陳 佳, 范萍萍, 龍文濤, 邰 良

(貴州大學 農(nóng)學院, 貴陽 550025)

土壤是人類賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ),是地球化學元素循環(huán)的重要載體。伴隨工業(yè)、農(nóng)業(yè)和城鎮(zhèn)化的高速發(fā)展,礦山開采、污水灌溉及尾氣排放等人類活動產(chǎn)生了大量污染物,導致土壤污染問題日益凸顯,其中重金屬污染尤為突出[1]。2014年發(fā)布的《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》顯示我國土壤重金屬點位超標率高達16.1%,其中Cd,Hg,Pb等重金屬污染最為嚴重,我國當前受重金屬污染的耕地面積超過200萬hm2[2-3]。

重金屬污染物具有隱蔽性、長期性、不可逆性及難以降解等特點,且極易在土壤中富集,嚴重影響土壤植物、動物和微生物的生長,并通過食物鏈逐級遷移累積而危害人體健康。重金屬遷移是當前環(huán)境土壤學研究的熱點,主要側(cè)重土壤剖面淋溶、土壤—作物系統(tǒng)遷移富集及轉(zhuǎn)化機理等[4-5],但土壤侵蝕(本文特指土壤水蝕,即降雨條件下土壤發(fā)生分離、搬運及沉積的過程)對重金屬遷移的影響研究關(guān)注不夠。土壤侵蝕是重金屬在環(huán)境中遷移的重要驅(qū)動力,造成重金屬從土壤向水體擴散,其中橫向遷移導致流域下游面源污染,縱向遷移致使地下水污染的風險增大(尤其在喀斯特地區(qū)),嚴重威脅區(qū)域生態(tài)安全。

侵蝕作用下,土壤重金屬隨徑流、泥沙遷移是一個極其復雜的過程,主要遷移方式為顆粒態(tài)和溶解態(tài),其遷移過程受諸多因素影響,如土壤性質(zhì)、重金屬性質(zhì)、環(huán)境因子等。有研究認為土壤團聚體粒徑大小與重金屬含量呈負相關(guān),即細小土壤顆粒富集重金屬能力更強[6],但Huang等[7]人發(fā)現(xiàn)重金屬富集于大團聚體;不同賦存形態(tài)的重金屬的溶解性、遷移性等存在較大差異,一般認為殘渣態(tài)的重金屬遷移能力最弱,交換態(tài)的重金屬遷移能力較強;此外,有研究表明降雨強度與重金屬遷移量呈正相關(guān)[8],但也有研究發(fā)現(xiàn)降雨強度與重金屬遷移量呈負相關(guān)[9];由此可見,單個研究很難深入認識土壤侵蝕作用下的重金屬遷移規(guī)律與機制,因此很有必要從多角度進行系統(tǒng)綜述。

基于此,本文從重金屬的遷移方向入手,分別闡明土壤侵蝕作用下重金屬的縱向、橫向遷移規(guī)律,再從土壤性質(zhì)、重金屬性質(zhì)、環(huán)境因子等角度對土壤侵蝕過程中重金屬的遷移機制進行分析,旨在深入認識侵蝕作用下的重金屬遷移機理,以期為同步開展土壤侵蝕與重金屬污染防治提供科學依據(jù)。

1 侵蝕作用下土壤重金屬的遷移規(guī)律

侵蝕條件下土壤經(jīng)雨滴擊濺、徑流沖刷而發(fā)生分離、搬運和沉積,在此過程中重金屬隨徑流、泥沙以溶解態(tài)、顆粒態(tài)的形式發(fā)生縱向、橫向遷移。

1.1 土壤重金屬的縱向遷移

降雨在地表沿土壤剖面發(fā)生垂向的淋溶作用,重金屬隨土壤顆粒、壤中流由表層向深層遷移,從而改變了重金屬的剖面分布格局,甚至進入地下水而污染水源。

不同土層重金屬的分布特征存在顯著差異。通常重金屬富集于表層土壤(0—20 cm),并由表土至底土總體呈逐漸遞減的趨勢,這可能與有機質(zhì)含量隨深度增加不斷減少有關(guān)。竇韋強等[10]對不同土層(0—20 cm,20—40 cm,40—60 cm)重金屬含量進行探究,結(jié)果顯示Cu,As,Pb,Zn,Cd和Hg 6種重金屬均隨土層深度增加逐漸減少,但Cr呈逐漸增加趨勢,Ni表現(xiàn)為先降低后逐漸增加;鄒慧等[11]也得出相似結(jié)論,即Cu,Hg兩種重金屬元素主要富集于7 cm土層,隨土層深度增加呈降低趨勢,但Pb隨土層深度表現(xiàn)為先增后減趨勢,在47 cm處出現(xiàn)最大值,這可能是土壤重金屬垂直遷移速率受重金屬自身性質(zhì)影響。姜玉玲[12]研究表明在外源污染或地質(zhì)高背景的作用下重金屬含量由表土至底土呈逐漸升高趨勢。

侵蝕作用下顆粒態(tài)與溶解態(tài)重金屬剖面遷移量存在差異。王浩等[13]發(fā)現(xiàn)淋溶過程中Pb,Cu的溶解態(tài)重金屬含量低于顆粒態(tài);溶解態(tài)Pb為3.84 μg/L,而顆粒態(tài)Pb達18.28 μg/L,這可能是因為重金屬容易被土壤顆粒所吸附,且土壤重金屬穩(wěn)定形態(tài)占比高,不易釋放至水體,導致重金屬主要以顆粒態(tài)形式進行垂直遷移。章明奎等[14]也得出類似結(jié)論,即重金屬縱向遷移形式主要為顆粒態(tài)。舒曉曉等[15]開展的淋溶試驗明:粒徑<1 mm的土壤顆粒能釋放更多Pb2+,土壤粒徑大小也會影響剖面重金屬遷移量。目前有關(guān)顆粒態(tài)重金屬剖面遷移的粒徑大小研究關(guān)注不多。

喀斯特區(qū)因特殊地質(zhì)構(gòu)造而存在地表/地下二元空間結(jié)構(gòu),導致重金屬隨徑流、泥沙通過巖溶孔裂隙、漏斗等發(fā)生地下漏失[16]。土壤漏失是重力侵蝕、化學溶蝕、水力侵蝕多重作用的結(jié)果,受孔裂隙、地形和降雨強度等因素影響[17]。有研究發(fā)現(xiàn),雨強和坡度較小的喀斯特地區(qū)土壤流失以地下漏失為主,而雨強和坡度較大地區(qū)的土壤主要通過地表流失[18]。此外,周春衡[19]研究表明地下漏失過程遷移的泥沙主要是<2 mm的細小土壤顆粒。目前已有研究開始探討喀斯特地下漏失過程相關(guān)機理,但關(guān)于喀斯特土壤侵蝕作用下重金屬隨土壤漏失遷移的認識依然薄弱。

1.2 土壤重金屬的橫向遷移

土壤經(jīng)雨滴擊濺破碎分離,泥沙顆粒隨徑流遷移最終沉積于洼地/谷地或匯入河流。侵蝕是土壤重金屬遷移的重要動力,當產(chǎn)沙量大于土壤搬運能力時發(fā)生沉積。由于中上坡土壤易被沖刷流失,土壤易在下坡沉積,因此一般在坡面尺度可認為中上坡為侵蝕區(qū),下坡為沉積區(qū)。對流域來說,上游可認為是侵蝕區(qū),下游為沉積區(qū);而對于海洋—陸地系統(tǒng),可認為陸地為侵蝕區(qū),海洋為沉積區(qū)。

通過梳理分析土壤侵蝕作用下溶解態(tài)與顆粒態(tài)重金屬遷移占比發(fā)現(xiàn)(表1):溶解態(tài)重金屬占比基本都小于顆粒態(tài)重金屬占比,如溶解態(tài)Pb占比變化區(qū)間為0～1.93%,顆粒態(tài)Pb占比變化區(qū)間為98.07%～100%。說明侵蝕作用下土壤重金屬主要以顆粒態(tài)形式遷移。但Kerr等[20]發(fā)現(xiàn)顆粒態(tài)Cu占比小于溶解態(tài)Cu,這可能是由于研究區(qū)流域內(nèi)Cu與沉積物的親和力較低,導致與溶解態(tài)Cu相比,以顆粒態(tài)Cu形式遷移的重金屬含量較少。

表1 侵蝕區(qū)與沉積區(qū)重金屬溶解態(tài)、顆粒態(tài)百分占比Table 1 The percentage of dissolved and particulate heavy metals in eroded and sedimentary areas

侵蝕區(qū)和沉積區(qū)重金屬含量占比也表現(xiàn)出較明顯的規(guī)律性。由表1知,溶解態(tài)重金屬占比表現(xiàn)為沉積區(qū)>侵蝕區(qū),顆粒態(tài)重金屬占比特征為侵蝕區(qū)>沉積區(qū),其原因可能是:水流作用使河流沉積物再次懸浮,有助于沉積物中重金屬的釋放[20];與顆粒態(tài)重金屬相比,溶解態(tài)重金屬遷移能力更強,遷移范圍更廣,易隨徑流匯入河流[27]。

綜上,土壤侵蝕作用下重金屬主要以溶解態(tài)和顆粒態(tài)的形式發(fā)生遷移。溶解態(tài)重金屬的一部分隨剖面淋溶進入深層土壤或地下水,另一部分隨地表徑流匯入受納水體;而顆粒態(tài)重金屬則主要受到徑流搬運作用的影響在環(huán)境中運移和再分布。因較強的吸附作用,顆粒態(tài)是重金屬進行橫向/縱向遷移的主要形式,侵蝕過程導致沉積區(qū)泥沙的重金屬含量有別于侵蝕區(qū)土壤(圖1)。上述研究表明土壤性質(zhì)、重金屬性質(zhì)和環(huán)境因子是影響侵蝕作用下重金屬遷移的關(guān)鍵因素,因此有必要做進一步分析闡述。

圖1 土壤侵蝕作用下重金屬橫向/縱向遷移規(guī)律

2 侵蝕作用下土壤性質(zhì)對重金屬遷移的影響

土壤性質(zhì)是決定土壤侵蝕強度的關(guān)鍵要素。土壤侵蝕引起水土流失/漏失,導致土壤退化,進而影響甚至改變土壤性質(zhì)。有研究表明土壤團聚體、pH、有機質(zhì)、土壤質(zhì)地等在侵蝕作用下重金屬的遷移過程中扮演重要角色。

2.1 土壤團聚體對重金屬遷移的影響

團聚體是土壤的重要組成和基本功能單元。土壤侵蝕導致團聚體結(jié)構(gòu)的破碎,降雨條件下團聚體破碎是侵蝕泥沙的主要來源。團聚體性質(zhì)不僅影響土壤分離、搬運過程還決定土壤的孔隙數(shù)量與大小,進而影響侵蝕泥沙量及重金屬的富集能力。團聚體結(jié)構(gòu)的破壞,一方面使土壤顆粒分離,促進土壤表層形成致密層,減少侵蝕泥沙量[21];另一方面,土壤顆粒分散可增加黏粒含量,黏粒對重金屬有較強的吸附能力,因此泥沙顆粒中重金屬的富集程度會相應增加[28]。土壤團聚體性質(zhì)(粒徑、含水量)與侵蝕過程中重金屬的遷移行為密切相關(guān)。

團聚體粒徑大小與重金屬的富集程度顯著相關(guān)。通常將直徑>0.25 mm的團聚體稱為大團聚體,直徑<0.25 mm的團聚體稱作微團聚體[29]。程劍雄等[30]研究發(fā)現(xiàn)不同粒徑土壤團聚體中重金屬含量由大到小排列順序為0.05～0.25 mm,<0.05 mm,0.25～2.00 mm。重金屬含量的峰值一般存在于細土壤顆粒,與大團聚體相比,外源重金屬存在向細土壤顆粒優(yōu)先吸附的傾向,且微團聚體有效態(tài)重金屬含量比大團聚體含量高[31]。細顆粒比表面積較大且含有較多黏粒礦物和鐵錳氧化物[32],有利于土壤重金屬的吸附,負電荷能有力提高土壤顆粒對重金屬的親和力。但也有研究得出不同結(jié)論,龔倉等[33]對熱帶林地土壤團聚體中重金屬的含量與分布進行研究發(fā)現(xiàn)Pb不僅富集于微團聚體(<0.25 mm),在0.25～1 mm粗顆粒中也存在富集,這與Xiao等[34]發(fā)現(xiàn)重金屬在粗顆粒中富集的研究結(jié)果相似,可能是因為細顆粒聚合形成大團聚體導致該現(xiàn)象發(fā)生。土壤侵蝕作用對團聚體沖擊力越強,大團聚體更易破碎分離形成微團聚體,有利于重金屬吸附。

土壤團聚體的含水量影響團聚體破碎機制,不同破碎方式影響土壤孔隙狀況和徑流系數(shù)進而影響重金屬遷移量。降雨侵蝕條件下團聚體破碎形式有快速濕潤引起的消散作用、機械外力作用和土壤礦物濕潤后非均勻膨脹引起的破裂作用[35]。含水量較低的情況下團聚體破碎機制主要是快速濕潤造成的消散作用,含水量較高時以機械外力作用和土壤礦物濕潤后非均勻膨脹引起的破裂為主[36],其中消散作用破壞效果最顯著。水分進入團聚體使其內(nèi)部空氣受到擠壓,壓強逐漸變大,當壓強大于團聚體自身內(nèi)聚力時就會發(fā)生氣爆反應[37],因此當干旱地區(qū)出現(xiàn)強降雨時,土壤更易發(fā)生侵蝕現(xiàn)象。團聚體的結(jié)構(gòu)被破壞會形成粒徑更小的土壤顆粒,細顆粒不僅富集重金屬的能力強,并且細顆粒與粗顆粒相比更易隨徑流遷移。不同破碎方式通過影響土壤顆粒的大小、孔隙數(shù)量決定徑流強度和重金屬遷移量,土壤濕潤速度對團聚體的破壞作用比雨水的沖擊作用更為強烈。

2.2 土壤pH對重金屬遷移的影響

土壤pH是影響侵蝕過程中重金屬遷移的重要因子。降雨的酸堿度會影響土壤pH,若為酸雨,則會增加土壤酸度,降低土壤pH。通常重金屬的吸附能力與土壤pH呈正相關(guān),pH越高,土壤吸附重金屬的能力越強,可有效抑制侵蝕作用下重金屬的釋放遷移量[38]。pH與有效態(tài)重金屬含量呈負相關(guān),土壤pH升高,H+含量降低,負電荷增加,H+與重金屬離子競爭吸附位點的能力降低,土壤中游離態(tài)的重金屬離子含量降低[39]。

pH降低可提高重金屬溶解度,增強侵蝕作用下土壤重金屬的遷移能力。蔣建清等[40]研究表明pH由6.0降至2.0時,表層土壤(0—10 cm)中的Cd,Pb,Cu,Zn的遷移能力均增強。pH增大,重金屬易形成碳酸鹽和氫氧化物。陳濤等[41]研究發(fā)現(xiàn)當土壤pH為4.0時,土壤重金屬Cd釋放率>50%;pH>6.0時,其易形成氫氧化物沉淀;但有些重金屬離子在環(huán)境中通常以氧陰離子形式存在(如As,Sb),pH升高更利于其遷移。

2.3 土壤有機質(zhì)對重金屬遷移的影響

土壤有機質(zhì)含量與重金屬含量和侵蝕強度密切相關(guān)。有機質(zhì)中含有各種絡(luò)合官能團、螯合基團(羥基、羧基),其通過與重金屬離子發(fā)生絡(luò)合或螯合作用吸附重金屬,降低土壤重金屬的遷移能力[43]。通常來說,有機質(zhì)含量越高,吸附重金屬的能力越強,侵蝕強度越小,土壤侵蝕過程中重金屬的遷移量也越小[44]。

2.4 土壤質(zhì)地對重金屬遷移的影響

根據(jù)機械組成的不同(砂粒(2～0.02 mm)、粉粒(0.02～0.002 mm)、黏粒(<0.002 mm)),土壤可分為砂土、壤土和黏土。土壤抗蝕性與土壤質(zhì)地顯著相關(guān),安文濤[45]研究指出由于砂土土粒較分散,相對于有機質(zhì)含量較多的黏土,砂質(zhì)土壤的可蝕性更強。

土壤質(zhì)地與土壤顆粒吸附重金屬的能力關(guān)系密切。黏粒和粉粒有機質(zhì)含量較高,因此黏粒、粉粒占比較高的黏土、壤土吸附重金屬能力較強。砂土土壤孔隙大,保水性差,不利于產(chǎn)生地表結(jié)皮,地表產(chǎn)流量較少,但能顯著提高土壤重金屬的垂直淋溶速率[46]。

砂粒占比較高的土壤會抑制其對重金屬的吸附作用。Ljung等[47]發(fā)現(xiàn)砂粒占比從13%增加到58%時,土壤細顆粒與粗顆粒所吸附的重金屬含量的比值增加1.1～3.7倍,砂粒增多會減少土壤顆粒中的吸附位點數(shù),降低土壤吸附重金屬的能力,此時土壤吸附重金屬的能力主要取決于土壤顆粒的粒徑大小。

3 侵蝕作用下重金屬性質(zhì)對土壤重金屬遷移的影響

重金屬通過吸附、溶解、沉淀、絡(luò)合、螯合等多種理化過程進入土壤并形成不同形態(tài)而富集或遷移。不同重金屬及其形態(tài)的理化性質(zhì)各異,進而影響侵蝕作用下重金屬的遷移過程。

3.1 賦存形態(tài)對土壤重金屬遷移的影響

與重金屬總量相比,土壤侵蝕作用下重金屬的遷移量與賦存形態(tài)的關(guān)系更密切[48]。不同賦存形態(tài)重金屬的生物有效性存在較大差異。國際上通常采用改進的BCR法和Tessier法對重金屬的賦存形態(tài)進行提取。改進的BCR連續(xù)提取法將重金屬分為弱酸提取態(tài)、可還原態(tài)、可氧化態(tài)和殘渣態(tài)[49]。Tessier連續(xù)提取法將重金屬分為可交換態(tài)(水溶態(tài)、交換態(tài))、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機結(jié)合態(tài)和殘渣態(tài)[50]。其中改進的BCR連續(xù)提取法中的弱酸提取態(tài)相當于Tessier連續(xù)提取法中的交換態(tài)與碳酸鹽結(jié)合態(tài)之和,可還原態(tài)相當于鐵錳氧化物結(jié)合態(tài),可氧化態(tài)相當于有機結(jié)合態(tài)[51]。

一般將改進的BCR連續(xù)提取法中除殘渣態(tài)以外的其他3種形態(tài)稱為有效態(tài),有效態(tài)重金屬易釋放遷移,而殘渣態(tài)重金屬最穩(wěn)定。通常不同形態(tài)重金屬穩(wěn)定性表現(xiàn)為殘渣態(tài)>可氧化態(tài)>可還原態(tài)>弱酸提取態(tài),其中弱酸提取態(tài)重金屬遷移能力最強。

黃帶娣等[52]根據(jù)其試驗結(jié)果推測侵蝕作用下生物有效性較強的重金屬形態(tài)(弱酸提取態(tài)、可還原態(tài))主要富集于土壤粗顆粒,穩(wěn)定性較強的重金屬形態(tài)(可氧化態(tài)、殘渣態(tài))主要吸附于土壤細顆粒。侵蝕過程中與粒徑較大的土壤顆粒相比,細顆粒更易隨徑流遷移,侵蝕作用下重金屬遷移形態(tài)主要為顆粒態(tài)中較穩(wěn)定的可氧化態(tài)和殘渣態(tài)。

侵蝕條件下重金屬的不同賦存形態(tài)可相互轉(zhuǎn)換。已有研究發(fā)現(xiàn)酸雨有助于將殘渣態(tài)重金屬轉(zhuǎn)化為有效態(tài),酸雨使土壤pH降低,從而提高重金屬的遷移性[53]。

3.2 重金屬特性對土壤重金屬遷移的影響

土壤重金屬類型多樣,不同重金屬理化性質(zhì)各異,導致侵蝕過程中各種重金屬的遷移能力差異較大。根據(jù)性質(zhì)可將重金屬分為氧化難溶性(Fe3+,Mn4+)和還原難溶性(Cd,Cr,Zn,Pb,Cu),兩種類型重金屬分別在氧化或還原條件下生成沉淀,減小侵蝕作用下土壤重金屬的遷移活性[39]。

不同的重金屬遷移能力不同。張加文等[54]發(fā)現(xiàn)與As,Cu,Zn等3種重(類)金屬相比,Cd,Pb更易釋放遷移。研究表明,Pb的負電性較高,可與土壤中的鐵鋁/錳氧化物、有機質(zhì)等形成共價化合物,或發(fā)生反應轉(zhuǎn)變?yōu)殍F錳氧化物結(jié)合態(tài),鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)重金屬遷移能力較強,土壤侵蝕作用下易隨徑流遷移[55]。土壤有效Cu大部分以有機螯合態(tài)存在(>90%),與其他元素相比,Cu更易形成絡(luò)合物被土壤吸附[56]。同時,Cu是親硫元素,還原條件下易沉淀為穩(wěn)定的硫化物[57],不易溶解于徑流發(fā)生遷移。

不同重金屬的生物有效性存在顯著差異。柴小平等[58]研究發(fā)現(xiàn)Cd主要呈弱酸提取態(tài),Pb主要呈可還原態(tài)。王圖錦[59]研究表明Cu,Cr主要呈殘渣態(tài),Pb為殘渣態(tài)與鐵錳氧化物結(jié)合態(tài),Cd為可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)和鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)。由此可見,因試驗對象、方法及研究區(qū)背景的差異導致研究結(jié)果迥異,但均可表明不同重金屬的生物活性差異大,進而影響侵蝕作用下重金屬的遷移能力。

4 侵蝕作用下環(huán)境因子對土壤重金屬遷移的影響

土壤侵蝕強度除與土壤性質(zhì)和重金屬性質(zhì)有關(guān),還受外界環(huán)境因子的影響。土壤侵蝕過程中降雨特征、地形因子、植被覆蓋等通過影響產(chǎn)流產(chǎn)沙過程進而影響重金屬的遷移。

4.1 降雨對土壤重金屬遷移的影響

馬仁明等[37]研究表明降雨強度越大,徑流遷移物質(zhì)能力越強,地表徑流攜帶的溶解態(tài)與顆粒態(tài)重金屬含量也相應增加。降雨強度與產(chǎn)流量、產(chǎn)沙量、壤中流關(guān)系為顯著正相關(guān),雨強越大,徑流越多,剝蝕土壤能力越強,搬運泥沙越多,重金屬遷移量也越大[60]。周凌峰等[61]研究發(fā)現(xiàn)Cd,Zn溶解態(tài)與顆粒態(tài)最大輸出通量都發(fā)生于每年6月,最小輸出通量在1月,每年6月是強降雨高峰期,產(chǎn)流產(chǎn)沙量最大,侵蝕遷移的重金屬含量也隨之增加[25]。但朱昌宇等[9]研究表明總Cd、總Pb的遷移量均隨降雨強度增大呈減小趨勢,如55 mm/h,100 mm/h,120 mm/h雨強條件下發(fā)生遷移的Cd濃度分別為0.65 μg/L,0.56 μg/L,0.35 μg/L,弱降雨條件下雖然其徑流量與泥沙量較少,但重金屬富集程度卻較高,因為徑流攜帶的侵蝕泥沙顆粒更小,細顆粒具有更大的比表面積,利于吸附更多的重金屬。

陶權(quán)等[21]發(fā)現(xiàn)在相同雨強條件下,隨降雨歷時延長,產(chǎn)沙量呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢。初期沖刷效應使降雨前期出現(xiàn)最大泥沙量,徑流攜帶大量泥沙顆粒(尤其是細小顆粒),土壤顆粒態(tài)重金屬含量也出現(xiàn)最大值;隨著降雨的持續(xù),疏松土壤顆粒減少,土壤表面形成致密層,泥沙量降低,顆粒態(tài)重金屬遷移量減少;隨降雨歷時繼續(xù)延長,致密層可被破壞,侵蝕泥沙量再次增多,攜帶遷移的重金屬含量又再次升高[62]。

4.2 地形對土壤重金屬遷移的影響

侵蝕過程中坡度通過改變徑流流速影響產(chǎn)沙量進而決定土壤重金屬遷移量。一般認為侵蝕泥沙量隨坡度增加而增大,坡度增加,坡面重力增大,有助于侵蝕泥沙搬運[63]。但王瑄等[64]研究顯示坡度達到21°后,隨坡度增加產(chǎn)沙量反而減少,因為超過臨界坡度,坡面有效降雨面積減小,導致侵蝕產(chǎn)沙量減少,其攜帶遷移的重金屬含量相應減少。徐蝶等[65]得出相似結(jié)論,其試驗結(jié)果顯示產(chǎn)沙量臨界坡度為20°。坡面侵蝕過程中重金屬遷移量由雨強和坡度共同決定,小雨強緩坡條件下,主要由坡度影響侵蝕產(chǎn)沙量,進而影響重金屬遷移量;雨強增大重金屬遷移量取決于雨強,大雨強條件有利于產(chǎn)流產(chǎn)沙;小雨強陡坡地段,當坡度超過臨界坡度,重金屬遷移量取決于雨強[66]。

土壤侵蝕過程中坡長對重金屬遷移有影響。張新和等[67]研究顯示坡長增加有利于坡面片蝕、細溝/切溝侵蝕,且坡長增加可提高水流流速,有利于產(chǎn)流產(chǎn)沙,造成侵蝕作用下重金屬遷移量的增加。也有學者認為小雨強、歷時短的降雨事件中,坡長對侵蝕產(chǎn)沙量的影響很小[68]。蔡強國[69]對20 m,40 m,60 m不同坡長條件下的產(chǎn)沙量進行研究,發(fā)現(xiàn)存在臨界坡長,產(chǎn)沙量隨坡長增加呈先升高后降低的變化趨勢,20～40 m坡長的產(chǎn)沙率最大。

4.3 植被對土壤重金屬遷移的影響

植被對降雨有截留緩沖作用,在一定程度上減小了對土壤的擊濺沖刷力,同時通過增加地面粗糙度減緩徑流流速,從而降低土壤侵蝕速率。解明曙等[70]認為植物根系有利于雨水入滲,減少徑流。植物對重金屬具有一定固定能力,楊洋等[71]測定土壤重金屬流失量證明其遷移量低于植物所吸收的有效態(tài)重金屬含量。

土壤侵蝕作用下,重金屬遷移量受植被覆蓋度的影響。魏慧等[72]研究指出植被覆蓋度增加能顯著提高土壤的抗侵蝕能力。吳蕾等[73]認為隨植被覆蓋度的增加,侵蝕泥沙量逐漸減少,徑流量先減小后增加,植被覆蓋度為60%時,減流效果最好,植被覆蓋度的增加,產(chǎn)流產(chǎn)沙量降低,重金屬遷移量減少。

由于不同植被類型攔截降雨的能力不同,導致侵蝕過程中的侵蝕泥沙量和徑流量存在差異,進而影響重金屬遷移量。王全九等[74]研究發(fā)現(xiàn)黃土坡地不同植被類型中苜蓿可有效減緩土壤侵蝕速率。孫希華[75]研究表明沂蒙山區(qū)不同植被中溫帶落葉灌叢和矮林的土壤侵蝕強度最大。

除前文所述機制外,由于土壤中還存在多種重金屬,重金屬之間的相互作用(協(xié)同作用、拮抗作用)、土壤微生物活動等均會影響重金屬的生物有效性[76],進而影響土壤侵蝕過程中重金屬的遷移,相關(guān)機制仍有待深入研究。綜上,從土壤性質(zhì)、重金屬性質(zhì)和環(huán)境因子三方面綜合考慮,土壤侵蝕對重金屬遷移的作用機制集成概念框架見圖2。

圖2 土壤侵蝕對重金屬遷移的作用機制

5 結(jié)論與展望

5.1 結(jié) 論

本文從侵蝕作用下土壤重金屬的橫向/縱向遷移規(guī)律入手,依次從土壤性質(zhì)、重金屬性質(zhì)、環(huán)境因子等方面對侵蝕過程中重金屬的遷移機制進行論述,主要結(jié)論如下:

(1) 侵蝕作用下土壤重金屬主要以溶解態(tài)和顆粒態(tài)的形式發(fā)生橫向/縱向遷移,其中顆粒態(tài)是主導遷移形式,溶解態(tài)遷移比例雖小但活性強;侵蝕作用導致溶解態(tài)重金屬的一部分隨剖面淋溶進入深層土壤或地下水,另一部分隨地表徑流匯入水體;而顆粒態(tài)重金屬在徑流搬運作用下于環(huán)境中重新分布,使得沉積區(qū)泥沙特性與侵蝕區(qū)土壤存在一定差異,進而可能影響重金屬富集特征的空間格局。

(2) 土壤吸附重金屬的能力受土壤顆粒的粒徑大小影響,土壤細顆粒吸附重金屬的能力更強;侵蝕作用下土壤團聚體易破碎分離形成細顆粒,不僅有利于重金屬富集,且易隨徑流優(yōu)先遷移;一般土壤pH越小,重金屬的活性越強,隨徑流溶解遷移的可能性越大;通常有機質(zhì)含量越高,土壤抗蝕性越強,吸附重金屬的能力越強,可抑制侵蝕作用下重金屬的釋放遷移。

(3) 重金屬的賦存形態(tài)很大程度上決定了其在土壤中的遷移能力,有效態(tài)重金屬易釋放遷移(其中弱酸提取態(tài)遷移能力最強),而殘渣態(tài)較穩(wěn)定(一般以顆粒態(tài)形式遷移);侵蝕過程中隨徑流溶解遷移的重金屬主要來源于有效態(tài),有效態(tài)含量與溶解態(tài)遷移量成正比,因此賦存形態(tài)對重金屬的遷移形式(溶解態(tài)、顆粒態(tài))有重要影響。

(4) 降雨特征、地形因子和植被覆蓋綜合影響侵蝕泥沙顆粒在環(huán)境中的遷移過程,并表現(xiàn)出一定選擇性,優(yōu)先遷移小粒徑的顆粒,使得泥沙粒徑分布隨遷移路徑呈現(xiàn)一定的變化規(guī)律。

5.2 展 望

國內(nèi)外已開展了大量與土壤侵蝕及其環(huán)境效應有關(guān)的研究,但關(guān)于土壤侵蝕對重金屬遷移的關(guān)注還不夠,未來研究可重點考慮以下方面:

(1) 土壤重金屬污染是自然和人為成因綜合作用的結(jié)果,自然狀態(tài)下土壤重金屬主要來源于母巖成土過程,殘渣態(tài)Cd占比高,活性低;工業(yè)、農(nóng)業(yè)等人類活動是土壤Cd外源輸入的主要途徑,在工礦區(qū)和污水灌區(qū)重金屬有明顯的表層富集,以有效態(tài)為主,活性高;可見,地質(zhì)背景與污染成因是影響重金屬污染程度及其賦存形態(tài)的重要因素,進而影響侵蝕過程中土壤重金屬的遷移方式;未來通過對比研究不同地質(zhì)背景與污染成因條件下土壤侵蝕如何影響重金屬的遷移過程具有重要科學意義。

(2) 土壤侵蝕優(yōu)先輸移細顆粒,一般小粒徑土壤顆粒因比表面積大、有機質(zhì)和黏土礦物含量高而更易富集重金屬,但不同粒徑土壤顆粒攜帶重金屬的賦存形態(tài)是否存在差異未來可重點關(guān)注;另外,關(guān)于侵蝕作用下土壤重金屬遷移機制研究主要采用室內(nèi)模擬降雨試驗法,但模擬試驗條件與自然環(huán)境存在較大差異,今后可在天然降雨條件下開展坡面、小流域尺度的野外監(jiān)測試驗研究。

(3) 喀斯特土壤—表層巖溶帶耦合發(fā)育易形成孔/裂隙管道系統(tǒng),使得該區(qū)存在地表/地下雙層水文結(jié)構(gòu),土壤侵蝕呈現(xiàn)地表流失/地下漏失的二元三維格局,在此背景下土壤重金屬到底是以地表流失為主還是以地下漏失為主尚不清楚,未來可重點探究喀斯特地下漏失對重金屬遷移的作用機制,明確不同侵蝕條件下重金屬地表流失與地下漏失的分配機理,完善研究方法與手段,探明相應過程與機制,為石漠化治理、水土保持及重金屬污染防治提供科學依據(jù)。