川西南典型高山生态系统重金属累积的海拔效应及其来源解析

The exact identification of heavy metal sources is an important premise for the prevention and regional synergy management of their contamination. It is the understanding of environmental behavior of heavy metals that is the vital base for the risk assessment. The alpine ecosystems are sensitive to global changes, and can reveal the anthropogenic contribution to heavy metals. The typical alpine ecosystem -- Gongga Mountain in Southwest Sichuan Province is selected in this research. Multi-medium indicators including soils, plants, dry and wet deposition and aerosols in different slopes (East, West and North) and altitudes of the mountain are used to comprehensively investigate the altitudinal effects of heavy metal (Cd, Cu, Pb and Zn) accumulation and to obtain the trapping characteristics of the alpine ecosystem on heavy metal accumulation. The composition of Pb isotopes in these indicators and modeling are applied to identify the heavy metal sources in the alpine ecosystem, to quantitatively evaluate the contribution of atmospheric deposition to them, and to delineate their transport mechanisms. The key processes controlling the mobilization and transformation of heavy metals are revealed in the soil-plant-atmosphere system. This proposed project would provide a theoretical basis on the control of heavy metal contamination and the ecosystem protection in the remote alpine ecosystem of southwest China.

准确解析重金属来源是预防和开展区域协同治理污染的前提，明确重金属的环境行为是进行风险评估的重要依据。高山生态系统对全球变化具有敏感性，能够揭示人类活动对重金属的贡献程度。本课题选择川西南典型高山生态系统——贡嘎山，针对不同坡向（东坡、西坡和北坡）和海拔梯度下土壤、植物、干湿沉降和气溶胶等开展研究，系统调查重金属（Cd、Cu、Pb、Zn）累积的海拔效应，明确高山生态系统对大气沉降重金属的捕获特征；采用Pb同位素示踪技术和模型模拟等手段，解析重金属来源并定量评价大气贡献量，阐明重金属的大气传输机制；揭示土壤-植物-大气系统中重金属的迁移转化规律。为高山生态系统重金属污染防治和西南山区生态安全保护提供理论基础。

准确解析重金属来源是预防和开展区域协同治理污染的前提，明确重金属的环境行为是进行风险评估的重要依据。本课题选择川西南典型高山生态系统——贡嘎山不同坡向（东坡、西坡和北坡）和海拔梯度下土壤、植物、干湿沉降、湖泊沉积物，系统调查了Cd、Cu、Pb、Zn累积的海拔效应，明确了高山生态系统对大气沉降重金属的捕获特征；采用Pb同位素组成和模型模拟等手段定量解析了重金属来源，并阐明了其大气传输机制；揭示了土壤-植物系统中重金属的迁移转化规律。. 结果发现，不同环境介质中重金属浓度呈现出东坡和北坡大于西坡。在东坡Cd、Pb和Zn呈现先增加（海拔2000-2900 m）后降低（2900-3700 m）再增加（林线以上）的趋势、北坡呈现逐渐下降的趋势，在西坡变化趋势不明显；Cu在所有坡向均无明显变化。根据地球化学指标、生物监测、铅同位素、统计分析以及大气轨迹模型等，东坡和北坡Cd、Pb和Zn明显受到人类活动的影响，而西坡重金属主要来自自然源，Cu在所有坡向均主要来自自然源；东坡和北坡50%以上的Cd和Pb与人类活动的贡献有关。低海拔人为源的重金属主要来自当地人类活动的排放，而高海拔重金属的累积主要来自大气远距离传输。东南和西南地区或国家排放的重金属可以通过远距离的大气传输进入到贡嘎山生态系统。高山冷凝沉降、山地植被类型和土壤发育决定了重金属的海拔分布模式。高山湖泊沉积序列记录显示，Pb在1950s开始增加，而Cd和Zn主要1980s开始增加，所有重金属均于1990s中期达到最大，目前Pb呈现下降趋势，而Cd和Zn仍处于较高的累积水平。贡嘎山表层土壤中Cd、Pb和Zn均以铁锰氧化物/氢氧化物结合态为主，Cu则以有机结合态为主。植物叶片从大气吸收和根的富集与传输影响了重金属在土壤-植物中的分配，高山局地气候和土壤理化性质控制了重金属在土壤-植物系统中的迁移转化及其环境风险。. 本研究揭示了青藏高原东麓高山生态系统对大气重金属的传输具有屏障效应，研究成果可以为高山生态系统重金属污染防治和西南山区生态安全保护提供理论基础。