三峽水庫消落區(qū)蓄水前土壤重金屬含量及生態(tài)危害評價(jià)_圖文

1、第47卷第6期土 壤 學(xué) 報(bào)V o l 47,N o 62010年11月ACTA P EDOLOG I CA S I N I CAN ov .,2010*國務(wù)院三峽建設(shè)委員會辦公室項(xiàng)目(SX2008-005、國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2008BAD98B08資助通訊作者:張全發(fā),男,博士,研究員,博士生導(dǎo)師,主要從事景觀生態(tài)學(xué)和流域生態(tài)學(xué)研究。E m ai :l qzhang w bgcas c n 作者簡介:葉 琛(1985 ,女,碩士研究生,研究方向?yàn)橥寥拉h(huán)境監(jiān)測與土壤氮循環(huán)。E m ai:l yechen922si na co m 收稿日期:2009-04-15;收到修改稿日期:2009-0

2、8-22三峽水庫消落區(qū)蓄水前土壤重金屬含量及生態(tài)危害評價(jià)*葉 琛1,2,3李思悅1,2卜紅梅1,2,3陳 晰1,2,3張全發(fā)1,2(1中國科學(xué)院武漢植物園,武漢 430074(2中國科學(xué)院水生植物與流域生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430074(3中國科學(xué)院研究生院,北京 100049HEAVY METALS IN SO I L OF THE EBB TI DE ZONE OF THE THREE GORGESRESERVO I R AND THEI R ECOLOG I CAL RIS KSY e Chen1,2,3L i Siyue 1,2Bu H ong m ei1,2,3Che n X i1,

3、2,3Zhang Quanfa1,2(1Wuha n B ot an ic a lG arden ,Ch i n eseA ca d e m y of S cie n c es ,Wuhan 430074,Ch in a (2K ey L abora t ory o f Aqua ticB ot any and Watershe d Ecology ,C hinese Aca d e my o f S ciences ,W u han 430074,Ch i na (3G ra d uate S c hool of t he Ch inese Aca d e m y of S cie n ce

4、s ,B eiji ng 100049,Ch in a 關(guān)鍵詞 三峽水庫;消落區(qū);重金屬;生態(tài)危害評價(jià) 中圖分類號 X53 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A三峽工程是當(dāng)今世界最大的水利樞紐工程,其建設(shè)對我國生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。三峽水庫2003年6月開始蓄水,至2009年水庫將全部建成。根據(jù)擬定的 蓄清排濁!的運(yùn)行方案,水庫每年水位在高程145m 至175m 之間變化,在庫區(qū)兩岸會形成水位漲落高差達(dá)30m 且水位冬漲夏落、反自然節(jié)律的消落區(qū),總面積為348.9k m21。水庫消落區(qū)是陸生生態(tài)系統(tǒng)和水生生態(tài)系統(tǒng)的過渡地帶,在此區(qū)間,陸域與水域物質(zhì)、能量的轉(zhuǎn)移和交換頻繁,消落區(qū)內(nèi)土壤的重金屬元素也會

5、與庫區(qū)水體發(fā)生頻繁的交換和轉(zhuǎn)移,影響三峽水庫水質(zhì)。目前,三峽庫區(qū)消落區(qū)土壤重金屬的研究主要集中在不同土地利用方式以及不同土壤類型下重金屬分布及污染評價(jià)2 5,對于消落區(qū)145175m 水位線間的集中研究很少。本文以三峽庫區(qū)消落區(qū)的上起重慶市巴南區(qū)、下至湖北省秭歸縣的12個(gè)區(qū)縣的土壤為研究對象,分析了蓄水前Cu 、Pb 、Zn 、Cd 、H g 、As 、Cr 等重金屬元素的含量,并對其生態(tài)危害進(jìn)行評價(jià),為比較退水前后土壤重金屬含量的變化及研究土壤對庫水水質(zhì)的影響以及土壤重金屬含量與水文特征變化之間的關(guān)系提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),同時(shí)對消落區(qū)的生態(tài)恢復(fù)治理也具有指導(dǎo)意義。1 材料與方法1 1 采樣方法采樣點(diǎn)

6、位于三峽庫區(qū)的長江干流,包括巴南、渝北、長壽、涪陵、豐都、忠縣、萬州、云陽、奉節(jié)、巫山、巴東、秭歸12個(gè)區(qū)縣,其中巴南、渝北、長壽和涪陵為上游地區(qū),豐都、忠縣、萬州和云陽為中游地區(qū),奉節(jié)、巫山、巴東和秭歸為下游地區(qū)。在每個(gè)采樣點(diǎn)在長江兩岸分3個(gè)海拔區(qū)間(145155m 、155165m 、165175m 隨機(jī)取樣,樣地一般選在荒地或者撂荒地上。除巴南地區(qū)水位較高只取2個(gè)樣外,其余地區(qū)均取6個(gè)樣,共計(jì)68個(gè)樣。每個(gè)樣方是1m 1m 大小,采集深度為020c m 的表層混合土樣。采樣時(shí)間為蓄水前2008年89月。采樣點(diǎn)的分布見圖1。6期 葉 琛等:三峽水庫消落區(qū)蓄水前土壤重金屬含量及生態(tài)危害評價(jià)1

7、265 圖1 采樣點(diǎn)示意圖1 2 監(jiān)測指標(biāo)及方法主要監(jiān)測Cu 、Pb 、Zn 、Cd 、H g 、A s 、C r 7項(xiàng)指標(biāo)。分析方法為國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB15618 1995規(guī)定的分析方法:Cu 、Zn 、Pb 、Cd 和C r 采用火焰原子吸收分光光度法進(jìn)行測定,H g 用冷原子分光光度法測定,A s 采用DDC A g 分光光度法6。1 3 統(tǒng)計(jì)方法本文所有的數(shù)據(jù)處理均采用Exce l 、SPSS13 0進(jìn)行。2 結(jié)果與分析2 1 三峽庫區(qū)消落區(qū)土壤重金屬含量分布特征分析 國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB15618 1995將土壤環(huán)境質(zhì)量分為3個(gè)等級。一級標(biāo)準(zhǔn)為保護(hù)區(qū)域自然生態(tài)、維持自然

8、背景的土壤環(huán)境質(zhì)量的限制值,二級標(biāo)準(zhǔn)為保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、維護(hù)人體健康的土壤限制值,三級標(biāo)準(zhǔn)為保障農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)和植物正常生長的土壤臨界值。本研究是以保護(hù)區(qū)域自然生態(tài),即國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)一級標(biāo)準(zhǔn)對庫區(qū)土壤進(jìn)行評價(jià),評價(jià)指標(biāo)為Cu 、Pb 、Zn 、Cd 、H g 、As 、C r 7。三峽庫區(qū)消落區(qū)從上游到下游各區(qū)縣土壤重金屬含量平均值見表1所示,從總體上看,Cu 、Pb 、Zn 和Cd 均是上游值高于中下游,中游含量最低,這與以往有關(guān)三峽庫區(qū)土壤重金屬含量的研究一致4,H g 和C r 含量在各個(gè)地方差異不大,變異系數(shù)較小,并且含量均在國家一級標(biāo)準(zhǔn)之下。A s 呈現(xiàn)上游和下游含量高,中游含量最低。

9、從這12個(gè)采樣區(qū)土壤重金屬含量分析(表1,Cu 、Pb 、Zn 在中下游涪陵至秭歸段均達(dá)到國家土壤環(huán)境質(zhì)量一級標(biāo)準(zhǔn),上游為國家的二級標(biāo)準(zhǔn);Cd 上游巴南至涪陵段含量為國家的三級標(biāo)準(zhǔn),中下游為二級標(biāo)準(zhǔn);H g 、Cr 達(dá)到了國家的一級標(biāo)準(zhǔn);A s 除萬州達(dá)到國家一級標(biāo)準(zhǔn),其余均超過了國家的一級標(biāo)準(zhǔn),中段為國家二級標(biāo)準(zhǔn),巴南、奉節(jié)至秭歸達(dá)到了國家三級標(biāo)準(zhǔn),與以往的研究相比4,土壤中As 含量明顯增加。Cu 、Pb 、Zn 、Cd 、A s 含量呈現(xiàn)上游和下游含量高及中游含量低的空間格局,這主要是因?yàn)樯嫌嗡桓?土壤受淹的范圍大,而中游只有部分被淹過,同時(shí)上游地區(qū)為重慶市主城區(qū),受工業(yè)、生活污染的影

10、響,大量重金屬污染物排入江水,土壤被淹水后受污染的江水中的重金屬會通過交換、擴(kuò)散和沉淀等方式向消落區(qū)土壤遷移,而下游地區(qū)含量高是與地質(zhì)自然背景值高2有關(guān)。變異系數(shù)1266土 壤 學(xué) 報(bào)47卷 表1 三峽庫區(qū)消落區(qū)土壤重金屬含量(mg kg-1采樣區(qū)樣品數(shù)pH Cu Pb Zn C d H g A s C r巴南27 0275 7553 31130 280 620 0825 8740 99渝北67 43#0 2255 79#20 8448 86#11 61112 19#21 880 48#0 080 08#0 0223 05#3 8742 48#4 98長壽67 69#0 0948 76#34

11、4148 65#14 22111 07#28 210 52#0 120 08#0 0720 20#6 6260 20#7 05涪陵67 17#0 5227 84#13 6332 83#9 5878 70#19 280 41#0 110 08#0 0217 68#5 8042 49#3 19豐都67 07#0 8116 92#7 8729 81#2 8761 58#12 200 27#0 070 07#0 0218 73#8 1436 31#10 36忠縣67 14#0 9021 01#15 9031 00#8 9868 06#18 900 26#0 120 07#0 0317 17#6 374

12、3 68#11 99萬州66 93#0 7919 04#13 3626 74#6 3169 55#7 830 21#0 080 09#0 0713 60#5 1138 73#4 31云陽67 74#0 0911 72#0 9229 53#3 0658 80#7 530 34#0 070 08#0 0615 11#2 0040 38#3 32奉節(jié)67 80#0 1022 24#1 7934 73#2 6259 34#4 140 59#0 080 07#0 0223 36#1 6133 52#3 43巫山67 91#0 0432 93#3 8334 64#2 5967 11#4 130 59#0

13、090 05#0 0139 06#15 6639 87#5 66巴東67 60#0 1630 25#9 5233 65#4 1968 99#1 830 32#0 070 08#0 0533 13#3 4946 35#2 10秭歸67 63#0 3618 14#1 7730 14#2 8959 99#4 950 29#0 080 06#0 0421 78#6 9138 34#5 96 GS7 0035 0035 00100 000 200 1515 0090 00注:巴南地區(qū)只采2個(gè)樣,無標(biāo)準(zhǔn)差;GS指國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的一級標(biāo)準(zhǔn)是統(tǒng)計(jì)數(shù)波動(dòng)特征的參數(shù),可以反映該元素在各個(gè)地區(qū)的分布情況,從表

14、2可知,Cu變異系數(shù)最高,達(dá)到60%,說明各區(qū)縣之間Cu含量有較大的差異,其他元素的變異系數(shù)較小,說明各區(qū)縣受這些重金屬污染的程度相似。重金屬測定方法本身的變異系數(shù)在10%以內(nèi),說明各樣點(diǎn)重金屬含量存在很大差異,同時(shí)在一定程度上反映了土壤的主要污染元素為Cd、A s、Cu。表2 土壤重金屬含量的基本統(tǒng)計(jì)特征元素范圍(mg kg-1平均值(m g kg-1標(biāo)準(zhǔn)差變異系數(shù)(% Cu11 7275 7531 719 0660Pb26 7453 3136 168 8924Zn58 80130 378 824 6231Cd0 210 620 410 1434H g0 050 090 070 0114As

15、13 639 0622 397 4133Cr33 5260 2041 946 68162 2 三峽庫區(qū)消落區(qū)土壤重金屬間及與p H相關(guān)性分析由于地球化學(xué)條件的相似性,以及造成土壤污染的污染源中金屬元素共存于土壤中,導(dǎo)致重金屬元素在總量上相關(guān)。為了解各重金屬元素之間的相關(guān)性,在基本分析的基礎(chǔ)上,對調(diào)查的全部土樣重金屬元素兩兩之間進(jìn)行相關(guān)性分析(表3。結(jié)果表明,重金屬Cd、Pb、Cu、A s、Zn間存在極顯著正相關(guān)關(guān)系,除H g表現(xiàn)的相對獨(dú)立外,各重金屬之間關(guān)系密切,各采樣區(qū)同時(shí)受到幾種重金屬元素污染的可能性較大,即土壤污染存在復(fù)合污染特性5。表3 土壤重金屬間及與pH相關(guān)性分析H g A s C

16、r C d Pb C u Zn A s-0 064C r0 0900 147C d-0 0200 532*0 174Pb0 2070 370*0 428*0 702*C u0 316*0 382*0 333*0 601*0 901*Zn0 249*0 1740 471*0 521*0 911*0 900*p H-0 294*0 397*0 321*0 521*0 279*0 1570 112 注:*!表示在0 05水平顯著相關(guān);*!表示在0 01水平顯著相關(guān)。n=68土壤pH是影響土壤重金屬含量的一個(gè)關(guān)鍵因子,其主要是通過影響重金屬化合物在土壤溶液中的溶解度來影響重金屬的行為,從而影響重金屬含

17、量8。從表3可知,p H與As、Cr、Cd含量呈極顯著正相關(guān),這可能是因?yàn)橥寥纏 H越高,這幾種重金屬的溶解性越差,土壤吸附的量就越多,因此含量就越高9。與H g含量呈顯著負(fù)相關(guān),這是因?yàn)橥寥乐械墓谘退畢捬鯒l件以及堿性環(huán)境下形成二甲基汞,其難溶于水,易揮發(fā),易被光解為甲烷、乙烷和汞10,隨著p H增加,形成越來越多的二甲基汞,并且被分解揮發(fā),從而減少土壤中汞的含量。由此可見,三峽庫區(qū)消落區(qū)土壤會向空氣中排放大量的氣態(tài)汞和二甲基汞,所測得的土壤中汞的含量要小6期 葉 琛等:三峽水庫消落區(qū)蓄水前土壤重金屬含量及生態(tài)危害評價(jià)1267于土壤的實(shí)際含量,這也在一定程度上解釋了三峽庫區(qū)土壤H g的背景值

18、(0 046mg kg-1遠(yuǎn)低于國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的一級標(biāo)準(zhǔn)值(0 15mg kg-1,因此對三峽消落帶土壤污染治理方面要充分考慮到這一點(diǎn)。2 3 三峽庫區(qū)消落區(qū)土壤重金屬污染及生態(tài)危害評價(jià)本研究采用瑞典學(xué)者H akanson11提出的潛在生態(tài)危害指數(shù)法對三峽庫區(qū)消落區(qū)土壤重金屬污染及生態(tài)危害進(jìn)行評價(jià)。該方法考慮到不同重金屬的毒性差異及環(huán)境對重金屬污染的敏感程度,以及重金屬區(qū)域背景值的差異,是能綜合反映重金屬對生態(tài)環(huán)境影響潛力的指標(biāo),在國際上被廣泛應(yīng)用。根據(jù)這一方法,某一區(qū)域土壤中第i種重金屬的潛在生態(tài)危害系數(shù)(Po tential ecolog ical risk coefficientE

19、 i r及土壤中多種重金屬的綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)(Potential ecolog ica l risk indexRI10可分別表示為:E i r=T i rc i fR I=%nj=1E i r=%nj=1T i rc i f=%nj=1T i rc i s/c i n式中,c i f為重金屬的富集系數(shù)(c i f=c i s/c i n;c i s為重金屬i的實(shí)測含量;c i n為計(jì)算所需的參照值,采用三峽庫區(qū)土壤重金屬背景值(單位:m g kg-1:A s5 84; Cd0 134;C r78 0;Cu25 0;H g0 046;Pb23 9; Zn69 912;T i r為重金屬i的

20、毒性系數(shù),主要反映重金屬的毒性水平和環(huán)境對重金屬污染的敏感程度。As、Cd、Cr、Cu、H g、Pb、Zn毒性系數(shù)分別為:10、30、2、5、40、5、113。表4 H akan son潛在生態(tài)危害分級表11生態(tài)危害系數(shù)生態(tài)危害程度輕微中等強(qiáng)很強(qiáng)極強(qiáng)E i r320RI1200表5 三峽庫區(qū)消落帶土壤重金屬潛在生態(tài)危害系數(shù)和危害指數(shù)采樣區(qū)E i rH g As C r C d Pb Cu ZnR I 巴南73 0044 291 05138 5311 1515 151 86285 0渝北69 2239 471 09107 5610 2211 161 60240 3長壽72 2834 591 54

21、117 0710 189 751 59247 0涪陵71 2030 281 0991 146 875 571 13207 3豐都62 2132 070 9360 546 243 380 88166 3忠縣61 3129 401 1258 406 494 200 97161 9萬州78 4023 280 9948 045 593 811 00161 1云陽68 6825 871 0477 156 182 340 84182 1奉節(jié)58 6140 000 86133 127 274 450 85245 2巫山39 9066 881 02131 907 256 590 96254 5巴東69 765

22、6 721 1972 487 046 050 99214 2秭歸51 0537 290 9864 656 303 630 86164 8依據(jù)H akanson潛在生態(tài)危害分級表(表4,從表5可知,以單個(gè)重金屬的潛在生態(tài)危害系數(shù)來評價(jià),Cr、Pb、Cu、Zn屬于輕微生態(tài)危害;H g為中等生態(tài)危害程度;A s除渝北至云陽段為輕微危害,其余地區(qū)為中等危害;Cd在中部豐都至云陽,以及壩區(qū)巴東和秭歸為中等危害,其余地區(qū)為強(qiáng)度危害。7種重金屬的潛在生態(tài)危害順序?yàn)镃dH gA sCu PbZnCr,因此也在一定程度上說明了土壤主要污染元素為Cd、H g、A s。這與前文用國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的一級標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)的

23、結(jié)果相比,土壤中的污染元素多了H g,這是因?yàn)檫x取的標(biāo)準(zhǔn)值不同, H akanson潛在生態(tài)危害評價(jià)選取的是三峽庫區(qū)土壤重金屬背景值,而此背景值中H g含量遠(yuǎn)低于一級標(biāo)準(zhǔn)的背景值,因此用此背景值更能反映三峽地區(qū)的實(shí)際情況,土壤中H g含量仍要引起重視。以單因子污染指數(shù)為聚類變量,按歐式距離平方進(jìn)行聚類,聚類以SPSS13 0程序進(jìn)行分析,系統(tǒng)聚類圖見圖2。1268 土 壤 學(xué) 報(bào)47卷 圖2 土壤潛在生態(tài)危害聚類圖擬定臨界值取10時(shí),單個(gè)重金屬的潛在生態(tài)危害可以分為2個(gè)類型:第一類:渝北、長壽、巴南、奉節(jié)、巫山(長江上游和下游區(qū),主要受H g 、Cd 、A s 復(fù)合污染;第二類:豐都、忠縣、秭

24、歸、萬州、涪陵、云陽、巴東(長江中游和下游區(qū),主要受H g 、Cd 復(fù)合污染。從多種重金屬的綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)來分析,三峽庫區(qū)消落區(qū)的12個(gè)區(qū)縣均為中等污染,這與以往的研究相比14,土壤污染加重,一方面是因?yàn)楸狙芯恐杏?jì)算重金屬富集系數(shù)所選用的參照值是三峽庫區(qū)土壤重金屬的背景值做參照,此背景值低于全國背景值,增加的污染區(qū)為相對于三峽庫區(qū)自然背景的高異常區(qū);另一方面隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,沿江兩岸大量的工廠排污和生活垃圾,由長江水系帶來的污染引起的土壤污染加重。從綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)分布來看,上游和下游危害指數(shù)高,中部低(見圖3,這與土壤中重金屬含量分布情況相一致。 圖3 綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)分布圖3

25、結(jié) 論1從三峽庫區(qū)消落區(qū)12個(gè)區(qū)縣蓄水前145175m 水位線之間的土壤重金屬(Cu 、Pb 、Zn 、Cd 、C r 、H g 、A s含量的平均值分析,土壤的主要污染元素為Cd 、A s 、Cu ,上游巴南至涪陵段土壤Cd 含量達(dá)到國家土壤環(huán)境質(zhì)量3級標(biāo)準(zhǔn),應(yīng)引起高度重視。土壤重金屬Cd 、Pb 、Cu 、As 、Zn 間存在極顯著正相關(guān)關(guān)系,同時(shí)pH 也是影響重金屬含量的一個(gè)重要因子,pH 與As 、C r 、Cd 含量呈極顯著正相關(guān),與H g 含量呈顯著負(fù)相關(guān)。2H akanson 的潛在生態(tài)危害指數(shù)表明本研究選取的三峽庫區(qū)消落區(qū)的12個(gè)區(qū)縣均為中等污染程度,這與我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展,工業(yè)

26、和生活污染加重有關(guān),同時(shí)大壩蓄水后,淹水會使土壤的物理、化學(xué)、生物學(xué)和礦物學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化,土壤和庫水之間的物質(zhì)交換更加頻繁,從而影響土壤重金屬含量變化。隨著大壩水位提高,形成高達(dá)30m 的水位差,這樣受影響的土壤面積增大。因此三峽消落區(qū)土壤的治理和保護(hù)以及控制上游的點(diǎn)源污染顯得越來越迫切。3三峽庫區(qū)消落區(qū)土壤重金屬分布呈上游高,中游低而下游高的特點(diǎn)。根據(jù)土壤單個(gè)重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù),把這12個(gè)區(qū)縣分為兩個(gè)污染類型:第一類為渝北、長壽、巴南、奉節(jié)、巫山,主要受6期 葉 琛等: 三峽水庫消落區(qū)蓄水前土壤重金屬含量及生態(tài)危害評價(jià) 京: 中國環(huán)境科學(xué)出版社, 1995 8 1269 H g、 As復(fù)合污染, 第二類為豐都、 Cd、 忠縣、 秭歸、 萬 州、 涪陵、 云陽、 巴東, 主要受 H g、 Cd復(fù)合污染。 參考文獻(xiàn) Y in Y J A l len H E, H uang C P, et a.l A dsorpt ion of m ercury , ( & by so i:l E ffects of pH, ch lorid e and organ ic m atter , . 844 Journa l of E nvironm ental Q ua lity, 1996 25 837 , : 9 1 2 3 4 5 6 7 張虹. 三峽庫區(qū)消落 帶土地資