三江平原濕地土壤汞的形態(tài)和遷移特征

三江平原濕地土壤汞的形態(tài)和遷移特征

濕地是自然界三個(gè)生態(tài)系統(tǒng)之一，在生態(tài)中起著重要的作用。濕地位于水和土壤的交錯(cuò)帶，隨著水位的變化，氧化還原環(huán)境發(fā)生了劇烈變化，這使得沼澤中的汞柱變大。人類(lèi)活動(dòng)使大量的汞釋放到大氣中,全球人類(lèi)源汞的釋放估計(jì)占總釋放量的60%~80%,大約有50%的人類(lèi)源汞參與汞的全球循環(huán),大氣汞的傳輸與沉降是無(wú)直接汞污染源的偏遠(yuǎn)湖泊中魚(yú)汞濃度升高的主要原因。沼澤濕地是汞的大氣沉降的匯,在地區(qū)汞的遷移和循環(huán)中扮演重要的角色,研究證明濕地是許多湖泊和河流甲基汞的重要來(lái)源。三江平原分布著大面積濕地,沼澤濕地面積為1.13×104km2,河流、湖泊面積0.43×104km2,是我國(guó)面積最大、分布連片的淡水濕地分布區(qū)。解放后大面積的濕地被開(kāi)墾為農(nóng)田,自然景觀變化劇烈。水體汞的含量較高,經(jīng)常超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。本文初步研究了三江平原濕地土壤汞的空間分布特征,并對(duì)其主要影響因素進(jìn)行分析,對(duì)于理解濕地中汞的地球化學(xué)行為有重要意義。1材料和方法1.1陰山濕地對(duì)土壤的組合三江平原分布著大面積的沼澤濕地,由于相對(duì)地勢(shì)的高低,在碟形洼地和河濱濕地地勢(shì)由低到高分布著漂筏——毛果苔草沼澤、烏拉苔草沼澤、小葉樟沼澤,反映了在不同的淹水環(huán)境下發(fā)育著不同的植被、土壤和沼澤類(lèi)型。毛果苔草濕地發(fā)育的是腐殖質(zhì)沼澤土或泥炭沼澤土,可分為草根層、泥炭層、腐泥層和潛育層4個(gè)層次,其厚度不一,小葉樟沼澤發(fā)育的是草甸沼澤土,可分為枯枝落葉層、腐殖質(zhì)層、過(guò)渡層、潛育層4個(gè)發(fā)生層次。烏拉苔草沼澤發(fā)育的土壤特征介于二者之間。2001年6月和10月,樣品采自三江平原地區(qū)主要的沼澤濕地分布區(qū)(圖1)。土壤樣品采集按照土壤發(fā)生層次進(jìn)行采樣,除表層采用挖掘方式采樣外,其它各層均采用NZ型泥炭鉆進(jìn)行采樣,以防止各層之間的干擾。樣品采集后放入zip-lock聚乙烯袋中,密封以防止樣品的污染。每個(gè)點(diǎn)的3個(gè)樣品混合為一個(gè)樣品。樣品在室溫下自然風(fēng)干,草根與泥炭用植物粉碎機(jī)粉碎,其它土壤用球磨機(jī)磨碎,過(guò)80目篩,密封待測(cè)。1.2總汞和總汞的測(cè)定由于土壤樣品有機(jī)質(zhì)含量較高,因此總汞用V2O5-H2SO4-HNO3法消解,F732-V智能型冷原子吸收測(cè)汞儀測(cè)定總汞。用同樣的方法測(cè)定空白,所有的樣品總汞含量都高于空白的標(biāo)準(zhǔn)差的3倍,測(cè)定精確度用土壤標(biāo)準(zhǔn)樣品(ESS-1)進(jìn)行檢驗(yàn),結(jié)果滿意。有機(jī)質(zhì)采用K2Cr2O7-FeSO4測(cè)定。pH用水提法,水土比為5∶1,pH計(jì)測(cè)定?？偭虿捎孟跛嵯?硫酸鋇比濁法測(cè)定。2結(jié)果與討論2.1枯水季節(jié)土壤汞釋放的通量三江平原濕地3種典型類(lèi)型沼澤中草根層和泥炭層汞的含量差別不大,在表層總汞含量有下面的規(guī)律:毛果苔草沼澤>烏拉苔草沼澤>小葉樟沼澤(見(jiàn)圖2),其含量分別為(108±30),(81±20),(75±25)ng/g,高于黑龍江土壤A層平均含量。隨著相對(duì)地勢(shì)升高而不斷降低,毛果苔草濕地與小葉樟濕地相比地勢(shì)較低,易于累積汞。由于土壤下部發(fā)育著粘重的白漿層,粘粒含量大于20%,起到阻止地下水下滲的作用,水力流動(dòng)以側(cè)面流為主,因此在枯水季節(jié),隨著水位的不斷降低,汞可以通過(guò)水的遷移而在地勢(shì)較低的毛果苔草沼澤累積。同時(shí)由于小葉樟所在地勢(shì)較高,有經(jīng)常性的季節(jié)性積水,氧化還原條件變化劇烈,有機(jī)物質(zhì)分解速度快,這種微環(huán)境的不同使土壤中汞的釋放速率也不同。Poissant等研究發(fā)現(xiàn)濕地在干枯時(shí)比洪水時(shí)土壤汞的釋放大66%,因此淹水時(shí)間長(zhǎng)短不同,土壤汞的釋放通量也不同,對(duì)于水分條件較差的小葉樟濕地汞的釋放通量可能較高。第4土層總汞含量則與上面兩層不同類(lèi)型沼澤的總汞含量大小順序相反。這可能與汞淋溶有關(guān)。在毛果苔草沼澤有常年積水,由于有較厚的草根層和泥炭層,汞被有機(jī)質(zhì)吸附,水分的垂直運(yùn)動(dòng)較弱,使底層含量較低,而小葉樟濕地由于土壤通氣性較好,汞會(huì)隨著水位升降上下遷移,因此底層汞的含量要高于毛果苔草沼澤。3種類(lèi)型的沼澤濕地土壤汞的含量都有從表層向下層逐漸降低的趨勢(shì)。這種趨勢(shì)跟其他類(lèi)型的土壤的研究結(jié)果類(lèi)似。表明這是自然土壤共有的一個(gè)特征,這與有機(jī)質(zhì)含量以及汞的遷移能力有關(guān)。2.2影響因素2.2.1枯落物釋放后回收植物中汞的含量與負(fù)荷對(duì)土壤中汞的含量有影響,植物可以通過(guò)氣孔吸收大氣中的元素汞;顆粒汞和活性汞可以沉降到葉面,并被植物吸收,通過(guò)葉面流和枯落物等方式回到土壤(圖3)。植被是影響地區(qū)干濕沉降通量的重要因素,如森林地區(qū)汞的大氣干濕沉降大于空曠地,研究發(fā)現(xiàn)三江平原濕地植物汞的濃度具有從干到濕的環(huán)境下含量增高的特點(diǎn),這與土壤表層汞的含量的分布特征一致,但是由于其生物量不同,每年經(jīng)過(guò)植物吸收過(guò)程累積的汞不同。由于具有相同的地質(zhì)含量水平和大氣干濕沉降通量,在表層汞含量的差異還與土壤汞的釋放以及土壤水的遷移有關(guān),土壤向大氣釋放的汞部分被植物吸收,又回到土壤。2.2.2氧化還原條件對(duì)土壤礦化及礦化的影響在表層土壤中有機(jī)質(zhì)的含量:毛果苔草沼澤>烏拉苔草沼澤>小葉樟沼澤(圖4),與土壤汞含量的水平分布一致,但是有機(jī)質(zhì)含量的差異要大于總汞含量的差異,表層土壤汞的含量小葉樟約為毛果苔草沼澤的2/3,而有機(jī)質(zhì)的含量毛果苔草沼澤是小葉樟沼澤的4倍。有機(jī)質(zhì)含量的差異反映了該地氧化還原條件是否有利于有機(jī)物的分解和遷移。在地勢(shì)較低的毛果苔草沼澤幾乎常年處于淹水狀態(tài),有機(jī)物易于累積,而小葉樟濕地氧化還原條件變化劇烈,有機(jī)質(zhì)礦化分解速度較快,同時(shí)有機(jī)物易于通過(guò)坡面徑流和側(cè)滲流向地勢(shì)低洼處遷移,有機(jī)質(zhì)所攜帶的汞也隨之向低洼處遷移。有機(jī)質(zhì)是影響土壤中重金屬含量的一個(gè)重要因素,土壤有機(jī)質(zhì)對(duì)汞具有較強(qiáng)的吸附能力,一般土壤表層有機(jī)質(zhì)的含量相對(duì)較高,使汞不容易向底層遷移,因此汞和有機(jī)質(zhì)的含量都是在表層含量最高,然后隨深度降低。三江平原濕地土壤各層汞的含量與有機(jī)質(zhì)含量具有很強(qiáng)的相關(guān)性,可以建立下列回歸方程:Y(總汞,ng/g)=0.0586479×X(有機(jī)質(zhì),%)+19.4338,r2=0.65,P<0.01,經(jīng)過(guò)方差檢驗(yàn)合格。表明有機(jī)物所吸附汞與存在于有機(jī)物質(zhì)內(nèi)的汞占很大比例。2.2.3濕地中汞與硫的關(guān)系硫在三江平原濕地中的含量具有從表層向下逐漸降低的特征,在還原性環(huán)境下硫酸鹽還原細(xì)菌對(duì)濕地中汞的甲基化有重要作用,S2-可以和二價(jià)汞離子結(jié)合成穩(wěn)定的HgS化合物,因此硫的含量對(duì)濕地中汞的遷移、轉(zhuǎn)化有重要影響。本研究中硫和汞的關(guān)系可以用下列回歸方程描述:Y(總汞,ng/g)=0.0586479×X(總硫,mg/kg)+19.4338。r2=0.67,P<0.01,方差檢驗(yàn)合格,因此濕地中汞與硫的關(guān)系密切。由于三江平原濕地降水的年際變化大,地下水補(bǔ)給很少,在干旱年份部分沼澤干涸,有機(jī)物分解強(qiáng)烈,不易形成泥炭,但是沼澤地在重新積水后,草根層、泥炭層中硫酸鹽就會(huì)遷移出來(lái),硫酸鹽含量的升高會(huì)刺激甲基汞的形成,增強(qiáng)硫酸鹽還原細(xì)菌的活性。在孔隙水中的濃度要比未干枯的自然年份高的多,這些硫酸鹽在還原條件下形成硫化物,硫化物可以抑制汞的甲基化過(guò)程,由于濕地中甲基汞具有比二價(jià)汞較強(qiáng)的遷移性,從而影響到汞的生物可利用性和遷移性。S0普遍存在于濕地還原環(huán)境的上部,在氧化和還原環(huán)境之間的界面具有S0的峰值,S0具有促進(jìn)汞的可溶性的特點(diǎn)。溶解的有機(jī)質(zhì)尤其是腐殖酸可以在有氧和缺氧環(huán)境下增強(qiáng)硫化汞的溶解性。這些特征影響著汞的形態(tài)和遷移特征。在底層土壤中有機(jī)質(zhì)含量很小(2%左右),長(zhǎng)期處于還原環(huán)境,汞以難溶的HgS形式存在,總硫和汞的相關(guān)系數(shù)略高于汞與有機(jī)質(zhì)的相關(guān)系數(shù),表明了濕地中汞和硫的關(guān)系更密切,因此濕地中硫的含量和形態(tài)對(duì)于濕地中汞的遷移和累積具有重要作用。2.2.4ph與總汞的相關(guān)結(jié)果土壤pH具有從表層向下逐漸升高的趨勢(shì),土壤中腐殖酸的含量影響著土壤pH值高低,與總汞濃度隨深度降低的特點(diǎn)相反,對(duì)pH與總汞進(jìn)行相關(guān)分析表明,二者具有一定負(fù)相關(guān)關(guān)系,Y(總汞,ng/g)=224.689-28.252X(pH),r=0.398,P<0.01。濕地土壤中汞含量的差異是眾多環(huán)境因素(水分條件、氧化還原條件、地勢(shì)、土壤質(zhì)地、植被等)相互交叉影響的結(jié)果,而地勢(shì)、水分狀況和植被是典型類(lèi)型濕地土壤汞分布差異的驅(qū)動(dòng)性因素。3有機(jī)質(zhì)和土壤總汞三江平原濕地汞的含量具有隨深度增加總汞含量逐漸降低的特點(diǎn),表層總汞含量具有小葉樟濕地<烏拉苔草沼澤<毛果苔草沼澤的特點(diǎn),與水分特征一致,與地勢(shì)的高低相反。有機(jī)質(zhì)和土壤總硫是影響土壤中汞的含量的重要因素,二者與總汞含量具有強(qiáng)烈的相關(guān)關(guān)系,可以