再生水灌溉對土壤鹽漬化與重金屬累積影響研究

張鐵軍，宋矗森，陳莉榮，李衛(wèi)平

(內(nèi)蒙古科技大學能源與環(huán)境學院，內(nèi)蒙古 包頭 014000)

我國水資源嚴重短缺，人均占有量約為2 300 m3，僅占世界人均1/4左右[1-4]。同時，我國也是全世界范圍內(nèi)人均水資源最為匱乏的國家。隨著經(jīng)濟與建設的持續(xù)性發(fā)展，淡水使用量也在日益上升，使得緊缺的水資源更加缺乏，利用再生水替代淡水灌溉已經(jīng)成為新的發(fā)展方向[5]。再生水是指經(jīng)適當工藝處理達到某種要求從而可進行有益使用的水[6]。利用再生水的優(yōu)勢如下[7-8]：水源充足，有效的避免了農(nóng)灌的大量用水與其他用水項目爭水，水中富含大量養(yǎng)分，可長期提供營養(yǎng)元素，促進農(nóng)作物生長，同時也減少了化肥用量，在改善土壤肥力的情況下，也達到成本節(jié)約的目的。

再生水雖通過了一系列處理，但相對于清水仍富含較高的鹽分，并且再生水灌溉也有可能使重金屬累積在土壤中從而通過農(nóng)作物吸收后給人體造成不可逆的傷害[9]。為此，選取包頭市南郊污水處理廠二級出水作為水源，通過對再生水、不同比例再生水與自來水灌溉進行對照，研究再生水灌溉對土壤中全鹽量以及重金屬累積的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗方法

采用土柱模擬試驗，土柱為有機玻璃制成，高1 m，內(nèi)徑10 cm，土柱總裝填高度為60 cm，距離土柱底部15、30、45與60 cm各打一直徑為2 cm小孔，方便試驗過程取土。灌溉水量參照國家農(nóng)田灌溉標準(GB5084-92)，按此標準算得土柱灌溉水量為3 530 mL/a，分5次灌溉，灌溉周期大約30 d。水量土柱模型見圖1。

圖1 土柱模型示意圖

1.2 土壤采集

土壤采集自內(nèi)蒙古科技大學校園內(nèi)草坪潔凈土壤(表層30 cm以下)。對采集土壤去雜質(zhì)、石子與植物殘枝等，過2 mm篩，進行土柱填充。采集土壤全鹽量與重金屬含量見表1。

表1 土壤全鹽量與重金屬本底值

1.3 監(jiān)測方法

土壤全鹽含量采用重量法測量；土壤中重金屬采用電熱板消解-火焰原子吸收光譜法進行測量。

1.4 試驗儀器

可調(diào)式電熱板，ML-3-4；電子天平，F(xiàn)A1004N；蠕動泵，BT101L；水浴恒溫振蕩器，SHA-B；原子吸收分光光度計，TAS-990；超純水器，GWA-UN1-20；便攜式多參數(shù)水質(zhì)分析儀，Multy8340。

2 結(jié)果與討論

2.1 再生水灌溉對土壤全鹽量的影響

使用再生水灌溉不同次數(shù)后，各層土壤全鹽量見表2。由試驗結(jié)果可以看出，第一次灌溉后，不同水質(zhì)灌溉下土壤表層全鹽量均有所降低，這是因為灌水稀釋了土壤表層鹽分，但隨著灌溉次數(shù)增加，二級出水、1/2二級出水在0～15 cm土層的全鹽量有所增加，這是由于再生水灌溉時帶入土壤里的鹽分含量超出了被淋洗出的鹽分含量，由于土壤中的膠體吸附、代換、絡合和鰲合作用及生物作用等影響，進入土壤中的鹽分遷移能力較差。因此，在0～15 cm深度的土層出現(xiàn)鹽分累積現(xiàn)象。加之本試驗為模擬試驗，沒有種植相應作物，且不受地下水的影響，故表層土壤蒸騰能力最強，“氣散鹽存”情況的發(fā)生使得出現(xiàn)鹽分表聚現(xiàn)象[10]。

表2 不同比例再生水灌溉對土壤全鹽量影響 g/kg

2.2 再生水灌溉對土壤陽離子化學組成的影響

模擬試驗表明,在灌溉過程中，Na+、Mg2+、Ca2+、K+4種離子發(fā)生離子交換。再生水相對于清水含有較高的Na+、K+離子，隨著灌溉的持續(xù)與水量的增加，土壤對不同離子產(chǎn)生不同的交換與吸附作用，Na+、K+離子含量在土壤表層(0～15 cm)有所累積，累積量在合理范圍內(nèi)。從實際灌溉后分析結(jié)果來看，使用再生水灌溉后深層土壤陽離子無顯著變化，僅在表層有所累積，這也與試驗為種植作物有關(guān)。但實際應用到農(nóng)灌時還需長期定位監(jiān)測。

2.3 再生水灌溉對土壤重金屬的影響

表3至表7為自來水、再生水與1/2再生水灌溉后，五種重金屬離子各層含量變化表。可見，不同處理再生水灌溉與自來水灌溉處理相比較，各層土壤大多數(shù)重金屬含量變化不明顯，部分采樣點由于灌溉時的淋洗作用，表層重金屬含量有所降低。由表可見，隨著灌溉的持續(xù)，部分重金屬離子在15～30 cm處會出現(xiàn)累積情況，但總體來看再生水灌溉后土壤中各層重金屬含量依舊遠遠低于國家二級標準。就重金屬環(huán)境而言，可采用再生水代替自來水進行灌溉。這與李中陽[11]等人研究結(jié)論相一致。

表3 再生水灌溉對Cu的影響 mg/kg

表4 再生水灌溉對Zn的影響 mg/kg

表5 再生水灌溉對Pb的影響 mg/kg

表6 再生水灌溉對Ni的影響 mg/kg

表7 再生水灌溉對Cr的影響 mg/kg

2.4 再生水灌溉后土壤重金屬元素潛在生態(tài)風險

采用Hakanson[12]潛在生態(tài)危害指數(shù)法確定灌區(qū)內(nèi)土壤重金屬可能存在的生態(tài)危害效應和反映特定區(qū)域的特殊性。

單種重金屬的潛在生態(tài)危害系數(shù)(Ei)為：

Ei=Tri×(Ci÷C0i)

(1)

式中：Ci，C0i，Tri分別為第i種重金屬的實測含量(mg/kg)，參比值(mg/kg)和毒性系數(shù)。

毒性系數(shù)根據(jù)陳靜生[13]計算的重金屬毒性系數(shù)(Tri)：Zn=1，Pb=Ni=Cu=5,Cd=30，Hg=40，As=10，Cr=2。

區(qū)域多種重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)RI=∑Ei，評價標準見表8。

表8 Hakanson潛在生態(tài)危害評價指標

根據(jù)灌溉后5種重金屬離子的含量計算，參比值為土壤灌溉之前重金屬含量的本底值。5種重金屬離子生態(tài)危害指數(shù)見表9。

表9 重金屬離子生態(tài)危害指數(shù)

由表9可見，5種重金屬離子生態(tài)指數(shù)都遠遠低于表5中各離子生態(tài)危害指數(shù)，并且區(qū)域生態(tài)污染指數(shù)也遠低于90。說明在本次實驗條件下，使用再生水灌溉不會因一種或多種重金屬對生態(tài)環(huán)境造成污染與破壞。但由于重金屬，特別是毒害作用強的重金屬如Cr、Pb等在土壤中可通過植物作物的吸收，從而被人體吸收造成不可挽回的結(jié)果。因此，長期使用再生水灌溉仍需長期定位監(jiān)測，以保證再生水農(nóng)用的安全性。

3 結(jié) 論

(1)首次使用再生水灌溉時，由于稀釋作用，土壤表層全鹽量與Na+、K+離子等均有所減少，隨著灌溉的持續(xù)，二級出水，1/2二級出水與自來水灌溉相比0～15 cm土壤有一定鹽分累積現(xiàn)象，Na+離子有所增加，深層土壤與自來水灌溉相比無明顯差異。

(2)二級出水灌溉、1/2二級出水灌溉與自來水灌溉相比，灌溉后土壤中重金屬含量與本底值沒有明顯變化，表層土壤出現(xiàn)輕微累積現(xiàn)象，但總體來看土壤中重金屬Cu、Zn、Cr、Pb、Ni含量遠低于國家標準，不同處理二級出水灌溉之間各種重金屬離子含量也無明顯差異，說明使用再生水農(nóng)灌短期內(nèi)不會造成土壤重金屬累積。

(3)利用Hakanson潛在生態(tài)危害評價法對不同灌溉水質(zhì)灌溉后土壤重金屬離子進行評價，5種重金屬離子均遠低于評價線最高標準，并且區(qū)域生態(tài)污染指數(shù)也遠低于標準。

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