2015, Vol. 36
2. 西南大学园艺园林学院, 重庆 400715;
3. 重庆市三峡库区农业面源污染控制工程技术研究中心, 重庆 400716
, WANG Yong-min1, LI Xian-yuan2, TANG Zhen-ya1, ZHANG Xiang1, ZHANG Cheng1,3, WANG Ding-yong1,3
2. College of Horticulture and Landscape Architecture, Southwest University, Chongqing 400715, China;
3. Chongqing Engineering Research Center for Agricultural Non-point Source Pollution Control in the Three Gorges Reservoir Area, Chongqing 400716, China
汞及其化合物具有很强的生物毒性，其在水生生态系统中的分布、 迁移和转化等环境化学行为在过去几十年以及现在都是汞问题研究的重点. 已有大量研究显示，新建水库鱼体甲基汞富集问题严重，而被淹没土壤和植被是水库水体汞及鱼体甲基汞增高的重要来源[1, 2, 3]. 三峡水库作为我国最大的调节型水库，每年9月开始蓄水，10月底蓄水至正常水位高程175 m，至次年3月开始退水，5月底降至防洪水位145 m，水库周围形成了垂直高度为30 m，面积超过400 km2的水库消落带[4]. 在每年3~9月的出露期，消落带的大片区域会生长出茂密的草本植被，植物作为陆地生态系统的第一生产者，也是生态系统中汞的重要输入输出途径[5,6]，对汞有较强的生物富集效应，极易通过生物积累进入到生态系统中[7, 8]. 到蓄水期，消落带植物被淹没并分解，它所吸收的汞将会被释放到水体中[9, 10]，在有机质丰富的厌氧环境，被释放的汞更易转化为甲基汞[1]，产生更大的环境风险. 因此，研究三峡水库消落带植物汞的分布特征及其库存量，以期为深入了解三峡库区汞的生物地球化学循环及其生态风险提供理论基础.
1 材料与方法 1.1 样品采集及预处理选择位于三峡库区重庆段的忠县石宝寨、 涪陵珍溪和开县汉丰湖这3个代表性地点(图 1)，于2014年7月植物生长茂盛期，调查并采集了狗牙根等20余种植物样品(表 1)，并在植物生长区域采集表层土壤样品. 同时，根据三峡库区水库调度运行特征和高程，将消落带由低到高划分成4条水位梯度带，即下部(145～150 m)、 中部(150～160 m)和(160～170 m)、 上部(170～175 m). 在每个水位梯度带内随机设置3个1 m×1 m样方，齐地刈割样方内所有植物的地上部分，带回实验室洗净后在50℃烘干至恒重，计算地上部生物量.
 | 图 1 植物及土壤样品采集点 Fig. 1 Sampling sites of plants and soil samples |
 | 表 1 三峡库区消落带植物种类及其丰富度1) Table 1 Species and abundance of plants in the water-level-fluctuation zone of the Three Gorges Reservoir area |
将采集的土壤样品于冻干机冻干、 玛瑙乳钵磨细并过100目筛，测定总汞及甲基汞； 植物样品用去离子水洗净，将根、 茎和叶剪开，分别用冻干机冻干后，再用微型植物碎样机粉碎过100目筛，封装入自封袋中冷冻保存待测定其总汞及甲基汞. 其中狗牙根因叶子细小，难以与茎分开，故对茎叶同时进行测定.
1.2 分析方法植物及土样总汞直接采用DMA-80固体进样自动测汞仪(意大利麦尔斯通公司)进行测定； 植物甲基汞采用溶剂萃取-水相乙基化衍生-色谱与冷原子荧光检测器(GC-CVAFS)联用的方法测定[11]； 土壤甲基汞采用萃取-乙基化结合GC-CVAFS 法测定[12].
1.3 质量控制及数据处理试验所使用的玻璃器皿在使用前均在硝酸(25%，体积比)溶液中浸泡24 h以上，然后经超纯水清洗后，在500℃下灼烧30 min后，在洁净无汞的环境下冷却后使用. 分析过程中采用空白试验、 平行试验和标准物质测定进行质量控制，试验药品均为优级纯或色谱纯. 所采用的土壤和植物样品总汞标准物质分别为GBW07405(CSS-5)和GBW10016(GSB-7)，测定过程中其加标回收率为93%~108%； 甲基汞测定加标回收率为85%~117%.
由于植物样品种类多，汞含量不同，即采用汞加权平均含量(c0)来计算植物地上部汞存量，计算公式如下:
植物总汞或甲基汞储量(R)计算公式为:
数据分析使用Excel 2013以及SPSS 18.
2 结果与讨论 2.1 消落带植物群落分布及地上部生物量消落带植物群落类型不仅与库区地质地貌、 原有植物群落类型及人类活动等关系密切，还与该区域落干期、 淹水期时间长短有密切关系. 本次野外调查发现，分布于三峡库区干流区忠县石宝寨及涪陵珍溪的消落带植物约有11科28种，其中禾本科8种，菊科5种，蓼科3种，苋科3种，豆科2种，莎草科2种，大戟科、 茄科、 千屈菜科、 柳叶菜科和玄参科各1种； 而三峡库区支流区开县汉丰湖消落带约有8科21种，其中禾本科6种，菊科5种，蓼科2种，苋科2种，豆科2种，莎草科2种，茄科、 桑科各1种(植物种类及丰富度见表 1).
调查期间，三峡水库水位为147 m，大部分消落带处于落干状态，消落带植物经过3～4个月自然生长，植被茂盛，种类较多. 调查发现，库区水位不同，所形成的消落带植物结构和数量也不同. 例如，在库区干流区忠县石宝寨和涪陵珍溪镇，145～150 m高程，自然植被以狗牙根和空心莲子草为优势种，150～160 m高程，自然植被主要为稗草，160～170 m高程，自然植被主要为苍耳、 狼杷草和酸模叶蓼； 在库区支流开县汉丰湖，其库边145~165 m区域几乎呈垂直状，165~170 m区域则较为平坦，所以植被主要集中生长在165~170 m这一区域，自然植被主要是狗牙根、 苍耳、 空心莲子草、 葎草和碎米莎草.
消落带植被地上生物量不仅反映植被的生长状况，也反映了当地自然环境的变化情况，其不仅影响植被结构及物种分配，也会影响陆地生态系统和水生生态系统汞的迁移转化. 三峡库区消落带145～150 m高程植被地上生物量最少，地上生物量均值为(0.44±0.04) kg ·m-2； 150～160 m高程地上生物量较之有所增加，平均值为(0.62±0.04) kg ·m-2； 160～170 m高程地上生物量明显增加，平均值为(0.83±0.11) kg ·m-2； 170～175 m高程生物量又略有下降，平均值为(0.73±0.08) kg ·m-2. 总体看来，三峡库区消落带植被地上生物量呈“少-多-少”的分布趋势.
2.2 消落带植物总汞的分布特征表 2列出了三峡水库干流及支流消落带植物各部位总汞含量. 从中可以看出，不同科属植物对汞的吸收有差异，不同区域的相同植物对汞的吸收也不同，植物各部位也表现出不同的吸收能力. 植物根部总汞含量在(3.61±1.99)～(49.42±3.93)μg ·kg-1范围，茎部汞含量在(1.62±0.57)～(36.42±4.42)μg ·kg-1范围，叶部总汞含量在(5.98±2.25)～(35.61±6.22) μg ·kg-1范围. 从植物不同部位的总汞含量均值来看，根、 茎和叶分别为(21.69±10.99)、 (18.15±8.31)和(6.96±6.71) μg ·kg-1，这与Ferrara等[13]研究发现植物叶汞含量高于茎汞一致.通过对比不同区域消落带植物总汞含量发现，开县汉丰湖消落带绝大部分植物汞的含量均高于忠县石宝寨和涪陵珍溪同类型植物 (P＜0.05)，这可能与消落带所处的地理位置有关，开县汉丰湖消落带地势较高，落干期长而淹水期短，且该区域处于城市中心，受到人为干扰较大； 而忠县石宝寨和涪陵珍溪地理位置较为偏僻，受外界环境的影响较小，且同期开县汉丰湖消落带土壤总汞含量[(70.43±9.12) μg ·kg-1]高于忠县石宝寨[(60.79±7.20) μg ·kg-1]和涪陵珍溪消落带土壤总汞[(56.15±12.32) μg ·kg-1]的含量.
| 表 2 三峡库区消落带植物总汞含量/μg·kg-1 Table 2 THg concentrations in plants in the water-level-fluctuation zone of the Three Gorges Reservoir area/μg·kg-1 |
在科属类型最多的禾本科植物中，忠县石宝寨消落带植物根、 茎和叶部总汞含量最高的分别是狗牙根[(42.27±6.13) μg ·kg-1]、 狗尾草[(8.49±0.94) μg ·kg-1]、 金色狗尾草[(17.34±4.24) μg ·kg-1]； 最低的则是稗草[(11.23±5.93) μg ·kg-1]、 野黍[(1.62±0.57) μg ·kg-1]、 狗牙根[(3.36±1.36) μg ·kg-1]. 涪陵珍溪消落带植物根、 茎和叶部总汞含量最高的分别是牛筋草 [(31.23±8.51) μg ·kg-1]、 野黍[(4.23±2.95)μg ·kg-1]、 金色狗尾草[(11.26±6.25) μg ·kg-1]； 最低的则是稗草[(10.63±4.62) μg ·kg-1]、 牛筋草[(1.67±1.37) μg ·kg-1]、 狗牙根[(4.78±0.53) μg ·kg-1]. 开县汉丰湖消落带植物根、 茎和叶部总汞含量最高的分别是狗牙根[(49.42±3.93)μg ·kg-1]、 荩草[(19.23±5.54) μg ·kg-1]、 牛鞭草[(9.00±0.37) μg ·kg-1]； 最低的则是荩草[(7.84±3.67) μg ·kg-1]、 稗草[(4.69±2.08) μg ·kg-1]、 狗牙根[(6.93±3.98) μg ·kg-1]). 其余科属中，除了忠县石宝寨消落带植物大戟科铁苋菜根部[(44.14±8.34)μg ·kg-1]、 开县汉丰湖消落带苋科青葙茎部[(36.42±4.42) μg ·kg-1]和豆科合萌叶部[(35.61±6.22) μg ·kg-1]总汞含量相对较高外，其余科属植物根、 茎和叶总汞含量都较低，范围在(1.90±0.20)～(34.64±9.89) μg ·kg-1，这与国内外研究所报道的大多数地区植物汞含量相一致[14]. 优势植物苍耳其叶部汞含量高于根部，这可能是由于苍耳叶面积大，叶片不仅可以通过气孔吸收大气汞，也可以从降水中吸收汞[15, 16].
2.3 植物甲基汞的分布特征一般来说，甲基汞在植物体内的含量较低，一般占总汞5%以下，这与土壤中甲基汞的含量非常一致，但一些生长于生物甲基化能力较强场所的植物甲基汞百分含量则会较高[17]. 从三峡库区消落带植物各部位甲基汞含量分布情况来看(表 3)，对于同种植物而言，开县汉丰湖(支流)消落带植物各部位的甲基汞含量高于其他两个区域消落带植物； 而同期开县汉丰湖土壤甲基汞含量[(1 387.51±35.5) ng ·kg-1]高于忠县石宝寨[(412.96±28.77) ng ·kg-1]和涪陵珍溪[(459.10±8.13) ng ·kg-1].
| 表 3 三峡库区消落带植物甲基汞含量/ng·kg-1 Table 3 MeHg concentrations in plants in the water-level-fluctuation zone of the Three Gorges Reservoir area/ng·kg-1 |
在禾本科植物中，3个区域消落带的狗牙根甲基汞含量最高，其根部含量在(1 053.43±285.77)～(1 785.77±963.64) ng ·kg-1范围，茎叶部含量在(317.71±52.69)～(489.38±152.37) ng ·kg-1范围，这可能与狗牙根的特性有关，它具有发达的根状茎和匍匐茎且能够忍耐长期深淹胁迫[18]，三峡库区消落带长期处于干湿交替的环境下，而淹水环境有利于土壤甲基汞的生成，狗牙根长期生活在淹水环境下，能够富集更多的甲基汞. 忠县石宝寨消落带植物根、 茎部甲基汞含量最高的植物均为狗牙根，分别为(1 632.04±820.50) ng ·kg-1和(422.63±208.63) ng ·kg-1，叶部含量最高的则是野黍[(420.44±51.03) ng ·kg-1]； 而根、 茎和叶含量最低的植物是牛鞭草[(253.15±18.52) ng ·kg-1]、 狗尾草[(30.87±16.02) ng ·kg-1]、 牛筋草[(76.32±49.53) ng ·kg-1]. 涪陵珍溪消落带植物根、 茎部甲基汞含量最高的植物也均是狗牙根，分别为(1 053.43±285.77) ng ·kg-1和(317.71±52.69) ng ·kg-1，叶部含量最高的植物是野黍[(246.39±101.81) ng ·kg-1]； 而根、 茎和叶含量最低的植物则是牛筋草，分别为(257.43±110.94)、 (49.23±17.50)和(77.69±32.62) ng ·kg-1. 开县汉丰湖消落带植物根、 茎部甲基汞含量最高的植物均是狗牙根，分别为(1 785.77±963.64) ng ·kg-1和(489.38±152.37) ng ·kg-1，叶部含量最高的是稗草[(307.34±75.20) ng ·kg-1]； 最低的植物则是牛鞭草[(256.77±87.78) ng ·kg-1]、 金色狗尾草[(85.68±22.43) ng ·kg-1]和荩草[(130.23±61.20) ng ·kg-1]. 3个区域消落带金色狗尾草、 牛筋草、 野黍、 牛鞭草、 荩草、 马唐和狗尾草各部位甲基汞含量为根>叶>茎； 而稗草和苍耳各部位甲基汞含量则是根>茎>叶. 在菊科植物中，3个区域消落带植物苍耳根部和茎部甲基汞含量较高，分别为(895.65±177.83) ng ·kg-1 和(488.04±132.98) ng ·kg-1，而叶部则是涪陵珍溪镇黄花蒿最高，为(373.07±111.34) ng ·kg-1. 其余科属植物中，消落带优势种苋科空心莲子草根部甲基汞含量最高，为(1 974.67±946.10) ng ·kg-1，而藜科土荆芥其根、 茎和叶甲基汞含量都相对较低，其中茎部甲基汞含量最低的为碎米莎草[(34.60±9.52) ng ·kg-1]，玄参科植物母草叶部甲基汞含量最低，为(15.27±7.09) ng ·kg-1.
植物将甲基汞吸收至体内后进行各器官的再分配，有的植物只将少量甲基汞向地上部分转移，而大量囤积于根部如狗牙根、 稗草、 酸模叶蓼和空心莲子草等； 有的植物虽然生长在同一区域，却只吸收少量的甲基汞，如母草； 还有的植物叶部的甲基汞含量高于其根部和茎部，如龙葵、 青葙等，这可能是由于这种植物对甲基汞的转移能力较强.
2.4 消落带优势植物总汞和甲基汞的累积特征生物富集系数(bioaccumulation factor，BAF)以及转移系数(transfer factor，TF)是描述植物体内重金属累积特征的常数. 其中生物富集系数是指植物体内某种重金属浓度与土壤中同种浓度的比值[19]，富集系数反映植物对重金属的富集能力，富集系数越大，则富集能力越强. 转移系数是植物地上部分重金属的含量除以植物根中该重金属的含量，反映了该植物吸收重金属后，从根部向茎、 叶转移的能力[20]. 从生物富集系数来看，几种优势植物对总汞的富集能力都较弱，BAF＜1(见表 4)，这说明3个区域消落带的优势植物对总汞都有一定的耐受能力，但是这3个区域消落带植物体内汞的浓度远没有达到超富集植物的临界标准(>3.5 mg ·kg-1)[21]，因此不具备超富集植物的特征； 而消落带这几种优势植物对甲基汞的富集能力都较强，BAF＞1，有研究证明植物可以通过叶片气孔的呼吸作用从大气中吸收甲基汞[14]，但主要还是通过根部从土壤和土壤溶液中吸收和富集甲基汞[21]，且消落带淹水后会促进土壤甲基汞的生成[8]，这也可能是导致植物甲基汞富集较强的原因之一. 从转移系数来看，苍耳、 狼杷草、 酸模叶蓼以及空心莲子草对总汞运输能力较强，TF＞1，其中苍耳最强其TF值达到(2.35±1.05)，最弱的狗牙根其TF为0.13±0.04； 对于甲基汞而言，转移能力最强的则是狼杷草TF为0.64±0.10，这几种优势植物TF＜1，表明这些植物吸收甲基汞后向地上部分转移的能力较弱，这可能是由于根部与其他组织间有很强的阻碍汞迁移的机制所致[21, 22].
| 表 4 三峡库区消落带优势植物的生物富集系数与转移系数 Table 4 Bioaccumulation factor (BAF) and transfer factor (TF) of dominant plants in the water-level-fluctuation zone of the Three Gorges Reservoir area |
三峡水库独特的调节方式，使得大面积平缓消落带在落干期生长植被吸收土壤及大气的汞并储存汞. 通过对三峡库区消落带主要优势植物(狗牙根、 稗草、 金色狗尾草、 苍耳、 狼杷草、 酸模叶蓼和空心莲子草)的加权平均浓度及植物汞储存量公式计算得出，三峡库区消落带4个高程植物总汞及甲基 汞储存量存在差异(见表 5)，总汞储存量由高到低依次为150～160、 145～150、 160～170和170～175 m，而甲基汞依次为160～170、 170～175、 150～160和145～150 m. 不同高程植物汞储存量不仅与植物群落分布有密切关系，同时也与不同高程消落带土壤生物可利用性汞含量有关[24]，另外干湿交替下消落带土壤养分有所变化[25]，也直接或间接的影响到了植物汞储量.
| 表 5 沿高程梯度消落带汞储量分布 Table 5 Distribution of carbon storage along elevation grade in drawdown area of THg and MeHg |
(1)本研究所调查的三峡库区消落带植物优势自然植被为一年生草本植物，所调查的植物汞含量均在正常范围内，开县汉丰湖消落带植物各部位总汞和甲基汞含量均高于其他两个区域消落带的同类植物，说明城市污染及人为活动的干扰对三峡库区消落带汞含量有明显的影响. 不同植物对总汞和甲基汞的吸收能力不同，同一植物各部位对总汞和甲基汞的吸收也有差异. 植物各部位总汞含量均呈根＞叶＞茎的趋势分布，而甲基汞含量则是根部高于茎部、 叶部.
(2)在三峡库区消落带所调查的植物对汞吸收都没有达到超临界植物规定的临界值，但其主要优势植物对汞均有一定的耐受性，对总汞的富集能力较弱而对甲基汞的富集能力则较强. 其中狗牙根、 狗尾草、 牛筋草对总汞有明显的吸收，狗牙根、 酸模叶蓼和空心莲子草对甲基汞有明显的吸收，这几种禾本植物可以作为消落带降低汞污染的先锋物种.
(3)消落带植被地上生物量呈先增加后减小的变化趋势，即消落带下部＜消落带上部＜消落带中部. 不同高程地上部分汞储存量分配格局存在差异，其中消落带中部即160～170 m高程最高，其群落中湿地植物及生物量也较多，该高程淹水时间在5～6个月，植物长时间淹水既利于汞的释放又利于无机汞向甲基汞转化.
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