汉江流域是我国南水北调工程的重要水源地之一。河岸带不同区域土壤重金属污染的生物地球化学过程和空间异质性规律对动态特性河岸带的功能与修复重建有重要意义。
本研究中首先确定具有代表性（土壤类型、植被类型及地貌部位）的样点，在实验室用不同的方法对样品的物理和化学特性进行了有效的测定。基于经典数理统计和地学空间插值方法探讨了汉江流域重金属生物地球化学循环的空间分异规律。最后总结规律，提出可行的解决方案。土壤发育过程各成土因素，如土壤母质、气候条件、生物过程、地形条件、发育阶段及人类活动使得土壤的发育条件表现出多样性和复杂性。气候因素直接影响土壤的水、热状况,决定了土壤中所有的物理、化学和生物的作用机理和作用结果，影响土壤形成过程的方向和强度。地形通过其他成土因素对土壤起作用，其作用是引起地表物质与能量的再分配，提供土壤和环境之间进行物质和能量交换的一个条件。离子水化半径或离子的相对有效电荷系数与土壤颗粒表面电场作用的不同是各体系中离子吸附动力学有差别的根本原因。土壤侵蚀和地表径流中溶质运移的重要作用，降雨溅水冲刷的泥沙和径流溶质的互动效应。土壤重金属污染评价是考察区域生态系统健康状态的重要手段。土壤重金属污染风险评价揭示区域生态系统健康状态及生物可利用性等。目前,重金属污染评价方法大多数是从评价沉积物的Hakanson 方法与地质累积指数法沿用而来，通过单因子污染指数、内梅罗多因子综合污染指数等对土壤环境质量进行一般性的指标评价,而潜在生态指数法(RI)成为目前最常用的评价重金属污染程度的方法之一。这些研究方法被广泛应用于土壤环境评价中,并取得了大量研究成果。汉江流域是我国南水北调工程的重要水源地之一。河岸带不同区域土壤重金属污染的生物地球化学过程和空间异质性规律对动态特性河岸带的功能与修复重建有重要意义。土壤溶质运移的研究己成为土壤学、生态学、水资源学以及资源与环境科学等相关学科的基础和前沿研究领域，越来越得到重视。本研究通过典型亚热带森林－农业生态系统临界带的土壤－植被系统土壤无机物风化与有机物相互关系，探讨了土壤不同生态环境因子作用元素的生物地球化学循环和空间分异的主驱动因子。探讨了土壤－植被－水系统物质交换导致土壤侵蚀与养分流失、土壤重金属活化形成的环境污染、生态退化及生态危害相互作用的关键性问题。

1 材料与方法
本研究中首先确定具有代表性（土壤类型、植被类型及地貌部位）的样点，在实验室用不同的方法对样品的物理和化学特性（土壤容重、土壤pH值、土壤电导率、土壤颗粒和机械组成、土壤重金属、胡敏酸和富里酸、土壤土壤有机质等）进行了有效的测定。基于经典数理统计和地学空间插值方法探讨了汉江流域重金属生物地球化学循环的空间分异规律。
1.1土壤剖面样品的采集
根据土壤类型（黄棕壤、黄褐土、棕壤、白浆化棕壤、棕壤性土、暗棕壤、钙质粗骨土）和土地利用（农田、旱耕地、山顶自然混合林、山腰自然混合林、山脚自然混合林、人工经济林、自然山原始森林）类型不同分别采样。在枯枝落叶层样品采集完成后，在表土层0－10cm和30－40cm深度进行环刀采样，共采集土壤样品84个。同步进行地温计现场测定土壤温度pH值、湿度的测定。各采样点的相对坐标采用差分GPS定位技术确定。
1.2土壤样品的测定
在进入40℃烘箱内烘干前后用分别测定土壤质量、换算得到土壤质量含水量；土壤矿物元素全量通过X射线荧光光谱分析测定（Axios Advanced (pw4400)XRF(WD-XRF)；土壤机械组成和颗粒有机物测定法（MPO法）测定 ；土壤土壤有机质（SOM）和腐殖酸的测定；YSI6920水质测定仪原位测定pH值、电导（EC）、总溶解性固体（TDS）、氨氮（NH4+-N）及硝氮NO３－-N；采用电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-AES,USA）测定各种生境下森林自然降水水溶液、凋落物水溶液、土壤水溶液、河水水溶液各金属元素含量；原位滴定水中HCO3－离子。
1.3 风化作用的定量分析
为了揭示流域范围内的地球化学循环过程，本研究分析了常量元素的化学蚀变指数（CIA）、钠钾比（Na/K）、硅铝率（SA）硅铝铁率（SAF）等。
（1）化学蚀变指数（CIA）计算：CIA作为判断化学风化的指标，有效地指示了样品中长石风化成粘土矿物的程度。.Nesbitt等人提出CIA指数以反映化学风化的程度。CIA值表示为：
(2)
其中，含量均为氧化物分子摩尔数，CaO*为硅酸盐矿物中的摩尔含量，去除碳酸盐和磷酸盐中的CaO含量。由于硅酸盐中的CaO与Na2O通常以1:1的比例存在，所以S.M.McLennan认为当CaO的摩尔数大于NaO，可认为nCaO*=nNa2O，而小于Na2O时则nCaO*＝nCaO。
（2）土壤可蚀性（K）：是表征土壤对降雨渗透能力以及 其对降雨或径流剥蚀和搬运 (3)
土壤侵蚀系数，是土壤侵蚀预报模型中的必要参数。国际上常用K值作为土壤可蚀性的度量指标。采用EPIC模型中土壤K值的算式（公式3）。式中，Sa为砂粒（0．05—2mm）的质量百分数，Si为粉粒（0.002—0.05mm）的质量百分数，Cl为黏粒（<0.002mm）的重量百分数，C为百分数表示的土壤有机碳含量，由有机质含量除以1.724得到[25]。
1.4.重金属污染的生物毒性评价
采用单因子污染指数（Pi）、内梅罗多因子综合污染指数（P）、单一重金属潜在生态危害指数（Eir）、综合潜在生态危害指数（RI）进行评价。
在进行以上土壤染污评价时，单因子污染指数（Pi）和内梅罗多因子综合污染指数（Pave）的具体指标参照国家环境保护总局土壤环境监测技术规范[]。
通过研究分析得到了以下的研究结论：一、流域内的土壤风化已基本完成早期阶段的去Ca，Na风化阶段，进入K风化阶段。从流域范围内土壤矿物组成来看，自北向南由上游到下游土壤颗粒呈现变细的趋势。对常量元素的统计分析表明，流域内绝大部分常量元素的地球化学行为表现为迁移淋失。二、土壤风化在气候（温度、降水、风）和重力等外力因素下形成了明显的空间差异。流域内土壤矿物中的硅酸盐矿物风化分解和淋溶作用较强。在土壤－水溶液之间的分配行为河水成分贡献主要来源于硅酸盐风化。三、土地利用方式改变了土壤有机质分布模式，对农业持续发展形成负面的影响。四、流域沿岸土壤重金属的污染增强，下游土壤溶液酸性逐渐增强；重金属生态危害12－15年后将出现。提高土壤腐殖质含量是减轻污染危害及增强土壤自净能力的重要措施。 土壤的荒漠，季节性强降水加剧了本区域生态系统的脆弱性，从一定程度上对南水北调中线工程的水资源安全构成了威胁。流域作为南水北调中线水源地，保护森林植被及枯枝落叶层对土壤涵养水分有着重要意义。

第十四届“挑战杯”二等奖