（环境工程专业论文）鄱阳湖湿地重金属形态分布及植物富集研究.pdf

南昌大学硕士学位论文 摘要 本课题分别于2 0 0 3 年丰水期( 7 8 月期间) 和枯水期( 1 0 1 1 月期间) 及 2 0 0 4 年枯水期( 2 月) 和丰水期( 5 月) 四个不同时期对鄱阳湖6 个样点的水生 植物及其水体、底泥、草滩土壤等样品的重金属污染进行了调查与研究，采用原 子吸收分光光度法( a a s ) 和石墨炉原子吸收分光光度法( g f a a s ) 对所有样品的 c u 、z n 、p b 、c d 等重金属元素及其形态进行了测定，并用s p s s 统计软件对测定 结果进行了分析与评价，研究结果表明： ( 1 ) 鄱阳湖土壤中c u 、p b 、z n 主要以有机结合态和残渣态为主，水溶态和 交换态等生物有效性态含量很少。c d 主要以水溶态和交换态等生物有效性态为 主，因此c d 的生态危害较大。 ( 2 ) 鄱阳湖区重金属污染主要为c u 污染。从地质累积指数和生态潜在危害 指数评价来看，湖区c u 属中等到重度污染，饶河段属极重度污染，因此，湖区 重金属污染防治应主要针对c u 污染。 ( 3 ) c u 、z n 、c d 污染源相同且来源于德兴铜矿，p b 表现为面源污染。湖区 c u 、z n 、c d 分布均表现出从饶河段至湖口逐步降低的趋势，且c u 、z n 、c d 在土 壤中的含量呈现显著的相关性和偏相关性，可以推论c u 、z n 、c d 污染源相同且 来源于德兴铜矿。p b 在湖区均匀分布表现为面源污染，这可能与湖区p b 污染 来源于船舶燃油有关。 ( 4 ) 鄱阳湖湖区水体及土壤c u 、z n 、c d 沿水平方向扩散衰减分布可用指数 函数c 砘o e 6 x 拟合。 ( 5 ) 植物中重金属含量与其生存环境中重金属水溶态或交换态含量直接相 关。相关分析和偏相关分析均显示植物中重金属含量与其生存环境中重金属水溶 态或交换态含量直接相关，这与理论上植物只能吸收重金属水溶态相符。 ( 6 ) 植物对水溶态、交换态重金属的富集能力表现出z n c u c d p b 的趋势。 ( 7 ) 用重金属水溶态或交换态进行植物富集研究，结论更具有可比性和科学 性。 关键词：鄱阳湖；湿地；植物富集；重金属；形态；污染评价 南昌大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，t h es a m p l e sw e r eo b t a i n e da n ds t u d i e db yi n v e s t i g a t i o na n d a s s e s s m e n to nh e a v ym e t a l sp o l l u t i o no fa q u a t i cp l a n t sa n di t sr e l e v a n tw a t e r ，s o i l sa n d s e d i m e n t so ft h ep o y a n gl a k ei na b u n d a n tw a t e rs e a s o na n dl o ww a t e rs e a s o no f2 0 0 3 a n d2 0 0 4 t h ec o n t e n to fc u ，z n ，p b ，c da n dt h e i rs p e c i a t i o ni nt h es a m p l e sw e r e d e t e r m i n e db ya t o m i ca b s o r p t i o ns p e c t r o p h o t o m e t r y ( a a s ) a n dg r a p h i t ef u r n a c e a t o m i ca b s o r p t i o ns p e c t r o p h o t o m e t r y ( g f a a s ) ，t h e nd a t e sw e r ea n a l y z e db y s t a t i s t i c a lp a c k a g ef o rt h es o c i a ls c i e n c e s ( s p s s ) t h er e s u l t sw e r ea sf o l l o w s ： 1t h eo r g a n i cm a t t e r s u l f i d eb o u n da n dr e s i d u ms p e c i a t i o na r et h em a i nc o n t e n to f c u ，z n ，p b ，e l s e ，t h es o l u b l ea n de x c h a n g e a b l es p e c i a t i o n ( b i o a v a i l a b l es p e e i a t i o n ) a r et h em a i nc o n t e n to fc d ，s ot h ee c o l o g i c a lh a z a r do fc di ss t r o n g e r 2 f r o m a s s e s s m e n tb yi n d e xo fg e o a c c u m u l a t i o na n di n d e xo fe c o l o g i c a lr i s k ，c ui st h em o s t i m p o r t a n tp o l l u t i o ni np o y a n gl a k e 3 t h ec o n t e n td i s t r i b u t i n go fc u ，z n ，c dp u tu pat i d et h a tt h ec o n t e n td e p r e s s e d f r o mr a o h er i v e rt oh u k o u ，a n dt h ec o n t e n to fc u ，z n ，c di nw a t e ra n ds o i lt a k eo n c o r r e l a t ea n dp a r t i a lc o r r e l a t e ，s ow ec a nd e d u c et h a tt h ef o u n t a i no fc u ，z n ，c di n p o y a n gl a k ei ss a m e n e s sa n dt h e s ep o l l u t i o nr o o t si nd e x i n gc o p p e rm i n e p be q u a l l y d i s t r i b u t e si np o y a n gl a k e 4 ，t h ed i f f u s ea t t e n u a t i o no fc u ，z n ，c do nl e v e ls q u a r ec a nb ep r e s e n t e db y e x p o n e n t i a lf u n c t i o n ：c = b 0e “ 5 t h eh e a v ym e t a lc o n t e n ti np l a n t sd i r e c t l yc o r r e l a t ew i t ht h eh e a v ym e t a lc o n t e n t o f s o l u b l e a n de x c h a n g e a b l es p e c i a t i o n i n t h ee x i s te n v i r o n m e n t o f p l a n t s 6 t h eh e a v ym e t a le n r i c h m e n ta b i l i t yo fp l a n t sf o rt h es o l u b l ea n de x c h a n g e a b l e s p e c i a t i o np u t s u pa t i d e o f ：z n c u c d p b 7 i ti sm o r es c i e n t i f i ct os t u d yp l a n t se n r i c h m e n tb yt h es o l u b l ea n de x c h a n g e a b l e s p e c i a t i o no fh e a v ym e t a l h u a n gz h i z h o n g ( e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db y ：p r o f g o n gx i a o f o n g k e yw o r d s ：p o y a n gl a k e ；w e t l a n d ；p l a n te n r i c h m e n t ；h e a v ym e t a l ；s p e c i a t i o n ； p o l l u t i o na s s e s s m e n t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得曲毋戈学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作：夜步签字嘲水彭月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 壶蓬苤董 有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权。一壶蓝盔壁 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位敝储躲孝纠 导师魏 学位论文作者签名：疹；! 了 导师签名： 弓咙事 签字日期：二叫厂年多月，多日 。始彳蜘蜒 端 南昌大学硕士学位论文 l 引言 湿地研究已成为当前国际众多科学工作者关注的前沿热门研究领域，湿地 保护是可持续发展的重要课题。日前有关湿地的定义很多，仍然没有一个统一的 定义，但它们的共同点是都具有多水( 积水或过湿) 、独特的土壤( 水成土或半 成土) 、适水的生物活动三个基本特征。根据国际湿地公约的定义，陆地上 所有季节性或常年积水地段，各种天然或人工、常久或暂时的沼泽地、湿原、泥 炭地或水域地带，带有静止或流动、或为淡水、半咸水或咸水水体，包括沼泽 地、泥炭地、湿草地、湖泊、河流稻田、海岸滩涂、河口、珊瑚礁、红树木以及 低潮时水深6 m 以内海岸带等均属湿地范畴“1 。 我国湿地面积广大、类型繁多，居亚洲第一。天然湿地类型主要有沼泽、泥 炭地、湿草甸、浅水湖泊、高原咸水湖泊、盐沼地和沿海岛屿及海岸滩涂等， 全国各地均有分布，湿地总面积约2 5 0 0 万公顷，其中许多湿地具有国际性的重 要价值。除天然湿地外，我国还有许多人工湿地，如水库、池塘、以及水稻田 等，面积也在7 0 0 0 万公顷左右。我国政府于1 9 9 2 年申请加入了湿地公约 组织，目前已有2 1 处湿地被列入湿地公约国际重要湿地名录中。鄱阳湖湿 地是我国公布的首批国家重点湿地保护地之一，1 9 9 2 年7 月被联合国教科文组 织列入了世界湿地公约的“重要湿地名册”。1 ( w e t l a n d so f i n t e r n a t i o n a li m p o r t a n c e ) ；1 9 9 7 年鄱阳湖被指定加入了东西亚鹤类保护网 络；2 0 0 0 年又被世界自然基金会( w w f ) 列入“全球重要生态区”；2 0 0 2 年中 国正式将鄱阳湖列入全国重要的生态功能保护区。 1 il 研究内容 ( 1 ) 鄱阳湖湿地局部区域重金属形态分布的现状调查。重金属的迁移转化 和植物富集与重金属形态密切相关，通过对重金属形态的分析才能得出可靠的 结论。通过查阅文献资料及现状资料，在整体布局和系统采样的基础上，主要 对饶河、赣江入湖段、鄱阳湖入长江段及其他对照样点中重金属的交换态、碳 酸盐结合态和铁锰氧化物结合态进行监测。 南昌大学硕士学位论文 ( 2 ) 鄱阳湖湿地植物重金属富集规律研究。土壤重金属总量受地理分异、 土壤理化性质的影响很大，以往对植物重金属富集规律的研究多未考虑重金属 形态和生物有效性，研究结论没有可比性和一致性。通过对与富集过程直接相 关的重金属形态分析，有望搞清植物富集规律。 ( 3 ) 鄱阳湖湿地重金属元素之间的相关性研究。土壤和水体中重金属元素 之间的相关性提示污染源的一致性，植物中重金属元素之间的相关性提示富集 规律和复合污染的拮抗作用， 1 2 研究意义 重金属污染主要是指通过各种途径进入到环境中的c d 、p b 、c u 、c r 、 z n 、h g 、a s 等重金属或类金属元素及其化合物对环境造成的危害。 由于重金属元素具有难降解、易积累、毒性大的特性，对于作物的生长、产 量、品质均有较大的危害，尤其是还具有被生物富集吸收、进入食物链、从而危 害人、畜、鸟类等生命健康的潜在危险。如，汞污染在世界上许多河流、湖泊、 和海洋中均大量存在，并有日益严重的趋势，无机汞在鱼体表面粘液中可转化为 甲基汞，以后被鱼的皮肤和鳃等器官吸收进入鱼体内，鱼体内的无机汞也可由微 弱的甲基化作用转变成甲基汞，鱼的甲基汞污染也和汞污染一样通过食物链富 集，水俣病就是因为人长期食用含甲基汞的鱼而中毒发病，甚至会死亡；镉污染 也可以通过食物链引起“骨痛病”事件；铅、锌等侵入人体或动物体内后，容易 在肝、肾、骨、脾、脑等器官中蓄积，对血液、神经、消化等系统的毒害极大， 产生致畸、致癌等危害作用，等等。因此，研究具有重大的现实意义。 目前对鄱阳湖区重金属形态的研究尚属空白，由于土壤中重金属总量受地 理分异的影响，不同地区的研究结果没有可比性，而重金属形态分析才能真正 揭示重金属迁移转化和重金属植物富集的规律，因此，重金属形态分析已成为 目前重金属污染研究的趋势。 2 2 文献综述 南昌丈学硕士学位论文 2 1 都阳湖概况 2 1 1 地理位置及水文特征 鄱阳湖是我国第一大淡水湖，位于“黄金水道”长江中、下游交接处的南 岸、江西省北部，地理坐标为：北纬2 8 。2 2 3 0 ”一2 9 。4 5 ，东经1 1 5 。4 7 3 0 ”一1 1 6 。4 57 。鄱阳湖上承赣江、抚河、信江、饶河、修水五大河流，下接 浩浩长江，是个季节性、过水性、吞吐型湖泊。3 。鄱阳湖全流域面积 1 6 2 2 2 5 k m 2 ，鄱阳湖湖面范围北起湖口，南达三阳，南北长达1 7 3 k m ；西起关 城，东达波阳，最宽处约7 4 k m ，最狭处约2 8 k m ， 东西平均宽1 6 9 k m 。湖面 以菘门山为界，分为南、北两部分，南部湖面宽广，为主湖区；北部湖面狭 长，南宽北狭，形似葫芦，葫芦的长颈是一条狭长的通往长江的港道，湖岸线 总长1 2 0 0 k m ，高水( 湖口水位2 1 6 9 m ，吴淞高程，以下同) 时湖体面积 3 2 1 0 k m 2 ，低水( 湖口水位5 9 0 m ) 湖体面积仅约1 4 6 k i n 2 ，湖面海拔2 1 m ，平均水 深7 珂，最深处l o m 左右，蓄水量约2 5 万k m 3 。 鄱阳湖湖面水位的涨落，随着季节的变化而变化，湖面的伸缩范围在 1 0 0 0 k m 左右。洪水季节，鄱阳湖烟波浩渺，与天无际，湖口历年最高水位 2 2 5 8 m ，汛期月平均水位超过1 6 m ；枯水期洲滩显露，湖水归槽，月平均水位低 于l o m 。湖体呈现出“洪水一片，枯水一线”的水文景观。 2 i 2 地貌特征 鄱阳湖区位于长江中下游的南岸，跨长江中下游平原及华东南地区丘陵两 大地貌单元。湖区地势低平，四周山丘环绕，在九江、湖口间向北开敝。地貌 形态多样，山、丘、岗地、平原4 个类型，其中平原及岗地分布面积较大，占 全区总面积的6 1 9 ，为区内的主要地貌地形。枯水期的鄱阳湖洲滩显露，其海 拔高程一般在1 2 1 7 m 。洲滩有沙滩、泥滩和草洲3 种，沙滩位于主航道两 侧，面积较小；泥潍面积稍大，高程介于沙滩与草洲之间；草洲总面积约有1 0 万公顷，高程1 4 1 7 m ，主要分布于鄱阳湖东、南、西各河入湖的三角地带。 南昌大学硕士学位论文 鄱阳湖水质为中性软水，草洲土壤有机质含量约为3 0 ，为中性草甸土，草层 为天然草甸。 2 1 3 气候特征 鄱阳湖区气候暖湿，降水较多，光照充足，无霜期长，属亚热带温暖湿润 性季风气候，年平均气温1 7 1 ，年平均水温1 8 。c ，极端最高气温4 0 2 。c ，极 端最低气温一“9 。c 。年平均无霜期2 7 3 d ；年平均日照i 9 7 0 h ；年辐射总量4 5 0 1 0 3 j e m 2 ，是江西省光能资源富有区；年平均降水量1 4 2 6 4 m m ，年蒸发量 1 2 3 6 t r d a ；属强风地区，湖区风向冬季多北东风，夏季多南西风，许多区域年平 均风速6 0 m s ，风能资源较为丰富。 2 1 4 社会经济状况 鄱阳湖沿湖共1 2 个行政区：南昌和九江的市区、南昌县、新建、进贤、余 干、鄱阳、都昌、湖口、星子、德安和永修“3 ，人口近6 6 0 万，占江西全省人口 的1 5 ，8 。2 0 0 0 年国内生产总值仅占全省的9 5 ，人均g d p 占全省平均值的 6 2 4 。地方财收入占全省的7 o ，人均财政收入占全省平均值的4 4 o ，农民人 均收只占全省平均值的7 1 3 ，三产结构比重为1 3 9 ：4 5 8 ：4 0 3 “1 。 2 2 鄱阳潮湿地的主要特征 2 2 1 鄱阳潮湿地是多类型湿地的复合体 鄱阳湖这种多类型湿地的复合体体现了非地带性的特点，在空间分布上表 现出跨地带性、间断性和随机性，造成鄱阳湖湿地生态系统的复杂性。鄱阳湖 湿地生态系统由若干个子系统和子子系统交织在一起，互相转化、互相影响、 互相依存、互相作用。这种复合体也形成了鄱阳湖湿地生物的多样性，如植 物，有种类繁多的水生、湿生植物，又有适生范围广的中生、陆生植物，以及 被人类驯化的畜禽等。 2 2 2 鄱阳湖湿地是动态变化的统一体 鄱阳潮湿地和其它湿地一样处于动态变化之中，但其变化幅度在淡水湿地 中是罕见的。其变化受制于水，水量的变化引起水位和水域面积的变化，水位 和水域面积的变化造成鄱阳湖湿地各类型之间的动态变化，水位高时以湖泊为 主体，水位低时以沼泽为主体，呈现水陆相交替出现的生态景观，即所谓“洪 南昌大学硕士学位论文- 水一片水连天，枯水一线滩无边”。整个湿地处在年复一年的有规律地波动之 中。 2 2 3 鄱阳湖湿地是开放型系统 鄱阳湖承接了赣江、抚河、信江、饶河、修水等五大河流及博阳河、西河 的来水，经调蓄后由湖口入长江，流域面积1 6 2 ，2 2 5 k m 2 ，是一个完整的水系。 并且，长江水也时有倒灌入湖的现象。因此，鄱阳湖湿地受制于整个大系统的 影响，最重要的影响因素是大气和水，当流域降雨量大，河流汇水量多时，湿 地水升高，而当此时，长江水量亦大时，则湿地水位出现极端高位，表现出湿 地洪泛现象。河流还带来泥沙及各种营养物质和有害物质，影响湖水水质和生 物生长繁育，当河流上游生态脆弱，水土流失严重时，影响则更大。而同时， 江河又给湿地的一些生物提供了更大的活动空间，如江湖、河流洄游、半洄游 性鱼类，如鲥鱼，从海中经长江进入鄱阳湖，然后溯河上到一定的河段产卵繁 殖，幼鱼又回到湖中育肥，而鳗鲡，在海中繁殖到江湖中生长发育等。 2 3 鄱阳湖湿地生态系统的结构 鄱阳湖湿地的生态系统可以划分为：水域生态系统、湖滩草洲生态系统、 农鱼牧生态系统( 或淡水湿地生态系统、沼泽湿地生态系统、人工湿地生态系 统) 三个相对完整的子系统和社会经济系统。各系统的结构分别简述如下： 2 3 1 水域生态系统 水域生态系统( 或称淡水生态系统) 是由水域、大气环境和水生生物组成 的。在滨岸带内植物种群依水的深度呈环带状平行分布在湖( 河) 岸，浅水处 分布挺水植物，稍深处分布浮叶植物，更深处分布沉水叶植物，表水层( 光亮 带) 含有浮游植物和飘浮植物，以上均为自养生物生产者；主要消费者是鱼 类、两栖类、爬行类、鸟类、哺乳类动物等脊椎动物。深水层处有机物质和腐 殖质颗粒物不断沉积，其中有大量还原者成份存在。 2 3 2 湖滩草洲生态系统 或称沼泽湿地生态系统，是由季节性或常年性的积水、大气土壤等非生物 环境和沼泽生物组成。初级生产者是革甸植物，但由于季节性淹水，除挺水植 物外，形成水生植物群落和湿生植物群落交替消长。消费者主要是牛、猪等家 5 - 南昌大学硕士学位论文 畜和鹅、鸭等家禽以及鸟类( 主要是水禽) 、昆虫、哺乳类、还有螺、蚌等软 体动物，是钉螺的主要繁育场所。 2 3 3 农渔牧生态系统 又称人工湿地生态系统，它比较复杂，主要决定于人工湿地水的状况和地 貌类型，还可划分为农田生态子系统，水稻及其它水生作物；淡水养殖生态子 系统，包括内湖和池塘( 鱼池) ，主要养殖鱼类等水生经济动物；旱地生态系 统，包括水改早、水早轮作、人工灌溉地及坡地，主要种植早作物，如小麦、 棉花、蔬菜等；以及家畜、家禽养殖生态系统等。 2 4 鄱阳湖湿地的主要功能 2 4 1 鄱阳湖湿地的生态功能 湿地具有独特的景观和高度的环境异质性，是一种独特的生态系统。鄱阳 湖地处我国东部亚热带湿润季风区，四季分明，气候温和，雨量充沛，光照充 足，生物资源丰富，在生物多样性的保护方面具有重要意义。鄱阳湖保护区记 录的鸟类有3 1 0 种，约占全国鸟类总数的1 4 ，有雁、凫鸥等野禽，还有各种 珍稀濒危鸟类，属国家级保护的动物有白鹤、白头鹤、灰鹤，大鸨、白鹅雁等 5 1 种之多，因此在生物多样性的三个层次上都有重要意义“3 。鄱阳湖是一珍稀 鸟类资源的物种基因库，同时亦是我国淡水渔业的主要基地之一，自2 0 世纪 5 0 年代后取代洞庭湖成为我国最大的淡水湖，它的鱼类达9 0 余种，沿湖还盛 产菱、芡、莲、藕等，同时，由于鄱阳湖良好的自然环境和广阔的湖泊湿地， 为水禽提供了适宜的栖息和繁衍地，使鄱阳湖享有“鹤之王国”和“珍禽乐 园”之称，成为天然的旅游资源。 2 4 2 鄱阳湖湿地的水文调节功能 湿地是地球上淡水资源的生物贮水库，湿地几乎集中了所有的地表水，是 生产和生活用水的水源及地下水的重要补给之一，同时，湿地还可能是地下水 的排水区，因为，一方面由于湿地的土壤具有特殊的水文物理性质，其土壤剖 面中草根层和泥炭层孔隙度达7 2 9 3 ，饱和持水量达8 3 0 1 0 3 0 ，能保持其 土壤重量3 9 倍或更高的蒂水量”3 ，底层质地粘重和不透水更加保证了它具有 巨大的蓄水能力；另一方面，湿地中的植被可以阻挡截留一部分洪水以减缓流 速，避免所有洪水在同一时间到达下游，起到调蓄洪峰、控制洪水的作用。就 6 南昌大学硕士学位论文 鄱阳湖而言，它是长江中游地区最大的洪水调节库，1 9 9 1 年鄱阳湖为长江分洪 滞蓄了1 1 0 亿m 3 的洪水量，最大倒灌流量达1 3 7 万m 3 s 一五水经鄱阳湖调节 后，一般可削减洪峰流量1 5 3 0 。 2 4 3 鄱阳湖湿地的环境调节功能 鄱阳湖湿地可以调节局地小气候，它储存的一部分过量洪水在几天、几星 期或几个月的时间缓慢释放，另一部分则在流动过程中通过下渗成为地下水和 通过蒸发形式提高局地空气湿度。湿地还可以减缓水流速度，具有滞留沉积物 的功能。尤其是沼泽湿地腐殖质丰富，母质为粘土或亚粘土，一些有毒有害物 质和营养物质附着在沉积物颗粒上，随着水中悬浮物的沉降，下游河水的含沙 量减少，同时营养物质沉降之后被湿地的植物吸收，经过一系列生物化学作用 以收获生物量的形式排出湿地系统”1 。 2 5 国内外重金属污染的研究现状 2 5 1 重金属污染的危害及特点 重金属元素一般是指比重大于或等于5 的金属元素，而重金属污染主要是 指通过各种途径进入到环境中的c d 、p b 、c u 、c r 、z n 、h g 、a s 等重金属及其化 合物对环境造成的危害。由于重金属元素具有难降解、易积累、毒性大的特 性，对于作物的生长、产量、品质均有较大的危害，尤其是还具有被生物富集 吸收、进入食物链、从而危害人、畜、鸟类等健康的潜在危险”1 。历史上，日 本曾出现过由汞污染引起的“水俣病”和镉污染引起的“骨痛病”事件。重金 属元素中的铅、镉、锌等侵入人体或动物体内后，容易在肝、肾、骨、脾、脑 等器官中蓄积，对血液、神经、消化等系统的毒害极大，产生致畸、致癌等危 害作用m ，。 我国土壤一植物系统污染研究的主要污染物是重金属，因为重金属具有污染 物的多源性、隐蔽性、一定程度的长距离传输性和污染后果的严重性。它的研 究在实践与有关环境标准的制定、食物链污染的控制、土壤一植物系统净化功能 的开发有关，一直是土壤环境科学研究的热点。土壤重金属污染有以下几方面 的特点： ( 1 ) 隐蔽性或潜伏性。 南昌大学硕士学位论文- 相对而言，大气和水体污染比较直观，而土壤重金属污染在一定的时期内不 表现出对环境的危害性，当有毒物质的存储量超过土壤承受能力或限度时，或土 壤环境条件变化时，有毒物质就可能会突然活化，从而导致严重的生态危害，因 此被称为“化学定时炸弹”“。土壤重金属污染主要在农作物或动物、人的健康 受到损害时才能反映出来，其过程相当长。其中比较明显的例子是在日本6 0 、 7 0 年代发生的骨痛病事件( 镉污染) 。在我国沈阳张土灌区也有类似的现象。“， 我国镉污染地区总面积已达1 万多公顷，有的污灌区土壤的汞污染比较严重，其生 产出的稻草平均含汞量达l - 2 4 m g k g ，比背景值高2 7 倍“。 ( 2 ) 不可逆性和持久性。 土壤重金属污染由于其无色、无味，很难被人的感觉器官所察觉，一般要通 过植物吸收进入食物链积累到一定程度时才能反映出来。并且，重金属污染物在 土壤中不降解，易积累，因此当土壤中形成污染后极难去除。 ( 3 ) 间接危害性。 土壤中的重金属元素不能为土壤微生物所分解，但可为生物所富集，通过食 物链危害动物和人体的健康，使人畜失去赖以生存的基础，同时还能危害自然资 源，污染地下水成为新的污染源。 ( 4 ) 表聚性 土壤中的重金属污染物大部分残留于土壤的耕作层，很少向土壤的下层移 动，这是由于土壤中存在着有机胶体，无机胶体和有机一无机复合胶体，它们对 重金属有较强的吸附和螯合能，限制了重金属在土壤中的迁移能力“。 ( 5 ) 伴生性和综合性 在自然界中，单个重金属污染物构成的污染虽有发生，但污染多为伴生性和 综合性，即多种污染物形成复合污染产生联合毒性作用，这已成为近年来环境科 学领域研究的新热点“”1 。 2 5 2 重金属形态的研究 一般认为土壤中重金属有以下几种形态“7 “： ( 1 ) 水溶态：与水溶性盐和水溶性有机物结合或络合的重金属。( 2 ) 交换 态：以静电作用为基础，交换吸附在粘土矿物、氢氧化铁、氢氧化锰或腐植质等 成份上，对环境变化最敏感、有效，最易被生物吸收的离子交换态。( 3 ) 碳酸 盐结合态：在醋酸中溶解，环境变化特别是p h 变化时较易重新释放进入水体的 南昌大学硕士学位论文 重金属碳酸盐。( 4 ) 铁锰水合氧化物结合态：在沉积物中，铁、锰和铝等金属 以水合氧化物的形式与其它组分结合吸附于颗粒物表面，这部分金属氧化物是 无定形的水合物，具有巨大的比表面积，有非常强的吸附能力，水环境中一旦 形成某种适合其絮凝沉淀的条件，铁锰氧化物便载带金属离子一同沉淀下来， 环境变化时会部分释放，对生物有潜在有效性的铁锰水合氧化物结合态。 ( 5 ) 有机硫化物和硫化物结合态：以不同形式进入或包裹在有机质颗粒上，同有机 质发生螫合或生成硫化物，不易被生物吸收利用的较稳定的有机硫化物和硫化 物结合态。( 6 ) 残渣态：主要来源于天然矿物，稳定存在于石英和粘土矿物等 结晶矿物晶格里的对生物无效的残渣态。 各形态问存在着相互转化关系，如下： 碳酸盐结合态 i 有机三合 其中，植物可以直接吸收利用的只有水溶态，汤鸿宵把水体中金属的溶解态 ( 自由离子态、无机络合态) 作为直接生物可给态，缓冲态( 有机络合态、吸附 态、沉淀态) 作为间接生物可给态；虽然水溶态与植物富集关系最密切，但除了 藻类、浮水植物外，其他根系在土壤中的植物可利用的水溶态重金属均存在于土 壤间隙水中，但土壤间隙水中重金属浓度的测定复杂且准确性差。王晓蓉把 t s s i e r 法逐级提取的可交换态、碳酸盐结合态、铁锰水合氧化物结合态作为对 生物直接或潜在作用的有效态，认为有机结合态不易被生物吸收。“，从交换态与 水溶态直接转化的关系出发，可以推测交换态与植物富集有密切关系，通过测定 交换态来代替直接测定间隙水，这种相关性有文献报道。 2 。5 3 重金属植物富集的研究 土壤重金属在植物中的富集包括四个步骤“”：( 1 ) 土壤重金属溶解、活化 进入间隙水： ( 2 ) 间隙水中的水溶态重金属通过根系进入植物；( 3 ) 重金属 9 南昌大学硕士学位论文 在植物体内的运输：( 4 ) 重金属与植物细胞结合在植物体内积聚。相应地，土 壤重金属在植物中的富集速度受以上四个步骤速度的控制。 不同的重金属离子由于电子层分布情况不同，接受电子对的能力也不同， 因而在其它条件相同的情况下，同一配位体与不同重金属离子的络合能力也不 一样。应该说早在5 0 年代，就已从研究工作中得出金属离子络合物稳定性的 i r v i n g w i l l i n g 序列啪3 ：c u 抖 n i 孙 p b 2 c o 抖 z n 2 + c d 抖 f e 针 m n 2 + m g “，也就是说水中金属离子的活化速度顺序是：c d “ z n ” p b ” c u ”。 在植物细胞中，物质穿膜的特点是： ( 1 ) 生物膜的结构允许些疏水分子 和小而不带电的极性分子以简单扩散的方式通过细胞膜。( 2 ) 脂溶性越大的分 子越容易溶于脂肪，因而也就更容易透过质膜。( 3 ) 不带电荷的颗粒更容易穿 过膜。 ( 4 ) 亲水性分子和离子的穿膜要依赖于专一性的转运蛋白4 “。重金属离 子进入植物细胞的过程主要有两种方式，一种是细胞壁等质外空间的吸收；一 种是污染物透过细胞质膜进入细胞的生物过程。植物的细胞壁是阻挡污染物的 第一道屏障，细胞壁中的果胶质成分如多聚糖醛酸和纤维素分子中的羧基、醛 基等都为污染物提供了大量的交换位点。铅的离子半径较大，配位能力弱，不 易透过细胞壁和质膜进入细胞液中，植物对铅的吸收主要靠细胞内自由空间的 非代谢性扩散运动，即细胞壁的吸附、非共质体沉积等方式获得，吸收迅速而 毒害作用较小，这种结合达到饱和后才开始透过细胞壁和质膜进入细胞质中。 铜则具有很强的配位能力，能与生物大分子的众多配位点结合，迅速生成金属 有机配合物，亲脂性增强，很容易借助一些有益元素的正常吸收通道穿过细胞 膜直接进入有机体内，与酶、谷胱苷肽、类金属硫蛋白和叶绿素等结合，影响 其生物活性而产生毒害作用。由于镉不仅可以依靠物质本身的浓度梯度、或者 依靠细胞膜的电化学势梯度进入植物根部细胞体内，还由于镉的原子结构和化 学性质与有益元素锌相似，使它也可以借助锌的吸收通道进入植物体内，随后 又借助锌的输送通道把大部分镉转移到了老黄茎叶中。一般认为重金属离子 穿过细胞膜的能力顺序为：z n 。c u c d p b 。 随着木质素中蒸腾流的作用，植物完成对重金属从根部到地上部的输运， 在这个过程中，常伴随着有机酸的作用。电泳法已确认植物根系吸收的镍与有 机酸和氨基酸等结合随蒸腾流迁移至地上部枝叶中。在超累积植物 1 0 南昌大学硕士学位论文- t c a e r u l e s c e n s 木质部汁液中，s a l t 发现，2 1 的z n 与柠檬酸结合在一起， 7 0 为水合离子。植物对四种金属的运输顺序是：z n c u c d p b ”“。 重金属在植物体内的积聚过程机理复杂，不同元素及植物之间差异巨大且 不是植物富集的控制因素，综上所述，一般认为植物对重金属富集速度的顺序 应当是：z n c u c d p d 。 2 5 4 重金属污染评价的研究 重金属污染的评价方法主要有化学方法、毒理学方法、生物学方法及三者 结合的综合评价方法“。化学法采用多指标综合评价方法是描述污染和预测污 染生态效应的有效途径。化学方法得到的结果具有法律效力，便于将数据直接 用于环境管理，但不能反映水体的毒性和生态状况。总量测定也不能反映生物 有效态的浓度和环境效应。水生生物已被用来监测水体的毒物影响和确定污染 源，生物监测方法已被证实是一种确定复杂污染物生物效应的可靠方法，但缺 乏和污染物浓度之间的对应关系。生态监测所得到的数据直接反映水生生态系 统的状况，但生态系统的退化受多种环境条件变化的影响。因此在实际中，需 要化学、生态和毒理学等多学科及多种评价方法的综合。 2 5 5 鄱阳湖重金属污染的研究现状 国内外学者及机构对鄱阳湖重金属污染问题尚未有过系统的调查研究及环 境评价工作。 主要的调查研究有：1 9 8 8 年出版的鄱阳湖研究虽然对鄱阳湖进行过较 全面的调研，但对湖区重金属污染的研究不全面：江西省水利厅鄱阳湖水文分 局吕兰军。2 3 于1 9 9 2 年对湖区水质、底泥及鱼类进行过重金属污染调查及评价； 李博之“、欧阳球林“”等对鄱阳湖水体、泥沙等进行过重金属污染的调查等。 主要的环境监测与评价有：许木启1 、高玉荣“、何孟常“4 “、刘文新、 汤鸿宵“”1 等对乐安河重金属污染进行过多种方法的评价，但均未涉及湖区重 金属污染监测与评价。 综上所述，国内外已对鄱阳湖流域的重金属污染给予了密切的关注与重 视，但尚未对湖区重金属形态及其与植物富集规律进行过研究，因此，本课题 的研究工作对鄱阳湖的重金属污染调查研究及评价具有重要的现实意义与创新 意义。 3 实验内容与方法 南昌大学硕士学位论文 3 - l 鄱阳湖重金属污染的调查范围及采样点的布设 2 l 、昌江河口；2 、乐安河口；3 、信江东支河口；4 、饶河波阳段；5 、龙口；6 、蛇山：7 、 南矶山乡政府；8 、南矶山候鸟保护区；9 、抚河口；l o 、信江西支河口；1 1 、棠荫：1 2 、 都昌；1 3 、诸溪河口；1 4 、蚌湖；1 5 、赣江西支河口：1 6 、修水河口；1 7 、星子；1 8 、蛤 蟆石；1 9 、湖口 图3 1 鄱阳湖湿地采样点布设图 南昌大学硕士学位论文 目前，鄱阳湖湿地重金属污染的主要来源大致可分为四类“。： ( 1 ) 矿山开采和选矿产生的含重金属酸性废水，位于乐安河中、下游的德 兴铜矿及位于信江中游的永平铜矿是我国著名的大型铜业生产基地，采选过程 中产生的含金属酸性废水的排放，是这两个河口及湖区部分区域重金属污染的 主要点源“3 。( 2 ) 冶炼厂的排污废水，进入河体或对土壤实行污灌后，对土壤 造成重金属污染，并随着雨水冲涮、水土流失等进入河体，最终排入湖区。 ( 3 ) 城市工业排放的污、废水，主要是在南昌、九江两市，因距离鄱阳湖较 近，随着城市工业的急剧发展及昌九工业走廊的建设，市里所排的污、废水会 对鄱阳湖区造成一定的重金属污染。 ( 4 ) 水土流失过程中，岸边土壤及矿山尾 矿中挟带重金属冲入湖水中造成的重金属污染。 本课题重金属污染采样点的布设采用选择性布设和对照点布设，选择性布 设采样点针对上述重金属污染的主要来源选在湖体东部的波阳县及乐安河入湖 段的龙口、赣江入湖段的南矾山、长江倒灌区的湖口；对照点选择远离重金属 污染源的区域星子县湖区渔民村以及冬枯山，采样点的布设见图3 1 所示；调 查还以南昌大学校园内的土壤作参照。 3 2 采样时间、样品及监测因子的选取 本课题采样时间以一个水文年度为周期，分别于2 0 0 3 年丰水期( 7 - 8 月期 间) 和枯水期( 1 0 1 1 月期间) 及2 0 0 4 年枯水期( 2 月) 和丰水期( 5 月) 四个 不同时期进行。本课题的样品主要是从各采样点采集的原水、水体底泥或沉积 物、滩涂草地土壤底质及各类水生植物等。 根据本课题的需要，选取测定各种植物样品中c u 、p b 、z n 、c d 等元素的总 量，各种土壤样品中c u 、p b 、z n 、c d 等元素的总量、交换态、碳酸盐结合态、 铁锰氧化物结合态及残渣态等指标作为监测因子。采用原予吸收分光光度计 ( 3 5 1 0 型) a a s 法测定样品中c u 、z n 的总量及形态；采用石墨炉系统( 3 5 1 1 型) 测 定样品中p b 、c d 的总量及形态。 3 3 分析仪器及药品 ( 1 ) 分析仪器：3 5 1 0 型原子吸收分光光度计( 安捷伦科技( 上海) 有限 公司) 及3 5 1 l 型石墨炉原子吸收分光光度计及其相应的辅助设备，如火焰原子 1 3 南昌大学硕士学位论文 吸收法配置乙炔气瓶及乙炔一空气燃烧器，石墨炉配置氩气瓶；光源选用空心阴 极灯。 ( 2 ) 实验用品：封口式聚乙烯塑料袋装土样或植物样品、聚乙烯塑料瓶盛 装原水；采样器具、8 0 目的尼龙筛、不锈钢粉碎机、瓷坩锅、搪瓷盘、电热干 燥箱、w m x 型微波炉、聚四氟乙烯( p t f e ) 密封罐、b y t 一1 2 0 型石英亚沸高纯 水蒸馏器、干燥器、马福炉、冰壶或冰箱、玛瑙研钵，l o o m l 容量瓶及5 0 m l 容 量瓶。 ( 3 ) 化学药品：优级纯硝酸( h n o 。) ；分析纯硝酸( h n o 。) ；优级纯高氯 酸( h c l o 。) ；优级纯氢氟酸( h f ) ；分析纯浓盐酸( h c l ) ；光谱纯金属铜、 铅、锌、镉( 配制重金属标准贮各液及中间标液用) ：分析纯氧化镁 ( m g c l 。) ：l m o l l ；分析纯醋酸钠( n a a c ) ：l m o l l ；分析纯盐酸羟胺 ( n h 。o h h c l ) ：0 1 m o l l ；分析纯醋酸( h a c ) 等。 3 4 样品的采集 从湖体或河床中垂线采样均采用租船的办法解决，采集器的选取根据采样 的需要进行决定。水体底泥的采集使用掘式、抓式底质采集器，采集表层底泥 时，湖泊洲滩草地上的土壤样品和植物样品的采集选用木铲或塑料铲作采集工 具，水体中植物样品的采集器采用捕鱼用的捞网进行打捞。底泥、土壤及植物样 品均采用聚已烯塑料袋盛装，原水采用聚乙烯塑料瓶盛装。 3 4 1 鄱阳湖水样的采集 盛装原水的聚乙烯塑料瓶事先用l ：3 的优级纯h n o 。浸泡。在船上采集原水 时，从水体的中垂线上距水面l o 1 5 c m 深处进行取样，每个点取两个样，其中 一个样现场用优级纯h n 0 3 固定酸化至p h i 2 ( 水样硝酸浓度为0 2 ) 测重金 属用，另一个样测p h 值用，样品带回实验室后保存于冰箱中在2 4 h 以内进行样 品预处理并及时测定。详细记录水样的采集情况、采样时间及保存时间等。 3 4 2 鄱阳湖底泥及土壤样品的采集 在各采样点范围内采集底泥时在船上进行，用合适的采泥器从湖床或河床 中掘起底泥；采集洲滩草地中的土壤用塑料铲挖掘。采样时分别按照梅花型布 点法选择5 个点( 中间1 点，周围4 点) ，在各点上采集湿地洲滩或草地上的土壤 1 4 南昌大学硕士学位论文 或湖床底泥样品。将每个采样点的样品充分混匀取l k g ，装于封口的聚乙烯塑料 袋中，作好详细记录，带回实验室进行样品的处理和保存。 3 4 3 鄱阳湖水生植物样品的采集 本课题在鄱阳湖采样时，在选定的采样点范围内，根据路线调查和典型调 查相结合的原则，按照梅花型布点原则，采集生长于鄱阳湖湿地洲滩草地或水 体中的多种水生植物，主要有浮叶植物：凤眼莲、金鱼藻、苦革：挺水植物： 芦苇、藜蒿；湿生植物：灰化苔草、水蜈蚣、荭蓼等植物。将植物样品盛装于 聚乙烯塑料袋中，每种水生植物的采集重量约为0 。5 k g ，为防止植物样品腐烂， 将样品置于冰壶内保存，作好详细记录，带回实验室进行处理及分析。 3 5 样品的处理 3 5 1 水样的处理方法 作重金属元素分析用的原水装入事先用1 ：3 的h n o 。浸泡过的聚乙烯塑料瓶 中，现场用优级纯o 。进行酸化固定( 使水样中的硝酸浓度为0 2 ) ，并带回 实验室保存于冰箱中。测定重金属总量时，采用国家环境保护局1 9 8 7 0 3 1 4 批 准的标准方法进行消解口“。 在水样中加入5 m l 优级纯硝酸，在电热板上加热消解，确保样品不沸腾， 蒸至l o m l 左右，加入5 m l 优级纯硝酸和2 m l 优级纯高氯酸，继续消解，蒸至 l m l 左右。如果消解不完全，再加入5 m l 优级纯硝酸和2 m l 优级纯高氯酸。再 蒸至1 m l 左右。取下冷却，加水溶解残渣，通过中速滤纸( 预先用酸洗) 滤入 l o o m l 容量瓶中，用水稀释至标线。 3 5 2 植物样品的处理 带回实验室的植物样品，用自来水将其表面的泥土冲洗干净，再用亚沸水 漂洗，晾干后用不锈钢刀切碎，部分植物样按根、茎、叶等器官分开，作根、 茎、叶分析，部分植物取全株进行分析，称取湿重。称重后的样品放入6 5 。c 电 热干燥籍中烘至恒重( 大约5 小时以上) ，称取干重( 样品中的重金属含量均以 干基重计算) 。植物干样在碾钵中碾碎后，用四分法逐步缩分得待测植物样，装 入硝酸处理过的聚乙烯塑料袋或广口聚乙烯塑料瓶中，放入干燥器低温下保存 备用。 ( 1 ) 干法灰化植物样品 南昌大学硕士学位论文 用分析天平准确称取1 0 0 0 0 9 植物干样置于瓷坩埚中，加入2 m l 浓硝酸静置 过夜后，置于马福炉中加热至4 5 0 。c 灰化，并在此