污染水灌溉对土壤影响的研究进展及问题分析

万蕾*，张曼玉，陆晟，胡凯

1. 徐州工程学院江苏省食品资源开发与质量安全重点建设实验室，江苏 徐州 221111；2. 徐州工程学院环境工程学院，江苏 徐州 221111

污染水灌溉对土壤影响的研究进展及问题分析

万蕾1,2*，张曼玉1,2，陆晟1,2，胡凯2

1. 徐州工程学院江苏省食品资源开发与质量安全重点建设实验室，江苏 徐州 221111；2. 徐州工程学院环境工程学院，江苏 徐州 221111

污染水灌溉是缓解中国水资源短缺的重要途径之一。除了城市污水以外，污染水还包括污染的地表水、工业废水、养殖废水、矿区废水、垃圾渗滤液等。文章回顾了污染水灌溉对土壤的污染作用，分析了中国污水灌溉存在的主要问题。污染水灌溉对环境的污染，主要在土壤表层，具体表现为：（1）改变了土壤的pH值，不同地区、不同的污染水类型对土壤pH值的影响结果不同；（2）重金属在土壤表层富集，向深层土迁移的速率比较缓慢，不同种类的重金属在土壤中的累积迁移规律不同，重金属富集程度与污水灌溉时间密切相关，Cd、Pb等的活性较高，生态污染风险最大，应引起足够重视；（3）土壤表层氮、磷及有机质含量增加，长期进行污灌的土壤，易造成地下水中NO3--N污染，土壤全盐量也呈增加的趋势；（4）引起土壤微生物数量和活性的变化。中国的污染水灌溉存在：（1）缺乏整体监管与监测体系；（2）对环境和人类健康的不利影响没有引起足够的重视；（3）缺乏严格的环境影响评价体系等问题。加强污染水灌溉相关理论和技术的研究，制定全面的污染水灌溉规划，为污染水灌溉的应用提供必要的技术支持；通过宣传、设置缓冲区，加强监管力度等，有效避免病原菌传播风险；进行环境影响评价等措施，可以充分、高效地利用污染水，对实现可持续发展具有重要意义。

污染水；灌溉；土壤；问题分析

中国是农业大国，以灌溉为主的农业用水量占全国总用水量的70%以上。然而，随着国民经济的快速发展，水资源短缺的问题越来越严重。由于水资源的开发利用几乎达到了临界状态，农业灌溉用水的不足只能通过节水灌溉、污染水灌溉甚至严重超采地下水来弥补。城市污水是水量稳定、供给可靠的一种潜在水资源，在处理到一定程度后回用于农田灌溉，既能减少污水对环境的污染，又能促进农业生产。除了城市污水以外，污染水还包括污染的地表水、工业废水、养殖废水、矿区废水、垃圾渗滤液等。开发利用污染水进行灌溉可以缓解灌溉用水不足，是实施可持续发展战略，保护水资源和生态环境、解决缺水问题、促进社会经济协调发展的重要举措。

污染水灌溉有利有弊，国内外的科研工作者开展了大量的研究。本文回顾了污染水灌溉对土壤的污染状况，并对存在的问题进行了分析，以期趋利避害，为污染水灌溉的应用性和安全性提供参考。

1 污染水灌溉对土壤的影响

1.1 土壤pH值

污染水灌溉对环境的影响主要表现在污染物在土壤中的残留、累积和对地下水的污染方面。关于污染水灌溉对土壤pH值的影响，结论不一。Singh和Verloo（1996）研究发现，长期的生活污水灌溉增加了土壤中有机碳的含量，降低了土壤的pH值。杨林林等（2006）也发现，随再生水灌溉次数的增加，土壤pH值降低。低pH值时，由于金属的碳酸盐配合物的溶解，释放出游离的金属离子进入溶液使植物吸收重金属作用增大。pH值的降低可能是不同的有机化合物的氧化和氨的硝化作用的结果，有机物的厌氧分解产生的有机酸认为是pH值降低的主要原因（Dheri等，2007）。廖林仙等（2013）利用奶牛场废水长期灌溉土壤pH值呈增加趋势。这可能是因为污水中含有大量 Ca2+、Mg2+等阳离子，在土壤表层富集，导致土壤pH值升高（Rusan等，2007）。也有研究发现，生活污水灌溉与清水灌溉对土壤pH值影响没有明显差异（雷琼和李修岭，2013）。污染水灌溉对土壤pH值的影响可能与灌溉水种类和土壤类型有关。

1.2 土壤重金属

由于带负电的土壤胶体吸附阳离子型重金属，中国37个主要污灌区中有明显污染点22个，其中多半是积累性重金属超标（陈牧霞等，2006）。不同种类的重金属在土壤中的累积迁移规律不同，Ortega等（2001）将墨西哥Mezquital河谷几处分别具有5年和90年污灌史的土壤进行对比，发现土壤中的重金属富集程度与污水灌溉时间密切相关，几种重金属富集程度与污灌历史的相关度为Cu>Ni>Cr>Zn>Pb。杨庆娥等（2007）发现城市污水灌溉导致 4种重金属含量在土壤中积累趋势为Pb>Zn>Cu>Cd。马祥爱等（2010）研究发现长期城市污水和煤焦工业污水混合灌溉的污灌区土壤中重金属活性系数的大小顺序为：Cd>Pb>Cu>Cr>Zn> Ni；迁移系数的大小顺序是：Pb>Cd>Cu>Cr>Zn>Ni，土壤中Cd、Pb的活性最高，生态污染风险最大，应引起足够重视（朱桂芬等，2009）。

重金属主要在土壤表层富集，向深层土迁移的速率比较缓慢（万金颖等，2006），再生水短期灌溉不会对试验区存在重金属污染风险（高军等，2012）。马闯等（2012）调查发现长期再生水灌溉条件下，污染严重的Cr、Cu和Zn主要在0～20 cm累积，向下层迁移的趋势很小，但在70～150 cm土层，所有重金属均存在高值区，含量明显高于上、下相邻土层，与土壤自然形成、发育有关。Nyamangara和Mzezewa（1997）对污染区土壤（潜育低活性淋溶土）的研究表明，Cu、Ni、Pb、Zn主要在土壤0～20 cm的土壤表层累积。Philippe等（1999）对连续施用14年污泥的粉砂壤土的农地调查发现，Cu、Ni、Pb主要在0～30 cm累积，Cd迁移到75 cm，Cr迁移到60 cm，Zn迁移到45 cm，对浅层地下水的污染风险并不像人们想象的那么严重。杨军等（2006）利用高浓度重金属污水淋溶土壤，预测污水灌溉农田对地下水的污染风险表明，在高浓度重金属污水淋溶80 cm深的土柱土壤条件下，重金属主要在土壤表层0～10 cm累积，向下层土壤迁移的量很小，淋滤液中重金属浓度未见显著升高，短期内不会导致地下水重金属污染。Brar等（2000）研究皮革厂混合污水灌溉也发现，Cu和Cr在表层30 cm发生累积作用，污水灌溉的0～60 cm土壤中的Fe、Al、Zn、Mn、Ni的浓度明显高于地下水灌溉的土壤，所有元素中只有砷在土壤中浓度没有明显升高。张彦等（2006）研究了沈阳张士灌区经过30年工业废水污灌，10多年的停灌和灌区改造等措施后农田土壤仍存在Cd、Zn、Cu等多种重金属污染。土壤 Cd污染最严重，含量达1.75～3.89 mg·kg-1。土壤耕作层（0～30 cm）Zn、Cu、Pb总含量随土层深度增加逐渐减少，而Cd元素的垂直分布呈向下迁移的趋势。

不同来源和不同水质的污染水中重金属含量和种类都会有明显的差异，将对土壤重金属的累积产生不同的影响。不同土壤类型土壤的矿物组成、水热条件、胶体表面类型等有显著差异，这些因素也会影响重金属在土壤中的累积。不同作物类型由于其自身的遗传发育特性不同，导致其对重金属的吸收累积能力存在差异；在进入土壤中的外来污染源重金属含量相同的条件下，作物吸收能力越强则土壤中重金属的累积量就越少（刘红恩等，2012）。

1.3 土壤有机物、氮、磷等

污染水中含有大量的有机物、氮、磷等物质，用来灌溉，无疑会增加土壤中有机物和氮磷的含量。长期采用有机污染水灌溉，土壤有机碳主要在耕层（0～20 cm）极显著地增加，且增加部分主要是活性有机碳组分，其累积速率是对照灌区的近 3倍，非活性有机碳处于相对平衡状态（李霄云等，2012）。二级处理污水灌溉，土壤有机质有增加的趋势（张洪生等，2006）。

胡慧蓉等（2012）采用城市生活污水喷灌森林，发现土壤全磷在所有灌溉区的表层土壤（0～10 cm）均有显著增加，随灌溉进入土壤的磷大多被保存在上层土壤（0～40 cm）中。用城市污水再生水灌溉种植了黑麦草的土壤，除了自身所带磷能显著增加土壤供磷能力外，还能显著提高土壤速效磷含量（李中阳等，2012）。养殖场污水灌溉条件下土壤渗出液，主要以有机磷的单酯和二酯形式存在（何连生等，2005）。用小区再生水系统生产的再生水灌溉草坪，6年以后，对地下6 m浅井水质影响明显，对20 m深井水质影响不明显，主要变化表现在硝态氮浓度值升高（王巧环等，2012）。采用污染严重的奎河水灌溉，污灌初期，土壤中积存的NO2-、NO3-易随水的淋溶作用向下迁移，引起浅层地下水污染，污灌对下层土壤及地下水中NH4+浓度影响较小，但对NO3-浓度影响较大，尤其是长期进行污灌的土壤，易造成地下水中NO3-污染（刘凌和陆桂华，2002）。采用再生水灌溉，土壤中 NO3-的含量比清水灌溉增加明显（赵庆良等，2007；唐立军等，2008）。在污水灌溉的历史 20～40年不等的石家庄市污灌区，在污水灌溉区的地下水的硝态氮浓度很高，分布在35～130 mg·L-1范围内，井深小于40 m的井水的硝酸根离子浓度超标率为 100%（唐常源等，2006）。采用牛奶场废水灌溉冬小麦，在小麦生育期内 1 m土壤剖面上含硝态氮量整体呈哑铃形，含铵态氮量随土壤深度增加逐渐降低（郭海刚等，2012）。谢迎新等（2008）在太湖地区采用富营养化河水灌溉稻田，带入当季稻田的氮量达到每公顷56.3 kg，其中有55.8 kg氮可被土壤吸持和作物吸收，利用当地富营养化河水进行稻田土壤灌溉时可适量减少肥料施用量、优化氮磷肥料管理。

污水灌溉除了增加土壤表层氮浓度以外，对土壤全盐量的影响总体呈增加的趋势（郑伟等，2009；戴婷和章明奎，2010；武立叶等，2014），其中土壤中速效钾含量的增加较为明显。胡海燕等（2010）研究也发现，长期用污染渭河水灌溉的农田土壤有机质、碱解氮、速效磷和速效钾等含量均有极为显著的增加，0～20 cm土层为养分富集区域。采用微咸水灌溉的土壤剖面盐分比淡水灌溉总体普遍增加，但没有超过棉花的耐盐阈值（焦艳平等，2012）。

长期的污染水灌溉，引起土壤里的速效养分的含量的增加，尤其是在土壤表层。而在表层土壤之下，速效养分也有累积，只是趋势比较平缓。由此可见，对于污染水浇灌的农田或土壤，部分达到了增加养分与土壤肥力的目的，可以根据实际情况，相应的减少肥料的使用。

1.4 土壤微生物和酶活性

污染水灌溉也会引起土壤微生物数量和活性的变化。污水灌溉对土壤肥力及酶活性的影响存在明显的层位效应，其影响的主要层位发生在表层，而对深层（下层和底层）的影响相对较小（郭晓明等，2012），土壤微生物体内的生物量碳和生物量氮随着污灌有机物污染程度的增加而增加（张晶等，2008）。污染的奎河水灌溉减少了农田土壤放线菌、真菌、亚硝化细菌、硝化细菌和反硝化细菌数量，增加了细菌、氨氧化细菌和好气性纤维素分解菌的数量（张翠英等，2014）。用造纸废水、垃圾渗滤液及含油污水灌溉，增加了细菌、放线菌、真菌的数量，增强了土壤脱氢酶、过氧化氢酶、多酚氧化酶的活性（姜必亮等，2001；丁成，2003；白保勋，2013），这主要是由于污水中含有丰富的有机质和营养物质以及潮湿的环境（Friedel等，2000）。再生水灌溉下公园绿地土壤微生物量碳和酶活性均高于其自来水对照灌区，农田上升不明显，与对照相比，公园绿地与农田再生水灌区0～20 cm土层土壤微生物量碳平均含量分别上升了60.1%和14.2%（潘能等，2012）。微咸地下水灌溉导致纤维素酶、脲酶、转化酶及过氧化氢酶等4种酶活性分别降低了21.3%、50.9%、50.0%和10.5%，但在微咸地下水灌溉条件下多酚氧化酶和碱性磷酸酶的活性显著升高（王国栋等，2009）。

2 问题分析

2.1 污染水灌溉缺乏整体监管与监测体系

中国污灌区缺乏污水灌溉技术标准与污水灌溉环境监测评价指标体系，基本上处于无人管理状态。为了充分利用污水资源，应大力推行污水灌溉预处理技术。对于原生污水或只经过一级处理污水，推行一些简便易行、经济可行的污水预处理技术，如氧化塘或氧化沟处理法、污水土地处理技术、污水生态处理系统等，其推广应用可有效地减轻对作物的危害（Qadir等，2010）。对于二级处理的污水，可以与清水混合后进行灌溉（1∶1～2∶1），三级处理的污水，可以直接用于灌溉。应建立和完善污水灌溉利用和污水土地处理的的标准监管体系，加强水质监测系统，制定全面的污水灌溉规划，为污水灌溉的应用提供必要的技术支持。

作物对污水中的有毒有害成分，尤其是重金属的吸收、迁移、富集规律认识不够深入，有待进一步研究。对于工业废水和矿区废水等，应尽量避免用于农业灌溉。对于污染的地表水，应加强监测力度，分析污染源，在确保重金属含量低于《农田灌溉水质标准（GB5084─2005）》的前提下，可以用于灌溉。

2.2 污染水灌溉对环境和人类健康的不利影响没有引起足够的重视

污水灌溉使污染物在作物体内累积，对环境产生不利影响，最终都对人类健康产生危害。对于污灌区的土壤和地下水，应该定期监测，尤其是表层土壤（0～60 cm），发现土壤理化性质发生明显改变，或者土壤重金属含量超标，应立即停止污水灌溉，改用清水灌溉。污水灌溉对人们身体健康的影响主要通过3条途径：一是污水灌溉导致地下水受到污染，通过生活饮用水而使人体产生急性和慢性中毒反应；二是污水灌溉造成土壤和作物污染，使得污染物在农产品中积累，通过食物链进入人体内积累，从而导致多种慢性疾病；三是污水量过大，会进一步反应，会释放出H2S等有害气体，对人体健康产生危害（刘小楠等，2009）。另外，由于污染水体中含有大量致病菌、病原体等，农民在灌溉时可能引起细菌和病毒感染。加强对农民的宣传，告诉农民灌溉时注意防护措施，并且通过一些场地管理措施如设置缓冲区(远离水井、公共可接触区)、径流控制管理及作物收获管理等，有效避免病原菌传播风险（陈卫平等，2014）。

2.3 污染水灌溉缺乏严格的环境影响评价体系

用污染水体进行灌溉，无疑会对环境和人体健康造成不利影响，但是目前这些负面影响，缺乏有效的统计数据。污染水体中的重金属、有机物等污染物的含量，可以通过化学方法用仪器进行测量，但一般很少测定污水中病原菌的数量（Qadir等，2010）。污染水体中主要的病原菌可以分为3大类，即细菌、寄生虫（原生动物和蠕虫）和病毒。目前基于粪大肠菌和总大肠菌的健康风险评价指标尚有一定局限性，该指标对细菌性病原体的指示性很好，但在对于指示肠道原生动物和病毒方面较差，而后者的健康风险更大，污灌导致疾病传播的风险始终存在（陈卫平等，2012）。对于人体在污灌环境中，接触污染的水体、土壤、大气，没有明确的方法评估暴露风险。对于污灌引起的各类问题的修复与治理也属于起步阶段，急需加强。在用污染水体进行灌溉之前，应该进行环境影响评价，明确灌溉前、灌溉中和灌溉后对环境和人体的影响，明确污灌价值究竟是利大于弊还是弊大于利，对于环境影响评价不通过的地区，不能用污水进行灌溉，要充分考虑其它的开源节流的方法。

3 总结

本文主要回顾了污染水体灌溉土壤的污染作用，分析了污染水灌溉存在的主要问题，主要得出以下结论：

（1）污染水灌溉对环境的污染，主要表现在土壤表层，对地下水的影响短期内不明显。污染水灌溉改变了土壤的pH值，使重金属在土壤表层富集，增加了土壤中机物、氮、磷等的含量，引起土壤微生物数量和活性的变化。

（2）采取积极有效的对策和科学的态度，加强污水灌溉相关理论和技术的研究，加强监管力度，进行环境影响评价，对合理地进行农田污水灌溉、缓解中国日益加剧的水资源供需矛盾，保护生态环境，实现可持续发展具有重要的意义。

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Study Progress on Effect of Polluted Water Irrigation on Soil and Problem Analysis

WAN Lei1,2*, ZHANG Manyu1,2, LU Sheng1,2, HU Kai2
1. Jiangsu Key Laboratory of Food Resource Development and Quality Safety, Xuzhou Institute of Technology, Xuzhou 221111, China; 2. College of environmental engineering Xuzhou Institute of Technology, Xuzhou 221111, China

Irrigation with polluted water is one of important ways to alleviate water source shortage in China. Besides municipal wastewater, polluted water includes polluted surface water, industry wastewater, aquaculture wastewater, mining wastewater and garbage leachate and so on. This paper reviewed the effects of irrigation by polluted water on soils and analyzed the main problems it caused. Pollution by irrigation with polluted water was mainly concentrated on surface soil. (1) Soil pH change depended on different regions and different types of polluted water. (2) The heavy metals enriched in the soil surface layer and moved slowly into the deep soil. Different kinds of heavy metal behaved with different accumulation rules and migration patterns. Heavy metal enrichment degree was closely related with irrigation time. Higher activity of Cd and Pb with the biggest ecological pollution risk should be paid enough attention. (3) Long-term irrigation with polluted water increased soil nitrogen, phosphorus and organic matters content and increased leaching of NO3--N into the groundwater and soil salt content. (4) The number and activity of soil microorganisms were changed. Some existing problems in irrigation with polluted water in China: (1) There is not an overall supervision and monitoring system; (2) The adverse impacts on the environment and human health were not paid enough attention; (3) There is not a strictly environmental impact assessment system, etc. In order to use polluted water efficiently and avoid the pathogen spread risk, we must improve research of polluted water irrigation theory and technology, develop a comprehensive polluted water irrigation strategy and provide necessary technical supports through setting the buffer, propaganda, supervision,, environmental impact assessment and other measures etc.

polluted water; irrigation; soil; problem analysis

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.05.028

X53

A

1674-5906（2015）05-0906-05

万蕾，张曼玉，陆晟，胡凯. 污染水灌溉对土壤影响的研究进展及问题分析[J]. 生态环境学报, 2015, 24(5): 906-910.

WAN Lei, ZHANG Manyu, LU Sheng, HU Kai. Study Progress on Effect of Polluted Water Irrigation on Soil and Problem Analysis [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(5): 906-910.

江苏省食品资源开发与质量安全重点建设实验室资助项目（SPKF201319）；徐州市社会发展项目（XM12B086）；江苏省大学生创新实践项目（xcx2014058）

万蕾（1981年生），女，副教授，博士，主要从事水环境污染防治与生态修复方面的研究。E-mail：hjwanl@163.com *通讯作者。

2015-01-05