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我国作为农业大国，农业正常年份的缺水量高达300亿m3，国家粮食生产安全面临严峻挑战[1]。再生水回用于农业灌溉能有效缓解水资源匮乏的危机，已引起广泛的重视[2]。利用再生水灌溉可有效降低清洁水资源消耗量和污染物排放量。再生水中含有磷、钾、硫和铁等大量养分和丰富的有机质，用于农业灌溉不仅可改善土壤的理化性质同时还可增加土壤肥力[3-4]。但再生水中也含有大量的盐分、一定量的重金属及病原菌，这可能引起次生盐碱化等土壤问题，对作物的生长以及品质产生不良影响，甚至可能影响到人类健康[5-6]。重金属在水体-土壤中的化学形态、赋存状态、有效形态以及外在环境都会影响重金属在体系中的迁移特性。重金属在水体中的形态可分为颗粒态和溶解态两种，前者在水中非常稳定，不易被生物吸收利用；后者易于被生物吸收累积，产生毒害作用[7]。由于水体中的悬浮颗粒物具有粒度小、比表面积大、表面吸附位数目多和活性官能团多等特点，水中重金属多以其为载体，重金属在水体中的迁移、转化、归宿和生物效应均受到颗粒物的影响[8]。蒋磊等[9]对徒骇河岸带土壤各重金属含量的研究表明，Pb、Cd易发生迁移，对环境存在较大的风险，其中Cd是主要的污染因子和生态危害因子。
目前，再生水利用是缓解水资源紧缺的重要手段之一，再生水灌溉对重金属在水-土壤-植物体系中分布与迁移的影响受到了学者们的关注[3, 10-11]。国内外学者关于再生水灌溉对土壤的影响做了大量研究，也对Cd、Pb在土壤中的迁移进行了大量的研究[12-14]。韩洋等[15]采用室内土柱灌水实验，发现再生水灌溉会增加土壤重金属的含量，与非充分灌溉相比，充分灌溉使表层土壤的Cd、Pb含量更高。焦艺博[16]通过室内淋溶实验对Cd、Pb在土壤纵向迁移积累进行研究，发现土壤中Pb易积累于表层且含量较高，不易于向下迁移；Cd在土壤表层也有较高含量，但随着灌溉时间的增加使Cd累积量的最大点向下迁移。
重金属分布与迁移的常规研究方法有很多，例如田间试验、盆栽试验、野外调查、淋滤试验和室内样品分析等，但这些方法在采样过程中会产生较大误差，因为都属于局部采样，并不能实现重金属的准确定位[17]。本文通过水样离心实验研究水体中重金属受外力扰动时的主要赋存状态，同时采用盆栽土柱中插入离子交换膜的方式以实现土壤中重金属的定位，研究在不同水样中重金属Cd和Pb所呈现的形态和分布特点，同时探讨不同水样灌溉时Cd、Pb在土壤中的分布特征和迁移规律，为再生水的合理利用提供理论依据。
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试验所用再生水取自乌鲁木齐水塔山绿化用水出水口（乌鲁木齐市虹桥污水处理厂的出水经管道输送至乌鲁木齐水塔山），清水为新疆农业大学实验室市政管网水，蒸馏水是二次蒸馏水，清水和再生水的基本性质见表1。试验用土为购自乌鲁木齐市明珠花卉市场的培养土，基本性质见表2。
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将离心机转速分别设定为0、500、1 000、2 000、4 000和8 000 r/min，各取50 mL清水及再生水在不同转速下离心10 min，上部为上清液，底部为残渣。取10 mL上清液加入消煮管，加入3滴硝酸，1滴高氯酸，摇匀。将其置于250 ℃红外消煮炉进行20 min消煮，消煮后溶液转移至25 mL容量瓶定容。同时取残渣态样品及未离心样品(即原水样)10 mL、加入1 mL王水，1 mL高氯酸。在250 ℃消煮炉消煮1 h后，定容至25 mL。用石墨炉原子吸收分光光度计（TAS-990）测定样品Cd和Pb含量。
采用激光粒度仪（Nano S90）测定上清液中颗粒的粒径和百分含量。计算各样品的颗粒分布系数（partition coefficient），计算见式（1）[18]。
式（1）中：cp为金属在颗粒态的浓度，μg/kg；cw为金属在溶解态的浓度，μg/L。
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于PVC管中（高为50 cm，直径为32 cm）垂直插入1张阴离子交换膜（宽12 cm，长40 cm，购自杭州埃尔环保科技有限公司），再在管中填充土壤，用自来水浇透PVC管里的土壤后，放置2 d。灌溉用处理液设置情况见图1。
完成实验后，从PVC管中取出离子膜晒干并扫净膜上的浮土，后置于超声波清洗仪中用蒸馏水清洗10 min，取出用蒸馏水再次冲洗离子膜然后晾干。在每张膜上分别取纵向8个，横向4个，共计32个点，用扫描电子显微镜（LEO-1430vp型）及能谱仪（SEM-EDS）进行测定。由膜各测定点Cd和Pb的相对百分含量反映Cd、Pb在不同水质灌溉下的迁移状况。
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用Excel 2013进行数据统计处理，Surfer 12.0软件制图。
1.1. 供试材料
1.2. 试验设置
1.2.1. 水样离心试验
1.2.2. 实验设置
1.3. 数据处理方法
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农业灌溉水往往含有大量颗粒物，并非澄清透明。通过离心作用增加水体扰动，了解重金属在外力作用下更易于赋存在上清液中还是颗粒物中，这与重金属在土壤中的迁移性质有关。参照《农田灌溉水质标准：GB5084—2005》中Cd≤0.005 mg/L，Pb≤0.1 mg/L的浓度限值，试验清水中Cd、Pb含量均未超标；再生水中Pb未超标，而Cd超标。在不同转速下，上清液及沉淀中的Cd、Pb含量总和与未离心水样（即原水样）中Cd、Pb含量基本一致，见图2。
图2（a）、（b）可见，随着转速的不断增加，上清液中Cd浓度有所降低，残渣中Cd浓度随之升高，但即使达到最高转速8 000 r/min时，残渣中Cd浓度仍然低于上清液。特别是再生水中的Cd，在8 000 r/min转速下，上清液中Cd浓度是残渣中的3倍。
图2（c）、（d）可见，上清液中Pb浓度随着转速的增加而降低，而残渣中逐渐升高，当转速达到8 000 r/min时，上清液和残渣中Pb浓度趋于一致。
生物从水相和颗粒相累积金属的相对量是通过Kd值的大小来反映的，Kd作为决定金属在水相和颗粒相之间分配的重要参数，Kd值越大说明金属越容易在颗粒相中累积[18]，见图3。
图3可见，Cd、Pb的Kd值均随着转速的增加而增加，且清水中Cd、Pb的Kd值均高于再生水。但与Cd比较而言，Pb的Kd值更大，说明Pb具有较强的颗粒性，而Cd溶解性强。可能由于影响Kd值的因素主要为盐度、颗粒浓度[18]，再生水总盐含量远高于清水，再生水中大量存在的阴离子与Cd结合增强，降低Cd与颗粒的结合能力；Cd易与再生水中所含的丰富有机物质形成胶体结构，尽管离心力作用增大，也不易沉淀。
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上清液用激光粒度仪测定水体中颗粒的粒径和含量，见图4。
图4可见，再生水中Cd、Pb的含量均高于清水。上清液中的颗粒粒径随着转速的增加而减小，这说明粒径较大的颗粒易受外力扰动作用而进入残渣中；上清液中Cd、Pb的含量均随着转速的增加而减小，但Cd下降趋势平缓，而Pb明显下降，说明Cd吸附在粒径较小的颗粒上更易停留在上清液中，而Pb吸附在粒径大的颗粒上受外力扰动进入残渣。
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不同水样灌溉后土壤中Cd含量见图5。
图5（a）中各处理组均没有人为添加Cd，由于清水、再生水及土壤本身含有Cd，所以4组均检测出一定量的Cd，其中经再生水灌溉的土壤中Cd含量最高。在不同灌溉水的影响下，Cd的迁移速率呈现蒸馏水>清水>再生水的规律。蒸馏水灌溉时，在土壤深度22.5和12.5 cm处出现Cd浓度的较大点；清水灌溉时在17.5 cm处出现Cd的较大值；再生水灌溉时在12.5、2.5 cm出现，可知用蒸馏水灌溉时土壤中Cd的迁移速率更快，再生水灌溉时慢且黏着。用添加Cd的灌溉水灌溉后，这个现象更明显（图5（b））。蒸馏水+Cd和清水+Cd灌溉时Cd浓度的较大点均出现在深度32.5 cm处；再生水+Cd灌溉时出现在22.5、12.2和2.5 cm。这表明用再生水灌溉时，土壤中Cd滞留更久，与作物根系接触时间更长。
图6（a）可知，与Cd相同，虽然灌溉液里虽未添加Pb，水样及土壤自身含有Pb，且再生水灌溉时土壤Pb含量最大。不同水样灌溉后土壤中Pb的迁移规律与Cd类似（图6），表现为蒸馏水>清水>再生水。用蒸馏水灌溉时较大的Pb浓度出现在土壤深度37.5、12.5、2.5处；清水灌溉时出现在17.5 cm处；再生水灌溉时出现在37.5、22.5、17.5 和7.5 cm处，用蒸馏水灌溉时土壤中Pb的迁移速率更快，再生水灌溉时易于造成Pb的滞留。用添加Pb的灌溉水灌溉后，这个现象更明显（图6（b））。蒸馏水+Pb灌溉下Pb浓度最大值出现在27.5 cm；清水+Pb灌溉下出现在32.5、27.5和12.5 cm；再生水+Pb灌溉下出现在32.5、22.5和12.5 cm。用再生水灌溉时，土壤中Pb同样滞留久，更易于被作物吸收。
蒸馏水+Cd及蒸馏水+Pb两组处理对比Cd和Pb在土壤中的迁移速率，可知土壤深度22.5 cm处Cd浓度最大，12.5 cm处出现Pb的最大浓度点，可知Cd比Pb的迁移速率更高。
2.1. 水样上清液及沉淀中Cd、Pb的含量
2.2. 上清液中颗粒粒径与Cd、Pb含量的关系
2.3. 再生水灌溉下土壤中Cd和Pb的迁移
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再生水中的N、P及有机质等可以作为土壤养分增加土壤肥力，促进植物生长，但其中的重金属随灌溉进入土壤后进而影响植物生长。裴亮等[19]对白菜和萝卜进行再生水滴灌大棚试验，结果表明白菜与萝卜地上部和根系中 Pb2+、Cu2+和Cd2+的含量因再生水滴灌而显著增加。严兴等[20]发现蔬菜经再生水灌溉后含有一定量重金属，且蔬菜品种不同对于重金属的富集程度也不同，当果实类蔬菜未超出污染物限量标准时，茎叶类蔬菜却超标。李中阳等[21]发现，小白菜的生物量由再生水灌溉后显著增加。但再生水中含有高于常规灌溉水的重金属含量，可能在作物体内富集，这会影响作物的生理生长过程及最终品质，还可能经由食物链使人类健康受到威胁。
重金属在土壤中多富集于颗粒表面，把颗粒作为载体进行迁移转化，土壤粒径的不同会使重金属在土壤中的迁移转化及含量分布均受到影响[22]。由灌溉水样的离心实验可知，随着离心转速的增加，水样上清液中Cd很难分离到沉淀中，而Pb则比较容易。同种重金属的Kd值（颗粒分布系数）为：清水>再生水，且Pb的Kd值比Cd大。Cd易于吸附在较小的颗粒上，而较大粒径的颗粒易于结合Pb；多数Cd颗粒活性较低，主要以水溶态存在[23]，而Pb主要存在形态为残渣态[24]，颗粒活性较高，Cd较Pb更易迁移。这与王凯等[22]的研究一致，他发现Cd在粒径<0.075 mm的土壤中含量最高，Pb则在0.15～0.25 mm粒径中含量最高。
通过土壤中重金属的定位实验发现，不同水样的Cd、Pb在土壤中的迁移规律表现为蒸馏水>清水>再生水，Cd的迁移速率大于Pb。Cd、Pb的迁移均因再生水灌溉而缓慢、粘滞。分析原因，一是再生水中本身重金属的含量较高，二是由于再生水中存在大量的有机物质，而再生水灌溉对土壤有机质产生表层累积向下递减的影响，土壤有机质能够固定土壤重金属，降低重金属迁移淋溶能力[25-26]，造成再生水中重金属在土壤中迁移速率较清水更慢，导致作物根系吸收的时间更长。
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1）Cd易吸附于较小粒径的颗粒上，多数呈溶解态，颗粒活性较低；而Pb易吸附于较大粒径的颗粒上，颗粒活性较高。
2）水样的Cd、Pb在土壤中的迁移规律表现为：Cd的迁移速率>Pb。
3）不同水样进行灌溉时，土壤中Cd、Pb的迁移速率均呈现一致规律：蒸馏水>清水>再生水。
