再生水灌溉方式對表層土壤中重金屬的影響

摘 要：研究旨在探討不同再生水灌溉方式對表層土壤中鎘（Cd）和鉛（Pb）質量分數的影響及其與基本土壤指標的相關性。對比分析漫灌和滴灌（滴頭流量分別為2 L/h、4 L/h和8 L/h）條件下表層土壤中鎘和鉛的質量分數，并探究其內在機理。在漫灌條件下，土壤中鎘的質量分數與背景值無顯著差異；而滴頭流量為8 L/h的滴灌方式顯著降低了鎘的質量分數，滴頭流量為2 L/h的滴灌方式則導致鎘的質量分數升高。滴頭流量為2 L/h的滴灌方式顯著增加了鉛的質量分數，在其他處理下鉛的質量分數保持穩定。相關性分析結果顯示，鎘的質量分數與土壤pH值呈顯著正相關，鉛的質量分數與有機質的質量分數呈顯著正相關。重金屬在土壤中的行為受灌溉水量及土壤物理化學特性共同影響，調整灌溉方式以控制pH值和有機質質量分數有助于管理土壤重金屬污染。

關鍵詞：再生水灌溉；表層土壤；鎘；鉛

中圖分類號：X53 文獻標志碼：A 文章編號：1674-7909（2024）17-131-4

DOI：10.19345/j.cnki.1674-7909.2024.17.028

0 引言

全球人口增長和工業化導致水資源短缺問題加劇，非常規水源的有效利用成為緩解這一問題的關鍵。再生水回用技術能將污水轉化為資源，因此備受關注。再生水是經過處理的生活或工業廢水，達到一定水質標準后，可用于農業灌溉和景觀補水等非飲用水領域，有助于節約淡水資源并促進循環經濟發展，對水資源的可持續利用具有重要意義［1］。再生水中可能含有來自生活污水、工業排放和管道腐蝕的污染物，包括特定含量的個人護理產品殘留和重金屬［2］。再生水用于農田灌溉時，重金屬可能通過土壤-植物系統遷移轉化，威脅作物品質并影響人體健康［1］。因此，研究再生水灌溉方式對土壤重金屬的行為特征及生態效應的影響非常重要。

從環境安全的視角出發，深入理解不同種類重金屬在特定環境條件下（如pH值波動、有機質質量分數變化）在土壤中的遷移路徑及其累積程度［3］，對精準評估長期應用再生水進行農田灌溉可能引發的環境污染風險具有重要意義。積極尋求并推廣科學的管理措施與先進的技術手段，減小重金屬污染對生態環境及農產品品質的影響，是保障農產品食用安全、維護生態平衡的關鍵。

研究通過分析不同再生水灌溉方式下表層土壤樣本中重金屬質量分數的變化情況，深入探究主要重金屬（如鉛、鎘）在該過程中的遷移轉化規律，旨在為再生水灌溉的科學推廣奠定堅實的理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所需土壤樣本取自農田0～20 cm的耕層，土壤類型為砂壤土。采集后，土壤經過自然風干處理，并通過5 mm篩網進行篩分，以確保其均勻性，隨后裝填于試驗箱中，以供后續試驗。試驗過程中使用的再生水來自鄰近的污水處理廠，該污水的主要來源包括城市生活污水及部分工業廢水。污水處理采用厭氧好氧工藝法，以確保水質符合試驗要求。

1.2 試驗設計

此次試驗采用隨機化區組設計策略，旨在確保試驗結果的準確性和可靠性。在設計過程中，滴頭流量被選定為關鍵試驗因子，并細化為3個水平進行探究，具體為2 L/h、4 L/h和8 L/h，以此全面評估不同滴頭流量對試驗效果的影響。為確保結果的可靠性，在每個處理組均設置3組重復試驗。嚴格控制試驗環境，白天溫度維持在（26±1）℃，晚間溫度則設定在（18±1）℃，相對濕度約在60%的水平。

在試驗周期內，所有采用滴灌處理的再生水灌水總量控制在68.84 L，漫灌的總灌水量設定為110.14 L，以便與滴灌處理形成有效對比。

1.3 樣品采集與測定

試驗前采集的土樣已經過風干及篩分處理。試驗結束后，采集0～15 cm深度的土樣進行測試。選用美國Orion奧立龍公司出品的pH S-1型酸度計測定土壤pH值；采用上海儀電科學儀器股份有限公司生產的DDB-303A型便攜式電導率儀測定土壤電導率（EC）；利用低溫外熱重鉻酸鉀氧化-比色法測定有機質（OM）的質量分數；采用德國SEAL公司生產的Seal-AA3型連續流動化學分析儀測定土壤全氮（TN）及全磷（TP）的質量分數；土壤樣品經0.5 mol/L碳酸氫鈉溶液提取后，再通過分光光度計進行比色，測定土壤有效磷的質量分數；土壤樣品經1 mol/L乙酸銨提取后，采用火焰光度法對土壤速效鉀的質量分數進行測定。

在試驗完成后，需要對土樣進行土壤全量重金屬檢測，具體步驟如下。首先，稱取已通過0.5 mm篩的土樣，并將其置于聚四氟乙烯管中。其次，向該管中加入適量硝酸和鹽酸，并將管口封好，隨后將其放入微波消解儀中進行消解處理。消解完成后，從微波消解儀中取出消解管，并將其中的消解液小心轉移至聚四氟乙烯消解杯中。再次，在220 ℃的條件下進行趕酸操作，直至消解液體積縮減。然后，采用少量多次的沖洗方式，將消解液完全轉移至50 mL容量瓶中，并進行定容操作。最后，利用原子分光光度計對容量瓶中的溶液進行測定，以準確獲取Cd和Pb的質量分數［1］。

2 結果與討論

2.1 不同再生水灌溉方式下表層土壤重金屬質量分數的差異性

經過對比分析，對不同再生水灌溉方式下表層土壤中鎘的質量分數的變化情況進行研究，結果如圖1所示。由圖1可知，在采用漫灌方式時，土壤中鎘的質量分數與背景值（即灌溉前土壤的原始鎘的質量分數）并不存在顯著性差異（Pgt;0.05），在此灌溉條件下，再生水中的鎘并未對土壤中鎘的質量分數造成顯著的增加。相反，當使用滴頭流量8 L/h的滴灌方式時，結果顯示土壤中鎘的質量分數顯著低于背景值（Plt;0.05），這可能是因為高流量滴灌技術在促進鎘通過淋溶作用向土壤深層遷移方面具有顯著效果，從而減少了其在表層土壤中的積聚。然而，當滴頭流量降至2 L/h進行滴灌時，土壤中鎘的質量分數卻顯著高于背景值（Plt;0.05），這可能是由于低流量滴灌技術未能促使鎘向土壤深層遷移，反而導致一定比例的鎘在土壤表層滯留。

鉛在不同灌溉條件下的分布特征展現出與鎘截然不同的規律（如圖2）。具體而言，在滴灌試驗中，當滴頭流量設定為2 L/h時，土壤中鉛的質量分數相較于背景值、漫灌方式及另外2種滴灌處理（滴頭流量分別為8 L/h和4 L/h）均顯著增加（Plt;0.05）。此現象可能揭示了在特定的低流量滴灌條件下，鉛更易在土壤表層富集。在2 L/h滴灌處理外的其他灌溉方式中，表層土壤中鉛的質量分數并未發生顯著變化（Pgt;0.05），表明這些灌溉方式對鉛在土壤中的遷移影響較小，或者保持了鉛在土壤中的相對穩定狀態。

2.2 不同再生水灌溉方式下表層土壤重金屬質量分數與基本指標的相關性

研究對不同再生水灌溉方式下土壤重金屬（Cd和Pb）質量分數與基本指標之間的相關性進行了分析（如圖3）。結果表明，鎘（Cd）的質量分數與土壤pH值之間存在顯著的正相關關系（Plt;0.05），這揭示了在高pH值環境下，土壤對鎘的吸附能力增強，促使鎘的質量分數上升。相反，酸性條件則可能使鎘離子從土壤固相中解吸并釋放至液相，從而減少了鎘累積。對于鉛（Pb）而言，其質量分數與土壤有機質（OM）之間呈現出顯著的正相關關系（Plt;0.05），可能是由于有機質能通過絡合反應或形成穩定復合物，以降低鉛的遷移性和生物可利用性。

研究還發現鎘、鉛與總氮（TN）、總磷（TP）及電導率（EC）之間并未呈現出明顯的相關性（Pgt;0.05）。這些指標在土壤肥力和健康方面具有重要意義，但對鎘和鉛在土壤中的分布影響相對較小。

2.3 不同再生水灌溉方式對表層土壤重金屬質量分數影響的內在機理探討

對不同再生水灌溉方式下表層土壤pH值進行對比，結果如圖4所示。由圖4可知，漫灌和滴頭流量為8 L/h的滴灌處理下土壤pH值顯著低于背景水平（Plt;0.05）；而其他灌溉處理方式下的表層土壤pH值與背景值之間的差異并不顯著（Pgt;0.05）。這一結果表明，雖然pH值的變化可能會影響鎘（Cd）在土壤中的行為，但根據研究數據可知，其并不是決定表層土壤中鎘質量分數變化的主要因素，其他土壤特性如土壤結構、氧化還原狀態及特定金屬離子間的競爭吸附等，也可能在此過程中扮演更為關鍵的角色［4］。

在滴頭流量為2 L/h的滴灌條件下，土壤有機質質量分數顯著高于背景值、漫灌及其他2種滴灌處理（滴頭流量分別為8 L/h和4 L/h）（Plt;0.05）（如圖5）。有機質質量分數的增加有效解釋了不同灌溉方式下鉛質量分數的差異，因為有機質中含有豐富的官能團（如羧基、羥基等），能與重金屬形成穩定復合物，降低其遷移可能性［5］。此外，有機質還能改善土壤結構，增強其保水保肥性能，間接影響重金屬的遷移和分布。

3 結論與展望

研究對比分析了不同再生水灌溉方式對表層土壤中鎘和鉛質量分數的影響。結果表明，漫灌方式下土壤中鎘的質量分數無顯著差異，而8 L/h滴灌方式顯著降低了鎘的質量分數，可能是因為高流量促進鎘向土壤深層遷移。2 L/h滴灌方式導致鎘的質量分數升高，說明低流量滴灌方式不利于鎘向土壤深層遷移。對于鉛，2 L/h滴灌方式顯著增加了其質量分數，說明低流量滴灌方式有利于鉛在土壤表層的富集。鎘的質量分數與土壤pH值呈正相關，鉛的質量分數與有機質質量分數呈正相關，表明較高的pH值能增強土壤對鎘的吸附能力，而有機質的存在有利于土壤中鉛的留存。未來研究應探索不同灌溉方式下微生物活性和根系分泌物對重金屬在土壤中遷移轉化的影響，并考慮其長期效應。優化灌溉策略和技術手段可有效控制重金屬污染，保障農產品安全和生態健康。

參考文獻：

［1］李松旌.滴灌灌水要素對再生水典型PPCPs在土壤-作物系統遷移累積的影響［D］.北京：中國農業科學院，2021.

［2］李松旌，樊向陽，崔二蘋，等.PPCPs在土壤-作物系統行為特征及環境風險的研究進展［J］.化工進展，2021，40（5）：2827-2838.

［3］林慧，劉達，黃本勝，等.國外再生水資源在農業灌溉中的應用及啟示［J］.廣東水利水電，2024（3）：100-104.

［4］崔嘉欣.再生水分根交替灌溉下土壤病原菌與重金屬鎘互作效應機理研究［D］.北京：中國農業科學院，2023.

［5］居煇，李康，姜帥，等.再生水灌溉冬小麥的鉛和鎘累積分布研究［J］.農業環境科學學報，2011，30（1）：78-83.