2017, Vol. 38
2. 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;
3. 重庆市农业资源与环境研究重点实验室, 重庆 400716
2. Chongqing Engineering Research Center for Agricultural Non-point Source Pollution Control in the Three Gorges Reservoir Area, Chongqing 400716, China;
3. Chongqing Key Laboratory of Agricultural Resources and Environment, Chongqing 400716, China
水库是典型的汞敏感生态系统[1]，近年来，汞在水库生态系统中的环境地球化学行为受到国内外学者的广泛关注[2, 3]. 有研究显示，水库淹水后鱼体的汞富集是面临的主要问题，被淹没的植被和土壤是水库汞含量升高的重要来源[4, 5]. 由此可见，开展典型水库汞的行为研究极为重要[3, 6, 7].
三峡水库属特大型年调节水库，按照规划设计，水库正常蓄水位高程175 m，坝顶高程185 m，5月底降至防洪限制水位145 m. 这种水库调度方式使得库周形成垂直高度为30 m、 面积400多km2的水库消落带[8]. 每年4~9月的出露期，部分消落带会生长出大量草本植被. 到蓄水期，消落带植物被淹没并分解，不仅能够将氮、 磷等物质释放到水体中，并且这个过程会向水体释放溶解性有机质[9]，同时植物分解也会向水体释放自身所含的汞，产生汞环境风险. 目前，国内外学者对水库消落带土壤和植物淹没后的环境效应进行了一些研究，如植物淹水浸泡后氮磷变化[10]、 可溶性有机碳的释放特征[11]，也有研究者采用室内模拟试验研究了消落带植被、 土壤淹没后向水体释放汞的行为[12, 13]，但室内模拟试验不能很好地代表水库实际淹水状况. 为此，本研究拟通过现场原位淹水试验，分析淹水条件下三峡水库消落带典型草本植物中汞的释放特征，以期为深入了解三峡库区消落带植物淹没后对水库中汞环境化学行为的影响提供基础数据.
1 材料与方法 1.1 研究区概况三峡库区地跨湖北省、 重庆市的21个县(市、 区)，库区范围东经106°14′~111°28′、 北纬28°56′~31°44′，总面积5.8万km2. 其中，重庆段消落带面积306.3 km2，占库区消落带总面积的87.8%[14]. 三峡库区重庆段属于亚热带季风性湿润气候区，多年平均气温15~18℃. 库区多年平均降雨量为1 150.26 mm，雨量充沛但空间分布不均匀. 区内日照少，多雾. 忠县位于重庆东部，境内有溪河28条，均属三峡库区[15]. 由于人为清库和成库后反复水淹，消落带出露期自然植被主要为次生草本植物[16].
1.2 试验材料选择位于三峡库区重庆段的腹心地带忠县石宝寨新政村干流区域(N30°25′7.5″，E108°10′5.5″)，通过调查消落带内草本植物种类及生物量，采集该区域典型的优势草本植物(表 1): 狗牙根[Cynodon dactylon (L.) Pers.]、 酸模叶蓼[Alternanthera philoxeroides (Mart.) Griseb.]、 空心莲子草(Polygonum lapathifolium L.)为供试植物.
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表 1 供试植物的基本性质 Table 1 Basic properties of supplied experimental plants |
1.3 试验方法
采集的植物样品带回实验室后用超纯水洗净，一部分在避光的条件下进行冷冻干燥，磨细过100目筛，混合均匀后测定植物中THg含量； 一部分用于野外现场淹水模拟试验(2014年7~10月)，将洗干净的植物样品避光自然风干后，将3种植物分别装入长30 cm、 宽20 cm、 网孔大小为1 mm2的尼龙网袋内，每袋装10 g(精确到0.01 g)，每种植物装30袋，共90袋. 选择距离采样点较近的忠县石宝寨新政村三峡库区干流区域，将尼龙网袋用渔网兜住沉入水中. 分别在淹水的第3、 5、 10、 15、 20、 25、 35、 45、 60、 75 d将每种植物各取3袋带回实验室待测.
1.4 样品处理与计算方法植物样品用超纯水冲洗，然后避光冷冻干燥，待恒重后称量，并采用DMA-80固体进样自动测汞仪(MA112，ITALY)直接测定植物THg含量[17].
THg累积释放量用每个尼龙袋中植物的初始THg浓度与初始干重(10 g)的乘积减去对应时刻THg浓度与对应时刻植物剩余干重的乘积表示，公示如下:
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(1) |
式中，Ai为i时刻植物THg的累积释放量(ng)； c0和m0分别为植物初始THg浓度(ng·g-1)与初始植物干重(g)； ci、mi分别为i时刻植物THg浓度(ng·g-1)与i时刻植物干重(g). 累积释放量与初始样品干重的比值为单位质量样品的释放量(Ti)，即单位质量释放量(ng·g-1).
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(2) |
式中，Ri为i时刻植物THg的释放速率[ng·(g·d)-1]； Ti为i时刻植物THg的单位质量释放量(ng·g-1)； i为淹水时间(d).
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(3) |
式中，Li为i时刻植物THg的释放负荷(mg·hm-2)； b为研究区域植物的生物量(kg·m-2).
1.5 质量控制与数据分析试验所使用的玻璃器皿在使用前均用硝酸(25%，体积比)浸泡24 h以上，然后用超纯水(18.2 MΩ·cm)洗净后放置马弗炉内在500℃灼烧30 min，于洁净无汞的环境下冷却后使用. 分析过程采用空白试验、 平行试验和标准物质进行质量控制，所采用的植物标样为茶叶成分分析标准物质GBW 10016(GSB-7)，其总汞平均加标回收率为95.6%~102.6%. 样品处理所用化学试剂均为优级纯，水为超纯水(18.2 MΩ·cm). 采用SPSS 18.0及Origin Pro 8软件对数据进行处理和分析.
2 结果与讨论 2.1 消落带草本植物淹水后THg释放过程 2.1.1 植物残体THg含量变化淹水前狗牙根、 酸模叶蓼和空心莲子草中THg初始含量(以干重计)分别为17.32、 25.74和20.56 ng·g-1. 在75 d的淹水期内，3种植物的THg含量在初期持续下降(图 1)，说明淹水后植物中的汞会向水体释放，随着淹水时间的增加，总汞含量下降幅度逐渐变缓. 并且3种植物在淹水过程中THg含量变化存在显著差异(P＜0.05)，说明3种植物淹水后的THg含量与植物种间差异有密切关系. 淹水试验结束后，狗牙根、 酸模叶蓼和空心莲子草的THg含量分别为5.53、 5.95和2.28 ng·g-1.
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图 1 淹水植物THg浓度变化 Fig. 1 Variation of THg concentration in submersed plants |
淹水植物中汞含量是由植物自身的汞和环境中的汞进行交换所决定的[18]. 随着分解过程的进行，植物不断腐烂分解，植物中的汞不断进入水体环境中. 同时，水体中的汞也会被植物体所吸附. 有研究表明[9, 10]，草本植物淹水浸泡后DOC、 N、 P等物质浓度均表现出先增加后减少的趋势，表明淹水初期植物从水体吸附DOC、 N、 P的过程占优势，淹水后期则主要是植物向水体释放相关物质的过程. 而在本试验中，三峡库区消落带草本植物淹水后THg含量持续减少，表明淹水后植物与水体的汞交换过程主要表现出向水体释放汞，并可能对水体环境造成潜在的威胁，之前的研究也指出植物死亡后，枝体腐烂分解，汞随之进入土壤或者水体中[18]，并且该过程给土壤与湿地带来的汞是湿沉降的2~5倍.
2.1.2 植物THg释放动力学3种植物在淹水过程中THg释放动力学基本相似，前期释放较快、 后期逐渐趋于平稳，这与Hall等[19]的研究结果相似. 根据植物淹水后THg释放趋势，用指数方程、 乘幂方程、 对数方程分别对植物中汞的释放过程进行拟合，结果表明: 指数方程拟合最好，达显著水平(P＜0.05). 表 2的公式中，x为淹水时间(d)，y为淹水后植物残体中THg浓度(ng·g-1)，a、 b、 k均为与释放有关的常数. 植物淹水后的分解过程可以分为3个阶段: 第一阶段是快速分解阶段，一些可溶性和不稳定的物质经物理淋洗而释放； 第二阶段是微生物分解阶段； 第三阶段是机械作用阶段，这个阶段尼龙袋中的植物残体受到一些无脊椎动物的破碎作用，表现出分解缓慢的趋势. 因此3种植物淹水后THg含量变化曲线趋于一致[19].
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表 2 植物淹水后释放THg过程的动力学拟合方程 Table 2 Kinetic equations of THg release process from the submersed plants |
2.2 消落带草本植物淹水后THg释放量
消落带典型草本植物淹水后的单位质量THg释放量用淹水植物残体实际测得的累积释放量与样品初始干重的比值来表征. 3种植物的THg释放量总体上呈现逐渐升高的趋势(图 2). 到试验结束时，酸模叶蓼、 空心莲子草、 狗牙根THg的单位释放量分别为23.93、 20.22、 15.19 ng·g-1，占3种植物初始THg含量的 92.97%、 98.35%、 87.70%，表明消落带植物淹水后体内的大部分汞都能释放到水体. 由于植物淹水后的分解过程非常复杂，是物理、 化学、 生物过程综合作用的结果，植物基质是植物淹水后的分解过程的主要影响因素之一[20]，其中C/N比值和木质素含量是最重要的影响因子[19].
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图 2 淹水植物单位质量THg释放量 Fig. 2 Release amount of THg per unit mass from submersed plants |
C/N比值不仅是表征植物分解速率的理想指标[21]，同时也会影响植物中汞的淹水释放过程. 而在本研究所选取的3种植物中，狗牙根的C/N比最高，而THg释放量却最小(表 1和图 2)，可能因为C/N比高的植物淹水后腐烂分解速率较慢[22, 23]，虽然酸模叶蓼的C/N比要高于空心莲子草的，但其THg释放量同样高于后者，可能THg释放量除与植物C/N比值相关外还与植物初始THg含量有关. 并且统计分析表明，3种植物在淹水过程中THg释放量变化存在显著差异(P＜0.05)，也进一步说明植物种间差异影响着其THg释放量.
2.3 消落带草本植物淹水后THg释放速率在75 d的淹水过程中，3种植物单位质量THg释放速率具有类似的变化趋势(图 3). 在淹水的前1周快速上升，并达到最大值，表明淹水初期的水库环境有利于消落带植物中的THg释放到水体中，3种植物(酸模叶蓼、 空心莲子草和狗牙根)的最大释放速率分别为2.65、 2.52、 1.16 ng·(g·d)-1. 随淹水时间的增加，其释放速率逐渐下降，60 d后趋于稳定. 到试验结束时，酸模叶蓼、 空心莲子草、 狗牙根THg释放速率分别为0.32、 0.27、 0.20 ng·(g·d)-1. 植物分解前期主要是易溶物质快速分解过程，这一时期THg的释放主要受植物的初始C/N比值等植物自身基质性质的影响，而后期残留的纤维素等难分解的物质分解速度慢，分解过程主要受微生物的行为影响，分解速率逐渐变缓[24]. 方差分析表明，几种消落带植物THg释放速率虽然存在一定差异，但并未达到显著水平(P>0.05)，表明植物淹水后的THg释放速率与植物本身的性质关系不明显，可能与水体温度、 pH、 流速、 溶解氧等有关.
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图 3 淹水植物单位质量THg释放速率 Fig. 3 Release rates of THg per unit mass from the submersed plants |
在对消落带植被现场勘测和测定的基础上，依据3种消落带典型草本植物的分布比例和样方中各种植物的高度和盖度的数据，计算物种的重要值[15]. 根据重要值，对3种典型草本植物进行分配权重[25]，并结合消落带植被的地上生物量数据估算3种植物单位面积的THg释放负荷(表 3). 到75 d试验结束时，消落带3种草本植物通过淹水腐烂分解，释放到三峡水库的THg负荷从大到小依次为酸模叶蓼(155.55 mg·hm-2)>狗牙根(77.47 mg·hm-2)>空心莲子草(76.84 mg·hm-2). 剩余的植物残体将继续分解，根据估算结果，到植物完全腐烂分解完后，释放到三峡水库的THg负荷从大到小依次为酸模叶蓼(167.31 mg·hm-2)>狗牙根(88.33 mg·hm-2)>空心莲子草(78.13 mg·hm-2).
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表 3 消落带草本植物淹水后THg释放负荷 Table 3 Release load of THg from submersed plants in the water-level fluctuation zone |
由此可见，植物淹水分解后的植物残体有大部分汞释放到水中，是水体汞污染的重要来源之一. 因此，在开展三峡库区水环境汞污染防治时，应尽量在每年蓄水前除去消落带植物，防止植物淹水分解后残体向水中释放汞，或被鱼类食用，进入食物链危害人体健康.
3 结论(1) 淹水条件有利于消落带植物THg的释放. 三峡库区消落带3种草本植物淹水后，植物体中大部分THg随着植物分解而释放到水体中，THg释放过程基本符合指数方程y=a+be-kx，是三峡库区水体汞的重要来源.
(2) 在75d淹水期内，3种典型草本植物的THg释放量持续增加，植物初始THg浓度和植物初始基质中C/N比值是影响植物THg释放量的重要因子. 3种植物的THg释放速率差异不显著，淹水水域的水体性质可能是影响植物THg释放速率的主要因素.
(3) 植物残体完全分解后，酸模叶蓼、 空心莲子草、 狗牙根的THg释放负荷分别为167.31、 78.13、 88.33 mg·hm-2. 因此，应在每年水库蓄水前除去消落带植物，避免其淹水后产生汞环境风险.
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