海螺沟冰川退缩区中铬的分布、累积与来源

杨闻强,曾熙雯,吕 展,刘楠涛,陈霈嘉,王 训,申 鸿,3,王定勇,3*

海螺沟冰川退缩区中铬的分布、累积与来源

杨闻强1,曾熙雯1,吕 展1,刘楠涛1,陈霈嘉1,王 训2,申 鸿1,3,王定勇1,3*

(1.西南大学资源环境学院,重庆 400715；2.中国科学院地球化学研究所,环境地球化学国家重点实验室,贵州 贵阳 550081；3.重庆市农业资源与环境研究重点实验室,重庆 400716)

以青藏高原海螺沟冰川退缩区为研究对象,借助其长达160a的植被演替序列,探讨Cr的时空分布和累积循环特征,并解析其潜在来源.结果表明,退缩区C层土壤Cr含量为(155.17±32.68) mg/kg,显著高于O层(48.23±10.21) mg/kg (<0.05).随着植被的演替,O层土壤Cr含量随淋溶作用的增强而逐渐降低.在植被系统中,各演替阶段优势种对Cr均无显著富集特征(<1).此外,土壤是冰川退缩区生态系统的主要Cr库(2269.90±234.57) mg/m2,而各样地O层土壤Cr储量约为植被的9～20倍.随着演替的进行,土壤有机质含量升高而植被的“归还作用”减弱,导致Oi、Oe层土壤Cr储量逐渐减小而Oa层和植物Cr储量逐渐增大.研究发现,“高循环强度-低吸收利用”为冰川退缩区生态系统中Cr的主要循环策略.根据主成分解析结果,贡嘎山土壤Cr以母质土壤风化来源为主(68.89%),而大气沉降对其影响并不显著.

冰川退缩区；时空分布；循环特征；源解析

铬(Cr)作为环境中重要的有毒重金属污染物,具有危害大、隐蔽性强、难降解等特征.人类活动和地质作用产生的Cr可通过风化堆积、大气沉降等方式进入土壤环境并在其中积累[1-3].一方面,土壤中过量的Cr(特别是Cr(Ⅵ))会抑制植物的生长,从而降低生态系统的初级生产力;另一方面,土壤中Cr可以通过食物链随生物富集放大,进一步对人体健康和生态安全造成威胁[4-7].

作为地球的“第三极”,青藏高原对全球环境和气候的变化极为敏感.海螺沟冰川作为青藏高原东缘最具规模且海拔较低的海洋性冰川之一,其生态环境随冰川的退缩快速变化,且发育着自小冰期至今完整的植被演替序列[8],因此可作为海洋性冰川退缩区的典型代表.随着全球气候变暖加剧,冰川加速消融,冰川消融后所形成的冰川退缩带能够近似表征植被的原生演替过程,为研究Cr的历史变化与积累过程提供了天然平台[9-11].由于植被演替和气候变化,重金属在冰川退缩区土壤-植被系统中的生物地球化学行为也会随之发生改变[12-13],而冰川退缩后形成的森林土壤可能是重金属重要的汇[14-17].如今有关冰川退缩区Cr的迁移累积机理尚不明晰,鲜有关于植被的演替如何影响群落凋落物中Cr的归还和植被系统对Cr的富集,进而改变Cr在土壤-植被系统中的分布,以及植被-土壤格局变化如何影响土壤Cr的累积,从而导致土壤Cr库的大小发生改变等问题的相关研究.

本研究以贡嘎山海螺沟冰川退缩区为研究对象,分析百年来植被演替各阶段土壤-植被系统中Cr的分布格局与积累过程,探讨了Cr在冰川退缩区生态系统中的循环特征,并对土壤Cr的主要来源进行了定量解析,旨在为高寒山区Cr积累过程的研究提供参考.

1 材料与方法

1.1 样地概况

贡嘎山(29°30′～30°20′N,101°30′～102°15′E)位于四川盆地与青藏高原交界地区[8],地处青藏高原寒带和温暖潮湿亚热带季风区域的过渡地带[18].本研究区域海螺沟冰川退缩区(29°34′21″N, 102°59′42″E) (图1),地处贡嘎山东坡,属山地寒温带气候类型,年平均气温3.8℃,年降水日数在260d以上,年平均降水量约1960mm[19].海螺沟冰川自小冰期开始退缩以来,受人为干扰较小,冰川退缩明显且无冰进过程,形成了长达2km的完整植被演替序列,同时具有连续的成土过程[8,20].本研究通过样地优势木与原生裸地的关系确定冰川末端位置.对于退缩时间小于80a的样地,采用冬瓜杨优势木确定年代;退缩时间大于80a的样地,采用峨眉冷杉优势木确定年代.根据Sun等[21]的研究,海螺沟冰川退缩区先后经历了先锋植物发展时期(1980～2005年样地)—以冬瓜杨为主的阔叶林时期(1958～1980年样地)—由先锋植物阔叶林群落向针叶林顶级群落的过渡时期(1930～1958年样地)—以云冷杉为主的高山暗针叶林顶级群落时期(1860～1890年样地).

图1 贡嘎山海螺沟冰川退缩区采样点

1.2 样品采集与预处理

于2016年、2018年分别集中采集了冰川退缩时间介于1860～2005年样地的土壤和植物样品[22].鉴于同一时间采集的样品类型相同,不会对样品的可比性产生显著影响.其中包括9个土壤采样地(1990年、1985 年、1980年、1973年、1966年、1958年、1936年、1890年和1860年)和12个植被采样地 (2000年、1990年、1985年、1980年、1973年、1970年、1966年、1958年、1936年、1930年、1890年和1860年).冰川退缩区中群落演替的各个阶段分别设置2～4个土壤及植被采集样方.具体而言,每个采样地大小为10m×10m,在各重复样地内,采用蛇形布点的方式,混合5～6个采样点采集的凋落物(Oi层),组成500g左右的样品,以减小空间异质性的影响.本研究的土壤样品按照层次分布采集了半分解层(Oe层)、全分解层(Oa层)和母质层(C层,主要为冰碛沉积物)土壤,其中Oi、Oe和Oa层共同组成土壤有机质层(O层),并测量其容重.由于演替序列时间较短,样地尚无明显矿质层土壤发育.其中各采样点Oa层土壤厚度:各样地C层土壤采样深度为25cm.植物样品按部位采集了样地中乔木层的主要植被(包括冬瓜杨、云冷杉、沙棘和柳树)的树枝、树叶、树皮、树干和根(分为细根、中根、粗根).值得注意的是,部分采样点空间异质性较大,在高异质性样点采样仍不可避免存在误差.

采集的土壤样品于干燥阴凉无尘室内风干后,经玛瑙研钵研磨过200目筛(74μm),同一样品重复研磨过筛5次.采集的植物样品于50℃烘箱烘干后,使用电动研磨机研磨并过60目筛(420μm),同一样品重复操作直至全部过筛.不同样品研磨前用酒精擦洗玛瑙研钵、电动研磨机和筛网.处理后的风干土壤与植物样品分别称量并记录其干重,置于聚乙烯密封袋中保存.

1.3 化学分析

土壤和植物样品经消化预处理后用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)测定微量重金属含量(Cr、Li、Pb、Zn、Cd、As等)[14],具体步骤为:在高压密闭罐中,分别利用HNO3+HF和HNO3+H2O2混合酸对土壤和植物样品进行消解处理,并采用ICP- MS(Agilent-7900)对试样中微量重金属的含量进行测定.仪器稳定状态下,将每10个样品设置为一组并测定一次标准物质[土壤标准物质为GBW07405(GSS-5)黄红壤土壤成分分析标准物质,植物标准物质为GBW10020(GSB-11)柑橘叶生物成分分析标准物质].本研究土壤加标回收率为102%～107%,植物加标回收率为88%～103%.每组设置1个空白样品和1对平行样品.测定过程中,每个样品测定前使用1%HNO3清洗进样管,以保证空白信号残余低于0.1%.平行测定的两次数据标准偏差控制在5%以内.

1.4 统计分析

本研究利用生物富集系数()表示植物对土壤Cr的富集程度,计算公式如下:

式中:植物为植被各部位Cr含量;土壤为土壤O层和C层Cr含量的加权平均值.若>1,则表示Cr在植物体显著富集.

土壤和植被Cr储量()的计算如下:

式中:为样品的Cr含量;为容量大小.

按照植物的生物量,对各乔木类植物的Cr含量进行加权平均,得到乔木类植物Cr的加权平均含量(乔木):

式中:为生物量;H、S、P、A分别代表云冷杉、冬瓜杨、柳树、沙棘.

采用元素生物循环平衡公式,描述Cr在生态系统中的循环特征[23]:

式中:GPP为植物的年生产力;Oi为样地土壤凋落物层的Cr含量;为样地的年凋落物产量;C、R、A分别为各样地植物Cr的年净积累量、年归还量和年吸收量.

元素的循环利用系数公式[24]: