三江平原湿地土壤汞的分布特征及影响因素分析_刘汝海

DOI:10.13870/j.cnki.stbcxb.2003.01.030第17卷第1期水土保持学报

Vol.17No.1

三江平原湿地土壤汞的分布特征及影响因素分析

刘汝海1,王起超1,郝庆菊2,王　艳1,李志博1

(1.中国科学院东北地理与农业生态研究所,长春130012;2.中国科学院大气物理研究所,北京100029)

摘要:三江平原湿地土壤汞的含量具有随深度增加总汞含量逐渐降低的特点,表层总汞含量具有小叶樟湿地<

乌拉苔草沼泽<毛果苔草沼泽的特点,与水分特征一致,与地势的高低相反。植被在土壤与大气汞的交换中有重

要的作用,植物汞是土壤汞的主要来源。有机质和总硫浓度与总汞含量具有强烈的相关关系,可以通过回归方程

Y(总汞,ng/g)=0.0586479X(有机质,%)+19.4338和Y(总汞,ng/g)=0.0586479X(总硫,mg/kg)+19.4338

加以预测。有机质和总硫影响着汞的形态和迁移。总汞含量与pH具有一定的负相关关系。地势、水分条件和植被

是影响3种类型沼泽湿地总汞含量的主要驱动因子。

关键词:湿地土壤;　汞;　有机质;　总硫

中图分类号:X171　　　文献标识码:A　　　文章编号:1009-2242(2003)01-0122-03

DistributionCharacterofHginWetlandSoilinSanjiangPlain

andAnalysisofInfluentialFactors

11211LIURu-hai,WANGQi-chao,HAOQing-ju,WANGYan,LIZhi-bo

(1.NortheastInstituteofGeographyandAgricultureEcology,ChineseAcademyofSciences,Changchun130012;

2.InstituteofAtmosphericPhysics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100029)

Abstract:Thetotalmercury(THg)concentrationinwetlandsoilinSanjiangPlaindecreaseswiththesoildepthincreasing.Inthesodandpeatlayer,THgofCarexlasiocarpamarsh>Carexmeyerianamarsh>Calamagrostisangustifoliamarsh,http://wendang.chazidian.comanicmatterandtotalsulfur(TS)weretheimportantfactorseffectingtheTHgconcentration.Thetwofactorscorrelatedsignificantlywithmercuryconcentration.Therelationshipcouldbedescribedbythee-quationsofY(THg,ng/g)=0.0586479×X(Organicmatter,%)+19.4338andY(THg,ng/g)=0.0586479×X(TS,mg/kg)+http://wendang.chazidian.comanicmatterandtotalsulfuraffectedthespeciesandmobilityofmercuryinsoil.THgconcentrationcorrelatednegativelywithpH.Topography,waterconditionandvegetationarethemaindriv-ingfactorswhichinfluencedthedifferenceofTHgconcentrationinthreetypicalwetlandsoil.

Keywords:wetlandsoil;　mercury;　organicmatter;　totalsulfur

湿地是自然界三大生态系统之一,具有重要的生态作用,由于湿地处于水陆交错带,随着淹水状态变化其氧化还原环境也在发生剧烈的变化,从而影响到湿地中汞的迁移转化。人类活动使大量的汞释放到大气中,全球人类源汞的释放估计占总释放量的60%～80%,大约有50%的人类源汞参与汞的全球循环,大气汞的传输与沉降是无直接汞污染源的偏远湖泊中鱼汞浓度升高的主要原因

的迁移和循环中扮演重要的角色[1]

42[1,2]。沼泽湿地是汞的大气沉降的汇,在地区汞[2]42,研究证明湿地是许多湖泊和河流甲基汞的重要来源。三江平原分布着大

[3]面积湿地,沼泽湿地面积为1.13×10km,河流、湖泊面积0.43×10km,是我国面积最大、分布连片的淡水湿地分布区。解放后大面积的湿地被开垦为农田,自然景观变化剧烈。水体汞的含量较高,经常超过国家标准。

本文初步研究了三江平原湿地土壤汞的空间分布特征,并对其主要影响因素进行分析,对于理解湿地中汞的地球化学行为有重要意义。

1　材料和方法

1.1　样品采集

三江平原分布着大面积的沼泽湿地,由于相对地势的高低,在碟形洼地和河滨湿地地势由低到高分布着漂 收稿日期:2002-08-20

基金项目:国家自然科学基金(40071072),中科院重要方向项目“中国典型湿地水陆相互作用过程、资源环境效应与调控”(KZCX2-302):,男,1975,

第1期刘汝海等:三江平原湿地土壤汞的分布特征及影响因素分析123筏——毛果苔草沼泽、乌拉苔草沼泽、小叶樟沼泽,反映了在不同的淹水环境下发育着不同的植被、土壤和沼泽类型。毛果苔草湿地发育的是腐殖质沼泽土或泥炭沼泽土,可分为草根层、泥炭层、腐泥层和潜育层4个层次,其厚度不一,小叶樟沼泽发育的是草甸沼泽土,可分为枯枝落叶层、腐殖质层、过渡层、潜育层4个发生层次。乌拉苔草沼泽发育的土壤特征介于二者之间。

2001年6月和10月,样品采自三江平原地区主要的沼泽湿地分布区

(图1)。土壤样品采集按照土壤发生层次进行采样,除表层采用挖掘方式

采样外,其它各层均采用NZ型泥炭钻进行采样,以防止各层之间的干

扰。样品采集后放入zip-lock聚乙烯袋中,密封以防止样品的污染。每个

点的3个样品混合为一个样品。样品在室温下自然风干,草根与泥炭用植

物粉碎机粉碎,其它土壤用球磨机磨碎,过80目筛,密封待测。

1.2　样品的测定

由于土壤样品有机质含量较高,因此总汞用V2O5-H2SO4-HNO3

法消解,F732-V智能型冷原子吸收测汞仪测定总汞。用同样的方法测

定空白,所有的样品总汞含量都高于空白的标准差的3倍,测定精确度用

土壤标准样品(ESS-1)进行检验,结果满意。

有机质采用K2Cr2O7-FeSO4测定。pH用水提法,水土比为5 1,pH

计测定。总硫采用硝酸消化-硫酸钡比浊法[5]测定。

2　结果与讨论

2.1　不同类型湿地中土壤汞分布特征

三江平原湿地3种典型类型沼泽中草根层和泥炭层汞的含

量差别不大,在表层总汞含量有下面的规律:毛果苔草沼泽>

乌拉苔草沼泽>小叶樟沼泽(见图2),其含量分别为(108±

30),(81±20),(75±25)ng/g,高于黑龙江土壤A层平均含

量。随着相对地势升高而不断降低,毛果苔草湿地与小叶樟湿

地相比地势较低,易于累积汞。由于土壤下部发育着粘重的白

浆层,粘粒含量大于20%,起到阻止地下水下渗的作用,水力流

动以侧面流为主,因此在枯水季节,随着水位的不断降低,汞可

以通过水的迁移而在地势较低的毛果苔草沼泽累积。同时由于

小叶樟所在地势较高,有经常性的季节性积水,氧化还原条件

变化剧烈,有机物质分解速度快,这种微环境的不同使土壤中

汞的释放速率也不同。Poissant等研究发现湿地在干枯时比[4]图1　三江平原沼泽分布及采样布点图图2　三江平原典型湿地土壤汞含量

洪水时土壤汞的释放大66%,因此淹水时间长短不同,土壤汞的释放通量也不同,对于水分条件较差的小叶樟湿地汞的释放通量可能较高。第4土层总汞含量则与上面两层不同类型沼泽的总汞含量大小顺序相反。这可能与汞淋溶有关。在毛果苔草沼泽有常年积水,由于有较厚的草根层和泥炭层,汞被有机质吸附,水分的垂直运动较弱,使底层含量较低,而小叶樟湿地由于土壤通气性较好,汞会随着水位升降上下迁移,因此底层汞的含量要高于毛果苔草沼泽。3种类型的沼泽湿地土壤汞的含量都有从表层向下层逐渐降低的趋势。这种趋势跟其他类型的土壤的研究结果类似。表明这是自然土壤共有的一个特征,这与有机质含量以及汞的迁移能力有关。

2.2　影响因素

2.2.1　植被　植物中汞的含量与负荷对土壤中汞的含量有影响,植物可以通过气孔吸收大气中的元素汞;颗粒汞和活性汞可以沉降到叶面,并被植物吸收,通过叶面流和枯落物等方式回到土壤(图3)。植被是影响地区干湿沉降通量的重要因素,如森林地区汞的大气干湿沉降大于空旷地[5],研究发现三江平原湿地植物汞的浓度具有从干到湿的环境下含量增高的特点[6],这与土壤表层汞的含量的分布特征一致,但是由于其生物量不同,每年经过植物吸收过程累积的汞不同。由于具有相同的地质含量水平和大气干湿沉降通量,在表层汞含量的差异还与土壤汞的释放以及土壤水的迁移有关,土壤向大气释放的汞部分被植物吸收,又回到土壤。

2.

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124水土保持学报第17卷含量的水平分布一致,但是有机质含量的差异要大于总

汞含量的差异,表层土壤汞的含量小叶樟约为毛果苔草

沼泽的2/3,而有机质的含量毛果苔草沼泽是小叶樟沼泽

的4倍。有机质含量的差异反映了该地氧化还原条件是否

有利于有机物的分解和迁移。在地势较低的毛果苔草沼

泽几乎常年处于淹水状态,有机物易于累积,而小叶樟湿

地氧化还原条件变化剧烈,有机质矿化分解速度较快,同

时有机物易于通过坡面径流和侧渗流向地势低洼处迁

移,有机质所携带的汞也随之向低洼处迁移。

有机质是影响土壤中重金属含量的一个重要因素,

土壤有机质对汞具有较强的吸附能力,一般土壤表层有

机质的含量相对较高,使汞不容易向底层迁移,因此汞和

有机质的含量都是在表层含量最高,然后随深度降低。三江平原湿

地土壤各层汞的含量与有机质含量具有很强的相关性,可以建立

下列回归方程:Y(总汞,ng/g)=0.0586479×X(有机质,%)+

219.4338,r=0.65,P<0.01,经过方差检验合格。表明有机物所

吸附汞与存在于有机物质内的汞占很大比例。

2.2.3　总硫　硫在三江平原湿地中的含量具有从表层向下逐渐

降低的特征[10],在还原性环境下硫酸盐还原细菌对湿地中汞的甲

基化有重要作用,S2-可以和二价汞离子结合成稳定的HgS化合

物,因此硫的含量对湿地中汞的迁移、转化有重要影响。本研究中

硫和汞的关系可以用下列回归方程描述:Y(总汞,ng/g)=

0.0586479×X(总硫,mg/kg)+19.4338。r2=0.67,P<0.01,

方差检验合格,因此湿地中汞与硫的关系密切。

由于三江平原湿地降水的年际变化大,地下水补给很少,在干旱年份部分沼泽干涸,有机物分解强烈,不易形成泥炭,但是沼泽地在重新积水后,草根层、泥炭层中硫酸盐就会迁移出来,硫酸盐含量的升高会刺激甲基汞的形成,增强硫酸盐还原细菌的活性[7]。在孔隙水中的浓度要比未干枯的自然年份高的多,这些硫酸盐在还原条件下形成硫化物,硫化物可以抑制汞的甲基化过程,由于湿地中甲基汞具有比二价汞较强的迁移性,从而影响到汞的生物可利用性和迁移性。S普遍存在于湿地还原环境的上部,在氧化和还原环境之间的界面具有S的峰值,S0具有促进汞的可溶性的特点[9]。溶解的有机质尤其是腐殖酸可以在有氧和缺氧环境下增强硫化汞的溶解性[10]。这些特征影响着汞的形态和迁移特征。在底层土壤中有机质含量很小(2%左右),长期处于还原环境,汞以难溶的HgS形式存在,总硫和汞的相关系数略高于汞与有机质的相关系数,表明了湿地中汞和硫的关系更密切,因此湿地中硫的含量和形态对于湿地中汞的迁移和累积具有重要作用。

2.2.4　pH　土壤pH值会影响到土壤微生物的活动以及汞的形态和可溶性。土壤pH具有从表层向下逐渐升高的趋势,土壤中腐殖酸的含量影响着土壤pH值高低,与总汞浓度随深度降低的特点相反,对pH与总汞进行相关分析表明,二者具有一定负相关关系,Y(总汞,ng/g)=224.689-28.252X(pH),r=0.398,P<0.01。　　湿地土壤中汞含量的差异是众多环境因素(水分条件、氧化还原条件、地势、土壤质地、植被等)相互交叉影响的结果,而地势、水分状况和植被是典型类型湿地土壤汞分布差异的驱动性因素。[8]00图3　植物汞的循环图图4　典型类型湿地土壤中有机质含量

3　结　论

三江平原湿地汞的含量具有随深度增加总汞含量逐渐降低的特点,表层总汞含量具有小叶樟湿地<乌拉苔草沼泽<毛果苔草沼泽的特点,与水分特征一致,与地势的高低相反。有机质和土壤总硫是影响土壤中汞的含量的重要因素,二者与总汞含量具有强烈的相关关系,可以通过回归方程Y(总汞,ng/g)=0.0586479×X(有机质,%)+19.4338和Y(总汞,ng/g)=0.0586479×X(总硫,mg/kg)+19.4338加以预测。总汞含量与pH具有一定的负相关关系。有机质和总硫影响着汞的形态和迁移。地势、水分条件和植被是影响3种沼泽类型湿地总汞含量的主要驱动因子。水分条件、植被的变化将影响到湿地中汞的迁移和含量。　　　下转第130页

130水土保持学报第17卷显著增加应归功于藻类的作用。进一步分析发现见光土壤中有效磷的显著增加并非是藻体细胞自身释放出来的,而是藻类对土壤微环境的作用,使得土壤中不可被植物利用的磷被释放出来,转化成有效磷。藻类在生长过程中,也要吸收一定量的有效磷,这是不可争辩的事实,但是某些藻类对土壤中不可利用磷的转化作用较之更强,因此造成了土壤中有效磷含量的提高。土壤中不可被植物利用的磷的含量是非常丰富的,藻类能将这一资源释放出来。这对改变我们目前磷肥的施用方式和施用新的磷肥肥源有重大启示,对保护环境、维持农业生产的可持续发展有重要意义。

至于藻类是怎样将土壤中不可利用磷转化成有效磷,这一机制有待于进一步研究。此外,哪一个藻种,在什么样的条件下对磷的转化率最高,我们将进一步研究。本实验的藻种(均为土壤藻种)分别选自蓝藻门、硅藻门和绿藻门,力求反映普遍的藻类对土壤的影响,从本实验的结果看,蓝藻的作用将是值得重点研究的领域,以往的研究者也曾发表过有关细菌对土壤固定态磷的转化利用的论文[13～

化利用开拓了新领域。

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