三峽庫(kù)區(qū)消落帶完整淹水后土壤重金屬分布特征及其影響因素

王曉陽(yáng),傅瓦利,謝 芳,蒲 鵬,彭景濤

(西南大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院,重慶400715)

2008年11 月中旬,三峽水庫(kù)蓄水水位首次達(dá)到172.8 m,意味著三峽庫(kù)區(qū)完整的消落帶區(qū)域?qū)⒅饾u形成。三峽庫(kù)區(qū)消落帶作為水陸間的過(guò)渡性連接地帶,由于受自然、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的共同作用和影響,所以既可能成為污染物的源,也可能成為污染物的匯[1]。土壤重金屬作為具有潛在生態(tài)危害的污染物,其含量不僅關(guān)系農(nóng)作物、植被系統(tǒng)的安全[2],而且可以通過(guò)擴(kuò)散、溶解等方式進(jìn)入水體,對(duì)水庫(kù)水質(zhì)產(chǎn)生影響[3]。

有關(guān)三峽庫(kù)區(qū)土壤重金屬的研究,主要集中在庫(kù)區(qū)土壤重金屬背景值大小[4]、重金屬在不同土壤類型[5]和不同土地利用方式[6]中的含量和分布特征等方面。對(duì)于消落帶土壤受水庫(kù)水體完全淹沒(méi)之后重金屬的分布特征和影響因素的研究還比較少。其次,小江流域消落帶是三峽庫(kù)區(qū)面積最大的消落帶,研究區(qū)域具有典型的代表性。在研究方法上,首次就消落帶不同海拔高程上的土壤重金屬的分布進(jìn)行了研究。本文以生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較高的Cu、Zn、Cr、Ni等4種重金屬作為對(duì)象,對(duì)其含量狀況及分布特征進(jìn)行了研究,以期為庫(kù)區(qū)支流消落帶完全形成以后的科學(xué)利用和環(huán)境保護(hù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

小江屬長(zhǎng)江上游北岸的一級(jí)支流,發(fā)源于開(kāi)縣境內(nèi)的大巴山麓,在云陽(yáng)新縣城注入長(zhǎng)江,全長(zhǎng)182.4 km,河道平均坡降3.7‰,流域面積 5 172.5 km2,是三峽庫(kù)區(qū)萬(wàn)州以下水系中流域面積最大的一條支流。小江流域消落帶面積為38.68 km2,占庫(kù)區(qū)消落帶總面積13.2%,是三峽庫(kù)區(qū)面積最大的消落帶。小江流域消落帶土地主要利用類型有耕地(旱地為主)、疏林地、荒地、灘涂等,土壤類型主要以紫色土、潮土和黃壤為主 。

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集 2009年7月中旬,根據(jù)研究目的和地形特征,在消落帶不同區(qū)段和不同高程設(shè)置采樣點(diǎn)位置,此時(shí)小江下游水位為145 m,上游約155 m。不同區(qū)段采樣是指從小江上游至下游采樣點(diǎn)設(shè)于后壩鎮(zhèn)、渠口鎮(zhèn)、高陽(yáng)鎮(zhèn)、人和鎮(zhèn)等地,在小江兩岸145～175 m之間的消落帶區(qū)域進(jìn)行采樣。不同高程取樣是指從海拔145 m開(kāi)始,使用1∶50 000地形圖和GPS對(duì)照定位,間隔5 m為一個(gè)采樣區(qū)域,至海拔175 m共設(shè)7個(gè)采樣區(qū)域(圖1所示)。在采樣區(qū)域內(nèi),采用蛇形布點(diǎn)法采集3個(gè)點(diǎn)混均,四分法取樣。采集土樣為表層土,采集深度0-20 cm,共采集26個(gè)土樣,其中消落帶中游、中下游、下游段各采集7個(gè)樣,上游采集5個(gè)樣。同時(shí)記錄樣品所在的坡度、坡向等信息。采集的土樣去除植物根、砂礫,自然風(fēng)干,研磨過(guò)100目尼龍篩,混合均勻備用。

圖1 消落帶采樣點(diǎn)分布圖

1.2.2 樣品分析 (1)土壤理化性質(zhì)：pH采用電位法,有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱法,土壤質(zhì)地采用甲種比重計(jì)法。(2)重金屬全量：采用HF-HNO3-HClO4消化,美國(guó)產(chǎn)VARIAN Vista-MPX型電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀測(cè)定(ICP-AES法)Cu、Zn、Cr、Ni含量。分析過(guò)程中采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)土壤樣品(GBW07046)進(jìn)行全程質(zhì)量控制,測(cè)定的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于10%。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理 描述性統(tǒng)計(jì)分析、相關(guān)分析和單因素方差分析均采用SPSS 13.0計(jì)算。曲線制圖采用KaleidaGraph繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤基本理化性質(zhì)

從表1可以看出小江消落帶上游和中下游土壤質(zhì)地主要以壤土組為主,中游和下游壤土組和砂土組兼而有之。消落帶以堿性土壤為主,占全部樣品的61.54%,酸性土壤和中性土壤各占樣品的19.23%。消落帶土壤有機(jī)質(zhì)平均含量較低,僅為17.4 g/kg,一方面由于消落帶坡度較陡,水土流失嚴(yán)重,有機(jī)質(zhì)不容易儲(chǔ)存。另一方面,在坡度較為平緩的消落帶大面積的表土曾被人為的移到海拔175 m以上,用作移土培肥(人和鎮(zhèn)),留下的底土有機(jī)質(zhì)含量較低,加之水庫(kù)水位周期性的漲落,加劇了有機(jī)質(zhì)的流失。單因素方差分析(表2,P＜0.05)表明：研究區(qū)土壤的p H、有機(jī)質(zhì)、砂粒、粗黏粒(單粒直徑 0.001～0.005 mm)和黏粒(單粒直徑小于0.001 mm)在消落帶不同區(qū)段均呈現(xiàn)出顯著性差異。有機(jī)質(zhì)、粗黏粒和黏粒平均含量最高值均出現(xiàn)在中下游段,p H和砂粒平均值在此段最小;有機(jī)質(zhì)含量最低值出現(xiàn)在下游段,pH的最高值也在此段。相關(guān)性分析表明(表3),有機(jī)質(zhì)與pH和砂粒呈極顯著負(fù)相關(guān),與粗黏粒和黏粒均呈極顯著正相關(guān)。首先是由于土壤機(jī)質(zhì)含量越高,有機(jī)質(zhì)所含的呈酸性的腐殖酸越多,造成p H降低。其次粗黏粒、黏粒含量較高的土壤通氣性較差,透水性弱,造成有機(jī)質(zhì)礦化速度較慢,從而有機(jī)質(zhì)存在一定積累。

表1 研究區(qū)基本特征及土壤理化性質(zhì)

表2 單因素方差法分析結(jié)果

表3 土壤理化性質(zhì)之間的相關(guān)性

2.2 研究區(qū)土壤重金屬含量分析

研究區(qū)表層土壤重金屬含量結(jié)果如表4所示。對(duì)照我國(guó)土壤環(huán)境質(zhì)量一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[7],發(fā)現(xiàn)小江流域消落帶土壤重金屬Cu、Cr、Ni平均含量均未超標(biāo),土壤Zn含量是一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的1.26倍。小江流域人口密集,人地矛盾突出,消落帶完全形成以前曾被大面積開(kāi)墾為農(nóng)業(yè)用地,農(nóng)業(yè)活動(dòng)中施用鋅肥和含鋅農(nóng)藥(如代森鋅、福美鋅)可能是消落帶Zn全量很高的原因。據(jù)報(bào)道,某些畜禽糞便含鋅量可達(dá)100～207 mg/kg,長(zhǎng)期施用有機(jī)肥可使土壤鋅提高5%～30%[8]。

表4 消落帶表層土壤重金屬含量描述統(tǒng)計(jì) mg/kg

變異系數(shù)反映了所有樣本中統(tǒng)計(jì)數(shù)的波動(dòng)程度,一定程度上反映了該元素的分布特征。在整個(gè)消落帶中,土壤重金屬Cr、Cu、Ni、Zn 的變異系數(shù)分別為30.75%、20.08%、19.39%和17.79%。其中Cu 、Ni、Zn變異程度較弱,反映了3種重金屬空間分異較小或污染程度的相似性;Cr屬于中等變異程度,反映了Cr在消落帶各區(qū)段中的含量有較大差異。

2.3 土壤重金屬含量的影響因素

由于土壤中某一元素與土壤性質(zhì)的相互關(guān)系是土壤固相物質(zhì)與多種元素在一定環(huán)境條件下相互作用的結(jié)果,導(dǎo)致土壤的某些理化性質(zhì)與重金屬含量存在一定的相關(guān)性。為了了解土壤重金屬含量的影響因素,對(duì)土壤理化性質(zhì)和重金屬含量進(jìn)行相關(guān)性分析。結(jié)果表明(表5)：Zn與 p H、有機(jī)質(zhì)和機(jī)械組成的相關(guān)性不顯著。Ni、Cr、Cu均與有機(jī)質(zhì)呈顯著性正相關(guān),有機(jī)質(zhì)對(duì)重金屬含量的影響是通過(guò)其主要成分腐殖質(zhì)對(duì)重金屬?gòu)?qiáng)烈的吸附和絡(luò)合作用[9],使得重金屬含量隨有機(jī)質(zhì)含量增加而增大。Ni、Cr、Cu與機(jī)械組成中的粉粒、粗黏粒、黏粒均呈顯著性正相關(guān),與砂粒成顯著性負(fù)相關(guān)。由表3可知,有機(jī)質(zhì)與砂粒呈極顯著負(fù)相關(guān),與粉粒、粗黏粒和黏粒均呈極顯著正相關(guān)。說(shuō)明機(jī)械組成對(duì)重金屬含量的影響程度主要取決于其不同組分內(nèi)有機(jī)質(zhì)含量的多少,某一粒徑中的有機(jī)質(zhì)含量越多,這一粒徑對(duì)重金屬含量的影響越顯著。p H與Cr呈極顯著負(fù)相關(guān)的原因也可能與有機(jī)質(zhì)有關(guān),因?yàn)殡S著有機(jī)質(zhì)含量的增加,Cr含量也相應(yīng)的增加,但是造成p H降低。

表5 土壤重金屬與土壤理化性質(zhì)之間的相關(guān)性

為了反映重金屬含量與土壤理化性質(zhì)之間的數(shù)量關(guān)系,建立了逐步回歸方程。本文選擇p H值、有機(jī)質(zhì)、砂粒、粉粒、粗黏粒、黏粒6個(gè)影響因子作為自變量,分別設(shè)為 x1,x2,x3,x4,x 5,x6。為了確保回歸模型的可靠性,確定逐步回歸方程的顯著性水平需要達(dá)到0.05。結(jié)果顯示,Zn與自變量的回歸方程未能達(dá)到所設(shè)顯著水平,沒(méi)能建模。Cr、Cu、Ni的回歸方程分別為：y=2.43x5+25.232;y=36.586-0.202x3;y=0.524x5+21.018;Cr、Cu、Ni回歸模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)分別為0.708,0.576,0.496,其中以Cr的回歸模型效果最好。由回歸模型可知,Cr、Ni主要受粗黏粒含量的影響;Cu主要受砂粒含量的影響。

2.4 土壤重金屬空間分布特征

土壤重金屬含量的描述統(tǒng)計(jì)分析只能說(shuō)明其含量在整個(gè)消落帶區(qū)域中的大致變化特征,而不能反映出各區(qū)段之間具體的差異性和結(jié)構(gòu)性。因此需要進(jìn)一步采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析重金屬含量的空間分布特征。本文通過(guò)單因素方差法來(lái)檢驗(yàn)土壤重金屬在消落帶沿程各區(qū)段和不同高程是否存在顯著性差異。

2.4.1 土壤重金屬在消落帶不同區(qū)段的分布 單因素方差檢驗(yàn)結(jié)果顯示：Ni、Zn、Cr、Cu等 4種重金屬元素在小江流域消落帶不同區(qū)段存在顯著性差異。中下游段的Cr含量顯著高于上游、中游和下游段;Cu和Ni在上游段的含量均顯著低于中游、中下游和下游段,此外Cu在中下游段的含量顯著高于上游、中游和下游段;中游段的Zn含量顯著高于上游和下游段。

由圖2可以看出,Cr、Cu、Ni、Zn全量在消落帶各區(qū)段的平均最小值都出現(xiàn)在上游段,除了與上游段有機(jī)質(zhì)含量較低有關(guān)外,還可能與上游地區(qū)經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá),受人類活動(dòng)影響較小有關(guān);其中 Cr、Cu、Ni在各區(qū)段的平均最大值都出現(xiàn)在中下游段,分別是最小值的 1.80,1.55,1.56 倍;除 Zn 外,Cr、Cu、Ni在消落帶上的含量總體呈從上游到中下游逐漸增大,下游又有所下降的趨勢(shì)。重金屬的這種分布特征與有機(jī)質(zhì)在各區(qū)段的分布特征相一致,同時(shí)驗(yàn)證了有機(jī)質(zhì)是影響重金屬含量的重要因素。下游土壤重金屬含量的降低除了與有機(jī)質(zhì)含量的降低以外,可能與小江與長(zhǎng)江交匯有關(guān),兩江的交匯,使得水體中的重金屬濃度得到稀釋,土壤重金屬通過(guò)擴(kuò)散、溶解等方式進(jìn)入水體[10],從而使土壤重金屬含量有所下降。

圖2 土壤重金屬在不同區(qū)段的分布

2.4.2 土壤重金屬在不同高程的分布 三峽水庫(kù)消落帶是指正常蓄水位175 m與防洪限制水位145 m之間每年季節(jié)性水位消漲區(qū)域。三峽庫(kù)區(qū)蓄水水位在2006年首次從海拔高程136 m升高到156 m,2007年蓄水水位在144 m和156 m之間,2008年蓄水水位在145～172.8 m之間。說(shuō)明3年間消落帶不同高程被江水淹沒(méi)的時(shí)間長(zhǎng)度是不同的。通過(guò)檢驗(yàn),土壤重金屬Ni、Zn、Cr、Cu在消落帶的不同海拔高程上不存在顯著性差異。這種沒(méi)有差異的分布可能是由于消落帶被淹沒(méi)的時(shí)間有限,江水沒(méi)能對(duì)土壤重金屬在不同高程的含量產(chǎn)生足夠顯著的影響。

3 結(jié)論

(1)三峽庫(kù)區(qū)小江流域消落帶土壤重金屬Cu、Zn、Cr、Ni全量的平均值分別為 28.69 mg/kg、126.03 mg/kg、57.20 mg/kg和27.91 mg/kg。對(duì)照我國(guó)土壤環(huán)境質(zhì)量一級(jí)標(biāo)準(zhǔn),Cu、Cr、Ni平均含量均未超標(biāo),Zn含量是一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的1.26倍。就變異程度而言,Cu、Zn和Ni的變異程度均屬弱變異,空間分布比較均勻或是受污染程度相同,Cr為中等變異,空間分異較大。

(2)Ni、Zn、Cr、Cu在消落帶中的含量受土壤理化性質(zhì)的影響。有機(jī)質(zhì)對(duì)重金屬含量有重要影響,pH和機(jī)械組成也通過(guò)有機(jī)質(zhì)多少來(lái)影響土壤重金屬的含量。逐步回歸分析表明：Zn受p H、有機(jī)質(zhì)和機(jī)械組成的影響不顯著,Cr和Ni主要受粗黏粒含量的影響,Cu主要受砂粒含量的影響。

(3)Cu、Zn、Cr、Ni在小江消落帶沿程不同區(qū)段的分布存在顯著性差異,總體呈從上游到中下游逐漸增大,下游又有所下降的趨勢(shì);其在不同高程上分布的差異性不顯著。

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