孫虹蕾，張 維，崔俊芳，張建強，唐翔宇

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基于文獻計量分析的三峽庫區(qū)消落帶土壤重金屬污染特征研究①

孫虹蕾1,2，張 維3*，崔俊芳2，張建強1，唐翔宇2

(1 西南交通大學地球科學與環(huán)境工程學院，成都 611756；2 中國科學院水利部成都山地災害與環(huán)境研究所，山地表生過程與生態(tài)調控重點實驗室，成都 610000；3重慶工商大學旅游與國土資源學院，重慶 400067)

三峽庫區(qū)消落帶土壤/沉積物中重金屬的研究受到日益重視，重金屬的歸趨對三峽庫區(qū)的水環(huán)境和生態(tài)安全有重要意義。通過CNKI和Web of Science數(shù)據(jù)庫檢索了2001—2016年三峽消落帶土壤/沉積物重金屬污染特征研究的文獻，并利用文獻計量學方法分析文獻特性及研究進展。2001—2016年，國內外發(fā)表的相關中英文文獻分別為69篇、12篇，2011年發(fā)文量最多(15篇)，此后一直維持在年產量≥5篇的水平，重慶和湖北的高校及研究所是研究主力?？d論文最多的是環(huán)境學方面的期刊(19.75%)。所涉最多的主題是“重金屬的污染調查及評價”(51.85%)。Cd的污染程度最大，且易遷移形態(tài)平均比例相對較高(>38%)，是消落帶首要的污染控制元素，施肥是農業(yè)消落帶Cd的主要來源。Pb和Hg的污染程度也較大且易遷移形態(tài)的比例均大于22%，交通污染是其主要來源。工業(yè)廢物的點源排放對消落帶重金屬(Cd、Pb、Cu、Zn、As)普遍有較大貢獻。消落帶內重金屬以垂向遷移為主，而植物對Cd、Cu、Zn具有較強的富集能力。淹水導致的pH、Eh、溫度、有機質等變化對固液界面重金屬的交互作用及形態(tài)變化有重要影響。今后，應加強消落帶土壤理化性質和水力學性質變化對重金屬地球化學行為影響，以及重金屬示蹤技術應用和泥沙富集重金屬二次釋放行為的研究。

三峽庫區(qū)；消落帶；重金屬；土壤；文獻計量分析

長江三峽庫區(qū)位于壩址湖北宜昌至庫尾重慶江津之間(圖1A)，在2003年、2006年及2010年分別實現(xiàn)淹水高度135、156和175 m后，三峽水庫成為了目前世界上最大的水利工程[1]。隨著三峽工程的推進及水庫的調整運行，其潛在的環(huán)境影響如水環(huán)境質量、泥沙輸移、地形地貌演變等受到了國內外的廣泛關注[2]。

三峽庫區(qū)消落帶是三峽水庫在最高運行水位(175 m)和最低水位(145 m)之間形成的落差近30 m，面積約349 km2的水陸交錯帶(圖1B)。每年5月底開始，庫區(qū)水位階段性降至最低點145 m，消落帶逐級出露，受到雨季集中降雨的作用。這期間消落帶農業(yè)活動、庫區(qū)生產和生活廢棄物的排放以及上游來水和泥沙攜帶等途徑輸入的污染物的沉降，可能使消落帶成為污染物(如重金屬)的匯。而每年9月底庫區(qū)水位逐漸上升至175 m，旱季期間消落帶絕大部分處于淹水狀態(tài)。淹水期間消落帶沉積物及土壤中的污染物可能通過溶解、交換等方式遷移進入水體，使得消落帶成為庫區(qū)的水污染源。除反季節(jié)的水位變化外，在如此高強度、長時間的周期性干濕交替以及夏季出露期降雨侵蝕的耦合作用下，三峽庫區(qū)消落帶土壤的理化性質、結構及穩(wěn)定性可能發(fā)生較大變化，進而影響污染物的形態(tài)分布以及釋放遷移等地球化學行為。

重金屬從廣義上來說包括比重>4.0的約60種元素或比重>5.0的約45種元素，且包含毒性較大的As等類金屬元素[3]。環(huán)境意義上關注的重金屬主要包括Cd、Pb、Cr、Hg、Cu、Zn、As等生物毒性較顯著的元素。重金屬可能直接影響土壤的生物活性和養(yǎng)分吸收，同時通過食物鏈富集放大后間接威脅人體健康[4]。另一方面，土壤及沉積物中的重金屬在理化條件改變的情況下可能通過水力擾動釋放、遷移轉化等途徑進入水體，對水生生態(tài)系統(tǒng)安全構成較大威脅[5]。全球層面上，尤其對于新建的水庫，河濱帶土壤及沉積物中重金屬的積累與釋放是最重大的環(huán)境問題之一，并且與人類活動密切相關[6]。隨著三峽工程的推進，三峽庫區(qū)消落帶土壤及沉積物中重金屬污染特征的研究受到日益重視。從2003年開始，相關論文數(shù)量持續(xù)增長，2009年后論文數(shù)量躍居消落帶土壤研究主題的首位[7]。但目前還缺乏文獻對該區(qū)域重金屬研究的總體情況進行評述，尤其是三峽庫區(qū)消落帶不同區(qū)段和淹水高度上重金屬分布及地球化學行為的對比。因此，本文從文獻計量分析的角度出發(fā)，總結消落帶土壤及沉積物中重金屬分布的時空異質性、消落帶重金屬污染評價和來源探析以及消落帶重金屬的地球化學行為特征，以期為“后三峽”時代庫區(qū)生態(tài)安全和水環(huán)境保護提供參考。

圖1 三峽庫區(qū)位置(A)及消落帶示意圖(B)

1 三峽庫區(qū)消落帶土壤重金屬的文獻計量分析

1.1 文獻檢索

中文文獻基于中國學術期刊網絡出版總庫及中國學位論文全文數(shù)據(jù)庫，以“主題”、“篇名”、“關鍵詞”為檢索字段，以“三峽”、“消落帶/消落區(qū)/漲落帶/河濱帶”、“土壤”、“沉積物”、“重金屬”為檢索詞進行文獻檢索，檢索到69篇文獻，其中期刊論文、學位論文及會議論文分別為54、14和1篇。英文文獻以Web of science數(shù)據(jù)庫為數(shù)據(jù)源，以“主題”、“標題”為檢索字段，以“Three Gorges Reservoir”、“water level fluctuation zone”、“riparian zone”、“heavy metal”、“soil”、“sediment”為檢索詞，檢索到12篇文獻。中英文文獻一共81篇。所有文獻檢索信息的截止時間是2016年12月。

1.2 文獻計量分析

1.2.1 研究機構分布 表1列出了三峽庫區(qū)消落帶土壤/沉積物中重金屬研究論文發(fā)表總量排名前十的研究機構(以第一作者的通訊地址統(tǒng)計)。這些機構總共發(fā)表論文70篇，占檢索文獻總數(shù)的86.42%。研究機構存在明顯的地域分布特征。三峽庫區(qū)所跨的重慶市和湖北省的高校及研究所是研究主力。重慶市的科研機構所發(fā)表的相關中英文論文數(shù)量占排名前十的所有機構發(fā)文總量的比例分別為84.48% 和33.33%。西南大學以19篇的發(fā)文量位居第一，但還未發(fā)表相關英文論文。重慶三峽學院所處三峽庫區(qū)腹地(萬州區(qū))給消落帶研究提供了便利條件，其發(fā)文量位居第二，但其英文論文數(shù)量只有1篇。中國科學院武漢植物園英文論文發(fā)文量最多(4篇)。因此，不同機構在中英文論文發(fā)表的側重方面差異較大。

1.2.2 年度論文發(fā)表數(shù)量的變化 2001年最早出現(xiàn)了關于三峽消落帶土壤重金屬的文獻(圖2)。隨著2003年三峽工程第一次蓄水及其后續(xù)推進建設，消落帶土壤/沉積物中重金屬研究的論文數(shù)量逐漸增加。三峽水庫實現(xiàn)最高淹水高度后(2010年)，2011年相關論文數(shù)量達到峰值(15篇/年)，且2009—2011年相關論文統(tǒng)計數(shù)量占檢索文獻總量的比例高達30.86%。此后發(fā)文量雖有所下降，但一直維持在較高水平(≥5篇/年)，表明消落帶重金屬的研究受到持續(xù)較高程度的關注。相應地，消落帶土壤研究主題中以“重金屬”為關鍵詞的論文數(shù)量高于以“氮”、“磷”等為關鍵詞的論文發(fā)表量[7]。

表1 三峽庫區(qū)消落帶土壤重金屬研究發(fā)文量前十的研究機構及其文獻統(tǒng)計

注：表中論文形式包括期刊論文和學位論文。

圖2 三峽庫區(qū)消落帶土壤/沉積物重金屬研究年度論文發(fā)表數(shù)量

從圖3可以看出，中文論文是期刊論文發(fā)文量的絕對主體。從2001年到2015年，中文期刊論文數(shù)量快速增長，在2011年達到最高水平(14篇)。而英文期刊論文直至2011年才開始出現(xiàn)，2014年達到4篇的最高產量。2011—2016年，英文期刊論文占全年發(fā)文總數(shù)的比例介于6.67% ~ 44.44%。因此，雖然近年來三峽消落帶土壤/沉積物重金屬的研究成果開始向國際推廣，但推廣的面和強度仍需提升，未來可以加強國內外科研機構在消落帶的合作研究。

1.2.3 文獻來源統(tǒng)計 所檢索到的中文文獻中，碩博士學位論文為14篇，占論文總數(shù)的17.28%，其中12篇論文的完成單位均為重慶市和湖北省的高校和研究所。期刊論文方面，表2列出了刊載篇數(shù)≥2篇的中英文期刊發(fā)文情況。對于中文期刊論文，環(huán)境學方面的期刊刊載最多，《環(huán)境科學》《環(huán)境科學與技術》《環(huán)境化學》及其他環(huán)境學方面的期刊共16篇，占論文總數(shù)的19.75%。其次是土壤科學方面的期刊如《水土保持學報》《土壤學報》及《土壤通報》等共8篇，占論文總數(shù)的9.88%。此外，生態(tài)學方面的期刊如《水生態(tài)學雜志》《生態(tài)科學》《中國生態(tài)農業(yè)學報》等共4篇，占論文總數(shù)的4.94%。以上表明三峽消落帶土壤/沉積物重金屬的研究受到了多種學科科研工作者的關注。而對于英文期刊論文，只有“Environmental Science and Pollution Research”刊載了2篇，其余刊載英文期刊包括“Environmental Pollution”、“Science of the Total Environment”及“Ecological Indicators”等(均為1篇，表中未列出)。

圖3 三峽庫區(qū)消落帶土壤/沉積物重金屬研究中英文論文發(fā)表數(shù)量

1.2.4 關鍵詞統(tǒng)計 按論文的關鍵詞對檢索文獻進行統(tǒng)計分析，結果如表3所示。中英文文獻中普遍存在的關鍵詞為“重金屬”、“三峽”、“消落帶”/“消落區(qū)”等。此外，“調查”或“評價”是出現(xiàn)頻率最多的關鍵詞，共有20篇；而“分布”、“形態(tài)”、“遷移”等也是較常見的關鍵詞。以“修復”為關鍵詞的論文是最少的，只有6篇?？梢姡瑢θ龒{消落帶土壤/沉積物重金屬的研究主要集中在重金屬的污染評價及其地球化學行為方面。

表2 刊載篇數(shù)2篇及2篇以上的期刊匯總

表3 文獻中主要關鍵詞統(tǒng)計情況

2 研究內容及進展

2.1 消落帶土壤重金屬污染調查與評價

土壤重金屬類別及含量的調查是其環(huán)境風險評價的前提。三峽庫區(qū)消落帶該主題的中英文文獻分別有34篇、8篇，占所有檢索文獻的51.85%。陳梓云與彭夢俠[10-12]最早展開了三峽庫區(qū)消落帶土壤重金屬(Pb、Cr、Cd)的背景調查工作。表4總結了三峽庫區(qū)消落帶土壤中主要重金屬含量。

表4 三峽庫區(qū)土壤中主要重金屬含量(mg/kg)

由表4可看出，主要重金屬元素Zn、Cu、Pb、Cr、Hg、As、Cd中除Cr外均已超過三峽庫區(qū)背景值，且每種重金屬元素的含量范圍均跨度很大，這與三峽庫區(qū)地域及土地利用類型有關。三峽庫區(qū)的土地利用類型主要有農用地(耕地、園地、林地)、采礦地、城鎮(zhèn)住宅及工業(yè)用地和荒地。香溪河流域分布有磷礦，其土壤中的Cr含量顯著高于其他土地利用類型，最高含量達背景值的2倍左右，而其余地區(qū)的Cr含量大多在背景值以下。農用地的Cd含量相對較高，最高含量達到3.03 mg/kg[9]，與農藥化肥的施用有關，是其余土地類型中的5 ~ 10倍。工業(yè)較集中的地方Zn含量普遍高于其他土地利用類型，城鎮(zhèn)住宅區(qū)的Cu、Hg、Pb污染較為突出?；牡氐闹亟饘傥廴鞠噍^前面幾種類型較為輕緩，除部分荒地As含量超過均值1倍外，其余重金屬含量多在均值以下。

除土地利用類型外，蓄水情況也是影響土壤重金屬含量的因素之一。三峽工程蓄水前，長江干流忠縣至奉節(jié)段及支流澎溪河(也稱小江)消落帶土壤中Pb、Cr含量均在自然背景范圍內，Cd含量達到土壤環(huán)境質量標準(GB15618-1995)二級標準[10-12]。從土壤類型來看，石灰?guī)r土中重金屬的含量普遍高于紫色土和潮土[13]。土壤剖面上，淋溶層、淀積層與母質層中重金屬分布存在較大異質性，表層土壤中Hg、Cd、As含量的變異系數(shù)均較高(>60%)，且Cd表現(xiàn)出強烈的表層富集特征[14-15]。消落帶高程內(145 ~ 175 m)重金屬含量呈現(xiàn)上部>中部>下部的分布方式[10-12]。2010年完全蓄水后，消落帶下部(145 ~ 155 m)土壤中重金屬含量持續(xù)增高，表明消落帶下部土壤/沉積物有重金屬富集的趨勢[1, 16-18]。此外，消落帶不同區(qū)段上重金屬也存在較大的空間異質性。長江干流消落帶的樣帶調查研究表明，土壤中重金屬在空間區(qū)域上總體呈現(xiàn)出庫尾和壩址前區(qū)段較高，中間段較低的“兩頭高中間低”的分布特征，主要與庫尾重慶主城污染物的集中排放、庫區(qū)下游石灰?guī)r成土母質特征及上游攜帶污染物在壩址前區(qū)段內沉積的影響有關[15, 19-21]。但也有學者研究發(fā)現(xiàn)，從重慶主城沿江而下，除Cd外，其余重金屬(Hg、Pb、Zn、Cr、As)平均含量逐漸降低[16, 22]。這可能與不同學者在消落帶采樣點的高程、土地利用方式不同有關。在干流消落帶兩岸，土壤中重金屬(Cu、Zn、Cd、Hg)含量存在顯著差異。相對于左岸消落帶，右岸消落帶土壤中重金屬平均含量更高且變異系數(shù)更大[16]。而干流消落帶與支流消落帶相比，干流土壤或沉積物中重金屬含量均相對較高[1, 18, 23]，這與三峽工程蓄水前消落帶的情況類似[10-12]。雖然三峽消落帶淹水年限不長，但長江上游持續(xù)的高負荷泥沙輸入及三峽水庫特定的水位調節(jié)模式導致消落帶泥沙強烈的沉積效應。消落帶泥沙沉積物中重金屬含量顯著高于底層土壤剖面中重金屬含量[18, 20, 24]，這是懸移質泥沙富集攜帶重金屬能力較強所致[1, 6]。類似土壤中的情況，消落帶下部沉積物中重金屬含量也普遍高于上部消落帶，主要歸因于富集重金屬能力更強的細顆粒在消落帶下部的沉積[8, 18, 25]。

在三峽庫區(qū)消落帶土壤及沉積物重金屬含量調查基礎上，污染評價有助于鑒別消落帶主要污染元素，對重金屬污染控制有重要作用。文獻中廣泛采用的污染評價方法包括：單因子污染指數(shù)法、內梅羅綜合污染指數(shù)法、地球化學評價方法。單因子污染指數(shù)或內梅羅綜合污染指數(shù)法是參照土壤環(huán)境質量標準(GB15618-1995)進行的重金屬污染評價。地球化學評價方法主要基于區(qū)域重金屬的自然背景并考慮到人為活動因素來衡量重金屬的污染程度，常用的指標包括地累積指數(shù)(geo)和富集因子(Enrich-ment Factor)。Hakanson潛在生態(tài)風險指數(shù)法在地球化學評價的基礎上，進一步考慮重金屬的毒性參數(shù)對生態(tài)系統(tǒng)健康的影響。表5列出了這些評價方法的代表性結果。不同學者監(jiān)測評價的點位、時間及重金屬類別不同，但從區(qū)域層面來說，Cd是目前三峽庫區(qū)消落帶土壤和沉積物中污染程度最大的重金屬元素。此外，Pb、As、Hg等在某些點位也存在不同程度的污染。

表5 三峽庫區(qū)消落帶土壤及沉積物中重金屬評價方法及結果

2.2 消落帶重金屬來源分析

重金屬的來源分析包括源識別和源解析。源識別主要是定性地揭示環(huán)境介質中不同重金屬元素的潛在來源。而源解析則進一步定量確定不同源對不同金屬元素的輸入貢獻。三峽庫區(qū)消落帶土壤及沉積物中重金屬的潛在來源包括：自然源、工業(yè)廢棄物、農業(yè)源(肥料和農藥)、生活廢棄物、交通污染物以及上游來水輸入等。

目前該區(qū)域采取的重金屬源識別的方法包括相關分析、主成分分析(PCA)、因子分析(FA)。通過對比重金屬元素之間或重金屬含量與土壤/沉積物特征參數(shù)(如有機質含量、粒徑等)之間的相關系數(shù)，張雷等[32]指出三峽庫區(qū)澎溪河消落帶土壤重金屬主要是人為源而非自然源，且Pb、Hg、Cu、As可能有相似的污染來源。同時鄒曦等[33]對澎溪河消落帶的分析表明Cu、Pb和土壤有機質顯著相關，推斷Cu和Pb主要源于農業(yè)。敖亮等[8]通過主成分分析法識別了忠縣消落帶不同高程(155 ~ 175 m)土壤中重金屬的來源。因子分析通過提取因子載荷，分析變量間的相互聯(lián)系，進而推測重金屬的來源。葉琛等[21, 34]通過對三峽庫區(qū)12個區(qū)縣消落帶表層土壤重金屬的因子分析，并根據(jù)各個重金屬元素的載荷得出Cd、Pb、Cu、Zn、Mn主要源于工業(yè)廢水，Cr、Fe主要源于自然風化，As主要源于生活廢水，而Hg主要源于交通運輸?shù)?。在因子分析的基礎上，結合多元統(tǒng)計分析的因子分析-多元線性回歸(FA-MLR)方法能夠定量確定各個污染源對不同重金屬的輸入貢獻。表6列出了三峽庫區(qū)消落帶不同區(qū)域土壤重金屬源解析的結果?？偟膩碚f，礦物的自然風化是Cr的主要來源，貢獻比例超過72%。消落帶周邊的陸路和水路運輸對Pb和Hg的貢獻比例較高。對于農業(yè)消落帶，化肥(尤其是磷肥)的施用是消落帶土壤Cd的主要來源，貢獻比例超過60%；農藥對Cu有一定貢獻(>15%)；生活廢水的排放對消落帶土壤As的貢獻比較突出(>45%)；而工業(yè)廢水的排放或堆積廢渣的淋溶作用對多種重金屬(如Cd、Pb、Cu、Zn等)均有顯著貢獻。消落帶周邊地質背景、工農業(yè)生產、生活和交通等狀況不同，導致消落帶土壤中重金屬的主要來源或污染貢獻的比例產生較大異質性。

表6 三峽庫區(qū)消落帶土壤重金屬FA-MLR源解析結果

注：NM：not mentioned，指文獻中沒有提到。

2.3 消落帶重金屬地球化學行為特征

2.3.1 重金屬釋放與遷移 以上不同途徑來源的重金屬進入消落帶后，其在土壤和沉積物中的釋放與遷移是消落帶重金屬主要的地球化學行為之一。該方面相關論文有19篇，占總檢索文獻的23.46%。重金屬的釋放與遷移主要包括3種途徑：消落帶內部土體、土壤/沉積物-水界面及土壤/沉積物-植物界面。消落帶出露期正值庫區(qū)雨季集中降雨季節(jié)，以緩坡為主的地貌利于重金屬在消落帶坡面及垂向進行遷移。吉方英等[36]的研究表明消落帶出露期沉積物中重金屬(Cd、Pb、Cu、Cr)的釋放遷移能力較強，其平均遷移率介于11.8% ~ 33.5%。而胥燾等[17]通過對三峽庫區(qū)香溪河消落帶出露初期(6月)與后期(9月)0 ~ 20 cm和20 ~ 40 cm土壤重金屬的調查研究證實，上述4種重金屬在消落帶內均以垂向遷移為主。普遍來說，土壤重金屬有從高海拔向低海拔遷移的趨勢，導致消落帶下部土壤/沉積物中重金屬的富集。重金屬本身移動性較差，其在坡面的遷移與徑流、泥沙等輔助運移有關。肖廣全等[37]通過土柱實驗證實了三峽消落帶土壤膠體能顯著促進Cd在消落帶土壤中的遷移。但對于消落帶內部土體，研究偏重于重金屬遷移的結果對其再分布的影響，缺乏產流產沙過程中重金屬釋放機理和遷移過程的探索。

在土壤/沉積物-水界面上，一方面，消落帶淹水后，土壤/沉積物中部分重金屬可能通過溶解、解吸而釋放進入水體。重金屬的釋放量與土壤pH、有機質含量及界面溫度密切相關[38-40]。同時，淹水可能導致重金屬存在形式發(fā)生轉化進而影響其在固液界面的遷移能力。王欣悅等[41]研究發(fā)現(xiàn)消落帶長期淹水下，土壤中的汞易轉化為甲基汞遷移進入上覆水。另一方面，庫區(qū)弱堿性的江水利于水中重金屬離子如Pb、Cu形成難溶物沉降進入土壤/沉積物[42]。同時，淹水狀態(tài)下溶解度較低的重金屬硫化物的形成或土壤及沉積物中有機物(如胡敏酸)對重金屬的吸附或絡合作用也極大地促進水體中重金屬向土壤/沉積物的遷移[43]?？偟膩碚f，重金屬在土壤/沉積物-水界面的交互作用與土壤特性、重金屬自身化學性質和水體環(huán)境有關。

此外，消落帶土壤/沉積物重金屬還可能遷移進入植物并在植物體內進行轉移分配，從而使消落帶重金屬污染土壤的植物修復成為可能。諶金吾等[44]調查發(fā)現(xiàn)云陽消落帶14種植物樣品中Cd、Cr、Cu、Mn、Pb的生物富集系數(shù)(BF=植物重金屬含量/土壤重金屬含量)介于0.000 04 ~ 0.695 2，其中Cd、Cu的BF值顯著高于其余重金屬。消落帶土壤的盆栽試驗證實，在不同重金屬脅迫下，狗牙根、雙穗雀稗、百喜草等草本植物以及秋華柳等灌木對Cd具有較高的生物吸收和富集能力，雙穗雀稗、狗牙根、鴨拓草對Cu的生物吸收和富集能力較強[45-48]。狗牙根作為三峽消落帶生態(tài)系統(tǒng)恢復與重建中被廣泛證實的優(yōu)勢草本植物，對多種重金屬有較強的生物富集能力，同時具有顯著的削減波浪侵蝕能力(減蝕效應>89%)[49]。因此，消落帶植被類型對土壤/沉積物-植物界面重金屬的遷移影響較大。

2.3.2 重金屬形態(tài) 雖然消落帶土壤/沉積物中重金屬的總量能一定程度反映其污染狀況，但不同賦存形態(tài)的重金屬具有不同的地球化學行為特征，進而影響重金屬的生物有效性和潛在環(huán)境風險。目前文獻中廣泛采用的重金屬形態(tài)提取方法包括Tessier連續(xù)提取法和BCR提取法以及各自的改進方法。王亞平等[50]對這些方法做了全面的總結和對比。Tessier連續(xù)提取法常見的形態(tài)劃分包括交換態(tài)、碳酸鹽結合態(tài)、Fe-Mn氧化物結合態(tài)、有機及硫化物結合態(tài)、殘渣態(tài)。BCR提取法則包括酸溶解態(tài)、可還原態(tài)、可氧化態(tài)以及殘渣態(tài)。Tessier連續(xù)提取法中的交換態(tài)和碳酸鹽結合態(tài)包括吸附在顆粒表面或與碳酸鹽結合的部分，可為生物直接利用或易于解吸釋放而遷移，可被視為易遷移態(tài)，此部分基本對應于BCR提取法的酸溶解態(tài)部分[1]。而Fe-Mn氧化物結合態(tài)、有機及硫化物結合態(tài)分別刻畫的是被Fe-Mn氧化物吸附或包裹以及與有機質活性基團/琉離子結合的部分，主要對應于BCR提取法的可還原態(tài)和可氧化態(tài)。兩種方法的殘渣態(tài)均為包含在礦物晶格中的重金屬形態(tài)，不具有生物可利用性或環(huán)境風險。

該主題檢索文獻有18篇，占總檢索文獻的22.22%?；谇拔闹亟饘傥廴驹u價的結果，表7總結了污染水平較高的Cd、Pb、Cu及Hg的形態(tài)分析結果。對于整個消落帶(涪陵-巴東，表7文獻[54]及[55])，Cd、Pb、Hg易遷移態(tài)的平均比例分別為38.51%、24.74%、>22.1%，表明消落帶土壤/沉積物中Cd、Pb、Hg不僅污染程度高，還具有較高的可移動性和生物可利用性，環(huán)境風險較高。在Bing等[1]和Wei等[5]利用BCR提取分析的結果中消落帶沉積物中Cd的酸溶解態(tài)平均比例更是超過50%。因此，綜合來看Cd是三峽庫區(qū)消落帶生態(tài)保護應優(yōu)先考慮的重金屬元素。但云陽消落帶Cu的高活性態(tài)比例高達64.00%(表7文獻[44])，遠高于萬州消落帶相應水平(0.60%，表7文獻[53])或消落帶平均水平，表明不同地區(qū)重金屬賦存形態(tài)差異較大。重金屬賦存形態(tài)的區(qū)域差異主要與重金屬來源、總量及土壤性質如pH、Eh、粒徑分布、有機質等有關[36, 51]。此外，Cd和Pb均含有較高比例(>20%)的Fe-Mn氧化物結合態(tài)，消落帶淹水情況下，該部分可能因Fe-Mn氧化物的還原而被釋放進入水環(huán)境[52]，因而具有潛在的可遷移性。除以上重金屬，Cr、Zn、Cu在消落帶土壤中均主要以殘渣態(tài)形式存在，最高比例占到90% 以上[51, 53]。

表7 三峽庫區(qū)消落帶土壤/沉積物中典型重金屬形態(tài)構成及比例

注：①包括交換態(tài)和碳酸鹽結合態(tài)；②包括水溶態(tài)、酸溶態(tài)及堿溶態(tài)；文獻[53]是涪陵-巴東消落帶的平均水平，文獻[44]是云陽消落帶，文獻[53]是萬州消落帶，文獻[55]是消落帶重慶段14個區(qū)縣。

3 結論

1) 三峽庫區(qū)消落帶土壤/沉積物中重金屬研究以中文論文為絕對主體，占全年發(fā)文總數(shù)的比例均> 55%。重慶市和湖北省的高校及研究所為主要的研究機構。關于重金屬的污染調查與評價的研究主題所占比例最高(51.85%)。

2) Cd是消落帶污染程度最高、生態(tài)風險最大的重金屬元素。Pb、Hg、Cu等在某些點位污染程度也較大且可遷移態(tài)比例較高(>20%)。重金屬的分布及污染情況受三峽庫區(qū)土地利用類型、消落帶高程、地域及淹水狀況的影響。

3) 消落帶內部重金屬以垂向遷移為主，遷移率<35%，迄今為止消落帶下部土壤及沉積物中重金屬含量普遍呈現(xiàn)增加的趨勢。土壤中Cd、Cu、Zn易遷移進入植物。土壤/沉積物中重金屬向水體的釋放遷移受淹水前后pH、Eh、溫度、有機質及重金屬形態(tài)的變化影響較大。

4 展望

1) 消落帶土壤理化性質和水力學性質變化對重金屬地球化學行為影響的研究。在消落帶季節(jié)性淹水-排干的交替作用以及夏季出露期降雨侵蝕的綜合作用下，消落帶土壤理化性質及水力學性質變化較大[27,56]。因此，結合土壤物理、水文學以及環(huán)境科學的技術手段和方法對于更全面地刻畫三峽庫區(qū)消落帶土壤自身特性的變化對重金屬遷移的影響有重要意義。

2) 消落帶土壤重金屬遷移機理及其示蹤技術的應用與模型擬合的研究。對于重金屬，Pb的同位素示蹤技術目前應用相對成熟與廣泛[57-58]，但僅限于定性分析[1]。此外，其他環(huán)境介質中Cd、Zn等重金屬的同位素示蹤技術也有一定發(fā)展[59-60]。因此，如何利用多種重金屬同位素的示蹤技術獲取三峽消落帶中更可靠的重金屬“指紋”信息，并結合計算機與數(shù)學建模分析，定量了解重金屬來源及其在消落帶內部、土水界面以及土壤與植物界面的遷移過程和歸宿是今后需要加強的方向。

3) 消落帶泥沙沉積對重金屬再分布的影響與泥沙結合態(tài)重金屬二次釋放的研究。研究證實，遷移進入徑流或懸浮于江水中的泥沙顆粒富集重金屬的能力較強[18, 61]。其富集的重金屬在泥沙再懸浮時可能導致泥沙(包括土壤膠體)結合態(tài)重金屬再次釋放或遷移進入水體。因此，消落帶泥沙沉積及其富集的重金屬的二次釋放或遷移的研究對“后三峽”時代庫區(qū)生態(tài)安全有重要意義。

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Bibliometrical Analysis on Pollution Characteristics of Heavy Metals in Soil of Water Level Fluctuating Zone of Three Gorges Reservoir

SUN Honglei1,2, ZHANG Wei3*, CUI Junfang2, ZHANG Jianqiang1, TANG Xiangyu2

(1 Faculty of Geosciences and Environmental Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 611756, China; 2 Key Laboratory of Mountain Surface Processes and Ecological Regulation, Institute of Mountain Hazards and Environment, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610000, China; 3 School of Tourism and Land Resource, Chongqing Technology and Business University, Chongqing 400067, China)

Increasing attention has been paid to heavy metal study in soil/sediment of the water fluctuating zone (WLFZ) in the Three Gorges Reservoir (TGR). The fate of heavy metals is significantly important to the water and ecological safety in the TGR region. The status quo of heavy metal study in soil/sediment of WLFZ in the TGR from 2001 to 2016 was critically reviewed based on the bibliometrical analysis according to the current publications in the database of CNKI and Web of Science. To date, in total of 81 papers, including 69 papers in Chinese and 12 papers in English, were published globally. 2011 had the most publications (15 papers) and the annual amount thereafter stayed no less than 5. The universities and institutes of Chongqing Municipality and Hubei Province were the major contributors to these publications. 19.75% of the papers were published in the journals related to environmental science while the topic of investigation and evaluation of heavy metal pollution contained the most publications (51.85%). Cadmium (Cd) showed the highest degree of contamination with the proportion of the readily movable form exceeding 38%. Therefore, Cd is the primary element for heavy metal pollution control. Fertilization was the major source of Cd in the agricultural WLFZ. Lead (Pb) and Mercury (Hg) in soil/sediment of WLFZ also showed a high contamination degree with the proportion of the readily movable form exceeding 22%. Traffic wastes were the major source for these two heavy metals. In addition, the industrial wastes that were discharged as point sources in the TGR region generally contributed to the accumulation of heavy metals, e.g., Cd, Pb, Cu, Zn and As in the WLFZ. Heavy metals travelled mainly downward in the WLFZ while Cd, Cu and Zn were relatively easily absorbed by several plants in this area. The variations of pH, Eh, temperature and humic matter due to the impoundment of WLFZ exerted great effects on the interactions of heavy metals at soil/sediment-water interface. In the future, the influence of soil physiochemical and hydraulic property variations, the application of isotope tracing technology of typical heavy metals as well as the re-releasing characteristics of sediment associated heavy metals are suggested to be further considered in the WLFZ of TGR region.

Three Gorges Reservoir; Water level fluctuating zone; Heavy metal; soil; Bibliometrical analysis

國家自然科學基金項目(41601539)，重慶市教委科學技術研究項目(KJ1600615)和中國科學院山地表生過程與生態(tài)調控重點實驗室開放基金項目資助。

(zw512119@163.com)

孫虹蕾(1993—)，女，四川成都人，碩士研究生，主要研究方向為土壤重金屬污染。E-mail: WWWSHL222@163.com

10.13758/j.cnki.tr.2018.05.016

P345

A