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漢江流域是我國(guó)南水北調(diào)工程的重要水源地之一。河岸帶不同區(qū)域土壤重金屬污染的生物地球化學(xué)過(guò)程和空間異質(zhì)性規(guī)律對(duì)動(dòng)態(tài)特性河岸帶的功能與修復(fù)重建有重要意義。
本研究中首先確定具有代表性（土壤類型、植被類型及地貌部位）的樣點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)室用不同的方法對(duì)樣品的物理和化學(xué)特性進(jìn)行了有效的測(cè)定?；诮?jīng)典數(shù)理統(tǒng)計(jì)和地學(xué)空間插值方法探討了漢江流域重金屬生物地球化學(xué)循環(huán)的空間分異規(guī)律。最后總結(jié)規(guī)律，提出可行的解決方案。土壤發(fā)育過(guò)程各成土因素，如土壤母質(zhì)、氣候條件、生物過(guò)程、地形條件、發(fā)育階段及人類活動(dòng)使得土壤的發(fā)育條件表現(xiàn)出多樣性和復(fù)雜性。氣候因素直接影響土壤的水、熱狀況,決定了土壤中所有的物理、化學(xué)和生物的作用機(jī)理和作用結(jié)果，影響土壤形成過(guò)程的方向和強(qiáng)度。地形通過(guò)其他成土因素對(duì)土壤起作用，其作用是引起地表物質(zhì)與能量的再分配，提供土壤和環(huán)境之間進(jìn)行物質(zhì)和能量交換的一個(gè)條件。離子水化半徑或離子的相對(duì)有效電荷系數(shù)與土壤顆粒表面電場(chǎng)作用的不同是各體系中離子吸附動(dòng)力學(xué)有差別的根本原因。土壤侵蝕和地表徑流中溶質(zhì)運(yùn)移的重要作用，降雨濺水沖刷的泥沙和徑流溶質(zhì)的互動(dòng)效應(yīng)。土壤重金屬污染評(píng)價(jià)是考察區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)的重要手段。土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)揭示區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)及生物可利用性等。目前,重金屬污染評(píng)價(jià)方法大多數(shù)是從評(píng)價(jià)沉積物的Hakanson 方法與地質(zhì)累積指數(shù)法沿用而來(lái)，通過(guò)單因子污染指數(shù)、內(nèi)梅羅多因子綜合污染指數(shù)等對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行一般性的指標(biāo)評(píng)價(jià),而潛在生態(tài)指數(shù)法(RI)成為目前最常用的評(píng)價(jià)重金屬污染程度的方法之一。這些研究方法被廣泛應(yīng)用于土壤環(huán)境評(píng)價(jià)中,并取得了大量研究成果。漢江流域是我國(guó)南水北調(diào)工程的重要水源地之一。河岸帶不同區(qū)域土壤重金屬污染的生物地球化學(xué)過(guò)程和空間異質(zhì)性規(guī)律對(duì)動(dòng)態(tài)特性河岸帶的功能與修復(fù)重建有重要意義。土壤溶質(zhì)運(yùn)移的研究己成為土壤學(xué)、生態(tài)學(xué)、水資源學(xué)以及資源與環(huán)境科學(xué)等相關(guān)學(xué)科的基礎(chǔ)和前沿研究領(lǐng)域，越來(lái)越得到重視。本研究通過(guò)典型亞熱帶森林－農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)臨界帶的土壤－植被系統(tǒng)土壤無(wú)機(jī)物風(fēng)化與有機(jī)物相互關(guān)系，探討了土壤不同生態(tài)環(huán)境因子作用元素的生物地球化學(xué)循環(huán)和空間分異的主驅(qū)動(dòng)因子。探討了土壤－植被－水系統(tǒng)物質(zhì)交換導(dǎo)致土壤侵蝕與養(yǎng)分流失、土壤重金屬活化形成的環(huán)境污染、生態(tài)退化及生態(tài)危害相互作用的關(guān)鍵性問(wèn)題。

1 材料與方法
本研究中首先確定具有代表性（土壤類型、植被類型及地貌部位）的樣點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)室用不同的方法對(duì)樣品的物理和化學(xué)特性（土壤容重、土壤pH值、土壤電導(dǎo)率、土壤顆粒和機(jī)械組成、土壤重金屬、胡敏酸和富里酸、土壤土壤有機(jī)質(zhì)等）進(jìn)行了有效的測(cè)定?；诮?jīng)典數(shù)理統(tǒng)計(jì)和地學(xué)空間插值方法探討了漢江流域重金屬生物地球化學(xué)循環(huán)的空間分異規(guī)律。
1.1土壤剖面樣品的采集
根據(jù)土壤類型（黃棕壤、黃褐土、棕壤、白漿化棕壤、棕壤性土、暗棕壤、鈣質(zhì)粗骨土）和土地利用（農(nóng)田、旱耕地、山頂自然混合林、山腰自然混合林、山腳自然混合林、人工經(jīng)濟(jì)林、自然山原始森林）類型不同分別采樣。在枯枝落葉層樣品采集完成后，在表土層0－10cm和30－40cm深度進(jìn)行環(huán)刀采樣，共采集土壤樣品84個(gè)。同步進(jìn)行地溫計(jì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定土壤溫度pH值、濕度的測(cè)定。各采樣點(diǎn)的相對(duì)坐標(biāo)采用差分GPS定位技術(shù)確定。
1.2土壤樣品的測(cè)定
在進(jìn)入40℃烘箱內(nèi)烘干前后用分別測(cè)定土壤質(zhì)量、換算得到土壤質(zhì)量含水量；土壤礦物元素全量通過(guò)X射線熒光光譜分析測(cè)定（Axios Advanced (pw4400)XRF(WD-XRF)；土壤機(jī)械組成和顆粒有機(jī)物測(cè)定法（MPO法）測(cè)定 ；土壤土壤有機(jī)質(zhì)（SOM）和腐殖酸的測(cè)定；YSI6920水質(zhì)測(cè)定儀原位測(cè)定pH值、電導(dǎo)（EC）、總?cè)芙庑怨腆w（TDS）、氨氮（NH4+-N）及硝氮NO３－-N；采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP-AES,USA）測(cè)定各種生境下森林自然降水水溶液、凋落物水溶液、土壤水溶液、河水水溶液各金屬元素含量；原位滴定水中HCO3－離子。
1.3 風(fēng)化作用的定量分析
為了揭示流域范圍內(nèi)的地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程，本研究分析了常量元素的化學(xué)蝕變指數(shù)（CIA）、鈉鉀比（Na/K）、硅鋁率（SA）硅鋁鐵率（SAF）等。
（1）化學(xué)蝕變指數(shù)（CIA）計(jì)算：CIA作為判斷化學(xué)風(fēng)化的指標(biāo)，有效地指示了樣品中長(zhǎng)石風(fēng)化成粘土礦物的程度。.Nesbitt等人提出CIA指數(shù)以反映化學(xué)風(fēng)化的程度。CIA值表示為：
(2)
其中，含量均為氧化物分子摩爾數(shù)，CaO*為硅酸鹽礦物中的摩爾含量，去除碳酸鹽和磷酸鹽中的CaO含量。由于硅酸鹽中的CaO與Na2O通常以1:1的比例存在，所以S.M.McLennan認(rèn)為當(dāng)CaO的摩爾數(shù)大于NaO，可認(rèn)為nCaO*=nNa2O，而小于Na2O時(shí)則nCaO*＝nCaO。
（2）土壤可蝕性（K）：是表征土壤對(duì)降雨滲透能力以及 其對(duì)降雨或徑流剝蝕和搬運(yùn) (3)
土壤侵蝕系數(shù)，是土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型中的必要參數(shù)。國(guó)際上常用K值作為土壤可蝕性的度量指標(biāo)。采用EPIC模型中土壤K值的算式（公式3）。式中，Sa為砂粒（0．05—2mm）的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，Si為粉粒（0.002—0.05mm）的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，Cl為黏粒（<0.002mm）的重量百分?jǐn)?shù)，C為百分?jǐn)?shù)表示的土壤有機(jī)碳含量，由有機(jī)質(zhì)含量除以1.724得到[25]。
1.4.重金屬污染的生物毒性評(píng)價(jià)
采用單因子污染指數(shù)（Pi）、內(nèi)梅羅多因子綜合污染指數(shù)（P）、單一重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)（Eir）、綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)（RI）進(jìn)行評(píng)價(jià)。
在進(jìn)行以上土壤染污評(píng)價(jià)時(shí)，單因子污染指數(shù)（Pi）和內(nèi)梅羅多因子綜合污染指數(shù)（Pave）的具體指標(biāo)參照國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范[]。
通過(guò)研究分析得到了以下的研究結(jié)論：一、流域內(nèi)的土壤風(fēng)化已基本完成早期階段的去Ca，Na風(fēng)化階段，進(jìn)入K風(fēng)化階段。從流域范圍內(nèi)土壤礦物組成來(lái)看，自北向南由上游到下游土壤顆粒呈現(xiàn)變細(xì)的趨勢(shì)。對(duì)常量元素的統(tǒng)計(jì)分析表明，流域內(nèi)絕大部分常量元素的地球化學(xué)行為表現(xiàn)為遷移淋失。二、土壤風(fēng)化在氣候（溫度、降水、風(fēng)）和重力等外力因素下形成了明顯的空間差異。流域內(nèi)土壤礦物中的硅酸鹽礦物風(fēng)化分解和淋溶作用較強(qiáng)。在土壤－水溶液之間的分配行為河水成分貢獻(xiàn)主要來(lái)源于硅酸鹽風(fēng)化。三、土地利用方式改變了土壤有機(jī)質(zhì)分布模式，對(duì)農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展形成負(fù)面的影響。四、流域沿岸土壤重金屬的污染增強(qiáng)，下游土壤溶液酸性逐漸增強(qiáng)；重金屬生態(tài)危害12－15年后將出現(xiàn)。提高土壤腐殖質(zhì)含量是減輕污染危害及增強(qiáng)土壤自凈能力的重要措施。 土壤的荒漠，季節(jié)性強(qiáng)降水加劇了本區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性，從一定程度上對(duì)南水北調(diào)中線工程的水資源安全構(gòu)成了威脅。流域作為南水北調(diào)中線水源地，保護(hù)森林植被及枯枝落葉層對(duì)土壤涵養(yǎng)水分有著重要意義。

第十四屆“挑戰(zhàn)杯”二等獎(jiǎng)