青藏高原重要交通沿线土壤-植被重金属累积特征与过程解析

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交通运输对道路沿线土壤-植物系统重金属的累积具有显著的影响,诱发潜在的生态环境风险,对其累积过程及其在植物体的富集特性的理解是指导道路交通建设的关键依据。青藏高原被称为“世界屋脊”或“第三极”,具有复杂的地理环境和气候特征,是中国乃至亚洲重要的生态屏障。青藏高原地处高寒地区,工业活动少,人口密度低,环境质量受工业活动的影响较小,历史上表层生态系统重金属的主要来源依赖于大气环流作用下的长距离输送沉积。然而,近年来随着我国西部大开发战略的持续实施,青藏高原地区道路建设突飞猛进,导致周边地区客货运往来频繁,交通运输逐渐成为青藏高原地区土壤重金属的潜在来源,引起研究人员的极大关注。城市等非青藏高原道路沿线土壤和植被重金属累积并构成环境风险的现象被广泛发现。但由于青藏高原面积广,海拔梯度大,局部地形、气候、植被等环境因子差异显著,交通道路横跨复杂多变的立体生境,导致我们对青藏高原重要交通沿线土壤和植被重金属的分布特征、累积过程、风险水平以及影响因素等方面的信息仍缺乏系统了解,也缺少同位素示踪技术介入源解析的报道,阻碍我们对青藏高原地区道路建设及交通活动诱发重金属环境风险的精准评估。因此,本研究通过对青藏高原重要交通沿线旁侧100 m范围内不同深度土壤和植被的广泛布点采样,分析重金属含量,明确交通道路沿线土壤和植物重金属的分布特点、积累特性、风险水平及影响因素,结合同位素示踪技术,揭示交通沿线不同植被覆盖区土壤重金属的来源特性,得到的主要结果如下:(1)青藏高原交通运输的快速发展可能提高沿线土壤重金属累积,并对野生生物及人体健康产生危害。通过对青藏高原重要交通(G317和G318)沿线旁侧5m、50 m和100 m处不同土壤深度(0-5 cm和15-20 cm)土壤重金属(Hg、Zn、As、Cd、Pb、Cu、Ag和Ni等)浓度的定量分析。结果表明,与青藏高原重金属浓度基线值相比,青藏高原交通沿线的表层土壤中的Hg(49 ng g-1)、Zn(100.3μg g-1)、As(21.6μg g-1)、Cd(0.19μg g-1)和Pb(32.9μg g-1)的平均浓度显著高出1.13~2.34倍。土壤Ni(39.4μg g-1)、Cu(22μg g-1)和Ag(0.12μg g-1)的平均浓度与青藏高原基线值之间没有显著差异,但Ba(341μg g-1)、Tl(0.57μg g-1)、Rb(35μg g-1)和Sr(55μg g-1)的平均浓度显著低于该地区基线值的1.2~4.2倍。对深层土壤(15-20 cm)而言,Hg、Zn、As、Cd、Pb、Cu、Ag和Ni等重金属的平均浓度显著高出该地区背景值1.1~1.7倍(p<0.05),与研究区域岩石中的含量相当。此外,土壤中大部分重金属浓度在距离公路不同距离上不存在显著差异(p>0.05)。除了一个采样点土壤重金属Nemero综合指数(PN)到达12.7,属于极端污染风险以外,其他区域土壤重金属的PN值基本都是在1到2之间,属于低污染风险,表明区域内交通活动影响的较为有限。根据统计分析,土壤风化过程、气候、地形和植被覆盖对青藏高原道路沿线土壤重金属的积累过程和空间分布起着更为重要的作用。另外,由于森林植被和气候因素导致了较高的大气沉降,结合森林表土较高的有机质水平,在海拔3700-4100 m的森林表层土壤中Hg的积累量达到最高,显著高于其他植被覆盖区。(2)作为陆地生态系统的重要组成部分,植物在重金属的生物地球化学循环中扮演着重要角色。通过对青藏高原道路交通沿线旁侧草本植物、阔叶、针叶和苔藓地衣等四种植物叶片重金属的含量、分布及积累特征的分析结果表明,在四种植物叶片中,Hg的平均含量为32.22 ng g-1、Cr为25.52μg g-1、Ni为6.96μg g-1、Zn为35.51μg g-1、As为1.93μg g-1、Cd为0.10μg g-1、Pb为3.53μg g-1、Cu为11.45μg g-1。不同于土壤重金属的累积规律,交通活动能够明显影响道路沿线旁侧草本植物叶片和阔叶中Cu、Pb等重金属的积累,而对针叶和苔藓地衣中的重金属积累无显著影响。相关性结合主成分分析结果显示,地形、气候和植被演替特征是控制青藏高原沿线旁侧叶片重金属在空间尺度上积累的重要因素。高海拔区域,大气沉降是增强叶片重金属积累的关键因素,而在较低海拔区域,叶片重金属的积累主要由植被的演替特征调控。此外,植物叶片中As、Ni、Pb、Zn、Cu和Cr主要来源于土壤母质风化过程和交通活动等人为排放,而Hg和Cd主要来自人为排放污染的大气沉降。(3)植被覆盖对土壤重金属的来源与归趋的具有显著影响,通过对青藏高原森林、草甸、灌丛草原和草原四种植被类型覆盖下土壤(0-5 cm和15-20 cm)Hg同位素组成的分析表明,青藏高原交通沿线土壤Hg的来源以大气沉降为主,地质来源的贡献较少。植被覆盖类型能够显著影响大气Hg的沉降途径,森林覆盖区域表层土壤(0-5 cm)的δ202Hg(-1.43±0.31‰)比非森林覆盖区土壤的δ202Hg(-0.84±0.48‰)更加偏负,说明森林土壤Hg的积累受到凋落物输入的显著影响;草原表层土壤(0-5 cm)的δ202Hg与Hg浓度之间具有显著的正相关性,表明Hg(0)的直接沉降是造成草原土壤Hg积累的主要因素。另外,在降水量较高的青藏高原东部非森林覆盖区域,Hg(Ⅱ)的湿沉降对土壤Hg积累比Hg(0)直接沉降具有更显著的影响。
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