三峽庫區(qū)消落帶土壤金屬污染特征的研究進展

李艷艷，徐東昱，高 麗，高 博

（1.華北水利水電大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450046；2.中國水利水電科學(xué)研究院 水環(huán)境研究所，北京 100038）

1 研究背景

截止目前，長江三峽工程是世界上最大的水利樞紐工程，于2009年全部竣工，工程建成后形成總面積達1084 km2的特大型水庫［1］，為中國重要的戰(zhàn)略性水資源之一。庫區(qū)位于北緯28°32′—31°44′，東經(jīng)105°44′—111°39′，范圍涉及湖北省及重慶市的21個縣市，淹沒陸地面積達632 km2。三峽水庫初期蓄水位為156 m，于2010年10月，首次實現(xiàn)175 m正常蓄水位目標，總庫容達393億m3。作為特大型年調(diào)節(jié)水庫，三峽水庫采用“蓄清排洪”的調(diào)度方式，在豐水期（6月—9月）以145 m防洪限制水位運行，而于枯水期保持正常蓄水水位運行［2-3］。正是由于三峽水庫獨特的反季節(jié)水位調(diào)度運行方式，在145～175 m水位高程漲落間，形成垂直距離30 m，綿延662 km，面積達350 km2的庫區(qū)消落帶［4-5］，三峽庫區(qū)及消落帶范圍如圖1所示。

作為庫區(qū)陸地生態(tài)系統(tǒng)與水環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)的重要交錯地帶，三峽庫區(qū)消落帶在維持水庫的正常運行壽命中肩負著舉足輕重的作用，同時也是人類活動影響最為頻繁的區(qū)域，遭受到多重外界影響因素的干擾，Bao等［6］2015年的研究中將其定義為“三峽庫區(qū)擾動帶”。前期研究表明，工業(yè)排放、船只航運、污水排放、農(nóng)藥化肥的施用等人類活動已引起三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境中金屬含量的變化［7-8］。作為一類重要污染物，重金屬因極難被生物降解的特性，可經(jīng)食物鏈富集作用進入生物及人體體內(nèi)，從而對其生命健康產(chǎn)生不同程度的影響［9-10］，因此，三峽庫區(qū)重金屬生態(tài)環(huán)境問題近年來廣受關(guān)注［11-12］。對于消落帶來說，由于周期性的蓄水淹沒、沖刷及沉積作用，消落區(qū)土壤將成為水庫金屬污染物的匯或源［13］。汛期水庫低水位運行，因水力沖刷、土壤侵蝕、水土流失等途徑所攜帶泥沙中賦存的金屬，以及面源污染、生產(chǎn)生活污水、季節(jié)性降雨沉降等方式帶來的金屬污染物，將通過吸附、沉積等作用在消落區(qū)土壤中淤積［14］，可進而被農(nóng)作物吸收，這將直接關(guān)系到長江沿岸居民的糧食安全。此外，水庫枯水期高水位運行時，消落帶土壤中蓄積的污染物將經(jīng)浸泡、水力作用，通過溶解、交換、擴散等途徑遷移到水環(huán)境當中［13-14］，給庫區(qū)水資源帶來安全隱患，同時也會影響供水市縣居民的用水安全及其水庫沿岸的生態(tài)環(huán)境，因此庫區(qū)消落帶土壤金屬環(huán)境風險研究具有重大現(xiàn)實意義。

自三峽工程籌建興修之日起，隨之而帶來的生態(tài)環(huán)境問題始終倍受爭議。近年來，三峽水庫生態(tài)環(huán)境已引起國家和當?shù)卣母叨戎匾暎鴰靺^(qū)消落帶作為人類活動影響較為頻繁的區(qū)域，已成為當下相關(guān)學(xué)者開展研究的熱點領(lǐng)域，諸多學(xué)者相繼對該區(qū)域內(nèi)土壤金屬環(huán)境問題展開探索性研究工作。本文通過檢索、收集、整理相關(guān)文獻，總結(jié)了近十年來相關(guān)研究成果，針對庫區(qū)消落帶土壤中金屬元素的含量、時空分布特征、生態(tài)環(huán)境風險，對三峽庫區(qū)消落帶土壤金屬污染特征及研究現(xiàn)狀進行梳理和總結(jié)，最后對目前研究存在的欠缺與不足進行分析，并提出今后庫區(qū)消落帶土壤金屬研究需要關(guān)注的科學(xué)問題。本文旨在明晰三峽庫區(qū)消落帶土壤金屬污染特征，對其有更加深入的剖析，以期為今后三峽水庫消落區(qū)金屬污染物研究提供科學(xué)依據(jù)，并為消落帶土壤金屬污染防控和庫區(qū)水生態(tài)環(huán)境保護提供參考。

圖1 三峽庫區(qū)及消落帶淹沒范圍

2 三峽庫區(qū)消落帶土壤重金屬污染分布特征研究

近年來，諸多學(xué)者在庫區(qū)消落帶金屬污染領(lǐng)域展開逐步深入研究，通過對2008—2018年近十年來相關(guān)研究成果的梳理發(fā)現(xiàn)，研究范圍包括巴南至豐都段（庫區(qū)上游），忠縣至云陽段（庫區(qū)中游）及奉節(jié)至秭歸段（庫區(qū)下游），研究多以重慶段消落帶為主，鋅（Zn）、銅（Cu）、鉛（Pb）、鉻（Cr）、砷（As）、鎘（Cd）、汞（Hg）成為倍受國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的金屬及類金屬污染物。基于相關(guān)研究結(jié)論，對三峽庫區(qū)消落帶土壤中的金屬含量及時空分布特征進行梳理總結(jié)。

2.1 土壤中重金屬含量的空間分布特征

2.1.1 土壤中金屬含量沿江分布特征 通過研究分析發(fā)現(xiàn)，7種重金屬元素（Zn、Cu、Pb、Cr、As、Cd、Hg）在庫區(qū)消落帶土壤中的含量在空間分布上存在一定差異性，總體上呈現(xiàn)庫區(qū)上游及下游較高，中游較低的空間格局［4，13-15］（如表1所示），這一結(jié)論與水庫試驗性滿載蓄水前期，消落帶土壤金屬含量調(diào)查研究［16-17］所得結(jié)果基本一致。由統(tǒng)計結(jié)果可知，各金屬元素的平均含量依次為：Zn（77.69±22.94mg/kg）＞ Cr（42.92±7.05mg/kg）＞ Pb（35.46±8.23mg/kg）＞ Cu（30.71±17.13mg/kg）＞ As（21.96±6.72mg/kg）＞ Cd（0.41±0.14mg/kg）＞ Hg（0.08±0.02mg/kg）。此外，Cr、Hg、Pb、Zn四種元素的變異系數(shù)均小于30%，說明這些元素的離散程度較低，而Cu的變異系數(shù)接近60%，說明其在庫區(qū)消落帶土壤中的空間分布相對不均勻。

進一步分析研究發(fā)現(xiàn)，三峽庫區(qū)金屬元素的空間分布特征主要是由于庫區(qū)上游區(qū)域經(jīng)濟相對發(fā)達，受工業(yè)、農(nóng)業(yè)、航運、居民生活等人類活動所排放污染物的影響較大［18-19］。大量金屬污染物進入江水后，在干濕交替過程中，通過沉積、擴散、吸附等作用進入消落帶土壤中［15］。云陽、奉節(jié)等地農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)較發(fā)達［14］，而約7%的化肥及9%的農(nóng)藥可經(jīng)地表徑流、地下潛流、排水管道及滲流作用遷移至消落帶區(qū)域［18］。對于庫區(qū)下游而言，巫山、巴東等地區(qū)土壤的成土母質(zhì)多為石灰?guī)r，其金屬自然背景值較高，消落帶土壤金屬含量較高可能與地質(zhì)因素等自然條件有關(guān)［16］。

表1 三峽庫區(qū)消落帶土壤中金屬含量分布

2.1.2 不同高程及土壤層中金屬含量特征 三峽水庫于2008年開始首次175 m試驗性蓄水，此時，庫區(qū)消落帶并未完全形成。研究發(fā)現(xiàn)，在此期間庫區(qū)沿江消落帶土壤內(nèi)的Zn、Cu、Pb、As、Cd含量在145 m水位高程相對較高［14，20］，而Hg呈現(xiàn)隨高程增加含量逐漸降低的分布特征［21］。然而，針對人為擾動影響較大的地區(qū)，其金屬含量分布特征有所差異［4］。此外，針對庫區(qū)消落帶典型區(qū)域，不同地區(qū)不同水位高程土壤中金屬元素的分布特征有所不同。儲立民等［22］研究發(fā)現(xiàn)忠縣一帶消落區(qū)土壤中金屬含量在145m水位高程處最高；而2010年［23］非參數(shù)檢驗結(jié)果表明，水位高程對金屬在土壤中的含量并無顯著影響。此外，王曉陽等［24］于2009年通過檢驗分析發(fā)現(xiàn)，小江流域消落帶不同海拔高程土壤中，Zn、Cu、Pb、Cr、Cd、Ni的含量不存在顯著差異。而后，2010年［25］的研究結(jié)果顯示，大部分金屬含量隨高程升高總體呈現(xiàn)升高趨勢。

針對不同土壤層，土壤中賦存的金屬含量一般隨土壤層的加深呈現(xiàn)遞減趨勢，研究發(fā)現(xiàn)［21］庫區(qū)消落帶土壤中Hg在不同土壤層中的含量分布遵循這一規(guī)律。然而，王業(yè)春［23］，朱妮妮［26］等對忠縣、巫山、秭歸消落帶不同土壤層的金屬含量研究結(jié)果表明，在2008—2009年水庫蓄水初期，僅個別金屬元素在巫山、秭歸消落帶不同土壤層間存在顯著差異，而至2012年時，巫山、秭歸、忠縣消落帶不同土壤層中金屬元素分布特征均無明顯差異。

綜上所述，基于不同水位高程及不同土壤層中各金屬元素分布特征研究結(jié)果不盡相同，可能主要與以下3個因素有關(guān)：（1）采樣點位有所差別，因環(huán)境背景值的差異可能引起金屬元素分布特征的不同，此外，不同的土壤性質(zhì)也會對金屬污染物的分布規(guī)律產(chǎn)生影響；（2）淹沒的時間不同，水庫蓄水初期與成庫后，江水漲落對消落帶水位高程土壤產(chǎn)生的作用不同，土壤被淹沒時間有所差異；（3）研究時間尺度較短，庫區(qū)消落帶受干濕交替作用影響的時間有限，土壤中金屬污染物分布未呈現(xiàn)顯著規(guī)律。因此，在三峽水庫消落帶金屬防控工作中，需探明水位高程各土壤層不同金屬的分布特性，可針對不同水位高程土壤因地制宜，分別采取防控措施［24］。與此同時，上述研究結(jié)果也表明，隨干濕交替循環(huán)周期的增加，金屬元素的分布特征將發(fā)生改變，故應(yīng)當進一步對研究區(qū)域土壤金屬環(huán)境質(zhì)量展開持續(xù)跟蹤監(jiān)測研究。

2.2 土壤中金屬含量時間變化特征三峽庫區(qū)消落帶土壤金屬含量年際變化如圖2所示。由圖可知，研究區(qū)域消落帶土壤在干濕交替作用下，金屬含量存在動態(tài)變化。總的來講，土壤中金屬污染物總量在一定時間內(nèi)呈增長趨勢［15］。然而，對于Cd和As而言，在經(jīng)歷多次周期性水位變化后該趨勢可能無法維持，而出現(xiàn)含量有所降低的現(xiàn)象［27］。2008年以前Cd含量為0.21 mg/kg［16］，2008年至2011年分別為 0.40 mg/kg、0.49 mg/kg、0.35 mg/kg、0.24 mg/kg，2012 年 Cd 含量變化為 0.17 mg/kg［5，12］；對As而言，2008 年以前庫區(qū)消落帶土壤內(nèi)的含量為 7.40 mg/kg［16］，2008 年增至 22.24 mg/kg［12］，而 2009至 2012年的含量分別為 6.59 mg/kg、7.59 mg/kg、9.49 mg/kg及 8.61mg/kg［5，12］。與 2008 年前相比，2012年時 Zn、Cu、Pb、Hg的含量均有所增加，變化程度分別為［5，12，16］：Zn（71.60 ～ 93.86 mg/kg）、Cu（23.50～46.69 mg/kg）、Pb（25.30～49.50 mg/kg）、Hg（0.06～0.15 mg/kg）（變化趨勢如圖2所示）。進一步分析發(fā)現(xiàn)，Zn、Cu、Pb、Hg經(jīng)周期性的干濕交替作用后，含量呈現(xiàn)先增加后降低再逐漸增加的趨勢；而Cd、As在土壤中的含量先增加后逐漸降低。與之不同的是，對Cr而言，其2008年以前的含量為 79.40 mg/kg［16］，2008 年至 2012 年的含量分別為 41.99 mg/kg、44.72 mg/kg、39.85 mg/kg、45.54 mg/kg、55.02 mg/kg［5，12］，總體上則呈現(xiàn)先降低后逐漸增加的變化趨勢。此外，Pei等［27］在對三峽庫區(qū)消落帶巫山、秭歸段土壤金屬含量研究結(jié)果表明，2008—2015年期間Cd、Cu、Pb、Cr的含量變化特征，總體上呈現(xiàn)出先增加后逐漸降低的變化趨勢。

經(jīng)文獻梳理及分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，三峽庫區(qū)消落帶土壤中金屬含量年際變化主要有以下幾個原因：（1）在消落帶形成初期，河岸帶植被破壞嚴重，受到徑流沖刷及降水作用的影響造成水土流失、土壤侵蝕，可能導(dǎo)致金屬污染物在消落帶累積；（2）庫區(qū)上游工業(yè)點源和農(nóng)業(yè)面源產(chǎn)生的金屬污染物，經(jīng)水位的漲落，使土壤經(jīng)歷周期性的干濕交替循環(huán)，污染物可能經(jīng)遷移、吸附、轉(zhuǎn)化等作用進入土壤孔隙中；（3）在長期的水位漲落周期后，受土壤性質(zhì)、金屬元素形態(tài)轉(zhuǎn)化等因素的影響，土壤中的金屬污染物也可能釋放到江水中，使土壤內(nèi)金屬含量下降，而引起水體重金屬含量的波動。因此，三峽庫區(qū)消落帶土壤中金屬含量的短期和長期監(jiān)測結(jié)果會有所差別，故開展連續(xù)長序列時間尺度的跟蹤監(jiān)測研究更加具有科學(xué)意義。

圖2 三峽庫區(qū)消落帶土壤金屬含量年際變化（2010年前數(shù)據(jù)為全庫區(qū)消落帶土壤金屬含量監(jiān)測結(jié)果［12，16］，2010—2012年為三峽庫區(qū)忠縣-萬州-秭歸段消落帶土壤金屬含量監(jiān)測數(shù)據(jù)［5］）

圖3 庫區(qū)消落帶典型區(qū)域土壤金屬含量年際變化

3 三峽庫區(qū)消落帶土壤金屬環(huán)境風險研究

目前常用的金屬污染等級評價方法主要有地積累指數(shù)法（Igeo）、富集因子法（EF），以及單因子指數(shù)法、內(nèi)梅羅指數(shù)法等綜合評價法。用于評價金屬生態(tài)環(huán)境風險的主要方法有：潛在生態(tài)風險評價法（RI）、健康風險評價法（HRA）、風險評價準則（RAC）。常用的標準主要包括土壤背景值（全國、省市、三峽庫區(qū)等）和《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》標準值。基于目前的研究結(jié)果，本文對三峽庫區(qū)消落帶土壤金屬的環(huán)境質(zhì)量及生態(tài)風險進行梳理和歸納。

3.1 土壤金屬環(huán)境質(zhì)量由表2可以看出，依據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》（GB15618-1995），庫區(qū)消落帶土壤中Ni、Cr為一類土標準，Cu、Pb、Zn多符合一級土壤標準，但在上游江津、巴南、長壽等地含量較高，Hg在三峽庫區(qū)消落帶大部分地區(qū)土壤中符合二級標準，可達到保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、維護人體健康的基本要求；As在消落帶土壤中含量有所增加，且在上游巴南、下游奉節(jié)至秭歸段達到三類土標準，因此As在庫區(qū)消落帶土壤中存在一定的富集趨勢，且已達到保障農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)和植物正常生長的土壤臨界值，需在今后研究中給予更多重視。

此外，分別以國家土壤環(huán)境質(zhì)量標準（GB15618-1995）規(guī)定的二級標準值、當?shù)赝寥澜饘俦尘爸导绊搸r內(nèi)金屬地球化學(xué)背景值為基準值，基于地積累指數(shù)法、富集因子評價法、單因子污染指數(shù)法及內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法的評價結(jié)果可知［4，13，23］，三峽庫區(qū)消落帶土壤金屬總體上為輕度污染等級，但存在一定的金屬富集趨勢，消落帶江北區(qū)、涪陵區(qū)、奉節(jié)及巫山等地區(qū)消落帶土壤受到輕度或中等程度的污染，其他地區(qū)土壤相對來說較為清潔。其中，Cd、As為該區(qū)域內(nèi)的主要污染元素，Hg在消落帶土壤中存在一定的富集趨勢，而Cr、Ni、Cu、Zn總體上處于無污染等級。

3.2 土壤金屬生態(tài)風險通過對各金屬元素間進行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，消落帶土壤重金屬間存在一定的相關(guān)性，存在復(fù)合型污染的風險［15，23］，其中渝北、長壽、巴南、奉節(jié)、巫山主要為Hg、Cd、As復(fù)合污染，而涪陵、豐都、忠縣、萬州、云陽、巴東、秭歸地區(qū)主要受到Hg和Cd的復(fù)合污染。以三峽庫區(qū)土壤金屬背景值為基準值，運用潛在生態(tài)風險評價法及風險評價準則對土壤金屬的生態(tài)風險進行評價［15，20，29］。結(jié)果表明，三峽庫區(qū)消落帶土壤金屬總體處于中等生態(tài)風險水平，其多種元素（Zn、Cu、Pb、Cr、As、Cd、Hg）的綜合潛在生態(tài)風險指數(shù)（potential ecological risk index，RI）值均小于300，其中庫區(qū)上游巴南（285.0）、渝北（240.3）、長壽（247.0）、涪陵（207.3）及下游奉節(jié)（245.2）、巫山（254.5）、巴東（214.2）地區(qū)的RI值較高，而庫區(qū)中游地區(qū)的RI值相對較低（忠縣：161.9，萬州：161.1）［15］。研究區(qū)域土壤金屬潛在生態(tài)風險的空間分布特征與金屬含量空間分布格局基本一致。此外，各金屬元素的潛在生態(tài)風險指數(shù)依次為：Cd（91.72）＞ Hg（64.55）＞As（38.35）＞ Pb（7.57）＞ Cu（6.34）＞ Zn（1.13）＞ Cr（1.08）［15］。由評價結(jié)果可知，三峽庫區(qū)消落帶土壤的主要生態(tài)風險元素為 Cd，其次為As和Hg［15，20，29］。針對主要生態(tài)風險元素Cd和Hg，通過非致癌模型進行健康風險評價，結(jié)果表明，三峽庫區(qū)消落帶土壤中Cd的攝食途徑健康危害的成人和兒童平均年風險（a-1）分別為6.70×10-7及19.57×10-7，其中兒童因土壤攝入引起的致癌風險為成人的2.82倍［30］；Hg的攝食途徑健康危害的成人和兒童平均年風險（a-1）分別為6.24×10-10及54.43×10-10，兒童因土壤攝入引起的致癌風險為成人的8.72倍［21］。但總體來說，無論是兒童還是成人，Cd和Hg經(jīng)攝食途徑進入人體產(chǎn)生的健康風險均低于可接受水平（10-4），其含量對人體健康基本不會產(chǎn)生危害。

表2 三峽庫區(qū)消落帶土壤金屬質(zhì)量評價結(jié)果

4 結(jié)論與展望

4.1 主要結(jié)論

（1）三峽庫區(qū)消落帶土壤中各金屬元素的平均含量依次為：Zn（77.69±22.94mg/kg）＞Cr（42.92±7.05mg/kg）＞ Pb（35.46±8.23mg/kg）＞ Cu（30.71±17.13mg/kg）＞ As（21.96±6.73mg/kg）＞ Cd（0.41±0.14mg/kg）＞ Hg（0.08±0.02mg/kg）。

（2）受人類活動及地質(zhì)條件的影響，三峽庫區(qū)消落帶土壤金屬含量總體呈現(xiàn)上游及下游較高，庫區(qū)中游較低的空間分布格局，不同水位高程不同土壤層中各金屬元素的分布特征存在一定差異。此外，Cr、Hg、Pb、Zn四種元素的離散程度較低，其變異系數(shù)均小于30%，而Cu的變異系數(shù)接近60%，說明其在庫區(qū)消落帶土壤中的空間分布相對不均勻。

（3）與三峽水庫蓄水前期相比，庫區(qū)消落帶土壤金屬含量隨干濕交替周期的增加呈現(xiàn)動態(tài)變化，一定時間內(nèi)金屬污染物在土壤中呈現(xiàn)富集趨勢，但隨淹沒周期的增加，金屬元素含量的增加趨勢無法維持，存在向江水中遷移的環(huán)境風險。

（4）研究區(qū)域土壤總體上為二類土，除Cr、Ni外，Cu、Zn、Pb、As、Cd、Hg均超出國家一級標準。庫區(qū)消落帶土壤處于輕度污染等級，存在中等生態(tài)風險，庫區(qū)各市縣區(qū)Zn、Cu、Pb、Cr、As、Cd、Hg的綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)RI值均小于300，其中庫區(qū)上游巴南（285.0）、渝北（240.3）、長壽（247.0）、涪陵（207.3）及下游奉節(jié)（245.2）、巫山（254.5）、巴東（214.2）地區(qū)的RI值較高，而庫區(qū)中游地區(qū)的RI值相對較低（忠縣：161.9，萬州：161.1）。其潛在生態(tài)風險的空間分布特征與金屬含量空間分布格局基本吻合。

（5）庫區(qū)上游重慶主城區(qū)、長壽、涪陵及奉節(jié)、巫山等地的金屬污染防控需給予更多的關(guān)注與重視。此外，研究區(qū)域內(nèi)的主要生態(tài)風險元素為Cd，其次為As和Hg，但目前Cd和Hg的健康風險均低于可接受水平（10-4），故其通過土壤攝入途徑并不會對人體生命健康造成負面影響。

4.2 現(xiàn)存問題

（1）現(xiàn)有研究多針對常規(guī)監(jiān)測金屬元素展開，而某些非常規(guī)痕量金屬元素對生態(tài)環(huán)境的影響也不容小覷，多種金屬元素的復(fù)合污染研究相對缺乏；

（2）針對三峽庫區(qū)消落帶土壤金屬環(huán)境質(zhì)量評價研究，各金屬元素的濃度背景基準值不盡相同，統(tǒng)一參考背景值的缺乏將會使現(xiàn)狀調(diào)查的評價結(jié)果有失科學(xué)性；

（3）對三峽消落帶土壤金屬含量動態(tài)變化特征缺乏系統(tǒng)性研究，短時間的監(jiān)測分析無法真實反映江水漲落對消落帶土壤賦存金屬的影響模式。

4.3 研究展望

（1）針對庫區(qū)含量較高、危害較大的非常規(guī)監(jiān)測金屬及類金屬污染物開展相關(guān)研究工作，同時進一步開展金屬元素復(fù)合污染機理及影響效應(yīng)研究，洞悉庫區(qū)消落帶金屬污染物的生態(tài)環(huán)境風險；

（2）明確統(tǒng)一參考背景值的確立方法，建立適宜的金屬環(huán)境質(zhì)量評價標準，考慮增加金屬的生物有效性等環(huán)境和生態(tài)指標；

（3）通過持續(xù)跟綜監(jiān)測研究，探明江水交替性漲落對消落土壤內(nèi)金屬污染物的動態(tài)影響機理，識別主要防控污染物及污染治理典型區(qū)域。