青海湖典型濕地土壤重金屬空間分布特征

蘆寶良，陳克龍，2，曹生奎，2，楊 龍，陳生云，馬 進(jìn)

（1.青海師范大學(xué) 生命與地理科學(xué)學(xué)院，西寧810008；2.青藏高原環(huán)境與資源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西寧810008；3.中國(guó)科學(xué)院 寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所，蘭州730000）

濕地作為地球上水陸交互作用形成的獨(dú)特生態(tài)系統(tǒng)，是重要的生存環(huán)境和自然界最富生物多樣性的生態(tài)景觀之一，在抵御洪水、調(diào)節(jié)徑流、蓄洪防旱、控制污染等方面有著其它系統(tǒng)所不能代替的重要作用［1］。青海湖位于青南高原高寒區(qū)、西北干旱區(qū)和東部季風(fēng)區(qū)的交匯處，是我國(guó)最大的高原內(nèi)陸咸水湖，具有極為重要的生態(tài)地位［2］。環(huán)湖區(qū)域內(nèi)主要的濕地有泉灣沼澤濕地，倒淌河、沙柳河沼澤濕地，黑馬河、泉吉河河口濕地，仙女灣湖濱濕地，鳥(niǎo)島保護(hù)區(qū)鹽堿化沼澤濕地等。隨著環(huán)青海湖區(qū)域旅游業(yè)的蓬勃發(fā)展，環(huán)湖濕地的土壤環(huán)境狀況將直接影響區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展。

在濕地生態(tài)系統(tǒng)中，重金屬是普遍存在的污染物之一，其在土壤中的累積，不僅降低土壤生物活性、影響土壤理化性質(zhì)、阻礙植物的生長(zhǎng)，而且會(huì)進(jìn)入食物鏈直接或間接對(duì)人體健康造成威脅［3］。目前，青海湖濕地的研究，特別是濕地土壤重金屬的研究甚為缺乏。為此，本文以青海湖黑馬河濕地土壤為研究對(duì)象，對(duì)濕地土壤中的Cr，Pb，Zn和Cu四種典型重金屬元素含量和空間分布特征進(jìn)行分析，以期為青海湖濕地的保護(hù)提供基礎(chǔ)資料和決策依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

青海湖流域地處祁連山脈，北依大通山，南靠青海南山，東鄰日月山，西以阿木尼尼庫(kù)山為界。流域面積約2.966萬(wàn)km2，海拔高程3 194～5 200m，青海湖湖周長(zhǎng)360km，面積4 300km2。流域行政區(qū)劃包括天峻縣、剛察縣、海晏縣和共和縣［4］。入湖較大的支流有布哈河、哈爾蓋河、沙柳河、泉吉河、黑馬河。流域內(nèi)太陽(yáng)輻射強(qiáng)，日溫差大，年均氣溫－1～4℃，干寒，降水少而不均，年降水量270～500mm，年蒸發(fā)量1 422～2 066mm，屬半干旱高原氣候。

本文研究的黑馬河河口濕地是青海湖環(huán)湖區(qū)域內(nèi)為數(shù)不多的河口濕地中最為典型的濕地之一。地處青海湖的南岸湖濱帶，位于青海省共和縣內(nèi)，東經(jīng)99°47′02″—99°50′08″，北緯36°44′28″—36°42′34″，平均海拔3 200m。是以華扁穗草（Blysmus sinocompressus）群落和華扁穗草＋高山嵩草（B.sinocompressus＋Kobresia pygmaea C.B.Clarke）群落為主的濕地。研究區(qū)域的土壤母質(zhì)以第四紀(jì)黃土為主。

2 采樣與樣品分析

于2010年7—8月根據(jù)黑馬河濕地的分布特征以及主要的環(huán)境因素狀況，設(shè)置兩條垂直于湖岸的樣帶，長(zhǎng)1 000m；樣帶之間相隔500m，從高潮灘開(kāi)始采樣，每隔100m隨機(jī)采集樣地土壤樣品（3次重復(fù)）。整個(gè)樣帶跨越濕地長(zhǎng)期水淹帶（0～500m），季節(jié)水陸過(guò)渡帶（500～600m）以及陸相帶（600～1 000m）。采樣點(diǎn)的定位利用GPS手持定位儀測(cè)定。土壤樣品分0—10cm，10—20cm，20—30cm和30—40cm四層采集，共采集樣品264份，將采集土壤放入自封袋中帶回實(shí)驗(yàn)室。經(jīng)自然風(fēng)干后剔除植物殘?bào)w和石塊，放入烘箱中進(jìn)行烘干（105℃）至恒重，用瑪瑙研缽研磨成粉末樣，并過(guò)200目尼龍網(wǎng)篩，取過(guò)篩后的粉末樣0.6～0.8g用 HNO3—HClO4—HF混合酸消解，消解完全后加少量稀硝酸溶解后轉(zhuǎn)移到50ml容量瓶中定容。用TAS－990型原子吸收光譜儀火焰法分別測(cè)定Cu，Pb，Zn，Cr的含量［5］。土壤有機(jī)質(zhì)含量的測(cè)定采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化—容量法［6］。

3 結(jié)果與分析

3.1 黑馬河濕地土壤重金屬元素的統(tǒng)計(jì)特征

黑馬河濕地土壤重金屬含量的統(tǒng)計(jì)特征如表1所示。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，Cu和Cr的含量都隨著土層深度的增加逐漸減少。其中Cu在表層含量高，并沿土壤剖面遞減，Cr的含量在10—20cm的土層內(nèi)比0—10cm大幅度減少，其平均含量減少了46.44%。Pb和Zn的含量沿剖面縱深分布的變化特征是先增加后減少。Cu和Zn的變異系數(shù)隨著土層深度的增加而增大。Pb，Cr的變異系數(shù)表現(xiàn)為隨土層深度的增加先增加后減小其后又增加的變化趨勢(shì)。由于土壤特性空間變異性的大小可由變異系數(shù)的大小來(lái)表征，通常認(rèn)為變異系數(shù)≤15%時(shí)為小變異，15%＜變異系數(shù)＜35%時(shí)為中等變異，變異系數(shù)≥35%時(shí)為高度變異［7］。研究結(jié)果顯示，Cu在土壤剖面（0—40cm）的變異系數(shù)為30.25%和35.18%～47.77%，Pb在土壤剖面（0—40cm）的變異系數(shù)為20.99%～33.59%和40.90%，均屬于中等變異和高度變異土壤性質(zhì)。Zn在土壤剖面（0—40cm）的變異系數(shù)為15.69%～34.27%，屬于中等變異土壤性質(zhì)。Cr在土壤剖面（0—40cm）的變異系數(shù)為 11.22%，32.25% 和36.44%～46.39%，分別是小變異、中等變異以及高度變異土壤性質(zhì)。

土壤表層重金屬元素的含量特征是分析研究區(qū)域環(huán)境狀況的重要指標(biāo)。研究區(qū)表層金屬元素與青海湖流域均值、青海省均值、全國(guó)均值差異的對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表2。表2表明，黑馬河濕地土壤中Cr平均含量高于青海湖流域均值以及全國(guó)土壤平均值，這可能與河口濕地的土壤特征以及土綱分區(qū)有關(guān)［8］。Cu、Pb和Zn含量較少，均低于青海湖流域均值、青海省均值、全國(guó)平均值，其中Zn元素含量明顯偏低。其含量差異主要與區(qū)域內(nèi)的成土母質(zhì)、巖石風(fēng)化、淋溶有關(guān)［9］。對(duì)比結(jié)果顯示黑馬河濕地人為影響少，區(qū)域內(nèi)的土壤保持了較好的自然背景水平。同時(shí)樣品采集時(shí)間為夏季，濕地土壤中的地上生物量為一年中的最高值，像Cu、Zn不僅是重金屬元素同時(shí)也是植物正常生長(zhǎng)發(fā)育所必需的微量營(yíng)養(yǎng)元素［10－12］，因此土壤中的重金屬分布可能受其影響，其影響程度大小和分布形態(tài)特征還需進(jìn)一步的研究。

表1 濕地土壤重金屬統(tǒng)計(jì)特征（n＝88）

3.2 重金屬元素的水平分布特征

黑馬河濕地土壤（0—10cm）重金屬含量變化如圖1所示，結(jié)果顯示表層土壤中Cu，Cr，Pb和Zn含量的高值出現(xiàn)在樣帶起點(diǎn)的高水位帶各點(diǎn)以及樣帶終點(diǎn)的陸相帶各點(diǎn)，低值出現(xiàn)在水陸過(guò)渡帶區(qū)域。變化特征大體上呈現(xiàn)出中間低，樣帶起點(diǎn)和終點(diǎn)高的趨勢(shì)。特別是高潮灘重金屬整體含量明顯高于低潮灘。這主要與水動(dòng)力過(guò)程直接相關(guān)，大量的細(xì)顆粒泥沙在高潮灘沉積，因此相對(duì)來(lái)說(shuō)水動(dòng)力作用較弱，同時(shí)由于細(xì)顆粒泥沙表面積相對(duì)較大，有機(jī)質(zhì)含量較高，因而重金屬濃度比粗顆粒泥沙含量高［13－14］。相比較而言，遠(yuǎn)離湖岸的區(qū)域重金屬整體含量無(wú)論是在表層還是在梯度上都高于中間區(qū)域，產(chǎn)生這種結(jié)果的主要原因則可能是因?yàn)檫h(yuǎn)離湖岸的陸相區(qū)域更加靠近公路，人類的活動(dòng)較為頻繁，特別是汽車的活動(dòng)。Rodríguez等的研究表明［15］，Pb，Cu，Zn的分布與汽車活動(dòng)數(shù)據(jù)是相關(guān)的，說(shuō)明此區(qū)域人類活動(dòng)的影響在日益增強(qiáng)。

3.3 重金屬元素的垂直剖面分布特征

濕地土壤重金屬含量的垂直剖面分布結(jié)果顯示（圖1），Cu含量在整個(gè)研究區(qū)域呈現(xiàn)出表面聚集的現(xiàn)象，表現(xiàn)為Cu含量在0—10cm的土壤中高于10—20cm，剖面最高含量出現(xiàn)在0—10cm的土層范圍內(nèi)。只在陸相帶區(qū)域一個(gè)點(diǎn)（800m）上土壤中Cu的含量在10—20cm略高于0—10cm。從最高水位點(diǎn)開(kāi)始10—40cm土壤中Cu含量大體沿土壤剖面遞減，但在不同點(diǎn)位上呈現(xiàn)出不同的波動(dòng)變化，其變化趨勢(shì)是：隨著濕地水分的減少，在長(zhǎng)期水淹帶各點(diǎn)逐漸變緩然后到水陸過(guò)渡帶區(qū)域各點(diǎn)波動(dòng)變化趨于明顯，最后到陸相帶各點(diǎn)波動(dòng)變化又逐漸變緩。主要體現(xiàn)在30—40cm相比20—30cm土壤中Cu含量的變化。說(shuō)明土壤水分含量的變化對(duì)于Cu在剖面的淋溶遷移產(chǎn)生影響。同時(shí)，根據(jù)Cu和有機(jī)質(zhì)的相關(guān)性分析結(jié)果（r＝0.656，p＜0.01），表明Cu與有機(jī)質(zhì)有很強(qiáng)的親和力。因此，在土壤有機(jī)質(zhì)含量較高的區(qū)域Cu的含量也相應(yīng)高些。

表2 區(qū)域土壤重金屬元素平均含量對(duì)比

圖1 濕地表層（0－10cm）土壤重金屬的水平分布特征

Zn在研究區(qū)域中的長(zhǎng)期水淹帶各點(diǎn)以及陸相帶各點(diǎn)有明顯的淋溶和積聚趨勢(shì)，在10—20cm的范圍內(nèi)有積聚層。其主要原因是Zn元素淋溶累積的結(jié)果，因?yàn)閆n在水分較多的厭氧還原條件下易溶于水并向下淋溶，在土壤某一層形成累積，其后隨著剖面深度的增加含量逐漸下降。Zn在水陸過(guò)渡帶各點(diǎn)略微顯現(xiàn)出表聚的現(xiàn)象，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能與復(fù)雜的水溫環(huán)境、水體擾動(dòng)促進(jìn)重金屬解析以及Zn在沉積過(guò)程中的遷移有關(guān)。

Pb在水位最高點(diǎn)有明顯的表面聚集現(xiàn)象。其后的長(zhǎng)期水淹帶上各點(diǎn)都呈現(xiàn)出了淋溶和積聚的趨勢(shì)，其在土壤剖面上的波動(dòng)變化趨勢(shì)隨著水量的減少逐漸變緩，剖面最高含量出現(xiàn)在10—30cm的范圍內(nèi)。Pb在水陸過(guò)渡帶上各點(diǎn)也出現(xiàn)了表面聚集現(xiàn)象。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能與復(fù)雜的水溫環(huán)境、水體擾動(dòng)促進(jìn)重金屬解析有關(guān)。陸相帶各點(diǎn)Pb在土壤剖面10—20cm的含量高于0—10cm。由于此區(qū)域內(nèi)的植物根莖主要分布范圍在10cm以下，同時(shí)植物有著特殊的根際泌氧功能［16］，因此可能對(duì)Pb的分布產(chǎn)生一定的影響。

無(wú)論水分程度如何，在0—10cm的土壤中Cr的含量顯著高于次表層（10—20cm），呈顯著的表面聚集現(xiàn)象，隨著土層深度的增加而迅速減少?？赡茉蚴菨竦赝寥辣韺拥拇罅坑袡C(jī)質(zhì)的還原作用，使Cr易被吸附、沉淀聚集在表層，所以表層以下的含量明顯減少。不同區(qū)域范圍內(nèi)的10—40cm土壤中的變化受水淹程度不同而發(fā)生不同的變化，在水相帶各點(diǎn)和水陸過(guò)渡帶各點(diǎn)波動(dòng)變化幅度不大。但在陸相帶則是隨著剖面縱深分布逐漸減少，變化趨勢(shì)明顯。Cr在表層的顯著富集除了自然的原因外，應(yīng)充分給予重視。因?yàn)楹隈R河濕地位于黑馬河的入湖口，由于懸浮泥沙的吸附和搬運(yùn)積累作用，是黑馬河注入青海湖金屬元素的主要?dú)w宿地之一［17］。所以其在表層的大量富集可能是人為原因造成的。

圖2 濕地土壤剖面（0－40cm）重金屬的分布特征

3.4 重金屬元素之間的相關(guān)性

土壤樣品重金屬含量的相關(guān)分析見(jiàn)表3，結(jié)果顯示，土壤中Cu，Zn，Pb，Cr四種重金屬之間呈顯著正相關(guān)（p＜0.01）。由于土壤重金屬的來(lái)源是否相同可以通過(guò)研究土壤中重金屬全量的相關(guān)性進(jìn)行推測(cè)，若重金屬含量有顯著的相關(guān)性，說(shuō)明有相同來(lái)源的可能性較大，否則來(lái)源可能不止一個(gè)。

濕地土壤四種金屬離子之間的相關(guān)性說(shuō)明重金屬之間具有同源性。其中Cu與Zn的相關(guān)系數(shù)最大為0.897（p＜0.01），Cr與Pb的相關(guān)性最小為0.541（p＜0.01）。重金屬元素之間顯著的相關(guān)性也表明了自然條件下重金屬元素之間的伴生性［18］，進(jìn)一步說(shuō)明濕地土壤環(huán)境狀況較好。

表3 濕地土壤重金屬的相關(guān)性

4 結(jié)論

（1）濕地土壤剖面重金屬含量的統(tǒng)計(jì)特征顯示青海湖典型濕地土壤重金屬元素Cu、Pb和Zn含量較低，均低于全國(guó)、青海省和青海湖流域平均水平，Cr平均含量高于全國(guó)土壤平均值和青海湖流域平均值；總體而言，Cu和Cr在土壤表層含量高，并沿土壤的剖面縱深分布遞減。Pb和Zn的含量沿剖面縱深分布變化是先增加后減少。Cu，Zn，Pb，Cr四種重金屬在空間上的變異性以中等變異為主。

（2）濕地土壤表層重金屬在垂直于湖岸的水平方向上表現(xiàn)出Cu，Cr，Pb和Zn含量的高值出現(xiàn)在湖岸高水位帶以及遠(yuǎn)離湖岸的陸相帶，含量低值出現(xiàn)在水陸過(guò)渡帶的分布特征，大體上呈現(xiàn)中間低，兩端高的變化。產(chǎn)生這種變化的主要原因是受水動(dòng)力過(guò)程，有機(jī)質(zhì)含量和人類活動(dòng)的影響。

（3）濕地土壤中 Cu，Zn，Pb，Cr四種重金屬在0—40cm剖面上的分布特征和影響因素各有不同。Cu含量在整個(gè)研究區(qū)域的土壤內(nèi)呈現(xiàn)了表面聚集的現(xiàn)象，主要集聚在0—10cm。10—40cm土壤中Cu含量波動(dòng)變化，其分布受水位變化和土壤中有機(jī)質(zhì)的含量影響。Zn在濕地長(zhǎng)期水淹帶各點(diǎn)以及陸相帶各點(diǎn)有明顯的淋溶和積聚趨勢(shì)，在10—20cm的范圍內(nèi)有積聚層，在水陸過(guò)渡帶略微顯現(xiàn)出表聚的現(xiàn)象，分布主要受水位的影響。Pb在水位最高點(diǎn)和水陸過(guò)渡帶上各點(diǎn)有明顯的表面聚集現(xiàn)象。其他長(zhǎng)期水淹帶各點(diǎn)以及陸相帶各點(diǎn)出現(xiàn)淋溶和積聚，最高含量出現(xiàn)在10—30cm的范圍內(nèi)。無(wú)論水分程度如何，在0—10cm的Cr的含量顯著高于次表層，呈顯著的表面聚集現(xiàn)象，隨著土層深度的增加而迅速減少。Pb、Cr兩者的這種變化可能受水位、人為活動(dòng)、土壤有機(jī)質(zhì)以及植物分布等的共同作用，影響程度如何還需進(jìn)一步研究。重金屬含量間的相關(guān)性說(shuō)明黑馬河濕地土壤中的重金屬來(lái)源具有同源性。

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