三峽庫區消落帶土壤重金屬含量特征及污染評價

摘 要：以三峽庫區蓄水位從175m回落至163m后的云陽段消落帶土壤為研究對象，進行重金屬Cu、Zn、Pb、Cd和Cr的含量與剖面分布特征及評價研究。結果表明：消落帶土壤Cu、Zn、Pb、Cd和Cr的含量分別為58.09mg/kg、108.93mg/kg、15.18mg/kg、0.46mg/kg和71.81mg/kg。重金屬剖面分布特征呈規律性變化：0～10cm土層Cu、Cr和Zn含量高于10～20cm土層，而在干濕交替處Zn、Cr含量卻表現為0～10cm土層低于10～20cm土層；Pb和Cd剖面分布特征均呈現出0～10cm土層含量低于10～20cm土層，而在干濕交替處呈相反趨勢。研究區不受Pb污染，而受Cd、Cu、Zn和Cr不同程度污染，尤以Cd污染最嚴重，甚至超出三峽庫區土壤背景值3倍以上。

關鍵詞：三峽庫區；消落帶；土壤重金屬含量；分布特征；污染評價

中圖分類號 X53 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2013）15-16-03

The Characteristics and Assessment of Heavy Metal Concentrations in Fluctuation Zone of Three Gorges Reservoir Area

Mo Fuxiao et al.

（School of River and Ocean Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China）

Abstract：This study was devoted to fluctuation zone of Three Gorges reservoir area in Yunyang and the concentrations of Cu，Zn，Pb，Cd and Cr were determined which ranged from 175m to 163m in water-level-fluctuating zone soils. The result indicated that the total concentrations of Cu，Zn，Pb，Cd and Cr were 58.09mg/kg，108.93mg/kg，15.18mg/kg，0.46mg/kg and 71.81mg/kg，respectively. The profile distribution characteristics of heavy metal content changed regularly：the content of Cu，Cr and Zn in surface soil is higher than that of in the deep soil，but the content of Cr and Zn in surface soil is lower than that of in the deep soil at the dry-wet alternation；Content characteristics of Pb and Cd was the same，emerged as the surface is less than deep and the surface is more than deep at the dry-wet alternation. The study area was contaminated by Cd，Cu，Zn and Cr in varying degrees，but far from the Pb pollution；however pollution of Cd was particularly serious，even beyond the background value more than three times.

Key words：Three Gorges reservoir area；Fluctuation zone；Heavy metal in soil；Characteristic；Pollution assessment

消落帶是因水庫調度引起的水位漲落而于庫區周圍形成的一段特殊區域。在人工調控下，三峽庫區水位的周期性漲落會在兩岸形成垂直落差30m、面積約348.9km2的消落帶。消落帶是水生生態系統與陸生生態系統的過渡地段，其土壤理化性質及重金屬含量嚴重影響庫區水質和周圍動植物的生命活動。消落帶土壤重金屬污染具有隱蔽性強、形態多變、無法被生物降解、容易在生物體內累積等特點[1]，并能通過食物鏈在生物體內不斷富集，最終將嚴重危害人類的健康[2-3]。筆者對三峽庫區消落帶云陽段不同高程、不同采樣深度土壤剖面的重金屬Cu、Zn、Pb、Cd和Cr含量與分布特征進行分析和研究，進一步評價該區土壤重金屬污染情況，以期為庫區生態環境治理和農田可持續發展奠定理論依據。

1 材料與方法

1.1 土樣采集及調查 2012年4月，在重慶市云陽縣境內沿長江主要次級河流的三峽庫區消落帶的荒地采集土樣。根據土地利用狀況及周圍環境情況布設采樣點[4]，選擇177m、175m、170m、165m和163m高程的5個采樣點分別采集0～10cm和10～20cm層次的土樣，每個土樣采集1kg，共10個土樣。163m水位是水土接壤處，處于干濕交替狀態；170m高程處有排水溝。土樣經室內自然陰干，除去碎石、植物根等雜物，經四分法混合均勻后研磨過100目篩，裝入塑料自封袋編號備用[5]。

1.2 測定指標監測項目與分析方法 主要監測項目為Cu、Zn、Pb、Cd、Cr 5項指標。分析方法均按照土壤環境監測技術規范（HJ-T166—2004）規定的分析方法測定Cu、Zn、Pb、Cd和Cr[6]：Cu、Zn、Cr采用火焰原子吸收分光光度法；Pb、Cd采用石墨爐原子吸收分光光度法。；pH值采用便攜式土壤pH計（IQ150-美國）測定。研究區10個土樣pH為5.23～5.80，均值為5.56。

1.3 評價標準及方法 選用國家土壤環境質量標準（GB15618—1995）自然背景和三峽庫區土壤背景值[7]做參照值（見表1）對庫區Cu、Zn、Pb、Cd和Cr進行評價。

表1 土壤環境質量標準（mg/kg）

[重金屬＼Cu＼Zn＼Pb＼ Cd＼Cr＼自然背景＼35＼100＼35＼0.20＼90＼三峽庫區背景值＼25.00＼69.88＼23.88＼0.134＼78.03＼]

采用單因子指數法評價土壤重金屬污染情況。單因子污染指數計算公式如下：

Pi =ρi / si

其中：Pi為土壤污染物i的污染指數；ρi、si為污染物i的實測和參照濃度（mg/kg）。

Pi≤1，土壤重金屬含量未超標，不影響作物生長發育和人體健康；Pi>1，土壤重金屬含量超標，危害作物生長發育和人體健康。

2 結果與分析

2.1 消落帶研究區內各采樣點土壤的pH、重金屬含量 消落帶研究區內10個不同高程采樣點土壤均偏酸性，pH為5.23～5.80，均值為5.56，土壤重金屬含量統計結果見表3。

表3 各采樣點重金屬含量（mg/kg）

[編號＼Cu＼Zn＼Pb＼Cd＼Cr＼177m（0～10）＼82.7＼193.8＼14.2＼0.45＼80.3＼177m（10～20）＼54.8＼60.2＼17.3＼0.47＼64.4＼175m（0～10）＼50.9＼98.1＼15.5＼0.46＼85.9＼175m（10～20）＼47.3＼46.4＼17.9＼0.55＼40.0＼170m（0～10）＼72.8＼97.6＼10.6＼0.40＼95.0＼170m（10-20）＼74.9＼142.3＼12.9＼0.41＼74.4＼165m（0～10）＼47.5＼109.2＼15.6＼0.54＼62.7＼165m（10～20）＼26.3＼54.6＼16.0＼0.51＼70.7＼163m（0～10）＼67.8＼138.8＼19.1＼0.49＼47.8＼163m（10～20）＼55.9＼148.3＼13.1＼0.33＼96.9＼]

2.2 重金屬剖面分布特征

2.2.1 Cu 圖1顯示，177m至163m各高程Cu含量在0～20cm土層中隨土層加深而降低，這與土壤有機質含量最高有關[8]，有機質的吸附作用使0～10cm的Cu含量高于10～20cm。170m高程0～10cm和10～20cm的Cu含量均較高，這與排水溝促使重金屬Cu在此積累有關。

圖1 Cu的剖面分布

2.2.2 Zn 圖2顯示，170m和163m高程處分別是排水溝和水土接壤處，二者的Zn含量表現出0～10cm低于10～20cm，消落帶土壤中重金屬Zn的含量與庫區土壤被水體淹沒時間的長度相關，淹沒時間越長消落帶土壤表層中重金屬Zn向庫區水體遷移的量越多[10]。Zn在177m、175m和165m高程消落帶土壤0～10cm的含量比10～20cm的含量高。而且Zn在177m表層處出現最大值，這與農業活動中施用Zn肥和含Zn農藥相關[9]。

圖2 Zn的剖面分布

2.2.3 Pb 圖3顯示，170m和163m高程處分別是排水溝和水土接壤處，二者的Pb含量表現出0～10cm高于10～20cm，這是Pb在水土接壤處沉積、擴散、吸附所致。Pb在177m、175m和165m高程消落帶土壤0～10cm的含量比10～20cm的含量低，因為Pb在重力作用下隨水向土壤深層遷移、也可隨地表徑流移動，從而可以在消落帶土壤深層積累[11]。Pb的剖面分布特征與Zn剛好呈相反的狀態。

圖3 Pb的剖面分布

2.2.4 Cd 由圖4可知，177m至163m各高程Cd含量在0～20cm土層中隨土層加深而降低，與Cu的剖面分布特征相同，這是由于Cd在庫區消落帶表層土壤中的可提取態含量較高[12]。在排水溝和水土接壤處Cd的平均含量均低于其他高程Cd的含量，說明Cd在淹沒狀態下不易沉積在土壤中。

圖4 Cd的剖面分布

2.2.5 Cr 由圖5可知，177m至163m各高程Cr含量在0～20cm土層中隨土層加深而降低，與Cu、Cd剖面分布特征相同，因為Cr在土壤中主要以殘渣態存在[12]，能較穩定的存在于原生礦物晶格中，而且在土壤中較穩定[13]。而且土壤的吸附作用和Cr以強結合能力吸附在土壤中的鐵、錳氧化物上，向表層遷移、富集[14]。

圖5 Cr的剖面分布

2.3 重金屬污染程度評價 由表2可以看出，采取國家自然背景和庫區背景數據進行相關分析，單因子污染指數Pi：Cd>Cu>Zn>Cr>Pb。其中，Cd、Cu污染程度最為嚴重，Zn、Cr污染程度相對輕一些，評價區域土壤未受到重金屬Pb的影響。總體上，研究區域受到重金屬Cd、Cu、Zn、Cr不同程度的污染。研究區內全部都受到重金屬Cd、Cu的嚴重影響，大多數地方受到重金屬Zn的污染，大多數地方不受Cr污染。研究區內以Cd污染尤為嚴重，甚至超出三峽庫區土壤背景值3倍以上。Cd元素是三峽庫區土壤污染較嚴重的元素，在上游重慶工業發達的主城區較下游Cd污染嚴重，屬“工業污染因子”[12]。在水體作用下，位于庫區下游的云陽縣土壤亦受到上游水體的影響，呈現出以重金屬Cd污染最為嚴重的現象。相關學者研究表明，三峽庫區消落帶土壤重金屬污染以Cd污染最為嚴重[15-16]。

表2 研究區重金屬污染指數（Pi）

[編號＼ Cu ＼ Zn ＼ Pb ＼ Cd ＼ Cr ＼自然背景值＼庫區＼自然背景值＼庫區＼自然背景值＼庫區＼自然背景值＼庫區＼自然背景值＼庫區＼177m（0～10）＼2.36＼3.31＼1.94 ＼2.77 ＼0.41 ＼0.59 ＼2.35 ＼3.51 ＼0.89 ＼1.03 ＼177m（10～20）＼1.57＼2.19＼0.60 ＼0.86 ＼0.49 ＼0.72 ＼2.25 ＼3.36 ＼0.72 ＼0.83 ＼175m（0～10）＼1.45＼2.04＼0.98 ＼1.40 ＼0.44 ＼0.65 ＼2.75 ＼4.10 ＼0.95 ＼1.10 ＼175m（10～20）＼1.35＼1.89＼0.46 ＼0.66 ＼0.51 ＼0.75 ＼2.30 ＼3.43 ＼0.44 ＼0.51 ＼170m（0～10）＼2.14＼3.00＼0.98 ＼1.40 ＼0.45 ＼0.65 ＼2.10 ＼3.13 ＼1.06 ＼1.22 ＼170m（10～20）＼2.08＼2.91＼1.42 ＼2.04 ＼0.37 ＼0.54 ＼1.95 ＼2.91 ＼0.83 ＼0.95 ＼165m（0～10）＼1.36＼1.90＼1.09 ＼1.56 ＼0.30 ＼0.44 ＼2.70 ＼4.03 ＼0.79 ＼0.91 ＼165m（10～20）＼0.75＼1.05＼0.55 ＼0.78 ＼0.46 ＼0.67 ＼2.55 ＼3.81 ＼0.70 ＼0.80 ＼163m（0～10）＼1.94＼2.71＼1.39 ＼1.99 ＼0.55 ＼0.80 ＼2.45 ＼3.66 ＼1.08 ＼1.24 ＼163m（10～20）＼1.60＼2.24＼1.48 ＼2.12 ＼0.37 ＼0.55 ＼1.65 ＼2.46 ＼0.53 ＼0.61 ＼平均值＼1.66 ＼2.32 ＼1.09 ＼1.56 ＼0.44 ＼0.64 ＼2.31 ＼3.44 ＼0.80 ＼0.92 ＼]

3 小結

（1）研究區消落帶土壤重金屬Cu、Zn、Pb、Cd和Cr的含量分別為58.09mg/kg、108.93mg/kg、15.18mg/kg、0.46mg/kg和71.81mg/kg。

（2）不同高程和不同采樣深度的土壤重金屬含量差異較大。由于土壤的截留作用，總體上表層土壤重金屬Cu、Cr、Zn含量高于深層土壤，在干濕交替處出現表層Zn、Cr含量低于深層含量，這是由于淹沒時間越長消落帶土壤表層中重金屬Zn向庫區水體遷移的量越多，呈現出表層含量低于深層含量，即干濕交替有利于Zn、Cr的解析。

（3）研究區土壤重金屬Pb、Cd含量的剖面分布特征相同，都呈現出表層土壤含量低于深層土壤，而在干濕交替處出現表層含量高于深層含量，表層土壤Pb、Cd的含量低于深層土壤是因為在重力作用下隨水向土壤深層遷移。而163m高程處所含重金屬Pb、Cd為土壤表層比深層的含量高，是由于Pb在水土接壤處的表層沉積、吸附所致和Cd在消落帶表層土壤中的可提取態含量較高相關。

（4）單因子污染指數表明，研究區域受到重金屬Cd、Cu、Zn、Cr不同程度的污染，而不受Pb污染。研究區內全部都受到重金屬Cd、Cu的嚴重影響，大多數地方受到重金屬Zn的污染，大多數地方不受Cr污染。研究區內以Cd污染尤為嚴重，甚至超出三峽庫區土壤背景值3倍以上。

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（責編：陶學軍）