三峡工程对长江中下游河岸带土壤重金属的影响

三峡工程对长江中下游河岸带土壤重金属的影响

河岸带土壤重金属已成为国内外研究的中心主题之一。随着水库蓄水,长江水流速度降低,水体稀释扩散能力下降,水体中污染物浓度增加,水库大面积长时期淹水容易造成污染物在土壤中滞留时间加长,此外,水库两岸排放的污染物也将在水流缓慢的消落带富集。另外,水库大面积蓄水一段时间后,消落带土壤中重金属将被溶出直接释放至水中,或者随着径流汇入水库,成为水库重金属的一个重要来源,由于消落带原有的生态系统受损,新的湿地生态系统还未发育完善,其截留、吸收污染物的能力减小,造成大量污染物直接进入水体,从而加大水库重金属生态风险。三峡工程蓄水后,水库在每年汛期(6～9月)将水位降至最低的145m,而在汛期后(10月)开始蓄水,将水位升至最高的175m。因此,三峡水库经过蓄水后两岸将形成垂直落差达30m的消落带。高强度的年周期性水位涨落将使消落带水土环境发生巨大改变,带来一系列生态环境问题。目前,有关三峡土壤重金属的研究主要集中于淹水前三峡水库消落带土壤重金属的现状调查、耕地土壤重金属研究及消落带水体-土壤重金属动态模拟研究等方面。然而,对实际淹水前后消落带土壤重金属的变化情况及淹水后消落带重金属污染评价的研究少见报道,因此,本文依据三峡水库长时间、高深度、反季节淹水的现实情况,分析了蓄水前后消落带不同淹水强度土壤Cu、Zn、Pb、Cr含量及变化情况,为研究蓄水对消落带水土污染状况的影响提供依据,为水库消落带生态系统污染评价奠定基础。1研究领域和方法1.1垂直土壤温度区域重庆忠县地处东经107°32′～108°14′、北纬30°03′～30°35′,位于三峡库区腹心地带,属典型的丘陵地貌,地质岩层以侏罗纪蓬莱组沙页岩为主,土壤类型以紫色土为主。该区域地处暖湿亚热带东南季风区,年降雨量1267mm,年均温18.2℃,相对湿度81%。三峡水库2007年9月蓄水至156m,2008年3～6月退水至145m,形成垂直落差11m的消落带,不同垂直高度的土壤在淹水期间遭受的淹水强度不同,低水位的土壤遭受长时间、高强度的持续淹水,仅偶尔出露,149～155m水位经过2007年10月至2008年3～6月的淹水后暴露,155m以上水位一直未经过淹水。淹水前,此区域为农田,淹水后,出露区域撂荒变成杂草地。1.2采样点位置设置在忠县石宝寨消落带地区设置6条样带,各样带以海拔146m为最低点,从该点往高处每隔3m高差设置采样点,样点海拔分别处在146m、149m、152m、155m、158m、161m,每条样带设置6个点,共36个固定样点(图1)。1.3土壤样品的采集于2007年9月、2008年3～6月退水后、2008年7月初、2008年8月初、2008年9月初五个土壤裸露时期在36个固定样点用土钻分别钻取3个0～20cm的表层土壤样品。2007年9月、2008年退水后、2008年7月初分别采土壤样品108个;8月初由于146m水位被水淹,采土壤样品90个,9月初由于146m、149m水位均被水淹,采土壤样品72个。将土壤自然风干后去除有机残体、杂质等,编号,装封口袋带回实验室,供分析用。1.4样品分析方法风干土壤取回至实验室,过2mm筛,用于分析pH;过0.25mm尼龙筛,用于分析Cu、Zn、Pb、Cr含量。所有室内土壤样品分析方法根据土壤理化分析步骤进行,具体方法如下:土壤pH采用pH计法;土壤重金属含量采用氢氟酸-高氯酸消煮-ICP测定。1.5不同时期土壤重金属的差异利用Excel和SPSS11.5软件对数据进行统计分析。采用双因素方差分析研究不同淹水强度及不同时期土壤重金属的差异性,差异程度用多重比较(SSR)(p<0.05)分析。土壤重金属环境质量评价采用单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法。2结果与分析2.1水位和责任土壤酸性不同淹水强度土壤酸碱性差异显著(p<0.001)。其中,146m、149m、152m、155m、158m和161m水位土壤pH分别为8.43、8.51、8.14、8.05、7.76和7.42,淹水土壤pH显著高于未淹水土壤。淹水前后不同时期土壤酸碱性差异显著(p<0.05),淹水前土壤pH为8.15,土壤经过淹水完全暴露后,土壤pH升高,之后随着暴露时间的延长pH又逐渐下降(图2)。2.2土壤中重金属含量降低经双因素方差分析得出,不同淹水强度和不同时期土壤各重金属含量交互作用不显著。2.2.1长期或长期浸渍对土壤重金属含量的影响不同淹水强度土壤Cu、Zn、Cr和Pb含量均差异显著(p<0.001)。长期淹水土壤重金属含量显著高于短期淹水土壤与未淹水土壤。146m水位各重金属含量最高(表1)。2.2.2土壤cu、zn含量淹水前后不同时期土壤Zn、Cr、Pb含量均差异显著(p<0.001),Cu含量差异不显著(p=0.989)。土壤Cu、Zn含量经过淹水暴露后稍微下降,并随暴露时间延长继续下降(图2)。土壤Cr、Pb含量在暴露后出现上升,Cr含量在2008年7月达到最大值(59.66mgkg-1),之后又逐渐下降,Pb含量在2008年9月达到最大值(34.76mgkg-1)(图2)。2.3土壤各重金属元素的关系对调查的土壤重金属元素进行两两相关分析,结果表明:土壤各重金属元素之间呈显著正相关关系(表2)。可见,消落带土壤4种重金属元素同时累积的可能性较大,土壤存在重金属复合污染隐患。2.4土壤污染环境评价三峡水库消落带土壤重金属环境质量评价以三峡水库土壤环境背景值作为评价标准。唐将等提出了三峡水库土壤重金属含量背景值:Cr为78.03mgkg-1,Cu为25.00mgkg-1,Pb为23.88mgkg-1,Zn为69.88mgkg-1。采用单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法对库区消落带土壤Cu、Zn、Pb、Cr四种重金属元素分别进行评价。根据单因子污染指数,Pi表现为Cu>Pb>Zn>Cr,其中,Cu累积程度最为严重(表3)。根据土壤评价分级标准,0.7<P≤1.0属于土壤污染警戒级,1.0<P≤2.0属于土壤轻度污染,因此,146m、149m水位土壤已经处于轻度污染级,149m以上水位均处于警戒级。根据内梅罗综合污染指数分析,消落带土壤重金属多因子综合污染指数为1.24,表明三峡水库消落带土壤处于轻度污染级。3讨论3.1实际样品ph的变化大量其他流域研究及三峡消落带模拟实验研究发现,经过淹水,酸性土壤pH升高,碱性土壤pH降低,最终均趋近于中性。但本研究发现,消落带土壤为微碱性,经过淹水土壤pH仍高于未淹水土壤(图2),且淹水时间越长,pH越大。这可能是由于在嫌气强烈还原条件下,形成大量还原性碳酸铁、锰,呈碱性,溶解度较大,导致pH升高。同时,土壤酸碱性也受江水影响,可能江水pH高,导致淹水后土壤pH也升高。此外,经过淹水的土壤pH在暴露后于2008年7月期间达到最大,之后又回落(图2),这可能是由于随着暴露后光热条件的逐渐恢复,植物生长产生一定数量的有机酸,导致pH出现回落。本研究2008年3～6月取样时期刚刚退水,9月取样期间正值雨天,淹水土壤经风干后测定,pH与原位实际状况有区别,一般风干后土壤pH会降低,因此2008年3～6月及9月期间pH较其他时期低,也可能是风干土与实际土壤状况产生较大差异造成的。土壤pH受多种因素影响,三峡水库淹水对土壤酸碱性的影响有待于进一步研究。3.2大力推进蒸发水资源环境重金属含量淹水条件下土壤的物理、化学、生物学性质均将发生显著变化,这些变化将通过改变土壤组分的化学行为而最终影响元素的活化、迁移。黎莉莉等于三峡水库蓄水前在忠县消落带所做的土壤重金属调查结果显示:Cu、Zn、Pb含量分别为22.0、55.2、18.1mgkg-1;陈梓云等对三峡水库蓄水前忠县消落带Cr的调查分析显示:Cr含量为22.24mgkg-1。本研究显示,三峡水库蓄水后,忠县消落带未淹水土壤重金属含量与之相比含量相当,但经过淹水的土壤其重金属含量明显高于蓄水前水平,其中,146m、149m水位土壤Cu、Pb、Zn、Cr含量均远远高于蓄水前水平,146m水位土壤重金属含量增加最为显著,Cu、Pb、Zn和Cr含量分别增加了122%、59%、41%和29%。这说明,经过淹水后,水中重金属在土壤中有沉淀积累现象,146m、149m土壤重金属含量最高,说明淹水强度越大,淹水时间越长,重金属在土壤中的累积越严重。首先,这是由于土壤重金属含量与距离水体的远近距离有关,远河岸远离水体,受水体影响较轻,再加上污染物向近河岸方向的淋溶,造成重金属在低水位土壤中的累积,这与秦淮河河岸带土壤重金属累积现象相一致。其次,2008年长江三峡工程生态与环境监测公报结果显示:2007年7月、8月期间,三峡库区长江干流断面水质最差,其中,离忠县石宝寨最近的监测点为万州沱口和涪陵清溪场,沱口7月水质为Ⅴ类,8月水质为Ⅳ类,清溪场7月水质为Ⅳ类,8月水质为Ⅴ类,水质污染均较严重;2008年三峡生态与环境监测信息简报显示:2008年8月长江水体重度污染,2008年9月长江水体中度污染。因此,由于7、8月期间三峡水库水位一直在145～149m范围波动,此期间水质污染较为严重,从而导致重金属在土壤中沉积,造成近河岸土壤重金属富集。此外,淹水使土壤重金属的有效性降低,并且随淹水时间的延长而加重。水分影响重金属形态的主要原因是水分调节土壤的氧化还原电位(Eh)。土壤在淹水还原条件下,易形成沉淀;且有机质不易分解,产生硫化氢,同时SO2−442-还原为S2-,使重金属生成硫化物沉淀而降低其生物有效性,从而减少土壤重金属解吸,使重金属在土壤中累积而未释放至水体。淹水暴露后,土壤中Cu、Zn含量均下降,说明淹水造成土壤中Cu、Zn逐渐被解吸释放至水体中,在2008年9月出现明显下降是由于取样前连续降雨造成土壤淋溶作用加强,使土壤中Cu、Zn含量迅速下降。Pb、Cr含量在淹水暴露后略有增长,这可能是由于水体中可溶性Pb、Cr含量高,淹水期间在土壤中沉淀累积,傅杨武等也在三峡消落带的土壤-水体重金属迁移研究中证明土壤重金属含量随长江水体重金属浓度的升高而增加。3.3重金属累积与水环境三峡水库消落带土壤重金属环境质量评价结果表明,三峡水库消落带已受到外源物质的侵袭,且存在重金属同时累积的隐患,随着将来每年高强度、高深度的周期性水位涨落,消落带土壤中的重金