三峡库区消落带完整淹水后土壤重金属分布特征及其影响因素

王晓阳,傅瓦利,谢 芳,蒲 鹏,彭景涛

(西南大学 地理科学学院,重庆400715)

2008年11 月中旬,三峡水库蓄水水位首次达到172.8 m,意味着三峡库区完整的消落带区域将逐渐形成。三峡库区消落带作为水陆间的过渡性连接地带,由于受自然、经济和社会的共同作用和影响,所以既可能成为污染物的源,也可能成为污染物的汇[1]。土壤重金属作为具有潜在生态危害的污染物,其含量不仅关系农作物、植被系统的安全[2],而且可以通过扩散、溶解等方式进入水体,对水库水质产生影响[3]。

有关三峡库区土壤重金属的研究,主要集中在库区土壤重金属背景值大小[4]、重金属在不同土壤类型[5]和不同土地利用方式[6]中的含量和分布特征等方面。对于消落带土壤受水库水体完全淹没之后重金属的分布特征和影响因素的研究还比较少。其次,小江流域消落带是三峡库区面积最大的消落带,研究区域具有典型的代表性。在研究方法上,首次就消落带不同海拔高程上的土壤重金属的分布进行了研究。本文以生态风险较高的Cu、Zn、Cr、Ni等4种重金属作为对象,对其含量状况及分布特征进行了研究,以期为库区支流消落带完全形成以后的科学利用和环境保护提供基础数据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

小江属长江上游北岸的一级支流,发源于开县境内的大巴山麓,在云阳新县城注入长江,全长182.4 km,河道平均坡降3.7‰,流域面积 5 172.5 km2,是三峡库区万州以下水系中流域面积最大的一条支流。小江流域消落带面积为38.68 km2,占库区消落带总面积13.2%,是三峡库区面积最大的消落带。小江流域消落带土地主要利用类型有耕地(旱地为主)、疏林地、荒地、滩涂等,土壤类型主要以紫色土、潮土和黄壤为主 。

1.2 研究方法

1.2.1 样品采集 2009年7月中旬,根据研究目的和地形特征,在消落带不同区段和不同高程设置采样点位置,此时小江下游水位为145 m,上游约155 m。不同区段采样是指从小江上游至下游采样点设于后坝镇、渠口镇、高阳镇、人和镇等地,在小江两岸145～175 m之间的消落带区域进行采样。不同高程取样是指从海拔145 m开始,使用1∶50 000地形图和GPS对照定位,间隔5 m为一个采样区域,至海拔175 m共设7个采样区域(图1所示)。在采样区域内,采用蛇形布点法采集3个点混均,四分法取样。采集土样为表层土,采集深度0-20 cm,共采集26个土样,其中消落带中游、中下游、下游段各采集7个样,上游采集5个样。同时记录样品所在的坡度、坡向等信息。采集的土样去除植物根、砂砾,自然风干,研磨过100目尼龙筛,混合均匀备用。

图1 消落带采样点分布图

1.2.2 样品分析 (1)土壤理化性质：pH采用电位法,有机质采用重铬酸钾外加热法,土壤质地采用甲种比重计法。(2)重金属全量：采用HF-HNO3-HClO4消化,美国产VARIAN Vista-MPX型电感耦合等离子体发射光谱仪测定(ICP-AES法)Cu、Zn、Cr、Ni含量。分析过程中采用国家标准土壤样品(GBW07046)进行全程质量控制,测定的相对标准偏差均小于10%。

1.2.3 数据处理 描述性统计分析、相关分析和单因素方差分析均采用SPSS 13.0计算。曲线制图采用KaleidaGraph绘制。

2 结果与分析

2.1 土壤基本理化性质

从表1可以看出小江消落带上游和中下游土壤质地主要以壤土组为主,中游和下游壤土组和砂土组兼而有之。消落带以碱性土壤为主,占全部样品的61.54%,酸性土壤和中性土壤各占样品的19.23%。消落带土壤有机质平均含量较低,仅为17.4 g/kg,一方面由于消落带坡度较陡,水土流失严重,有机质不容易储存。另一方面,在坡度较为平缓的消落带大面积的表土曾被人为的移到海拔175 m以上,用作移土培肥(人和镇),留下的底土有机质含量较低,加之水库水位周期性的涨落,加剧了有机质的流失。单因素方差分析(表2,P＜0.05)表明：研究区土壤的p H、有机质、砂粒、粗黏粒(单粒直径 0.001～0.005 mm)和黏粒(单粒直径小于0.001 mm)在消落带不同区段均呈现出显著性差异。有机质、粗黏粒和黏粒平均含量最高值均出现在中下游段,p H和砂粒平均值在此段最小;有机质含量最低值出现在下游段,pH的最高值也在此段。相关性分析表明(表3),有机质与pH和砂粒呈极显著负相关,与粗黏粒和黏粒均呈极显著正相关。首先是由于土壤机质含量越高,有机质所含的呈酸性的腐殖酸越多,造成p H降低。其次粗黏粒、黏粒含量较高的土壤通气性较差,透水性弱,造成有机质矿化速度较慢,从而有机质存在一定积累。

表1 研究区基本特征及土壤理化性质

表2 单因素方差法分析结果

表3 土壤理化性质之间的相关性

2.2 研究区土壤重金属含量分析

研究区表层土壤重金属含量结果如表4所示。对照我国土壤环境质量一级标准[7],发现小江流域消落带土壤重金属Cu、Cr、Ni平均含量均未超标,土壤Zn含量是一级标准的1.26倍。小江流域人口密集,人地矛盾突出,消落带完全形成以前曾被大面积开垦为农业用地,农业活动中施用锌肥和含锌农药(如代森锌、福美锌)可能是消落带Zn全量很高的原因。据报道,某些畜禽粪便含锌量可达100～207 mg/kg,长期施用有机肥可使土壤锌提高5%～30%[8]。

表4 消落带表层土壤重金属含量描述统计 mg/kg

变异系数反映了所有样本中统计数的波动程度,一定程度上反映了该元素的分布特征。在整个消落带中,土壤重金属Cr、Cu、Ni、Zn 的变异系数分别为30.75%、20.08%、19.39%和17.79%。其中Cu 、Ni、Zn变异程度较弱,反映了3种重金属空间分异较小或污染程度的相似性;Cr属于中等变异程度,反映了Cr在消落带各区段中的含量有较大差异。

2.3 土壤重金属含量的影响因素

由于土壤中某一元素与土壤性质的相互关系是土壤固相物质与多种元素在一定环境条件下相互作用的结果,导致土壤的某些理化性质与重金属含量存在一定的相关性。为了了解土壤重金属含量的影响因素,对土壤理化性质和重金属含量进行相关性分析。结果表明(表5)：Zn与 p H、有机质和机械组成的相关性不显著。Ni、Cr、Cu均与有机质呈显著性正相关,有机质对重金属含量的影响是通过其主要成分腐殖质对重金属强烈的吸附和络合作用[9],使得重金属含量随有机质含量增加而增大。Ni、Cr、Cu与机械组成中的粉粒、粗黏粒、黏粒均呈显著性正相关,与砂粒成显著性负相关。由表3可知,有机质与砂粒呈极显著负相关,与粉粒、粗黏粒和黏粒均呈极显著正相关。说明机械组成对重金属含量的影响程度主要取决于其不同组分内有机质含量的多少,某一粒径中的有机质含量越多,这一粒径对重金属含量的影响越显著。p H与Cr呈极显著负相关的原因也可能与有机质有关,因为随着有机质含量的增加,Cr含量也相应的增加,但是造成p H降低。

表5 土壤重金属与土壤理化性质之间的相关性

为了反映重金属含量与土壤理化性质之间的数量关系,建立了逐步回归方程。本文选择p H值、有机质、砂粒、粉粒、粗黏粒、黏粒6个影响因子作为自变量,分别设为 x1,x2,x3,x4,x 5,x6。为了确保回归模型的可靠性,确定逐步回归方程的显著性水平需要达到0.05。结果显示,Zn与自变量的回归方程未能达到所设显著水平,没能建模。Cr、Cu、Ni的回归方程分别为：y=2.43x5+25.232;y=36.586-0.202x3;y=0.524x5+21.018;Cr、Cu、Ni回归模型的复相关系数分别为0.708,0.576,0.496,其中以Cr的回归模型效果最好。由回归模型可知,Cr、Ni主要受粗黏粒含量的影响;Cu主要受砂粒含量的影响。

2.4 土壤重金属空间分布特征

土壤重金属含量的描述统计分析只能说明其含量在整个消落带区域中的大致变化特征,而不能反映出各区段之间具体的差异性和结构性。因此需要进一步采用统计学方法分析重金属含量的空间分布特征。本文通过单因素方差法来检验土壤重金属在消落带沿程各区段和不同高程是否存在显著性差异。

2.4.1 土壤重金属在消落带不同区段的分布 单因素方差检验结果显示：Ni、Zn、Cr、Cu等 4种重金属元素在小江流域消落带不同区段存在显著性差异。中下游段的Cr含量显著高于上游、中游和下游段;Cu和Ni在上游段的含量均显著低于中游、中下游和下游段,此外Cu在中下游段的含量显著高于上游、中游和下游段;中游段的Zn含量显著高于上游和下游段。

由图2可以看出,Cr、Cu、Ni、Zn全量在消落带各区段的平均最小值都出现在上游段,除了与上游段有机质含量较低有关外,还可能与上游地区经济欠发达,受人类活动影响较小有关;其中 Cr、Cu、Ni在各区段的平均最大值都出现在中下游段,分别是最小值的 1.80,1.55,1.56 倍;除 Zn 外,Cr、Cu、Ni在消落带上的含量总体呈从上游到中下游逐渐增大,下游又有所下降的趋势。重金属的这种分布特征与有机质在各区段的分布特征相一致,同时验证了有机质是影响重金属含量的重要因素。下游土壤重金属含量的降低除了与有机质含量的降低以外,可能与小江与长江交汇有关,两江的交汇,使得水体中的重金属浓度得到稀释,土壤重金属通过扩散、溶解等方式进入水体[10],从而使土壤重金属含量有所下降。

图2 土壤重金属在不同区段的分布

2.4.2 土壤重金属在不同高程的分布 三峡水库消落带是指正常蓄水位175 m与防洪限制水位145 m之间每年季节性水位消涨区域。三峡库区蓄水水位在2006年首次从海拔高程136 m升高到156 m,2007年蓄水水位在144 m和156 m之间,2008年蓄水水位在145～172.8 m之间。说明3年间消落带不同高程被江水淹没的时间长度是不同的。通过检验,土壤重金属Ni、Zn、Cr、Cu在消落带的不同海拔高程上不存在显著性差异。这种没有差异的分布可能是由于消落带被淹没的时间有限,江水没能对土壤重金属在不同高程的含量产生足够显著的影响。

3 结论

(1)三峡库区小江流域消落带土壤重金属Cu、Zn、Cr、Ni全量的平均值分别为 28.69 mg/kg、126.03 mg/kg、57.20 mg/kg和27.91 mg/kg。对照我国土壤环境质量一级标准,Cu、Cr、Ni平均含量均未超标,Zn含量是一级标准的1.26倍。就变异程度而言,Cu、Zn和Ni的变异程度均属弱变异,空间分布比较均匀或是受污染程度相同,Cr为中等变异,空间分异较大。

(2)Ni、Zn、Cr、Cu在消落带中的含量受土壤理化性质的影响。有机质对重金属含量有重要影响,pH和机械组成也通过有机质多少来影响土壤重金属的含量。逐步回归分析表明：Zn受p H、有机质和机械组成的影响不显著,Cr和Ni主要受粗黏粒含量的影响,Cu主要受砂粒含量的影响。

(3)Cu、Zn、Cr、Ni在小江消落带沿程不同区段的分布存在显著性差异,总体呈从上游到中下游逐渐增大,下游又有所下降的趋势;其在不同高程上分布的差异性不显著。

[1] 吉芳英,王图锦,胡学斌,等.三峡库区消落区水体-沉积物重金属迁移转化特征[J].环境科学,2009,30(12)：3481-3487.

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[5] 李其林.黄昀.刘光德,等.三峡库区主要土壤类型重金属含量及特征[J].土壤学报,2004,41(2)：301-304

[6] 黄昀,周优良,李道高,等.三峡库区柑橘园土壤重金属行为特征研究[J].中国生态农业学报,2005,13(3)：45-47.

[7] 国家环境保护局.土壤环境质量标准GB15618-1995[S].

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[9] 钟晓兰,周生路,黄明丽,等.土壤重金属的形态分布特征及其影响因素[J].生态环境学报,2009,18(4)：1266-1273.

[10] 傅杨武,祁俊生,陈书鸿,等.三峡库区苎溪河流域消落带土壤重金属污染调查及评价[J].土壤通报,2009,40(1)：162-166.