污水灌溉對作物重金屬含量的影響因素分析

王 霞，李王成,3

(1.寧夏大學土木與水利工程學院，銀川 750021；2.寧夏節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術研究中心，銀川 750021；3.旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用教育部工程研究中心，銀川 750021)

近些年來，由于我國水資源的緊缺以及地表水體的嚴重污染，農(nóng)灌區(qū)使用污水灌溉的現(xiàn)象較為普遍，在北方一些嚴重缺水地區(qū)甚至將工業(yè)污水作為水源直接進行灌溉[1]。使用污水灌溉能夠在一定程度上緩解我國農(nóng)業(yè)用水的供需矛盾，但是如果長期進行污水灌溉，可能會造成土地污染。據(jù)了解，我國37個污灌區(qū)中有22個明顯污染點，其中半數(shù)以上是重金屬累計超標[2]。污灌區(qū)土壤重金屬累積造成作物重金屬含量超標，并通過食物鏈放大作用進入人體，對人類身體健康造成嚴重危害[3,4]。

目前許多學者研究通過對有較長污灌歷史的污灌區(qū)研究發(fā)現(xiàn)，污灌區(qū)土壤重金屬累積比較嚴重，灌區(qū)作物重金屬超標現(xiàn)象比較普遍[5,6]，并且作物體內(nèi)重金屬含量受土壤重金屬有效態(tài)和全量、灌溉水質、土壤屬性、作物種類的影響[7,8]。

土壤是農(nóng)作物的生長介質,農(nóng)作物主要是通過根系從土壤中吸收重金屬。這一過程受到內(nèi)因、外因兩方面的影響，內(nèi)因是作物對重金屬的吸收能力，外因則是土壤重金屬的全量及其有效性。本文從影響土壤重金屬有效態(tài)和作物生長發(fā)育的因素為切入點，針對污水灌溉造成作物體內(nèi)重金屬含量累積的問題進行了分析。

1 土壤屬性對作物重金屬含量的影響

土壤環(huán)境中重金屬存在的形態(tài)分為可交換態(tài)、碳酸鹽結合態(tài)、鐵錳氧化物結合態(tài)、有機結合態(tài)、殘留態(tài)5種形態(tài)[9]。前4種重金屬存在形態(tài)可能會被作物吸收，稱之為有效態(tài)，其含量可作為衡量土壤重金屬被植物吸收難易程度的指標,即有效態(tài)含量越高,則表明土壤中的重金屬愈容易被作物吸收。由于土壤的屬性對重金屬的賦存形態(tài)有一定影響，故其對作物的重金屬含量可能會產(chǎn)生影響。

(1)土壤物理指標對作物重金屬含量的影響。有研究發(fā)現(xiàn)土壤物理指標對作物重金屬含量有明顯的影響。不同粒徑的土壤顆粒,對重金屬的束縛能力存在差異,除Pb和Hg外，其他重金屬含量均與土壤的平均粒徑呈顯著的負相關關系，即土壤細小顆粒更容易富集重金屬[10,11]。并且重金屬含量與土壤包氣帶巖性結構相對應,一般在粉沙中含量最低,亞沙土中次之,亞黏土中最高，但是質地重的土壤對重金屬吸附能力強，從而降低重金屬的遷移能力[12,13]。孫彬彬研究發(fā)現(xiàn)，多數(shù)土壤微量重金屬元素隨SiO2含量的增加而降低,隨Al2O3、Fe2O3含量的增加而增加，土壤質地對重金屬元素異常的形成具明顯的控制作用[14]。同時土壤中膠體對重金屬具有顯著吸附作用，其能夠形成膠體-重金屬復合體，提高重金屬的遷移性[15]。因此，黏質土成分比例越大，土壤粒徑越小，膠體結構越多，土壤對重金屬的富集能力越強，土壤的重金屬全量越大。孫芳芳研究證明，作物體內(nèi)重金屬含量與土壤重金屬全量和有效態(tài)含量存在顯著線性關系，與有效態(tài)關系尤其顯著[16]。

(2)土壤化學指標對作物重金屬含量的影響。目前研究認為，土壤化學指標中的pH和有機質含量對影響重金屬有效態(tài)含量有顯著的影響作用[17]。pH對土壤有效態(tài)重金屬含量的影響主要是由于其對重金屬元素活性有直接影響,從而使土壤重金屬在土壤中的形態(tài)發(fā)生改變[18]。在酸性條件下，pH值的下降可活化土壤重金屬，顯著提高重金屬在土壤中的遷移能力，增加有效態(tài)[17,19]，堿性條件下，當土壤pH值升高時,重金屬元素將逐漸轉化為氫氧化物或氧化物,溶解度降低,有效態(tài)重金屬含量降低(砷除外)[20]。有研究證明，一方面，土壤有機質中的有機酸對重金屬有吸附交換作用，從而增加有效態(tài)重金屬的含量；另一方面，有機質中的腐殖質對重金屬具有螯合作用，使其難以被作物根系吸收，從而降低重金屬對作物的有效性[17]。在土壤pH值較低，重金屬濃度較高時，有機質對重金屬吸附交換作用大于螯合作用，即土壤有機質對作物重金屬含量的增加具有促進作用[19]。

(3)土壤生物指標對作物重金屬含量的影響。土壤中微生物通過參與土壤的各種生化過程能夠增加土壤有機質含量，促進土壤團粒結構的形成，改善土壤結構[21]。土壤有機質含量的上升和土壤團聚體的增加對土壤重金屬有效態(tài)含量有促進作用[22]，進而影響了作物重金屬含量的累積。根據(jù)前面分析可知，污灌區(qū)土壤的物理、化學、生物指標對土壤重金屬有效態(tài)含量都有一定影響。其中黏質土成分比重的增高、土壤粒徑的減小、有機質含量的增加和土壤pH值的降低均對土壤重金屬有效態(tài)含量的升高有促進作用，加大重金屬在作物體內(nèi)累積的概率。

2 水質對作物重金屬含量的影響

污水灌溉水源主要來源于工業(yè)、農(nóng)業(yè)以及城市生活所排泄的大量被污染的地表水體。眾多研究者通過灌溉實驗和采樣分析研究表明，污水灌溉的水質對作物重金屬含量有一定影響。

(1)污水中重金屬離子濃度對作物重金屬含量的影響。長期灌溉含有重金屬離子的污水會導致土壤重金屬產(chǎn)生顯著累積現(xiàn)象[23,24]。重金屬在土壤中的大量累積，相當于增加了土壤重金屬全量，進而會造成作物重金屬含量在一定程度上有所增加。張志華通過盆栽試驗發(fā)現(xiàn)土壤和作物體內(nèi)重金屬的富集隨污水中重金屬離子濃度的增加而增加[25],與本文分析結果一致。

(2)污水pH值對作物重金屬含量的影響。城市廢污水的成分復雜，如果未經(jīng)過科學處理，很有可能偏酸性或者偏堿性。同時由于環(huán)境污染日益嚴重,現(xiàn)在某些地區(qū)酸雨逐漸頻繁,酸雨會造成湖泊等地表水pH產(chǎn)生一定影響。重金屬離子的毒性與離子價態(tài)有關，如Cr6+在土壤中的活性很強，很容易被作物的吸收利用，而Cr3+在土壤中主要以陽離子形式存在，很容易被土壤吸附固定，形成鉻和鐵的氫氧化物，活動性較差[26,27]。污水pH值的變化，會對自身攜帶的重金屬離子價態(tài)和氫氧化物的溶解度有一定影響[28]。同時污水灌溉可能會導致污灌區(qū)土壤的pH發(fā)生變化，從而影響到土壤重金屬的有效態(tài)含量。

(3)污水中陰陽離子對作物重金屬含量的影響。生活污水和工業(yè)廢水中一般攜帶大量的陰陽離子，比如Na+、K+、Cl-、CO2-3等離子。CO2-3和Cl-的增加會增加土壤中碳酸鹽結合態(tài)和可交換態(tài)重金屬含量，Na+、K+會對重金屬陽離子產(chǎn)生競爭吸附作用，陰陽離子增加使更多的重金屬離子暴露在土壤中，增加其在土壤中的遷移性[18,29]，即提高土壤重金屬重金屬有效態(tài)含量。同時土壤的全鹽量會隨著各種陰陽離子的輸入而增加，有研究證明作物重金屬含量與土壤全鹽量呈正相關關系[13,30]。

綜前所述，作物重金屬含量與污水中重金屬離子濃度、污水中陰陽離子濃度呈正相關關系，與污水pH值呈負相關關系(砷除外)。

3 作物體內(nèi)重金屬富集規(guī)律分析

在同一生長條件下，不同作物種類及作物不同營養(yǎng)部位，其生長發(fā)育特征以及對水分養(yǎng)料的吸收規(guī)律都不同，其對重金屬的富集規(guī)律也有所差異。

(1)不同種類作物重金屬富集能力分析。作物重金屬含量與其整個生育期內(nèi)所吸收的重金屬量有關，生育期長短、耗水量等因素都可能影響其對重金屬的吸收量。目前通過盆栽和田間試驗對我國主要糧食作物和常見的蔬菜作物重金屬富集能力的研究發(fā)現(xiàn)，除水稻外，一般蔬菜作物比糧食作物的重金屬富集能力強，且不同種類的糧食作物和蔬菜作物對各種重金屬的富集能力也存在差異，可能與水稻一般所采用淹灌灌溉制度有關。糧食作物對重金屬的富集能力順序為水稻>小麥>玉米>大豆，蔬菜作物為葉菜類>花菜類>根莖類>果菜類[31-35]。同時有研究發(fā)現(xiàn)，同種類作物不同品種對重金屬的富集規(guī)律也存在顯著差異[36,37]。

(2)不同營養(yǎng)部位重金屬富集能力分析。同一作物的不同營養(yǎng)部位由于其營養(yǎng)成分和元素組成的不同，對水分和營養(yǎng)元素吸收規(guī)律也不同，重金屬元素在作物體內(nèi)的富集水平也有所差異。許多研究者通過污水灌溉實驗得到相似的研究結論，即無論是糧食作物還是蔬菜作物，重金屬的累積主要集中在根部，而作物其他營養(yǎng)部位重金屬累積量因重金屬種類不同而表現(xiàn)出明顯的差異性，但是大多服從根>莖>葉>籽的規(guī)律[38-41]。

眾多研究表明，在同一生長環(huán)境下，作物種類、品種都影響了重金屬在作物體內(nèi)的富集程度。因此，可以通過調(diào)整作物種植結構和培養(yǎng)對重金屬污染抗性較強的作物來降低污灌區(qū)作物重金屬污染的風險。

4 結 語

本文在參閱現(xiàn)有文獻的基礎上，通過對可能影響作物吸收重金屬能力、土壤重金屬存在形式及其有效性的因素進行分析，得到以下結論。

(1)土壤中黏質土成分比重的增高、土壤粒徑的減小、有機質成分的增加和土壤pH的降低對土壤重金屬有效態(tài)含量的升高有促進作用，對作物體內(nèi)重金屬的富集過程會產(chǎn)生一定影響。

(2)在一定范圍內(nèi)，作物重金屬含量與灌溉污水中重金屬離子濃度呈正相關關系，與污水pH呈負相關關系，與污水中陰陽離子濃度呈正相關關系。

(3)在同一生長環(huán)境下，作物種類、品種對作物體內(nèi)重金屬含量產(chǎn)生一定的影響；除水稻外，一般蔬菜作物比糧食作物對重金屬富集能力強，糧食作物對重金屬的富集能力順序為水稻>小麥>玉米>大豆，蔬菜作物為葉菜類>花菜類>根莖類>果菜類；不同營養(yǎng)部位對重金屬的累積大多服從根>莖>葉>籽的規(guī)律。

農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)重金屬污染防治,應堅持預防為主,防治結合的原則。在此基礎上，提出以下建議。應強化管理,改善灌溉水質,加強灌區(qū)水質監(jiān)測，提高灌溉質量；對已經(jīng)造成土壤重金屬污染的灌區(qū)應當積極治理，可采用物理措施、化學措施、生物措施、農(nóng)業(yè)工程措施；采取適用于本灌區(qū)水質、土壤、和作物的灌溉制度，科學調(diào)整作物種植結構；加強糧食作物和蔬菜作物的重金屬含量監(jiān)測，盡早了解作物重金屬污染狀況。

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