鸟粪对同里湿地土壤和沉积物汞含量及其形态影响

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汞(Hg)是一种广泛存在于大气、水体、土壤之中的神经性毒物,Hg及其化合物,尤其是以甲基汞(MeHg)为代表的有机Hg化合物,毒性强,挥发性大,迁移性好,易通过手-口摄入、呼吸吸入、皮肤接触、Hg蒸气吸入等途径富集于人体,从而侵害人体生殖系统、神经系统和免疫系统,造成急性或慢性Hg中毒。湿地作为Hg的―源‖和―汇‖,在汞的生物地球化学循环中起到重要作用,因此了解湿地Hg的来源及其形态转化意义重大。湿地作为全球生态系统的重要组成部分,因其地势低,自然源或人为源产生的Hg易通过地表、地下径流、大气干湿沉降等多通道进入湿地系统。湿地地区生长着大量的鸟类,其排泄物的量也巨大。粪便作为动物未完全被消化的食物残渣,加之生物体对重金属的生物富集与放大作用,导致粪便中含有较高的重金属含量,尤其对Mn、Cd、Cu、Zn、Hg富集能力较强,禽畜类粪便的大量施入,会明显加剧当地土壤及沉积物中Hg的积累。本文以同里湿地土壤及沉积物为研究对象,定量化揭示同里湿地不同介质:鸟粪富集土壤、非鸟粪富集土壤、鸟粪沉积物、湿地水体及沉积物中Hg含量分布及污染特征,并揭示鸟粪对当地土壤及沉积物中Hg的富集及形态转化规律。本研究分别于冬季和夏季,在江苏省苏州市同里湿地采集土壤样品共计51个,鸟粪样品4个;冬季在同里湿地河流中采集沉积物样品19个,同时采集河水样品19个。土壤、鸟粪、沉积物以及水体总汞含量采用王水水浴-冷原子荧光法测定,土壤、鸟粪、沉积物汞形态的测定:所有样品以改进的Tessier五步连续提取法进行形态分析,使用双道荧光光度计进行测定(AFS-820);使用地累积指数法、潜在生态风险评价法,对该地土壤及沉积物汞污染状况以及潜在生态风险进行评估。主要结论如下:(1)夏季,同里湿地公园土壤总体pH值达4.5,呈酸性。无鸟粪土壤(OS)的pH为4.9,而上覆鸟粪土壤(WS)中pH为4.0,其中OS的pH值显著高于WS。公园土壤中N、C、H、S平均含量分别为3.69、38.07、10.97、0.52 g·kg-1;冬季,同里湿地公园土壤pH值为4.9,也呈现酸性特征。OS的pH显著高于WS,公园内土壤的N、C、H和S的含量分别为2.72、24.37、9.93和0.69 g·kg-1。BS中pH值也呈现出酸性,为4.7,高于夏季的土壤pH值,但是低于冬季土壤pH值。在夏季,不同类型土壤中Hg的浓度呈现出一定差异性,对于OS,Hg的平均浓度为0.134±0.039 mg·kg-1,相比较WS(0.169±0.026 mg·kg-1)而言,WS的平均浓度显著高于OS,高出26.1%;在冬季,同样的现象表现在不同类型的土壤中,对于OS,Hg的平均浓度为0.104±0.032 mg·kg-1,而WS的Hg平均浓度为0.194±0.155 mg·kg-1,WS的平均浓度显著高于OS(p=0.044<0.05),高出86.5%;鸟粪中Hg的浓度较高,达到0.182±0.020 mg·kg-1,其浓度高于夏季中OS与WS和冬季中OS中Hg的浓度。(2)夏季同里湿地公园OS中Hg的水溶态汞(F1)、酸溶态汞(F2)、碱溶态汞(F3)、过氧化氢溶态汞(F4)和残渣态汞(F5)平均浓度分别为0.003±0.000、0.006±0.002、0.022±0.005、0.022±0.003、0.082±0.037 mg·kg-1;冬季同里湿地公园OS中Hg的F1、F2、F3、F4和F5态平均浓度分别为0.015±0.005、0.022±0.016、0.030±0.006、0.034±0.008、0.024±0.003 mg·kg-1;鸟粪中Hg在F1、F2、F3、F4和F5中平均浓度分别为0.019±0.002,0.037±0.008,0.024±0.002,0.021±0.001,0.078±0.020 mg·kg-1。冬季有鸟粪土壤中有效态Hg的浓度高于夏季有鸟粪土壤中的有效态Hg浓度,且冬季有鸟粪土壤中Hg形态的分布特征与鸟粪中Hg形态的分布呈现相似性。(3)通过土壤理化性质与土壤THg相关性分析表明,在夏季,THg与Ntot和H之间呈现极显著相关(ρ=0.528,0.578,p<0.01),与Ctot呈现出显著相关(ρ=0.470,p<0.05),与pH与Stot之间相关性无统计学意义。夏季时期,土壤中C/N比值集中于7.5-12.5范围内,较冬季(集中于8.0-10.0范围内)高,因为鹭科鸟类作为夏季候鸟,夏季时期,鸟类排放大量的粪便进入土壤,导致C/N比值较高,随着时间的推移,冬季鸟粪则开始转化有机质与腐殖质,导致C/N比值降低。冬季Hg/C比值相对高于夏季Hg/C的比值,是因为经过夏天与秋天的淋溶、迁移与有机质、腐殖质的吸收,导致冬季土壤中Hg浓度的增加。随着时间的推移,有鸟粪土壤中Hg的形态开始向鸟粪中Hg的形态转化,尤其是以F1与F2态,其中在冬季,无论是有鸟粪土壤还是无鸟粪土壤,其残渣态含量降低,而碱溶态与有机结合态的Hg含量呈现上升趋势。说明夏季鸟粪的进入,会加剧土壤汞的活性,尤其是在长期新鲜鸟粪转化为腐殖质与有机质以后,有效态的Hg浓度显著上升。(4)同里湿地公园内河流沉积物中TOC平均含量为0.02±0.01 g·kg-1,Ntot的平均含量为1.33±0.33 g·kg-1,Ctot的平均含量为11.43±3.58 g·kg-1,H的平均含量为6.88±1.21 g·kg-1,Stot的平均含量为1.09±0.32 g·kg-1,pH值为6.7±0.5。通过同里湿地河流水体Hg浓度分析,河流水体Hg平均浓度为0.075±0.071μg·L-1。河流沉积物中Hg平均浓度为0.182±0.054 mg·kg-1,其中有鸟粪进入区域的河流沉积物中Hg的浓度为0.179±0.009 mg·kg-1。无鸟粪进入区域的河流沉积物中Hg的浓度为0.186±0.012 mg·kg-1。总体上,同里湿地河流沉积物Hg形态表现为:F5>F4>F3>F2>F1,F5浓度为0.054±0.007 mg·kg-1,其中F4浓度为0.047±0.005 mg·kg-1,F3浓度为0.043±0.007 mg·kg-1,F2浓度为0.027±0.007mg·kg-1,F1浓度为0.012±0.003 mg·kg-1。同里湿地河流沉积物中Hg的五个形态变异系数均呈现中等强度变异。(5)有鸟粪的进入,会增加当地土壤中N、C以及TOC的含量,随着时间的推移,并随着微生物活动,其养分元素会转化为有机质与腐殖质,从而会增加对水体与土壤中Hg的吸附性,增加了Hg浓度。鸟粪的进入对河流沉积物中Hg的形态产生了一定的影响,原因是鸟粪中较低的pH值与较高的TOC、N、H等养分元素,导致有鸟粪区域沉积物中F1与F2态浓度的升高。(6)通过地累积指数评价同里湿地土壤Hg污染状况,在夏季,总体上湿地Igeo值均小于1,处于无污染状态。分析WS与OS,两者Igeo均小于1,也呈现出无污染状态。在冬季,总体上湿地Igeo平均值也小于1,处于无污染状态。对比分析WS与OS,WS的Igeo值明显高于OS,其中WS中有三个样点,Igeo值分别为0.842、1.039和1.098,达到了轻微污染与中度污染程度。沉积物总体上Igeo值均小于1,未呈现明显污染状况。除冬季无鸟粪土壤Hg的潜在生态风险指数小于30以外,其余土壤及沉积物平均指数均超过30小于60,属于中等风险,但是夏季有鸟粪区域部分样点超过120,达到很强风险,需要加以重视。
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