三峽庫(kù)區(qū)典型農(nóng)田小流域汞的輸入輸出通量及質(zhì)量平衡研究.pdf

1、汞(Hg)是人體非必需的痕量重金屬元素，是公認(rèn)的全球性污染物，可以多種化學(xué)形態(tài)廣泛存在于環(huán)境介質(zhì)和生物體內(nèi)，并可通過(guò)食物鏈中的逐級(jí)累積產(chǎn)生生物放大效應(yīng)。其中，甲基汞(MeHg)是汞及其化合物毒性最高的形態(tài)，對(duì)野生動(dòng)物和人體具有強(qiáng)烈的神經(jīng)毒性。目前世界范圍內(nèi)已發(fā)生多起人體汞中毒事件，其中以20世紀(jì)50年代在日本發(fā)生的水俁病事件最為大家熟知，因此，環(huán)境汞污染一直是環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)問(wèn)題之一。食用被污染的魚(yú)類等水產(chǎn)品目前已被證實(shí)是人類甲基

2、汞暴露的主要途徑，但最新研究表明在我國(guó)西南汞礦區(qū)，食用被污染的稻米也是人群甲基汞暴露的重要途徑之一。因此，自從旨在降低人類和野生動(dòng)物所攝食的食物中MeHg含量的《人類和環(huán)境健康標(biāo)準(zhǔn)》發(fā)布以后，汞在生態(tài)系統(tǒng)中的分布、遷移、轉(zhuǎn)化等環(huán)境化學(xué)行為成為汞問(wèn)題研究的重點(diǎn)課題。汞在大氣、陸域和水生系統(tǒng)間的循環(huán)包括一系列復(fù)雜的物理和化學(xué)過(guò)程，而徑流是聯(lián)系三者間重要的紐帶。降雨不僅能對(duì)大氣中汞進(jìn)行洗脫并沉降至陸域和水面，形成的徑流還會(huì)攜帶流域中汞向水體輸

3、送。因此，大氣汞沉降以及汞從陸域向水生系統(tǒng)的輸出被認(rèn)為是受納水體的主要汞源，而徑流汞和甲基汞輸出特征是流域土壤類型、水文、氣候、土地利用以及人類活動(dòng)綜合作用的結(jié)果。
　　三峽水庫(kù)是舉世矚目的特大調(diào)節(jié)型水庫(kù)，庫(kù)區(qū)流域環(huán)境汞本底相對(duì)較高，土壤抗蝕性能差，加之地勢(shì)起伏且坡耕地面積較大等因素，特殊的地理和水文特征導(dǎo)致庫(kù)區(qū)流域環(huán)境汞問(wèn)題不容忽視。隨著國(guó)家對(duì)庫(kù)區(qū)點(diǎn)污染源控制的加強(qiáng)，可以預(yù)見(jiàn)面源污染對(duì)水庫(kù)水體的影響將會(huì)增加，因此，加強(qiáng)對(duì)庫(kù)區(qū)流域

4、汞的環(huán)境生物地球化學(xué)行為及其對(duì)水環(huán)境的影響研究極為重要。但三峽庫(kù)區(qū)流域面積廣，整個(gè)庫(kù)區(qū)由一系列小流域構(gòu)成，開(kāi)展小流域汞的環(huán)境化學(xué)行為研究是全面了解庫(kù)區(qū)環(huán)境對(duì)水庫(kù)水體影響的突破口。為此，本文選擇三峽庫(kù)區(qū)一典型農(nóng)田小流域——涪陵王家溝小流域?yàn)檠芯繉?duì)象，連續(xù)兩年現(xiàn)場(chǎng)布點(diǎn)監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)地研究了流域內(nèi)汞的輸入輸出通量以及遷移轉(zhuǎn)化特征、主要影響因素，并建立了流域汞的質(zhì)量平衡模型，目的是為清楚地認(rèn)識(shí)汞在庫(kù)區(qū)流域的環(huán)境行為特征及其對(duì)三峽水庫(kù)的環(huán)境效應(yīng)，以及

5、為三峽水庫(kù)汞問(wèn)題的理解、庫(kù)區(qū)流域非點(diǎn)源汞污染評(píng)價(jià)、防范和控制提供研究基礎(chǔ)。具體研究結(jié)果如下:
　　1.大氣汞(TGM)濃度及不同地表類型汞交換通量
　　研究區(qū)TGM濃度范圍為2.67～75.50 ng m-3，冬春季節(jié)顯著高于夏秋季節(jié);均值為6.26±8.11 ng m-3，顯著高于全球TGM濃度背景值。周邊人為汞排放源、臨近區(qū)域汞的遷移擴(kuò)散、地表釋放以及氣象和地形條件是造成研究區(qū)TGM濃度偏高的原因。
　　不同地表類

6、型釋汞通量表現(xiàn)為旱地最高、稻田次之、林地最低;季節(jié)變化均為夏季最高，冬季最低。不同地表類型汞通量日變化趨勢(shì)均表現(xiàn)為早上8:00～12:00間隨著光照強(qiáng)度增加和氣溫上升而顯著上升，正午時(shí)分達(dá)到最大值;在午后隨光照強(qiáng)度和氣溫的降低而減小，午夜時(shí)分出現(xiàn)最小值。
　　地表釋汞通量與光照強(qiáng)度和紫外線強(qiáng)度均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，且對(duì)早地影響最為明顯;與氣溫、土（水）溫具有極顯著正相關(guān)關(guān)系;與相對(duì)濕度之間有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。此外，土壤汞含量和地表

7、類型對(duì)釋汞通量也有一定影響。主成分分析和通徑分析表明，不同地表中釋汞通量的主要影響因素均為氣溫和紫外光強(qiáng)度等，但是回歸方程的決定系數(shù)較低，剩余因子值較高，說(shuō)明除了上述影響因子外還存在對(duì)釋汞通量具有較大影響的因子。
　　2.大氣降水中汞濃度及其沉降通量
　　研究區(qū)降雨中總汞濃度范圍為4.87～86.34 ng·L-1，主要以顆粒態(tài)存在;冬季(73.58 ng·L-1)顯著高于其余三季，全年均值為34.35±27.31ng L-

8、1。降雨中總汞濃度較偏遠(yuǎn)地區(qū)高，汞負(fù)荷主要來(lái)源于當(dāng)?shù)鼐用竦拿禾咳紵r石風(fēng)化導(dǎo)致的地質(zhì)釋汞以及隨大氣遷移的外源性汞;移動(dòng)的交通源對(duì)研究汞負(fù)荷貢獻(xiàn)較低。
　　降雨中甲基汞濃度范圍為0.06～0.82 ng·L-1，全年均值為0.35±0.22 ng L-1，其中顆粒態(tài)占56.37％。甲基汞濃度占總汞濃度比例(％MeHg)為0.36～4.27％，均值為1.46％。甲基汞濃度最高值出現(xiàn)在11月，且秋季顯著高于其他季節(jié)，主要是有利于汞甲基

9、化的地形和氣象條件等所致。
　　總汞月濕沉降通量范圍為0.15～1.38μμg m-2mon-1，均值為0.73±0.41μg m-2 mon-1;甲基汞月濕沉降通量范圍為1.53～28.54 ng m-2 mon-1，均值為10.24±8.58ng m-2 mon-1。監(jiān)測(cè)期間研究區(qū)總汞和甲基汞年總濕沉降量分別為12.43μg m-2yr-1和174.00 ng m-2yr-1，總汞濕沉降通量無(wú)明顯的季節(jié)性差異，甲基汞濕沉降通量

10、表現(xiàn)為秋季明顯高于其他季節(jié)。
　　3.徑流汞輸出通量
　　研究區(qū)徑流中總汞濃度范圍為1.46～46.60 ng L-1，均值為10.40±6.48 ng L-1，冬、春季最高，夏、秋季最低?？偧谆瘽舛确秶鸀?.01～1.47 ng L-1，均值為0.15±0.15 ng L-1，冬季明顯低于其他3季，而春、夏、秋季間未表現(xiàn)出明顯的差異。Sub-1總汞濃度高于Sub-2，但甲基汞濃度則相反，這是由于Sub-1地形相對(duì)陡峭，坡

11、度較大，且底部主要為旱地，不利于汞的存留;而Sub-2底部較為平坦且以稻田為主，有利于汞的存留和甲基化。
　　總汞月徑流輸出通量范圍為0(未采集到徑流)～0.74μg m-2 mon-1，均值為0.11±0.18μg m-2 mon-1，甲基汞月徑流輸出通量范圍為0(未采集到徑流)～11.89ng m-2 mon-1，均值為1.57土2.69 ng m-2 mon-1，均表現(xiàn)為春秋季高，夏冬季較低。研究區(qū)總汞和甲基汞年輸出通量分別

12、為2.5±1.3μg m-2yr-1和36±25 ng m-2yr-1，Sub-1和Sub-2分別為1.69±0.86μg m-2yr-1、0.8±0.44μg m-2yr-1和24.5±17 ngm-2yr-1、11.5±7.4 ng m-2yr-1，證實(shí)不同流域特征（土地利用類型、地形、水文、以及人類活動(dòng)）對(duì)總汞和甲基汞在土壤中的存留具有重要影響。
　　春、秋、冬三季徑流總汞和甲基汞輸出通量均與徑流量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，因此在

13、這三季較高的總汞和甲基汞輸出通量是由徑流量控制。夏季則無(wú)明顯相關(guān)關(guān)系，表明由于研究區(qū)人為活動(dòng)以及甲基汞在環(huán)境中的易變性，可能存在其他影響徑流總汞和甲基汞輸出通量的因素（如蒸發(fā)、滲透、居民對(duì)徑流截留用以灌溉等）。
　　4.偶發(fā)降雨事件對(duì)徑流中汞輸出特征的影響
　　監(jiān)測(cè)期間降雨量變化迅速導(dǎo)致徑流量的變化，降雨量與徑流量表現(xiàn)出極顯著正相關(guān)關(guān)系。本次降雨事件的徑流率（徑流量所占降雨量的百分比）為14.56％，失水原因主要為截留以灌溉

14、、蒸發(fā)、滲透以及地表存儲(chǔ)（如井和塘等水體）。
　　降雨中總汞和甲基汞濃度分別為13.12±0.91 ng L-1和0.18±0.03 ng L-1，顆粒態(tài)含量分別占總量的87.60％和60.73％，甲基汞占總汞比例為1.35％。降雨徑流中總汞和甲基汞濃度范圍分別為3.89～52.55 ng L-1和0.06～2.97 ng L-1，徑流初期總汞和甲基汞濃度顯著高于徑流后期。研究期間總汞和甲基汞濕沉降通量分別為0.37μg m-2和

15、5.00 ng m-2，輸出通量分別為0.73μg m-2和35.40 ng m-2，且主要以顆粒態(tài)為主。
　　雖然研究區(qū)徑流率僅為14.56％，總汞和甲基汞均表現(xiàn)出凈輸出特征，存留率分別為-22.27％和-82.05％，表明在降雨對(duì)土壤的沖刷也是徑流中汞的重要來(lái)源。初始沖刷效應(yīng)分析也表明總汞和甲基汞均表現(xiàn)出較為明顯的初始沖刷效應(yīng)，且甲基汞初始沖刷效應(yīng)更明顯，表明原位甲基化對(duì)降雨徑流的污染負(fù)荷具有顯著影響。
　　5.研究區(qū)汞

16、的質(zhì)量平衡
　　研究區(qū)總汞和甲基汞大氣沉降（干濕沉降）量分別為17.40±3.21 gyr-1和232.96±69.63 mgyr-1;經(jīng)枯落物（葉面吸收）向流域輸入總汞的量為0.72±0.13 gyr-1，枯落物甲基汞輸入量為2.93±0.54 mgyr-1;地下水向流域輸入總汞和甲基汞量分別為5.94 gyr-1和5.31 mgyr-1。人為活動(dòng)向研究區(qū)輸入總汞量最為重要，為31.49 gyr-1，占總汞輸入量的56.69％;

17、甲基汞主要是由干濕沉降輸入，占總輸入量的96.58％。
　　研究區(qū)由地表向大氣釋汞量為103.17±87.13 gyr-1，是研究區(qū)總汞主要輸出源;研究區(qū)農(nóng)作物收獲向外輸出總汞和甲基汞的量分別為2.78 gyr-1和195.05mgyr-1。研究區(qū)對(duì)甲基汞表現(xiàn)出“匯”的作用，但對(duì)總汞表現(xiàn)出凈輸出的“源”特征，總汞和甲基汞存留率分別為-94.02％和8.34％。研究區(qū)向三峽水庫(kù)年輸入總汞和甲基汞量分別為1.83±0.94 gyr-1