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重金属毒性强且不易降解,河流中的重金属会在水-土间迁移转化[1-2],因此,河流土壤重金属不仅会危害水生生态系统,还能经过水-土间迁移转化和食物链传递,危害人体健康[3]。近年来,香溪河土壤有毒重金属铅(Pb)和镉(Cd)的污染引起了学者广泛关注[2, 4]。2017年6月至2018年6月对香溪河流域库岸土壤重金属污染特性的研究表明,土壤重金属污染程度为Cd >Pb> Cr> Cu [5],而2018年9月至2019年9月对该区域的研究发现,土壤重金属污染程度为Pb>Cd>Cu>Cr[6]。说明香溪河消落带土壤重金属污染受到消落带干湿交替影响呈动态变化。香溪河流域磷矿资源丰富,使库岸土壤磷含量较高[7]。因此富磷和重金属复合污染是香溪河流域环境污染主要特征[8-9]。对三峡库区消落带的磷释放规律研究表明,淹水能增加土壤有效磷水平,落干时有效磷水平降低[10],因此消落带土壤在干湿交替过程中水体与土壤发生磷迁移转化[11]。重金属在水-土之间的迁移转化与其形态密切相关,不同形态下的迁移率、生物有效性及生态毒性都会很大差别[12]。研究表明,磷与重金属污染物能够形成溶度积较小的磷酸盐沉淀,并且磷可以通过表面络合/吸附作用固定重金属,从而有利于对重金属污染物的固持[13]。由于磷可促进 Pb 由离子交换态和碳酸盐结合态转变为非活性态和中间形态,磷很难携带水溶态 Pb 发生迁移[14]。土壤中磷和重金属会相互影响,例如通过离子交换、络合和共沉淀等[14]。这些相互作用对土壤pH值和总磷含量(TP)等很敏感,从而影响土壤中重金属的分布特征[14]。研究表明,香溪河土壤Cd和Pb含量受土壤总磷含量的影响[15]。以上研究说明,三峡库区磷素在土-水界面会迁移释放,但关于水体磷对香溪河消落带土壤重金属的影响还未见报道。本文通过野外监测和室内实验,对香溪河水体和土壤磷及重金属Pb、Cd含量等进行测定,分析水体磷含量与土壤Cd和Pb含量及有效态的相互关系。结合室内干湿交替试验,探讨干湿交替过程中水体磷对Cd和Pb形态及界面迁移的影响,为香溪河消落带土壤磷-重金属复合污染防治提供一定的理论依据。
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从香溪河各样点总磷均值来看,香溪河水体为国家二类水质(表1),仅在XX08处略高于地表水环境二类水标准(TP≤0.1 mg·L−1)。其中SCJXX和SXX04处变异系数较高。SCJXX处为香溪河与干流交汇处,三峡库区建成后水流速度变慢,滞流现象导致水体中的污染物释放扩散能力减弱,因此水体自净能力也有所下降。而SXX04处两岸为居住区,由于生产生活废水排入,以及淹水-落干后的土壤总磷释放,导致向水体输入磷量增多,说明消落带磷的释放与吸附同时受到了人为和自然因素影响。
样点
Sampling points
区域
Area总磷
TP/(mg·L−1)变异系数
CV最大值
Maximun(/mg.L-1)最小值/(mg·L−1)
Minimum/(mg.L-1)SCJXX 郭家坝 0.081 ± 0.012a 0.883 0.156 0.014 SXX01 向家店 0.070 ± 0.011a 0.659 0.124 0.044 SXX03 万古寺 0.060 ± 0.014b 0.421 0.104 0.027 SXX04 白马滩 0.048 ± 0.004b 0.855 0.094 0.015 SXX06 峡口镇 0.070 ± 0.009a 0.608 0.106 0.023 SXX08 昭君镇 0.111 ± 0.018c 0.485 0.148 0.049 注:不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)
Note: Different lowercase letters indicate significant differences between different treatments(P<0.05)Table 1. Spatial distribution characteristics of total phosphorus in Xiangxi River
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香溪河水体总磷与土壤Pb和Cd含量及有效态相关性如表2所示,可知水体总磷主要与Pb呈显著正相关(P<0.05),而Pb与Cd呈极显著正相关(P<0.01);有效态Pb与有效态Cd呈极显著正相关(P<0.01)。说明,香溪河水体磷素对土壤中重金属Pb和Cd的总量均有影响。
水体总磷、土壤Pb、Cd
Total phosphorous in water and Pb, Cd contents in soil水体总磷与土壤有效态Pb和Cd
Total phosphorous in watet and availiable Pb, Cd in soilTP Pb Cd TP Cd Pb TP 1 TP 1 Pb 0.351* 1 Cd 0.197 1 Cd −0.017 0.624** 1 Pb −0.019 0.587** 1 注:*在 0.05 级别(双尾),相关性显著,**在 0.01 级别(双尾),相关性显著
Notes: *means at level 0.05 (double tailed),**means at level 0.01 (double tailed), the correlation is significantTable 2. Correlation between total phosphorus in water and heavy metals content available in soil
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香溪河消落带土壤总磷、Pb、Cd含量在采样监测期分别为199.34、96.97和0.24 mg·kg−1。在第1次淹水期的15 d和30 d时,水体总磷含量无显著差异(P>0.05);而第2次淹水期时,水体总磷含量相较于第1次淹水时显著增加(P<0.05),75 d时各组水体磷浓度无显著差异(P>0.05),但在90 d时,水体磷浓度低随外源水体磷浓度的增加逐渐降低,在P02时水体磷浓度开始降至第1次淹水期水平,与第1次淹水时的浓度无显著性差异(P>0.05)(图2A)。
Figure 2. Variation characteristics of total phosphorus in water and soil with phosphorus addition and dry-wet alternation time
如图2B所示,第1次淹水期结束时,CK、P005、P01组的土壤总磷含量随水体总磷浓度增加而逐渐减少,在P02时土壤总磷含量增加至最大值,随水体磷浓度的增加再次呈现下降趋势。60 d时土壤总磷含量相对于30 d时有所增加,这可能是因为落干期间,间隙水间的磷元素重新被土壤吸附,仅在P02组时呈相反趋势。而在第2次淹水落干期间,CK、P005、P01、P02组均呈现淹水期土壤总磷含量高于落干期,而在P04、P06组则呈相反趋势。
如图3所示,落干期土壤总磷含量变化幅度远小于淹水期,说明淹水期磷元素在土壤中有释放和沉淀的过程。其中P02的淹水期土壤总磷饱和率最高,而落干期土壤磷饱和率处于最低值,这与第1次淹水落干时期土壤总磷的变化趋势一致。整体上,在干湿交替交替过程中,磷元素在水体土壤之间存在迁移转化,而当原始水体磷浓度达到0.2 mg·L−1时,磷元素更容易被吸附在土壤中。
Figure 3. Variation characteristics of soil phosphorus saturation rate with phosphorus addition and dry-wet alternation
第1次淹水时,各组水体pH值在第3 d时开始重合,并逐渐向弱碱性变化(图4A);而在第2次淹水时,各组水体pH值在第90 d时才逐渐接近重合(图4B),这说明经过第1次淹水落干周期,土壤pH值可能发生了变化,使得在第2次淹水时,原始水体磷浓度高的组别,水体pH值从向弱碱性向中性发展。
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从本研究Pb的形态变化特征(图5)可发现,在第1次淹水时,Pb以残渣态转化为有机物或铁-锰氧化物结合态为主,两次落干期形态无明显变化(P>0.05)。可交换态Pb与碳酸盐结合态Pb含量的占比不随时间的变化而发生大幅度的变化,与水体磷浓度也无明显关联。从Cd的形态变化特征(图6)可发现,Cd在土壤中主要以较活泼的形态(可交换态、铁-锰氧化物结合态)存在。相较于第一次淹水落干周期,第2次淹水落干时,不同落干期相同磷添加浓度的Cd含量显著降低(P<0.05)。模拟试验中Cd形态转化主要在残渣态、铁-锰氧化物结合态以及交换态之间,说明除干湿交替外,水体磷促进土壤Cd由可交换态向残渣态转化,且经过反复的淹水落干,Cd最终以残渣态被固定在土壤中。可见,随着干湿交替次数增加,土壤Pb和Cd形态的变化趋势是由可交换态向残渣态转变,Cd的形态变化趋势更加显著且与水体磷元素相关。
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干湿交替试验中,在低浓度磷添加(0.05 mg·L−1)下,土壤Pb含量除了在第1次淹水期略有上升外,经过30 d的落干后,土壤Pb含量均明显降低(P<0.05),且其它浓度磷添加之间无差别(P>0.05)(图7A)。提示干湿交替水体磷有助于土壤Pb向水体的迁移,并且受干湿交替次数影响较大而受磷浓度影响较小,在干湿交替过程水体磷对土壤Pb形态的影响研究结果也发现(图5),随着干湿交替次数增加,土壤Pb形态的变化趋势是由迁移性强的可交换态向移性弱的残渣态的转变。
Figure 7. Content variation characteristics of Pb and Cd in soils with phosphorus addition and dry-wet alternation
干湿交替土壤Cd含量在第1次淹水落干时表现为落干期含量高于淹水期含量(图7B),但Cd含量不随水体磷浓度的增加而增加(P>0.05)。随着干湿交替次数增加,第2次淹水期时土壤Cd含量随水体磷浓度的增加而升高(P<0.05),除最高浓度磷(0.6 mg·L−1)外,其它各浓度磷添加下土壤Cd含量均随着干湿交替次数增加明显增加(P<0.05),并接近香溪河Cd的土壤本底值(0.24 mg·kg−1)。说明干湿交替水体磷可抑制土壤Cd向水体的迁移,从而有助于土壤Cd的原位固化,并且这种现象受干湿交替次数影响较大而受磷浓度影响较小。本文在干湿交替过程水体磷对土壤Cd形态的影响研究结果(图6)发现,随着干湿交替次数增加,土壤Cd形态的变化趋势是由迁移性强的可交换态向移性弱的残渣态的转变。
Effect of Phosphorus Content in Xiangxi River on the Migration and Transformation of Lead and Cadmium in Fluctuation Zone Soil
- Received Date: 2022-11-12
- Accepted Date: 2022-12-06
- Available Online: 2023-10-20
Abstract: