再生水灌溉对土壤盐渍化与重金属累积影响研究

张铁军，宋矗森，陈莉荣，李卫平

(内蒙古科技大学能源与环境学院，内蒙古 包头 014000)

我国水资源严重短缺，人均占有量约为2 300 m3，仅占世界人均1/4左右[1-4]。同时，我国也是全世界范围内人均水资源最为匮乏的国家。随着经济与建设的持续性发展，淡水使用量也在日益上升，使得紧缺的水资源更加缺乏，利用再生水替代淡水灌溉已经成为新的发展方向[5]。再生水是指经适当工艺处理达到某种要求从而可进行有益使用的水[6]。利用再生水的优势如下[7-8]：水源充足，有效的避免了农灌的大量用水与其他用水项目争水，水中富含大量养分，可长期提供营养元素，促进农作物生长，同时也减少了化肥用量，在改善土壤肥力的情况下，也达到成本节约的目的。

再生水虽通过了一系列处理，但相对于清水仍富含较高的盐分，并且再生水灌溉也有可能使重金属累积在土壤中从而通过农作物吸收后给人体造成不可逆的伤害[9]。为此，选取包头市南郊污水处理厂二级出水作为水源，通过对再生水、不同比例再生水与自来水灌溉进行对照，研究再生水灌溉对土壤中全盐量以及重金属累积的影响。

1 材料与方法

1.1 试验方法

采用土柱模拟试验，土柱为有机玻璃制成，高1 m，内径10 cm，土柱总装填高度为60 cm，距离土柱底部15、30、45与60 cm各打一直径为2 cm小孔，方便试验过程取土。灌溉水量参照国家农田灌溉标准(GB5084-92)，按此标准算得土柱灌溉水量为3 530 mL/a，分5次灌溉，灌溉周期大约30 d。水量土柱模型见图1。

图1 土柱模型示意图

1.2 土壤采集

土壤采集自内蒙古科技大学校园内草坪洁净土壤(表层30 cm以下)。对采集土壤去杂质、石子与植物残枝等，过2 mm筛，进行土柱填充。采集土壤全盐量与重金属含量见表1。

表1 土壤全盐量与重金属本底值

1.3 监测方法

土壤全盐含量采用重量法测量；土壤中重金属采用电热板消解-火焰原子吸收光谱法进行测量。

1.4 试验仪器

可调式电热板，ML-3-4；电子天平，FA1004N；蠕动泵，BT101L；水浴恒温振荡器，SHA-B；原子吸收分光光度计，TAS-990；超纯水器，GWA-UN1-20；便携式多参数水质分析仪，Multy8340。

2 结果与讨论

2.1 再生水灌溉对土壤全盐量的影响

使用再生水灌溉不同次数后，各层土壤全盐量见表2。由试验结果可以看出，第一次灌溉后，不同水质灌溉下土壤表层全盐量均有所降低，这是因为灌水稀释了土壤表层盐分，但随着灌溉次数增加，二级出水、1/2二级出水在0～15 cm土层的全盐量有所增加，这是由于再生水灌溉时带入土壤里的盐分含量超出了被淋洗出的盐分含量，由于土壤中的胶体吸附、代换、络合和鳌合作用及生物作用等影响，进入土壤中的盐分迁移能力较差。因此，在0～15 cm深度的土层出现盐分累积现象。加之本试验为模拟试验，没有种植相应作物，且不受地下水的影响，故表层土壤蒸腾能力最强，“气散盐存”情况的发生使得出现盐分表聚现象[10]。

表2 不同比例再生水灌溉对土壤全盐量影响 g/kg

2.2 再生水灌溉对土壤阳离子化学组成的影响

模拟试验表明,在灌溉过程中，Na+、Mg2+、Ca2+、K+4种离子发生离子交换。再生水相对于清水含有较高的Na+、K+离子，随着灌溉的持续与水量的增加，土壤对不同离子产生不同的交换与吸附作用，Na+、K+离子含量在土壤表层(0～15 cm)有所累积，累积量在合理范围内。从实际灌溉后分析结果来看，使用再生水灌溉后深层土壤阳离子无显著变化，仅在表层有所累积，这也与试验为种植作物有关。但实际应用到农灌时还需长期定位监测。

2.3 再生水灌溉对土壤重金属的影响

表3至表7为自来水、再生水与1/2再生水灌溉后，五种重金属离子各层含量变化表。可见，不同处理再生水灌溉与自来水灌溉处理相比较，各层土壤大多数重金属含量变化不明显，部分采样点由于灌溉时的淋洗作用，表层重金属含量有所降低。由表可见，随着灌溉的持续，部分重金属离子在15～30 cm处会出现累积情况，但总体来看再生水灌溉后土壤中各层重金属含量依旧远远低于国家二级标准。就重金属环境而言，可采用再生水代替自来水进行灌溉。这与李中阳[11]等人研究结论相一致。

表3 再生水灌溉对Cu的影响 mg/kg

表4 再生水灌溉对Zn的影响 mg/kg

表5 再生水灌溉对Pb的影响 mg/kg

表6 再生水灌溉对Ni的影响 mg/kg

表7 再生水灌溉对Cr的影响 mg/kg

2.4 再生水灌溉后土壤重金属元素潜在生态风险

采用Hakanson[12]潜在生态危害指数法确定灌区内土壤重金属可能存在的生态危害效应和反映特定区域的特殊性。

单种重金属的潜在生态危害系数(Ei)为：

Ei=Tri×(Ci÷C0i)

(1)

式中：Ci，C0i，Tri分别为第i种重金属的实测含量(mg/kg)，参比值(mg/kg)和毒性系数。

毒性系数根据陈静生[13]计算的重金属毒性系数(Tri)：Zn=1，Pb=Ni=Cu=5,Cd=30，Hg=40，As=10，Cr=2。

区域多种重金属的潜在生态危害指数RI=∑Ei，评价标准见表8。

表8 Hakanson潜在生态危害评价指标

根据灌溉后5种重金属离子的含量计算，参比值为土壤灌溉之前重金属含量的本底值。5种重金属离子生态危害指数见表9。

表9 重金属离子生态危害指数

由表9可见，5种重金属离子生态指数都远远低于表5中各离子生态危害指数，并且区域生态污染指数也远低于90。说明在本次实验条件下，使用再生水灌溉不会因一种或多种重金属对生态环境造成污染与破坏。但由于重金属，特别是毒害作用强的重金属如Cr、Pb等在土壤中可通过植物作物的吸收，从而被人体吸收造成不可挽回的结果。因此，长期使用再生水灌溉仍需长期定位监测，以保证再生水农用的安全性。

3 结 论

(1)首次使用再生水灌溉时，由于稀释作用，土壤表层全盐量与Na+、K+离子等均有所减少，随着灌溉的持续，二级出水，1/2二级出水与自来水灌溉相比0～15 cm土壤有一定盐分累积现象，Na+离子有所增加，深层土壤与自来水灌溉相比无明显差异。

(2)二级出水灌溉、1/2二级出水灌溉与自来水灌溉相比，灌溉后土壤中重金属含量与本底值没有明显变化，表层土壤出现轻微累积现象，但总体来看土壤中重金属Cu、Zn、Cr、Pb、Ni含量远低于国家标准，不同处理二级出水灌溉之间各种重金属离子含量也无明显差异，说明使用再生水农灌短期内不会造成土壤重金属累积。

(3)利用Hakanson潜在生态危害评价法对不同灌溉水质灌溉后土壤重金属离子进行评价，5种重金属离子均远低于评价线最高标准，并且区域生态污染指数也远低于标准。

[1] 水利部水文司,中国水利学会. 中国水环境问题研讨会论文集[C]∥ 北京：中国科学出版社，1998:229-233.

[2] 国家环境保护局.1999年中国环境状况公报[N]. 环境保护,2000,(7):3-7.

[3] 程 鸿,何希吾.中国自然资源手册[Z]. 北京:科学出版社，1990:53-86.

[4] 山 仑,邓西平.我国半干旱地区农业用水现状及发展方向[J]. 水利学报,2002,(9):27-31.

[5] 叶 雯, 刘美南. 我国城市污水再生利用的现状与对策[J]. 中国给水排水, 2002,18(12):31-33.

[6] 金建华,孙书洪,王仰仁. 再生水灌溉的研究进展[J]. 节水灌溉,2009,(5):30-34,38.

[7] 康旺儒. 农业领域的污水回用[J]. 甘肃科技纵横, 2004,33(1):79-86.

[8] Friedler E. Water reuse-an integral part of water resources management: Israel as a case study[J]. Water Policy, 2001,3(1):29-39.

[9] Zhao Q L, Zhang J N, You S J, et al. Effect of irrigation with reclaimed water on crops and health risk assessment[J]. Water Science & Technology Water Supply, 2006,(6).

[10] 杨林林, 杨培岭, 任树梅,等. 再生水灌溉对土壤理化性质影响的试验研究[J]. 水土保持学报, 2006,20(2):82-85.

[11] 李中阳,樊向阳,齐学斌,等. 再生水灌溉下重金属在植物-土壤-地下水系统迁移的研究进展[J]. 中国农村水利水电,2012,(7):5-8.

[12] Hakanson L. An ecological risk index for aquatic pollution. A sedimentological approach[J]. Water Research, 1980,14(8):975-1 001.

[13] 陈静生, 刘玉机. 水体金属污染潜在危害：应用沉积学方法评价[J]. 环境科技, 1989,(1):16-25.