三峽水庫蓄水對庫區棄耕地土壤7種金屬元素質量分數的影響

沈雅飛，程瑞梅， 肖文發，王 娜，劉澤彬，王曉榮

（1.中國林業科學研究院 森林生態環境與保護研究所 國家林業局森林生態環境重點實驗室,北京100091;2.南京林業大學 南 方現代林業協同創新中心,江蘇南京210037）

三峽水庫蓄水對庫區棄耕地土壤7種金屬元素質量分數的影響

沈雅飛1,2，程瑞梅1,2， 肖文發1,2，王 娜1,2，劉澤彬1,2，王曉榮1,2

（1.中國林業科學研究院 森林生態環境與保護研究所 國家林業局森林生態環境重點實驗室,北京100091;2.南京林業大學 南 方現代林業協同創新中心,江蘇南京210037）

為探究淹水對三峽庫區土壤金屬元素質量分數的影響，以典型消落帶中的棄耕地為研究區域，于2009年和2013年，研究不同海拔（145～155，155～165，165～175 m），不同深度（0～5，5～10，10～20 cm）土壤的重金屬（銅、鐵、鋅、錳），堿性金屬（鈣、鎂、鈉）分布特征及與pH值的相互關系，旨在為該地區生態恢復提供科學理論依據。 研究發現：2009年145～165m土壤4種重金屬質量分數為10～20 cm層最高，2013年為0～5 cm層質量分數最高，鈣質量分數的最高值均出現在10～20 cm層；經歷過4個淹水周期后，2013年165～175m高程土壤銅、鐵、鋅和錳質量分數依次為0.065，59.37，0.068和0.069 g·kg－1，其質量分數比2009年分別增加了50.75%，18.84%，27.46%，27.44%。淹水導致鈣、錳質量分數增多，鈉質量分數減少，其中鈉質量分數變化幅度最大，隨著海拔的升高，2013年較2009年分別減低了60.02%，60.09%和59.82%；另外，除鈉與pH值呈極顯著負相關（r=－0.615, P＜0.01）之外，所測金屬指標均與pH值呈正相關。淹水不僅導致不同年份土壤金屬的分布特征不完全相同，還導致土壤銅、鐵、鋅、錳、鈣、鎂等的累積及鈉的流失。圖3表1參18

土壤學；三峽庫區；消落帶；棄耕地；金屬；相關性分析

土壤重金屬污染物因其難以降解，進而通過水生系統、土壤-植物系統進入食物鏈，最終危害生態環境與人類健康［1－2］。同時，土壤中也包含了大量的堿性金屬，一旦堿性金屬匱乏，會威脅植物正常的生長發育。這些金屬的存在與土壤的淋溶程度、pH值等密切相關［3］。消落帶土壤因受反復間斷式淹水、裸露和沖刷，積累在土壤中的重金屬元素，可以通過溶解、交換、擴散等方式進入水體而引起水質變化，而江水中的重金屬通過吸附、沉淀等形式遷移至消落帶土壤中引起其環境的改變［4－5］，因此，三峽水庫周期性蓄水對消落帶土壤重金屬和堿性金屬的影響規律更加值得深入研究。目前，國內外學者對消落帶土壤中金屬的變化規律的研究［6－8］，主要集中在通過模擬消落帶來研究土壤金屬含量的分布特征，庫區不同土壤類型重金屬的含量與風險評價和庫區土壤重金屬背景值等方面，如郭沛等［9］模擬淹水條件下三峽庫區消落帶土壤重金屬形態變化時發現，淹水導致土壤鐵、錳、有效銅含量增加；熊俊等［10］研究顯示在三峽水庫運行初期，消落帶土壤重金屬物污染處于低級生態風險；另外，唐將等［11］在大規模、系統采樣的基礎上，通過比較不同均值的計算方法，提出了三峽庫區土壤重金屬含量的背景值。已有研究表明：土壤中的堿性陽離子可以維持植物的生長需求［3］；重金屬間的遷移會對庫區水環境產生影響，而土壤的酸堿性控制著重金屬元素的活性，進而影響土壤中重金屬的含量［8］。自三峽水庫運行至今，盡管對消落帶土壤金屬元素特征的研究不斷增加，但是關于較長蓄水周期的消落帶土壤中金屬含量變化的研究鮮有報道。因此，本試驗分別于2009年和2013年，測定了三峽庫區消落帶秭歸段棄耕地的不同高程、不同深度土壤堿性金屬元素（鈣、鎂和鈉），重金屬元素（鋅、錳、鐵和銅）的質量分數以及土壤的pH值，揭示其空間分布特征，比較2009年與2013年間（經歷過4個淹水周期）的土壤金屬質量分數的差異，進一步探討水淹對土壤金屬元素質量分數的影響，以期為庫區土地的合理利用、生態恢復提供科學理論依據。

1 研究區概況

本研究樣地位于湖北省宜昌市秭歸縣茅坪鎮，緊鄰三峽庫區，其地理位置為30°38′14″～31°11′31″N，110°00′04″～110°18′41″E，年平均氣溫為18.0℃，年均均降水量為1 100.0 mm，年日照時數為1 632.0 h，年無霜期約為260.0 d。屬于亞熱帶大陸性季風氣候，溫暖濕潤，四季分明，雨熱同季。土壤類型為花崗巖母質風化而成的黃壤土，土層厚度約為40 cm。

2 材料與方法

2.1 樣地設置

2009年，在研究區域內選擇3塊生境類型相似的棄耕地，各設置1塊40m×15m的樣地，其底邊設置在海拔145m，最高設置在海拔175m。由于不同的高程受水淹情況不同，將樣地在高程上劃分為3個梯度，分別為145～155，155～165和165～175m，各個高程均埋設水泥樁做標記。

根據水庫的運行，2009年和2013年樣地被水淹區域均為高程145～175m。

2.2 土壤樣品采集及測定

于2009年和2013年的9月，在3塊樣地內進行采樣，均沿著每個高程區域的對角線，分別用土鉆取土12次，每次均取3層（0～5，5～10，10～20 cm）土壤，將同一層的土壤混合，作為此高程的土壤樣品，裝袋標記后，帶回實驗室進行金屬元素質量分數和pH值的測定。

將新鮮的土壤樣品平鋪在干凈且透氣的紙上，放在室內陰涼處通風干燥，待土樣風干后，剔除石塊和動植物殘體等雜物，倒入研缽中磨細，過2mm篩子。土壤銅、鐵、錳、鋅、鈣、鎂和鈉質量分數均根據氫氟酸-高氯酸消煮-ICP法測定［12］；土壤pH值采用pH酸度計法測定［13］。

2.3 數據處理與分析

采用SPSS 19.0對所測得的數據進行處理和分析，應用Excel 2013進行圖表制作。

3 結果與分析

3.1 水淹對土壤金屬質量分數的影響

圖1 2009年和2013年海拔145～155m區域土壤剖面中的金屬質量分數分布Figure 1 Distribution ofmetal contents in the soil profiles atan elevation of 145－155m above sea level in 2009 and 2013

3.1.1 水淹對145～155m區域金屬質量分數的影響 從圖1可以看出：棄耕地海拔144～155m區域內，所測量的7種元素質量分數在土壤0～5，5～10和10～20 cm層之間存在空間差異性。無論是2009年還是2013年，土壤鋅、鈣和鈉質量分數，大體上隨著土壤深度的增加而增多；土壤銅、鐵、錳和鎂質量分數，2009年表現為隨土壤深度的增加而增多，2013年其空間分布與2009年不同，其變化幅度較小，隨著土壤深度的增加呈緩慢的減少。顯著性檢驗結果顯示，土壤周期性淹水對棄耕地此區域土壤所測金屬質量分數影響均極顯著（P＜0.01）。由多重比較結果可知：土壤經歷過4個水淹周期后，在棄耕地海拔144～155 m區域內，2009年與2013年各層土壤之間銅和鈣質量分數的差異均達到極顯著水平（P＜0.01），均為2013年高于2009年；土壤鈉質量分數受水淹后的變化趨勢與銅和鈣的變化趨勢相反，表現為2009年各土層鈉質量分數極顯著高于2013年；土壤鐵、鎂和錳質量分數均于2009年和2013年的0～5 cm層之間達到極顯著差異水平，10～20 cm層土壤鋅質量分數經過4 a的水淹周期后，其質量分數差異達到極顯著水平（P＜0.01）；此外，2013年5～10 cm層土壤鐵質量分數顯著高于2009年（P＜0.05），其余層土壤之間差異不明顯。

圖2 2009年和2013年155～165m區域土壤剖面中的金屬質量分數分布Figure 2 Distribution ofmetal contents in the soil profiles at an elevation of 155－165m above sea level soil in 2009 and 2013

3.1.2 水淹對155～165 m區域金屬質量分數的影響 從圖2可見：在棄耕地155～165 m區域內，2009年土壤銅、鋅、鐵和錳質量分數隨著土層的加深而增多，而2013年這4種元素的質量分數在各層土壤之間基本保持不變，空間分布差異較小；2009年各層土壤鎂和鈣質量分數之間大體保持不變，2013年則分別隨著土層的加深而表現為降低趨勢和上升趨勢。所測的金屬元素中，2009年各層土壤鋅、錳和鈉質量分數的變化幅度較大，變化范圍依次為0.16～0.06，0.16～0.06和0.29～0.30 g·kg－1。與2009年相比，2013年土壤各層銅、鈣和鎂質量分數均明顯增多，鈉質量分數明顯減少。土壤周期性淹水對棄耕地此區域土壤所測金屬質量分數影響均極顯著（P＜0.01）。多重比較結果顯示：棄耕地155～165 m高程區域，土壤經歷過4個水淹周期后，2013年0～5 cm和5～10 cm層土壤的鋅、錳質量分數均極顯著高于2009年（P＜0.01），但其質量分數在10～20 cm層土壤中則表現為與其相反，即2009年極顯著高于2013年（P＜0.01）；2013年0～5 cm和5～10 cm層土壤銅質量分數均極顯著高于2009年（P＜0.01），0～5 cm土層的鎂極顯著高于2009年（P＜0.01）；除去5～10 cm層土壤，鈉質量分數在其余2層內均表現為2009年極顯著高于2013年（P＜0.01）；2013年5～10 cm層土壤鋅和鎂質量分數顯著高于2009年（P＜0.01）；此外，2013年0～5 cm層土壤的鈣質量分數顯著高于2009年（P＜0.05）。

3.1.3 水淹對165～175m區域金屬質量分數的影響 2009年，在棄耕地165～175m區域，錳和鈣元素質量分數，不同土層間的空間變化范圍較大，分別為0.02～0.07 g·kg－1和7.45～22.99 g·kg－1，最高質量分數分別出現在5～10 cm和10～20 cm層土壤；2013年鈣和鎂元素質量分數在此區域內，不同土層間的空間變化范圍較大，依次為7.96～32.80 g·kg－1，11.86～15.73 g·kg－1，最高質量分數分別出現在10～20 cm和0～5 cm層。可見經過4個水淹周期后鈣均表現出的空間分布特征相一致。2009年和2013年，土壤鐵和鈣質量分數均隨著土層加深，整體上表現出緩慢上升趨勢，土壤銅、鋅、鎂和鈉表現相反，即隨著土層加深整體上表現出緩慢的減少（圖3）。由顯著性檢驗和多重比較結果得到，土壤周期性淹水對棄耕地此區域土壤所測金屬質量分數影響均顯著，對銅、鐵、錳、鈣、鎂和鈉質量分數影響均極顯著（P＜0.01）。2013年各層土壤的銅、鎂質量分數均極顯著高于2009年（P＜0.01），鈉質量分數極顯著低于2009年（P＜0.01）；2013年0～5 cm層土壤， 錳、鐵質量分數均極顯著高于2009年（P＜0.01）；10～20 cm層土壤鈣質量分數于2013年極顯著高于2009年（P＜0.01）；5～10 cm土壤鐵和鈣質量分數于2009年和2013年間的差異達到顯著性水平，分別表現為2013年顯著高于2009年和2009年顯著高于2013年（P＜0.01）；10～20 cm層土壤鋅和鐵質量分數均呈現為2013年顯著高于2009年（P＜0.05）。

圖3 2009年和2013年165～175m區域土壤剖面中的金屬質量分數分布Figure 3 Distribution ofmetal contents in the soil profiles at an elevation of 165－175m above sea level in 2009 and 2013

3.2 土壤的金屬元素與pH的相關性分析

為了進一步了解消落帶土壤金屬元素之間的關系以及各個金屬元素質量分數與土壤pH值之間的關系，本試驗通過對2009和2013年的不同海拔的各個土層的7種所測金屬元素與之對應的土壤pH值進行了相關性分析（表1）。

表1 重金屬以及堿性金屬與pH值的相關性分析Table 1 Correlation analysis between heavymetals,or alkalinemetals and soils pH values

由表1可以看出：土壤銅、鐵、鎂之間存在極顯著正相關（P＜0.01），錳與鋅、鈣與鎂存在顯著正相關（P＜0.05）。鈉與鎂呈極顯著負相關（r=-0.620），鈉與銅顯著性負相關（r=-0.507），其他金屬元素之間相關性不明顯。土壤pH值與鎂之間存在極顯著正相關（r=0.595），與銅和鐵呈顯著性正相關（r=0.589和0.469）。可見土壤pH值的大小與其金屬元素質量分數密切相關。

4 討論與結論

土壤在淹水條件下，重金屬易生成沉淀而降低其生物有效性，從而減少土壤重金屬解吸，使重金屬在土壤中累積而未釋放至水體［14］。本研究發現：145～155，155～165和165～175 m高程區域，與2009年相比較，在經歷過4個淹水周期后，2013年6種所測金屬元素（除去鈉）質量分數總體上表現為增多的趨勢，尤其是銅和鎂元素；土壤銅、鐵、鋅和錳質量分數的變幅最大的均出現在高程165～175m區域，分別增加50.75%，18.84%，27.46%和27.44%（3個土層的均值），可見淹水導致重金屬在土壤中的累積，高海拔高程表現更為明顯。所測的堿性金屬中，隨著海拔的升高，土壤的鈉質量分數變化幅度最大，2013年較2009年分別減低了60.02%，60.09%和59.82%（3個土層的均值）；淹水導致土壤中鈣、鎂質量分數呈明顯上升，且鈣質量分數上升的幅度較大，145～155，155～165，165～175m區域土壤分別上升42.44%，26.47%和16.68%（3個土層的均值）。可見，土壤中釋放的鈉質量分數要大于從水中吸附量，而土壤中鈣、鎂質量分數釋放大于吸附量。

本研究揭示了消落帶土壤7種金屬質量分數的空間分布狀況，在145~155，155~165和165~175m高程，2013年土壤的銅、鐵、鋅和錳質量分數的最高值均出現在0～5 cm土層；在145～155 m和155～165 m高程，2009年土壤中4種重金屬最高質量分數均出現在10～20 cm土層。無論2009年還是2013年，隨著海拔的升高，土壤銅、鋅和錳質量分數，均呈現先升高后降低，鐵質量分數則一直升高。一般情況下，重金屬質量分數隨著土壤層次的增加而降低［15］，但本研究結果發現，2013年3個高程區域的土壤中銅、鐵、鋅和錳質量分數均為0～5 cm土層最高，在145～165 m高程區間，2009年土壤中4種重金屬質量分數均為10～20 cm土層最高，在165～175m高程區域，沒有表現出統一的規律，這與裴廷權等［16］的研究結果相類似，可見消落帶棄耕地土壤經過長時間的淹水，導致其重金屬質量分數在空間上分布不同。

土壤pH值是影響土壤重金屬質量分數的關鍵性因子，幾乎所有的金屬離子在土壤中的吸附解吸都是pH值依賴型的，它主要是通過影響重金屬化合物在土壤溶液中的溶解度來影響重金屬的行為，進而影響其質量分數［17］。三峽庫區秭歸段土壤受到周期性水淹后，其pH值增高并趨于中性［18］。本研究中，除鈉質量分數與pH值呈極顯著負相關之外，所測金屬指標均與pH值呈正相關，且與銅、鐵和鈣呈顯著性正相關。pH值增大，導致土壤4種重金屬、鈣和鎂質量分數增多，鈉質量分數減少。這也與前人的研究結果相吻合［3］。

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Content of seven soilmetals on abandoned farmland in the hydrofluctuation belt of the Three Gorges Reservoir

SHEN Yafei1,2,CHENG Ruimei1,2,XIAOWenfa1,2,WANG Na1,2,LIU Zebin1,2,WANG Xiaorong1,2
（1.Key Laboratory of Forest Ecology and Environment of State Forestry Administration,Research Institute of Forest Ecology Environmentand Protection,Chinese Academy of Forestry,Beijing 100091,China;2.Co-Innovation Center for Sustainable Forestry in Southern China,Nanjing Forestry University,Nanjing 210037,Jiangsu,China）

To provide a theoretical reference for soil ecological restoration in the Three Gorges Reservoir area, the impact of fluctuating water levels on the content ofmetalswas explored in typical abandoned farmland from the hydro-fluctuation belt of the Three Gorges Reservoir study area.Distribution characteristics of heavymetals（Cu,Fe,Zn,and Mn）and alkalinemetals （Ca,Mg,and Na）at different altitudes （145－155,155－165,and 165－175m）for three soil layers（0－5,5－10,and 10－20 cm）on abandoned farmland were examined in 2009 and 2013.At the same time,Pearson’s correlation coefficients between soil pH and the content of seven soil metals were assessed.Results showed that the content of the four heavy metals was highest in the 10－20 cm soil layer among three soil layers at 145－165 m in 2009;whereas,those at the 0－5 cm layer were highest among three soil layers in 2013.Ca contentwas highest in the 10－20 cm soil layer among three soil layers bothin 2009 and 2013.At 165－175 m,compared with 2009,in 2013 Cu （0.065 g·kg－1）increased 50.8%,Fe（59.37 g·kg－1）increased 18.8%,Zn（0.068 g·kg－1）increased 27.5%,and Mn（0.069 g·kg－1）increased 27.4%（mean value of the three soil layers）.Meanwhile,as altitude increased,fluctuating water levels resulted in growing content of Ca and Mn whereas the content of Na reductions of 60.0%at 145－155 m,60.1%at 155－165m,and 59.8%（mean value of the three soil layers）at 165－175 m.In addition,the relationship between Na content and pH value was significantly negative （r=－0.615,P＜0.01）;whereas,the other six metals were positive.So,fluctuating water levels led to differences in distribution characteristics of soilmetal contents after different years,as well as in accumulation of Cu,Fe,Zn,Mn,Ca,and Mg contents and losses in Na content.［Ch,3 fig.1 tab.18 ref.］

soil science;Three Gorges Reservoir area;hydro-fluctuation belt;abandoned farmland;metal content;correlation analysis

S151.9;X171.1

A

2095-0756（2017）04-0662-08

10.11833/j.issn.2095-0756.2017.04.012

2016-08-03；

2016-10-07

中國林業科學研究院中央級公益院所專項基金（CAFYBB2017ZA002）； “十二五”國家科技支撐計劃項目（2015BAD07B04）； “十二五”國家林業科技支撐計劃項目（2011BAD38BO4）

沈雅飛，博士研究生，從事生態環境監測與生態恢復研究。E-mail:yafeishen126@126.com。通信作者：程瑞梅，研究員，博士，從事生態環境監測與生態恢復研究。E-mail：chengrm@caf.ac.cn