楊聞強(qiáng),曾熙雯,呂 展,劉楠濤,陳霈嘉,王 訓(xùn),申 鴻,3,王定勇,3*

海螺溝冰川退縮區(qū)中鉻的分布、累積與來源

楊聞強(qiáng)1,曾熙雯1,呂 展1,劉楠濤1,陳霈嘉1,王 訓(xùn)2,申 鴻1,3,王定勇1,3*

(1.西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,重慶 400715；2.中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所,環(huán)境地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,貴州 貴陽 550081；3.重慶市農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400716)

以青藏高原海螺溝冰川退縮區(qū)為研究對(duì)象,借助其長(zhǎng)達(dá)160a的植被演替序列,探討Cr的時(shí)空分布和累積循環(huán)特征,并解析其潛在來源.結(jié)果表明,退縮區(qū)C層土壤Cr含量為(155.17±32.68) mg/kg,顯著高于O層(48.23±10.21) mg/kg (<0.05).隨著植被的演替,O層土壤Cr含量隨淋溶作用的增強(qiáng)而逐漸降低.在植被系統(tǒng)中,各演替階段優(yōu)勢(shì)種對(duì)Cr均無顯著富集特征(<1).此外,土壤是冰川退縮區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的主要Cr庫(2269.90±234.57) mg/m2,而各樣地O層土壤Cr儲(chǔ)量約為植被的9～20倍.隨著演替的進(jìn)行,土壤有機(jī)質(zhì)含量升高而植被的“歸還作用”減弱,導(dǎo)致Oi、Oe層土壤Cr儲(chǔ)量逐漸減小而Oa層和植物Cr儲(chǔ)量逐漸增大.研究發(fā)現(xiàn),“高循環(huán)強(qiáng)度-低吸收利用”為冰川退縮區(qū)生態(tài)系統(tǒng)中Cr的主要循環(huán)策略.根據(jù)主成分解析結(jié)果,貢嘎山土壤Cr以母質(zhì)土壤風(fēng)化來源為主(68.89%),而大氣沉降對(duì)其影響并不顯著.

冰川退縮區(qū)；時(shí)空分布；循環(huán)特征；源解析

鉻(Cr)作為環(huán)境中重要的有毒重金屬污染物,具有危害大、隱蔽性強(qiáng)、難降解等特征.人類活動(dòng)和地質(zhì)作用產(chǎn)生的Cr可通過風(fēng)化堆積、大氣沉降等方式進(jìn)入土壤環(huán)境并在其中積累[1-3].一方面,土壤中過量的Cr(特別是Cr(Ⅵ))會(huì)抑制植物的生長(zhǎng),從而降低生態(tài)系統(tǒng)的初級(jí)生產(chǎn)力;另一方面,土壤中Cr可以通過食物鏈隨生物富集放大,進(jìn)一步對(duì)人體健康和生態(tài)安全造成威脅[4-7].

作為地球的“第三極”,青藏高原對(duì)全球環(huán)境和氣候的變化極為敏感.海螺溝冰川作為青藏高原東緣最具規(guī)模且海拔較低的海洋性冰川之一,其生態(tài)環(huán)境隨冰川的退縮快速變化,且發(fā)育著自小冰期至今完整的植被演替序列[8],因此可作為海洋性冰川退縮區(qū)的典型代表.隨著全球氣候變暖加劇,冰川加速消融,冰川消融后所形成的冰川退縮帶能夠近似表征植被的原生演替過程,為研究Cr的歷史變化與積累過程提供了天然平臺(tái)[9-11].由于植被演替和氣候變化,重金屬在冰川退縮區(qū)土壤-植被系統(tǒng)中的生物地球化學(xué)行為也會(huì)隨之發(fā)生改變[12-13],而冰川退縮后形成的森林土壤可能是重金屬重要的匯[14-17].如今有關(guān)冰川退縮區(qū)Cr的遷移累積機(jī)理尚不明晰,鮮有關(guān)于植被的演替如何影響群落凋落物中Cr的歸還和植被系統(tǒng)對(duì)Cr的富集,進(jìn)而改變Cr在土壤-植被系統(tǒng)中的分布,以及植被-土壤格局變化如何影響土壤Cr的累積,從而導(dǎo)致土壤Cr庫的大小發(fā)生改變等問題的相關(guān)研究.

本研究以貢嘎山海螺溝冰川退縮區(qū)為研究對(duì)象,分析百年來植被演替各階段土壤-植被系統(tǒng)中Cr的分布格局與積累過程,探討了Cr在冰川退縮區(qū)生態(tài)系統(tǒng)中的循環(huán)特征,并對(duì)土壤Cr的主要來源進(jìn)行了定量解析,旨在為高寒山區(qū)Cr積累過程的研究提供參考.

1 材料與方法

1.1 樣地概況

貢嘎山(29°30′～30°20′N,101°30′～102°15′E)位于四川盆地與青藏高原交界地區(qū)[8],地處青藏高原寒帶和溫暖潮濕亞熱帶季風(fēng)區(qū)域的過渡地帶[18].本研究區(qū)域海螺溝冰川退縮區(qū)(29°34′21″N, 102°59′42″E) (圖1),地處貢嘎山東坡,屬山地寒溫帶氣候類型,年平均氣溫3.8℃,年降水日數(shù)在260d以上,年平均降水量約1960mm[19].海螺溝冰川自小冰期開始退縮以來,受人為干擾較小,冰川退縮明顯且無冰進(jìn)過程,形成了長(zhǎng)達(dá)2km的完整植被演替序列,同時(shí)具有連續(xù)的成土過程[8,20].本研究通過樣地優(yōu)勢(shì)木與原生裸地的關(guān)系確定冰川末端位置.對(duì)于退縮時(shí)間小于80a的樣地,采用冬瓜楊優(yōu)勢(shì)木確定年代;退縮時(shí)間大于80a的樣地,采用峨眉冷杉優(yōu)勢(shì)木確定年代.根據(jù)Sun等[21]的研究,海螺溝冰川退縮區(qū)先后經(jīng)歷了先鋒植物發(fā)展時(shí)期(1980～2005年樣地)—以冬瓜楊為主的闊葉林時(shí)期(1958～1980年樣地)—由先鋒植物闊葉林群落向針葉林頂級(jí)群落的過渡時(shí)期(1930～1958年樣地)—以云冷杉為主的高山暗針葉林頂級(jí)群落時(shí)期(1860～1890年樣地).

圖1 貢嘎山海螺溝冰川退縮區(qū)采樣點(diǎn)

1.2 樣品采集與預(yù)處理

于2016年、2018年分別集中采集了冰川退縮時(shí)間介于1860～2005年樣地的土壤和植物樣品[22].鑒于同一時(shí)間采集的樣品類型相同,不會(huì)對(duì)樣品的可比性產(chǎn)生顯著影響.其中包括9個(gè)土壤采樣地(1990年、1985 年、1980年、1973年、1966年、1958年、1936年、1890年和1860年)和12個(gè)植被采樣地 (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).冰川退縮區(qū)中群落演替的各個(gè)階段分別設(shè)置2～4個(gè)土壤及植被采集樣方.具體而言,每個(gè)采樣地大小為10m×10m,在各重復(fù)樣地內(nèi),采用蛇形布點(diǎn)的方式,混合5～6個(gè)采樣點(diǎn)采集的凋落物(Oi層),組成500g左右的樣品,以減小空間異質(zhì)性的影響.本研究的土壤樣品按照層次分布采集了半分解層(Oe層)、全分解層(Oa層)和母質(zhì)層(C層,主要為冰磧沉積物)土壤,其中Oi、Oe和Oa層共同組成土壤有機(jī)質(zhì)層(O層),并測(cè)量其容重.由于演替序列時(shí)間較短,樣地尚無明顯礦質(zhì)層土壤發(fā)育.其中各采樣點(diǎn)Oa層土壤厚度:各樣地C層土壤采樣深度為25cm.植物樣品按部位采集了樣地中喬木層的主要植被(包括冬瓜楊、云冷杉、沙棘和柳樹)的樹枝、樹葉、樹皮、樹干和根(分為細(xì)根、中根、粗根).值得注意的是,部分采樣點(diǎn)空間異質(zhì)性較大,在高異質(zhì)性樣點(diǎn)采樣仍不可避免存在誤差.

采集的土壤樣品于干燥陰涼無塵室內(nèi)風(fēng)干后,經(jīng)瑪瑙研缽研磨過200目篩(74μm),同一樣品重復(fù)研磨過篩5次.采集的植物樣品于50℃烘箱烘干后,使用電動(dòng)研磨機(jī)研磨并過60目篩(420μm),同一樣品重復(fù)操作直至全部過篩.不同樣品研磨前用酒精擦洗瑪瑙研缽、電動(dòng)研磨機(jī)和篩網(wǎng).處理后的風(fēng)干土壤與植物樣品分別稱量并記錄其干重,置于聚乙烯密封袋中保存.

1.3 化學(xué)分析

土壤和植物樣品經(jīng)消化預(yù)處理后用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)測(cè)定微量重金屬含量(Cr、Li、Pb、Zn、Cd、As等)[14],具體步驟為:在高壓密閉罐中,分別利用HNO3+HF和HNO3+H2O2混合酸對(duì)土壤和植物樣品進(jìn)行消解處理,并采用ICP- MS(Agilent-7900)對(duì)試樣中微量重金屬的含量進(jìn)行測(cè)定.儀器穩(wěn)定狀態(tài)下,將每10個(gè)樣品設(shè)置為一組并測(cè)定一次標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)[土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)為GBW07405(GSS-5)黃紅壤土壤成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì),植物標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)為GBW10020(GSB-11)柑橘葉生物成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)].本研究土壤加標(biāo)回收率為102%～107%,植物加標(biāo)回收率為88%～103%.每組設(shè)置1個(gè)空白樣品和1對(duì)平行樣品.測(cè)定過程中,每個(gè)樣品測(cè)定前使用1%HNO3清洗進(jìn)樣管,以保證空白信號(hào)殘余低于0.1%.平行測(cè)定的兩次數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)偏差控制在5%以內(nèi).

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

本研究利用生物富集系數(shù)()表示植物對(duì)土壤Cr的富集程度,計(jì)算公式如下:

式中:植物為植被各部位Cr含量;土壤為土壤O層和C層Cr含量的加權(quán)平均值.若>1,則表示Cr在植物體顯著富集.

土壤和植被Cr儲(chǔ)量()的計(jì)算如下:

式中:為樣品的Cr含量;為容量大小.

按照植物的生物量,對(duì)各喬木類植物的Cr含量進(jìn)行加權(quán)平均,得到喬木類植物Cr的加權(quán)平均含量(喬木):

式中:為生物量;H、S、P、A分別代表云冷杉、冬瓜楊、柳樹、沙棘.

采用元素生物循環(huán)平衡公式,描述Cr在生態(tài)系統(tǒng)中的循環(huán)特征[23]:

式中:GPP為植物的年生產(chǎn)力;Oi為樣地土壤凋落物層的Cr含量;為樣地的年凋落物產(chǎn)量;C、R、A分別為各樣地植物Cr的年凈積累量、年歸還量和年吸收量.

元素的循環(huán)利用系數(shù)公式[24]: