再生水灌溉方式对表层土壤中重金属的影响

摘 要：研究旨在探讨不同再生水灌溉方式对表层土壤中镉（Cd）和铅（Pb）质量分数的影响及其与基本土壤指标的相关性。对比分析漫灌和滴灌（滴头流量分别为2 L/h、4 L/h和8 L/h）条件下表层土壤中镉和铅的质量分数，并探究其内在机理。在漫灌条件下，土壤中镉的质量分数与背景值无显著差异；而滴头流量为8 L/h的滴灌方式显著降低了镉的质量分数，滴头流量为2 L/h的滴灌方式则导致镉的质量分数升高。滴头流量为2 L/h的滴灌方式显著增加了铅的质量分数，在其他处理下铅的质量分数保持稳定。相关性分析结果显示，镉的质量分数与土壤pH值呈显著正相关，铅的质量分数与有机质的质量分数呈显著正相关。重金属在土壤中的行为受灌溉水量及土壤物理化学特性共同影响，调整灌溉方式以控制pH值和有机质质量分数有助于管理土壤重金属污染。

关键词：再生水灌溉；表层土壤；镉；铅

中图分类号：X53 文献标志码：A 文章编号：1674-7909（2024）17-131-4

DOI：10.19345/j.cnki.1674-7909.2024.17.028

0 引言

全球人口增长和工业化导致水资源短缺问题加剧，非常规水源的有效利用成为缓解这一问题的关键。再生水回用技术能将污水转化为资源，因此备受关注。再生水是经过处理的生活或工业废水，达到一定水质标准后，可用于农业灌溉和景观补水等非饮用水领域，有助于节约淡水资源并促进循环经济发展，对水资源的可持续利用具有重要意义［1］。再生水中可能含有来自生活污水、工业排放和管道腐蚀的污染物，包括特定含量的个人护理产品残留和重金属［2］。再生水用于农田灌溉时，重金属可能通过土壤-植物系统迁移转化，威胁作物品质并影响人体健康［1］。因此，研究再生水灌溉方式对土壤重金属的行为特征及生态效应的影响非常重要。

从环境安全的视角出发，深入理解不同种类重金属在特定环境条件下（如pH值波动、有机质质量分数变化）在土壤中的迁移路径及其累积程度［3］，对精准评估长期应用再生水进行农田灌溉可能引发的环境污染风险具有重要意义。积极寻求并推广科学的管理措施与先进的技术手段，减小重金属污染对生态环境及农产品品质的影响，是保障农产品食用安全、维护生态平衡的关键。

研究通过分析不同再生水灌溉方式下表层土壤样本中重金属质量分数的变化情况，深入探究主要重金属（如铅、镉）在该过程中的迁移转化规律，旨在为再生水灌溉的科学推广奠定坚实的理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验所需土壤样本取自农田0～20 cm的耕层，土壤类型为砂壤土。采集后，土壤经过自然风干处理，并通过5 mm筛网进行筛分，以确保其均匀性，随后装填于试验箱中，以供后续试验。试验过程中使用的再生水来自邻近的污水处理厂，该污水的主要来源包括城市生活污水及部分工业废水。污水处理采用厌氧好氧工艺法，以确保水质符合试验要求。

1.2 试验设计

此次试验采用随机化区组设计策略，旨在确保试验结果的准确性和可靠性。在设计过程中，滴头流量被选定为关键试验因子，并细化为3个水平进行探究，具体为2 L/h、4 L/h和8 L/h，以此全面评估不同滴头流量对试验效果的影响。为确保结果的可靠性，在每个处理组均设置3组重复试验。严格控制试验环境，白天温度维持在（26±1）℃，晚间温度则设定在（18±1）℃，相对湿度约在60%的水平。

在试验周期内，所有采用滴灌处理的再生水灌水总量控制在68.84 L，漫灌的总灌水量设定为110.14 L，以便与滴灌处理形成有效对比。

1.3 样品采集与测定

试验前采集的土样已经过风干及筛分处理。试验结束后，采集0～15 cm深度的土样进行测试。选用美国Orion奥立龙公司出品的pH S-1型酸度计测定土壤pH值；采用上海仪电科学仪器股份有限公司生产的DDB-303A型便携式电导率仪测定土壤电导率（EC）；利用低温外热重铬酸钾氧化-比色法测定有机质（OM）的质量分数；采用德国SEAL公司生产的Seal-AA3型连续流动化学分析仪测定土壤全氮（TN）及全磷（TP）的质量分数；土壤样品经0.5 mol/L碳酸氢钠溶液提取后，再通过分光光度计进行比色，测定土壤有效磷的质量分数；土壤样品经1 mol/L乙酸铵提取后，采用火焰光度法对土壤速效钾的质量分数进行测定。

在试验完成后，需要对土样进行土壤全量重金属检测，具体步骤如下。首先，称取已通过0.5 mm筛的土样，并将其置于聚四氟乙烯管中。其次，向该管中加入适量硝酸和盐酸，并将管口封好，随后将其放入微波消解仪中进行消解处理。消解完成后，从微波消解仪中取出消解管，并将其中的消解液小心转移至聚四氟乙烯消解杯中。再次，在220 ℃的条件下进行赶酸操作，直至消解液体积缩减。然后，采用少量多次的冲洗方式，将消解液完全转移至50 mL容量瓶中，并进行定容操作。最后，利用原子分光光度计对容量瓶中的溶液进行测定，以准确获取Cd和Pb的质量分数［1］。

2 结果与讨论

2.1 不同再生水灌溉方式下表层土壤重金属质量分数的差异性

经过对比分析，对不同再生水灌溉方式下表层土壤中镉的质量分数的变化情况进行研究，结果如图1所示。由图1可知，在采用漫灌方式时，土壤中镉的质量分数与背景值（即灌溉前土壤的原始镉的质量分数）并不存在显著性差异（P>0.05），在此灌溉条件下，再生水中的镉并未对土壤中镉的质量分数造成显著的增加。相反，当使用滴头流量8 L/h的滴灌方式时，结果显示土壤中镉的质量分数显著低于背景值（P<0.05），这可能是因为高流量滴灌技术在促进镉通过淋溶作用向土壤深层迁移方面具有显著效果，从而减少了其在表层土壤中的积聚。然而，当滴头流量降至2 L/h进行滴灌时，土壤中镉的质量分数却显著高于背景值（P<0.05），这可能是由于低流量滴灌技术未能促使镉向土壤深层迁移，反而导致一定比例的镉在土壤表层滞留。

铅在不同灌溉条件下的分布特征展现出与镉截然不同的规律（如图2）。具体而言，在滴灌试验中，当滴头流量设定为2 L/h时，土壤中铅的质量分数相较于背景值、漫灌方式及另外2种滴灌处理（滴头流量分别为8 L/h和4 L/h）均显著增加（P<0.05）。此现象可能揭示了在特定的低流量滴灌条件下，铅更易在土壤表层富集。在2 L/h滴灌处理外的其他灌溉方式中，表层土壤中铅的质量分数并未发生显著变化（P>0.05），表明这些灌溉方式对铅在土壤中的迁移影响较小，或者保持了铅在土壤中的相对稳定状态。

2.2 不同再生水灌溉方式下表层土壤重金属质量分数与基本指标的相关性

研究对不同再生水灌溉方式下土壤重金属（Cd和Pb）质量分数与基本指标之间的相关性进行了分析（如图3）。结果表明，镉（Cd）的质量分数与土壤pH值之间存在显著的正相关关系（P<0.05），这揭示了在高pH值环境下，土壤对镉的吸附能力增强，促使镉的质量分数上升。相反，酸性条件则可能使镉离子从土壤固相中解吸并释放至液相，从而减少了镉累积。对于铅（Pb）而言，其质量分数与土壤有机质（OM）之间呈现出显著的正相关关系（P<0.05），可能是由于有机质能通过络合反应或形成稳定复合物，以降低铅的迁移性和生物可利用性。

研究还发现镉、铅与总氮（TN）、总磷（TP）及电导率（EC）之间并未呈现出明显的相关性（P>0.05）。这些指标在土壤肥力和健康方面具有重要意义，但对镉和铅在土壤中的分布影响相对较小。

2.3 不同再生水灌溉方式对表层土壤重金属质量分数影响的内在机理探讨

对不同再生水灌溉方式下表层土壤pH值进行对比，结果如图4所示。由图4可知，漫灌和滴头流量为8 L/h的滴灌处理下土壤pH值显著低于背景水平（P<0.05）；而其他灌溉处理方式下的表层土壤pH值与背景值之间的差异并不显著（P>0.05）。这一结果表明，虽然pH值的变化可能会影响镉（Cd）在土壤中的行为，但根据研究数据可知，其并不是决定表层土壤中镉质量分数变化的主要因素，其他土壤特性如土壤结构、氧化还原状态及特定金属离子间的竞争吸附等，也可能在此过程中扮演更为关键的角色［4］。

在滴头流量为2 L/h的滴灌条件下，土壤有机质质量分数显著高于背景值、漫灌及其他2种滴灌处理（滴头流量分别为8 L/h和4 L/h）（P<0.05）（如图5）。有机质质量分数的增加有效解释了不同灌溉方式下铅质量分数的差异，因为有机质中含有丰富的官能团（如羧基、羟基等），能与重金属形成稳定复合物，降低其迁移可能性［5］。此外，有机质还能改善土壤结构，增强其保水保肥性能，间接影响重金属的迁移和分布。

3 结论与展望

研究对比分析了不同再生水灌溉方式对表层土壤中镉和铅质量分数的影响。结果表明，漫灌方式下土壤中镉的质量分数无显著差异，而8 L/h滴灌方式显著降低了镉的质量分数，可能是因为高流量促进镉向土壤深层迁移。2 L/h滴灌方式导致镉的质量分数升高，说明低流量滴灌方式不利于镉向土壤深层迁移。对于铅，2 L/h滴灌方式显著增加了其质量分数，说明低流量滴灌方式有利于铅在土壤表层的富集。镉的质量分数与土壤pH值呈正相关，铅的质量分数与有机质质量分数呈正相关，表明较高的pH值能增强土壤对镉的吸附能力，而有机质的存在有利于土壤中铅的留存。未来研究应探索不同灌溉方式下微生物活性和根系分泌物对重金属在土壤中迁移转化的影响，并考虑其长期效应。优化灌溉策略和技术手段可有效控制重金属污染，保障农产品安全和生态健康。

参考文献：

［1］李松旌.滴灌灌水要素对再生水典型PPCPs在土壤-作物系统迁移累积的影响［D］.北京：中国农业科学院，2021.

［2］李松旌，樊向阳，崔二苹，等.PPCPs在土壤-作物系统行为特征及环境风险的研究进展［J］.化工进展，2021，40（5）：2827-2838.

［3］林慧，刘达，黄本胜，等.国外再生水资源在农业灌溉中的应用及启示［J］.广东水利水电，2024（3）：100-104.

［4］崔嘉欣.再生水分根交替灌溉下土壤病原菌与重金属镉互作效应机理研究［D］.北京：中国农业科学院，2023.

［5］居煇，李康，姜帅，等.再生水灌溉冬小麦的铅和镉累积分布研究［J］.农业环境科学学报，2011，30（1）：78-83.