再生水滴灌土壤中砷(As)时空分布规律试验研究

裴 亮， 廖晓勇

(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)

采用经过处理的再生水进行蔬菜滴灌是当前热点研究之一[1-2]，国内外的相关研究非常多[3-6]。国内的李中阳等[3]、齐学斌等[4]以及国外的Morillo等[2]、Al Kuisi等[1]、Gwenzi等[5]和Oron等[7]对污染物随再生水进入土壤进行了初步研究。近些年对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的研究也较多[4-5,8]。由于再生水采用滴灌灌水，频率、强度、灌溉水量与普通灌溉方式大相径庭，所以水及水中物质在土壤里的时空分布也与传统灌溉方式不同。还有再生水污染物种类繁多，其中重金属对作物生长及环境影响极大，尤其As,Cd等不但影响作物产量还对作物安全性有影响，绝不能忽视，所以研究土壤重金属时空分布规律是急需的[8-9]。在前期再生水循环利用研究[10-13]的基础上，采用不同浓度再生水对照地下水进行滴灌，进行蔬菜生长季内土壤重金属As时空分布规律的研究。

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[10-13]，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。由于试验地近几年采用生活污水灌溉，土壤汞和镉有略微超标。

1.2 试验布置

本研究课题组文献[10-13]里有类似试验设计，试验在2016年10月2日到12月5日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20cm、滴头流量2.7 L/h的滴灌带，在植物种植前，每亩施复合肥10 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，灌水中根据农田灌溉水质标准GB5084-2005[15]中重金属限值控制重金属的浓度(不超过限值2倍)。5个处理分别为A1(全再生水滴灌)、A2(再生水与地下水按照1∶1混合滴灌)、A3(再生水与地下水按照1∶2)、A4(再生水与地下水按照1∶4混合)和地下水滴灌处理E。

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。每个处理中的每个重复小区的土壤下方20 cm处安装1个水势负压计，根据蔬菜的灌溉经验[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。萝卜生长季内共灌水5次，共25 mm。

1.3 采样及测定项目及方法

每次灌水后第1天、第3天、第5天、第7天，取土样进行重金属测定，在取样深度为0～200 cm的土层内每隔20 cm 进行取样，选取10个深度土壤进行分析，，分析标准见参考文献[14-15]，再生水水质情况及再生水滴灌小区处理情况见表1、2。

表1 水质情况 mg/L

表2 再生水滴灌试验5个处理

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。砷的测定采用荧光原子分光光度法[16]。

2 结果分析

2.1 再生水首次滴灌后土壤剖面重金属As运移分布情况

从图1中第1、3、5、7天数据可以看到，首次灌水后第1天、第3天、第5天、第7天，对蔬菜土壤剖面采样进行重金属As含量测定，发现重金属As在灌水第1天，在表面土壤(0～20 cm)中含量最高，随深度降低浓度降低；第3天开始，表面浓度略微降低，深层浓度逐渐增加；到第5天、第7天时，As主要在土壤80～120 cm深度处积累，0～80 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深度处重金属含量逐渐降低。

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7天时，180 cm处As浓度较第5天也有所减少，说明淋洗及毛管孔隙上升作用使深层As产生一定运移，具体趋势如下图1所示。

2.2 生长季内土壤As浓度变化情况

图1中看出As在一次灌水作用下第1、3、5、7天的As变化规律。整个作物生长季内要灌水多次，本节主要对作物整个生长季土壤As的运移积累情况进行分析研究。生长季内As的变化情况如图2所示。

图2 2016年生长季内土壤重金属As分布运移情况

对各次滴灌后第1、3、5、7天分别测定As在各层土壤中浓度变化。图2中，生长季内对每个处理及重复的土壤表层各层进行采样测试，可以看出，再生水滴灌(A1、A2、A3、A4处理)过程里，随着时间的延长、灌水次数增加，土壤中蓄积的As浓度是增加的，但增加较缓慢。随着再生水浓度降低，蓄积As的浓度也降低。地下水滴灌(E处理)过程中，As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As在多频率、小流量的滴灌下，土壤浅层As淋洗速度快于蓄积速度，作物本身对As也有一定吸附吸收作用。同样，在每次灌水第1、3天，表层As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5、7天，As主要在100 cm左右聚集，120 cm以下处As浓度逐渐降低。这与图1规律较接近，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。生育期结束后，As的最终蓄积情况如图3所示，地下水灌溉条件下，20 cm和80～100 cm处，As蓄积较多；再生水灌溉条件下，从20到120 cm过程中，As蓄积量增加，其中80～100 cm处As含量随深度增加较少，100到200 cm过程中，As含量逐渐降低。

图3 土壤各层As蓄积情况

3 结 论

(1) 以地下水滴灌为对照，在蔬菜大棚对生长季萝卜进行再生水滴灌试验研究，分析研究了再生水滴灌后7天内土壤不同深度中重金属As时空分布变化情况。结果表明：滴灌后第1天，表层土壤As浓度最大，滴灌后第3天100 cm深度处As浓度最大，表层土壤As浓度略有降低，第5天到第7天，各层土壤As浓度接近，80～120 cm处浓度最大，深度低于120 cm时As浓度随深度增加而降低。

(2) 全生长季内土壤As随着灌水次数增加而变化，具体情况是表层土壤As蓄积增加，土壤深度80～120 cm处As增加较少，200 cm处As浓度减小。当再生水滴灌条件下，再生水和深层土壤中As浓度符合土壤和灌溉水的标准限值[14-15]。

(3) 生育期结束后，As的最终蓄积情况为：地下水灌溉条件下，20 cm和80～100 cm处，As蓄积较多；再生水灌溉条件下，从20到120 cm过程中，As蓄积量随深度增加，其中80～100 cm处As含量随深度增加幅度较小，100到200 cm过程中，As含量逐渐降低。因此用经过一定程度处理的适当浓度再生水进行滴灌造成As污染概率极小。

参考文献：

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