全 文 ：应 用 生 态 学 报 年 月 第 卷 第 期
亚
, , , 一
不同土地类型下重金属随暴雨径流迁移
过程及速率对比 ‘
梁 涛‘ ” 王 浩, 张秀梅‘ 章 申‘ 于兴修 ,
‘ 中国科学院地理科学与资源研究所 , 北京 北京师范大学环境科学研究所 , 北京
中国科学院南京地理与湖泊研究所 , 南京
摘要 , 选择太湖上游西曹溪流域最具代表性的 种土地类型 , 利用野外人工降雨装置 , 研究了不同形态
重金属 , , , 随暴雨径流水相及沉积物相的迁移过程 , 对比了流域内不同土地利用 土地覆被
条件下重金属的迁移特征 , 并估算了流失速率 结果表明 , 在相同的降雨条件下 , 桑林 、 和 随地表
径流水相的迁移量最大 , 分别达 、 和 巧
· 一 · 一 叉 水田 迁移量最大 , 达 ’ 一
· 一 ‘ 松林重金属迁移量都很小 , 而且重金属随地表径流水相的迁移主要是通过悬浮细颗粒态 。 地表径
流沉积物相的重金属流失量远高于水相 , 水相迁移速率仅占沉积物相迁移率的 一 从地表径
流水相重金属迁移量 占沉积物相迁移量的比例来看 , 较高 , 、 、 较低
关健词 土地利用类型 幕雨径流 重金属流失 人工降雨
文章编号 一 一 一 中图分类号 文献标识码
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引 言
土地利用 土地覆被变化 不仅影 响全
球气候变化 , 而且对 区域性生态环境也有不容忽视
的影响〔 特别是在流域尺度上研究 对元素
输移过程及其通量的影响 , 对解决区域环境问题具
有重要意义 重金属污染作为最重要 的水 、 土环
境问题之一 , 长期以来受到环境学家的关注 重金属
随暴雨径流的迁移是 影响重金属输移的最
主要方式 , 同时也是造成地表水大面积非点源重金
属污染的根本原因 , 尤其是在农业高度集约 、 化肥和
农药大量施用的中国东南沿海农业集流区〔〕 国内
曾在白洋淀地区率先开展了地表径流中重金属化学
形态变化的研究 , ‘’ , 并在重金属非点源污染物来
源〔‘” 、负荷定量化 ” 方面进行 了有益的探索 国外
的研究大多关注城市水污染对重金属随地表径流迁
移的影 响 ’, ’ , 对 地 表 径 流 中重 金 属 含 量川 、 迁
移【“ 〕、通量模型 ‘’ 以及调控措施 进行了比较深人
的研究 然而迄今为止 , 有关农业高度集约地区不同
土地类型 中重金属随暴雨径流的迁移研究仍然很
少 本研究利用小型人工模拟降雨器 , 基于多次重复
的模拟降雨野外实验 , 对 比了太湖上游农业高度集
约的西苔溪流域 种主要土地利用类型中重金属随
地表径流的流失过程 , 同时估算了重金属 的流失速
率 考虑到本研究 旨在对 比土地利用类型对重金属
非点源污染的影响 , 因此讨论中忽略了坡度和植被
, 中国科学院知识创新工程项 目
一 一 一 , 一
和国家重点基础研究发展规划资助项目
, , 通讯联系人
一 一 收稿 , 一 一 接受
,
期 梁 涛等 不同土地类型下重金属随暴雨径流迁移过程及速率对比
覆盖度等因素 本研究结果可为评估 对 区域
水环境质量的影响提供基础数据
材料与方法
模拟降雨装置
本研究采用 自制的人工降雨模拟装置 降雨模拟装置由
供水的稳压桶 、 浮子流量计 、喷雨器和集流槽等部件组成 , 有
效降雨面积为 衬 其中 , 喷雨器用 长
带有塑料喷嘴的树脂管制作 , 可向上均匀喷出直径
的雨滴 在整个降雨过程中 , 不断推拉接在喷雨器上的手杆 ,
表 西曹溪流域野外实验地点概况
宜 比
可确保降雨喷洒均匀 雨强调节器和浮子流量计用于控制降
雨强度 四周隔水板可有效防止降雨泥沙溅 出 降雨时产生
的地表径流将通过集流槽收集 并测定径流体积 与以往的
野外人工降雨模拟装置相比, 此装置具有面积小 、 降雨均匀 、
雨强易于控制 、 移动方便等特点 , 野外实验可进行多次重复 ,
从而有效地降低了实验误差
试验设计与分析测定
根据西曹溪流域的土地利用现状 , 选择了最具代表性的
种土地类型 竹林 、 桑园 、 松林 、 菜地 、 水田作为野外实验对
象 表
于 年 月下旬在西着溪流域典型样点 —湖州市
土地利 筱盖度 平均 土壤
用类型 坡度 类型
’
平均渗
透深度
土壤容重
阮
· 一
含水量
从『
土壤表层重金属含里
界
色
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竹林 权刃
桑园
松林 砰
菜地
水田
, 棕红壤
黄红壤 、
黄红壤
潮土
一
水稻土 ,
】
很小 在 一 一 一 之间 的线性下降趋势
图 这表明 , 随地表径流水相的流失速率较
漫 对 比总 和溶解态铜的两组变化可知 , 溶解态
铜的流失量约 占总 流失量的一半 在不同的土地
类型中 , 桑园的流失量最大 , 其次是竹林和水田 , 松
林和菜地最小 由此可见 , 与其他几种土地类型相
比 , 桑园中的 更容易迁移 随地表径流的迁移
与 明显不同 图 对于总 来说 , 菜地随地表
径流水相的迁移量显著高于其他 种土地类型 这
主要是由于菜地本身 含量较高 , 同时也反映了潮
汀毕牟牵汁彰
︵口·旨石。巨旧闷
并斌绢彩关嘴必
弃南镇目山村开展了为期 的野外人工模拟降雨试验 每
种土地类型分别开展 场平行降雨实验 , 实验雨强为
·
一 ‘ , 相当于当地大暴雨雨强水平 降雨用水采用当地地下
水 每场降雨历时 不含产流时间 产流发生后每隔
采集 次径流样品 标号依次为 , 一 , 停雨后搜集剩
余径流样品 几 , 分别测量径流体积 搜集的地表径流样品
静 后 , 取上清夜 , 同时收集径流沉积物 由于 丁 时
段径流沉积物量很少 , 故将前 、几 时段的径流沉积物合为
, 段 , 以后时间段依次为 乓一 凡 每场降雨前后分别采集土
壤样品 , 并以雨水样品作为空白对照
分别测定地表径流水相中的重金属总量 、 溶解态含量
以及降雨前后土壤和沉积物相中的重金属总量 其方法为
将径流水样分为两部分 , 一部分直接用于径流水相重金属测
定 , 另一部分过 拜 滤膜后测定 颗粒态重金属用差减
法算出 此外 , 各时段径流沉积物 、 雨前和雨后土壤样品 自然
风干 、 称重后测定 利用等离子体发射光谱法
一
测定
、 、 、 含量 了
一 , 用中国标准
中心提供的标样进行质量控制 次平行实验结果表明 , 同一
土地类型 、 同一时间段测得的重金属含量的相对误差在
一 之间 为此 , 本研究采用 场平行降雨所获数据的平
均值
结果与讨论
重金属随地表径流水相迁移过程
由于不同土地类型的坡度 、 地表覆盖度以及土
壤理化类型存在差异 , 所 以产流时间各不相同
一 在所观测的 个时间段里 , 种土地类型
的总 流失过程除桑园略有波动外 , 均表现为斜率
时间段
图 不同土地利用类型下不同形态铜随地表径流水相的迁移
〕 哭
总 、 溶解态铜
应 用 生 态 学 报 卷
土中的 比较容易淋 出 溶解态 的流失量仅相
当于总 流失量的 左右 , 说明地表径流水相
的流失绝大部分是 以悬浮细颗粒态流失的 不同
土地类型的总 和溶解态铬的流失量均随时间的
推移而逐渐下降 , 迁移速率以水田最大
竹林 别 。 一日一 桑园
松林 访 叮 一洲 菜地
水田 勿
量却明显高于水田和松林 , 可见菜地的 流失不容
忽视
一
与 、 、 相 比 , 随地表径流水相的迁移
速率较大 , 且不同土地类型的迁移速率相近 图
总 和溶解态锌流失量都以桑园最大 , 水田和竹林
次之 , 松林和菜地最小 尽管菜地与桑园的表土锌含
量相近 , 但菜地土壤中 的流失量却远低于桑园
这是由菜地潮土对锌的吸附性很强所导致的 此外 ,
溶解态锌流失量仅占总 流失量的 左右 , 悬
浮细颗粒态锌的流失仍是地表径流水相 流失的
主体
,
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竹林 一日一 桑园 叮
松林 斗 一械一 菜地
水田
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时间段 脚
图 不同土地利用类型下不同形态铬随地表径流水相的迁移对比
, 劝
·
总 , 溶解态铬
总 和溶解态铅的迁移过程与 有些类似
图 , 除松林在降雨初期流失量较大外 , 其他各土
地类型中 的流失速率变化都很小 此外 , 大约
左右的 是以溶解态形式流失的 , 两种形态的
流失量都是桑园最大 尽管菜地中溶解态 的流失
量比其他几种土地类型低得多 , 但菜地总 的流失
汁 一洲一 喇 关一讲一 升一例
户 口 ‘一 时 占一盛 占 ‘一 占, ‘ , 。 , ,
时间段
竹林 力 。 月日一 桑园 咖明 ,
松林 习 洲一 菜地 飞
水田
︵公·旨石誉月盼另
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时间段 如劝 。 。 , ” 斌
图 不同土地利用类型下不同形态铅随地表径流水相的迁移
己
·
总 , 溶解态铅 阮
图 不同土地利用类型下不同形态锌随地表径流水相的迁移
恶
总 , 助溶解态锌 驯
综上所述 , 从 种重金属随地表径流水相的流
失量来看 , 除 外 , 桑园的流失量最大 , 说明桑园土
壤中的重金属很容易进人水相而流失 , 其潜在影响
不容忽视 松林 、菜地和水田的重金属流失量相对较
小 , 表明松林 、水田和菜地对重金属有较强的截留能
力 , 与松林具有涵养水分 , 减少地表径流 , 以及水田 、
菜地含水量较高 , 阻止重金属迁移的特点相吻合 从
重金属溶解态迁移量 占总量迁移量的 比例来看 , 溶
解态重金属流失量很少 尤其是
, 说明重金属随
地表径流水相主要是以悬浮细颗粒态迁移
土壤及径流沉积物相重金属的流失过程
种重金属随地表径流沉积物相的迁移过程见
图 由图 可见 , 各重金属的流失量均随时间段的
推移呈不同程度的下降 , 除个别元素 如 外 , 下
降幅度都很大 这一方面是由于表层重金属含量较
高 , 经暴雨冲刷后随地表径流沉积物相迅速迁移 , 另
期 梁 涛等 不同土地类型下重金属随暴雨径流迁移过程及速率对比
一方面也表明重金属随地表径流沉积物相的流失大
部分发生在降雨初期 , 与过去的研究基本一致 〕此
外 , 不同土地类型重金属随沉积物相 的流失量不尽
相同 , 具体表现在 菜地 桑园 竹林 、 水 田
、 松
林 水田 菜地 竹林 松林 、 桑园 竹林
松林 、桑园 、 菜地 、 水 田 菜地 桑园 竹林
水田 松林 菜地 、桑园的地表径流沉积物相重金属
的流失量较高 , 而松林地表径流沉积物相 的重金属
流失量最小 从重金属流失量的数量来看 , 地表径流
属的流失量有现明显 的区别 , 除了受土壤表层重金
属含量及土壤理化性质的影响外 表 , 土地利用
方式的影响不容忽视 通过与图 的对 比可知 , 土壤
中各重金属的流失量大小顺序与地表径流沉积物相
重金属的流失量大小顺序基本一致 , 这也反映了沉
积物相重金属流失是暴雨径流作用下土壤表层重金
属流失的主体
根据不同土地类型的土壤容重可估算出每平方
米土壤表层 。 中重金属的流失量 表 的
流失量界于 一
· 一 之间 , 桑园流失量
最大 的流失量界于 一
· 一 之间 ,
水 田最大 的流失量界于 一
· 一 之
间 , 竹林最大 的流失量界于 一 ’
一 “之间 , 桑园最大
·
表 不同土地利用类型的降雨前后土坡重金属流失
二 枷 ” 妞 脱 肠汗 五
。 〔
· 一
声地利用类型 。一“ 一
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竹林 洲 》〕
桑 园
松 林 叮
菜 地
水 田
表 单位面积的土城表层 里金属流失
·
· 一
土地利用类型
竹林 加〕
桑 园
松 林
菜 地
水 田
︵谕召·助日︶艺。刁﹃的另叫水嘴罕辱彩妮
不同土地利用类型下重金属流失率的估算
’
为进一步对比不同土地类型下地表径流不同相
重金属的流失量 , 需要定量估算重金属在地表径流
水相和沉积物相的流失速率 在降雨强度一定 , 忽略
坡度 、 植被覆盖度影响的前提下 , 地表径流中重金属
的流失量可以用径流流量 、 沉积物量和各相 中重金
属含量估算出来 , 并进而估算出单位面积 、单位时间
不同土地类型下径流水相及沉积物相重金属的平均
流失速率 计算公式如下
一 〔瓜二 , ,‘〕 。 又
式中 , 认 表示第 种土地利用类型下径流水相或沉
积物相重金属的平均流失速率
· 一 ’· 一 ’
表示第 种土地利用类型的第 时段 卜二
径流水相或沉积物相的重金属浓度
· 一 ‘或 ’
一 ‘ 、表示第 种土地利用类型的第 时段的径
﹄八目伟乙几‘几几
︸八八曰︵廿七,︸
时间段
图 不同土地利用类型下重金属随地表径流沉积物相的迁移对 比
沉积物相的重金属流失量远高于水相 , 表明绝大部
分重金属随地表径流的流失是通过吸附在泥沙颗粒
物上迁移的 , 与 、 等营养盐的迁移特征类似
进一步观察各土地类型在降雨前后的重金属流
失量 表 可以发现 , 不同的土地利用方式 , 各重金
应 用 生 态 学 报 卷
流量或沉积物量 或 。 表示有效降雨面积 大 , 而松林的大部分重金属迁移量都很小 此外 , 重
澎 表示持续降雨时间 计算结果见表 金属随地表径流水相的迁移速率很低 , 仅 占沉积物
相迁移率的 一 , 再一次证实了绝大部分
从表 可以看出 , 在 种被研究的土地类型中 , 重金属是通过径流沉积物相从土壤流失的 对 比
重金属随地表径流水相迁移的平均速率差异较大 种金属 , 水相迁移量占沉积物相迁移量的比例 较
桑林 、 、 迁移量最大 水 田 的 迁移量最 高 , 而 、 、 很低 , 这与各重金属的化学性质有
表 不同土地利用类型下的盆金属流失速率对比
叮 韶 则 袱 卜陀 《
· 一 · 一 ’
土地类型
水相 沉积物相 水相 沉积物相 水相 沉积物相 水相 沉积物相
竹 林 恢幻
夕内嘴﹄内,︸‘︷飞曰且,,︸桑 林
松 林
菜 地
密切关系 , 如与 相 比 , 更容易迁移 综上所述 ,
在流域尺度上进一步估算重金属迁移通量方面 , 本
研究可提供有价值的参考信息
结 论
降雨条件相同时 , 从重金属随地表径流水相的
流失量来看 , 桑林 、 、 迁移量较大 , 水 田
迁移量较大 , 而松林的大部分重金属迁移量都很小
从各重金属溶解态流失量 占总量流失量的 比
例来看 , 重金属随地表径流水相的迁移主要是通过
悬浮细颗粒态
重金属随地表径流沉积物相的流失大部分发
生在降雨初期 , 菜地 、 桑园的地表径流沉积物相重金
属的流失量较高 , 而松林地表径流沉积物相的重金
属流失量最小
地表径流沉积物相 的重金属流失量远高于水
相流失量 重金属随地表径流水相的迁移速率仅占
沉积物相迁移率的 一
从地表径流水相重金属迁移量 占沉积物相迁
移量的比例来看 , 较高 , 、 、 较低
参考文献
沉。, 免 中国环境科学 , 一一 郭旭东 , 一 陈利顶 , 一 傅伯杰
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作者简介 梁 涛 , 男 , 年生 , 博士 , 副研究员 , 从事微
量元素和稀土元素生物地球化学研究 , 已发表论文 篇