某城市灌溉水質對污灌區土壤重金屬含量的影響

劉 皦

（1.晉中市生態環境局，山西 榆次 030600；2.晉中市生態環境保護綜合行政執法隊，山西 榆次 030600；3.晉中市生態環境監測和應急保障中心，山西 榆次 030600；4.祁縣生態環境監測和應急保障中心，山西 祁縣 030900）

0 引言

我國總體水資源相對不足，隨著經濟社會的高質量發展，城市生活用水和工業用水不斷占用灌溉用水，農業生產用水不足日趨嚴重，尤其是我國北方地區，開發利用水資源幾乎達到了臨界值，農業灌溉用水的不足只能通過使用污水和節水等方式緩解。但是，未經任何處理的污水用于灌溉，其中含有的有毒有害物質，將會造成污水灌溉地區地下水、土壤和作物的嚴重污染，重金屬積累已達到相當程度。尤其是污水灌溉造成的土壤重金屬污染在我國北方地區相當普遍而且嚴重，污水灌溉使城市污水中大量重金屬元素進入土壤。土壤重金屬污染物主要有汞、鎘、鉛、銅、鉻、砷、鋅等，砷雖不屬于重金屬，但因其行為與來源以及危害程度都類似于重金屬，通常被列入重金屬類進行分析討論。重金屬具有在土壤中移動性差、滯留時間長、不能被微生物所降解等特點，并經水和植物等介質最終影響人類的健康。因此，治理和恢復的難度較大，特別對大面積污染土壤如礦區土壤、大型冶煉廠周邊地區土壤，污染極其嚴重，同時極易形成污染循環鏈。土壤中的重金屬可以通過揚塵或者直接接觸方式危害人體健康、影響城市土壤的生態功能[1]。隨著城市發展速度的加劇，通過工業排放、大氣沉降、交通運輸和市政建設等方式，造成城市土壤重金屬的污染越來越嚴重。國內外知名學者已經研究提出了“化學定時炸彈”（chemical time bomb，CTB）的概念，土壤重金屬污染，積累達到一定程度，就可以成為土壤中的CTB 而爆發。因此，研究污灌區土壤重金屬的污染特征，對其進行危害評價具有十分重要的意義。

土壤污染與修復已成為亟需解決的主要生態環境問題，對污灌區土壤重金屬含量的分析是進行土壤污染修復和生態安全研究的基礎，了解和掌握污灌區土壤重金屬現狀動態以及識別土壤污染主要成分，有助于更加有針對性進行治理和修復污染的土壤[2]。因此，通過研究不同灌溉水質對污灌區土壤重金屬含量的影響，對污水的灌溉和土壤污染的修復提供科學的依據，具有現實的指導意義。

1 實驗部分

1.1 樣品采集

實驗所用土壤樣品均采自某市三大污灌區（根據某市灌溉水源的不同劃分），分為北部、中部、東部。各樣區根據灌渠流向采用對角線法取樣[3]，每區域選取5 個采樣點，樣點間隔最近端約為96 m，最遠端約為380 m。每個采樣點由5 個分樣點組成，按四分法混合成每個樣品，共取分樣75 個，得到混合樣品15 個。根據重金屬主要分布在土壤表層，土壤采樣深度為0～20 cm，送實驗室風干進行分析。

1.2 分析方法（見表1）

表1 樣品分析方法

2 結果與討論

2.1 灌溉水質及污水灌溉現狀分析

某城市有豐富的煤、鋁資源，在促進當地經濟發展的同時，嚴重影響水資源的可持續利用。采煤漏水、地面塌陷、地表剝離、地下水補給通道阻隔，使本來緊缺的水資源形勢更加嚴峻。污灌區污水來源主要是工業廢水和生活污水。根據該城市的具體情況將污灌區的灌溉水源分為3 類：一是污灌區的北部用的灌溉水，主要是城市污水；二是污灌區的中部的灌溉水，主要是城市污水和工業廢水的混合水；三是污灌區東部的灌溉水，主要來源是有污水排入的文峪河。灌溉水中重金屬含量見表2。

表2 灌溉區灌溉水重金屬含量 單位：mg/L

由表2 可知，三大灌溉區的灌溉水中重金屬含量符合農田灌溉水質標準（GB 5084—2021），均可以用來對污灌區進行灌溉。

2.2 污灌全區域重金屬含量及結果分析（見表3）

表3 污灌全區域土壤重金屬含量的計算分析數據 單位：mg/kg

由表3 可知，整個灌區土壤樣品表層土壤重金屬的平均含量多數高于當地土壤環境質量背景值，其中鎘、砷的含量略低于當地土壤環境背景值。從表3 可以看出重金屬鎘、砷的變異系數分別達到0.541 3、0.306。說明鎘、砷這兩種元素受到外源性污染物影響較大。但土壤本身這兩種元素含量比較低。

2.3 污灌區北部、中部、東部土壤重金屬含量及結果分析（見表4）

表4 污灌區北部、中部、東部土壤重金屬含量的計算分析數據 單位：mg/kg

由表4 可知，污灌區北部土壤重金屬中鎘、砷的平均含量低于當地土壤環境背景值，鉻、鉛、銅、鋅、鎳的平均含量均高于當地土壤環境背景值，說明該區土壤受到鉻、鉛、銅、鋅、鎳元素污染較重，與此同時，該區土壤重金屬元素的變異系數都比較小，說明當地土壤重金屬含量受外源性污染物影響較小。

污灌區中部土壤重金屬中鎘、砷、銅的平均含量低于當地土壤環境背景值。鉻、鉛、鋅、鎳的平均含量都高于土壤環境背景值，說明該區土壤受鉻、鉛、鋅、鎳元素污染比較嚴重。與此同時，該區土壤重金屬元素的變異系數較小，說明當地土壤重金屬含量受外源性污染物影響較小。

污灌區東部土壤重金屬中鎘、砷的平均含量低于當地土壤環境背景值。鉻、鉛、銅、鋅、鎳的平均含量高于當地土壤環境背景值，說明該區土壤受鉻、鉛、銅、鋅、鎳元素污染比較嚴重。與此同時，鎘的變異系數較高，達到0.612，說明鎘元素含量比較容易受到外源性污染物的影響。

3 結論

從上述分析可知，與當地土壤環境背景值比較整個污灌區受土壤重金屬中鉻、鉛、銅、鋅、鎳元素污染較為嚴重。不同區域由于灌溉水質及土壤環境的不同所受污染程度可能有所差異。各元素在不同地區所受外源性污染物的影響程度可能有所不同。

北部、中部與整個灌區重金屬污染狀況較為相似，各研究元素變異系數也較小，說明其受灌溉水質影響程度較低。東部區域鎘的變異系數較大，說明該元素受外源性污染物的影響較大，其含量會受到該區域灌溉水質的影響。

元素變異系數反映樣本間的變異程度，對于長期耕作的土壤，在沒有明顯外源性因素的影響下，其微量元素含量在很小范圍分布是相對均一的，元素含量變異系數有著微小變化。但是在污灌條件下，由于微量元素的生物富積作用導致微量元素局部含量有所增高，增大了含量分布的空間差異。

不同的灌溉水質可能會對土壤的重金屬含量有著不同程度的影響，在研究土壤重金屬污染的同時需要考慮灌溉水質的影響。與此同時，不同污灌區的土壤可能具有不同的理化性質，需要分區域進行研究。

4 討論

對土壤重金屬污染大量研究及評價表明，毒性較大的重金屬是鉛、銅、鉻、砷，對人類健康環境影響較大。Adriano[4]和Alloway[5]指出，鉛、銅、鋅是評價土壤污染程度的理想指標。因此，本文選擇鉻、鎘、鉛、砷、銅、鋅、鎳等元素對某市污灌區灌溉水質對土壤重金屬含量的影響具有可利用評價的實際意義。

重金屬在土壤中不能隨意被水淋濾和被微生物所分解。但是，生物具有富集作用，使得重金屬常在土壤環境中不斷積累，而且某些重金屬在土壤中遷移轉化為毒性更大的甲基化合物。土壤中重金屬元素的遷移轉化及其對植物的毒害和環境的影響程度，不僅與土壤重金屬的含量具有相關性，而且還與重金屬在土壤中的存在形態、狀態具有相關性。重金屬在土壤中存在的形態、狀態不同，其生物毒性、活性及遷移特征也會不同。當土壤中所含化合物的類型不同時，化合物本身之間的差異和土壤與生物之間交互作用的不同，生物效應也可能不同。同時，灌溉水中也不同程度地含有一定的重金屬元素，用超標污水灌溉可能會加重土壤重金屬污染。所以灌溉水的選取極其重要。

5 建議

作為城市郊區農田灌溉補給的城市生活污水和工業廢水，為了有效緩解農業水資源存在相對壓力，需要做好以下幾個方面：

1）污水治理及其有效應用作為節水的重要內容，提高污水灌溉在水資源配置中的作用。污水灌溉在農業生產和生態灌溉方面起著舉足輕重的作用，建立明確事權和水權等長效機制，形成制度化，污水的治理按照誰污染誰治理的原則，將處理后水進行循環利用。對于生活污水的處理，考慮其公益性方面應由政府資助為主導，通過市場鼓勵、引導和吸引外資，積極參與此項工作。通過國家立法和相關法律法規以及政策來明確水事事權和水權的認定。

2）行之有效地做好污水灌溉規范化管理。當前，在權責相對不明確的前提下，由于污水灌溉涉及政府多個部門，處于“九龍治水”狀態，加之不屬于單位的重點工作，使得污水灌溉多數處于放任自流的狀態。生態環境具有自凈和承載能力，行之有效地管控水污染，需由水利部門牽頭抓總，生態環境和農業等政府部門相互協調配合，建立健全聯席會議協調聯動機制，行之有效地做好污水灌溉的管理工作，盡可能做到污染最小化、治理最大化。

3）科學合理做好理論與技術相結合的研究工作。污水灌溉作為污水資源化利用的重要途徑。污水中氮、磷、鉀等營養元素是作物生長必需元素，對于生態環境而言，不合理的污水灌溉會造成當地嚴重的土壤和地下水重金屬污染和有機物污染；對于農業生產，適當的污水灌溉對作物增產起到一定作用，但是污水灌溉的不合理利用將會造成作物體存留重金屬等有害元素造成糧食污染，對人民群眾身體健康造成極大影響。因此，污水灌溉的科學合理運用是科研工作的一項重要課題，應當加強高等院校和科研院所的融合合作，進行系統的、科學的、有效的研發工作。