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(zhì)量分數(shù)的影響及其與基本土壤指標的相關(guān)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(zhì)量分數(shù)，并探究其內(nèi)在機理。在漫灌條件下，土壤中鎘的質(zhì)量分數(shù)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(zhì)量分數(shù)，滴頭流量為2 L/h的滴灌方式則導(dǎo)致鎘的質(zhì)量分數(shù)升高。滴頭流量為2 L/h的滴灌方式顯著增加了鉛的質(zhì)量分數(shù)，在其他處理下鉛的質(zhì)量分數(shù)保持穩(wěn)定。相關(guān)性分析結(jié)果顯示，鎘的質(zhì)量分數(shù)與土壤pH值呈顯著正相關(guān)，鉛的質(zhì)量分數(shù)與有機質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)呈顯著正相關(guān)。重金屬在土壤中的行為受灌溉水量及土壤物理化學(xué)特性共同影響，調(diào)整灌溉方式以控制pH值和有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)有助于管理土壤重金屬污染。

關(guān)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(yè)化導(dǎo)致水資源短缺問題加劇，非常規(guī)水源的有效利用成為緩解這一問題的關(guān)鍵。再生水回用技術(shù)能將污水轉(zhuǎn)化為資源，因此備受關(guān)注。再生水是經(jīng)過處理的生活或工業(yè)廢水，達到一定水質(zhì)標準后，可用于農(nóng)業(yè)灌溉和景觀補水等非飲用水領(lǐng)域，有助于節(jié)約淡水資源并促進循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展，對水資源的可持續(xù)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(yè)排放和管道腐蝕的污染物，包括特定含量的個人護理產(chǎn)品殘留和重金屬［2］。再生水用于農(nóng)田灌溉時，重金屬可能通過土壤-植物系統(tǒng)遷移轉(zhuǎn)化，威脅作物品質(zhì)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(tài)效應(yīng)的影響非常重要。

從環(huán)境安全的視角出發(fā)，深入理解不同種類重金屬在特定環(huán)境條件下（如pH值波動、有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)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(yīng)用再生水進行農(nóng)田灌溉可能引發(fā)的環(huán)境污染風(fēng)險具有重要意義。積極尋求并推廣科學(xué)的管理措施與先進的技術(shù)手段，減小重金屬污染對生態(tài)環(huán)境及農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的影響，是保障農(nóng)產(chǎn)品食用安全、維護生態(tài)平衡的關(guān)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(zhì)量分數(shù)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(zhuǎn)化規(guī)律，旨在為再生水灌溉的科學(xué)推廣奠定堅實的理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所需土壤樣本取自農(nóng)田0～20 cm的耕層，土壤類型為砂壤土。采集后，土壤經(jīng)過自然風(fēng)干處理，并通過5 mm篩網(wǎng)進行篩分，以確保其均勻性，隨后裝填于試驗箱中，以供后續(xù)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(yè)廢水。污水處理采用厭氧好氧工藝法，以確保水質(zhì)符合試驗要求。

1.2 試驗設(shè)計

此次試驗采用隨機化區(qū)組設(shè)計策略，旨在確保試驗結(jié)果的準確性和可靠性。在設(shè)計過程中，滴頭流量被選定為關(guān)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(jié)果的可靠性，在每個處理組均設(shè)置3組重復(fù)試驗。嚴格控制試驗環(huán)境，白天溫度維持在（26±1）℃，晚間溫度則設(shè)定在（18±1）℃，相對濕度約在60%的水平。

在試驗周期內(nèi)，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(shè)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(jīng)過風(fēng)干及篩分處理。試驗結(jié)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(xué)儀器股份有限公司生產(chǎn)的DDB-303A型便攜式電導(dǎo)率儀測定土壤電導(dǎo)率（EC）；利用低溫外熱重鉻酸鉀氧化-比色法測定有機質(zhì)（OM）的質(zhì)量分數(shù)；采用德國SEAL公司生產(chǎn)的Seal-AA3型連續(xù)流動化學(xué)分析儀測定土壤全氮（TN）及全磷（TP）的質(zhì)量分數(shù)；土壤樣品經(jīng)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(zhì)量分數(shù)；土壤樣品經(jīng)1 mol/L乙酸銨提取后，采用火焰光度法對土壤速效鉀的質(zhì)量分數(shù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhì)量分數(shù)［1］。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同再生水灌溉方式下表層土壤重金屬質(zhì)量分數(shù)的差異性

經(jīng)過對比分析，對不同再生水灌溉方式下表層土壤中鎘的質(zhì)量分數(shù)的變化情況進行研究，結(jié)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(zhì)量分數(shù)與背景值（即灌溉前土壤的原始鎘的質(zhì)量分數(shù)）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(zhì)量分數(shù)造成顯著的增加。相反，當(dāng)使用滴頭流量8 L/h的滴灌方式時，結(jié)果顯示土壤中鎘的質(zhì)量分數(shù)顯著低于背景值（Plt;0.05），這可能是因為高流量滴灌技術(shù)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(dāng)?shù)晤^流量降至2 L/h進行滴灌時，土壤中鎘的質(zhì)量分數(shù)卻顯著高于背景值（Plt;0.05），這可能是由于低流量滴灌技術(shù)未能促使鎘向土壤深層遷移，反而導(dǎo)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(xiàn)出與鎘截然不同的規(guī)律（如圖2）。具體而言，在滴灌試驗中，當(dāng)?shù)晤^流量設(shè)定為2 L/h時，土壤中鉛的質(zhì)量分數(shù)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(xiàn)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(zhì)量分數(shù)并未發(fā)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(wěn)定狀態(tài)。

2.2 不同再生水灌溉方式下表層土壤重金屬質(zhì)量分數(shù)與基本指標的相關(guān)性

研究對不同再生水灌溉方式下土壤重金屬（Cd和Pb）質(zhì)量分數(shù)與基本指標之間的相關(guān)性進行了分析（如圖3）。結(jié)果表明，鎘（Cd）的質(zhì)量分數(shù)與土壤pH值之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系（Plt;0.05），這揭示了在高pH值環(huán)境下，土壤對鎘的吸附能力增強，促使鎘的質(zhì)量分數(shù)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(zhì)量分數(shù)與土壤有機質(zhì)（OM）之間呈現(xiàn)出顯著的正相關(guān)關(guān)系（Plt;0.05），可能是由于有機質(zhì)能通過絡(luò)合反應(yīng)或形成穩(wěn)定復(fù)合物，以降低鉛的遷移性和生物可利用性。

研究還發(fā)現(xiàn)鎘、鉛與總氮（TN）、總磷（TP）及電導(dǎo)率（EC）之間并未呈現(xiàn)出明顯的相關(guān)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(zhì)量分數(shù)影響的內(nèi)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(jié)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(jié)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(jù)研究數(shù)據(jù)可知，其并不是決定表層土壤中鎘質(zhì)量分數(shù)變化的主要因素，其他土壤特性如土壤結(jié)構(gòu)、氧化還原狀態(tài)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(guān)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(zhì)質(zhì)量分數(shù)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(zhì)質(zhì)量分數(shù)的增加有效解釋了不同灌溉方式下鉛質(zhì)量分數(shù)的差異，因為有機質(zhì)中含有豐富的官能團（如羧基、羥基等），能與重金屬形成穩(wěn)定復(fù)合物，降低其遷移可能性［5］。此外，有機質(zhì)還能改善土壤結(jié)構(gòu)，增強其保水保肥性能，間接影響重金屬的遷移和分布。

3 結(jié)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(zhì)量分數(shù)的影響。結(jié)果表明，漫灌方式下土壤中鎘的質(zhì)量分數(shù)無顯著差異，而8 L/h滴灌方式顯著降低了鎘的質(zhì)量分數(shù)，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(dǎo)致鎘的質(zhì)量分數(shù)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(zhì)量分數(shù)，說明低流量滴灌方式有利于鉛在土壤表層的富集。鎘的質(zhì)量分數(shù)與土壤pH值呈正相關(guān)，鉛的質(zhì)量分數(shù)與有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)呈正相關(guān)，表明較高的pH值能增強土壤對鎘的吸附能力，而有機質(zhì)的存在有利于土壤中鉛的留存。未來研究應(yīng)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(zhuǎn)化的影響，并考慮其長期效應(yīng)。優(yōu)化灌溉策略和技術(shù)手段可有效控制重金屬污染，保障農(nóng)產(chǎn)品安全和生態(tài)健康。

參考文獻：

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