污染水灌溉對土壤影響的研究進展及問題分析

萬蕾*，張曼玉，陸晟，胡凱

1. 徐州工程學院江蘇省食品資源開發與質量安全重點建設實驗室，江蘇 徐州 221111；2. 徐州工程學院環境工程學院，江蘇 徐州 221111

污染水灌溉對土壤影響的研究進展及問題分析

萬蕾1,2*，張曼玉1,2，陸晟1,2，胡凱2

1. 徐州工程學院江蘇省食品資源開發與質量安全重點建設實驗室，江蘇 徐州 221111；2. 徐州工程學院環境工程學院，江蘇 徐州 221111

污染水灌溉是緩解中國水資源短缺的重要途徑之一。除了城市污水以外，污染水還包括污染的地表水、工業廢水、養殖廢水、礦區廢水、垃圾滲濾液等。文章回顧了污染水灌溉對土壤的污染作用，分析了中國污水灌溉存在的主要問題。污染水灌溉對環境的污染，主要在土壤表層，具體表現為：（1）改變了土壤的pH值，不同地區、不同的污染水類型對土壤pH值的影響結果不同；（2）重金屬在土壤表層富集，向深層土遷移的速率比較緩慢，不同種類的重金屬在土壤中的累積遷移規律不同，重金屬富集程度與污水灌溉時間密切相關，Cd、Pb等的活性較高，生態污染風險最大，應引起足夠重視；（3）土壤表層氮、磷及有機質含量增加，長期進行污灌的土壤，易造成地下水中NO3--N污染，土壤全鹽量也呈增加的趨勢；（4）引起土壤微生物數量和活性的變化。中國的污染水灌溉存在：（1）缺乏整體監管與監測體系；（2）對環境和人類健康的不利影響沒有引起足夠的重視；（3）缺乏嚴格的環境影響評價體系等問題。加強污染水灌溉相關理論和技術的研究，制定全面的污染水灌溉規劃，為污染水灌溉的應用提供必要的技術支持；通過宣傳、設置緩沖區，加強監管力度等，有效避免病原菌傳播風險；進行環境影響評價等措施，可以充分、高效地利用污染水，對實現可持續發展具有重要意義。

污染水；灌溉；土壤；問題分析

中國是農業大國，以灌溉為主的農業用水量占全國總用水量的70%以上。然而，隨著國民經濟的快速發展，水資源短缺的問題越來越嚴重。由于水資源的開發利用幾乎達到了臨界狀態，農業灌溉用水的不足只能通過節水灌溉、污染水灌溉甚至嚴重超采地下水來彌補。城市污水是水量穩定、供給可靠的一種潛在水資源，在處理到一定程度后回用于農田灌溉，既能減少污水對環境的污染，又能促進農業生產。除了城市污水以外，污染水還包括污染的地表水、工業廢水、養殖廢水、礦區廢水、垃圾滲濾液等。開發利用污染水進行灌溉可以緩解灌溉用水不足，是實施可持續發展戰略，保護水資源和生態環境、解決缺水問題、促進社會經濟協調發展的重要舉措。

污染水灌溉有利有弊，國內外的科研工作者開展了大量的研究。本文回顧了污染水灌溉對土壤的污染狀況，并對存在的問題進行了分析，以期趨利避害，為污染水灌溉的應用性和安全性提供參考。

1 污染水灌溉對土壤的影響

1.1 土壤pH值

污染水灌溉對環境的影響主要表現在污染物在土壤中的殘留、累積和對地下水的污染方面。關于污染水灌溉對土壤pH值的影響，結論不一。Singh和Verloo（1996）研究發現，長期的生活污水灌溉增加了土壤中有機碳的含量，降低了土壤的pH值。楊林林等（2006）也發現，隨再生水灌溉次數的增加，土壤pH值降低。低pH值時，由于金屬的碳酸鹽配合物的溶解，釋放出游離的金屬離子進入溶液使植物吸收重金屬作用增大。pH值的降低可能是不同的有機化合物的氧化和氨的硝化作用的結果，有機物的厭氧分解產生的有機酸認為是pH值降低的主要原因（Dheri等，2007）。廖林仙等（2013）利用奶牛場廢水長期灌溉土壤pH值呈增加趨勢。這可能是因為污水中含有大量 Ca2+、Mg2+等陽離子，在土壤表層富集，導致土壤pH值升高（Rusan等，2007）。也有研究發現，生活污水灌溉與清水灌溉對土壤pH值影響沒有明顯差異（雷瓊和李修嶺，2013）。污染水灌溉對土壤pH值的影響可能與灌溉水種類和土壤類型有關。

1.2 土壤重金屬

由于帶負電的土壤膠體吸附陽離子型重金屬，中國37個主要污灌區中有明顯污染點22個，其中多半是積累性重金屬超標（陳牧霞等，2006）。不同種類的重金屬在土壤中的累積遷移規律不同，Ortega等（2001）將墨西哥Mezquital河谷幾處分別具有5年和90年污灌史的土壤進行對比，發現土壤中的重金屬富集程度與污水灌溉時間密切相關，幾種重金屬富集程度與污灌歷史的相關度為Cu>Ni>Cr>Zn>Pb。楊慶娥等（2007）發現城市污水灌溉導致 4種重金屬含量在土壤中積累趨勢為Pb>Zn>Cu>Cd。馬祥愛等（2010）研究發現長期城市污水和煤焦工業污水混合灌溉的污灌區土壤中重金屬活性系數的大小順序為：Cd>Pb>Cu>Cr>Zn> Ni；遷移系數的大小順序是：Pb>Cd>Cu>Cr>Zn>Ni，土壤中Cd、Pb的活性最高，生態污染風險最大，應引起足夠重視（朱桂芬等，2009）。

重金屬主要在土壤表層富集，向深層土遷移的速率比較緩慢（萬金穎等，2006），再生水短期灌溉不會對試驗區存在重金屬污染風險（高軍等，2012）。馬闖等（2012）調查發現長期再生水灌溉條件下，污染嚴重的Cr、Cu和Zn主要在0～20 cm累積，向下層遷移的趨勢很小，但在70～150 cm土層，所有重金屬均存在高值區，含量明顯高于上、下相鄰土層，與土壤自然形成、發育有關。Nyamangara和Mzezewa（1997）對污染區土壤（潛育低活性淋溶土）的研究表明，Cu、Ni、Pb、Zn主要在土壤0～20 cm的土壤表層累積。Philippe等（1999）對連續施用14年污泥的粉砂壤土的農地調查發現，Cu、Ni、Pb主要在0～30 cm累積，Cd遷移到75 cm，Cr遷移到60 cm，Zn遷移到45 cm，對淺層地下水的污染風險并不像人們想象的那么嚴重。楊軍等（2006）利用高濃度重金屬污水淋溶土壤，預測污水灌溉農田對地下水的污染風險表明，在高濃度重金屬污水淋溶80 cm深的土柱土壤條件下，重金屬主要在土壤表層0～10 cm累積，向下層土壤遷移的量很小，淋濾液中重金屬濃度未見顯著升高，短期內不會導致地下水重金屬污染。Brar等（2000）研究皮革廠混合污水灌溉也發現，Cu和Cr在表層30 cm發生累積作用，污水灌溉的0～60 cm土壤中的Fe、Al、Zn、Mn、Ni的濃度明顯高于地下水灌溉的土壤，所有元素中只有砷在土壤中濃度沒有明顯升高。張彥等（2006）研究了沈陽張士灌區經過30年工業廢水污灌，10多年的停灌和灌區改造等措施后農田土壤仍存在Cd、Zn、Cu等多種重金屬污染。土壤 Cd污染最嚴重，含量達1.75～3.89 mg·kg-1。土壤耕作層（0～30 cm）Zn、Cu、Pb總含量隨土層深度增加逐漸減少，而Cd元素的垂直分布呈向下遷移的趨勢。

不同來源和不同水質的污染水中重金屬含量和種類都會有明顯的差異，將對土壤重金屬的累積產生不同的影響。不同土壤類型土壤的礦物組成、水熱條件、膠體表面類型等有顯著差異，這些因素也會影響重金屬在土壤中的累積。不同作物類型由于其自身的遺傳發育特性不同，導致其對重金屬的吸收累積能力存在差異；在進入土壤中的外來污染源重金屬含量相同的條件下，作物吸收能力越強則土壤中重金屬的累積量就越少（劉紅恩等，2012）。

1.3 土壤有機物、氮、磷等

污染水中含有大量的有機物、氮、磷等物質，用來灌溉，無疑會增加土壤中有機物和氮磷的含量。長期采用有機污染水灌溉，土壤有機碳主要在耕層（0～20 cm）極顯著地增加，且增加部分主要是活性有機碳組分，其累積速率是對照灌區的近 3倍，非活性有機碳處于相對平衡狀態（李霄云等，2012）。二級處理污水灌溉，土壤有機質有增加的趨勢（張洪生等，2006）。

胡慧蓉等（2012）采用城市生活污水噴灌森林，發現土壤全磷在所有灌溉區的表層土壤（0～10 cm）均有顯著增加，隨灌溉進入土壤的磷大多被保存在上層土壤（0～40 cm）中。用城市污水再生水灌溉種植了黑麥草的土壤，除了自身所帶磷能顯著增加土壤供磷能力外，還能顯著提高土壤速效磷含量（李中陽等，2012）。養殖場污水灌溉條件下土壤滲出液，主要以有機磷的單酯和二酯形式存在（何連生等，2005）。用小區再生水系統生產的再生水灌溉草坪，6年以后，對地下6 m淺井水質影響明顯，對20 m深井水質影響不明顯，主要變化表現在硝態氮濃度值升高（王巧環等，2012）。采用污染嚴重的奎河水灌溉，污灌初期，土壤中積存的NO2-、NO3-易隨水的淋溶作用向下遷移，引起淺層地下水污染，污灌對下層土壤及地下水中NH4+濃度影響較小，但對NO3-濃度影響較大，尤其是長期進行污灌的土壤，易造成地下水中NO3-污染（劉凌和陸桂華，2002）。采用再生水灌溉，土壤中 NO3-的含量比清水灌溉增加明顯（趙慶良等，2007；唐立軍等，2008）。在污水灌溉的歷史 20～40年不等的石家莊市污灌區，在污水灌溉區的地下水的硝態氮濃度很高，分布在35～130 mg·L-1范圍內，井深小于40 m的井水的硝酸根離子濃度超標率為 100%（唐常源等，2006）。采用牛奶場廢水灌溉冬小麥，在小麥生育期內 1 m土壤剖面上含硝態氮量整體呈啞鈴形，含銨態氮量隨土壤深度增加逐漸降低（郭海剛等，2012）。謝迎新等（2008）在太湖地區采用富營養化河水灌溉稻田，帶入當季稻田的氮量達到每公頃56.3 kg，其中有55.8 kg氮可被土壤吸持和作物吸收，利用當地富營養化河水進行稻田土壤灌溉時可適量減少肥料施用量、優化氮磷肥料管理。

污水灌溉除了增加土壤表層氮濃度以外，對土壤全鹽量的影響總體呈增加的趨勢（鄭偉等，2009；戴婷和章明奎，2010；武立葉等，2014），其中土壤中速效鉀含量的增加較為明顯。胡海燕等（2010）研究也發現，長期用污染渭河水灌溉的農田土壤有機質、堿解氮、速效磷和速效鉀等含量均有極為顯著的增加，0～20 cm土層為養分富集區域。采用微咸水灌溉的土壤剖面鹽分比淡水灌溉總體普遍增加，但沒有超過棉花的耐鹽閾值（焦艷平等，2012）。

長期的污染水灌溉，引起土壤里的速效養分的含量的增加，尤其是在土壤表層。而在表層土壤之下，速效養分也有累積，只是趨勢比較平緩。由此可見，對于污染水澆灌的農田或土壤，部分達到了增加養分與土壤肥力的目的，可以根據實際情況，相應的減少肥料的使用。

1.4 土壤微生物和酶活性

污染水灌溉也會引起土壤微生物數量和活性的變化。污水灌溉對土壤肥力及酶活性的影響存在明顯的層位效應，其影響的主要層位發生在表層，而對深層（下層和底層）的影響相對較小（郭曉明等，2012），土壤微生物體內的生物量碳和生物量氮隨著污灌有機物污染程度的增加而增加（張晶等，2008）。污染的奎河水灌溉減少了農田土壤放線菌、真菌、亞硝化細菌、硝化細菌和反硝化細菌數量，增加了細菌、氨氧化細菌和好氣性纖維素分解菌的數量（張翠英等，2014）。用造紙廢水、垃圾滲濾液及含油污水灌溉，增加了細菌、放線菌、真菌的數量，增強了土壤脫氫酶、過氧化氫酶、多酚氧化酶的活性（姜必亮等，2001；丁成，2003；白保勛，2013），這主要是由于污水中含有豐富的有機質和營養物質以及潮濕的環境（Friedel等，2000）。再生水灌溉下公園綠地土壤微生物量碳和酶活性均高于其自來水對照灌區，農田上升不明顯，與對照相比，公園綠地與農田再生水灌區0～20 cm土層土壤微生物量碳平均含量分別上升了60.1%和14.2%（潘能等，2012）。微咸地下水灌溉導致纖維素酶、脲酶、轉化酶及過氧化氫酶等4種酶活性分別降低了21.3%、50.9%、50.0%和10.5%，但在微咸地下水灌溉條件下多酚氧化酶和堿性磷酸酶的活性顯著升高（王國棟等，2009）。

2 問題分析

2.1 污染水灌溉缺乏整體監管與監測體系

中國污灌區缺乏污水灌溉技術標準與污水灌溉環境監測評價指標體系，基本上處于無人管理狀態。為了充分利用污水資源，應大力推行污水灌溉預處理技術。對于原生污水或只經過一級處理污水，推行一些簡便易行、經濟可行的污水預處理技術，如氧化塘或氧化溝處理法、污水土地處理技術、污水生態處理系統等，其推廣應用可有效地減輕對作物的危害（Qadir等，2010）。對于二級處理的污水，可以與清水混合后進行灌溉（1∶1～2∶1），三級處理的污水，可以直接用于灌溉。應建立和完善污水灌溉利用和污水土地處理的的標準監管體系，加強水質監測系統，制定全面的污水灌溉規劃，為污水灌溉的應用提供必要的技術支持。

作物對污水中的有毒有害成分，尤其是重金屬的吸收、遷移、富集規律認識不夠深入，有待進一步研究。對于工業廢水和礦區廢水等，應盡量避免用于農業灌溉。對于污染的地表水，應加強監測力度，分析污染源，在確保重金屬含量低于《農田灌溉水質標準（GB5084─2005）》的前提下，可以用于灌溉。

2.2 污染水灌溉對環境和人類健康的不利影響沒有引起足夠的重視

污水灌溉使污染物在作物體內累積，對環境產生不利影響，最終都對人類健康產生危害。對于污灌區的土壤和地下水，應該定期監測，尤其是表層土壤（0～60 cm），發現土壤理化性質發生明顯改變，或者土壤重金屬含量超標，應立即停止污水灌溉，改用清水灌溉。污水灌溉對人們身體健康的影響主要通過3條途徑：一是污水灌溉導致地下水受到污染，通過生活飲用水而使人體產生急性和慢性中毒反應；二是污水灌溉造成土壤和作物污染，使得污染物在農產品中積累，通過食物鏈進入人體內積累，從而導致多種慢性疾病；三是污水量過大，會進一步反應，會釋放出H2S等有害氣體，對人體健康產生危害（劉小楠等，2009）。另外，由于污染水體中含有大量致病菌、病原體等，農民在灌溉時可能引起細菌和病毒感染。加強對農民的宣傳，告訴農民灌溉時注意防護措施，并且通過一些場地管理措施如設置緩沖區(遠離水井、公共可接觸區)、徑流控制管理及作物收獲管理等，有效避免病原菌傳播風險（陳衛平等，2014）。

2.3 污染水灌溉缺乏嚴格的環境影響評價體系

用污染水體進行灌溉，無疑會對環境和人體健康造成不利影響，但是目前這些負面影響，缺乏有效的統計數據。污染水體中的重金屬、有機物等污染物的含量，可以通過化學方法用儀器進行測量，但一般很少測定污水中病原菌的數量（Qadir等，2010）。污染水體中主要的病原菌可以分為3大類，即細菌、寄生蟲（原生動物和蠕蟲）和病毒。目前基于糞大腸菌和總大腸菌的健康風險評價指標尚有一定局限性，該指標對細菌性病原體的指示性很好，但在對于指示腸道原生動物和病毒方面較差，而后者的健康風險更大，污灌導致疾病傳播的風險始終存在（陳衛平等，2012）。對于人體在污灌環境中，接觸污染的水體、土壤、大氣，沒有明確的方法評估暴露風險。對于污灌引起的各類問題的修復與治理也屬于起步階段，急需加強。在用污染水體進行灌溉之前，應該進行環境影響評價，明確灌溉前、灌溉中和灌溉后對環境和人體的影響，明確污灌價值究竟是利大于弊還是弊大于利，對于環境影響評價不通過的地區，不能用污水進行灌溉，要充分考慮其它的開源節流的方法。

3 總結

本文主要回顧了污染水體灌溉土壤的污染作用，分析了污染水灌溉存在的主要問題，主要得出以下結論：

（1）污染水灌溉對環境的污染，主要表現在土壤表層，對地下水的影響短期內不明顯。污染水灌溉改變了土壤的pH值，使重金屬在土壤表層富集，增加了土壤中機物、氮、磷等的含量，引起土壤微生物數量和活性的變化。

（2）采取積極有效的對策和科學的態度，加強污水灌溉相關理論和技術的研究，加強監管力度，進行環境影響評價，對合理地進行農田污水灌溉、緩解中國日益加劇的水資源供需矛盾，保護生態環境，實現可持續發展具有重要的意義。

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Study Progress on Effect of Polluted Water Irrigation on Soil and Problem Analysis

WAN Lei1,2*, ZHANG Manyu1,2, LU Sheng1,2, HU Kai2
1. Jiangsu Key Laboratory of Food Resource Development and Quality Safety, Xuzhou Institute of Technology, Xuzhou 221111, China; 2. College of environmental engineering Xuzhou Institute of Technology, Xuzhou 221111, China

Irrigation with polluted water is one of important ways to alleviate water source shortage in China. Besides municipal wastewater, polluted water includes polluted surface water, industry wastewater, aquaculture wastewater, mining wastewater and garbage leachate and so on. This paper reviewed the effects of irrigation by polluted water on soils and analyzed the main problems it caused. Pollution by irrigation with polluted water was mainly concentrated on surface soil. (1) Soil pH change depended on different regions and different types of polluted water. (2) The heavy metals enriched in the soil surface layer and moved slowly into the deep soil. Different kinds of heavy metal behaved with different accumulation rules and migration patterns. Heavy metal enrichment degree was closely related with irrigation time. Higher activity of Cd and Pb with the biggest ecological pollution risk should be paid enough attention. (3) Long-term irrigation with polluted water increased soil nitrogen, phosphorus and organic matters content and increased leaching of NO3--N into the groundwater and soil salt content. (4) The number and activity of soil microorganisms were changed. Some existing problems in irrigation with polluted water in China: (1) There is not an overall supervision and monitoring system; (2) The adverse impacts on the environment and human health were not paid enough attention; (3) There is not a strictly environmental impact assessment system, etc. In order to use polluted water efficiently and avoid the pathogen spread risk, we must improve research of polluted water irrigation theory and technology, develop a comprehensive polluted water irrigation strategy and provide necessary technical supports through setting the buffer, propaganda, supervision,, environmental impact assessment and other measures etc.

polluted water; irrigation; soil; problem analysis

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.05.028

X53

A

1674-5906（2015）05-0906-05

萬蕾，張曼玉，陸晟，胡凱. 污染水灌溉對土壤影響的研究進展及問題分析[J]. 生態環境學報, 2015, 24(5): 906-910.

WAN Lei, ZHANG Manyu, LU Sheng, HU Kai. Study Progress on Effect of Polluted Water Irrigation on Soil and Problem Analysis [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(5): 906-910.

江蘇省食品資源開發與質量安全重點建設實驗室資助項目（SPKF201319）；徐州市社會發展項目（XM12B086）；江蘇省大學生創新實踐項目（xcx2014058）

萬蕾（1981年生），女，副教授，博士，主要從事水環境污染防治與生態修復方面的研究。E-mail：hjwanl@163.com *通訊作者。

2015-01-05