三峡库区消落带植被汞分布特征及其对土、水汞分配的影响

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三峡水库是举世瞩目的特大型调节水库,淹没的陆地面积巨大,达到632km2,成库后形成大面积的消落带。根据水库“蓄清排浊”的调度方案,三峡水库于每年9月蓄水至水位175m高程,次年1月开始放水至水位145m高程,在库周形成一个落差达30m,面积达349km2的消落带。消落带在每年4-9月的出露期,由于雨热充沛,大片区域会生长出茂密的草本植被,而被淹没土壤和植被是水库鱼体甲基汞增高的重要来源。一方面,被淹没的土壤和植物在腐烂分解的过程中会主动或者被动的向水库生态系统释放总汞和甲基汞;另一方面土壤和植物被淹没后,在水库底部形成厌氧环境,为汞的甲基化提供了反应场所。与此同时,土壤有机质和植物腐烂分解后会释放大量的营养养物质,为微生物提供了充足的食物来源,使得硫酸盐还原菌等甲基化细菌大量繁殖,促进无机汞向甲基汞转化。三峡库区消落带长期处于干湿交替的状态,土壤的理化性质也因此发生变化,消落带植被经历着生长-淹没腐解-再生长的更新过程,每年土壤中被分解的有机质都会得到大量的补充,同时,植物还具有较强的汞富集能力,植物从大气、土壤中吸收的汞最终又进入水体。三峡水库作为一个典型的“汞敏感生态系统”,植物对汞在其迁移转化过程的影响不可忽视,因此,在本文研究中采用了野外调查分析以及室内模拟相结合的方法,对三峡库区消落带典型植物汞的分布、富集特征,植物生长对消落带土壤及上覆水汞形态的影响,以及优势植物淹没后对底泥和水体汞形态的影响进行了系统的研究,并评价了其生态风险。以三峡库区腹心地带的重庆段忠县石宝寨、涪陵珍溪和开县汉丰湖消落带为主要研究地点,调查并采集了植物样品,分析样品总汞和甲基汞,探讨三峡水库消落带植物汞的分布特征及植物汞库存量。结果表明,调查区域消落带植物总汞含量在(1.62±0.57)49.42±3.93μg·kg-1范围,植物各部位总汞的含量呈根>叶>茎的趋势分布;植物甲基汞含量在(15.27±7.09)1974.67±946.10ng·kg-1范围,植物根部甲基汞含量高于茎和叶。不同植物汞和甲基汞含量有差异,而同类植物中,开县汉丰湖消落带植物总汞和甲基汞含量均较忠县石宝寨、涪陵珍溪镇消落带植物略高;根据植物汞含量和单位面积生物量计算其库存量,发现不同高程植物总汞及甲基汞储存量存在差异,145150、150160、160170和170175m高程的植物总汞储存量分别为145.3、166.4、124.3和88.2 mg·hm-1,甲基汞储存量分别为1.9、2.7、3.6和3.2mg·hm-1。消落带优势种植物对总汞的富集能力相对较弱(BAF<1),而对甲基汞的富集能力相对较强(BAF>1)。于2014年5月至2015年4月,在开县汉丰湖(HF)和忠县石宝寨(SB)消落带分别设置裸地及草地监测样地,于落干期每月采集土壤分层样品,蓄水期采集该处底泥及上覆水,测定不同形态汞,分析植物生长对汞形态的影响。结果表明,相同高程消落带因其不同类型土壤汞含量而存在差异,不同高程的同类型消落带汞的含量也有所不同。库区干流落干期05cm表层土壤裸地和草地总汞均值分别为(75.90±4.06)μg·kg-1和(86.97±1.73)μg·kg-1;蓄水期分别为(86.00±4.00)μg·kg-1和(98.42±2.62)μg·kg-1,土壤总汞有从表层向低层(20cm以下)迁移的趋势,消落带高程增加土壤总汞含量降低,且裸地土壤汞的迁移能力强于草地,支流的趋势与干流一致。土壤甲基汞的峰值都出现在05cm表层土壤中,落干期不同高程消落带相比较,裸地类型消落带SB150155m高程表层土壤甲基汞含量最低,为(0.37±0.02)ng·kg-1,草地则是SB160165m高程表层土壤甲基汞含量最高,为(0.67±0.03)ng·kg-1;蓄水后土壤甲基汞含量都有增加的趋势,且土壤甲基汞含量随淹水时间增加而升高,其中SB160165m高程裸地土壤甲基汞含量均值最低,为(0.65±0.04)ng·kg-1,SB150155m高程草地表层土壤甲基汞含量均值最高,为(0.84±0.03)ng·kg-1。库区干流及支流土壤生物可利用态汞占总汞的比例较低为1.48%4.66%,且裸地表层土壤生物可利用态汞要低于草地,蓄水期土壤生物可利用态汞含量要低于落干期。库区消落带淹没后,其上覆水总汞均值在干流消落带和支流消落带分别为(14.91±1.06)ng·L-1和(14.89±0.32)ng·L-1,远高于世界其他地区的天然水体汞浓度。对石宝寨不同高程消落带淹没水体样品分析发现,150155m高程消落带裸地底层水体总汞浓度较低,为(17.96±0.84)ng·L-1,而草地较高为(22.11±1.79)ng·L-1。库区干流区域裸地和草地类型消落带水体甲基汞浓度均值分别为(0.25±0.03)ng·L-1和(0.33±0.02)ng·L-1;支流均值分别为(0.46±0.02)ng·L-1和(0.49±0.03)ng·L-1,水体甲基汞浓度有从表层到底层逐渐升高的分布特征,且裸地底层水体甲基汞含量明显低于草地。库区干流水体溶解态汞均值为(6.88±0.76)ng·L-1,干流及支流水体溶解态汞占总汞(DHg/THg)比例均值为40%±13%和36%±11%,表明库区水体总汞主要以颗粒态汞的形态存在。干流区域裸地和草地水体溶解态甲基汞浓度均值分别为(0.13±0.01)ng·L-1和(0.14±0.02)ng·L-1,溶解态甲基汞占总甲基汞(DMe Hg/TMe Hg)比例均值为48%±11%,与总汞情况一致,颗粒态甲基汞主导着甲基汞的分配比例。库区干流和支流蓄水期水体活性汞浓度均值分别为(2.04±0.28)ng·L-1和(2.13±0.23)ng·L-1,活性汞表层及底部含量较高,而中间层含量较低,不同高程消落裸地与草地上覆水水体活性汞含量没有明显差异(P>0.05)。三峡库区消落带落干期植被生长茂盛,蓄水后消落带被淹没,土壤-植物系统在长时间淹水情况下,随着体系内物理化学性质的改变,汞形态也会发生变化,从而对库区水生生态系统中汞含量以及形态带来一定的影响。因此,本研究选取三峡库区4种优势植物室内栽培,再进行室内模拟淹水试验,研究淹水后土壤、水体中甲基汞(Me Hg)以及其他形态汞的变化。结果表明,淹水过程中植物的存在有利于土壤Me Hg的生成,同时对上覆水不同形态汞浓度影响显著。狗牙根作为消落带优势种,由于其体内总汞及甲基汞含量较高,淹水后对土壤以及上覆水系统中甲基汞以及其他汞形态的影响最为明显。淹水第90d,狗牙根+土+江水(B1)处理土壤Me Hg的含量最高,为1135.86±113.84 ng·kg-1,是不加植物的对照处理土+江水(CK2)中土壤Me Hg含量的2倍左右;上覆水总甲基汞(TMe Hg)、溶解态甲基汞(DMe Hg)、总汞(THg)、溶解态汞(DHg)和活性汞(RHg)均呈峰值偏左的抛物线状变化,在第30d时达到峰值,其中B1处理上覆水TMe Hg、THg和DHg最高,分别为(2.88±0.06)ng·L-1、(40.29±2.42)ng·L-1和(35.51±3.77)ng·L-1,其中溶解态汞是其主要存在形式。因此可以推测三峡库区消落带植物淹水后将增加水库汞污染负荷。土壤、植物汞进入水体后会影响库区水生生态系统,并通过生物累积传递、放大。通过估算得出三峡库区地上植物汞储量为183 kg,裸地及草地消落带的010cm土壤汞库存量分别约为3310 kg和3799 kg。蓄水后自然生长植被的消落带向水体的释汞量为约287 kg,而人为除草后消落带向水体的释汞量约为184 kg,减少了约36%。通过地累积指数评价法和生态潜在污染指数评价法对库区裸地和草地两种类型消落带土壤汞进行评估,前者评价结果显示干流区域消落带达到轻度污染,支流区区域无污染;后者则显示处库区干流及支流的裸地与草地消落带都存在中度污染风险。因此,消落带的植被不仅加重了水库汞的污染负荷,同时也增加了消落带汞的污染风险。
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