裴 亮，廖曉勇，孫莉英，顏 明

(1. 中國科學院地理科學與資源研究所，陸地水循環(huán)及地表過程重點實驗室，北京 100101；2. 中國科學院地理科學與資源研究所，環(huán)境損害與污染修復北京市重點實驗室，北京 100101；3. 中國科學院陸地表層格局與模擬重點實驗室，北京 100101)

經(jīng)過處理的污水用于灌溉的再生水灌溉方式和高頻、低強度、低灌水量的滴灌灌溉方式結(jié)合的再生水滴灌模式是當前節(jié)水和環(huán)保研究的熱點[1,2]，國內(nèi)的齊學斌[3,4]和裴亮[5,6]以及國外的Oron G[7]等人的研究非常多。土壤植物系統(tǒng)中重金屬在再生水灌溉情況下的遷移轉(zhuǎn)化及作用有很多研究經(jīng)驗[4,5,8]。再生水滴灌由于其灌水頻率、強度、灌溉水量與普通灌溉方式，因此水及水中物質(zhì)在土壤植物系統(tǒng)的分布轉(zhuǎn)化也不同。另外，再生水污染物多樣，其中重金屬對作物生長及環(huán)境影響極大，不能忽視，研究重金屬運移規(guī)律是非常必要的[9]。當前的再生水灌溉研究主要集中在表層土壤，很少涉及深層土壤。灌溉方式也多采用漫灌等灌溉方式，對滴灌的研究較少。對再生水滴灌條件下，重金屬在土壤中運移轉(zhuǎn)化規(guī)律的研究極少，因此污染物在滴灌情況下的分布運移特征需要進行詳細研究。本課題組在再生水滴灌方面進行了很多研究，主要集中在養(yǎng)分運移、養(yǎng)分對植物生長及產(chǎn)量的影響、養(yǎng)分脅迫等方面，對重金屬污染情況沒有過研究[10-13]。Cd污染事件頻發(fā)，通過對作物的污染從而和人體接觸并危害人體健康，因此再生水滴灌研究中，對再生水中Cd隨水入土后的去向及運移規(guī)律需要進行深入研究。本研究就是在前期類似研究的基礎(chǔ)上，和地下水滴灌對比，進行蔬菜生育期內(nèi)再生水滴灌下土壤重金屬Cd分布運移的研究。為制定高效綠色的再生水灌溉制度以及防治面源污染、預防人體健康風險提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

研究區(qū)地處湖北十堰山區(qū)，該區(qū)域的地理及自然情況見參考文獻[10]～文獻[13]，本研究在該區(qū)域大棚中進行，采用自然溫度，極端溫度-13.2 ℃，最高溫度41 ℃，常年平均溫度15.3 ℃，試驗地土壤主體為沙壤土，1.52～1.73 g/cm3的密度。由于實驗地近幾年采用生活污水灌溉，從圖1和圖2看出土壤汞和鎘有略微超標。

1.2 試驗布置

本研究課題組文獻[10]～文獻[13]里有類似實驗設(shè)計，試驗在2016年10月2日到12月5日蘿卜的生育期內(nèi)進行。壟作方式，壟肩寬80 cm，兩壟中心間距180 cm，壟高15 cm，壟上2行植物中間設(shè)一條間距20 cm、滴頭流量2.7 L/h的滴灌帶，在植物種植前，每公頃施復合肥150 kg。再生水水質(zhì)為當?shù)厣钗鬯疂舛鹊?0%，每種蔬菜的試驗采用5個處理，每個處理3個重復，每個試驗小區(qū)為3.5 m × 3.5 m，灌水中根據(jù)GB5084-2005灌溉水質(zhì)標準[14]中重金屬限值控制重金屬的濃度不過多超標(不超過限制2倍)。5個處理分別為Z1(全部再生水滴灌)、Z2(地下水與再生水按照1∶1混合滴灌)、Z3(地下水與再生水按照2∶1)、Z4(地下水與再生水按照4:1混合)和地下水滴灌對照D。灌溉采用1.2 m高處的蓄水桶滴灌，每個處理3個重復放置一個容積240 L的水桶，灌水前需將地下水和再生水按照處理中要求的比例加入水桶。每個處理中的某個重復小區(qū)的土壤下方20 cm處裝備1個水勢負壓計，根據(jù)一些蔬菜的灌溉經(jīng)驗[10,11]，確定灌水方案，當水勢負壓計顯示土壤水勢低于-25 kPa時開始灌水，每次灌水量為5 mm。蘿卜生育期內(nèi)共5次灌水，共25 mm。

1.3 采樣及測定項目及方法

每次灌水后第2 d、第4 d、第6 d、第8 d，取土樣進行重金屬測定，取樣深度為0～20、20～40、40～60、60～80、80～100、100～120、120～140、140～160、160～180 cm。

各類水質(zhì)情況及標準見表1。試驗土壤重金屬含量與國家土壤環(huán)境質(zhì)量標準的比較見表2，試驗土壤含量及pH值取0～200 cm各層含量及pH中位數(shù)。具體污染分布見后面結(jié)果與討論。

表1 水質(zhì)情況及和國家標準之間的比較[13,14]

表2 試驗土壤重金屬含量與國家土壤環(huán)境質(zhì)量標準的比較[15]

1.4 樣品配置及處理方法

再生水為十堰市污水廠二級出水經(jīng)過簡易過濾后和地下水混合進行配置而成。取樣后的土壤先放置風干后置于烘箱中烘至110 ℃干燥為止，隨后磨碎，通過前處理(消解等過程)后開始化學分析測試。采用原子吸收風光光度法檢測鎘[16]，采用原子熒光分光光度法檢測砷[16]。

2 結(jié)果分析

2.1 再生水首次滴灌后土壤剖面重金屬Cd運移分布情況

首次灌水后第2 d、第4 d、第6 d、第8 d，對蔬菜土壤剖面采樣進行重金屬Cd含量測定，發(fā)現(xiàn)重金屬Cd在灌水第2 d，在表面0～20 cm土壤中含量最高，隨深度降低濃度降低；第4 d開始，表面濃度略微降低，深層濃度逐漸增加；到第6 d、第8 d時，Cd主要在土壤表層(0～40 cm深度處)積累，濃度隨深度降低，40～80 cm深度處無明顯差異，80～120 cm深度處重金屬含量突增，濃度最高，120～180 cm深度處重金屬含量急劇降低。這是因為再生水滴灌灌水量較小、流速較小、時間較短，重金屬很少被淋洗到深土層及地下徑流中，且有一部分重金屬在滲水后期，隨毛管上升到一定位置，最終大部分維持在表層及80～120 cm處，第8 d時，180 cm處Cd濃度較第6 d有明顯減少，說明淋洗及毛管孔隙上升作用使深層Cd產(chǎn)生一定運移，這與參考文獻[16]結(jié)果較為一致，具體趨勢如圖1所示。

圖1 首次滴灌后土壤剖面重金屬Cd運移分布情況

2.2 生育期內(nèi)土壤Cd濃度變化情況

上節(jié)中對首次滴灌后第2、4、6、8 d分別測定Cd在各層土壤中濃度變化，圖中看出Cd在一次灌水作用下的變化規(guī)律。整個作物生育期內(nèi)要灌水多次，本節(jié)主要綜合整個生育期的Cd運移積累情況進行分析研究。生育期內(nèi)對每個處理及重復的土壤表層各層采樣測試，可以看出，再生水滴灌(Z1、Z2、Z3、Z4處理)過程里，隨著時間的延長、灌水次數(shù)增加，土壤中蓄積的Cd濃度是增加的，但增加較緩慢。隨著再生水濃度降低，蓄積Cd的濃度也降低。地下水滴灌(D處理)過程中，Cd蓄積趨勢不明顯，和再生水滴灌曲線比較，為較為平緩的曲線?？赡苁且驗橥寥篮偷叵滤镜椎腃d在多頻率、小流量的滴灌下，土壤淺層Cd淋洗速度快于蓄積速度，作物本身對Cd也有一定吸附吸收作用。同樣，在每次灌水第2、4 d，表層Cd濃度略微降低，80～120 cm處濃度略增加，120 cm以下處濃度緩慢降低；第6、8 d，Cd主要在表層和100 cm左右聚集，120 cm以下處Cd濃度急劇降低。這與上一節(jié)研究一致，說明單次滴灌灌水停后，深層土壤重金屬濃度差及毛管作用會使重金屬鹽分在土壤中隨水調(diào)節(jié)至趨于平衡狀態(tài)。與參考文獻[4,13,16]結(jié)論符合，具體規(guī)律見圖2和圖3。

圖2 生育期內(nèi)土壤重金屬Cd分布運移情況

圖3 土壤各層Cd蓄積情況

3 結(jié) 語

本研究對生育期內(nèi)大棚蘿卜進行再生水滴灌試驗，與地下水滴灌為對照，分析研究了再生水滴灌后8 d內(nèi)土壤不同深度中重金屬Cd積累分布和運移情況。結(jié)果表明：滴灌后第2 d，表層土壤Cd濃度最大，滴灌后第4 d 100 cm深度處Cd濃度最大，表層土壤Cd濃度略有降低，第6～8 d，各層土壤Cd濃度接近，0～40和80～120 cm處濃度最大，深度低于120 cm時Cd濃度隨深度增加降低。當采用再生水滴灌情況下，水和土壤中Cd濃度符合灌溉水和土壤的標準限值二級土壤標準[14,15]。如果要確定再生水滴灌是否會造成Cd污染，還需進行多年度重復試驗。

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