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、性有機物(DOM)的遷移動態(tài)和環(huán)境變化特征進行跟蹤,重點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物的相互作用機理,以期為消落區(qū)生態(tài)環(huán)境保護和決策提供科學依據(jù)和數(shù)據(jù)基礎。
　　 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)達到中度污染。消落區(qū)土壤中重金屬分布受到采樣點周邊環(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重。消落區(qū)土壤中5種重金屬的潛在生態(tài)風險因子大小順序為:Cd>Cu>Pb>Cr>Zn；Cd為最主要的生態(tài)風險貢獻因子,Cd在大部分斷面都達到或接近中等生態(tài)風險,其余重金屬的單因子生態(tài)風險目前還較低。綜合考慮消落區(qū)重金屬累計

5、生態(tài)風險目前還不高。
　　 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)計學和GIS空間預測技術(shù)。GIS空間預測技術(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遠大于消落區(qū)寬度,整個地形呈帶狀分布。本研究中采用地統(tǒng)計

8、學和GIS空間預測技術(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測模型和最優(yōu)算法,并對Kriging插值法進行優(yōu)化,預測了小江消落區(qū)土壤重金屬、溶解性有機物的空間分布格局。對于這種帶狀分布的地形進行GIS預測目前國內(nèi)還未見文獻報道,是本文的創(chuàng)新點之一。
　　 ③淹水前后小江消落區(qū)土壤中溶解性有機物的時-空變化特征小江消落區(qū)土壤中溶解性有機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)土壤溶解性有機物不同熒光峰的平均強度大小依次為: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強度之間存在較強的正相關(guān)(相關(guān)系數(shù)R2=0.51,sig.<0.001).熒光

10、強度峰C強度與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的強度均值增加了40％左右,且隨退水時間延長強度略有所下降。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)插法預測了小江消落區(qū)土壤中各熒光強度的空間分布格局。
　　 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+形成復合共遷移,有加速Cd2+向水體釋放的風險。溫度升高和降低都有加