贡嘎山生态系统微量金属的海拔分布特征及潜在生态风险评价

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城市化和工业化的快速发展导致大量有毒有害微量金属进入到大气,人类活动排放的微量金属能够吸附于气溶胶,通过大气远距离的传输进入到遥远的高山生态系统。高山生态系统具有独特的地形和气候特征,在高山冷凝作用下,人类活动产生的微量金属能够发生沉降,从而对当地乃至下游地区的生态安全产生威胁。贡嘎山是青藏高原东麓典型的高山生态系统,拥有特殊的高山气候和完整的植被带谱,而且远离人类活动的干扰,为开展人类活动产生的微量金属的地球化学特征研究提供了理想场所。但是,目前在贡嘎山地区微量金属的海拔分布特征、来源及其可能造成的生态风险尚不清楚。回答上述问题是评估区域微量金属污染和协同治理的前提,也是我国西南山区生态安全屏障建设的重要依据。  本研究选择贡嘎山三个不同坡向(东坡、西坡和北坡),根据海拔梯度和植被类型差异分别采集土壤(剖面)、苔藓(优势种)、植物组织和大气湿沉降(林内和林外)样品。分析了样品中微量金属(Cd、Cu、Pb和Zn)的浓度,调查了不同坡向微量金属的海拔分布模式;利用地球化学、统计分析和Pb同位素示踪技术,结合当地的地质、气象及植被类型等,判识了微量金属的可能来源,并估算了微量金属的大气沉降通量;根据微量金属的化学形态特征、污染指标和生态风险评价指标,评价了贡嘎山地区微量金属目前的污染水平和潜在的生态风险。主要结果和结论如下:  (1)贡嘎山东坡土壤中Pb和Cd的浓度随海拔上升呈现“升高-降低-升高”的趋势,Zn的浓度随海拔的升高先降低后升高;Cu的浓度则无显著的海拔差异。北坡土壤中微量金属的浓度均随海拔升高而降低,西坡土壤中微量金属的浓度均显著低于东坡和北坡,而且其海拔变化趋势不明显。贡嘎山东坡和北坡苔藓中微量金属的浓度显著高于西坡中的浓度水平。东坡苔藓中微量金属的浓度随海拔先下降后增加的趋势,北坡苔藓和松萝中微量金属的浓度呈现出随海拔升高逐渐下降的趋势,而西坡苔藓中微量金属浓度没有呈现出明显的海拔变化。综合贡嘎山三个坡向土壤、苔藓和植物组织中微量金属浓度的海拔分布特征可以推断:贡嘎山东坡和北坡低海拔地区微量金属的明显累积受到了当地人类活动的影响,东坡高海拔地区(林线以上)可能受到高山冷凝沉降的影响,而西坡微量金属的累积没有受到明显的人类活动的影响。  (2)贡嘎山东坡林内降水(或降雪)中微量金属的浓度呈显著高于林外降水中的浓度,植被对微量金属的拦截作用是造成这种差异的主要因素。林外降水(或降雪)中Pb、Cd和Zn的浓度和沉降通量在海拔2000m至3700m范围内总体呈现随海拔升高而下降的趋势,Cu的浓度和沉降通量则没有显著的海拔差异。林内降水(或降雪)中Pb的浓度和沉降通量随海拔升高先升高后降低,Cd和Zn的浓度和沉降通量则随海拔升高逐渐下降,Cu的浓度和沉降通量则无显著的海拔差异。降水(或降雪)中微量金属的海拔分布特征说明林线以下地区大气降水中微量金属的累积主要是受到当地人类活动的影响。季节上,冬季林内外降水(或降雪)中Pb、Cd和Zn的浓度和沉降通量均高于其它季节,这可能和当地及周边地区冬季取暖而燃烧化石燃料有关。  (3) Pb同位素示踪技术、地球化学指标法和富集因子指示了贡嘎山地区微量金属的来源。东坡低海拔地区土壤中的微量金属主要来自化石燃料燃烧,而高海拔地区土壤中微量金属主要来自远距离大气输送,矿物开采和金属冶炼导致了微量金属的累积,苔藓中Pb、Cd和Zn明显受到人类活动的影响,Cu则主要来自自然源;北坡土壤中的微量金属主要来自当地化石燃料的燃烧,苔藓中Pb、Cd和Zn主要来自人类活动,Cu则来自自然源;西坡土壤中的微量金属的来源可能与土壤母质有关,苔藓中除了Cd受到人类活动的影响,其余微量金属均主要来自自然源。  (4)贡嘎山东坡和北坡土壤C层中Pb、Cd、Cu和Zn均以残渣态为主,O层和A层中Pb、Cd和Zn均以铁锰氧化物或氢氧化物结合态为主,Cu则以有机结合态为主。西坡土壤中Pb和Cd均以铁锰氧化物或氢氧化物结合态为主,而Cu和Zn分别以有机结合态和残渣态为主。东坡和北坡O层和A层中Cd均呈现中度污染,Pb和Zn则以轻度和中度污染为主,Cu则为轻度污染或无污染。西坡O层和A层中Pb、Cd、Cu和Zn均以无污染和轻度污染为主。根据修正的Hakanson生态风险评价方法,Pb,Cu和Zn的潜在生态风险均很低,而Cd的潜在生态风险水平较高。  本研究选取了土壤、苔藓、部分植物组织和湿沉降样品探讨微量金属在高山生态系统中的赋存特征,未来需要增加沉积物、冰芯等能够反映微量金属累积历史的环境样品,还原贡嘎山地区微量金属的沉降历史。而且,仍需加强干、湿沉降样品的采集密度,提高微量金属大气沉降的时间分辨率,充分认识区域人类活动对遥远的高山生态系统产生的影响。此外,研究提出的改进后的Hakanson潜在生态风险评价方法是基于贡嘎山土壤样品而提出的,其应用性仍需大量研究考证。
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