再生水滴灌土壤和植物中重金屬積累分布研究

裴　亮，廖曉勇，孫莉英

(1. 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，陸地水循環(huán)及地表過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101；2. 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，環(huán)境損害與污染修復(fù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101；3. 中國(guó)科學(xué)院陸地表層格局與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101)

近些年，由于水資源短缺，再生水成為有效補(bǔ)給水源之一，把污水進(jìn)行一定處理后的再生水用于灌溉是一種重要節(jié)水方式[1,2]。滴灌技術(shù)節(jié)水節(jié)肥效果突出，將滴灌和再生水灌溉結(jié)合的再生水滴灌是當(dāng)前研究熱點(diǎn)之一，國(guó)外的Oron G[3]和國(guó)內(nèi)的齊學(xué)斌[4,5]和裴亮[6,7]等人的研究非常多。對(duì)再生水灌溉條件下，土壤植物系統(tǒng)中重金屬的遷移轉(zhuǎn)化及作用的研究有很多[4,5,8]。再生水滴灌由于水分使用情況及運(yùn)移特征與普通灌溉方式大為不同，因此水及水中物質(zhì)在土壤植物系統(tǒng)的分布轉(zhuǎn)化也不同。本研究就是在本課題組前期再生水滴灌方面研究[9-13]基礎(chǔ)上，以幾種蔬菜為研究對(duì)象，和地下水滴灌對(duì)比，進(jìn)行重金屬在土壤植物系統(tǒng)中分布特征的研究，從而初步分析其安全性。

1　材料與方法

1.1　試驗(yàn)地概況

研究區(qū)地處湖北十堰山區(qū)，該區(qū)域的地理及自然情況見參考文獻(xiàn)[9-13]，本研究在該區(qū)域大棚中進(jìn)行，采用自然溫度，極端溫度-13.2 ℃，最高溫度41 ℃，常年平均溫度15.3 ℃，試驗(yàn)地土壤主體為沙壤土，1.52～1.73 g/cm3的容重。

1.2　試驗(yàn)布置

試驗(yàn)布置具體參考本課題組的文獻(xiàn)[9-13]，試驗(yàn)在2014-2015年白菜和蘿卜的生長(zhǎng)季內(nèi)進(jìn)行。壟作方式，壟肩寬80 cm，兩壟中心間距180 cm，壟高15 cm，壟上2行植物中間設(shè)一條間距20 cm、滴頭流量2.7 L/h的滴灌帶，在植物種植前，每公頃施復(fù)合肥150 kg。再生水水質(zhì)為當(dāng)?shù)厣钗鬯疂舛鹊?0%，每種蔬菜的試驗(yàn)采用5個(gè)處理，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)為3.5 m×3.5 m，灌水中適當(dāng)根據(jù)GB5084-2005灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[14]中重金屬限值設(shè)定Pb2+、Cu2+、Cd2+的濃度。5個(gè)處理分別為Z1(全部再生水滴灌)、Z2(地下水與再生水按照1∶1混合滴灌)、Z3(地下水與再生水按照1∶1混合+0.07 mg/L的Pb2+、Cu2+、Cd2+)、Z4(地下水與再生水按照1∶1混合+0.14 mg/L的Pb2+、Cu2+、Cd2+)和地下水滴灌對(duì)照D。灌溉采用1.2 m高處的蓄水桶滴灌，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)放置一個(gè)容積240 L的水桶，灌水前需將地下水和再生水按照處理中要求的比例加入水桶。每個(gè)處理中的某個(gè)重復(fù)小區(qū)的土壤下方20 cm處裝備1個(gè)水勢(shì)負(fù)壓計(jì)，根據(jù)一些蔬菜的灌溉經(jīng)驗(yàn)[10,11]，確定灌水方案，當(dāng)水勢(shì)負(fù)壓計(jì)顯示土壤水勢(shì)低于-25 kPa時(shí)開始灌水，每次灌水量為5 mm。白菜生育期內(nèi)共10次灌水，共50 mm；蘿卜生育期內(nèi)共8次灌水，共40 mm。

1.3　采樣及測(cè)定項(xiàng)目及方法

每次灌水后第3天，取土樣進(jìn)行重金屬測(cè)定，取樣深度為0～20、20～40、40～60、60～80、80～100、100～120、120～140、140～160、160～180、180～200、200～220 cm。植物收獲后第2天對(duì)根、莖、葉進(jìn)行采樣測(cè)定重金屬含量。

各類水質(zhì)情況及標(biāo)準(zhǔn)見表1，具體用每個(gè)再生水滴灌小區(qū)處理情況見表2。

1.4　樣品配置及處理方法

灌溉水中Pb2+、Cu2+、Cd2+用金屬離子對(duì)應(yīng)的硝酸鹽和地下水混合進(jìn)行配置。取樣后的土壤先放置風(fēng)干后置于烘箱中烘至110 ℃干燥為止，隨后磨碎，通過(guò)前處理(消解等過(guò)程)后開始化學(xué)分析測(cè)試。采用原子吸收風(fēng)光光度法檢測(cè)銅、鋅、鉻、鎘、鉛、鎳[16]，采用原子熒光分光光度法檢測(cè)砷、汞[16]，見表3。

表1　水質(zhì)情況及和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)之間的比較[13,14]

表2　再生水滴灌試驗(yàn)5個(gè)處理

表3　試驗(yàn)土壤重金屬含量與國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的比較[15]

2　結(jié)果分析

2.1　再生水首次滴灌后土壤剖面重金屬分布情況

首次灌水后第3天，對(duì)白菜和蘿卜土壤剖面采樣進(jìn)行重金屬含量測(cè)定，發(fā)現(xiàn)重金屬主要在土壤表層(0～40 cm深度處)積累，濃度隨深度降低，40～80 cm深度處無(wú)明顯差異，80～100 cm深度處重金屬含量突增，濃度最高，100～180 cm深度處重金屬含量急劇降低，180～220 cm深度處重金屬濃度無(wú)差異。這是因?yàn)樵偕喂喙嗨枯^小、流速較小、時(shí)間較短，重金屬很少被淋洗到深層，且有一部分重金屬在滲水后期，隨毛管上升到一定位置，最終大部分維持在100～180 cm處，具體趨勢(shì)如圖1所示。

圖1　再生水首次滴灌后土壤剖面重金屬分布情況

2.2　作物收獲后土壤剖面重金屬分布情況

作物收獲后再次進(jìn)行土壤重金屬含量測(cè)定，發(fā)現(xiàn)此時(shí)兩種蔬菜地重金屬含量都比剛灌水時(shí)略減少10%左右。白菜地重金屬含量減少較多，大約在15%左右。也許是因?yàn)榘撞耸侨~菜類，耗水量大灌溉次數(shù)多，蘿卜根莖類，需水少灌溉次數(shù)少，白菜地淋洗掉的重金屬多一些，也有可能因?yàn)榘撞宋罩亟饘倭慷嘁恍?。后面將進(jìn)行作物地上與地下部分重金屬的測(cè)定來(lái)確定這一點(diǎn)。具體數(shù)據(jù)見圖2和圖3。

圖2　蘿卜收獲后土壤剖面重金屬分布情況

圖3　白菜收獲后土壤剖面重金屬分布情況

2.3　重金屬在作物中富集情況

從表4可以看出，和地下水灌溉條件比，再生水灌溉時(shí)兩種作物地上和地下部分重金屬含量都會(huì)高一些，說(shuō)明作物會(huì)吸收一部分重金屬。白菜對(duì)Pb和Cu吸收較明顯，對(duì)地上和地下部分對(duì)Cd的吸收中Z3和Z4處理的重金屬含量差異都不明顯。蘿卜地下部分對(duì)Pb和Cu吸收較明顯，Cd的吸收較少，且?guī)讉€(gè)處理差異不明顯。兩種作物地上和地下部分Z3和Z4處理都出現(xiàn)差異不明顯情況，可能是因?yàn)樽魑飳?duì)于土壤及灌水中的重金屬的吸收速度無(wú)法消化多余的重金屬，作物生育期內(nèi)重金屬吸收已飽和，如繼續(xù)加大灌溉水中重金屬含量，也許會(huì)增加作物中重金屬含量，但大棚試驗(yàn)中不宜設(shè)置更高濃度的再生水，否則會(huì)使土壤和地下水受到污染?？傮w看來(lái)，白菜和蘿卜各部分對(duì)重金屬吸收較明顯。

雖然試驗(yàn)證明了含重金屬的再生水滴灌條件下，作物會(huì)吸收重金屬，作物中重金屬含量會(huì)高于地下水灌溉，但含量卻均沒超過(guò)國(guó)家食品中污染物限量(GB2762-2005)[17]和農(nóng)作物重金屬污染評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(GB2762-2010)[18]的標(biāo)準(zhǔn)。因此再生水滴灌造成土壤和植物污染的概率很小，但還需進(jìn)行長(zhǎng)期研究。

表4　蔬菜地上部分與地下部分中重金屬含量　mg/kg

3　結(jié)　語(yǔ)

本研究對(duì)白菜和蘿卜進(jìn)行再生水滴灌大棚試驗(yàn)，與地下水滴灌為對(duì)照，分析得出了再生水滴灌后土壤和植物地下及地上部分中重金屬積累分布情況。重金屬主要在土壤表層(0～40 cm深度處)積累，濃度隨深度降低，40～80 cm深度處無(wú)明顯差異，80～100 cm深度處重金屬含量突增，濃度最高，100～180 cm深度處重金屬含量急劇降低，180～220 cm深度處重金屬濃度無(wú)差異，且低于土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB15618-1995)[15]限值，且優(yōu)于蔬菜種植的土壤標(biāo)準(zhǔn)要求。對(duì)植物地下及地上部分進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)再生水滴灌下，白菜和蘿卜地上部和根系中Pb2+、Cu2+、Cd2+的含量顯著增加。但含量均未超過(guò)國(guó)家食品中污染物限量(GB2762-2005)[17]和農(nóng)作物重金屬污染評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(GB2762-2010)[18]的標(biāo)準(zhǔn)。因此再生水滴灌造成土壤和植物污染的可能性極小。

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