三峡库区消落带土壤重金属分布特征及潜在风险评价

三峡库区消落带土壤重金属分布特征及潜在风险评价

库周变窄带是指由水库结构引起的库周变化形成的一个特殊区域。包括临时淹没所有土地和通常的库周平原的上部，总面积约440km2，这是库周20多个缓冲区的一部分。流域是水库和海岸生态系统之间的重要交叉带。人类活动和流域的相互作用是最常见和最强烈的。在库水周期的影响下，流域底部的土壤不仅可以成为库水中重金属的来源，也可以成为水体中重金属的集合。作为水体的来源和集合，其功能随着洪水期的不同而改变。水库水位低（5.9月），受周围土壤侵蚀、径流泥沙及其输送的重金属、城市和沿海生产和生活垃圾和废水的影响，以及减少袋区土地季节性使用的重金属。10月至次年5月的储水期，储水区土壤和沉积物中积聚的重金属通过溶解、交换和扩散流入河流，对水库的水环境安全构成严重威胁。目前,关于三峡库区消落带重金属分布特征的研究为数不多,而按沿江两岸以及不同淹水高程的重金属分布特征进行分析的研究还鲜见报道.本研究通过对三峡库区重庆段消落带土壤中重金属含量及分布特征进行分析,了解重金属的沿江两岸以及不同高程分布规律及各金属间的相关关系,并对库区消落带土壤重金属进行潜在生态风险评价,以期为三峡库区水环境保护和重金属污染防治提供基础依据.1材料和方法1.1样品采集和土样采集采样点选择三峡库区消落带沿江的巴南、长寿、涪陵、丰都、忠县、万州、云阳、奉节、巫山等9个区县(图1).样品采集在消落带区域内的农业土壤、林地、果园、移民搬迁后的荒地上进行.分3个蓄水高程区间:145~155m,155~165m,165~175m.依据消落带土壤类型(主要为紫色土、紫色水稻土、冲击潮土和山地黄壤土),结合土地利用状况(农用、果木、林地、荒地),同时考虑到采样点周围的环境情况,参考奚旦立等的土样采集方法,采集表层土.采样深度为0~20cm,共50个样品,每个样品由8个采样点组成,各点1kg左右混合而成.采样时间为2008年.土壤样品置于实验室中用牛皮纸自然风干,经多次四分法均匀混合后,磨碎,过100目(0.165mm)尼龙筛,贮于聚乙烯薄膜袋中,备用.1.2分析1.2.1火焰原子吸收法采用国家土壤环境质量标准规定的分析方法:Cu、Zn、Cr用火焰原子吸收分光光度法;Pb、Cd用KI-MIBK萃取火焰原子吸收分光光度法;Hg用冷原子分光光度法;As用DDC-Ag分光光度法.1.2.2数据处理和分析本试验所有数据均采用S-N-K(Student-Newman-Keultest)检验、SPSS17.0和Excel2003进行方差分析和线性拟合.1.2.3土壤重金属污染的潜在生态风险指数采用潜在生态风险指数法对库区消落带土壤重金属进行潜在生态风险评价.该评价方法将重金属的生态效应、环境效应与毒理学联系在一起,采用具有可比的、等价属性指数分级法进行评价.在目前我国土壤、重金属污染已有的相关研究中,“潜在生态危害指数法”已被较多采用.根据这一方法,某一区域土壤中第i种重金属的潜在生态风险系数(rEi)及土壤中多种重金属的综合潜在生态风险指数(RI)分别表示为:式中:cfi为重金属的富集系数(cfi=csicni);sic为重金属i的实测含量;cni为计算所需的参照值,采用现代工业化以前正常颗粒沉积物中重金属的最高背景值;Tri为重金属i的毒性系数,反映重金属的毒性水平以及环境对重金属污染的敏感程度.各重金属的参照值和毒性系数见表1Hakanson潜在生态风险分级见表2.2结果与分析2.1流域内土壤中重金属含量分布特征采用国家土壤环境质量标准(GB15618-1995)中的2级标准对库区土壤重金属含量进行分析.2.1.1土壤重金属含量平均值反映元素含量的集中趋势,变异系数则反映元素的离散程度.由表3可知,两岸消落带土壤中,As(>20mg/kg)、Cd(>0.4mg/kg)含量均超标,且各重金属的变异系数较大.左岸土壤中各重金属平均值均小于右岸,其中S-N-K(Student-NewmanKeultest)检验显示,两岸土壤中Cu、Zn、Cr和Hg含量存在显著性差异(P<0.1);而右岸各重金属的变异系数较左岸大.左岸土壤重金属变异系数顺序为Cu>As>Hg>Cd>Zn>Pb>Cr,右岸为Cu>Hg>Cd>Zn>As>Pb>Cr.左、右两岸重金属含量存在一定差异,这可能与采样区域主要的工业厂矿类型、分布和居民区设置等因素有关.2.1.2zn、pbS-N-K检验结果表明,消落带不同淹水高程土壤重金属差异明显(P<0.1),As(>19mg/kg)、Cd(>0.38mg/kg)含量均超标,且各重金属变异系数较大.Cu、Pb、Zn、As、Hg、Cd平均含量最大值均出现在145~155m;Cr平均含量最大的为155~165m.淹水高程145~155m的土壤中重金属变异系数顺序为Cu>Hg>Cd>As>Zn>Pb>Cr;高程155~165m为Hg>As>Cu>Cd>Cr>Zn>Pb;高程165~175m为Cu>As>Cd>Hg>Zn>Pb>Cr.表明淹水高程145~155m土壤中Cu、Hg和Cd分布较离散,高程155~165m土壤中Hg、As的离散程度较大,而高程165~175m土壤中Cu的离散程度最大(表4).由表4可知,除Cr、Hg外,其余各重金属平均含量均呈155~165m淹水高程土壤中含量较低,145~155m和165~175m含量较高,而145~155m为最高.重金属以各种形态(弱酸溶解态、铁锰氧化物结合态、有机结合态和残渣态)存在于土壤中,不同形态重金属的迁移能力不同.交换态和碳酸盐结合态重金属与土壤结合较弱,最易被释放,有较大的可移动性.铁锰氧化态重金属在还原条件下易溶解释放,有机结合态重金属在氧化状态下易分解释放.钟晓兰等的研究表明,土壤重金属各形态含量受土壤pH值、有机质、黏粒、粉粒、砂粒及CEC、FeOx含量和MnOx含量等因素的共同影响.因此,可能是由于不同淹水高程土壤性质之间存在差异,且重金属各形态在土壤中的迁移能力不同,导致不同高程土壤中重金属含量出现差异.具体影响因素和影响机理有待进一步探讨.三峡库区蓄水后,淹没区土壤中各种有机和无机污染物的溶出,会对水环境产生一定影响.城市垃圾与表层土壤中的污染物含量一般较高,城区表层土壤中重金属含量比消落带农田土壤高出几倍甚至几十倍.一般来说,随着与污染源距离的增加,其重金属含量呈降低趋势,这可能是因为城区附近的采样点受到工业生产排放的污染物影响.2.2流域内土壤中的重金属含量沿河流分布变化2.2.1两岸重金属资源分布的特征长江干流各区县两岸消落区土壤重金属含量变化见图2,从上游(巴南)到下游(巫山),两岸Cd平均值均先降后增,这与裴廷权等的研究结果一致.左岸Cd平均值变化规律很明显,先降后升,而右岸在忠县出现一定波动.Hg在左、右两岸的变化均不明显,但左岸的最大值出现在云阳右岸是万州.两岸Cu含量整体均呈现先降后略微增加.Zn在两岸的分布趋势都呈整体降低,左岸沿江逐渐减少趋势明显,右岸则是有起伏的下降.两岸Pb、Cr和As的平均值都有所变化,但总体变化规律都不明显.这正好验证了李其林等提出的关于Pb和As的平均值较平稳的说法.两岸各重金属沿江分布变化存在的差异可能与沿江的环境差异有关,如人类居住情况、工矿业的发展、农牧业的影响,以及采样点附近的污染源等.2.2.2hg含量变化由图3可见,从巴南到巫山,3个淹水高程中Cd平均值变化规律都较明显,呈先降后升,但也有不同:145~155m沿江上游含量逐渐降低,中游平稳至云阳后又增加;155~165m以云阳为临界点,上游递减,下游递增;165~175m在万州之前表现为下降,之后开始上升.145~155m的Hg含量变化较大,总体呈降低趋势;155~165m其值以万州为界先增后减;而165~175m变化不明显.不同高程Cu含量整体均呈先降后升,但145~155m和165~175m的最大值出现在上游,155~165m最大值在巫山.Zn平均值在3个淹水高程的沿江变化大体相同,均呈整体降低.不同淹水高程Pb、Cr均下降,但变化规律不明显.而3个高程As沿江变化表现为先减后增,最大值均出现在巫山.总体来讲,库区沿江而下,各重金属平均值呈下降趋势.这可能是因为上游集中了重庆主城区、长寿、涪陵等工业区,经济相对较发达,污染物排放量大,人类活动频繁,导致其土壤的重金属含量普遍比下游高.影响土壤重金属含量的因素还有很多,如成土母质、气候条件、土壤中的氧化还原电位、土壤pH值等,但也不排除主要受地质条件的作用.2.3土壤重金属含量与土壤ph值的关系在土壤中,pH值控制着重金属的活性,进而影响重金属的迁移.各区县消落带土壤pH值为5.71~7.96,平均7.38,偏碱性,沿江变化不明显.对库区土壤pH值与各重金属含量进行的相关性分析表明,Pb、Cr含量与土壤pH值具有显著正相关关系(P<0.05),Cd、As含量与土壤pH值具有极显著正相关关系(P<0.01),而其余重金属与pH值的相关性不显著(表5).由此可见,三峡库区消落带土壤重金属中Cd和As含量受土壤pH值影响较大,其次是Cr和Pb.2.4复合污染特性由于地球化学条件的相似性,以及造成土壤污染的重金属元素共存于土壤中,导致重金属元素在总量上存在相关性.采用SPSS17.0对库区消落带土壤重金属元素进行两两相关分析(表5)元素间相关性呈显著或极显著,说明各元素间一般具有同源关系或是复合污染.其中,As与Cd,Cd与Hg,Hg与Pb,Zn与Cu间的相关系数较高,Cr与各元素之间的相关系数相对较小.由此可以推断,As、Cd、Pb、Hg来源比较广泛,可能受多方面因素影响,而Cr则有自己独特的来源.而且,Cu与Pb,Cu与Zn,Pb与Zn的相关系数均>0.89,表明库区土壤同时受Cu、Pb和Zn污染的可能性较大即土壤污染存在复合污染特性,这与其他学者关于复合污染研究的结论一致.2.5重金属潜在生态风险指数ri根据潜在生态风险指数法计算各区县消落带土壤重金属的rEi和RI值(表6).可知,以单个重金属的潜在生态风险系数评价,除巴南、奉节、巫山土壤中Cd的Eri接近40(临近中等风险程度)外,其余各地Eri均<40.土壤中6种重金属的潜在风险程度为Cd>As>Hg>Pb>Cu>Zn.这与黎莉莉等的研究存在一些差异,可能是采样时间不同造成的.从多种重金属的综合潜在生态风险指数来看,各区县RI平均值为64.7,均为轻微污染型.各区县RI均<150,其大小顺序为巴南>巫山>长寿>奉节>涪陵>云阳>丰都>忠县>万州,且其沿江分布总体上呈“两端高,中间低”的特点(图4),说明上游和下游的重金属潜在生态风险较中游更为严重.巴南至涪陵段临近重庆市主城区,受城市生活污染和工业污染影响较大;丰都至万州段主要为耕地和荒地,受人为影响较小;而奉节畜牧业较发达,由于化肥使用量逐年增加,巫山县土地污染日益严重,近年来随着工业化、城市化发展,废水排放量也有所增加,从而导致土壤重金属含量偏高.评价结果表明,三峡库区消落带土壤重金属污染属于轻微型污染,但Cd污染需引起重视.3结论3.1土壤重金属含量三峡库区消落带沿江左、右两岸及不同淹水高程土壤中,As(>19.0mg/kg)、Cd(>0.38mg/kg)含量均超标.左岸土壤中各重金属平均值均小于右岸,其中Cu、Zn、Cr和Hg在两岸土壤中的含量存在显著性差异(P<0.1),右岸各重金属的变异系数较左岸大.不同淹水高程土壤重金属差异明显(P<0.1).除Cr、Hg外,其余各重金属含量均呈淹水高程155~165m含量较低,高程145~155m和165~175m含量较高.3.2cd含量在长江水流方向和不同未排液方向的分布沿江消落带土壤中各重金属含量平均值都有较大变化,左、右两岸和不同淹水高程的重金属含量均存在一些差异.总体来说,Cd含量沿长江水流方向呈先减后增,其余重金属(Cu,Pb,Zn,Hg,As,Cr)整体呈逐渐降低趋势.3.3土壤ph值与土壤ph值的关系库区消落带土壤偏碱性(pH7.38),pH值沿江变化不明显.Pb、Cr、Cd和As含量与土壤pH值均具有显著相关性.Cd和As含量受土壤pH