張鐵軍，宋矗森，陳莉榮，李衛(wèi)平

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014000)

我國(guó)水資源嚴(yán)重短缺，人均占有量約為2 300 m3，僅占世界人均1/4左右[1-4]。同時(shí)，我國(guó)也是全世界范圍內(nèi)人均水資源最為匱乏的國(guó)家。隨著經(jīng)濟(jì)與建設(shè)的持續(xù)性發(fā)展，淡水使用量也在日益上升，使得緊缺的水資源更加缺乏，利用再生水替代淡水灌溉已經(jīng)成為新的發(fā)展方向[5]。再生水是指經(jīng)適當(dāng)工藝處理達(dá)到某種要求從而可進(jìn)行有益使用的水[6]。利用再生水的優(yōu)勢(shì)如下[7-8]：水源充足，有效的避免了農(nóng)灌的大量用水與其他用水項(xiàng)目爭(zhēng)水，水中富含大量養(yǎng)分，可長(zhǎng)期提供營(yíng)養(yǎng)元素，促進(jìn)農(nóng)作物生長(zhǎng)，同時(shí)也減少了化肥用量，在改善土壤肥力的情況下，也達(dá)到成本節(jié)約的目的。

再生水雖通過了一系列處理，但相對(duì)于清水仍富含較高的鹽分，并且再生水灌溉也有可能使重金屬累積在土壤中從而通過農(nóng)作物吸收后給人體造成不可逆的傷害[9]。為此，選取包頭市南郊污水處理廠二級(jí)出水作為水源，通過對(duì)再生水、不同比例再生水與自來水灌溉進(jìn)行對(duì)照，研究再生水灌溉對(duì)土壤中全鹽量以及重金屬累積的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)方法

采用土柱模擬試驗(yàn)，土柱為有機(jī)玻璃制成，高1 m，內(nèi)徑10 cm，土柱總裝填高度為60 cm，距離土柱底部15、30、45與60 cm各打一直徑為2 cm小孔，方便試驗(yàn)過程取土。灌溉水量參照國(guó)家農(nóng)田灌溉標(biāo)準(zhǔn)(GB5084-92)，按此標(biāo)準(zhǔn)算得土柱灌溉水量為3 530 mL/a，分5次灌溉，灌溉周期大約30 d。水量土柱模型見圖1。

圖1 土柱模型示意圖

1.2 土壤采集

土壤采集自內(nèi)蒙古科技大學(xué)校園內(nèi)草坪潔凈土壤(表層30 cm以下)。對(duì)采集土壤去雜質(zhì)、石子與植物殘枝等，過2 mm篩，進(jìn)行土柱填充。采集土壤全鹽量與重金屬含量見表1。

表1 土壤全鹽量與重金屬本底值

1.3 監(jiān)測(cè)方法

土壤全鹽含量采用重量法測(cè)量；土壤中重金屬采用電熱板消解-火焰原子吸收光譜法進(jìn)行測(cè)量。

1.4 試驗(yàn)儀器

可調(diào)式電熱板，ML-3-4；電子天平，F(xiàn)A1004N；蠕動(dòng)泵，BT101L；水浴恒溫振蕩器，SHA-B；原子吸收分光光度計(jì)，TAS-990；超純水器，GWA-UN1-20；便攜式多參數(shù)水質(zhì)分析儀，Multy8340。

2 結(jié)果與討論

2.1 再生水灌溉對(duì)土壤全鹽量的影響

使用再生水灌溉不同次數(shù)后，各層土壤全鹽量見表2。由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，第一次灌溉后，不同水質(zhì)灌溉下土壤表層全鹽量均有所降低，這是因?yàn)楣嗨♂屃送寥辣韺欲}分，但隨著灌溉次數(shù)增加，二級(jí)出水、1/2二級(jí)出水在0～15 cm土層的全鹽量有所增加，這是由于再生水灌溉時(shí)帶入土壤里的鹽分含量超出了被淋洗出的鹽分含量，由于土壤中的膠體吸附、代換、絡(luò)合和鰲合作用及生物作用等影響，進(jìn)入土壤中的鹽分遷移能力較差。因此，在0～15 cm深度的土層出現(xiàn)鹽分累積現(xiàn)象。加之本試驗(yàn)為模擬試驗(yàn)，沒有種植相應(yīng)作物，且不受地下水的影響，故表層土壤蒸騰能力最強(qiáng)，“氣散鹽存”情況的發(fā)生使得出現(xiàn)鹽分表聚現(xiàn)象[10]。

表2 不同比例再生水灌溉對(duì)土壤全鹽量影響 g/kg

2.2 再生水灌溉對(duì)土壤陽(yáng)離子化學(xué)組成的影響

模擬試驗(yàn)表明,在灌溉過程中，Na+、Mg2+、Ca2+、K+4種離子發(fā)生離子交換。再生水相對(duì)于清水含有較高的Na+、K+離子，隨著灌溉的持續(xù)與水量的增加，土壤對(duì)不同離子產(chǎn)生不同的交換與吸附作用，Na+、K+離子含量在土壤表層(0～15 cm)有所累積，累積量在合理范圍內(nèi)。從實(shí)際灌溉后分析結(jié)果來看，使用再生水灌溉后深層土壤陽(yáng)離子無顯著變化，僅在表層有所累積，這也與試驗(yàn)為種植作物有關(guān)。但實(shí)際應(yīng)用到農(nóng)灌時(shí)還需長(zhǎng)期定位監(jiān)測(cè)。

2.3 再生水灌溉對(duì)土壤重金屬的影響

表3至表7為自來水、再生水與1/2再生水灌溉后，五種重金屬離子各層含量變化表?？梢姡煌幚碓偕喔扰c自來水灌溉處理相比較，各層土壤大多數(shù)重金屬含量變化不明顯，部分采樣點(diǎn)由于灌溉時(shí)的淋洗作用，表層重金屬含量有所降低。由表可見，隨著灌溉的持續(xù)，部分重金屬離子在15～30 cm處會(huì)出現(xiàn)累積情況，但總體來看再生水灌溉后土壤中各層重金屬含量依舊遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。就重金屬環(huán)境而言，可采用再生水代替自來水進(jìn)行灌溉。這與李中陽(yáng)[11]等人研究結(jié)論相一致。

表3 再生水灌溉對(duì)Cu的影響 mg/kg

表4 再生水灌溉對(duì)Zn的影響 mg/kg

表5 再生水灌溉對(duì)Pb的影響 mg/kg

表6 再生水灌溉對(duì)Ni的影響 mg/kg

表7 再生水灌溉對(duì)Cr的影響 mg/kg

2.4 再生水灌溉后土壤重金屬元素潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)

采用Hakanson[12]潛在生態(tài)危害指數(shù)法確定灌區(qū)內(nèi)土壤重金屬可能存在的生態(tài)危害效應(yīng)和反映特定區(qū)域的特殊性。

單種重金屬的潛在生態(tài)危害系數(shù)(Ei)為：

Ei=Tri×(Ci÷C0i)

(1)

式中：Ci，C0i，Tri分別為第i種重金屬的實(shí)測(cè)含量(mg/kg)，參比值(mg/kg)和毒性系數(shù)。

毒性系數(shù)根據(jù)陳靜生[13]計(jì)算的重金屬毒性系數(shù)(Tri)：Zn=1，Pb=Ni=Cu=5,Cd=30，Hg=40，As=10，Cr=2。

區(qū)域多種重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)RI=∑Ei，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表8。

表8 Hakanson潛在生態(tài)危害評(píng)價(jià)指標(biāo)

根據(jù)灌溉后5種重金屬離子的含量計(jì)算，參比值為土壤灌溉之前重金屬含量的本底值。5種重金屬離子生態(tài)危害指數(shù)見表9。

表9 重金屬離子生態(tài)危害指數(shù)

由表9可見，5種重金屬離子生態(tài)指數(shù)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于表5中各離子生態(tài)危害指數(shù)，并且區(qū)域生態(tài)污染指數(shù)也遠(yuǎn)低于90。說明在本次實(shí)驗(yàn)條件下，使用再生水灌溉不會(huì)因一種或多種重金屬對(duì)生態(tài)環(huán)境造成污染與破壞。但由于重金屬，特別是毒害作用強(qiáng)的重金屬如Cr、Pb等在土壤中可通過植物作物的吸收，從而被人體吸收造成不可挽回的結(jié)果。因此，長(zhǎng)期使用再生水灌溉仍需長(zhǎng)期定位監(jiān)測(cè)，以保證再生水農(nóng)用的安全性。

3 結(jié) 論

(1)首次使用再生水灌溉時(shí)，由于稀釋作用，土壤表層全鹽量與Na+、K+離子等均有所減少，隨著灌溉的持續(xù)，二級(jí)出水，1/2二級(jí)出水與自來水灌溉相比0～15 cm土壤有一定鹽分累積現(xiàn)象，Na+離子有所增加，深層土壤與自來水灌溉相比無明顯差異。

(2)二級(jí)出水灌溉、1/2二級(jí)出水灌溉與自來水灌溉相比，灌溉后土壤中重金屬含量與本底值沒有明顯變化，表層土壤出現(xiàn)輕微累積現(xiàn)象，但總體來看土壤中重金屬Cu、Zn、Cr、Pb、Ni含量遠(yuǎn)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，不同處理二級(jí)出水灌溉之間各種重金屬離子含量也無明顯差異，說明使用再生水農(nóng)灌短期內(nèi)不會(huì)造成土壤重金屬累積。

(3)利用Hakanson潛在生態(tài)危害評(píng)價(jià)法對(duì)不同灌溉水質(zhì)灌溉后土壤重金屬離子進(jìn)行評(píng)價(jià)，5種重金屬離子均遠(yuǎn)低于評(píng)價(jià)線最高標(biāo)準(zhǔn)，并且區(qū)域生態(tài)污染指數(shù)也遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)。

[1] 水利部水文司,中國(guó)水利學(xué)會(huì). 中國(guó)水環(huán)境問題研討會(huì)論文集[C]∥ 北京：中國(guó)科學(xué)出版社，1998:229-233.

[2] 國(guó)家環(huán)境保護(hù)局.1999年中國(guó)環(huán)境狀況公報(bào)[N]. 環(huán)境保護(hù),2000,(7):3-7.

[3] 程 鴻,何希吾.中國(guó)自然資源手冊(cè)[Z]. 北京:科學(xué)出版社，1990:53-86.

[4] 山 侖,鄧西平.我國(guó)半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)用水現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J]. 水利學(xué)報(bào),2002,(9):27-31.

[5] 葉 雯, 劉美南. 我國(guó)城市污水再生利用的現(xiàn)狀與對(duì)策[J]. 中國(guó)給水排水, 2002,18(12):31-33.

[6] 金建華,孫書洪,王仰仁. 再生水灌溉的研究進(jìn)展[J]. 節(jié)水灌溉,2009,(5):30-34,38.

[7] 康旺儒. 農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的污水回用[J]. 甘肅科技縱橫, 2004,33(1):79-86.

[8] Friedler E. Water reuse-an integral part of water resources management: Israel as a case study[J]. Water Policy, 2001,3(1):29-39.

[9] Zhao Q L, Zhang J N, You S J, et al. Effect of irrigation with reclaimed water on crops and health risk assessment[J]. Water Science & Technology Water Supply, 2006,(6).

[10] 楊林林, 楊培嶺, 任樹梅,等. 再生水灌溉對(duì)土壤理化性質(zhì)影響的試驗(yàn)研究[J]. 水土保持學(xué)報(bào), 2006,20(2):82-85.

[11] 李中陽(yáng),樊向陽(yáng),齊學(xué)斌,等. 再生水灌溉下重金屬在植物-土壤-地下水系統(tǒng)遷移的研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)農(nóng)村水利水電,2012,(7):5-8.

[12] Hakanson L. An ecological risk index for aquatic pollution. A sedimentological approach[J]. Water Research, 1980,14(8):975-1 001.

[13] 陳靜生, 劉玉機(jī). 水體金屬污染潛在危害：應(yīng)用沉積學(xué)方法評(píng)價(jià)[J]. 環(huán)境科技, 1989,(1):16-25.