我国主要山地森林土壤中铅的分布特征及来源解析

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铅(Pb)是不能够被生物降解且具有潜在生态危害的重要污染物,Pb污染研究已经成为当前环境领域的热点问题之一。山地生态系统与低海拔地区相比具有较大的海拔差异,从而形成了独特的地形、气候、植被分布等特征,这些因素影响了Pb在山地系统中的分布。进入到大气中的Pb能够吸附于细颗粒物,在气流的影响下发生远距离的大气传输,可以在高山土壤中累积;另一方面,山地生态系统,尤其是高山生态系统,作为物质循环的重要环节,一旦山地土壤遭受Pb的污染,将对当地乃至下游生态系统造成重要影响。我国是个多山的国家,但目前针对山地土壤Pb的研究相对缺乏。  本研究选取我国30个主要山地森林系统为研究区,通过采集土壤剖面(有机层、矿物表层和母质层)样品(1530个)和优势苔藓样品(156个),调查Pb在我国山地森林土壤中的空间分布特征;利用Pb同位素示踪、苔藓监测、统计分析等手段判识Pb的来源;结合区域气候和人类活动特征,阐明影响森林土壤中Pb分布的关键因素。主要结果和结论如下:  (1)我国主要山地森林土壤中Pb的浓度显著低于农田、城市和矿区土壤。除南岭、鼎湖山、龙泉山外,山地森林土壤母质层(C层)中Pb的浓度与其所在区域的土壤元素背景值不存在显著性差异,因此研究选择土壤母质层Pb的浓度作为当地背景值。地累积指数和单因子污染指数结果表明我国主要山地森林土壤受到了Pb的污染,但污染水平整体上较低,潜在生态风险指数表明所研究的山地土壤均属于轻微风险水平。苔藓中Pb浓度除大兴安岭、五指山、赛罕乌拉三座山地处于未受污染水平,其余山地均处于中等污染水平。  (2)在土壤剖面分布上,Pb的浓度(mg/kg)整体呈现出O层[5.59~522(51.7±2.1)]>A层[5.70~974(43.8±2.3)]>C层[7.43~373(30.4±1.6)]的特征。小兴安岭、大别山、神农架、鳌山和哀牢山土壤O层和A层中Pb的浓度随着海拔的升高呈现出显著上升趋势,大兴安岭和太白山则呈现出显著下降趋势,其余山地并未呈现出显著的海拔梯度变化。空间分布上,土壤O层Pb的浓度南方整体上高于北方,东部高于西部,呈现从东南向西北递减的趋势。苔藓中Pb浓度[3.00~390(52.6±3.4)](mg/kg)高于土壤。在海拔上,小兴安岭、神农架和哀牢山苔藓中Pb的浓度随着海拔的升高而升高,大兴安岭和贡嘎山则呈现显著下降的趋势。空间分布上基本与土壤相同,即东部高于西部,南方高于北方。其中,土壤中Pb的浓度在25°N~35°N之间呈现一个高值分布带,苔藓则表现在25°N~30°N之间。  (3)通过统计分析、Pb同位素示踪和苔藓监测等手段,土壤O层和A层中Pb在一定程度上受到了人类活动的影响,而C层中Pb主要受到母岩风化的影响。人类活动来源的Pb主要包括化石燃料燃烧、矿物的开采与冶炼等。苔藓中人为Pb浓度(mg/kg)[2.2~182.3(41.0±2.9)]大于土壤O层[0.1~287.5(38.3±1.8)]和A层[0.4~241.1(20.3±1.3)]。人为Pb在低海拔富集表明可能主要受到近距离的人类活动即当地人类活动的影响,而在高海拔地区富集则可能主要受到远距离大气输送的Pb的影响。  (4)影响我国主要山地森林土壤中Pb分布的主要因素包括了母岩风化、湿沉降、地形、植被分布、土壤理化性质和人类活动等。其中,温度较高和降水量较大不仅加快母岩风化速率影响土壤垂直剖面上Pb的分布,而且湿沉降越大往往伴随着土壤和苔藓中Pb的浓度也较高。地形对土壤Pb的分布主要与所处的迎风坡或背风坡的位置相关,一般迎风坡温度高、降水多,大气沉降量较大,导致Pb的富集相对较高。土壤理化性质对Pb的影响包括土壤类型、SOC、pH等。植被对Pb分布的影响体现在吸收作用、归还效应、林冠拦截和淋滤作用。  本研究对受人为影响较小的偏远山地森林生态系统开展了土壤Pb的赋存特征研究,探讨了地形、植被、气候和人类活动等因素对其累积的影响,不仅为工业区、农业区以及城市区Pb污染研究提供区域上的背景参考,而且可以揭示不同区域人类活动对Pb污染的贡献程度。将来可结合大气传输模型开展高山生态系统对大气Pb传输的生态屏障效应研究。
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