澆灌水質(zhì)對土壤影響研究現(xiàn)狀

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本文作者：劉興華1胡林林2陳為峰1李敏2作者單位：1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院2.中國環(huán)境科學(xué)研究院

隨著全球水資源日趨緊張，污水灌溉已被許多國家作為重要的灌溉水源。但污水也是我國城鎮(zhèn)近郊重要的灌溉水源之一。我國污灌面積90％以上集中在北方水資源嚴(yán)重短缺的黃、淮、海、遼河流域，5大污灌區(qū)為北京、天津武寶寧、遼寧沈撫、山西惠明和新疆石河子污灌區(qū)［1］。美國污水灌溉區(qū)域主要集中在弗洛里達(dá)州和加利福尼亞州，這2個(gè)州是最早建筑澆灌管道利用再生水進(jìn)行灌溉的地區(qū)。加拿大經(jīng)歷了近10年的干旱期之后，污水灌溉在全國范圍內(nèi)引起了廣泛的關(guān)注，很多州已經(jīng)開始建設(shè)污水灌溉工程。歐洲基金組織研究中顯示“歐洲和很多地中海國家在這方面的發(fā)展相對滯后，主要是由于這種污水利用的觀念被政府和公眾完全接受還有一定的困難”。2010年以色列80％以上的污水處理后用作農(nóng)田灌溉和其他社會用水。西班牙全國20％的污水處理后重新利用［2］。污水灌溉是重要的灌溉補(bǔ)充水源，又是污水資源化的重要方式，同時(shí)污水中的氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素又為作物提供必不可少的養(yǎng)分；但是對于環(huán)保而言，污水中的有毒物質(zhì)不僅污染環(huán)境還會在土壤和作物中積累，通過食物鏈富集，最終危害人類健康。近年來，重金屬對土壤－植物系統(tǒng)的污染問題逐漸成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。

1土壤中重金屬的來源

（1）隨著大氣沉降進(jìn)入土壤的重金屬。大氣中的重金屬主要來源于能源、運(yùn)輸、冶金和建筑材料生產(chǎn)產(chǎn)生的氣體和粉塵，除汞以外，重金屬基本上是以氣溶膠的形態(tài)進(jìn)入大氣，經(jīng)過自然沉降和降水進(jìn)入土壤。（2）隨固體廢棄物進(jìn)入土壤的重金屬。固體廢棄物種類繁多，成分復(fù)雜，最主要的有工礦業(yè)和工業(yè)固體廢棄物污染，這類廢棄物在堆放和處理過程中，由于日曬、雨淋、水洗重金屬極易移動(dòng)，以輻射狀、漏斗狀向周圍土壤、水體擴(kuò)散。由于固體廢棄物直接或通過加工作為肥料施入土壤，造成重金屬污染。（3）隨農(nóng)用物資進(jìn)入土壤的重金屬。農(nóng)藥、化肥和地膜是重要的農(nóng)用物資，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展起著重大的推動(dòng)作用，但長期不合理使用，也可以導(dǎo)致土壤重金屬污染。（4）隨污水進(jìn)入土壤的重金屬。利用污水灌溉是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)灌溉的重要技術(shù)之一，主要是把污水作為灌溉水源利用。污水按來源和數(shù)量可分為城市生活污水、石油化工污水、工業(yè)礦山污水和城市混合污水等。生活污水中重金屬含量很少，但是，由于我國工業(yè)迅速發(fā)展，工礦企業(yè)污水未經(jīng)分流處理而排入地下水道與生活污水混合排放，從而在污灌區(qū)土壤重金屬含量逐年增加。這是重金屬進(jìn)入土壤中的主要來源。重金屬元素進(jìn)入土壤－植物系統(tǒng)，不會被分解轉(zhuǎn)化，只能在不同介質(zhì)之間完成吸收、累積、轉(zhuǎn)移等過程。重金屬在從一種介質(zhì)向另一種介質(zhì)的遷移轉(zhuǎn)化過程中，常常伴有重金屬元素在介質(zhì)中的積累和殘留。污灌區(qū)土壤中的重金屬隨植物生長被吸收并在植物體內(nèi)積累，積累濃度超過一定限值就會對農(nóng)作物產(chǎn)生危害，隨著污水灌溉時(shí)間的延長，重金屬對作物的危害越來越嚴(yán)重。劉登義等［3］研究表明，經(jīng)污水澆灌的小麥幼苗與對照組相比，植株矮小，根短，根數(shù)目少，莖、葉、根的干重、鮮重和可溶性蛋白含量均明顯減少，并出現(xiàn)葉尖枯黃，葉片色素含量下降。鄭春霞等［4］研究表明，當(dāng)鉛濃度為1000μg／L時(shí)，玉米苗在10天之內(nèi)全部死亡。進(jìn)入農(nóng)作物中的重金屬會隨著食物鏈進(jìn)入人體，最終對人體造成危害。因此，重金屬在土壤中的轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)化是研究其對土壤污染、作物危害的重要方面。

2重金屬在土壤中的形態(tài)、遷移、轉(zhuǎn)化特點(diǎn)

重金屬是土壤環(huán)境中一類具有潛在危害的污染物。重金屬在土壤中不易隨水淋濾，不能被微生物分解；相反地，生物體可以富集重金屬，使其在環(huán)境中積累，在積累初期可能不易覺察，一旦危害作用較明顯地表現(xiàn)出來就難以消除［5］。自20世紀(jì)50年代前后日本出現(xiàn)“水俁病”和“骨痛病”，并且查明這些病分別是由汞和鎘污染所引起的“公害病”以后，重金屬的環(huán)境污染問題才受到人們的極大關(guān)注。重金屬在環(huán)境中的賦存形態(tài)主要有水溶態(tài)、交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)和殘留態(tài)。由于水溶態(tài)一般含量較低，又不容易與交換態(tài)區(qū)分，常將水溶態(tài)合并到交換態(tài)之中。朱桂芬等［6］研究得出土壤中Cd、Cr主要以鐵－錳氧化物結(jié)合態(tài)存在，Ni、Zn主要以殘留態(tài)存在，Cu主要以有機(jī)結(jié)合態(tài)存在。王玉紅［7］通過Tessier形態(tài)分析結(jié)果表明，元素Cu的形態(tài)分布規(guī)律為：殘余態(tài)＞鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)＞碳酸鹽結(jié)合態(tài)＞有機(jī)物結(jié)合態(tài)＞可交換態(tài)；Zn：殘余態(tài)＞鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)＞有機(jī)物結(jié)合態(tài)＞碳酸鹽結(jié)合態(tài)＞可交換態(tài)；Cr：殘余態(tài)＞鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)＞有機(jī)物結(jié)合態(tài)＞碳酸鹽結(jié)合態(tài)＞可交換態(tài)；Cd：殘余態(tài)＞鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)＞碳酸鹽結(jié)合態(tài)＞可交換態(tài)＞有機(jī)物結(jié)合態(tài)；Pb和Ni：殘余態(tài)＞鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)＞有機(jī)物結(jié)合態(tài)＞碳酸鹽結(jié)合態(tài)＞可交換態(tài)。在不同環(huán)境條件下，由于土壤類型、土地利用方式（水田、旱地、果園、牧場、林地等）、土壤pH值、Eh、土壤有機(jī)無機(jī)膠體的含量等因素的差異，重金屬元素賦存形態(tài)的不同。重金屬在環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化，幾乎包括水體中的所有物理化學(xué)過程，而且具有可逆性，無論是形態(tài)轉(zhuǎn)化或物相轉(zhuǎn)化，都能隨環(huán)境條件變化。因此，沉積的可以再溶解，氧化的可以再還原，吸附的可以再解吸，各種形態(tài)存在于動(dòng)態(tài)平衡中。重金屬通過物理遷移、化學(xué)遷移、物理化學(xué)遷移和生物遷移等方式在土壤－植物體系中累積、遷移。該過程一般取決于重金屬在土壤中的存在形態(tài)、含量以及植物種類和環(huán)境條件變化等因素。重金屬的毒性作用通常并不單純的是劑量與效應(yīng)的關(guān)系，其進(jìn)入土壤環(huán)境后的活性高低更大程度上取決于其化學(xué)形態(tài)即價(jià)態(tài)、化合態(tài)、結(jié)合態(tài)和結(jié)構(gòu)狀態(tài)4個(gè)方面，也就是指一種元素在環(huán)境中以某種離子或分子存在的實(shí)際形式，有可能表現(xiàn)出不同的生物毒性和環(huán)境行為［8］。通常情況下，重金屬進(jìn)入土壤中后很大一部分是被土壤通過靜電和絡(luò)合作用吸附，還有少部分殘留于土壤溶液中，兩者處于吸持和解析的動(dòng)態(tài)平衡中，土壤溶液中重金屬含量的高低直接影響作物的吸收量，以動(dòng)態(tài)平衡為主要界面遷移行為是控制重金屬在土壤－植物系統(tǒng)中轉(zhuǎn)化遷移的重要機(jī)制。

3污水灌溉對土壤重金屬含量的影響

不合理的污水灌溉會使重金屬對土壤的毒害作用增強(qiáng)，尤其是長期污水灌溉會增加土壤中重金屬的積累，灌溉污水進(jìn)入土壤一方面直接增加土壤溶液中重金屬的含量，另一方面通過螯合作用和酸化作用增加難溶態(tài)重金屬的溶解度［9］。趙慶良等［10］在不同水質(zhì)（3級處理水、2級處理水、污水、清水）、相同土壤重金屬起始含量的試驗(yàn)區(qū)對農(nóng)作物進(jìn)行處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)對于黃瓜和白菜生長期較短的作物，灌溉水量較少，植物本身還要吸收一部分，因此在土壤中殘留較少；對于玉米生長期較長，澆水量較多，長期灌溉土壤中重金屬的累積規(guī)律為：污水＞2級水＞3級水＞清水。姜勇等［11］對農(nóng)田污灌區(qū)的污水和土壤監(jiān)測結(jié)果表明污灌可不同程度污染農(nóng)田生態(tài)環(huán)境，若灌溉不當(dāng)則造成農(nóng)田土壤重金屬的積累，破壞土壤內(nèi)部及土壤與其他系統(tǒng)間的生態(tài)平衡。同時(shí)用污水和污土進(jìn)行了水稻灌溉盆栽實(shí)驗(yàn)，設(shè)污土污灌、污土清灌、清土污灌和清土清灌4個(gè)處理。其中污水和污土中重金屬含量均超出國家標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果表明，各處理較清土清灌對秧苗長勢均產(chǎn)生一定影響，以污土處理較為嚴(yán)重，污土清灌處理秧苗長勢有好轉(zhuǎn)，清土污灌對秧苗生長影響相對較小，表明潔凈土壤具有較強(qiáng)的緩沖能力，污水污灌處理秧苗生長期較短。由該試驗(yàn)可以推想，重金屬對土壤的污染作用的來源主要有2種方式：一是土壤本身存在的重金屬即土壤起始含量；二是外來重金屬，對于大多數(shù)農(nóng)田土壤而言這部分重金屬主要來自灌溉水。兩者對土壤重金屬含量的影響主要可以從以下3種情況分析。

第1種情況，土壤本身重金屬含量較低而灌溉水中重金屬的濃度較高。首先，灌溉水會使土壤積累重金屬，由于土壤本身具有一定的緩存能力，一方面可以通過吸附或絡(luò)合作用降低土壤溶液中的重金屬濃度，另外植物體也會吸收部分重金屬，因此盡管土壤中重金屬的積累量隨灌溉時(shí)間的增加而增加，但是要使土壤中重金屬含量超過土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)還與灌溉水中重金屬濃度的有關(guān)。灌溉水中重金屬濃度限值即污水灌溉標(biāo)準(zhǔn)，用低于國家水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的水灌溉，土壤中重金屬的累積量不會超過土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。郭鳳臺等［12］分別用井水、中水、生活污水、生活工業(yè)混合污水和工業(yè)污水灌溉10年以上，灌溉水中鉛含量分別為0．049，0．068，0．051，0．06，0．14mg／L，土壤鉛的起始含量小于35mg／kg進(jìn)行小麥、玉米生產(chǎn)試驗(yàn)得出污灌區(qū)土壤中重金屬的積累都有明顯增加，但沒有超過國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。MunirJ．MohammadRusan等［13］通過實(shí)驗(yàn)，分別對經(jīng)過2年、5年和10年用污水（該污水是經(jīng)過污水處理的，重金屬含量符合國家污水灌溉標(biāo)準(zhǔn)）灌溉的試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行土壤測定，發(fā)現(xiàn)不同灌溉時(shí)間對Cu積累無明顯差異；Zn、Fe、Mn積累量不穩(wěn)定，但在表土中的積累量穩(wěn)定。不同灌溉時(shí)間和土層深度土壤中的Pb和Cd積累量均無顯著差異。O．Al－Lahhama等［14］通過在污水（處理水）灌溉的大田試驗(yàn)研究了重金屬在馬鈴薯中的遷移問題，結(jié)果顯示土壤中重金屬銅、錳、鐵積累隨灌溉水中重金屬濃度的增加呈上升趨勢，但是不會超過約旦國家標(biāo)準(zhǔn)限值。楊慶娥等［15］研究發(fā)現(xiàn)用鉛含量在0．052～0．14mg／L的污水灌溉下生長的白菜根和葉中鉛含量均超出標(biāo)準(zhǔn)（1．0＞0．2mg／kg，GB14935－94），土壤中鉛累積量明顯增加但是沒有超過國家標(biāo)準(zhǔn)。楊朝暉［16］研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過30年的污水灌溉已對土壤造成污染，土壤鉛含量均為42～48mg／kg，略高于清灌區(qū)（高出0．6％～2．4％），超過土壤起始含量35mg／kg，小于350mg／kg，還沒有超過國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)2級標(biāo)準(zhǔn)。重金屬隨著灌溉年限的增加積累量呈上升趨勢，根據(jù)污染物質(zhì)的輸入輸出總量及各種污染成分在土壤中的殘留率，利用土壤中重金屬的殘留量的計(jì)算公式推測在未來50～100年中，灌溉水中重金屬含量低于國家灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的情況下，灌溉區(qū)土壤中重金屬的積累量不會超過國家標(biāo)準(zhǔn)。反之，灌溉水中重金屬含量過高時(shí)，則會使土壤中重金屬累積量超過土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。段飛舟等［17］對鞍山宋三灌溉區(qū)稻田土壤重金屬含量進(jìn)行分析，結(jié)果表明，利用工業(yè)廢水進(jìn)行灌溉的稻田，土壤環(huán)境質(zhì)量明顯低于利用河水和城市生活廢水進(jìn)行灌溉的區(qū)域，也就是說明用重金屬含量越高的水灌溉，土壤累積量越高。其中，工業(yè)廢水中重金屬Cd濃度為0．014mg／kg灌溉區(qū)土壤重金屬累積量為0．54mg／kg，Hg濃度為0．00039mg／kg灌溉區(qū)土壤累積量為0．65mg／kg，超過國家標(biāo)準(zhǔn)。PeijunLia等［18］的研究發(fā)現(xiàn)長期工業(yè)廢水灌溉造成鎘濃度超過國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)3級標(biāo)準(zhǔn)，而鋅和鉛超過1級標(biāo)準(zhǔn)，Cu接近1級標(biāo)準(zhǔn)，Cd容易被植物體吸收累積，容易通過食物鏈富集，從而影響人類健康。其次，灌溉水中重金屬濃度一定，土壤起始含量越高對作物的危害作用越強(qiáng)，土壤中重金屬積累強(qiáng)度越大，因?yàn)橥寥朗且粋€(gè)生態(tài)系統(tǒng)對環(huán)境的容納能力是有限的，重金屬濃度越高，被污染程度越大，土壤的緩沖能力越弱，自身修復(fù)能力越差，這就可能導(dǎo)致更多的重金屬被累積下來。也就是說土壤質(zhì)量越差的土壤惡化速度越快。反之，土壤中重金屬累積強(qiáng)度越小。近年來，隨著污水灌溉對土壤、作物造成的危害越來越嚴(yán)重，在這方面的研究也逐漸引起人們的關(guān)注，但是大部分研究主要集中在污水灌溉對土壤和作物的影響方面。

第2種情況，土壤重金屬含量較高而灌溉水中重金屬的濃度較低。土壤起始含量較高時(shí)，用重金屬含量較低的水灌溉，相當(dāng)于稀釋土壤溶液中重金屬濃度，破壞了土壤重金屬原有的平衡狀態(tài)，促進(jìn)難溶態(tài)向可溶態(tài)的轉(zhuǎn)化，有利于重金屬在土壤中的遷移。該過程一方面能夠促進(jìn)作物對重金屬的吸收，另一方面有利于微生物對重金屬的富集以及土壤的淋溶作用等。總之，土壤中重金屬的累積量減少，有利于土壤的環(huán)境質(zhì)量的提高。魏益華等［19］在再生水灌溉對菜地土壤次生鹽漬化及鹽分離子和重金屬離子累積分布規(guī)律的影響做了研究，用全自來水和不同比例的再生水灌溉，結(jié)果顯示重金屬在各層土壤中的積累量并未隨灌溉時(shí)間和灌溉量的增加而出現(xiàn)增加，灌溉55d土壤中重金屬的含量明顯低于32d時(shí)土壤中重金屬含量。巫常林等［20］通過再生水短期灌溉對土壤－作物中重金屬分布影響的實(shí)驗(yàn)研究中得出用清水和全再生水灌溉會使土壤中重金屬含量降低，而且對2003－2004年冬小麥生長季節(jié)分析土壤－作物系統(tǒng)重金屬的平衡狀況，冬小麥?zhǔn)斋@時(shí)由地上部分帶走的重金屬含量均高于再生水灌溉的帶入量。由此可以看出，重金屬含量較低的灌溉水可以降低土壤重金屬的累積量。但是由于大部分試驗(yàn)研究是在大田內(nèi)完成，土壤重金屬含量除受灌溉水的影響可能還與大氣沉降、施肥等因素有關(guān)。在此方面可以通過室內(nèi)盆栽試驗(yàn)做進(jìn)一步的研究以確定灌溉水中重金屬濃度對土壤重金屬起始含量的影響。

第3種情況，土壤中重金屬含量較低同時(shí)灌溉水中重金屬濃度也較低時(shí)，由于作物吸收、淋濾、微生物富集等作用可能會使土壤得到緩慢的修復(fù)，而土壤起始含量較高時(shí)繼續(xù)用污水灌溉可能會導(dǎo)致土壤惡化。在這方面的研究較少，還沒有試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以說明。

4污水灌溉重金屬污染研究展望

以往，重金屬污染問題主要側(cè)重于通過野外實(shí)地調(diào)查或小規(guī)模的室內(nèi)模擬研究，發(fā)現(xiàn)或查明重金屬對生態(tài)環(huán)境的影響［21］。這樣使問題的研究只是停留在靜態(tài)觀察階段或定性剖析水平。重金屬污染是一個(gè)由重金屬參與的在生物系統(tǒng)作用力與環(huán)境系統(tǒng)作用力相互作用下隨時(shí)間和空間變化而變化的復(fù)雜過程，要進(jìn)一步研究灌溉水質(zhì)與土壤中重金屬積累的關(guān)系應(yīng)將室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)與大田試驗(yàn)有機(jī)結(jié)合起來，盡量排出不確定因素。此外，近年來在重金屬對土壤環(huán)境質(zhì)量和作物產(chǎn)量、品質(zhì)的影響方面的研究較多，對于灌溉水質(zhì)的研究則主要集中在污水灌溉、再生水灌溉以及工業(yè)廢水灌溉方面，而對于重金屬在土壤中的轉(zhuǎn)化、遷移機(jī)制，以及土壤重金屬起始含量與灌溉水質(zhì)的關(guān)系對土壤環(huán)境質(zhì)量的影響關(guān)注較少。目前國內(nèi)外治理土壤重金屬污染的途徑主要有2種，一是改變重金屬在土壤中的存在形態(tài)，使其固定降低其在環(huán)境中的遷移能力和生物可利用性；二是從土壤中除去重金屬。基于不同土壤重金屬起始含量制定不同灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)在土壤重金屬污染修復(fù)方面也具有重要的指導(dǎo)作用，應(yīng)該引起人們的重視。