全 文 ：酸雨对缙云山林地黄壤汞溶出的影响 *
李 静* * 魏世强 杨学春
(西南农业大学资源与环境学院, 重庆市农业资源与环境研究重点实验室, 重庆 400716)
Effect of acid rain on mercury leaching from forest yellow soil in Jinyun Mountain. LI Jing, WEI Shiqiang ,
YANG Xuechun ( College of Resources and Envir onment , Southwest Agr icultural University , Chongq ing
400716, China) . Chin . J . A pp l. Ecol . , 2004, 15( 9) : 1681~ 1683.
For est y ellow soil and arable yellow so il in Jinyun Mountain were co llected to study t he effect of simulated acid
rain( adjusted to pH 2. 0, 3. 0, 4. 0 and 5. 0) on the Hg leaching from soils by the methods o f static extr action and
dynamic leaching . The results show ed t hat in forest yellow soils, surface accumulation of Hg occurred, and the ac
cumulated Hg was easier to be leached out than that in ar able y ellow soil by acid rain. The amount of leached Hg
was the largest at pH 4. 0. To abate the risk of Hg pollution in w ater bodies by t he Hg leaching from this forest
soil, the Mountain should be closed, and timberfelling should be forbidden.
Key words Simulated acid rain, Hg leaching, Staticstate ex traction, Dynamicstate leaching.
文章编号 1001- 9332( 2004) 09- 1681- 03 中图分类号 X51 文献标识码 A
* 国家教育部优秀青年教师资助项目( 20020716)和国家教育部春辉
计划资助项目.
* * 通讯联系人.
2003- 08- 11收稿, 2004- 02- 06接受.
1 引 言
Hg 是一种高毒性而非生命所必需的元素. 自 20 世纪
50年代日本水俣病事件以来, 不同领域的科学家都开始了
对Hg 的研究,并把它列为全球性的污染物[ 5] . 我国是世界
第三大酸雨区,三峡库区又是我国酸雨频率较高、酸雨程度
极为严重的区域之一[ 9, 19] . 有研究报道[ 7] , Hg 从土壤输入水
体,导致水体中鱼 Hg含量比自然状态下高 5 倍. 同时, 酸雨
又能促进水体中Hg 的甲基化[ 17] ;甲基 Hg很容易被水生生
物,特别是鱼类所富集, 然后通过食物链富集,从而加剧了对
人体的危害 .三峡水库是举世瞩目的特大型水利工程, 由于
库区位于长江上游高 Hg、高硫煤的生产地和使用区[ 10, 11] ,
三峡水库成库后所面临的 Hg 污染问题受到了国内外广泛
关注[ 6, 12] , 库区在遭受严重的酸雨危害的同时, Hg从库区陆
地生态系统向水体的迁移势必对库区水质产生重要影响. 因
此,加强防止 Hg从土壤流向水体迁移的研究有着重要的现
实意义.目前国内外在研究酸雨对 Hg 溶出的影响时, 主要
研究的是矿物和耕作土[ 2, 18] , 而对库区富含有机质的林地黄
壤Hg 赋存状态和在酸雨作用下 Hg 的溶出、迁移规律报道
较少.本试验以受酸雨危害严重的重庆市缙云山 3种森林林
地黄壤和耕地黄壤为代表, 研究酸雨对三峡库区林地黄壤
Hg溶出的影响和规律, 为库区 Hg 污染控制和水质保护提
供科学依据.
2 材料与方法
21 供试土壤
选取重庆市缙云山上具有代表性的阔叶林、针叶林、竹
林 3 种植被下的林地黄壤和耕地冷沙黄泥作为供试土壤. 阔
叶林主要植被为香樟树( Cinnamomum camphora)、针叶林
的主要植被类型为马尾松( Pinus massoniana) . 3 种林地黄壤
按 A0、A1、B 层分层取样,风干 ,过 2 mm 筛.
2 2 研究方法
2 2 1 静态溶出试验 取林地黄壤的 A0、A 1、B 层和耕地黄
壤的风干土样各 5 g ,分别加入 pH 值为 50、40、3 0、2 0 的
模拟酸雨[ 15] 50 ml,摇匀后, 在暗处静置 24 h 后,离心, 过滤,
测定土壤浸提液中 Hg 含量.
2 2 2 动态淋溶试验 供试装置采用直径 54 cm、长 30 cm
的硬质塑料管. 供试土壤加入HgCl2 溶液, 使土壤Hg 含量达
15 mgkg - 1(风干土样) , 陈化 2 周, 然后按林地土壤的自然
剖面分布与容重, 逐层回填[ 13] .装样厚度 20 cm,不足 20 cm
时以各自土壤的 B 层补足. 同时, 以耕地黄壤为对照. 用 pH
3 0 的模拟酸雨淋溶土柱.
对阔叶林地土壤, A 0、A1 层分别设置 3 个厚度水平 0、2
cm、5 cm 和 5 cm、10 cm、15 cm, 模拟酸雨 pH 设置 2 个水平
( 30, 40) , 按完全随机试验设计.所用材料和装土方法与上
述试验相同.
两试验共模拟重庆地区 10 年左右的酸雨量.雨量按该
地区常年降雨量( 1 142 mm)的 60%计为土壤渗入量[ 14] , 每
柱年承接雨量为 [( 5 4 10- 2 / 2) 2 1 142 10- 3 60% ]
= 1 57 L. 土柱淋洗采用定量、定时从土柱上部注入模拟酸
雨, 每天淋洗 400 ml模拟酸雨,以自然连续浸淋的方式淋洗
并收集淋溶液, 测定淋溶液的 Hg含量. 各处理重复 3 次.
2 3 测定方法
土壤 pH 值、水分、CEC、质地等采用土壤常规分析法测
应 用 生 态 学 报 2004 年 9 月 第 15 卷 第 9 期
CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY, Sep. 2004, 15( 9)!1681~ 1683
定,土壤全 Hg 用 HNO3H2SO4KMnO4 消化, 浸提液 Hg 用
H2SO4KMnO4 消化,冷原子荧光测汞仪测定[ 8] .
3 结果与讨论
31 林地黄壤基本性质及其对土壤 Hg 含量影响
调查发现,重庆市缙云山几种植被下的黄壤 Hg含量为
0089~ 0 219 mgkg - 1, 略高于全国黄壤 Hg 背景值( 0 102
∀ 0056 mgkg- 1 ) [ 3] (表 1) . 从剖面分布来看, 3 种林地黄壤
表现为 A0> A1> B, 表明缙云山的林地黄壤有不同程度的
Hg 富集现象,以针叶林的表层最为明显 .土壤的基本性质在
一定程度上影响着土壤 Hg 的吸附和溶出, 土壤有机质和
CEC含量与土壤Hg 含量呈极显著相关( r 分别为 0890* *
和0812* * , n= 10) , 这是由于有机质对 Hg 具有强烈吸附
能力, 直接贡献率达 85 3% (表 2) . 但土壤 CEC 对土壤 Hg
的贡献率只有 111% , 主要是通过有机质 ( 819% )对土壤
Hg起富集作用,而这正显示了森林土壤的特征. 土壤 pH 值
与土壤 Hg 呈显著负相关 ( r= - 0724* , n= 10) , 表明土壤
酸化可降低其对Hg 的吸持能力, 但贡献作用很小( 4 3% ) ,
主要是通过有机质( 85 1% )影响土壤对Hg 的富集作用.
表 1 供试土样理化性质
Table 1 Physiochemical characteristics of tested soils
土壤类型
Soil type
pH 有机质
O. M
( gkg- 1)
质地
Texture
< 0 001mm
( gkg- 1)
CEC
( cmolkg- 1)
全 汞
Hg content
( mgkg- 1)
阔叶林 A0 38 389 37 20 92 0 204
Broadleaf soil A1 40 125 67 170 59 0 188
B 44 27 03 130 40 0 137
竹 林 A0 38 89 21 130 90 0 126
Bamboo soil A1 40 61 26 140 37 0 111
B 46 9 60 200 29 0 089
针叶林 A0 34 414 41 110 118 0 219
Coniferous soil A1 39 46 73 90 43 0 134
B 42 8 59 150 24 0 094
耕地黄壤Arable soil 69 13 91 180 50 0 124
32 模拟酸雨对林地土壤 Hg 的静态溶出能力
模拟酸雨对不同植被土壤的静态浸提试验表明, 林地土
壤Hg 溶出量随土壤不同而异(图 1) , 在几种模拟酸雨 pH 值
下均表现为针叶林地> 阔叶林地> 耕地> 竹林地.这可能是
由于针叶林的枯枝落叶腐解后所形成的有机质中,富里酸含
量较高, 酸性较强,富里酸结合 Hg 更易向水体迁移.阔叶林
和竹林土壤的有机质中,胡敏酸含量较高, 而胡敏酸结合 Hg
的水体迁移性相对较小[ 12] , 因而阔叶林、竹林和耕地土壤
Hg溶出量相对较小, 且与自然条件下土壤吸持 Hg 能力的
顺序相同.统计表明, 4种林地土壤 Hg 溶出量的差异达到了
显著水平[ 1] . 酸雨 pH 值对土壤 Hg的溶出也有明显影响,不
表 2 土壤性质对土壤 Hg的通径系数
Table 2 Path coefficients of soil properties to soil Hg content( Y)
通径 Path O. M of soil# Y CEC# Y pH# Y
土壤有机质 O. M of soil 0853 0088 0059
CEC 0819 0111 0070
pH 0851 0106 0043
图 1 酸雨浸提液中Hg 溶出浓度
Fig. 1 Concentration of Hg leached by acid rain.
1)针叶林黄壤Coniferous soil; 2)阔叶林黄壤 Broadleaf soil; 3)竹林黄
壤 Bamboo soil; 4)耕地黄壤Arable soil.下同 T he same below .
同土壤似乎存在一个 Hg活化的阈值, 在 pH 40 左右, Hg 溶
出量达最大值. 因而, 在重庆市目前的状况下( pH 4 89) , 随
着对酸雨的逐步控制, pH 值不断升高, Hg 的溶出量将减少,
对三峡库区的风险也将减弱.
3 3 酸雨胁迫下不同植被土壤 Hg的动态淋洗试验
3 3 1 动态淋溶对不同植被土壤的影响 经过 16 L pH 为
3 0 的模拟酸雨淋洗, 4 黄壤的淋溶液 Hg 含量表现为前期
波动较大, 后渐趋平缓,且趋于一致(图 1) , 说明经过长期酸
雨的淋洗,土壤中易淋失的 Hg 大部分已被淋滤. 其中,针叶
林黄壤的波动最大, 最大值为最小值的 15 倍. 竹林次之, 最
大值为最小值的 5 倍. 阔叶林地与耕地的波动性相对较小.
溶出 Hg浓度以针叶林地最高,与其它 3 种土壤之间的差异
达到极显著水平. 竹林与阔叶林、阔叶林与耕地之间的无显
著差异. 这可能与土壤性质和 Hg 在土壤中的吸持状态有
关.
图 2 pH 30的酸雨对土壤Hg 溶出动态的影响
Fig. 2 Concentration of Hg leached as influenced by pH 30 acid rain.
3 3 2 土壤 Hg 累积溶出量与酸雨淋洗量的关系 不同植被
条件下, 黄壤抵御酸雨溶出Hg 的能力不同. 4 种土壤淋溶液
Hg累积量随淋洗过程的进行, 其差异逐渐增大(图 3) ,表现
为针叶林地> 竹林地> 阔叶林地> 耕地 ,针叶林、竹林、阔叶
林 Hg的总累积量分别为耕地的 2 9 倍、19 倍和 1 5 倍. 说
明林地土壤中 Hg 具有更高的迁移活性, 以针叶林地中 Hg
的迁移活性最高. 与静态溶出试验结果相一致.
34 酸雨对不同剖面组合阔叶林地 Hg 溶出的影
响
有机质和酸雨是影响土壤Hg溶出的重要因
1682 应 用 生 态 学 报 15卷
图 3 pH 30的酸雨作用下淋溶液 Hg 累积量
Fig. 3 Amount of accumulated Hg as inf luenced by pH 30 acid rain.
素.研究表明[ 16] ,富含有机质的土壤吸附了大量的 Hg, 但土
壤Hg 又确因有机质的存在易于向大气和水体中迁移. 由图
4 可见, 具有枯枝落叶层的阔叶林地土壤的 Hg 溶出总量明
显低于没有枯枝落叶层覆盖的土壤( A0= 0 cm) , 说明土壤枯
枝落叶覆盖对于减少Hg 的溶出具有显著作用. 但在酸雨影
响下, A0 层的厚度与酸雨酸度对 Hg 的溶出存在复杂影响.
无 A0 层时, pH 3 0 的酸雨 Hg 溶出量高于 pH 40, 但存在
A 0层时却以 pH 40 时溶出更多. 这可能是由于无 A 0层时,
酸度是控制Hg 溶出的主要因素; 而存在 A0 层时, 酸雨同时
影响有机质的赋存状态,更低的酸度可使有机质组分絮凝沉
淀而减少其吸持 Hg 的溶出.
图 4 各处理淋溶液 Hg 累积量
Fig. 4 Hg accumulat ion amount of each t reatment .
统计分析[ 4]表明, 阔叶林地土壤A 0层和 A1 层两因素间
的交互作用达极显著水平; A0 层间、pH 值间的差异达显著
水平;而 A1 层间以及 A 0 层与 pH 值、A1 层与 pH 值两因素
间和 A0 层、A1 层与 pH 值三因素间的交互作用不显著,说明
各处理组合的效应不是各单因素效应的简单相加, 而是 A 0
层与 A1 层以及 pH 值三因素相交作用的结果.表明 A1 层厚
度在 5~ 15 cm 厚时, 对 Hg 的垂直迁移作用相近; 只要有 5
cm 以上厚度的 A 1层, 就可以减轻目前重庆市酸雨对阔叶林
地土壤Hg 的危害.
进一步的新复极差测验[ 4]表明,对于阔叶林地土壤, A 0
层为 0 cm 和 5 cm 时无显著差异,但与 A0 层为 2 cm 时均有
显著差异.说明 A0 层太厚、土体层相对较薄时, Hg的垂直迁
移量也将增加.但在相同的土体层厚度下, 当阔叶林中的枯
枝落叶被移走后(没有 A0 层) , 土体裸露,土壤对 Hg 的吸附
较弱, Hg 易迁出土体而污染水体. 因而, 要阻止阔叶林地土
壤中 Hg的溶出,必须封山育林.
多重比较表明[ 4] , pH 40 的酸雨较 pH 3 0 的酸雨更能
促进土壤 Hg 的溶出,且有显著差异.
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作者简介 李 静, 男, 1969 年生, 在职博士生 , 讲师, 主要
从事环境科学与工程教学科研工作, 发表论文多篇. T el:
02368250408; Email: lijing@swau. cq. cn
16839 期 李 静等:酸雨对缙云山林地黄壤汞溶出的影响