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重金属可以通过多种方式导致环境质量恶化,此外土壤中的重金属可以通过生物途径进入植物或动物体内,因此,土壤重金属的污染问题逐渐成为国内外科学工作者热切关注的环境问题之一[1-2]。三峡库区位于长江流域生态屏障的咽喉地带,是中国最具有全球保护意义的关键生态区域之一,同时也是长江上游经济带和我国西部中心枢纽,所以该区域保护资源与保障发展的矛盾日益突出[3]。自三峡工程正式投入运行以来,其在蓄水期时水位可提至高程175 m,淹水区土质成为新的水库底质,累积在土壤中的重金属在适宜条件下会释放到水体中;而每年的 3—6 月份水位会重新降至高程145 m,淹水区土壤重新暴露出现。消落带土壤经历长期干湿交替的巨大环境变化,期间不同淹水程度的土壤孔隙度、酸碱度以及矿质元素等理化性质不断发生变异,从而导致土壤中各类型元素的含量和存在形式不断变化[4-5]。消落带作为水域与陆地的过渡地带,物质转移和能量转化活跃,是水陆二相系统污染的交汇点[6],对民用和工业污水滥排滥放等不当人类活动非常敏感。在长时间的周期性干湿交替以及夏季出露期降雨侵蚀的耦合作用下,三峡库区消落带土壤的理化性质、结构及稳定性进一步发生巨大变化,进而影响污染物的形态以及释放迁移等[7-8],在此背景下有学者认为库区蓄水到达高水位后,水体流速会减缓,导致污染物稀释扩散效应降低,加重沿岸消落带土壤金属污染[9-10]。有研究报道,三峡库区土壤不仅普遍存在铬和铜累积,而且汞是影响其综合潜在生态风险的主要元素[11-12];周萍等发现镉在三峡库区土壤已造成中度生态危害[13];翟婉盈报道三峡库区蓄水之后,较未建成时土壤中砷、铜、铅等金属含量总体成上升趋势[14];郭燕等的研究表明,经历7次水淹过后,消落带土壤中铜、铁含量增加显著[15]。
前人在三峡库区开展了大量的土壤重金属研究工作,主要集中在对土壤金属元素含量的探析以及不同土壤类型下重金属分布,聚焦于长期观测的不同高程消落带土壤金属含量时空变化鲜有报道。本研究以三峡库区秭归段不同高程消落带(淹水区域:高程145~175 m)以及未淹水对照区(高程175~185 m)为对象,研究2008年、2014年、2018年 3个节点的铜(Cu)、铁(Fe)、锰(Mn)、锌(Zn) 4 种金属含量变化,并对消落带土壤重金属存量进行风险评价,以期掌握三峡库区消落带土壤金属污染状况,为后期污染防治措施提供参考。
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研究区位于紧邻三峡库区的湖北省秭归县茅坪镇,地理位置为30°38′14″~31°11′31″ N,110°0′04″~110°18′41″ E。当地气候为大陆性季风气候,植被季相变化鲜明。年均气温为19.0 ℃,年均降水量约为 1 100.0 mm,年均相对湿度为78%,终年湿润温暖。研究区土壤类型为黄壤和棕壤,土壤厚度约为40 cm。根据对水库的运行规律的调查,消落带内海拔高程145~175 m为水淹区域,高程175~185 m 为未淹水区域。
秭归县茅坪镇典型消落带样地于2008年建立,于2018年8月在样地中选取代表性消落带区段作为采样区,在每个样地沿消落带的下部(145~155 m )、中部(155~165 m )和上部(165~175 m)及未淹水对照区(175~185 m)各设置1个10 m × 30 m样带,每个样带内均匀设置3个8 m × 10 m的网格,并在每个网格内设置5个3 m × 3 m的样方,研究区基本概况如表1所示。
表 1 研究区基本概况
Table 1. Basic information of sample plot
样地编号
Samples number地理位置
Geographical position坡度
Slope/(°)坡向
Slope aspect经度(E)
Longitude纬度(N)
Latitude1 秭归县松树坳 32~42 北偏西 110°95' 30°52' 2 秭归县杉木溪 32 北偏西 110°55' 30°53' 3 秭归县中坝村 27~37 北偏东 110°55' 30°52' 4 秭归县兰陵溪 30~33 北偏东 110°54' 30°53' 5 秭归县兰沙湾 22~30 北偏东 110°55' 30°52' -
在样方对角线上设置土壤采样点,每对角线选择12个点,每个点运用土钻法分别均匀取土3次,采集深度为表层土0~30 cm,每个样点采集的土壤分别装袋并标记。
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将土壤带回后放于牛皮纸上阴干,研磨过100目筛待测。土壤pH值采用电位法、全钾采用氢氟酸-高氯酸消煮-火焰光度法、全氮采用半微量凯氏法、有机质采用重铬酸钾氧化-外加热法、全磷采用硫酸-高氯酸消煮-比色法(GB 7852-87)。土壤中金属元素(铜、铁、锰、锌)含量采用氢氟酸高氯酸混酸法微波消解,使用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS, Thermo Fisher Scientific, USA)测定。
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地质积累指数(Igeo)不仅反映了重金属元素分布的自然变化特征,而且可以判别人为活动对环境的影响,目前被广泛应用于土壤重金属污染评价[16]。库区新增淹没区农田存在人为活动(如施肥、灌溉等),会影响土壤重金属含量,可以使用lgeo判别人为活动对土壤重金属污染的影响。Igeo 计算公式:
$ I_{g e o}= \log _{2}\left[C_{{i}} /\left(1.5 {BE}_{{i}}\right)\right] $
(1) (1)式中:Ci为土样中重金属i的质量分数,单位g·kg−1;BEi为重金属i的地球化学背景值,单位为g·kg−1;1.5为修正指数,是考虑到由于成岩作用可能会引起背景值的变化根据目前使用较为广泛的Miller分级标准分为6个级别(表2)。本研究重金属钙、锌地球环境化学背景值采用三峡库区土壤重金属背景值:铜为0.025 g·kg−1、锌为0.070 g·kg−1[17];重金属铁、锰地球环境化学背景值采用长江水系河流沉积物重金属背景值:铁为29.60 g·kg−1,锰为0.59 g·kg−1[18]。
表 2 重金属Igeo对应污染程度
Table 2. Igeo and contamination grades of heavy metals
Igeo ≤0 0~1 1~2 2~3 3~4 4~5 >5 等级 0 1 2 3 4 5 6 污染程度 无 无~中 中 中~强 强 强~极强 极强 -
采用Pi(重金属i单因子指数)和PN(内梅罗指数)来反映重金属i对土壤的污染级别,避免由于平均值化带来的对重金属权值削弱现象的发生[19],计算公式如下:
$ P_{i}=C_{i} / S_{i} $
(2) $ PN = \sqrt {\frac{{P_{{\text{imax}}}^2 + P_{{\text{iave}}}^2}}{2}} $
(3) (2)式中:Ci为重金属i含量的实测值,g·kg−1;Si为重金属i含量的标准值(遵照GB 15618—2018《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》中农业用地土壤污染风险筛选值确定)[20];(3)式中Pimax为重金属i单因子指数的最大值;Piave为重金属i单因子指数的平均值。土壤综合污染程度分级标准见表3[19]。
表 3 土壤综合污染级别与分级标准
Table 3. Criterion for the classification of pollution index of heavy metals in soil
等级 污染指数(PN) 风险级别 污染水平 1 ≤0.7 安全 清洁 2 >0.7~1 警戒级 尚清洁 3 >1~2 轻度 土壤污染物含量高,作物开始受到污染 4 >2~3 中度 土壤、作物受到中度污染 5 >3 重度 土壤、作物受到污染已相当严重 -
使用Excel 2016进行数据整理,SPSS 22.0进行单因素方差分析和多重比较(LSD,a=0.05),相关性分析使用R version 3.5.3完成,使用Origin 2018绘图。图表中数据为平均值±标准误差。
三峡库区秭归段消落带重金属时空分布特征
Temporal and Spatial Distribution Characteristics of Heavy Metals in Water Level Fluctuating Zone of Zigui Section in Three Gorges Reservoir Area
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摘要:
目的 分析比较三峡库区消落带土壤重金属含量的时空差异,研究消落带金属污染现状并提出防治措施。 方法 以2008年、2014年和2018年的秭归段三峡库区的淹水区(高程145~175 m)和未淹水区(高程175~185 m)消落带土壤为研究对象,使用消解法对样品的理化性质和铜(Cu)、铁(Fe)、锰(Mn)、锌(Mn)含量进行检测分析。 结果 结果表明:(1)对2008年、2014年和2018年的消落带土壤研究发现,淹水区土壤总氮(TN)、总磷(TP)、有机质(SOM)含量持续降低,土壤pH值较2008年增加,2018年已接近7。(2)截至2018年,消落带土壤中Cu、Fe、Mn、Zn含量不断增加,Zn在消落带中下部(高程145~165 m)、及未淹水区土壤中地质累积指数污染程度均为“强”;消落带下部(高程145~165 m)的Cu、消落带中下部及未淹水区土壤的Zn已经造成了轻度生态风险。(3)消落带土壤理化性质和4 种重金属含量的相关性分析表明,土壤pH的上升可能带来4 种重金属累积量增加的风险,土壤TP增加可能会减少土壤中4 种重金属累积,而土壤TN含量的增加可能引起未淹水对照区土壤Fe、Mn的增加以及淹水区Cu和Zn的减少。 结论 三峡大坝的运行造成土壤氮磷等养分质量的下降,消落带土壤重金属污染现状不容忽视,尤以Cu和Zn的生态风险为重,因此需要继续长期监测,必要时可以考虑改变植被构成等人工干预手段。 Abstract:Objective To analyze and compare the temporal and spatial differences in soil heavy metal content in the water-fluctuation zone of the Three Gorges reservoir area, study the current situation of metal pollution in this area, and put forward prevention and control measures. Methods The soils in the flooded area (elevation 145-175 m) and unflooded area (elevation 175-185 m) from the water-fluctuation zone of the Three Gorges reservoir area in the Zigui section in 2008, 2014, and 2018 were used for the study. We examined the physicochemical properties and copper (Cu), iron (Fe), manganese (Mn), and zinc (Mn) contents of these samples through the digestion method. Results The results showed that: (1) The contents of soil total nitrogen (TN), total phosphorus (TP) and organic matter (SOM) in the flooded area continued to decrease from 2008 to 2018. The soil pH increased compared with 2008 and it was close to 7 in 2018. (2) As of 2018, the contents of Cu, Fe, Mn and Zn in the soil of water level fluctuating zone have been increasing. The geological accumulation index pollution degree of Zn in the middle and lower part of water level fluctuating zone (elevation 145~165 m) and the soil in the non-flooded area was “strong”; Cu in the lower part of the water level fluctuating zone (elevation 145~165 m) and Zn in the soil in the middle and lower part of water level fluctuating zone and non-flooded area had caused slight ecological risks. (3) The correlation analysis between soil physical and chemical properties and the contents of four heavy metals in water level fluctuating zone showed that the rise of soil pH might bring the risk of increasing the accumulation of four heavy metals. The increase of soil TP might reduce the accumulation of four heavy metals in the soil, while the increase of soil TN content might cause the increase of soil Fe and Mn in the non-flooded area and the decrease of Cu and Zn in the flooded area. Conclusion In summary, the operation of the Three Gorges Dam has caused a decline in the quality of soil nutrients such as reducing nitrogen and phosphorus contents. The status of soil heavy metal pollution in water level fluctuating zone cannot be ignored, especially the ecological risks of Cu and Zn. Therefore, long-term monitoring should be continued, and artificial intervention means such as changing vegetation composition can be considered if necessary. -
表 1 研究区基本概况
Table 1. Basic information of sample plot
样地编号
Samples number地理位置
Geographical position坡度
Slope/(°)坡向
Slope aspect经度(E)
Longitude纬度(N)
Latitude1 秭归县松树坳 32~42 北偏西 110°95' 30°52' 2 秭归县杉木溪 32 北偏西 110°55' 30°53' 3 秭归县中坝村 27~37 北偏东 110°55' 30°52' 4 秭归县兰陵溪 30~33 北偏东 110°54' 30°53' 5 秭归县兰沙湾 22~30 北偏东 110°55' 30°52' 表 2 重金属Igeo对应污染程度
Table 2. Igeo and contamination grades of heavy metals
Igeo ≤0 0~1 1~2 2~3 3~4 4~5 >5 等级 0 1 2 3 4 5 6 污染程度 无 无~中 中 中~强 强 强~极强 极强 表 3 土壤综合污染级别与分级标准
Table 3. Criterion for the classification of pollution index of heavy metals in soil
等级 污染指数(PN) 风险级别 污染水平 1 ≤0.7 安全 清洁 2 >0.7~1 警戒级 尚清洁 3 >1~2 轻度 土壤污染物含量高,作物开始受到污染 4 >2~3 中度 土壤、作物受到中度污染 5 >3 重度 土壤、作物受到污染已相当严重 -
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