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摘要
河流沉积物中蕴含丰富的环境信息。利用河流沉积物的磁性特征进行物源识别、沉积环境信息提取和环境污染评价是当前环境磁学的重要发展方向。沉积物中的重金属则常被用作判别河流水环境质量的重要指标。作为我国经济发展最快和城市化水平最高的地区之一,长江中下游干流地区的沉积物研究一直都是学术界的热点。以往的工作主要集中在长江口、三峡库区及干流的部分城市或区域江段,以流域整体为对象的系统研究相对薄弱。本文以长江中下游干流河道及长江口为研究对象,于2006年三峡水库156m蓄水前,在宜昌、荆州、城陵矶、鄂州、九江、湖口、安庆、铜陵、芜湖、南京、江阴、镇江、等城市江段以及长江口崇明环岛潮滩系统采集干流中泓沉积物、边滩沉积物、支流沉积物、表层水样及植物样品,综合运用环境化学、环境磁学、生态学、土壤学、水文学等学科知识及测试手段,从流域角度探讨了长江中下游河道沉积物的重金属地球化学及环境磁学特征。主要取得以下认识和成果:(1)磁铁矿主导了长江中下游河道沉积物的磁性特征,磁铁矿晶粒以假单畴(PSD)-多畴(MD)为主。纵断面上,从中游到下游,磁性矿物含量呈下降趋势,晶粒呈变细趋势;横断面上,从中泓到边滩,磁性矿物含量亦呈下降趋势,晶粒亦呈变细趋势。与干流相比,支流沉积物中不完整反铁磁性物质含量相对较多,亚铁磁性矿物晶粒较细。随着支流泥沙的入江,干流沉积物的磁性特征相应发生改变,支流物源贡献是干流沉积物的磁性特征空间变化的主要影响因子。(2)中泓沉积物的重金属总量及生物可利用态含量较低,与本流域土壤岩石元素背景值相近,符合土壤环境质量一级标准(GB15618-1995),不存在重金属污染。边滩与支流沉积物已遭受不同程度的重金属污染,与城市排污有关的Cu、Pb、As、Ni等元素含量较高。边滩与支流沉积物中生物可利用态重金属的含量较高,所占比重较大,容易通过食物链传递,危害性大,应予以关注。从中游到下游,中泓沉积物的重金属含量沿程分布差异较大。粒径与重金属沿程差异密切相关,经过粒径校正后的沿程差异明显减小。(3)长江中下游干流沉积物中汞的含量总体较低,基本能达到土壤环境质量一级标准。中泓沉积物基本保持自然地质背景状态。边滩沉积物中汞含量明显偏高,反映出人类活动对近岸水域影响较大。边滩沉积物汞的含量高值出现在九江-铜陵区域。(4)崇明环岛潮滩植物主要通过根系吸收沉积物中的重金属。吸收重金属时,各重金属元素共同进入植物根系,未发现选择性吸收现象。植物对重金属的吸收具有地域差异性,崇明北岸芦苇体内的重金属含量普遍高于南岸。互花米草对重金属的吸收与累积能力高于芦苇和蔗草。芦苇和互花米草体内重金属含量的分布规律为根系>茎>叶,地上部分的重金属含量一般大于50%,通过植物收割方式能有效转移重金属。被广泛用作造纸原材料的芦苇的收割在减轻长江口重金属污染上发挥着巨大生态效应。(5)中泓沉积物颗粒整体较粗,以砂粒为主,砂粒含量达63%,平均粒径112μm;边滩沉积物颗粒相对较细,以粉砂组分为主,粉砂组分含量达51%,平均粒径26μm;支流沉积物颗粒最细,以粘土和粉砂粒级组分为主,粘土和粉沙粒级组分含量分别为39%和52%,平均粒径9.2μm。(6)粒度是影响沉积物磁性特征的重要因素。由于长江中下游河道沉积物中晶粒以假单畴一多畴为主(粉砂)的磁铁矿,与较粗粒级的石英、长石(细砂)伴生,并富集于细砂沉积物中,因此长江中下游河道沉积物细砂组分的磁化率最大。但将沉积物筛分为三种不同的粒级组分后再测磁化率,出现磁化率与粒径成反比现象,即随着粒级的变细,磁化率愈高。粒度亦是影响重金属含量的重要因素,不同粒径颗粒吸附重金属能力不同。重金属元素Cu、Mn、Pb、As和Ni等性质较为相似,主要富集于细颗粒组分中;与此相反,Sr、Cr和Zr元素趋于富集在粗颗粒组分中。本论文的创新点:(1)综合运用环境磁学、环境地球化学、沉积学、生态学等手段,从流域角度探讨了长江中下游干流沉积物的磁学特征和地球化学特征,建立了沉积物元素数据库,为三峡完全封坝后的后续研究提供科学的比照参数。(2)系统探讨了长江中下游干流河道中泓、边滩、支流沉积物中重金属的总量与生物可利用态含量水平、污染状况、沿程分布及影响因素,为制定防治长江中下游重金属污染的对策措施提供依据。(3)研究了植物对沉积物中重金属吸收与累积的能力大小、地域差异、及其影响因素,探讨了重金属的植物生态效应。(4)探讨了粒度对长江中下游干流河道沉积物的磁性特征和重金属特征的影响。
