石津灌區賈辛莊段不同農田灌溉水水質對土壤的影響分析

董宇虹

（1衡水學院生命科學系 河北 衡水 053000）

1 緒論

1.1 石津灌區農田灌溉現狀。隨著社會的發展，衡水地區的水資源短缺問題已經非常嚴重，嚴重制約著國民經濟的發展。衡水地區國民經濟重要來源之一就是農業，約有85%的水是被農業生產活動所消耗的。衡水地區年平均降雨量為522.5 mm，降雨量稀少，農民常年采用地下水或上游辛集排來的污水作為灌溉水的主要來源。衡水地區一度成為全國最大地下漏斗區之一。2014年初，衡水市在 《河北省地下水超采綜合治理試點方案(2014年度)》中成為國家地下水超采綜合治理試點城市[1]，通過“節、引、蓄、調、管”綜合治理實現地下水位的回升。南水北調工程是緩解我國北方水資源嚴重短缺局面的重大戰略性工程[2]。南水北調工程的供水，可以直接減少地下水的過量開采，有效緩解衡水地區水資源供需矛盾[3]。南水北調供水經黃壁莊水庫，流經石津灌渠，為石津灌區內農田灌溉提供地上水源，同時封閉灌區內井口，大大緩解了地下水超采的壓力。

1.2 研究目的和意義。采用地上水作為灌溉水源，配合相應的節水措施，能夠很好的達到節水灌溉的效果。但是由于地上水的運行與維護成本較高，導致灌溉費用比原來直接用井水灌溉的費用高。當地農民對地下水位下降的嚴重程度認識不夠，并結合自己的成本利益核算，仍有部分農民采用上游小渠流來的污水進行灌溉。小渠上游污水來源主要為辛集皮革企業產出的廢水，其廢水中含有大量的重金屬。楊朝暉[4]的研究發現，30年的污水灌溉后土壤受到了一定鉛污染，土壤中鉛含量略高于清灌區?？梢酝茰y，灌溉水與灌溉土壤之間可能存在一定的相關性。本研究進一步探究渠水與污水同灌溉土壤之間的相關關系。

2 研究區域概況與研究方法

2.1 研究地區概況。石津灌區位于河北省中南部，水源工程為建于滹沱河中下游的崗南、黃壁莊2座聯合運行的大型水庫，為典型水庫灌區，骨干工程控制土地面積4 144 km2，耕地面積29萬hm2，受益范圍包括石家莊、邢臺、衡水3個地級市的14個縣、114個鄉鎮、968個村，涉及灌溉面積16.3萬hm2。灌區的水源來自黃壁莊水庫和崗南水庫。灌區農作物主要有小麥、棉花和玉米等，其春灌時間為每年的3～5月。本次研究范圍選取石津灌區賈辛莊段范圍，采樣時間為2018年3月14日。

2.2 采樣點布設。以石津灌區下的賈辛莊分干渠為研究區域。具體采樣點的布設見圖1和表1。

圖1 石津灌區賈辛莊段灌溉水及灌溉土壤布點圖

表1 采樣點布設表

2.3 樣品采集

2.3.1 土壤樣品的采集。在渠水灌溉以及污水灌溉的土壤中隨機采集農田土壤樣本，按照圖1石津灌區賈辛莊段灌溉水及灌溉土壤布點圖進行采樣。1 m2范圍內5～20 cm深處梅花5點采樣法等量采樣，四分法縮分至1 kg，經過風干、剔除雜物、恒重、粉碎、過100目尼龍篩備用，即為待測土樣。

2.3.2 灌溉水樣品采集。在采集水樣前，事先準備好用于采集水樣的取樣瓶，因為待測元素為水中的重金屬，所以不宜采用玻璃瓶，防止其吸附金屬離子，故采用聚乙烯塑料瓶進行取樣。先用水樣洗滌塑料瓶2～3次，在渠邊向渠中心采集，污水的渠道要涉水采樣，每個采樣點取樣3次。

表2 灌溉水質量評價標準限值(mg/L)

表3 灌溉土壤質量評價標準限值(mg/kg)

2.4 重金屬污染評價及環境質量評價。采用單因子指數法和內梅羅綜合污染指數法對灌溉水、土壤樣品中重金屬的污染狀況進行評價，灌溉水評價標準選用農田灌溉水質標準(GB5084-2005)，該標準見表2；灌溉土壤評價標準選用土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準(GB15618-2018)，具體標準見表3，并利用SPSS軟件進行相關性分析。

2.4.1 單因子指數法。單因子污染指數計算公式：Pi=Ci/Si。其中，i為重金屬的種類序號；Ci為污染物實測值(mg/kg)；Si為污染物評價標準(mg/kg)；Pi為單項污染指數。其等級劃分標準見表4。

表4 單因子污染指數等級劃分

2.4.2 內梅羅綜合指數法。內梅羅綜合污染指數計算公式：Pn=(Pmax2+Pave2)1/2，其中，Pn為綜合污染指數；Pmax為各單因子環境質量指數中最大者；Pave為各單因子環境質量指數的平均值，其等級劃分標準見表5。

表5 內梅羅綜合污染指數等級劃分

3 結果與分析

3.1 重金屬含量分析比較

3.1.1 不同農田灌溉水中重金屬含量分析比較。分別測定渠水和污水中的6種重金屬含量。將所測值的平均值與其標準值的比值進行對比，可以發現污水中的重金屬元素含量普遍比渠水中的高，這6種重金屬含量總體反映了污水與渠水之間的差別，如圖2。

3.1.2 不同農田灌溉土壤中重金屬含量分析。分別測定渠水灌溉和污水灌溉下農田土壤中的6種重金屬含量，將所測值的平均值與其標準值的比值進行比較，發現污水灌溉的土壤中的重金屬元素含量普遍比渠水灌溉的土壤中的重金屬高，這6種重金屬含量總體反映了用污水和渠水灌溉的土壤之間的差別，結果見圖3。

圖2 渠水與工業廢水中重金屬含量的平均值/標準值對比圖

圖3 渠水與工業廢水灌溉土壤中重金屬含量的平均值/標準值對比圖

3.2 灌溉水與灌溉土壤相關性分析。將測得、計算后的灌溉水、灌溉土壤中的6種重金屬數據導入到SPSS軟件中，設置相應參數后做相關分析。在做相關分析前需要對灌溉水以及灌溉土壤之間的重金屬進行一個簡單的判斷，即繪制散點圖。發現散點分布有線性趨勢，說明可以對灌溉水與其土壤間關系進行相關分析。使用雙變量相關分析法對上述數據進行分析，渠水與其灌溉的土壤分析結果見表6，污水與其灌溉的土壤分析結果見表7。

3.2.1 渠水與其灌溉的土壤間相關性分析。表6可以看出，渠水與渠水灌溉的土壤在銅、鎘、鉛、鋅、鎳、鉻這6個重金屬元素上都有著一定的相關性。二者在銅、鉛、鋅、鎳、鉻這5個元素上的相關系數均大于0.8，認為渠水與土壤中的銅、鎘、鉛、鋅、鎳元素間高度相關。而渠水與渠水灌溉的土壤在鎘元素上的相關系數為0.604，可以認為渠水與渠水灌溉的土壤間鎘元素中等強度相關。就銅、鉛、鋅、鎳、鉻這5種重金屬而言，渠水與渠水灌溉的土壤呈極顯著正相關關系(p＜0.01)，相關系數分別為 0.977、0.969、0.973、0.951、0.965，就鎘這種重金屬而言，渠水與渠水灌溉的土壤呈顯著正相關關系(p＜0.05)。總體上，渠水與土壤間的相關性比較顯著。

表6 渠水與渠水灌溉的土壤間的相關系數

表7 污水與污水灌溉的土壤間的相關系數

3.2.2 污水與污水灌溉的土壤間的相關性分析。表7可以看出，污水與污水灌溉的土壤在銅、鎘、鉛、鋅、鎳、鉻這6個重金屬元素上都有著較強的相關性。二者在銅、鎘、鉛、鋅、鎳、鉻這6個元素上的相關系數均大于0.8，可以認為污水與其土壤中的銅、鎘、鉛、鋅、鎳、鉻元素間高度相關。其中，就鉛、鋅、鎳這3種重金屬而言，污水與污水灌溉的土壤間呈極顯著正相關關系(p＜0.01)，相關系數分別為0.979、0.947、0.988，就銅、鎘、鉻這3種重金屬而言，污水與污水灌溉的土壤在0.05水平上顯著相關(p＜0.05)，相關系數分別為 0.859、0.911、0.932。總體來說，污水與污水灌溉的土壤中重金屬相關性較強。

4 結論與討論

由上述分析可知，渠水和渠水灌溉的土壤中銅、鎘、鉛、鋅、鎳、鉻這6種重金屬均不存在超標污染狀況，水環境質量和土壤環境質量均達標，可以放心用此水源和該處土壤進行合理的灌溉及耕作。經過工廠處理排放的工業廢水中的鎘元素含量嚴重超標，鎘污染程度達到重度污染，此處水源并不適宜用來灌溉，應該盡快停止使用。否則不僅水體本身污染嚴重，而且同時也使該處水源灌溉的土壤受到了一定程度的鎘污染，雖然土壤存在一定的緩沖能力和自身修復能力，自身能夠消化一部分污染物。但是一旦使用重金屬含量過高的水進行灌溉，超過了土壤有限的容納能力，這種污染會進入到土壤中，繼而富集到作物，一旦受到污染，很難修復，最終對人類健康構成威脅。此次采樣時間為剛剛開始春灌之時，廢水灌溉的土壤就已經達到了輕度污染，說明其影響比較大，應當立即停止使用，避免對農田土壤造成更深的污染。