次数少，白菜地淋洗掉的重金属多一些，也有可能因为白菜吸收重金属量多一些。后面将进行作物地上与地下部分重金属的测定来确定这一点。具体数据见图2和图3。

图2　萝卜收获后土壤剖面重金属分布情况

图3　白菜收获后土壤剖面重金属分布情况

2.3　重金属在作物中富集情况

从表4可以看出，和地下水灌溉条件比，再生水灌溉时两种作物地上和地下部分重金属含量都会高一些，说明作物会吸收一部分重金属。白菜对Pb和Cu吸收较明显，对地上和地下部分对Cd的吸收中Z3和Z4处理的重金属含量差异都不明显。萝卜地下部分对Pb和Cu吸收较明显，Cd的吸收较少，且几个处理差异不明显。两种作物地上和地下部分Z3和Z4处理都出现差异不明显情况，可能是因为作物对于土壤及灌水中的重金属的吸收速度无法消化多余的重金属，作物生育期内重金属吸收已饱和，如继续加大灌溉水中重金属含量，也许会增加作物中重金属含量，但大棚试验中不宜设置更高浓度的再生水，否则会使土壤和地下水受到污染。总体看来，白菜和萝卜各部分对重金属吸收较明显。

虽然试验证明了含重金属的再生水滴灌条件下，作物会吸收重金属，作物中重金属含量会高于地下水灌溉，但含量却均没超过国家食品中污染物限量(GB2762-2005)[17]和农作物重金属污染评价标准(GB2762-2010)[18]的标准。因此再生水滴灌造成土壤和植物污染的概率很小，但还需进行长期研究。

表4　蔬菜地上部分与地下部分中重金属含量　mg/kg

3　结　语

本研究对白菜和萝卜进行再生水滴灌大棚试验，与地下水滴灌为对照，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属积累分布情况。重金属主要在土壤表层(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，80～100 cm深度处重金属含量突增，浓度最高，100～180 cm深度处重金属含量急剧降低，180～220 cm深度处重金属浓度无差异，且低于土壤环境质量标准(GB15618-1995)[15]限值，且优于蔬菜种植的土壤标准要求。对植物地下及地上部分进行研究，发现再生水滴灌下，白菜和萝卜地上部和根系中Pb2+、Cu2+、Cd2+的含量显著增加。但含量均未超过国家食品中污染物限量(GB2762-2005)[17]和农作物重金属污染评价标准(GB2762-2010)[18]的标准。因此再生水滴灌造成土壤和植物污染的可能性极小。

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[17]GB2762-2005, 国家食品中污染物限量标准[S].

[18]GB2762-2010, 农作物重金属污染评价标准[S].