三峽庫區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,傅瓦利,謝 芳,蒲 鵬,彭景濤

(西南大學 地理科學學院,重慶400715)

2008年11 月中旬,三峽水庫蓄水水位首次達到172.8 m,意味著三峽庫區完整的消落帶區域將逐漸形成。三峽庫區消落帶作為水陸間的過渡性連接地帶,由于受自然、經濟和社會的共同作用和影響,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危害的污染物,其含量不僅關系農作物、植被系統的安全[2],而且可以通過擴散、溶解等方式進入水體,對水庫水質產生影響[3]。

有關三峽庫區土壤重金屬的研究,主要集中在庫區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。對于消落帶土壤受水庫水體完全淹沒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區面積最大的消落帶,研究區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行了研究。本文以生態風險較高的Cu、Zn、Cr、Ni等4種重金屬作為對象,對其含量狀況及分布特征進行了研究,以期為庫區支流消落帶完全形成以后的科學利用和環境保護提供基礎數據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

小江屬長江上游北岸的一級支流,發源于開縣境內的大巴山麓,在云陽新縣城注入長江,全長182.4 km,河道平均坡降3.7‰,流域面積 5 172.5 km2,是三峽庫區萬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,占庫區消落帶總面積13.2%,是三峽庫區面積最大的消落帶。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,根據研究目的和地形特征,在消落帶不同區段和不同高程設置采樣點位置,此時小江下游水位為145 m,上游約155 m。不同區段采樣是指從小江上游至下游采樣點設于后壩鎮、渠口鎮、高陽鎮、人和鎮等地,在小江兩岸145～175 m之間的消落帶區域進行采樣。不同高程取樣是指從海拔145 m開始,使用1∶50 000地形圖和GPS對照定位,間隔5 m為一個采樣區域,至海拔175 m共設7個采樣區域(圖1所示)。在采樣區域內,采用蛇形布點法采集3個點混均,四分法取樣。采集土樣為表層土,采集深度0-20 cm,共采集26個土樣,其中消落帶中游、中下游、下游段各采集7個樣,上游采集5個樣。同時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,自然風干,研磨過100目尼龍篩,混合均勻備用。

圖1 消落帶采樣點分布圖

1.2.2 樣品分析 (1)土壤理化性質：pH采用電位法,有機質采用重鉻酸鉀外加熱法,土壤質地采用甲種比重計法。(2)重金屬全量：采用HF-HNO3-HClO4消化,美國產VARIAN Vista-MPX型電感耦合等離子體發射光譜儀測定(ICP-AES法)Cu、Zn、Cr、Ni含量。分析過程中采用國家標準土壤樣品(GBW07046)進行全程質量控制,測定的相對標準偏差均小于10%。

1.2.3 數據處理 描述性統計分析、相關分析和單因素方差分析均采用SPSS 13.0計算。曲線制圖采用KaleidaGraph繪制。

2 結果與分析

2.1 土壤基本理化性質

從表1可以看出小江消落帶上游和中下游土壤質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%。消落帶土壤有機質平均含量較低,僅為17.4 g/kg,一方面由于消落帶坡度較陡,水土流失嚴重,有機質不容易儲存。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),留下的底土有機質含量較低,加之水庫水位周期性的漲落,加劇了有機質的流失。單因素方差分析(表2,P＜0.05)表明：研究區土壤的p H、有機質、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)在消落帶不同區段均呈現出顯著性差異。有機質、粗黏粒和黏粒平均含量最高值均出現在中下游段,p H和砂粒平均值在此段最小;有機質含量最低值出現在下游段,pH的最高值也在此段。相關性分析表明(表3),有機質與pH和砂粒呈極顯著負相關,與粗黏粒和黏粒均呈極顯著正相關。首先是由于土壤機質含量越高,有機質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,造成有機質礦化速度較慢,從而有機質存在一定積累。

表1 研究區基本特征及土壤理化性質

表2 單因素方差法分析結果

表3 土壤理化性質之間的相關性

2.2 研究區土壤重金屬含量分析

研究區表層土壤重金屬含量結果如表4所示。對照我國土壤環境質量一級標準[7],發現小江流域消落帶土壤重金屬Cu、Cr、Ni平均含量均未超標,土壤Zn含量是一級標準的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墾為農業用地,農業活動中施用鋅肥和含鋅農藥(如代森鋅、福美鋅)可能是消落帶Zn全量很高的原因。據報道,某些畜禽糞便含鋅量可達100～207 mg/kg,長期施用有機肥可使土壤鋅提高5%～30%[8]。

表4 消落帶表層土壤重金屬含量描述統計 mg/kg

變異系數反映了所有樣本中統計數的波動程度,一定程度上反映了該元素的分布特征。在整個消落帶中,土壤重金屬Cr、Cu、Ni、Zn 的變異系數分別為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的相互關系是土壤固相物質與多種元素在一定環境條件下相互作用的結果,導致土壤的某些理化性質與重金屬含量存在一定的相關性。為了了解土壤重金屬含量的影響因素,對土壤理化性質和重金屬含量進行相關性分析。結果表明(表5)：Zn與 p H、有機質和機械組成的相關性不顯著。Ni、Cr、Cu均與有機質呈顯著性正相關,有機質對重金屬含量的影響是通過其主要成分腐殖質對重金屬強烈的吸附和絡合作用[9],使得重金屬含量隨有機質含量增加而增大。Ni、Cr、Cu與機械組成中的粉粒、粗黏粒、黏粒均呈顯著性正相關,與砂粒成顯著性負相關。由表3可知,有機質與砂粒呈極顯著負相關,與粉粒、粗黏粒和黏粒均呈極顯著正相關。說明機械組成對重金屬含量的影響程度主要取決于其不同組分內有機質含量的多少,某一粒徑中的有機質含量越多,這一粒徑對重金屬含量的影響越顯著。p H與Cr呈極顯著負相關的原因也可能與有機質有關,因為隨著有機質含量的增加,Cr含量也相應的增加,但是造成p H降低。

表5 土壤重金屬與土壤理化性質之間的相關性

為了反映重金屬含量與土壤理化性質之間的數量關系,建立了逐步回歸方程。本文選擇p H值、有機質、砂粒、粉粒、粗黏粒、黏粒6個影響因子作為自變量,分別設為 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到0.05。結果顯示,Zn與自變量的回歸方程未能達到所設顯著水平,沒能建模。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回歸模型的復相關系數分別為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計分析只能說明其含量在整個消落帶區域中的大致變化特征,而不能反映出各區段之間具體的差異性和結構性。因此需要進一步采用統計學方法分析重金屬含量的空間分布特征。本文通過單因素方差法來檢驗土壤重金屬在消落帶沿程各區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段的分布 單因素方差檢驗結果顯示：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全量在消落帶各區段的平均最小值都出現在上游段,除了與上游段有機質含量較低有關外,還可能與上游地區經濟欠發達,受人類活動影響較小有關;其中 Cr、Cu、Ni在各區段的平均最大值都出現在中下游段,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。重金屬的這種分布特征與有機質在各區段的分布特征相一致,同時驗證了有機質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質含量的降低以外,可能與小江與長江交匯有關,兩江的交匯,使得水體中的重金屬濃度得到稀釋,土壤重金屬通過擴散、溶解等方式進入水體[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段的分布

2.4.2 土壤重金屬在不同高程的分布 三峽水庫消落帶是指正常蓄水位175 m與防洪限制水位145 m之間每年季節性水位消漲區域。三峽庫區蓄水水位在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。說明3年間消落帶不同高程被江水淹沒的時間長度是不同的。通過檢驗,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。這種沒有差異的分布可能是由于消落帶被淹沒的時間有限,江水沒能對土壤重金屬在不同高程的含量產生足夠顯著的影響。

3 結論

(1)三峽庫區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。對照我國土壤環境質量一級標準,Cu、Cr、Ni平均含量均未超標,Zn含量是一級標準的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的影響。有機質對重金屬含量有重要影響,pH和機械組成也通過有機質多少來影響土壤重金屬的含量。逐步回歸分析表明：Zn受p H、有機質和機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;其在不同高程上分布的差異性不顯著。

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[6] 黃昀,周優良,李道高,等.三峽庫區柑橘園土壤重金屬行為特征研究[J].中國生態農業學報,2005,13(3)：45-47.

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