人类活动对滇池小流域生态环境影响机制研究

摘要

人口、资源、环境与经济的可持续发展已经成为各国政府关注的重点。在人口密集、经济高速发展的流域，生态环境正在遭受破坏，人类活动已然成为流域生态环境退化的最主要驱动力。而资源短缺和生态环境退化负反馈于人类社会，严重阻碍区域社会经济持续发展。滇池流域在云南省占有重要的地位，由于其高原湖泊特殊的地理环境，在区域发展中小流域生态环境退化显著。面临水资源短缺、湖泊水体富营养化、水土流失以及土壤污染等环境问题。流域人民健康和生产生活受到威胁。本文以滇池北部西白沙小流域为例，分析地表土壤和沉积物生源要素、重金属污染物等的时空分布，追溯流域生态环境退化的历史，探讨人口扩张、工农业经济发展等人类活动对小流域生态环境破坏的驱动机制，科学评价流域环境，为修复和重建流域生态，保持区域可持续发展提供理论支持。
　　(1)小流域土壤理化性质和质地与土地利用类型有关。耕地、草地和林地黏粒和砂粒的含量较高，质地优良，而撂荒地黏粒和粉粒含量较低，砂粒含量较高，质地减退明显。TOC、TN和TP主要赋存在土壤表层。各利用类型土地TOC和TN含量大小顺序分别是:草地＞林地＞耕地＞撂荒地、林地＞草地＞耕地＞撂荒地。耕地TP含量较高，而草地、林地和撂荒地差异不大。C/N、C/P、N/P比值表明该流域土壤肥沃，营养盐可利用程度高，但因水土流失导致的水体富营养化风险也较高。小流域土壤样点中重金属Cu、Zn、Pb、Cd和Cr的平均含量分别为43.58、136.38、98.05、2.44和74.99mg/kg。除Cu元素外，其它四种元素均存在污染。应用内梅罗污染指数判断各类型土地污染情况，污染程度为:撂荒地＞草地＞耕地＞林地。
　　(2)小流域沉积速率随埋藏深度的增加而减少。0～31cm沉积柱对应沉积年代为1881～2011年。沉积柱TOC、TN和TP的含量整体上都呈现随埋藏深度增加而减少的趋势，δ13C值随着时间推移向偏负方向变化。有机质的波动揭示了小流域沉积环境的变化。TOC、TN和TP沉积通量的总体变化趋势呈指数上升，初步估算2010年TOC、TN和TP沉积入库量分别为85.20、9.52和4.24t。沉积柱中C/N、C/P和N/P的均值分别为16.99、19.98和2.32。氮是影响流域水体环境的主控因子。有机指数显示随时间推移流域沉积物有机污染程度加剧，已形成环境污染风险。沉积柱中重金属元素Pb、Cu、Zn、Cd和Cr都处于富集状态。估算Pb、Cu、Zn、Cd和Cr在2010年的沉积入库量分别为:0.55、1.70、37.57、0.55和5.56t。地累积指数评价沉积柱中重金属污染情况为Cd＞Zn＞Cr＞Cu＞Pb。潜在生态危害指数法评价Cu、Zn、Pb、Cd和Cr的污染，其E ri均值分别为79.78、49.89、20.86、2024.00和20.08，对应危害程度分别为:中等危害、中等危害、轻微危害、极强危害和轻微危害。沉积物重金属污染生态风险主要来自于Cd元素。重金属四种赋存形态:乙酸可提取态、可还原态、可氧化态和残渣态的分布表明五种重金属在不同时期对环境产生风险存在差异，其风险大小顺序为Cd＞Zn＞Cu＞Cr＞Pb。
　　(3)放射性核素示踪土壤侵蚀状况显示小流域属于微度-轻度侵蚀。土壤中TOC、TN、TP、Cu、Zn、Pb、Cd和Cr年均侵蚀流失量估算值分别为:35.84、6.18、2.02、0.13、0.42、0.30、0.01和0.23t/年。2010年污染区侵蚀流失量占总入库量比例分别为42.06％、64.91％、47.64％、7.65％、1.12％、54.55％、1.45％和4.14％。侵蚀产生的入库量较小，沉积物中污染物尤其是重金属主要来自于人类工农业活动排放。利用C/N比值和δ13C值的环境指示信息判断，沉积物有机质受到内、外源共同作用，并且随时间推移陆源有机质占比呈增加趋势。沉积物中Cd、Pb、Cu、Zn和Cr的相关性分析表明，Pb与Cu、Zn与Cr在0.05水平达到显著相关，相关系数分别为0.46和0.38。主成分分析提取了重金属污染来源的三个主成分，综合分析小流域重金属主要来源和贡献率:钢铁化工业废水排放占27.06％;矿业开采加工和交通运输的降尘占25.03％;矿业开采加工的废水排放占21.94％，三项累积贡献率占总的污染源的74.03％，其他来源（农业和生活排放）占25.97％。综合研究不同来源的污染物对流域生态破坏的贡献，经主成分分析提取三个主因素:工矿业生产废水排放是生态破坏的主要因素，占总贡献率的49.41％;其次是土壤侵蚀，占比27.74％;再者是工矿生产产生的废气粉尘污染，占比10.19％。
　　(4)区域人口增长、社会经济发展和环境管理政策与流域生态环境变化有较好的耦合。人口增长、社会经济发展造成污染物增加是破坏小流域生态环境的主要因素;环境增益型管理政策对流域环境有保护和修复作用，而环境减损型管理政策对流域环境有破坏作用。应用生态环境质量指数法得到该流域生态质量评分为42.75，评价属于“一般”，生态环境状况为生物多样性一般，植被覆盖度中等水平，较适合人类生存，但存在不适合人类生存的制约因素。该流域主要的制约因素是污染负荷。结合评价结果提出了小流域环境恢复和保护的四个建议措施:改善环境污染状况、改善区域工业结构、科学管理耕地和保护森林资源。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究现状

1．2．1 土壤侵蚀与营养盐流失研究进展

1．2．2 土壤与沉积区重金属污染研究现状

1．2．3 滇池流域生态退化及其研究现状

1．3 本研究的来源

1．4 选题依据、目的及意义

1．5 主要研究内容与技术路线

1．5．1 研究内容

1．5．2 技术路线

1．6 研究工作量

2．1 滇池流域概况

2．1．1 地理概况

2．1．2 气候特征

2．1．3 水系分布

2．1．4 土地利用

2．1．5 人口社会经济概况

2．2 样品采集

2．2．1 研究区域西白沙小流域概况

2．2．2 样品采集和预处理

2．3 样品测试

2．3．1 土壤pH值的测定

2．3．2 粒度的测定

2．3．3 TN，TP，TOC含量的测定

2．3．4 重金属含量及其赋存形态的分析

2．3．5 放射性核素137Cs和210Pb比活度分析

2．3．6 稳定碳同位素δ13C含量分析

2．4 数据分析与处理

2．4．1 土壤侵蚀的估算

2．4．2 210Pbex定年

2．4．3 空间分析法

2．4．4 统计分析

2．5 环境风险评价

2．5．1 沉积物有机污染评价

2．5．2 重金属污染评价方法

2．6 生态环境质量评价

第3章 土壤中营养盐和重金属分布特征及其环境意义

3．1 不同土地利用方式土壤基本理化性质

3．1．1 土壤酸碱性

3．1．2 土壤粒度

3．2 不同土地利用土壤中营养盐分布

3．2．1 土壤总有机碳(TOC)含量及其单体碳同位素(δ13C)分布

3．2．2 不同土地利用方式下土壤氮和磷分布

3．2．3 不同土地利用方式下碳、氮、磷相互关系

3．3 研究区土壤重金属污染特征

3．3．1 土壤重金属含量

3．3．2 土壤重金属污染指数

3．4 本章小结

第4章 小流域污染物的沉积学记录

4．1 沉积年代

4．2 沉积速率

4．3粒度分布

4．4 TOC、TN、TP和δ13C的沉积记录

4．4．1 TOC、TN、TP和δ13C的年代分布特征

4．4．2 TOC、TN和TP沉积量的估算

4．4．3 C／N、C／P和N／P的变化和环境意义

4．4．4 沉积物营养物质污染评价

4．5 重金属的沉积记录

4．5．1 重金属污染总量年代分布

4．5．2 重金属沉积量的估算

4．5．3 沉积物重金属环境风险评价

4．5．4 沉积物重金属形态分布和环境风险分析

4．6 本章小结

第5章 小流域污染物源汇分析

5．1 土壤侵蚀造成的营养盐和重金属流失分析

5．1．1 不同土地利用方式下土壤侵蚀估算

5．1．2 不同土地利用方式下土壤侵蚀模数

5．1．3 土壤侵蚀造成的营养盐和重金属流失量估算

5．2 沉积物中有机质来源分析

5．2．1 基于C／N的来源分析

5．2．2 基于δ13C值的来源分析

5．2．3 C／N比值和δ13C值结合分析

5．3 沉积物中重金属来源分析

5．3．1 相关性分析

5．3．2 主成分分析

5．4 沉积物中污染物源汇综合分析

5．5 本章小结

第6章 人类活动对流域环境影响机制研究

6．1 人类活动因素对环境的影响

6．1．1 人口扩张

6．1．2 土地利用

6．1．3 经济发展

6．1．4 管理政策

6．2 小流域生态环境质量评价

6．3 小流域生态问题及应对策略

6．4 本章小结

第7章 结论与展望

7．1 主要结论

7．2 创新点

7．3 不足与展望

参考文献

在读期间发表的学术论文及研究成果

致谢