三峽水庫消落區(qū)土壤中重金屬時-空分布及其與DOM的環(huán)境行為的相互影響研究.pdf

1、三峽成庫后,三峽水庫(Three Gorges Reservoir)長江干、支流水系水文情勢發(fā)生了巨大的變化。天然河流系統(tǒng)物質(zhì)、能量輸移、傳遞的連續(xù)性、脈動性被打破,并迫使生源要素(碳、氮、磷、硅等)生物地球化學(xué)循環(huán)發(fā)生顯著改變。消落區(qū)作為長江水陸自然景觀的重要組成部分和庫區(qū)流域中水陸相互作用的交錯帶,在反季節(jié)性的蓄水泄水機(jī)制作用下,其生態(tài)系統(tǒng)由于受到來自水陸兩個界面的交叉影響而變得尤為復(fù)雜。本文選取三峽水庫典型消落區(qū)土壤中重金屬和溶解

2、性有機(jī)物(DOM)的遷移動態(tài)和環(huán)境變化特征進(jìn)行跟蹤,重點(diǎn)研究了三峽水庫試驗性蓄水期間消落區(qū)土壤中重金屬、溶解性有機(jī)物DOM的時間-空間分布及其變化趨勢,并建立模擬實驗研究土壤介質(zhì)中重金屬的吸附行為及其與溶解性有機(jī)物的相互作用機(jī)理,以期為消落區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)和決策提供科學(xué)依據(jù)和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
　　 ①淹水前典型消落區(qū)土壤中重金屬含量背景值調(diào)查典型消落區(qū)淹水前重金屬含量背景值調(diào)查選取三峽水庫忠縣環(huán)城區(qū)消落區(qū)、忠縣石寶鎮(zhèn)干支流消落區(qū)、萬州長

3、江干支流消落區(qū)(城市區(qū)域,包含苧溪河支流)、萬州新田干流消落區(qū)、開縣小江消落區(qū)、云陽縣小江消落區(qū)、巫山大昌消落區(qū)等區(qū)域全面開展,總共布點(diǎn)121個。對7個典型消落區(qū)淹水前重金屬分析結(jié)果為:Cd含量平均值0.53mg/kg,Cr含量平均值為67.23mg/kg,Cu含量平均值為33.14mg/kg,Pb含量平均值為33.37mg/kg,Zn含量平均值為76.43mg/kg;
　　 忠縣石寶、萬州新田、開縣小江消落區(qū)綜合污染程度尚屬于

4、低值區(qū)間,但都已經(jīng)較為接近中度污染的臨界值。萬州干流、云陽小江、巫山大昌消落區(qū)綜合污染程度已經(jīng)達(dá)到中度污染。消落區(qū)土壤中重金屬分布受到采樣點(diǎn)周邊環(huán)境、外源性污染輸入的影響極大。淹水前萬州干流消落區(qū)受到的外源性污染最為嚴(yán)重。消落區(qū)土壤中5種重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險因子大小順序為:Cd>Cu>Pb>Cr>Zn；Cd為最主要的生態(tài)風(fēng)險貢獻(xiàn)因子,Cd在大部分?jǐn)嗝娑歼_(dá)到或接近中等生態(tài)風(fēng)險,其余重金屬的單因子生態(tài)風(fēng)險目前還較低。綜合考慮消落區(qū)重金屬累計

5、生態(tài)風(fēng)險目前還不高。
　　 ②淹水前后小江消落區(qū)土壤中重金屬的時.空變化特征小江流域作為三峽水庫在同一地理位置和氣候條件下的“縮小模型”。對于重金屬、DOM的時間-空間分布采樣實時河岸線-175m區(qū)域,包括開縣、云陽主要10個斷面。
　　 研究結(jié)果表明:三峽水庫試驗性蓄水期間,小江消落區(qū)土壤中Cd呈現(xiàn)明顯增加的趨勢,Cr的均值和中位數(shù)都呈現(xiàn)下降的趨勢,土壤表層的Cr有向水體釋放或向底層土壤沉積的可能,消落區(qū)土壤中Cu和Z

6、n的均值和中位數(shù)變化不太明顯,在較小范圍有一定的波動。Pb在第一次蓄水過程在消落區(qū)表層土壤有一定的富集,而在第二次蓄水后存在一定程度的釋放或向底層土壤沉積的趨勢。
　　 退水過程水動力對消落區(qū)的重金屬的形態(tài)存在一定影響。淹水后期Cd的可交換態(tài)有降低的趨勢,有機(jī)結(jié)合態(tài)變得更加活躍。淹水后期Cr的可交換態(tài)變化不是太大,有機(jī)結(jié)合態(tài)在淹水退水初期分布相對均衡,在后期消落區(qū)土壤上游區(qū)域有所下降,在小江下游段有所增強(qiáng)的趨勢。淹水后期Cu、P

7、b、Zn的可交換態(tài)沒有明顯的變化。Cu有機(jī)結(jié)合態(tài)在后期消落區(qū)土壤少數(shù)區(qū)域明顯有下降趨勢。Pb有機(jī)結(jié)合態(tài)在后期消落區(qū)土壤中略顯增加的趨勢。
　　 在三峽水庫消落區(qū)污染物空間分布研究中,首次引入了地統(tǒng)計學(xué)和GIS空間預(yù)測技術(shù)。GIS空間預(yù)測技術(shù)盡管在國內(nèi)外已有大量的研究成果,GIS空間插值算法廣泛適用于長寬在同一尺度的地形,消落區(qū)處于145-175m高程空間,在沿江方向的長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于消落區(qū)寬度,整個地形呈帶狀分布。本研究中采用地統(tǒng)計

8、學(xué)和GIS空間預(yù)測技術(shù)相結(jié)合,建立基于消落區(qū)帶狀地形的污染物空間分布格局預(yù)測模型和最優(yōu)算法,并對Kriging插值法進(jìn)行優(yōu)化,預(yù)測了小江消落區(qū)土壤重金屬、溶解性有機(jī)物的空間分布格局。對于這種帶狀分布的地形進(jìn)行GIS預(yù)測目前國內(nèi)還未見文獻(xiàn)報道,是本文的創(chuàng)新點(diǎn)之一。
　　 ③淹水前后小江消落區(qū)土壤中溶解性有機(jī)物的時-空變化特征小江消落區(qū)土壤中溶解性有機(jī)物的熒光光譜特征主要為類腐殖質(zhì)熒光峰A和C、類色氨酸熒光峰B和D,熒光峰B和D檢出

9、率分別為70.3％,72.6％,僅在少數(shù)土壤樣品DOM中出現(xiàn)類酪氨酸熒光峰E和F,檢出率分別為為20.7％,20％。
　　 小江消落區(qū)土壤溶解性有機(jī)物不同熒光峰的平均強(qiáng)度大小依次為:C>A>B>E>D>F。消落區(qū)土壤DOM中基本都檢出類腐殖質(zhì)熒光,土壤腐殖質(zhì)是土壤DOM的主要來源。
　　 熒光強(qiáng)度相關(guān)性分析表明:熒光峰A與紫外區(qū)類腐殖質(zhì)熒光峰C強(qiáng)度之間存在較強(qiáng)的正相關(guān)(相關(guān)系數(shù)R2=0.51,sig.<0.001).熒光

10、強(qiáng)度峰C強(qiáng)度與DOC之間存在一定的正相關(guān),但相關(guān)性不呈明顯的線性(R2=0.227,Sig.>0.001).類色氨酸熒光峰B與紫外區(qū)類腐殖質(zhì)熒光峰D強(qiáng)度之間也存在一定的正相關(guān),相關(guān)系數(shù)為R2=0.38,sig.<0.001.
　　 淹水前后消落區(qū)土壤樣品熒光特征峰A和C的光譜范圍和檢出情況沒有明顯變化,淹水后4次測試的結(jié)果類腐殖質(zhì)熒光峰A、C的強(qiáng)度均值增加了40％左右,且隨退水時間延長強(qiáng)度略有所下降。淹水后消落區(qū)土壤樣品類蛋白熒

11、光峰B、D檢出率有小幅增加的趨勢,隨退水時越長熒光峰B、D強(qiáng)度略有所下降。退水后隨消落區(qū)土壤露出時間越長類蛋白熒光峰E、F的檢出率大幅增加。
　　 建立了基于GIS的小江地形圖,并采用Simple Kriging最優(yōu)內(nèi)插法預(yù)測了小江消落區(qū)土壤中各熒光強(qiáng)度的空間分布格局。
　　 ④土壤介質(zhì)中DOM對重金屬的吸附解吸與遷移行為的影響論文設(shè)計土柱模擬實驗研究了土壤介質(zhì)中DOM對重金屬的吸附解吸及遷移行為的影響。吸附試驗結(jié)果表明

12、:Cd2+、Cr(Ⅵ)、pb2+、Zn2+在消落區(qū)土壤中的吸附行為符合Langmuir、Frundlich等溫吸附模型,Cu2+在消落區(qū)土壤的吸附行為符合Temkim等溫模型。
　　 DOM對于Cd2+在土壤介質(zhì)中的吸附和傳輸行為影響較為復(fù)雜,較高含量的DOM可以阻滯Cd2+向水體釋放,在受到入滲水(降雨、淹水等行為)的沖擊時,DOM濃度降低,有可能會與Cd2+形成復(fù)合共遷移,有加速Cd2+向水體釋放的風(fēng)險。溫度升高和降低都有加