三峡库区消落带土壤重金属含量特征及污染评价

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摘 要：以三峡库区蓄水位从175m回落至163m后的云阳段消落带土壤为研究对象，进行重金属Cu、Zn、Pb、Cd和Cr的含量与剖面分布特征及评价研究。结果表明：消落带土壤Cu、Zn、Pb、Cd和Cr的含量分别为58.09mg/kg、108.93mg/kg、15.18mg/kg、0.46mg/kg和71.81mg/kg。重金属剖面分布特征呈规律性变化：0～10cm土层Cu、Cr和Zn含量高于10～20cm土层，而在干湿交替处Zn、Cr含量却表现为0～10cm土层低于10～20cm土层；Pb和Cd剖面分布特征均呈现出0～10cm土层含量低于10～20cm土层，而在干湿交替处呈相反趋势。研究区不受Pb污染，而受Cd、Cu、Zn和Cr不同程度污染，尤以Cd污染最严重，甚至超出三峡库区土壤背景值3倍以上。

关键词：三峡库区；消落带；土壤重金属含量；分布特征；污染评价

中图分类号 X53 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2013）15-16-03

The Characteristics and Assessment of Heavy Metal Concentrations in Fluctuation Zone of Three Gorges Reservoir Area

Mo Fuxiao et al.

（School of River and Ocean Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China）

Abstract：This study was devoted to fluctuation zone of Three Gorges reservoir area in Yunyang and the concentrations of Cu，Zn，Pb，Cd and Cr were determined which ranged from 175m to 163m in water-level-fluctuating zone soils. The result indicated that the total concentrations of Cu，Zn，Pb，Cd and Cr were 58.09mg/kg，108.93mg/kg，15.18mg/kg，0.46mg/kg and 71.81mg/kg，respectively. The profile distribution characteristics of heavy metal content changed regularly：the content of Cu，Cr and Zn in surface soil is higher than that of in the deep soil，but the content of Cr and Zn in surface soil is lower than that of in the deep soil at the dry-wet alternation；Content characteristics of Pb and Cd was the same，emerged as the surface is less than deep and the surface is more than deep at the dry-wet alternation. The study area was contaminated by Cd，Cu，Zn and Cr in varying degrees，but far from the Pb pollution；however pollution of Cd was particularly serious，even beyond the background value more than three times.

Key words：Three Gorges reservoir area；Fluctuation zone；Heavy metal in soil；Characteristic；Pollution assessment

消落带是因水库调度引起的水位涨落而于库区周围形成的一段特殊区域。在人工调控下，三峡库区水位的周期性涨落会在两岸形成垂直落差30m、面积约348.9km2的消落带。消落带是水生生态系统与陆生生态系统的过渡地段，其土壤理化性质及重金属含量严重影响库区水质和周围动植物的生命活动。消落带土壤重金属污染具有隐蔽性强、形态多变、无法被生物降解、容易在生物体内累积等特点[1]，并能通过食物链在生物体内不断富集，最终将严重危害人类的健康[2-3]。笔者对三峡库区消落带云阳段不同高程、不同采样深度土壤剖面的重金属Cu、Zn、Pb、Cd和Cr含量与分布特征进行分析和研究，进一步评价该区土壤重金属污染情况，以期为库区生态环境治理和农田可持续发展奠定理论依据。

1 材料与方法

1.1 土样采集及调查 2012年4月，在重庆市云阳县境内沿长江主要次级河流的三峡库区消落带的荒地采集土样。根据土地利用状况及周围环境情况布设采样点[4]，选择177m、175m、170m、165m和163m高程的5个采样点分别采集0～10cm和10～20cm层次的土样，每个土样采集1kg，共10个土样。163m水位是水土接壤处，处于干湿交替状态；170m高程处有排水沟。土样经室内自然阴干，除去碎石、植物根等杂物，经四分法混合均匀后研磨过100目筛，装入塑料自封袋编号备用[5]。

1.2 测定指标监测项目与分析方法 主要监测项目为Cu、Zn、Pb、Cd、Cr 5项指标。分析方法均按照土壤环境监测技术规范（HJ-T166―2004）规定的分析方法测定Cu、Zn、Pb、Cd和Cr[6]：Cu、Zn、Cr采用火焰原子吸收分光光度法；Pb、Cd采用石墨炉原子吸收分光光度法。；pH值采用便携式土壤pH计（IQ150-美国）测定。研究区10个土样pH为5.23～5.80，均值为5.56。

1.3 评价标准及方法 选用国家土壤环境质量标准（GB15618―1995）自然背景和三峡库区土壤背景值[7]做参照值（见表1）对库区Cu、Zn、Pb、Cd和Cr进行评价。

表1 土壤环境质量标准（mg/kg）

[重金属＼&Cu＼&Zn＼&Pb＼& Cd＼&Cr＼&自然背景＼&35＼&100＼&35＼&0.20＼&90＼&三峡库区背景值＼&25.00＼&69.88＼&23.88＼&0.134＼&78.03＼&]

采用单因子指数法评价土壤重金属污染情况。单因子污染指数计算公式如下：

Pi =ρi / si

其中：Pi为土壤污染物i的污染指数；ρi、si为污染物i的实测和参照浓度（mg/kg）。

Pi≤1，土壤重金属含量未超标，不影响作物生长发育和人体健康；Pi>1，土壤重金属含量超标，危害作物生长发育和人体健康。

2 结果与分析

2.1 消落带研究区内各采样点土壤的pH、重金属含量 消落带研究区内10个不同高程采样点土壤均偏酸性，pH为5.23～5.80，均值为5.56，土壤重金属含量统计结果见表3。

表3 各采样点重金属含量（mg/kg）

[编号＼&Cu＼&Zn＼&Pb＼&Cd＼&Cr＼&177m（0～10）＼&82.7＼&193.8＼&14.2＼&0.45＼&80.3＼&177m（10～20）＼&54.8＼&60.2＼&17.3＼&0.47＼&64.4＼&175m（0～10）＼&50.9＼&98.1＼&15.5＼&0.46＼&85.9＼&175m（10～20）＼&47.3＼&46.4＼&17.9＼&0.55＼&40.0＼&170m（0～10）＼&72.8＼&97.6＼&10.6＼&0.40＼&95.0＼&170m（10-20）＼&74.9＼&142.3＼&12.9＼&0.41＼&74.4＼&165m（0～10）＼&47.5＼&109.2＼&15.6＼&0.54＼&62.7＼&165m（10～20）＼&26.3＼&54.6＼&16.0＼&0.51＼&70.7＼&163m（0～10）＼&67.8＼&138.8＼&19.1＼&0.49＼&47.8＼&163m（10～20）＼&55.9＼&148.3＼&13.1＼&0.33＼&96.9＼&]

2.2 重金属剖面分布特征

2.2.1 Cu 图1显示，177m至163m各高程Cu含量在0～20cm土层中随土层加深而降低，这与土壤有机质含量最高有关[8]，有机质的吸附作用使0～10cm的Cu含量高于10～20cm。170m高程0～10cm和10～20cm的Cu含量均较高，这与排水沟促使重金属Cu在此积累有关。

图1 Cu的剖面分布

2.2.2 Zn 图2显示，170m和163m高程处分别是排水沟和水土接壤处，二者的Zn含量表现出0～10cm低于10～20cm，消落带土壤中重金属Zn的含量与库区土壤被水体淹没时间的长度相关，淹没时间越长消落带土壤表层中重金属Zn向库区水体迁移的量越多[10]。Zn在177m、175m和165m高程消落带土壤0～10cm的含量比10～20cm的含量高。而且Zn在177m表层处出现最大值，这与农业活动中施用Zn肥和含Zn农药相关[9]。

图2 Zn的剖面分布

2.2.3 Pb 图3显示，170m和163m高程处分别是排水沟和水土接壤处，二者的Pb含量表现出0～10cm高于10～20cm，这是Pb在水土接壤处沉积、扩散、吸附所致。Pb在177m、175m和165m高程消落带土壤0～10cm的含量比10～20cm的含量低，因为Pb在重力作用下随水向土壤深层迁移、也可随地表径流移动，从而可以在消落带土壤深层积累[11]。Pb的剖面分布特征与Zn刚好呈相反的状态。

图3 Pb的剖面分布

2.2.4 Cd 由图4可知，177m至163m各高程Cd含量在0～20cm土层中随土层加深而降低，与Cu的剖面分布特征相同，这是由于Cd在库区消落带表层土壤中的可提取态含量较高[12]。在排水沟和水土接壤处Cd的平均含量均低于其他高程Cd的含量，说明Cd在淹没状态下不易沉积在土壤中。

图4 Cd的剖面分布

2.2.5 Cr 由图5可知，177m至163m各高程Cr含量在0～20cm土层中随土层加深而降低，与Cu、Cd剖面分布特征相同，因为Cr在土壤中主要以残渣态存在[12]，能较稳定的存在于原生矿物晶格中，而且在土壤中较稳定[13]。而且土壤的吸附作用和Cr以强结合能力吸附在土壤中的铁、锰氧化物上，向表层迁移、富集[14]。

图5 Cr的剖面分布

2.3 重金属污染程度评价 由表2可以看出，采取国家自然背景和库区背景数据进行相关分析，单因子污染指数Pi：Cd>Cu>Zn>Cr>Pb。其中，Cd、Cu污染程度最为严重，Zn、Cr污染程度相对轻一些，评价区域土壤未受到重金属Pb的影响。总体上，研究区域受到重金属Cd、Cu、Zn、Cr不同程度的污染。研究区内全部都受到重金属Cd、Cu的严重影响，大多数地方受到重金属Zn的污染，大多数地方不受Cr污染。研究区内以Cd污染尤为严重，甚至超出三峡库区土壤背景值3倍以上。Cd元素是三峡库区土壤污染较严重的元素，在上游重庆工业发达的主城区较下游Cd污染严重，属“工业污染因子”[12]。在水体作用下，位于库区下游的云阳县土壤亦受到上游水体的影响，呈现出以重金属Cd污染最为严重的现象。相关学者研究表明，三峡库区消落带土壤重金属污染以Cd污染最为严重[15-16]。

表2 研究区重金属污染指数（Pi）

[编号＼& Cu ＼& Zn ＼& Pb ＼& Cd ＼& Cr ＼&自然背景值＼&库区＼&自然背景值＼&库区＼&自然背景值＼&库区＼&自然背景值＼&库区＼&自然背景值＼&库区＼&177m（0～10）＼&2.36＼&3.31＼&1.94 ＼&2.77 ＼&0.41 ＼&0.59 ＼&2.35 ＼&3.51 ＼&0.89 ＼&1.03 ＼&177m（10～20）＼&1.57＼&2.19＼&0.60 ＼&0.86 ＼&0.49 ＼&0.72 ＼&2.25 ＼&3.36 ＼&0.72 ＼&0.83 ＼&175m（0～10）＼&1.45＼&2.04＼&0.98 ＼&1.40 ＼&0.44 ＼&0.65 ＼&2.75 ＼&4.10 ＼&0.95 ＼&1.10 ＼&175m（10～20）＼&1.35＼&1.89＼&0.46 ＼&0.66 ＼&0.51 ＼&0.75 ＼&2.30 ＼&3.43 ＼&0.44 ＼&0.51 ＼&170m（0～10）＼&2.14＼&3.00＼&0.98 ＼&1.40 ＼&0.45 ＼&0.65 ＼&2.10 ＼&3.13 ＼&1.06 ＼&1.22 ＼&170m（10～20）＼&2.08＼&2.91＼&1.42 ＼&2.04 ＼&0.37 ＼&0.54 ＼&1.95 ＼&2.91 ＼&0.83 ＼&0.95 ＼&165m（0～10）＼&1.36＼&1.90＼&1.09 ＼&1.56 ＼&0.30 ＼&0.44 ＼&2.70 ＼&4.03 ＼&0.79 ＼&0.91 ＼&165m（10～20）＼&0.75＼&1.05＼&0.55 ＼&0.78 ＼&0.46 ＼&0.67 ＼&2.55 ＼&3.81 ＼&0.70 ＼&0.80 ＼&163m（0～10）＼&1.94＼&2.71＼&1.39 ＼&1.99 ＼&0.55 ＼&0.80 ＼&2.45 ＼&3.66 ＼&1.08 ＼&1.24 ＼&163m（10～20）＼&1.60＼&2.24＼&1.48 ＼&2.12 ＼&0.37 ＼&0.55 ＼&1.65 ＼&2.46 ＼&0.53 ＼&0.61 ＼&平均值＼&1.66 ＼&2.32 ＼&1.09 ＼&1.56 ＼&0.44 ＼&0.64 ＼&2.31 ＼&3.44 ＼&0.80 ＼&0.92 ＼&]

3 小结

（1）研究区消落带土壤重金属Cu、Zn、Pb、Cd和Cr的含量分别为58.09mg/kg、108.93mg/kg、15.18mg/kg、0.46mg/kg和71.81mg/kg。

（2）不同高程和不同采样深度的土壤重金属含量差异较大。由于土壤的截留作用，总体上表层土壤重金属Cu、Cr、Zn含量高于深层土壤，在干湿交替处出现表层Zn、Cr含量低于深层含量，这是由于淹没时间越长消落带土壤表层中重金属Zn向库区水体迁移的量越多，呈现出表层含量低于深层含量，即干湿交替有利于Zn、Cr的解析。

（3）研究区土壤重金属Pb、Cd含量的剖面分布特征相同，都呈现出表层土壤含量低于深层土壤，而在干湿交替处出现表层含量高于深层含量，表层土壤Pb、Cd的含量低于深层土壤是因为在重力作用下随水向土壤深层迁移。而163m高程处所含重金属Pb、Cd为土壤表层比深层的含量高，是由于Pb在水土接壤处的表层沉积、吸附所致和Cd在消落带表层土壤中的可提取态含量较高相关。

（4）单因子污染指数表明，研究区域受到重金属Cd、Cu、Zn、Cr不同程度的污染，而不受Pb污染。研究区内全部都受到重金属Cd、Cu的严重影响，大多数地方受到重金属Zn的污染，大多数地方不受Cr污染。研究区内以Cd污染尤为严重，甚至超出三峡库区土壤背景值3倍以上。

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（责编：陶学军）