污水灌溉对作物重金属含量的影响因素分析

王 霞，李王成,3

(1.宁夏大学土木与水利工程学院，银川 750021；2.宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心，银川 750021；3.旱区现代农业水资源高效利用教育部工程研究中心，银川 750021)

近些年来，由于我国水资源的紧缺以及地表水体的严重污染，农灌区使用污水灌溉的现象较为普遍，在北方一些严重缺水地区甚至将工业污水作为水源直接进行灌溉[1]。使用污水灌溉能够在一定程度上缓解我国农业用水的供需矛盾，但是如果长期进行污水灌溉，可能会造成土地污染。据了解，我国37个污灌区中有22个明显污染点，其中半数以上是重金属累计超标[2]。污灌区土壤重金属累积造成作物重金属含量超标，并通过食物链放大作用进入人体，对人类身体健康造成严重危害[3,4]。

目前许多学者研究通过对有较长污灌历史的污灌区研究发现，污灌区土壤重金属累积比较严重，灌区作物重金属超标现象比较普遍[5,6]，并且作物体内重金属含量受土壤重金属有效态和全量、灌溉水质、土壤属性、作物种类的影响[7,8]。

土壤是农作物的生长介质,农作物主要是通过根系从土壤中吸收重金属。这一过程受到内因、外因两方面的影响，内因是作物对重金属的吸收能力，外因则是土壤重金属的全量及其有效性。本文从影响土壤重金属有效态和作物生长发育的因素为切入点，针对污水灌溉造成作物体内重金属含量累积的问题进行了分析。

1 土壤属性对作物重金属含量的影响

土壤环境中重金属存在的形态分为可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机结合态、残留态5种形态[9]。前4种重金属存在形态可能会被作物吸收，称之为有效态，其含量可作为衡量土壤重金属被植物吸收难易程度的指标,即有效态含量越高,则表明土壤中的重金属愈容易被作物吸收。由于土壤的属性对重金属的赋存形态有一定影响，故其对作物的重金属含量可能会产生影响。

(1)土壤物理指标对作物重金属含量的影响。有研究发现土壤物理指标对作物重金属含量有明显的影响。不同粒径的土壤颗粒,对重金属的束缚能力存在差异,除Pb和Hg外，其他重金属含量均与土壤的平均粒径呈显著的负相关关系，即土壤细小颗粒更容易富集重金属[10,11]。并且重金属含量与土壤包气带岩性结构相对应,一般在粉沙中含量最低,亚沙土中次之,亚黏土中最高，但是质地重的土壤对重金属吸附能力强，从而降低重金属的迁移能力[12,13]。孙彬彬研究发现，多数土壤微量重金属元素随SiO2含量的增加而降低,随Al2O3、Fe2O3含量的增加而增加，土壤质地对重金属元素异常的形成具明显的控制作用[14]。同时土壤中胶体对重金属具有显著吸附作用，其能够形成胶体-重金属复合体，提高重金属的迁移性[15]。因此，黏质土成分比例越大，土壤粒径越小，胶体结构越多，土壤对重金属的富集能力越强，土壤的重金属全量越大。孙芳芳研究证明，作物体内重金属含量与土壤重金属全量和有效态含量存在显著线性关系，与有效态关系尤其显著[16]。

(2)土壤化学指标对作物重金属含量的影响。目前研究认为，土壤化学指标中的pH和有机质含量对影响重金属有效态含量有显著的影响作用[17]。pH对土壤有效态重金属含量的影响主要是由于其对重金属元素活性有直接影响,从而使土壤重金属在土壤中的形态发生改变[18]。在酸性条件下，pH值的下降可活化土壤重金属，显著提高重金属在土壤中的迁移能力，增加有效态[17,19]，碱性条件下，当土壤pH值升高时,重金属元素将逐渐转化为氢氧化物或氧化物,溶解度降低,有效态重金属含量降低(砷除外)[20]。有研究证明，一方面，土壤有机质中的有机酸对重金属有吸附交换作用，从而增加有效态重金属的含量；另一方面，有机质中的腐殖质对重金属具有螯合作用，使其难以被作物根系吸收，从而降低重金属对作物的有效性[17]。在土壤pH值较低，重金属浓度较高时，有机质对重金属吸附交换作用大于螯合作用，即土壤有机质对作物重金属含量的增加具有促进作用[19]。

(3)土壤生物指标对作物重金属含量的影响。土壤中微生物通过参与土壤的各种生化过程能够增加土壤有机质含量，促进土壤团粒结构的形成，改善土壤结构[21]。土壤有机质含量的上升和土壤团聚体的增加对土壤重金属有效态含量有促进作用[22]，进而影响了作物重金属含量的累积。根据前面分析可知，污灌区土壤的物理、化学、生物指标对土壤重金属有效态含量都有一定影响。其中黏质土成分比重的增高、土壤粒径的减小、有机质含量的增加和土壤pH值的降低均对土壤重金属有效态含量的升高有促进作用，加大重金属在作物体内累积的概率。

2 水质对作物重金属含量的影响

污水灌溉水源主要来源于工业、农业以及城市生活所排泄的大量被污染的地表水体。众多研究者通过灌溉实验和采样分析研究表明，污水灌溉的水质对作物重金属含量有一定影响。

(1)污水中重金属离子浓度对作物重金属含量的影响。长期灌溉含有重金属离子的污水会导致土壤重金属产生显著累积现象[23,24]。重金属在土壤中的大量累积，相当于增加了土壤重金属全量，进而会造成作物重金属含量在一定程度上有所增加。张志华通过盆栽试验发现土壤和作物体内重金属的富集随污水中重金属离子浓度的增加而增加[25],与本文分析结果一致。

(2)污水pH值对作物重金属含量的影响。城市废污水的成分复杂，如果未经过科学处理，很有可能偏酸性或者偏碱性。同时由于环境污染日益严重,现在某些地区酸雨逐渐频繁,酸雨会造成湖泊等地表水pH产生一定影响。重金属离子的毒性与离子价态有关，如Cr6+在土壤中的活性很强，很容易被作物的吸收利用，而Cr3+在土壤中主要以阳离子形式存在，很容易被土壤吸附固定，形成铬和铁的氢氧化物，活动性较差[26,27]。污水pH值的变化，会对自身携带的重金属离子价态和氢氧化物的溶解度有一定影响[28]。同时污水灌溉可能会导致污灌区土壤的pH发生变化，从而影响到土壤重金属的有效态含量。

(3)污水中阴阳离子对作物重金属含量的影响。生活污水和工业废水中一般携带大量的阴阳离子，比如Na+、K+、Cl-、CO2-3等离子。CO2-3和Cl-的增加会增加土壤中碳酸盐结合态和可交换态重金属含量，Na+、K+会对重金属阳离子产生竞争吸附作用，阴阳离子增加使更多的重金属离子暴露在土壤中，增加其在土壤中的迁移性[18,29]，即提高土壤重金属重金属有效态含量。同时土壤的全盐量会随着各种阴阳离子的输入而增加，有研究证明作物重金属含量与土壤全盐量呈正相关关系[13,30]。

综前所述，作物重金属含量与污水中重金属离子浓度、污水中阴阳离子浓度呈正相关关系，与污水pH值呈负相关关系(砷除外)。

3 作物体内重金属富集规律分析

在同一生长条件下，不同作物种类及作物不同营养部位，其生长发育特征以及对水分养料的吸收规律都不同，其对重金属的富集规律也有所差异。

(1)不同种类作物重金属富集能力分析。作物重金属含量与其整个生育期内所吸收的重金属量有关，生育期长短、耗水量等因素都可能影响其对重金属的吸收量。目前通过盆栽和田间试验对我国主要粮食作物和常见的蔬菜作物重金属富集能力的研究发现，除水稻外，一般蔬菜作物比粮食作物的重金属富集能力强，且不同种类的粮食作物和蔬菜作物对各种重金属的富集能力也存在差异，可能与水稻一般所采用淹灌灌溉制度有关。粮食作物对重金属的富集能力顺序为水稻>小麦>玉米>大豆，蔬菜作物为叶菜类>花菜类>根茎类>果菜类[31-35]。同时有研究发现，同种类作物不同品种对重金属的富集规律也存在显著差异[36,37]。

(2)不同营养部位重金属富集能力分析。同一作物的不同营养部位由于其营养成分和元素组成的不同，对水分和营养元素吸收规律也不同，重金属元素在作物体内的富集水平也有所差异。许多研究者通过污水灌溉实验得到相似的研究结论，即无论是粮食作物还是蔬菜作物，重金属的累积主要集中在根部，而作物其他营养部位重金属累积量因重金属种类不同而表现出明显的差异性，但是大多服从根>茎>叶>籽的规律[38-41]。

众多研究表明，在同一生长环境下，作物种类、品种都影响了重金属在作物体内的富集程度。因此，可以通过调整作物种植结构和培养对重金属污染抗性较强的作物来降低污灌区作物重金属污染的风险。

4 结 语

本文在参阅现有文献的基础上，通过对可能影响作物吸收重金属能力、土壤重金属存在形式及其有效性的因素进行分析，得到以下结论。

(1)土壤中黏质土成分比重的增高、土壤粒径的减小、有机质成分的增加和土壤pH的降低对土壤重金属有效态含量的升高有促进作用，对作物体内重金属的富集过程会产生一定影响。

(2)在一定范围内，作物重金属含量与灌溉污水中重金属离子浓度呈正相关关系，与污水pH呈负相关关系，与污水中阴阳离子浓度呈正相关关系。

(3)在同一生长环境下，作物种类、品种对作物体内重金属含量产生一定的影响；除水稻外，一般蔬菜作物比粮食作物对重金属富集能力强，粮食作物对重金属的富集能力顺序为水稻>小麦>玉米>大豆，蔬菜作物为叶菜类>花菜类>根茎类>果菜类；不同营养部位对重金属的累积大多服从根>茎>叶>籽的规律。

农业生态系统重金属污染防治,应坚持预防为主,防治结合的原则。在此基础上，提出以下建议。应强化管理,改善灌溉水质,加强灌区水质监测，提高灌溉质量；对已经造成土壤重金属污染的灌区应当积极治理，可采用物理措施、化学措施、生物措施、农业工程措施；采取适用于本灌区水质、土壤、和作物的灌溉制度，科学调整作物种植结构；加强粮食作物和蔬菜作物的重金属含量监测，尽早了解作物重金属污染状况。

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