蔡雄飛，趙士杰，王 濟(jì)*，徐 蝶，郁鑫杰，趙 帥

(1.貴州師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，貴陽(yáng) 550025；2.貴州省喀斯特山地生態(tài)環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，貴陽(yáng) 550025)

貴州地處亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，年降水量豐富(800～1 500 mm)，雨熱同期[1]。由于喀斯特地貌發(fā)育，基巖裸露、土層淺薄、土被連續(xù)性差且成土速率緩慢[2-4]，土壤侵蝕及其引發(fā)的土地石漠化問(wèn)題日益嚴(yán)重[5]，已成為嚴(yán)重制約該地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要因素之一。此外，貴州礦產(chǎn)資源豐富，礦區(qū)周邊土壤中重金屬元素含量往往高于其他區(qū)域土壤，豐富的降水和特殊的喀斯特水文系統(tǒng)為重金屬元素的遷移擴(kuò)散提供了有利條件[6]，導(dǎo)致土壤生產(chǎn)力下降，重金屬污染嚴(yán)重。因此，探索重金屬元素隨降雨徑流的遷移過(guò)程及機(jī)制是科學(xué)防治重金屬污染的前提。

研究表明，重金屬隨徑流遷移主要包括兩種形式:①以分子或離子態(tài)隨地表徑流遷移，即溶解態(tài)遷移；②以無(wú)機(jī)或有機(jī)形態(tài)吸附于泥沙顆粒表面隨泥沙遷移，即顆粒態(tài)遷移[7-8]。土壤中重金屬元素隨地表徑流的遷移是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，影響因素較多，如近地表水文條件包括降雨[9]、下滲[10]、地形坡度[11]、土壤含水率及植被覆蓋狀況[12]等因素，都會(huì)對(duì)坡面侵蝕會(huì)產(chǎn)生不同的影響[13]，進(jìn)而影響徑流中重金屬含量。在土壤侵蝕研究中，土壤侵蝕力[14]、侵蝕產(chǎn)沙過(guò)程及機(jī)理[15]、侵蝕預(yù)報(bào)模型和防治措施等內(nèi)容一直是關(guān)注和研究的重點(diǎn)[14]；土壤重金屬污染方面的研究多集中在土壤本身污染程度的分析評(píng)價(jià)、來(lái)源解析、土壤—植物之間的遷移轉(zhuǎn)化機(jī)制[16-17]以及修復(fù)技術(shù)[18]等方面。然而針對(duì)土壤侵蝕過(guò)程中重金屬遷移途徑和過(guò)程方面的研究報(bào)道較少，重金屬元素隨坡面徑流泥沙的遷移過(guò)程與機(jī)制仍不明晰。因此，現(xiàn)選取貴州分布廣泛的黃壤為試驗(yàn)土樣，通過(guò)人工模擬降雨試驗(yàn)方法，系統(tǒng)研究了不同條件下坡面產(chǎn)流、產(chǎn)沙過(guò)程中土壤重金屬元素遷移過(guò)程與機(jī)制，探討泥沙輸移與重金屬元素遷移耦合作用，旨在為喀斯特地區(qū)坡耕地水土保持和重金屬污染防治提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

模擬試驗(yàn)設(shè)備主要由降雨機(jī)和試驗(yàn)土槽組成，其中降雨設(shè)備是由上海城市規(guī)劃設(shè)計(jì)總院設(shè)計(jì)的野外大型人工模擬降雨系統(tǒng)(NLJY-10)，其雨強(qiáng)連續(xù)變化范圍在6～240 mm/h，降雨高度2～6 m，有效降雨面積6.0 m×9.0 m，降雨均勻度高于86%，降雨設(shè)備調(diào)節(jié)精度為0.1 mm/h，調(diào)節(jié)變化時(shí)間小于30 s，所模擬雨滴粒徑、降雨動(dòng)能與自然降雨十分接近(圖1)。試驗(yàn)土槽為手動(dòng)變坡土槽，規(guī)格為1.2 m×0.8 m×0.40 m(長(zhǎng)×寬×高)，坡度在5°～40°可調(diào)，土槽下端設(shè)有集流槽，用于收集徑流泥沙。

在重金屬元素分析方面，形態(tài)采用改進(jìn)的BCR連續(xù)提取法進(jìn)行提??；全量采用四酸熔樣法測(cè)定。使用的主要儀器有離心機(jī)(PF6D, 長(zhǎng)沙平凡儀器儀表有限公司); 原子吸收光譜儀(GGX-800, 北京海光儀器有限公司)，電子天平(0.000 1 g)(JF2104,余姚金諾天平儀器優(yōu)先公司)，重金屬消解儀(SH230N, 濟(jì)南海能儀器股份有限公司)。

1.2 試驗(yàn)材料

在某關(guān)閉的大型礦廠區(qū)周邊約1.5 km范圍內(nèi)的坡耕地進(jìn)行土壤污染狀況篩查，使用手持式X射線熒光光譜儀(Beethor X3G)對(duì)調(diào)查樣地土壤重金屬含量進(jìn)行半定量分析，篩選后確定試驗(yàn)土壤為貴陽(yáng)市云巖區(qū)某黃壤坡耕地(106°39′18″E，26°42′26″)。采集耕地表層0～20 cm土壤，過(guò)4 mm粗篩作為模擬降雨試驗(yàn)土壤；試驗(yàn)用水為貴州師范大學(xué)地理與環(huán)境生態(tài)實(shí)驗(yàn)站內(nèi)的自來(lái)水，土壤和試驗(yàn)用水基本理化性質(zhì)如表1所示。

表1 表層土壤理化性質(zhì)

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)過(guò)程

根據(jù)貴州省氣象統(tǒng)計(jì)資料和暴雨頻率設(shè)計(jì)50、70、90、120 mm/h四個(gè)降雨梯度[19]，參考貴州省坡耕地坡度分布情況和巖溶地區(qū)地形地貌特征[20]，設(shè)計(jì)10°、15°、20°和25°四個(gè)坡度水平，進(jìn)行交叉試驗(yàn)，共進(jìn)行16場(chǎng)試驗(yàn)，每場(chǎng)試驗(yàn)重復(fù)一次。

土槽底端填3 cm厚的粗砂，粗砂上鋪雙層紗布，參考坡耕地容重進(jìn)行模擬土壤的填裝，填土厚度30 cm。每場(chǎng)試驗(yàn)開(kāi)始前挖出前一次試驗(yàn)的表層10～12 cm厚度土壤，重填裝處理備用的土壤。每場(chǎng)試驗(yàn)歷時(shí)60 min，產(chǎn)流后每隔5 min連續(xù)取樣5 min，用專門集流瓶收集每個(gè)時(shí)間段的徑流樣品，測(cè)定每個(gè)時(shí)段的徑流量和產(chǎn)沙量。同時(shí)采集雨水樣作為空白對(duì)照樣，測(cè)定徑流中重金屬總量和溶解態(tài)重金屬含量。根據(jù)《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》，污水中的懸浮物或固體顆粒物，是污水樣的一個(gè)組成部分，可能會(huì)吸附污染物，分析前必須搖勻樣品[21]。具體方法為:降雨結(jié)束后將采集到的徑流樣品充分搖勻，用注射器吸取10 mL徑流樣品，安裝注射式0.45 μm濾膜，將抽濾過(guò)后的水樣置于10 mL離心管中測(cè)定；另取10 mL徑流樣品用于重金屬全量分析測(cè)定，顆粒態(tài)重金屬用差減法計(jì)算得出。土壤中重金屬形態(tài)采用歐洲共同體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)局(European Community Bureau of Reference)提出的改進(jìn)的BCR連續(xù)提取法進(jìn)行提取。

1.4 質(zhì)量控制與數(shù)據(jù)處理

降雨模擬數(shù)據(jù)均為2場(chǎng)平行降雨數(shù)據(jù)的平均值。重金屬測(cè)定過(guò)程中，每批樣品設(shè)置兩個(gè)空白，徑流樣品中以雨水作為空白對(duì)照，同時(shí)設(shè)置20%的平行樣，標(biāo)準(zhǔn)偏差控制在5%以內(nèi)，測(cè)定時(shí)重金屬標(biāo)準(zhǔn)曲線系數(shù)應(yīng)≥0.999，同時(shí)土壤中重金屬含量用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW07405作為質(zhì)量控制，酸試劑均使用優(yōu)級(jí)純。

使用Excel 2016進(jìn)行計(jì)算整理，相關(guān)分析采用SPSS 22.0進(jìn)行處理，相關(guān)圖件繪制運(yùn)用Origin 2017完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 產(chǎn)流產(chǎn)沙量分析

2.1.1 產(chǎn)流量分析

在前期處理?xiàng)l件一致的情況下，不同雨強(qiáng)下的產(chǎn)流量均隨降雨時(shí)間的延長(zhǎng)呈上升趨勢(shì)直至穩(wěn)定(圖2)。4種雨強(qiáng)下(50、70、90、120 mm/h)產(chǎn)流量變化范圍依次為0.74～3.31、1.45～3.85、1.60～4.15、3.10～5.92 L，達(dá)到最大徑流量所需時(shí)間相差不大，基本在產(chǎn)流后10～20 min。這是由于降雨強(qiáng)度越大，坡面單位面積承受的降雨量和單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)流量相應(yīng)增加，從而導(dǎo)致產(chǎn)流量隨降雨強(qiáng)度增大而增加。在相同降雨強(qiáng)度下，基本呈現(xiàn)產(chǎn)流量與坡度呈正比關(guān)系，但當(dāng)坡度大于20°時(shí)，增加比率變小，這是由于當(dāng)坡度小于20°時(shí)，坡度增加會(huì)使降水重力沿坡面向下的分力變大，易于產(chǎn)生徑流，當(dāng)坡度增加到25°時(shí)，坡長(zhǎng)相同，隨著坡度的增加，有效降雨面積相應(yīng)減少，其產(chǎn)生的效果與降水沿坡面的分力對(duì)雨滴的效果部分相互抵消，造成25°條件下產(chǎn)流量相比于20°增加不明顯。

圖2 不同雨強(qiáng)和坡度下的產(chǎn)流過(guò)程

2.1.2 產(chǎn)沙量分析

產(chǎn)沙量是不同雨強(qiáng)和坡度下土壤對(duì)產(chǎn)流量的響應(yīng)過(guò)程，不同雨強(qiáng)下的產(chǎn)沙量與產(chǎn)流量呈現(xiàn)出不同變化趨勢(shì)，4種雨強(qiáng)下產(chǎn)沙量均隨降雨歷時(shí)的延長(zhǎng)呈先迅速增加后緩慢減少的變化趨勢(shì)(圖3)，其變化范圍依次為1.50～25.39、4.93～26.50、5.95～40.03、11.92～62.33 g，由于降雨強(qiáng)度增大，對(duì)土壤剝蝕能力增強(qiáng)，從而導(dǎo)致產(chǎn)沙量隨雨強(qiáng)增大而增加。在相同降雨強(qiáng)度下，當(dāng)坡度小于20°時(shí)，產(chǎn)沙量隨著坡度增加而增加，當(dāng)坡度大于20°時(shí)，產(chǎn)沙量隨坡度增加而減少，即存在一個(gè)臨界坡度，使得土壤侵蝕量與坡度成反比。這是由于坡度增加，沿坡面向下的復(fù)合重力增加，徑流沖刷力也相應(yīng)增加，造成土壤剝離，而坡度大于20°時(shí)，雖然沿坡面向下分力增加，但坡度的增加導(dǎo)致有效降雨面積相應(yīng)減少，其產(chǎn)生的效果與沿坡面的分力對(duì)雨滴的效果相互抵消，故產(chǎn)沙量隨坡度增加而減少。

圖3 不同雨強(qiáng)和坡度下的產(chǎn)沙過(guò)程

2.2 供試土壤重金屬形態(tài)分析

土壤重金屬形態(tài)與其遷移密切相關(guān)，采用改進(jìn)的連續(xù)提取法將重金屬分為4種形態(tài)，即酸可提取態(tài)、可還原態(tài)、可氧化態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)，如圖4所示，供試土壤中Ni元素酸溶態(tài)含量最高，Cu次之，Zn最低，分別占重金屬總量的11.4%、2.8%、2.75%；可還原態(tài)含量以Ni元素最高，Zn次之，Cu最低，分別占重金屬總量的10.15%、8.12%、4.33%；可氧化態(tài)含量以Ni元素最高，Cu次之，Zn最低，各占重金屬總量的殘?jiān)鼞B(tài)含量19.90%、10.97%、5.31%；Zn元素占比最高，為83.81%，Cu次之，為81.90%，Ni元素最低，僅有58.56%。

圖4 土壤重金屬形態(tài)含量

2.3 徑流中重金屬含量及變化特征

2.3.1 不同條件下Ni含量及遷移特征

圖5表明，不同雨強(qiáng)和坡度下溶解態(tài)Ni的含量呈波動(dòng)變化，在降雨初期各條件下溶解態(tài)Ni含量相對(duì)較低，隨著降雨歷時(shí)的增加，總體表現(xiàn)為先波動(dòng)上升，后波動(dòng)下降。4種雨強(qiáng)處理下變化范圍分別為1.5～5.9、1.9～5.8、1.9～5.2、1.3～3.8 μg/L，說(shuō)明隨著雨強(qiáng)的增加，溶解態(tài)Ni變化無(wú)明顯規(guī)律。分析不同雨強(qiáng)下徑流中顆粒態(tài)Ni含量可知，當(dāng)降雨強(qiáng)度為50 mm/h時(shí)，不同坡度下的顆粒態(tài)Ni均隨降雨歷時(shí)呈先迅速增加，后緩慢減小的變化趨勢(shì)，變化幅度在0.039 5～0.524 5 mg/L，當(dāng)雨強(qiáng)增加至70～120 mm/h時(shí)，顆粒態(tài)Ni隨降雨歷時(shí)的增加呈先減小后增加再減小的變化趨勢(shì)，變化幅度分別在0.069 7～0.499 5、0.099 6～0.695 8、0.158 3～0.844 4 mg/L，雨強(qiáng)越大，徑流中顆粒態(tài)Ni含量越高。圖5還表明，顆粒態(tài)Ni在產(chǎn)流初期出現(xiàn)一個(gè)峰值。120 mm/h雨強(qiáng)下顆粒態(tài)Ni含量在15～20 min最早達(dá)到濃度峰值，其次是90 mm/h雨強(qiáng)下在15～20 min稍晚達(dá)到濃度峰值，而70 mm/h和50 mm/h雨強(qiáng)下顆粒態(tài)Ni含量均在20 min后才達(dá)到濃度峰值，說(shuō)明雨強(qiáng)的增大不僅會(huì)使徑流中顆粒態(tài)Ni含量升高，還會(huì)使顆粒態(tài)Ni濃度峰值提前，并且降雨強(qiáng)度越大，含量越高，達(dá)到濃度峰值時(shí)間越短。

圖5 不同雨強(qiáng)和坡度下Ni含量隨降雨歷時(shí)的變化

2.3.2 不同條件下Cu含量及遷移特征

分析4種雨強(qiáng)下的水溶態(tài)Cu(圖6)可知，溶解態(tài)Cu隨降雨歷時(shí)增加均呈一定程度波動(dòng)變化趨勢(shì)，變化幅度分別在1.9～3.0、1.5～3.5、1.8～3.7、0.7～2.6 mg/L，說(shuō)明降雨隨著雨強(qiáng)的增加，水溶態(tài)Cu波動(dòng)幅度增大。當(dāng)雨強(qiáng)為50、70、90 mm/h時(shí)，不同坡度下顆粒態(tài)Cu均隨降雨歷時(shí)的增加呈先迅速增加，后緩慢減小的變化趨勢(shì)，變化幅度分別為0.038 7～0.312 4、0.063 5～0.286 0、0.040 0～0.394 1 mg/L，當(dāng)降雨強(qiáng)度為120 mm/h時(shí)，顆粒態(tài)Cu在降雨初期出現(xiàn)一個(gè)峰值，后隨降雨歷時(shí)得增加呈先增加后減小的變化趨勢(shì)，變化幅度為0.076 1～0.548 8 mg/L。在不同雨強(qiáng)下，120 mm/h雨強(qiáng)下顆粒態(tài)Cu含量在15～20 min最早達(dá)到濃度峰值，而70 mm/h和50 mm/h雨強(qiáng)下顆粒態(tài)Cu含量均在20 min后才達(dá)到濃度峰值，說(shuō)明降雨強(qiáng)度的增大會(huì)使顆粒態(tài)Cu濃度峰值提前，并且降雨強(qiáng)度越大，顆粒態(tài)Cu含量越高。

圖6 不同雨強(qiáng)和坡度下Cu含量隨降雨歷時(shí)的變化

2.3.3 不同條件下Zn含量及遷移特征

根據(jù)圖7可知，溶解態(tài)Zn低于儀器檢測(cè)限(<10-4mg/L)，故Zn以溶解態(tài)遷移的部分可以忽略不計(jì)。分析不同雨強(qiáng)下顆粒態(tài)Zn含量可知，在50 mm/h和70 mm/h降雨強(qiáng)度下，不同坡度下的顆粒態(tài)Zn含量在整個(gè)降雨過(guò)程中變化規(guī)律不明顯，總體呈波動(dòng)性減小的變化趨勢(shì)，變化幅度分別為0.089 6～0.694 1 mg/L和0.121 6～1.252 9 mg/L；當(dāng)雨強(qiáng)增大至90 mm/h和120 mm/h時(shí)，顆粒態(tài)Zn隨降雨歷時(shí)的增加呈先增加后減小的變化趨勢(shì)，變化幅度在0.065 9～2.288 3 mg/L和0.479 8～2.115 9 mg/L。在不同降雨強(qiáng)度下，顆粒態(tài)Zn在120 mm/h雨強(qiáng)處理下產(chǎn)流后15～20 min均達(dá)到濃度峰值，90 mm/h雨強(qiáng)處理除坡度為20°時(shí)在10 min達(dá)到濃度最值，其他條件均在產(chǎn)流15～25 min后達(dá)到峰值。70 mm/h和50 mm/h雨強(qiáng)處理下顆粒態(tài)Zn均有多個(gè)濃度峰值，說(shuō)明降雨強(qiáng)度較小時(shí)，顆粒態(tài)Zn受雨強(qiáng)影響不顯著?？傮w來(lái)看，降雨強(qiáng)度的增大會(huì)使顆粒態(tài)Zn濃度峰值提前，并且降雨強(qiáng)度越大，顆粒態(tài)Zn含量越高，極差越大。

圖7 不同雨強(qiáng)和坡度下Zn含量隨降雨歷時(shí)的變化

3 討論

降雨會(huì)導(dǎo)致土壤中重金屬元素隨地表徑流遷移，造成重金屬污染擴(kuò)散。其隨徑流遷移主要有兩種形式:一是溶解在徑流中進(jìn)行遷移，二是顆粒物被徑流攜帶沖刷進(jìn)入環(huán)境[22-23]。隨著產(chǎn)流時(shí)間的延長(zhǎng)，徑流中溶解態(tài)Ni和Cu元素變化無(wú)明顯規(guī)律，上下波動(dòng)幅度不大，這與陳喜保等研究結(jié)果一致，在雨強(qiáng)為120 mm/h時(shí)，濃度反而低于其他雨強(qiáng)，產(chǎn)流量越多，從而導(dǎo)致水溶態(tài)重金屬含量越低[24]；而徑流中溶解態(tài)Zn幾乎為0，這可能是由于降雨徑流中的水溶態(tài)重金屬主要來(lái)自土壤中酸溶態(tài)重金屬，土樣中酸溶態(tài)Zn占比僅有2.75%，而殘?jiān)鼞B(tài)Zn高達(dá)83.81%，故而導(dǎo)致水溶態(tài)Zn在徑流中含量極低，限于本儀器的監(jiān)測(cè)精度，未能檢測(cè)出。

隨著降雨時(shí)間的延長(zhǎng)，徑流中顆粒態(tài)重金屬含量基本呈現(xiàn)先快速上升又逐漸下降的變化趨勢(shì)，這與徑流產(chǎn)沙量變化趨勢(shì)一致，且隨著降雨強(qiáng)度的增加，徑流剪切力增大，導(dǎo)致徑流中攜帶泥沙含量增加，故而徑流中顆粒態(tài)重金屬含量也增加。同時(shí)，徑流中顆粒態(tài)重金屬含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于水溶態(tài)重金屬，這說(shuō)明在降雨過(guò)程中，Ni、Cu和Zn以顆粒態(tài)隨泥沙遷移為主，且整體變化趨勢(shì)與徑流產(chǎn)沙變化趨勢(shì)一致。

4 結(jié)論

(1)不同處理?xiàng)l件下坡面產(chǎn)流量均隨產(chǎn)流時(shí)間的延長(zhǎng)呈上升趨勢(shì)，基本在產(chǎn)流10～20 min流量達(dá)到峰值，之后趨于穩(wěn)定。且降雨強(qiáng)度越大，坡度越陡，產(chǎn)流量越大。

(2)隨著降雨時(shí)間的延長(zhǎng)，坡面產(chǎn)沙量在15～25 min增加至峰值，之后呈下降變化特征，且降雨強(qiáng)度越大，產(chǎn)沙量越多。在相同降雨強(qiáng)度下，存在臨界坡度20°，即當(dāng)坡度小于20°時(shí)，產(chǎn)沙量隨著坡度增加而增大，坡度高于20°時(shí)產(chǎn)沙量隨坡度增加而減少。

(3)供試土壤中重金屬均以殘?jiān)鼞B(tài)為主，隨著產(chǎn)流時(shí)間的延長(zhǎng)，徑流中溶解態(tài)Ni和Cu元素含量變化無(wú)明顯規(guī)律，上下波動(dòng)幅度不大，溶解態(tài)Zn在徑流中含量極低，低于儀器檢測(cè)下限，而顆粒態(tài)重金屬含量基本呈現(xiàn)先快速上升又逐漸下降的變化趨勢(shì)，與徑流產(chǎn)沙量變化趨勢(shì)一致。