某城市灌溉水质对污灌区土壤重金属含量的影响

刘 皦

（1.晋中市生态环境局，山西 榆次 030600；2.晋中市生态环境保护综合行政执法队，山西 榆次 030600；3.晋中市生态环境监测和应急保障中心，山西 榆次 030600；4.祁县生态环境监测和应急保障中心，山西 祁县 030900）

0 引言

我国总体水资源相对不足，随着经济社会的高质量发展，城市生活用水和工业用水不断占用灌溉用水，农业生产用水不足日趋严重，尤其是我国北方地区，开发利用水资源几乎达到了临界值，农业灌溉用水的不足只能通过使用污水和节水等方式缓解。但是，未经任何处理的污水用于灌溉，其中含有的有毒有害物质，将会造成污水灌溉地区地下水、土壤和作物的严重污染，重金属积累已达到相当程度。尤其是污水灌溉造成的土壤重金属污染在我国北方地区相当普遍而且严重，污水灌溉使城市污水中大量重金属元素进入土壤。土壤重金属污染物主要有汞、镉、铅、铜、铬、砷、锌等，砷虽不属于重金属，但因其行为与来源以及危害程度都类似于重金属，通常被列入重金属类进行分析讨论。重金属具有在土壤中移动性差、滞留时间长、不能被微生物所降解等特点，并经水和植物等介质最终影响人类的健康。因此，治理和恢复的难度较大，特别对大面积污染土壤如矿区土壤、大型冶炼厂周边地区土壤，污染极其严重，同时极易形成污染循环链。土壤中的重金属可以通过扬尘或者直接接触方式危害人体健康、影响城市土壤的生态功能[1]。随着城市发展速度的加剧，通过工业排放、大气沉降、交通运输和市政建设等方式，造成城市土壤重金属的污染越来越严重。国内外知名学者已经研究提出了“化学定时炸弹”（chemical time bomb，CTB）的概念，土壤重金属污染，积累达到一定程度，就可以成为土壤中的CTB 而爆发。因此，研究污灌区土壤重金属的污染特征，对其进行危害评价具有十分重要的意义。

土壤污染与修复已成为亟需解决的主要生态环境问题，对污灌区土壤重金属含量的分析是进行土壤污染修复和生态安全研究的基础，了解和掌握污灌区土壤重金属现状动态以及识别土壤污染主要成分，有助于更加有针对性进行治理和修复污染的土壤[2]。因此，通过研究不同灌溉水质对污灌区土壤重金属含量的影响，对污水的灌溉和土壤污染的修复提供科学的依据，具有现实的指导意义。

1 实验部分

1.1 样品采集

实验所用土壤样品均采自某市三大污灌区（根据某市灌溉水源的不同划分），分为北部、中部、东部。各样区根据灌渠流向采用对角线法取样[3]，每区域选取5 个采样点，样点间隔最近端约为96 m，最远端约为380 m。每个采样点由5 个分样点组成，按四分法混合成每个样品，共取分样75 个，得到混合样品15 个。根据重金属主要分布在土壤表层，土壤采样深度为0～20 cm，送实验室风干进行分析。

1.2 分析方法（见表1）

表1 样品分析方法

2 结果与讨论

2.1 灌溉水质及污水灌溉现状分析

某城市有丰富的煤、铝资源，在促进当地经济发展的同时，严重影响水资源的可持续利用。采煤漏水、地面塌陷、地表剥离、地下水补给通道阻隔，使本来紧缺的水资源形势更加严峻。污灌区污水来源主要是工业废水和生活污水。根据该城市的具体情况将污灌区的灌溉水源分为3 类：一是污灌区的北部用的灌溉水，主要是城市污水；二是污灌区的中部的灌溉水，主要是城市污水和工业废水的混合水；三是污灌区东部的灌溉水，主要来源是有污水排入的文峪河。灌溉水中重金属含量见表2。

表2 灌溉区灌溉水重金属含量 单位：mg/L

由表2 可知，三大灌溉区的灌溉水中重金属含量符合农田灌溉水质标准（GB 5084—2021），均可以用来对污灌区进行灌溉。

2.2 污灌全区域重金属含量及结果分析（见表3）

表3 污灌全区域土壤重金属含量的计算分析数据 单位：mg/kg

由表3 可知，整个灌区土壤样品表层土壤重金属的平均含量多数高于当地土壤环境质量背景值，其中镉、砷的含量略低于当地土壤环境背景值。从表3 可以看出重金属镉、砷的变异系数分别达到0.541 3、0.306。说明镉、砷这两种元素受到外源性污染物影响较大。但土壤本身这两种元素含量比较低。

2.3 污灌区北部、中部、东部土壤重金属含量及结果分析（见表4）

表4 污灌区北部、中部、东部土壤重金属含量的计算分析数据 单位：mg/kg

由表4 可知，污灌区北部土壤重金属中镉、砷的平均含量低于当地土壤环境背景值，铬、铅、铜、锌、镍的平均含量均高于当地土壤环境背景值，说明该区土壤受到铬、铅、铜、锌、镍元素污染较重，与此同时，该区土壤重金属元素的变异系数都比较小，说明当地土壤重金属含量受外源性污染物影响较小。

污灌区中部土壤重金属中镉、砷、铜的平均含量低于当地土壤环境背景值。铬、铅、锌、镍的平均含量都高于土壤环境背景值，说明该区土壤受铬、铅、锌、镍元素污染比较严重。与此同时，该区土壤重金属元素的变异系数较小，说明当地土壤重金属含量受外源性污染物影响较小。

污灌区东部土壤重金属中镉、砷的平均含量低于当地土壤环境背景值。铬、铅、铜、锌、镍的平均含量高于当地土壤环境背景值，说明该区土壤受铬、铅、铜、锌、镍元素污染比较严重。与此同时，镉的变异系数较高，达到0.612，说明镉元素含量比较容易受到外源性污染物的影响。

3 结论

从上述分析可知，与当地土壤环境背景值比较整个污灌区受土壤重金属中铬、铅、铜、锌、镍元素污染较为严重。不同区域由于灌溉水质及土壤环境的不同所受污染程度可能有所差异。各元素在不同地区所受外源性污染物的影响程度可能有所不同。

北部、中部与整个灌区重金属污染状况较为相似，各研究元素变异系数也较小，说明其受灌溉水质影响程度较低。东部区域镉的变异系数较大，说明该元素受外源性污染物的影响较大，其含量会受到该区域灌溉水质的影响。

元素变异系数反映样本间的变异程度，对于长期耕作的土壤，在没有明显外源性因素的影响下，其微量元素含量在很小范围分布是相对均一的，元素含量变异系数有着微小变化。但是在污灌条件下，由于微量元素的生物富积作用导致微量元素局部含量有所增高，增大了含量分布的空间差异。

不同的灌溉水质可能会对土壤的重金属含量有着不同程度的影响，在研究土壤重金属污染的同时需要考虑灌溉水质的影响。与此同时，不同污灌区的土壤可能具有不同的理化性质，需要分区域进行研究。

4 讨论

对土壤重金属污染大量研究及评价表明，毒性较大的重金属是铅、铜、铬、砷，对人类健康环境影响较大。Adriano[4]和Alloway[5]指出，铅、铜、锌是评价土壤污染程度的理想指标。因此，本文选择铬、镉、铅、砷、铜、锌、镍等元素对某市污灌区灌溉水质对土壤重金属含量的影响具有可利用评价的实际意义。

重金属在土壤中不能随意被水淋滤和被微生物所分解。但是，生物具有富集作用，使得重金属常在土壤环境中不断积累，而且某些重金属在土壤中迁移转化为毒性更大的甲基化合物。土壤中重金属元素的迁移转化及其对植物的毒害和环境的影响程度，不仅与土壤重金属的含量具有相关性，而且还与重金属在土壤中的存在形态、状态具有相关性。重金属在土壤中存在的形态、状态不同，其生物毒性、活性及迁移特征也会不同。当土壤中所含化合物的类型不同时，化合物本身之间的差异和土壤与生物之间交互作用的不同，生物效应也可能不同。同时，灌溉水中也不同程度地含有一定的重金属元素，用超标污水灌溉可能会加重土壤重金属污染。所以灌溉水的选取极其重要。

5 建议

作为城市郊区农田灌溉补给的城市生活污水和工业废水，为了有效缓解农业水资源存在相对压力，需要做好以下几个方面：

1）污水治理及其有效应用作为节水的重要内容，提高污水灌溉在水资源配置中的作用。污水灌溉在农业生产和生态灌溉方面起着举足轻重的作用，建立明确事权和水权等长效机制，形成制度化，污水的治理按照谁污染谁治理的原则，将处理后水进行循环利用。对于生活污水的处理，考虑其公益性方面应由政府资助为主导，通过市场鼓励、引导和吸引外资，积极参与此项工作。通过国家立法和相关法律法规以及政策来明确水事事权和水权的认定。

2）行之有效地做好污水灌溉规范化管理。当前，在权责相对不明确的前提下，由于污水灌溉涉及政府多个部门，处于“九龙治水”状态，加之不属于单位的重点工作，使得污水灌溉多数处于放任自流的状态。生态环境具有自净和承载能力，行之有效地管控水污染，需由水利部门牵头抓总，生态环境和农业等政府部门相互协调配合，建立健全联席会议协调联动机制，行之有效地做好污水灌溉的管理工作，尽可能做到污染最小化、治理最大化。

3）科学合理做好理论与技术相结合的研究工作。污水灌溉作为污水资源化利用的重要途径。污水中氮、磷、钾等营养元素是作物生长必需元素，对于生态环境而言，不合理的污水灌溉会造成当地严重的土壤和地下水重金属污染和有机物污染；对于农业生产，适当的污水灌溉对作物增产起到一定作用，但是污水灌溉的不合理利用将会造成作物体存留重金属等有害元素造成粮食污染，对人民群众身体健康造成极大影响。因此，污水灌溉的科学合理运用是科研工作的一项重要课题，应当加强高等院校和科研院所的融合合作，进行系统的、科学的、有效的研发工作。