污灌條件下重金屬在土壤中的累積效應(yīng)及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

廖 強(qiáng)，李金鑫，李明珠，董遠(yuǎn)鵬，吳 咪，孟子霖，李夢(mèng)紅，劉愛(ài)菊*

（1.山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東 淄博 255091；2.山東理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，山東 淄博 255091）

近年來(lái)，隨著社會(huì)的快速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，環(huán)境污染問(wèn)題已經(jīng)越來(lái)越不容忽視。其中，土壤作為人們生產(chǎn)生活的基礎(chǔ)，所受到的污染和破壞尤為突出，土壤重金屬污染便是當(dāng)下污染面積最廣、危害最大的環(huán)境問(wèn)題之一。2014年全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查發(fā)現(xiàn)，無(wú)機(jī)污染物超標(biāo)點(diǎn)位數(shù)占全部超標(biāo)點(diǎn)位的82.8%，其中農(nóng)田土壤重金屬污染中以Cd、Ni、Cu等最為嚴(yán)重[1]。Cu、Zn等作為生物體必不可少的微量元素，常作為添加劑被大量添加到食物和飼料中，這些重金屬進(jìn)入生物體之后能被有效利用的量很少，很大一部分都隨糞便、尿液等代謝物排出體外，從而對(duì)環(huán)境造成污染[2]。此外，我國(guó)蘊(yùn)含豐富的Cu、Zn礦，隨著這些金屬礦物的大量開(kāi)采，被污染的土壤、水源也越來(lái)越多。已有研究表明，礦區(qū)附近的土壤和水體中重金屬含量均處于較高水平，且主要危害元素與該礦山金屬礦物類型有著很大的關(guān)系[3-4]。而且世界范圍內(nèi)的重金屬污染情況也不容樂(lè)觀，據(jù)統(tǒng)計(jì)，在過(guò)去的50年間，分別有大約9.39×105t和1.35×105t的Cu、Zn被排放到全球環(huán)境中，其中很大一部分都在土壤中累積，造成了嚴(yán)重的土壤重金屬污染[5]。

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)用水量占全國(guó)總用水量的70%以上，每年農(nóng)業(yè)生產(chǎn)缺水可達(dá)3×1010m3[6]，污水灌溉作為促進(jìn)污水循環(huán)利用的有效措施，使我國(guó)特別是北方地區(qū)的農(nóng)業(yè)用水壓力得到了很大程度的緩解。相關(guān)資料顯示，預(yù)計(jì)到2030年，我國(guó)缺水量將達(dá)到1.3×1010m3，再生水可利用量將達(dá)到 7.67×1010m3[7]。雖然處理過(guò)后的污水能夠達(dá)到農(nóng)田灌溉的標(biāo)準(zhǔn)要求，但其中所含有的污染物如重金屬等都要比正常灌溉水高，一旦灌溉方式不當(dāng)，便會(huì)造成土壤內(nèi)重金屬元素的超標(biāo)，以致威脅到人類的健康[8]。已有相關(guān)研究表明[9-10]，現(xiàn)階段我國(guó)部分地區(qū)因污水灌溉而造成的土壤重金屬污染面積日益增加，若不及時(shí)采取相關(guān)措施治理，所面臨的土壤重金屬污染問(wèn)題將會(huì)越來(lái)越嚴(yán)峻。

為此，本實(shí)驗(yàn)以我國(guó)北方地區(qū)農(nóng)田土壤中常見(jiàn)的褐土為研究對(duì)象，將重金屬Cu和Zn作為主要污染物，采用土柱淋溶實(shí)驗(yàn)對(duì)污水灌溉農(nóng)田土壤的重金屬分布累積進(jìn)行模擬。并利用土壤重金屬污染評(píng)價(jià)中常用的單因子指數(shù)、內(nèi)梅羅綜合指數(shù)以及潛在生態(tài)危害指數(shù)對(duì)各土層重金屬的累積污染情況進(jìn)行綜合評(píng)估，同時(shí)利用《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 14848—2017）[11]評(píng)估了兩種污灌條件下地下水可能受到的影響，以此來(lái)探究實(shí)際污灌農(nóng)田土壤中重金屬的累積運(yùn)移情況，并為污灌土壤中重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)提供可靠的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

實(shí)驗(yàn)土壤為未經(jīng)污染的農(nóng)田土壤，采自山東省淄博市，土壤類型為褐土，采土深度為0～60 cm，在30 m×30 m范圍內(nèi)分5點(diǎn)采集后將土樣混合。取部分鮮土測(cè)其含水量，其余經(jīng)除雜、風(fēng)干、研磨和過(guò)篩（2 mm）后備用，并從中取適量土樣進(jìn)行理化指標(biāo)的測(cè)定，具體方法參照魯如坤的《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[12]，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 土壤的基本理化性質(zhì)Table1 Soil physical and chemical properties

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 土柱填裝

實(shí)驗(yàn)所采用的土柱由有機(jī)玻璃制成，柱高100 cm、內(nèi)徑10 cm。柱兩側(cè)面每隔5 cm設(shè)置直徑1.5 cm的圓形孔，灌水時(shí)用橡膠塞塞緊，灌溉完畢后拔下塞子取樣分析。土柱上方設(shè)置進(jìn)水口，下端圍繞中心點(diǎn)設(shè)置4個(gè)小孔，以便淋濾液下滲。外壁附有刻度，便于觀測(cè)水流的下滲深度。供水設(shè)備采用自制的定水頭馬氏瓶，根據(jù)土壤灌水定額設(shè)計(jì)馬氏瓶容積為10 L，于橡膠蓋上打兩個(gè)8.0 mm的孔，插入一長(zhǎng)一短的空心玻璃管。在長(zhǎng)管關(guān)閉、短管打開(kāi)的狀態(tài)下緩慢向瓶中注水，水量充足后再關(guān)掉短管，打開(kāi)長(zhǎng)管開(kāi)始進(jìn)行灌水實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)室溫度控制在25℃左右。土壤在裝填前充分混勻，并在土柱的底部放2 cm經(jīng)酸泡和離子水多次沖洗處理后的石英砂，再在石英砂上放一層濾紙，防止浸出液含有過(guò)多雜質(zhì)堵住底部出水孔；然后按40～60、20～40、0～20 cm的順序分3次進(jìn)行土壤填裝，每層土壤裝填后用塑料壓實(shí)器壓實(shí)，并使其達(dá)到規(guī)定高度；在每層土壤裝填好后用一定量的去離子水潤(rùn)濕，使其含水量達(dá)到田間持水量水平；最后在填裝好的土壤上鋪2 cm的石英砂和一層濾紙。裝置如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖Figure1 Schematic diagram of the experimental setup

1.2.2 淋溶液濃度設(shè)置

由于實(shí)際灌溉所用污水中重金屬濃度較低并含有多種污染物，為了規(guī)避其他因素的影響，同時(shí)考慮到實(shí)際情況下灌溉用水中重金屬離子會(huì)有超標(biāo)的情況，本實(shí)驗(yàn)采用清水配加重金屬的方式，按我國(guó)《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》[13]（GB 18918—2002）中重金屬排放最高標(biāo)準(zhǔn)的5～10倍進(jìn)行設(shè)定（表2）。雖然與實(shí)際農(nóng)田灌溉水中的重金屬濃度有一定差異，但增大重金屬濃度后能更加清晰地在短期模擬實(shí)驗(yàn)中明確分析出各土層重金屬的累計(jì)分布情況及運(yùn)移特征，且已有部分研究采用增大實(shí)驗(yàn)?zāi)M灌溉用水重金屬濃度的類似方法對(duì)土壤重金屬累積情況進(jìn)行分析并得到了相應(yīng)的結(jié)論[14-15]。同時(shí)，本實(shí)驗(yàn)設(shè)置兩個(gè)處理：只包含單一重金屬Cu的處理和同時(shí)包含Cu、Zn兩種重金屬的處理。分別以向去離子水中添加CuSO4和ZnSO4的形式配制對(duì)應(yīng)濃度的金屬離子溶液，以此來(lái)探究單一污染灌溉條件下重金屬Cu的累積效應(yīng)以及由于Zn的加入各土層Cu累積量的變化。

1.2.3 灌水量確定

本實(shí)驗(yàn)灌水量的設(shè)置主要參照《山東省主要農(nóng)作物灌溉定額》[16]（DB 37/T 1640—2010）。取凈水灌溉定額0.3 m3·m-2·a-1，根據(jù)土柱的橫截面積（直徑為10 cm）計(jì)算出每一土柱的年灌水量為2.4 L。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)灌溉時(shí)間為4年，則每根土柱的總灌水量為9.6 L，為方便控制，取每根土柱的總灌水量為10 L。

表2 污水排放標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)驗(yàn)設(shè)置中重金屬濃度（mg·L-1）Table2 Wastewater discharge standard of China and concentration of heavy metal for testing（mg·L-1）

1.2.4 土柱淋溶實(shí)驗(yàn)

土柱裝填好后，先用蠕動(dòng)泵從土柱下方輸入去離子水，使土壤達(dá)到飽和并排出多余的空氣。然后改變進(jìn)水方向，讓去離子水自上而下流過(guò)土柱，待形成穩(wěn)定流場(chǎng)后關(guān)閉蠕動(dòng)泵，換用重金屬溶液從土柱上方進(jìn)行淋溶。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)兩種灌溉模式，分別用只含有單一重金屬元素Cu的淋溶液和含有Cu、Zn兩種重金屬元素的混合溶液進(jìn)行灌溉，每種處理的污水灌溉均分4次進(jìn)行，每次灌水2.5 L，約3 h左右，且灌溉至下部無(wú)濾液滲出后再進(jìn)行下一次灌溉，流速采用定水頭馬氏瓶來(lái)控制。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中為使?jié)B流速度與實(shí)際土壤中灌水的下滲速率相近，均采用自然下滲的方式進(jìn)行。同時(shí)在土柱底部放置接液瓶，定期測(cè)定收集濾液中Cu、Zn的含量，待每次淋溶完畢直至土柱底部不再滲出液體時(shí)拔下橡膠塞，分別從各層小孔取1 g左右的土樣測(cè)定其Cu、Zn的含量。考慮到取樣過(guò)后土柱中的縫隙較小，對(duì)實(shí)驗(yàn)中重金屬累積情況的影響也較小，且如果用新鮮土壤回填則會(huì)影響下一次所取土樣中重金屬的含量，故實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保留其縫隙不作處理，在每次取樣完畢后塞上橡膠塞等待下一次灌溉。灌溉方案見(jiàn)表3。

表3 灌溉方案設(shè)計(jì)Table3 The design scheme of irrigation

1.3 相關(guān)參數(shù)評(píng)價(jià)方法

1.3.1 單因子指數(shù)和內(nèi)梅羅綜合指數(shù)評(píng)估

采用單因子指數(shù)和內(nèi)梅羅綜合指數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)土壤的環(huán)境質(zhì)量，是目前較為常用的方式之一[17-18]。前者能確切地反映出土壤中各因子的污染情況，后者則能在單因子指數(shù)的基礎(chǔ)上更為全面地描述土壤的整體污染水平，將兩者結(jié)合起來(lái)對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估，能夠更好地達(dá)到土壤污染評(píng)價(jià)的目的。

單因子指數(shù)法：

式中：Pi為土壤中污染物i的污染指數(shù)；Ci為環(huán)境土壤中污染物i的實(shí)測(cè)濃度；Si為土壤中污染物i的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，按照《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[19]（GB 15618—1995）中的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)選取。Pi≤1，表示土壤未受污染；Pi＞1，表示土壤受到污染，且Pi值越大，表示受到污染的程度越嚴(yán)重。

內(nèi)梅羅指數(shù)法：

式中：P為土壤的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)；Pimax為環(huán)境土壤各單因子污染指數(shù)的最大值；Piave為土壤各單因子污染指數(shù)的平均值。P≤1，表示土壤未受污染；1＜P≤2.5，表示土壤受到輕度污染；2.5＜P≤7，表示土壤受到中度污染；P＞7，表示土壤受到重度污染[14]。

1.3.2 生態(tài)危害指數(shù)評(píng)價(jià)

生態(tài)危害指數(shù)是由瑞典科學(xué)家Hakanson[20]提出來(lái)的，主要結(jié)合土壤和環(huán)境特點(diǎn)，將重金屬的生態(tài)效應(yīng)、環(huán)境效應(yīng)及其毒性機(jī)制聯(lián)系到一起來(lái)綜合評(píng)估土壤的污染情況。主要計(jì)算公式如下：

1.4 相關(guān)指標(biāo)測(cè)定及分析方法

供試土壤的基本理化性質(zhì)采用常規(guī)的分析方法測(cè)定，其中土壤有機(jī)質(zhì)用重鉻酸鉀水合熱法測(cè)定；pH值采用酸度計(jì)進(jìn)行測(cè)定（水∶土=5∶1）；土壤粒徑組成用激光粒度儀測(cè)定；含水量用烘干法測(cè)定。土壤中的重金屬離子含量先用HCl、HNO3和HF微波消解，再用原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定，分析過(guò)程中采取空白樣、平行樣和標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)控制法，在實(shí)際測(cè)定過(guò)程中加入國(guó)家土壤標(biāo)準(zhǔn)樣品（GSS-1）進(jìn)行分析質(zhì)量控制。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2010處理，繪圖采用Origin 8.5實(shí)現(xiàn)，統(tǒng)計(jì)和相關(guān)性分析采用SPSS 17.0完成。

圖2 單一處理污水灌溉下Cu在土壤中的分布Figure2 The distribution of Cu in soil under reclaimed water irrigation with single pollution

表4 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[21]Table4 Standard grading of ecological risk index[21]

2 結(jié)果與分析

2.1 單一處理污水灌溉下土壤重金屬的分布累積

如圖2所示，單一處理的污水灌溉下，土壤中重金屬Cu的累積分布由上至下呈現(xiàn)出遞減趨勢(shì)。第一次灌溉過(guò)后在深度范圍40～50 cm內(nèi)Cu的含量為63.90 mg·kg-1，是首次灌溉后土層中出現(xiàn)的最高值；第二次灌溉后，各土層中Cu的含量都有所下降，最高濃度和最低濃度分別出現(xiàn)在0～10 cm和30～40 cm土層中，為 50.06 mg·kg-1和36.05 mg·kg-1；隨著第三次灌溉的結(jié)束，各土層中Cu的含量較第二次灌溉都有所增加，但增長(zhǎng)幅度隨土層深度的增加而逐漸減小，第二、三次灌溉后50～60 cm土層中Cu的含量分別為37.58 mg·kg-1和 38.45 mg·kg-1；第四次灌溉后，0～10 cm表層土壤中Cu的含量達(dá)到了171.60 mg·kg-1，但隨著深度的增加，其余各層中Cu的含量均與第三次灌溉后的累積量相近。

2.2 復(fù)合處理污水灌溉下土壤中重金屬的分布累積

如圖3所示，復(fù)合處理的污水灌溉下，土壤中Zn的含量雖然所呈現(xiàn)的規(guī)律不太明顯，但是總體上看每次灌溉也是呈從上到下遞減的趨勢(shì)分布，且與單一處理的污水灌溉相比，重金屬Zn的加入在整體上促進(jìn)了土壤中Cu的累積，當(dāng)進(jìn)行第四次灌溉時(shí)，0～10 cm土層的Cu累積量增加最多，為216.60 mg·kg-1。第一次灌溉后，0～10 cm土層中Cu、Zn的含量分別為45.90 mg·kg-1和215.89 mg·kg-1；第二次灌溉過(guò)后，0～10 cm土層中Zn的含量有所下降，但Cu的含量則表現(xiàn)為增加，分別為 128.27 mg·kg-1和 57.78 mg·kg-1，而隨著土壤深度的增加，兩次灌溉后20～60 cm土層中Cu含量變化較Zn含量變化更為平穩(wěn)；第三次灌溉結(jié)束后，兩種元素在各層土壤中的含量都較前一次灌溉有所增加，且0～10 cm土層Cu、Zn含量分別為130.56 mg·kg-1和431.21 mg·kg-1；隨著第四次灌溉的結(jié)束，0～10 cm土壤中Cu、Zn兩種元素的含量繼續(xù)增加，分別為216.60 mg·kg-1和494.19 mg·kg-1，兩者在各土層中的含量都表現(xiàn)為隨著深度的增加而逐漸減少的趨勢(shì)，到底部50～60 cm土層時(shí)，分別穩(wěn)定在了53.45 mg·kg-1和 86.97 mg·kg-1。

圖3 復(fù)合處理污水灌溉下Cu、Zn在土壤中的分布Figure3 The distribution of Cu and Zn in soil under reclaimed water irrigation with compound pollution

2.3 灌水量與各土層重金屬累積量的相關(guān)性

Pearson相關(guān)性分析結(jié)果顯示（表5）：在復(fù)合處理的灌溉條件下只有0～10、10～20 cm和40～50 cm土層范圍內(nèi)Zn的累積量和灌水量呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），相關(guān)系數(shù)分別為0.900、0.922和0.889；而該模式下各層土壤中Cu的累積量與灌水量均表現(xiàn)出顯著的正相關(guān)性，且相關(guān)性比Zn的累積量更緊密，20～30 cm土層中Cu的累積量與灌水量在0.01水平上顯著相關(guān)。相比之下，單一處理的污水灌溉下各層土壤Cu的累積量與灌水量除了在0～10 cm區(qū)域內(nèi)表現(xiàn)出相關(guān)性指數(shù)為0.899的顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05）外，其他土層均未表現(xiàn)出顯著的相關(guān)關(guān)系。可見(jiàn)，對(duì)同一種重金屬元素與灌水量的相互關(guān)系進(jìn)行分析，復(fù)合處理污水灌溉下兩種變量的相關(guān)性較單一處理污水灌溉更為緊密。

表5 兩種污水灌溉下各土層Cu、Zn累積量與灌水量的相關(guān)性分析Table5 Correlation analysis of Cu，Zn accumulation and irrigation amount under two kinds of reclaimed water irrigation

2.4 兩種灌溉條件下土壤重金屬的污染評(píng)價(jià)

2.4.1 單因子指數(shù)和內(nèi)梅羅綜合指數(shù)

以上述評(píng)價(jià)指數(shù)為依據(jù)，研究了本實(shí)驗(yàn)兩種灌溉條件下各層土壤重金屬的污染情況。由表6可知，復(fù)合灌溉模式下，0～10 cm土層中Cu的單因子指數(shù)為2.17，大于1，達(dá)到了污染水平，但10～60 cm土層中Cu的單因子指數(shù)均小于1，表示該區(qū)域土壤并未受到污染；各層土壤中Zn的單因子指數(shù)與Cu有差異，在0～10、10～20、30～40 cm 土層中的單因子指數(shù)分別為1.98、1.00和1.11，但20～30、40～50、50～60 cm土層中Zn的單因子指數(shù)均小于1；且該灌溉模式下，0～10 cm土層的內(nèi)梅羅綜合指數(shù)為2.07，其余土層均小于1，表明復(fù)合灌溉可能會(huì)對(duì)表層土壤造成輕度污染。在單一灌溉模式下，除0～10 cm土層中Cu的單因子指數(shù)為1.72，已超過(guò)未受污染土壤的標(biāo)準(zhǔn)外，10～60 cm土層中Cu的單因子指數(shù)均小于0.5，且各層土壤的單因子指數(shù)均小于復(fù)合灌溉模式下Cu的單因子指數(shù)。因此，綜合而言，復(fù)合污水灌溉較單一污水灌溉更能加重土壤污染程度。

表6 兩種污水灌溉下各層土壤重金屬的單因子污染指數(shù)和內(nèi)梅羅綜合指數(shù)Table6 Single factor index and Nemerow index of soil heavy metals under two kinds of reclaimed water irrigation

表7 兩種污水灌溉下各層土壤重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)Table7 Potential ecological risk index of soil heavy metals under two kinds of reclaimed water irrigation

2.4.2 潛在生態(tài)危害指數(shù)

由表7可知，兩種灌溉模式下各土層的潛在生態(tài)危害指數(shù)均較低，對(duì)比其危害程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，在單一處理的污水灌溉下，各層土壤中Cu的生態(tài)危害指數(shù)均達(dá)到輕微生態(tài)危害指數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)，其變化范圍為8.00～35.75，最大值和最小值分別出現(xiàn)在0～10 cm和50～60 cm土層中；與單一處理的污水灌溉條件相比，復(fù)合處理的污水灌溉下各土層Cu的生態(tài)危害指數(shù)均有所增加，0～60 cm土層的增幅分別為9.38、3.50、3.52、4.67、4.05和3.14；而除了0～10 cm土層中Cu的潛在生態(tài)危害指數(shù)為45.13，達(dá)到中等危害程度外，其余各土層Cu、Zn的潛在生態(tài)危害指數(shù)均很小，最低為50～60 cm土層Zn的生態(tài)危害指數(shù)，為1.37；且各土層Cu的生態(tài)危害程度均大于Zn。兩者的復(fù)合生態(tài)危害指數(shù)則顯示各層土壤均受到了輕微的生態(tài)危害，最大的指數(shù)值出現(xiàn)在0～10 cm的表層土壤中，為52.91，這主要與Cu的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)有關(guān)，是該灌溉條件下的主要貢獻(xiàn)因子。潛在生態(tài)危害指數(shù)的引入使單一的評(píng)價(jià)結(jié)果與毒性因子緊密聯(lián)系在了一起，結(jié)果表明兩種灌溉條件下土壤受到的影響都很小，但復(fù)合處理的污水灌溉對(duì)土壤的影響程度明顯高于單一處理的污水灌溉。

圖4 單一處理污水灌溉下Cu的單因子指數(shù)Figure4 The single factor index of Cu in soil under reclaimed water irrigation with single pollution

2.4.3 不同灌溉次數(shù)對(duì)各土層重金屬污染的影響

利用單因子指數(shù)來(lái)描述不同灌溉次數(shù)對(duì)各層土壤重金屬污染情況的影響，能夠有效地反映出隨著灌溉次數(shù)的增加，各層土壤中重金屬的累積污染情況。由圖4和圖5可知，在兩種污水灌溉下，Cu和Zn的單因子指數(shù)峰值均出現(xiàn)在第四次灌溉后的0～10 cm土層中，且最大值達(dá)到了2.16；在復(fù)合處理的污水灌溉下各層土壤中Cu的單因子指數(shù)主要呈現(xiàn)出隨著灌溉次數(shù)的增加而略微上升的趨勢(shì)；而Zn在各土層的單因子指數(shù)除了在40～60 cm土層區(qū)域未表現(xiàn)出顯著的增減規(guī)律外，0～40 cm土層Zn的單因子指數(shù)均呈現(xiàn)出隨著灌溉次數(shù)的增加先降低后上升的趨勢(shì)。且兩種污水灌溉下，50～60 cm土層區(qū)域的單因子指數(shù)變化程度均趨于平穩(wěn)，其中Zn在該土層區(qū)域內(nèi)4次灌溉后的單因子指數(shù)分別為0.36、0.35、0.35和0.34。可見(jiàn)，灌溉次數(shù)在影響各土層重金屬污染程度方面也起著不可忽視的作用。

圖5 復(fù)合處理污水灌溉下Cu、Zn的單因子指數(shù)Figure5 The single factor index of Cu and Zn in soil under reclaimed water irrigation with compound pollution

表8 兩種灌溉條件下浸出液中Cu、Zn含量的變化情況（mg·L-1）Table8 Changes of Cu，Zn concentrations in leach liquor under two irrigation conditions（mg·L-1）

表9 地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 14848—2017，mg·L-1）Table9 Standard for groundwater quality（GB/T 14848—2017，mg·L-1）

2.5 兩種灌溉條件下濾液中重金屬含量變化

土柱的淋濾液按每隔30 min的時(shí)間順序進(jìn)行取樣，每次灌水耗時(shí)3 h左右，取樣6次。分別測(cè)定單一處理污水灌溉下濾液中Cu的含量以及復(fù)合灌溉條件下濾液中Cu和Zn的含量，得出隨灌溉時(shí)間以及灌溉次數(shù)的變化濾液中重金屬的變化情況（表8）。同時(shí)再根據(jù)所測(cè)值對(duì)比《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 14848—2017），以此來(lái)分析兩種污水灌溉可能對(duì)地下水造成的影響（表9）。由表8和表9可看出，兩種污水灌溉后，其濾液重金屬含量都相對(duì)較高，其中，Cu含量均已超過(guò)了對(duì)Ⅱ類水的要求，但都在Ⅲ類水的要求標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)；而Zn含量除在第二次復(fù)合灌溉后60 min時(shí)所取濾液樣品中為0.765 mg·L-1，滿足Ⅲ類水要求外，其余樣品Zn含量均在Ⅱ類水的要求范圍內(nèi)。單一處理的污水灌溉下，除在30、90 min和120 min時(shí)所取的濾液中Cu含量均隨灌溉次數(shù)的增加而升高外，其余3個(gè)時(shí)間段分別呈現(xiàn)出了不同的變化趨勢(shì)；而復(fù)合處理的污水灌溉下，各時(shí)間點(diǎn)所取的濾液中Cu含量均高于單一灌溉條件，且隨著時(shí)間的推移，各灌溉次數(shù)濾液中Cu的含量都有逐漸減小的趨勢(shì)，這可能是復(fù)合灌溉中重金屬Zn和Cu在土壤中運(yùn)移時(shí)相互作用造成的結(jié)果，從而減少了土壤對(duì)Cu的吸附作用而促進(jìn)了其運(yùn)移；Zn在復(fù)合處理的污水灌溉條件下，除了在第二次灌溉后60 min時(shí)所取樣中的含量為0.765 mg·L-1外，其余均在0.288～0.326 mg·L-1之間。

3 討論

在實(shí)際灌溉條件下，土壤中重金屬的累積量受多種因素的共同影響，本實(shí)驗(yàn)所關(guān)注的兩種污水以及不同灌溉次數(shù)也在一定程度上影響著土壤各層重金屬的累積量。兩種污水灌溉下土壤中Cu、Zn的累積量從上至下整體均呈逐漸遞減的趨勢(shì)，但隨著Zn的加入，各層土壤中Cu含量較單一處理的污水灌溉條件均有所增加，這表明了在復(fù)合溶液灌溉條件下，Zn促進(jìn)了土壤對(duì)Cu的吸附作用。已有部分研究結(jié)果表明[22]，多種重金屬離子共存會(huì)影響土壤對(duì)重金屬離子的吸附，林青[23]在研究了土壤中重金屬Cu、Cd、Zn、Pb吸附及遷移特征后發(fā)現(xiàn)，Zn、Cd共存時(shí)，其最大吸附量之和分別大于Zn、Cd單一離子存在下的最大吸附量，這說(shuō)明土壤中存在專門吸附Zn或Cd的吸附點(diǎn)位，在單一離子存在的情況下，這些吸附點(diǎn)位將不參與吸附作用。此外，劉娟娟[24]在探究Cu、Cr單一及復(fù)合體系在兩種黏土礦物中吸附的差異及其機(jī)理后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)pH＞6.0時(shí)，Cu能夠促進(jìn)蒙脫石對(duì)Cr的吸附作用，且不同的pH條件下其影響效果也存在差異。而實(shí)際情況下，重金屬共存的環(huán)境條件更為復(fù)雜，因此，在研究土壤吸附過(guò)程中還需要結(jié)合其理化指標(biāo)、灌水量以及灌水中重金屬濃度等因素來(lái)綜合考慮。相關(guān)研究表明[25]，土壤中的pH、腐植酸會(huì)影響到其中的陽(yáng)離子鍵橋、疏水性作用和氫鍵等，從而影響土壤對(duì)金屬陽(yáng)離子的吸附作用。本實(shí)驗(yàn)主要探究了兩種灌水條件下重金屬的遷移特征，對(duì)于Cu、Zn在土壤中的結(jié)合機(jī)制以及不同種類土壤下兩種重金屬的累積效應(yīng)還需要進(jìn)行更為深入的探索。

此外，兩種污水灌溉下，隨著灌溉次數(shù)的增加，0～20 cm深度范圍內(nèi)重金屬的累積量有著更為明顯的上升趨勢(shì)。這與大部分的研究結(jié)果相符，如趙忠明[26]在研究再生水灌溉對(duì)土壤重金屬累積的影響后發(fā)現(xiàn)，大部分重金屬含量由上至下呈現(xiàn)出遞減的規(guī)律，并發(fā)現(xiàn)灌溉水中重金屬的含量對(duì)土壤重金屬的積累有一定影響。此外，魏益華等[27]也在研究了中水灌溉對(duì)土壤鹽分和重金屬累積分布影響后得到了相似的結(jié)論，即短期的污水灌溉能使0～15 cm表層土壤全鹽量增加，而15～45 cm土壤層鹽分累積現(xiàn)象與自來(lái)水灌溉相比無(wú)明顯差異。但是，本實(shí)驗(yàn)在進(jìn)行各層土壤污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)時(shí)，所得到的結(jié)果與已有研究不太相符。分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，單因子污染指數(shù)、內(nèi)梅羅綜合指數(shù)以及生態(tài)危害指數(shù)表明兩種污水灌溉下各層土壤均會(huì)受到輕度污染，而張鐵軍等[28]在研究污水灌溉對(duì)土壤鹽漬化與重金屬累積的影響后認(rèn)為短期的污水灌溉不會(huì)對(duì)土壤環(huán)境造成污染，這可能是因?yàn)閷?shí)際情況下污灌用水中含有的抗生素、農(nóng)藥等其他污染物影響了重金屬在土壤中的吸附行為和毒性水平。已有研究顯示[29]，一定濃度的土霉素能在土壤中與重金屬發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)吸附，且重金屬解吸量會(huì)在一定濃度范圍內(nèi)隨土霉素濃度的增加而增加；陳成等[30]在研究了土壤中Cu與阿特拉津交互作用下的吸附行為后發(fā)現(xiàn)，低濃度的阿特拉津會(huì)明顯抑制土壤對(duì)Cu的吸附。通過(guò)定期測(cè)定的濾液中重金屬含量變化情況可知，各時(shí)間段淋濾液中Zn的含量整體大于Cu的含量。而實(shí)驗(yàn)設(shè)置的污水濃度是我國(guó)污水排放最高標(biāo)準(zhǔn)的5～10倍，在如此的灌溉條件下淋濾液中Cu、Zn的含量依然能夠達(dá)到地下水的Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明在實(shí)際生活中短期的灌溉不會(huì)對(duì)地下水造成污染。

4 結(jié)論

（1）兩種污水灌溉下，土壤中Cu和Zn的分布從上到下主要呈逐漸遞減的趨勢(shì)，且在復(fù)合處理的污水灌溉下，Zn的加入促進(jìn)了各層土壤對(duì)Cu的累積。同時(shí)，在復(fù)合處理污水灌溉下各土層Cu的累積量與灌水量有著更為密切的相關(guān)性。

（2）單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法顯示兩種污水灌溉均會(huì)對(duì)表層土壤造成輕度污染，潛在生態(tài)危害指數(shù)顯示兩種污水灌溉對(duì)土壤的危害程度均在輕微危害程度范圍內(nèi)，且灌溉次數(shù)也在一定程度上影響著重金屬對(duì)土壤的污染情況。此外，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明中短期的污水灌溉不會(huì)對(duì)地下水造成污染。