CN107085078A - 小型集水区复合生态系统对重金属储滤效应的方法 - Google Patents

小型集水区复合生态系统对重金属储滤效应的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及生态系统环保领域,尤其是小型集水区复合生态系统对重金属储滤效应的方法，其方法步骤为：(1)样地设置，(2)样品采集，(3)样品分析，(4)数据分析。本发明有益效果：通过生态系统能量转换、吸收、生物降解等得到转化、固定，进而得到净化，维护地方生态稳定，促进地方经济发展，继续开展重金属生态学过程研究。通过对集水区大气干、湿沉降的收集与取样，集水区不同土地利用类型不同层次的采集，分析集水区大气干、湿沉降重金属含量动态变化以及重金属年输入、输出量，比较集水区不同土地利用类型对重金属的截滤作用，揭示该集水区复合生态系统对重金属的储滤效应。

Description

小型集水区复合生态系统对重金属储滤效应的方法
技术领域
本发明涉及生态系统环保领域,尤其是小型集水区复合生态系统对重金属储滤效应的方法。
背景技术
重金属污染物所造成污染的加剧，已成为人类所面临的重要环境问题之一。重金属污染物在环境中的含量、分布、存在形态、迁移转化、生物效应以及防治对策等方面都日益引起人们的关注。以某个生态系统为基础，研究重金属的生态学过程是近年来的研究热点之一。彻底了解一个系统由于外界环境中各种重金属的输入、内部迁移及转化和输出的生物地球化学过程的定性、定量变化规律，对于生态系统的承载力和持续健康发展是非常必要的。因此，本研究以长江上游低山丘陵区(五通桥区)中典型集水区为研究对象，通过对大气沉降的收集、取样，不同林分类型穿透水、树干径流和枯落物层的取样，不同土地利用类型不同土壤层次样品的采集以及区内水体的取样，集水区出口径流取样，分析了集水区大气干、湿沉降重金属含量动态变化以及重金属年输入、输出量，比较了集水区不同林分类型对重金属的截滤作用，初步计算出研究区重金属的储存量，揭示该集水区复合生态系统对重金属的储滤效应，不仅对区域生态环境的保护具有重要的现实意义，还能对深入开展四川省主要林农区面源污染控制和污染的生态修复试验示范研究提供科学依据和优化措施。
近年来，随着重金属污染物的非生物降解性和污染持续性[1-3]所造成污染的加剧，已成为人类所面临的重要环境问题之一。众所周知，重金属能被动物和植物体吸收富集，再经由食物链传递进入人体，进而危害人类健康。所以，重金属污染物在环境中的含量、分布、存在形态、迁移转化、生物效应以及防治对策等方面已经成为人们关注的焦点[4,5]。
就环境污染问题，国内外许多专家学者已经对大气、土壤、水体、植物中的重金属进行了多方面的研究。祁建华[6]和王章玮[7]等对重金属在大气颗粒物中的分布特征等进行了研究，发现重金属更容易分布在PM10颗粒物上。胡健[8]和李月梅[9]等的的研究发现，雨水中重金属含量明显高于地表水，降水中重金属含量季节变化明显，各种元素表现出冬春高，夏秋低的特点。Douay[10]和Bretze等[11]研究了土壤重金属的污染特征和空间分布特征；郑袁明等[12]研究发现北京市不同土地利用方式下的绿化土壤Pb的累积最明显，麦地Pb浓度最低，Pb的含量变化为：城区土壤>近郊区>远郊区；赵彦锋等[13]研究发现，郑州市土壤中Hg受土地利用方式影响明显；陈三雄和栾以玲[14,15]等研究了植物对土壤重金属的富集作用，Lepp[16]和Smith[17]研究了重金属对植物的毒理作用，方晰[18]和陈益泰等[19]的研究了重金属元素在植物体内转移能力。
以某个生态系统为基础，研究重金属的生态学过程是近年来的研究热点之一[20.21]。彻底了解一个系统中各种重金属的输入、输出和在其内部的迁移转化的生物地球化学过程的定性、定量变化特征，对于整个生态系统的承载力以及持续的健康发展是非常必要的[23]。集水区(catchment)即为汇集水流的区域，其中山丘型集水区具有天然的分水岭，边界清楚，河流结构呈树枝状，产流和汇流以自然的流动为主，集水区一般只存在一个出口，流量和流向具有一定规律性[24]，这就使得以集水区为研究对象的重金属输入、输出量的统计更加方便，集水区成为复合生态系统重金属储滤效益研究的最佳区域。
长江上游低山丘陵区地形地貌复杂，土地利用类型多样，植被结构破碎化，是典型的复合生态系统，存在重金属污染的风险，特别是As、Cd和Pb存在较高风险系数[17]。小型集水区复合生态系统是长江上游低山丘陵区一种重要的土地利用方式，开展集水区不同土地利用类型对重金属的储滤效应，研究复合生态系统重金属的分布特征和积累能力，分析其内在机理，以期为长江上游低山丘陵区重金属面源污染防治提供科学依据和优化措施。
尽管在过去几十年中，有关重金属污染的问题受到了普遍的关注。国内外专家学者也对此开展了多方面的研究，但是，目前有关重金属在复合生态系统中的分布特征和迁移积累方面的研究还相当不足，主要表现在以下几个方面：
我国对重金属的研究起步比较晚，对于重金属在农林复合生态系统的分布情况调查得较少，研究对象和范围有限，研究的区域多在大城市周边，已有的研究工作多集中于草本、农田作物、水库等，对特殊的类型和地带调查研究得不够，诸如林农复合集水区(五通桥区)；
单一生态系统中重金属的积累和迁移研究较多，针对复合生态系统中重金属储滤效应的研究几乎为零，影响重金属在复合生态系统迁移、积累的主要因素是什么，它们之间存在什么关系，这些都还不确定。这主要是由于复合生态系统结构的复杂性，而且还受到重金属特性、大气沉降和土壤性质等多种因素的交互作用。
因此，对于上述问题有必要提出小型集水区复合生态系统对重金属储滤效应的方法
发明内容
针对上述现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供小型集水区复合生态系统对重金属储滤效应的方法，为维护地方生态稳定，促进地方经济发展。
小型集水区复合生态系统对重金属储滤效应的方法，其方法步骤为：(1)样地设置，(2)样品采集，(3)样品分析，(4)数据分析；所述样地设置进一步的包括
(1)在集水区无林空旷处设立固定取样点收集大气湿沉降，湿沉降采集器为自制的漏斗状聚乙烯塑料膜收集，下端开口处距地面20cm，并放置有塑料桶，塑料桶预先用稀硝酸浸泡72h以上，再用去离子水冲洗干净，以除去可能存在的金属离子，其中，大气干沉降收集点位于集水区内三家农户的屋顶，海拔高度为393m；
(2)在集水区不同的土地利用类型中，选取坡度相近，地势较平坦的3块10m×10m的样地，对样地内所有乔木个体编号并采用每木检尺的方法进行调查，在每块样地内布设6个1m×1m小样方为草本样方，调查并记录植物的种类、个体数、高度及盖度；在每块样地内分别挖取土壤剖面，在剖面上按照0-10cm，10-40cm，>40cm三段用环刀分别取样，土壤样品用样品袋封存，带回实验室后测定土壤容重、土壤总孔隙度、最大持水量及pH；
(3)在每个样地内布设3个开口面积为2m×0.20m PVC管道收集穿透水；按径级选择2-3株树作为目标树来测定树干茎流，每株用透明硬塑料片围绕紧贴树干做成漏斗形状，用沥青粘牢漏斗下端，再在漏斗下端接直径1.0cm聚乙烯塑料管，基部放置集水器以收集树干茎流，在样地内用挡板围成面积4m2(2m×2m)的地表径流纵向收集区，隔断内外地表径流，在收集区最底端设置集水器，降雨后次日收集地表径流水样。
(4)在每块样地上段，中段，下段各选取1块小样地，将50cm×50cm的枯落物整体移开，挖深50cm的坑，放置集水器，集水器上设一大漏斗以完全收集枯透水，将枯落物移回原处，并用挡板隔离地表径流，于降雨次日收集枯透水样品。
优选地，所述样品采集包括大气干湿沉降样品收集、水样采集、植物样品采集、土壤采集和枯落物采集。
优选地，所述大气干湿沉降样品：收集用雨量筒测定每次降雨收集到的雨水体积，随后将1000mL左右雨水装入预先清洗过的密闭塑料瓶中，带回实验室测定pH值，如不能及时测定重金属，剩余样品放入4℃的冰柜中保存；收集大气干沉降采用集尘缸，集尘缸事先用蒸馏水多次冲洗，在次月的第一天收集上月降尘，将收集到的集尘缸中的全部样品及其冲洗液混合装入预先清洗过的塑料瓶中，带回实验室浓缩定容至50ml标记备用。
优选地，所述水样采集将收集的穿透水、树干径流水样测定体积后，选用干净的塑料瓶装1000mL带回实验室测定；在降雨次日收集枯透水和地表径流水样样品，收集的所有水样如不能及时测定，需放入4℃的冰柜中保存，出口径流每天收集一次，在每次下雨后，一个小时收集一次出口径流，直到雨停2h，将每月晴天采集的水样混合测重金属含量，下雨时的水样单独测定重金属含量。
优选地，所述植物样品采集包括木本植物采集和草本植物采集，所述木本植物采集在集水区内对每种木本植物选3株平均木进行采样，根样品采集直径为5mm以下的根，树干样品在树木胸高处用生长锥采集，枝条和叶子分树冠上、中、下采集并混合，先用自来水将样品清洗干净，再用去离子水冲洗样品，然后将样品放入烘箱中105℃杀青30min，并于80℃烘干至恒重，用木棒磨碎后过尼龙筛装入样品袋备用。
优选地，所述草本植物采集是把研究区分为4个大采样点，每个大采样点中又分为6个小采样点，根据草本植物生长特点，在每个小采样点，每种植物均选2-6整棵植株采样用塑料袋封存，连同土壤样品一起带回实验室处理，植物样品在实验室用干净的陶瓷刀将草本植物在根际处切开，将地上地下部分用自来水分别清洗干净，再用去离子水冲洗，沥干水分后放入烘箱中105℃杀青30min，并于80℃烘干至恒重，烘干后用电子天平分别称取植株地上地下部分重量，再将地上部磨碎并充分混合均匀，地下部亦磨碎并充分混合均匀。
优选地，所述土壤采集是土壤样品经自然风干，剔除样品中植物根系，用木棍碾碎并用玛瑙研钵研磨成粉末，取出一部分样品用以测定pH值，剩余部分过100目尼龙网筛测定重金属和有机质的含量。
优选地，所述枯落物采集在不同土地利用类型中，设置面积为100cm×50cm的枯落物收集样方3个，将采集的枯落物带回实验室风干并称重。
优选地，所述样品分析：称取风干土壤0.5g或0.2g植物样于高压罐中，加数滴水湿润，再加入3mL HNO3和1mL HClO4的混合液，盖上内盖静置过夜，第二天再在高压罐中加入混合液6mL，放入烘箱中，80～90℃消解30min、100～120℃消解1h、120～140℃消解1h，140～160℃消解1h，160～180℃消解1h，冷却，转移至50mL容量瓶中，定容待测；水样的pH值采用玻璃电极pH值测定仪测定，经0.45μm微孔滤膜过滤后测定重金属。
优选地，所述数据分析数据采用Excel 2007对试验研究的相关数据进行整理和统计分析的基础上，结合SPSS21.0软件对数据进行误差分析和显著性测验，利用方差分析(AVONA)对水样的pH值和重金属的季节差异进行了分析，对重金属之间进行了相关分析，再根据Pearson相关系数进行聚类分析；其中
穿透水：T＝∑Ti/∑Ai
式中：T—林内穿透雨量(mm)
Ti—集水槽收集的降雨量(L)
Ai—集水槽的面积(m2)
树干茎流：
式中：S—树干茎流量(mm)
M—每个标准地上的树木株数
Si—每个径级树干径流量(mL)
Ki—每个径级的树冠平均投影面积(cm2)
Mi—每个径级树木株数
N—总径级数
林冠截留：根据水量平衡原理，按下式计算：I＝P-S-T
式中：I—林冠截留量(mm)
P—大气降雨量(mm)
S—树干茎流量(mm)
T—林内透雨量(mm)
集水区重金属主要存在于土壤，植物和水体3部中，故重金属储量的估算方法如下：
土壤重金属含量：Td＝Vs×ρb
Th＝Ch1×Td
式中，Td为土壤重量，Vs为土层体积，ρb为土层容重，Th为土壤重金属含量，Ch1为土壤重金属浓度；
植物重金属含量：Ph＝Ch2×B×S
式中，Ph为植物重金属含量，Ch2为植物重金属浓度，B为单位面积的生物量，S为面积；
水体重金属含量：Wh＝Ch3×Vw
式中，Wh为水体重金属含量，Ch3为水体重金属浓度，Vw为水的体积。
集水区重金属总储量估算：Ai＝Th+Ph+Wh
式中，Ai为集水区重金属总含量，Th为土壤重金属含量，Ph为植物重金属含量，Wh为水体重金属含量。
由于采用上述技术方案，本发明有益效果：通过生态系统能量转换、吸收、生物降解等得到转化、固定，进而得到净化，维护地方生态稳定，促进地方经济发展，继续开展重金属生态学过程研究。通过对集水区大气干、湿沉降的收集与取样，集水区不同土地利用类型不同层次的采集，分析集水区大气干、湿沉降重金属含量动态变化以及重金属年输入、输出量，比较集水区不同土地利用类型对重金属的截滤作用，揭示该集水区复合生态系统对重金属的储滤效应。
附图说明
图1是本发明的方法流程图；
图2是本发明的重金属在各环境因子中的迁移转化示意图；
图3是本发明的集水区大气沉降重金属年输入量示意图；
图4是本发明的集水区重金属总输入量示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
如图1并结合图2至图4所示，小型集水区复合生态系统对重金属储滤效应的方法，其方法步骤为：(1)样地设置，(2)样品采集，(3)样品分析，(4)数据分析；所述样地设置进一步的包括
在集水区无林空旷处设立固定取样点收集大气湿沉降，湿沉降采集器为自制的漏斗状聚乙烯塑料膜收集，下端开口处距地面20cm，并放置有塑料桶，塑料桶预先用稀硝酸浸泡72h以上，再用去离子水冲洗干净，以除去可能存在的金属离子。采样器平时盖紧，以防灰尘影响，下雨时打开盖子。大气干沉降收集点位于集水区内三家农户的屋顶，海拔高度393m左右。
在集水区不同的土地利用类型中(巨桉人工林、杉木人工林、水杉人工林、阔叶混交林和旱地)，选取坡度相近，地势较平坦的3块10m×10m的样地，对样地内所有乔木个体编号并采用每木检尺的方法进行调查，在每块样地内布设6个1m×1m小样方为草本样方，调查并记录植物的种类、个体数、高度及盖度等。在每块样地内分别挖取土壤剖面，在剖面上按照0-10cm，10-40cm，>40cm三段用环刀分别取样，土壤样品用样品袋封存，带回实验室后测定土壤容重、土壤总孔隙度、最大持水量及pH。
每个样地内布设3个开口面积为2m×0.20m PVC管道收集穿透水；按径级选择2-3株树作为目标树来测定树干茎流。每株用透明硬塑料片围绕紧贴树干做成漏斗形状，用沥青粘牢漏斗下端，再在漏斗下端接直径1.0cm聚乙烯塑料管，基部放置集水器以收集树干茎流。在样地内用挡板围成面积4m2(2m×2m)的地表径流纵向收集区，隔断内外地表径流，在收集区最底端设置集水器，降雨后次日收集地表径流水样。
于每块样地上段，中段，下段各选取1块小样地，将50cm×50cm的枯落物整体移开，挖深50cm的坑，放置集水器，集水器上设一大漏斗以完全收集枯透水，将枯落物移回原处，并用挡板隔离地表径流。于降雨次日收集枯透水样品。
集水区出口是一块面积约为910m2的水田，在最外面田埂上用水泥修葺了两个出水口，海拔358m，再在两个出水口设0.5m3沉砂池稳流，出水口安置1500LDY一体电磁流量计(A和B)随时记录集水区水体输出总量。电磁流量计进水口距地面15cm，距水泥地面25cm。进水口一面用水泥密封，只留进水管口。出水口做一个与出水管道垂直的活动管道，当水量大时，活动管道垂直向下，以保证水流速，当水量小时，活动管道斜向上，以保证电磁流量计测得的流量数据为满管数据。
样品采集：大气干湿沉降样品收集
由于试验需要，在研究区主要收集降雨量大于10mm的降雨，共采集30次降雨，收集了雨样112个。用雨量筒测定每次降雨收集到的雨水体积，随后将1000mL左右雨水装入预先清洗过的密闭塑料瓶中，带回实验室测定pH值，如不能及时测定重金属，剩余样品放入4℃的冰柜中保存。
收集大气干沉降采用集尘缸，集尘缸事先用蒸馏水多次冲洗，在次月的第一天收集上月降尘。将收集到的集尘缸中的全部样品及其冲洗液混合装入预先清洗过的塑料瓶中，带回实验室浓缩定容至50ml标记备用。由于重力沉降仅对直径大于10μm的颗粒有效，因此直径小于10μm的颗粒不在本研究范围。
水样收集：将收集的穿透水、树干径流水样测定体积后，选用干净的塑料瓶装1000mL带回实验室测定；于降雨次日收集枯透水和地表径流水样样品。收集的所有水样如不能及时测定，需放入4℃的冰柜中保存。
出口径流每天收集一次，在每次下雨后，一个小时收集一次出口径流，直到雨停2h。将每月晴天采集的水样混合测重金属含量，下雨时的水样单独测定重金属含量。
植物样品收集：植物分类特征：共在集水区中采集主要的乔木树种20种，草本12种，其他植物7种，详细情况见表2-表4。
表2木本植物特征
Table 2Characteristics of trees
表3草本植物特征
Table 3 Characteristics of Herbaceous
表4其他植物特征
Table 4 Characteristics of others trees
木本植物：在集水区内对每种木本植物选3株平均木进行采样。根样品采集直径为5mm以下的根，树干样品在树木胸高处用生长锥采集，枝条和叶子分树冠上、中、下采集并混合。先用自来水将样品清洗干净，再用去离子水冲洗样品，然后将样品放入烘箱中105℃杀青30min，并于80℃烘干至恒重，用木棒磨碎后过尼龙筛装入样品袋备用。
草本植物：把研究区分为4个大采样点，每个大采样点中又分为6个小采样点，根据草本植物生长特点，在每个小采样点，每种植物均选2-6整棵植株采样用塑料袋封存，连同土壤样品一起带回实验室处理。植物样品在实验室用干净的陶瓷刀将草本植物在根际处切开，将地上地下部分用自来水分别清洗干净，再用去离子水冲洗，沥干水分后放入烘箱中105℃杀青30min，并于80℃烘干至恒重，烘干后用电子天平分别称取植株地上地下部分重量，再将地上部(茎、叶、花序混合在一起)磨碎并充分混合均匀，地下部(整个根系)亦磨碎并充分混合均匀。
土壤采集：土壤样品经自然风干，剔除样品中植物根系，用木棍碾碎并用玛瑙研钵研磨成粉末，取出一部分样品用以测定pH值，剩余部分过100目尼龙网筛测定重金属和有机质的含量。
枯落物收集：在不同土地利用类型中，设置面积为100cm×50cm的枯落物收集样方3个，将采集的枯落物带回实验室风干并称重。
样品分析：称取风干土壤(过100目筛)0.5g或0.2g植物样于高压罐中，加数滴水湿润，再加入3mL HNO3和1mL HClO4的混合液，盖上内盖静置过夜。第二天再在高压罐中加入混合液6mL，放入烘箱中，80～90℃消解30min、100～120℃消解1h、120～140℃消解1h，140～160℃消解1h，160～180℃消解1h，冷却，转移至50mL容量瓶中，定容待测。
枯落物持水量是将称重后的枯落物进行泡水，按照一定时间间隔取出称重，20h后基本稳定，以20h的称重求算最大持水量。
水样的pH值采用玻璃电极pH值测定仪测定，经0.45μm微孔滤膜过滤后测定重金属。
所有样品重金属的测定均采用电感耦合等离子体质谱ICP-MS仪，仪器设定参数如下：RF功率为1 300W，冷却气流量为13L/min，雾化气流速为0.92mL/min，辅助气流速为0.70mL/min，进样速度为0.80mL/min，采样深度为7mm，雾化器为Barbinton型，采样锥类型为镍锥。用3％硝酸溶液配制混合标准溶液，浓度为0、0.5、1、2、5、10、20μg·L-1。重金属As、Cd、Cu、Pb、Zn检出限依次为0.0034μg·L-1、0.0029μg·L-1、0.0038μg·L-1、0.0071μg·L-1、0.0107μg·L-1，加标回收率依次为：95.32％-98.13％，90.2％-96.6％，92.4％-96.2％，101.3％-105.8％，99.5％-107.1％。
数据分析：数据采用Excel 2007对试验研究的相关数据进行整理和统计分析的基础上，结合SPSS21.0软件对数据进行误差分析和显著性测验。利用方差分析(AVONA)对水样的pH值和重金属的季节差异进行了分析，对重金属之间进行了相关分析，再根据Pearson相关系数进行聚类分析。
穿透水：T＝∑Ti/∑Ai
式中：T—林内穿透雨量(mm)
Ti—集水槽收集的降雨量(L)
Ai—集水槽的面积(m2)
树干茎流：
式中：S—树干茎流量(mm)
M—每个标准地上的树木株数
Si—每个径级树干径流量(mL)
Ki—每个径级的树冠平均投影面积(cm2)
Mi—每个径级树木株数
N—总径级数
林冠截留：根据水量平衡原理，按下式计算：I＝P-S-T
式中：I—林冠截留量(mm)
P—大气降雨量(mm)
S—树干茎流量(mm)
T—林内透雨量(mm)
集水区重金属主要存在于土壤，植物和水体3部中，故重金属储量的估算方法如下：
土壤重金属含量：Td＝Vs×ρb
Th＝Ch1×Td
式中，Td为土壤重量，Vs为土层体积，ρb为土层容重，Th为土壤重金属含量，Ch1为土壤重金属浓度。
植物重金属含量：Ph＝Ch2×B×S
式中，Ph为植物重金属含量，Ch2为植物重金属浓度，B为单位面积的生物量，S为面积。
水体重金属含量：Wh＝Ch3×Vw
式中，Wh为水体重金属含量，Ch3为水体重金属浓度，Vw为水的体积。
集水区重金属总储量估算：Ai＝Th+Ph+Wh
式中，Ai为集水区重金属总含量，Th为土壤重金属含量，Ph为植物重金属含量，Wh为水体重金属含量。
如图2所示集水区生态系统的重金属生物地球化学循环主要是指围绕大气-土壤-植物体系进行的包括重金属输入、输出以及重金属在系统内部的迁移流动。其中，重金属的输入主要包括大气沉降、污水污泥输入以及随肥料、农药施用的投入等；重金属的输出则主要包括通过作物收获携带、土壤水的淋洗、径流以及部分重金属元素的蒸腾挥发等；重金属在系统内部的迁移流动则是指重金属在系统要素间的吸收、吸附、转化等一系列的生物物理化学过程。
如图3所示集水区大气5种重金属年沉降量为59654.41g·a-1，其中水杉人工林重金属年沉降总量为7612.51g·a-1，占研究区总沉降量的13％；杉木人工林重金属年沉降总量为8581.38g·a-1，占研究区总沉降量的14％；巨桉人工林重金属年沉降总量为13702.52g·a-1，占研究区总沉降量的23％；阔叶混交林重金属年沉降总量为8996.60g·a-1，占研究区总沉降量的15％；旱地重金属年沉降总量为6643.65g·a-1，占研究区总沉降量的11％；水田重金属年沉降总量为12595.25g·a-1，占研究区总沉降量的21％；其他如道路用地及宅基地大气重金属总沉降量为1522.50g·a-1，占研究区总沉降量的3％。
由于集水区地处丘陵区，区内全为农地，周围无大型工矿企业，远离主要交通要道，故重金属的主要输入途径为大气沉降和肥料农药的施用。如图4所示，集水区全年重金属总输入量为70864.92g·a-1，其中As输入量为735.97g·a-1，占总量的1.04％；Cd的输入量为408.68g·a-1，占总量的0.58％；Cu的输入量为4091.07g·a-1，占总量的5.77％；Pb的输入量为4032.53g·a-1，占总量的5.69％；Zn的输入量为61596.68g·a-1，占总量的86.92％。
本发明通过生态系统能量转换、吸收、生物降解等得到转化、固定，进而得到净化，维护地方生态稳定，促进地方经济发展，继续开展重金属生态学过程研究。通过对集水区大气干、湿沉降的收集与取样，集水区不同土地利用类型不同层次的采集，分析集水区大气干、湿沉降重金属含量动态变化以及重金属年输入、输出量，比较集水区不同土地利用类型对重金属的截滤作用，揭示该集水区复合生态系统对重金属的储滤效应。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.小型集水区复合生态系统对重金属储滤效应的方法，其特征在于：其方法步骤为：(1)样地设置，(2)样品采集，(3)样品分析，(4)数据分析；所述样地设置进一步的包括
(1)在集水区无林空旷处设立固定取样点收集大气湿沉降，湿沉降采集器为自制的漏斗状聚乙烯塑料膜收集，下端开口处距地面20cm，并放置有塑料桶，塑料桶预先用稀硝酸浸泡72h以上，再用去离子水冲洗干净，以除去可能存在的金属离子，其中，大气干沉降收集点位于集水区内三家农户的屋顶，海拔高度为393m；
(2)在集水区不同的土地利用类型中，选取坡度相近，地势较平坦的3块10m×10m的样地，对样地内所有乔木个体编号并采用每木检尺的方法进行调查，在每块样地内布设6个1m×1m小样方为草本样方，调查并记录植物的种类、个体数、高度及盖度；在每块样地内分别挖取土壤剖面，在剖面上按照0-10cm，10-40cm，>40cm三段用环刀分别取样，土壤样品用样品袋封存，带回实验室后测定土壤容重、土壤总孔隙度、最大持水量及pH；
(3)在每个样地内布设3个开口面积为2m×0.20m PVC管道收集穿透水；按径级选择2-3株树作为目标树来测定树干茎流，每株用透明硬塑料片围绕紧贴树干做成漏斗形状，用沥青粘牢漏斗下端，再在漏斗下端接直径1.0cm聚乙烯塑料管，基部放置集水器以收集树干茎流，在样地内用挡板围成面积4m2(2m×2m)的地表径流纵向收集区，隔断内外地表径流，在收集区最底端设置集水器，降雨后次日收集地表径流水样。
(4)在每块样地上段，中段，下段各选取1块小样地，将50cm×50cm的枯落物整体移开，挖深50cm的坑，放置集水器，集水器上设一大漏斗以完全收集枯透水，将枯落物移回原处，并用挡板隔离地表径流，于降雨次日收集枯透水样品。
2.根据权利要求1所述的小型集水区复合生态系统对重金属储滤效应的方法，其特征在于：所述样品采集包括大气干湿沉降样品收集、水样采集、植物样品采集、土壤采集和枯落物采集。
3.根据权利要求2所述的小型集水区复合生态系统对重金属储滤效应的方法，其特征在于：所述大气干湿沉降样品：收集用雨量筒测定每次降雨收集到的雨水体积，随后将1000mL左右雨水装入预先清洗过的密闭塑料瓶中，带回实验室测定pH值，如不能及时测定重金属，剩余样品放入4℃的冰柜中保存；收集大气干沉降采用集尘缸，集尘缸事先用蒸馏水多次冲洗，在次月的第一天收集上月降尘，将收集到的集尘缸中的全部样品及其冲洗液混合装入预先清洗过的塑料瓶中，带回实验室浓缩定容至50ml标记备用。
4.根据权利要求2所述的小型集水区复合生态系统对重金属储滤效应的方法，其特征在于：所述水样采集将收集的穿透水、树干径流水样测定体积后，选用干净的塑料瓶装1000mL带回实验室测定；在降雨次日收集枯透水和地表径流水样样品，收集的所有水样如不能及时测定，需放入4℃的冰柜中保存，出口径流每天收集一次，在每次下雨后，一个小时收集一次出口径流，直到雨停2h，将每月晴天采集的水样混合测重金属含量，下雨时的水样单独测定重金属含量。
5.根据权利要求2所述的小型集水区复合生态系统对重金属储滤效应的方法，其特征在于：所述植物样品采集包括木本植物采集和草本植物采集，所述木本植物采集在集水区内对每种木本植物选3株平均木进行采样，根样品采集直径为5mm以下的根，树干样品在树木胸高处用生长锥采集，枝条和叶子分树冠上、中、下采集并混合，先用自来水将样品清洗干净，再用去离子水冲洗样品，然后将样品放入烘箱中105℃杀青30min，并于80℃烘干至恒重，用木棒磨碎后过尼龙筛装入样品袋备用。
6.根据权利要求5所述的小型集水区复合生态系统对重金属储滤效应的方法，其特征在于：所述草本植物采集是把研究区分为4个大采样点，每个大采样点中又分为6个小采样点，根据草本植物生长特点，在每个小采样点，每种植物均选2-6整棵植株采样用塑料袋封存，连同土壤样品一起带回实验室处理，植物样品在实验室用干净的陶瓷刀将草本植物在根际处切开，将地上地下部分用自来水分别清洗干净，再用去离子水冲洗，沥干水分后放入烘箱中105℃杀青30min，并于80℃烘干至恒重，烘干后用电子天平分别称取植株地上地下部分重量，再将地上部磨碎并充分混合均匀，地下部亦磨碎并充分混合均匀。
7.根据权利要求2所述的小型集水区复合生态系统对重金属储滤效应的方法，其特征在于：所述土壤采集是土壤样品经自然风干，剔除样品中植物根系，用木棍碾碎并用玛瑙研钵研磨成粉末，取出一部分样品用以测定pH值，剩余部分过100目尼龙网筛测定重金属和有机质的含量。
8.根据权利要求2所述的小型集水区复合生态系统对重金属储滤效应的方法，其特征在于：所述枯落物采集在不同土地利用类型中，设置面积为100cm×50cm的枯落物收集样方3个，将采集的枯落物带回实验室风干并称重。
9.根据权利要求2所述的小型集水区复合生态系统对重金属储滤效应的方法，其特征在于：所述样品分析：称取风干土壤0.5g或0.2g植物样于高压罐中，加数滴水湿润，再加入3mL HNO3和1mL HClO4的混合液，盖上内盖静置过夜，第二天再在高压罐中加入混合液6mL，放入烘箱中，80～90℃消解30min、100～120℃消解1h、120～140℃消解1h，140～160℃消解1h，160～180℃消解1h，冷却，转移至50mL容量瓶中，定容待测；水样的pH值采用玻璃电极pH值测定仪测定，经0.45μm微孔滤膜过滤后测定重金属。
10.根据权利要求2所述的小型集水区复合生态系统对重金属储滤效应的方法，其特征在于：所述数据分析数据采用Excel 2007对试验研究的相关数据进行整理和统计分析的基础上，结合SPSS21.0软件对数据进行误差分析和显著性测验，利用方差分析(AVONA)对水样的pH值和重金属的季节差异进行了分析，对重金属之间进行了相关分析，再根据Pearson相关系数进行聚类分析；其中穿透水：T＝∑Ti/∑Ai
式中：T—林内穿透雨量(mm)
Ti—集水槽收集的降雨量(L)
Ai—集水槽的面积(m2)
树干茎流：
式中：S—树干茎流量(mm)
M—每个标准地上的树木株数
Si—每个径级树干径流量(mL)
Ki—每个径级的树冠平均投影面积(cm2)
Mi—每个径级树木株数
N—总径级数
林冠截留：根据水量平衡原理，按下式计算：I＝P-S-T
式中：I—林冠截留量(mm)
P—大气降雨量(mm)
S—树干茎流量(mm)
T—林内透雨量(mm)
集水区重金属主要存在于土壤，植物和水体3部中，故重金属储量的估算方法如下：
土壤重金属含量：Td＝Vs×ρb
Th＝Ch1×Td
式中，Td为土壤重量，Vs为土层体积，ρb为土层容重，Th为土壤重金属含量，Ch1为土壤重金属浓度；
植物重金属含量：Ph＝Ch2×B×S
式中，Ph为植物重金属含量，Ch2为植物重金属浓度，B为单位面积的生物量，S为面积；
水体重金属含量：Wh＝Ch3×Vw
式中，Wh为水体重金属含量，Ch3为水体重金属浓度，Vw为水的体积。
集水区重金属总储量估算：Ai＝Th+Ph+Wh
式中，Ai为集水区重金属总含量，Th为土壤重金属含量，Ph为植物重金属含量，Wh为水体重金属含量。
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