再生水灌溉对稻田重金属分布的影响

王磊，周璐瑶，胡静博，蔡佳坊，王伟，肖万川，何妙妙

(1. 浙江省水利河口研究院(浙江省海洋规划设计研究院)，浙江 杭州310020； 2. 浙江省水资源水电管理中心(浙江省水土保持监测中心)，浙江 杭州310000； 3. 杭州萧山水利水电勘察设计有限公司，浙江 杭州311200； 4. 杭州市余杭区西部水利综合服务中心，浙江 杭州311100； 5. 苏州市吴中区水务局，江苏 苏州215104)

当前全球水资源供需矛盾日益加剧，污水资源化代替部分新鲜水用于农业灌溉，可以在一定程度上节约水资源，成为缓解局部地区水资源短缺、水质型缺水的重要举措[1-3].目前，中国约有10%的耕地采用再生水进行农业灌溉，并取得了较好的利用成效[4].相比城市污水，农村生活污水N，P元素含量较高，重金属污染物等毒理指标量低，可生化性良好，可作为一种传统的水肥资源，经安全处理后灌溉回用，可以有效减排污染物，降低新鲜水资源的取用量[5-6].再生水灌溉引起的重金属污染问题是其回用研究和应用广泛关注的热点问题，重金属迁移转化存在各种物理、化学、生物等复杂行为特征[7-9].农村生活污水中常见重金属包括Cu，Cr，Pb，Cd，Zn，浓度通常在5 ug/L以下，其中Cr和Cd生态风险最高[10-12].栗岩峰等[13]提出采用滴灌或分根交替灌溉技术较常规灌溉可以显著降低土壤中重金属含量.LI等[14]研究表明重金属在作物各部位累积存在较大差异，籽粒中最低，根茎叶系统对重金属向果实迁移起到屏障作用.窦韦强等[15]研究表明，中短期再生水灌溉回用土壤重金属污染的生态风险较低，但会导致20～40 cm土层重金属含量增加，长期再生水灌溉回用有可能造成土壤中重金属的累积.因此，研究再生水灌溉对土壤-作物重金属分布的影响，评估土壤重金属风险，对控制农村耕地环境污染、维护中国农田的土壤安全性能和制定再生水灌排策略，具有科学研究价值和现实意义[16-17].基于此，文中以稻田作为研究对象，研究农村生活再生水灌溉调控下，稻田、作物植株器官典型重金属含量变化规律，分析稻田重金属含量与土壤环境质量的关系，评估再生水灌溉对稻田土壤重金属风险的影响.

1 材料与方法

1.1 试验地概况

表1 试验小区土壤基本物理性质

1.2 试验设计

试验设置4种灌溉水源，分别为污水处理站一级出水R1、二级出水R2、生态塘水R3(二级处理单元出水深度处理后存储于生态塘，蓄水容积6 000 m3)、舟山溪水(河道清水)R4，通过4座简易潜水泵提水灌溉.2020年，生态塘建设未完成，灌溉水源为R1，R2，R4共计3种，2021年，灌溉水源为R1，R2，R3，R4共计4种，各灌溉水源水质指标均达到灌溉水质标准(GB 5084—2021).设置3种水位调控处理，分别为低水位调控W1、中水位调控W2和高水位调控W3，各处理3个重复，田间水位控制标准见表2，试验场地示意图见图1.水稻供试品种为单季水稻嘉优中科13-1，施肥方式按照当地施肥习惯，采用基肥+追肥方式.

表2 田间水位控制标准

图1 试验区田间布置图

1.3 测定指标及方法

在水稻种植前后分别对0～20 cm,20～40 cm,40～60 cm,60～80 cm土层进行取样，测定稻田土壤中5种典型重金属元素(镉Cd，铅Pb，铬Cr，铜Cu，锌Zn)含量，其中Cd含量采用石墨炉原子吸收分光光度法测定，Pb，Cr，Cu，Zn含量采用火焰原子吸收分光光度法测定.在水稻收割后，对水稻植株进行取样，分别测定茎、叶、籽粒中重金属含量，其中Cu，Zn采用火焰原子吸收光谱法测定，Pb，Cr，Cd采用电感耦合等离子体质谱法测定.

2 结果与分析

2.1 稻田土壤重金属含量变化

不同灌溉水源和水位调控下稻田各土层重金属质量比W变化如图2所示.

图2 不同灌溉水源和不同水位调控下稻田重金属质量比变化

Cd质量比在土壤表层中质量比明显高于深层，这是由于Cd在土壤中的移动性较小，容易在土壤上层积累.R1水源灌溉下各土层Cd质量比增幅最大，R2其次，R3水源下增幅最小，可见一二级再生水灌溉下土壤中Cd质量比增加明显.稻田各土层土壤Pb质量比，随着田间水位增加呈现升高趋势，不同水源条件下稻田Pb质量比变化较大.对Cr质量比变化，2020年除处理W1R2和W3R2土壤Cr质量比升高外，其余处理土壤内Cr质量比均下降，2021年与背景值相比总体有所升高.低水位W1调控下土壤中Cr质量比降低较小，随着灌溉时间增加，土壤Cr质量比变化显著.2020年、2021年农村生活再生水灌溉调控下各处理土壤中Cu质量比均未升高，呈现下降趋势.中低水位调控下，稻田Cu质量比与背景值相比降幅较大，高水位下降幅较小.与Cu质量比变化类似，土壤Zn质量比呈现下降趋势.

方差分析结果如表3所示.由表可以看出不同水位调控和灌溉水源对土壤中0～20 cm土层Cd质量比变化影响在0.01水平下具有统计学意义，对20～40 cm土层Cd质量比变化影响在0.05水平下具有统计学意义；灌溉水源对土壤20～40 cm土层Cr质量比变化影响在0.01水平下具有统计学意义，对40～60 cm土层Cu质量比影响在0.01水平下具有统计学意义.

2.2 水稻植株重金属质量比变化

不同灌溉水源和水位调控下植株器官重金属质量比累积变化如图3所示.对水稻茎部而言，除了Pb，Zn，Cd，Cr质量比随着灌溉水源从劣到优而降低，重金属总质量比按灌溉水源排序从大到小依次为R1，R2，R4(2020年)；R1，R2，R3≈R4(2021年)，说明R3，R4水源灌溉水稻茎部重金属总量接近.不同水位调控重金属总质量比按水位调控排序从大到小依次为W1≈W2，W3(2020年)；W1≈W2≈W3(2021年)，田间控制水位对茎部重金属质量比影响较小.对水稻叶部而言，Zn,Pb,Cd,Cr质量比随着灌溉水源从劣到优而降低，重金属总质量比按灌溉水源排序从大到小依次为R1，R2，R4(2020年)；R1，R4，R2≈R3(2021年)，相比茎部，灌溉水源对叶部重金属质量比影响减弱.不同水位调控下重金属总质量比按水位调控排序从大到小依次为W1，W3≈W2(2020年)；W3，W1，W2(2021年).对水稻籽粒而言，不同灌溉水源下重金属总质量比按灌溉水源排序从大到小依次为R2≈R1，R4(2020年)；R1，R2，R3≈R4(2021年).不同水位调控下重金属总质量比按水位调控排序从大到小依次为W3≈W1≈W2(2021年)；W3，W2≈W1(2021年)，再生水灌溉处理下籽粒重金属质量比并未明显增加，符合《食品安全国家标准 食品中污染物限量(GB 2762—2017)》中对稻谷中污染物的限量要求(Cd，Cr，Cu限量分别为0.2 ，1.0 ，0.2 mg/kg).水稻各部分重金属质量比从大到小依次为茎，籽粒≈叶，重金属组成从大到小依次为Zn，Cr，Pb，Cd，灌溉水源对水稻茎、叶、籽粒中重金属质量比影响逐渐减弱.方差分析结果见表4.

图3 不同灌溉水源和不同水位调控下植株器官重金属质量比变化

表4 植株器官重金属质量比变化双因素方差分析

可以看出灌溉水源对2020年茎、叶中Zn质量比影响在0.05水平下具有统计学意义，对2020年叶中Cr质量比、2021年茎中Pb质量比和叶、籽粒中Cu质量比变化影响在0.01水平下具有统计学意义，对籽粒中Pb质量比变化影响在0.05水平下具有统计学意义；水位调控对2021年茎、叶中Cd质量比变化影响在0.01水平下具有统计学意义，对2020年、2021年叶中Cr质量比变化影响在0.05水平下具有统计学意义.

2.3 土壤重金属质量比与土壤环境质量关系

表5 不同水源条件下土壤重金属质量比与土壤环境质量相关分析

2.4 稻田重金属生态风险分析

采用潜在生态风险指数评价法对研究区域内不同水源灌溉农田土壤进行重金属潜在生态风险分析.计算公式为

RI=∑Ei=∑(Ti·Pi)，

(1)

式中：RI为土壤多种重金属综合潜在生态风险指数；Ei为单因子生态风险系数；Pi为单因子污染指数，为单污染因子的实测值与相应背景值之比；Ti为土壤各重金属的毒性系数.

不同水源灌溉下稻田各土层重金属综合潜在风险指数见表6.可以看出，稻田土壤Cd的生态风险系数最高，Cu和Pb次之，Cr和Zn风险系数较低.

表6 不同水源灌溉下稻田重金属潜在风险指数

表7为风险评级标准，由表可知，再生水灌溉总体并未对土壤造成严重污染，除R1外，其余水源灌溉下土壤平均重金属综合潜在生态风险程度均为轻度，R1水源灌溉下60～80 cm土层土壤风险指数最高，R2灌溉下20～40 cm土层土壤风险指数最高.

表7 重金属生态风险评级标准

各水源灌溉下Cd生态风险最高，R1水源灌溉为很强风险，R3水源灌溉为中度风险，R2和R4为较强风险.不同水源灌溉相比，R3水源灌溉下土壤重金属污染潜在生态风险最低，对土壤和地下水污染风险最小，R4其次，R1风险最大.

3 结 论

文中研究了农村生活再生水灌溉调控下稻田土壤、作物器官重金属质量比变化规律，分析了再生水灌溉调控下稻田重金属生态风险，主要结论如下：

1) 农村生活污水再生灌溉稻田Cd,Pb质量比略有升高，Cr,Cu,Zn质量比下降，不同水位和水源处理对土壤中0～20 cm土层Cd质量比影响在0.01水平下具有统计学意义，对20～40 cm土层Cd质量比影响在0.05水平下具有统计学意义，灌溉水源对土壤20～40 cm土层Cr质量比和40～60 cm土层Cu质量比影响在0.01水平下具有统计学意义.

2) 水稻各部分重金属质量比按植株器官排序从大到小依次为茎，籽粒≈叶，重金属组成从大到小依次为Zn，Cr，Pb，Cd，灌溉水源对水稻茎、叶、稻米中重金属质量比影响逐渐减弱，相对灌溉水源，水位调控对水稻植株各部分重金属质量比累积影响较小.再生水灌溉处理下籽粒重金属质量比并未明显增加，符合《食品安全国家标准 食品中污染物限量(GB 2762—2017)》中对稻谷中污染物的限量要求.

4) 农村生活污水再生灌溉稻田Cd生态风险系数最高，Cu和Pb次之，Cr和Zn风险系数较低.各水源灌溉相比，R3灌溉下土壤重金属污染潜在生态风险最低，对土壤和地下水污染风险最小.总体上，再生水灌溉并未对土壤造成严重污染，但长期进行再生水灌溉是否会造成重金属污染风险持续增加有待研究.