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。深入了解生态系统各种重金属的输入、内部迁移、转化和输出的生物地球化学过程及其定性、定量变化规律,对于生态系统的承载力和持续健康发展意义重大。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、不同林分类型穿透水、树干径流和枯落物层、不同土地利用类型土壤的不同层次样品的采集以及区内水体和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,为区域生态环境的保护及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一定的科学借鉴。主要的研究结果包括:(1)集水区年总降雨量为1202.42mm,降雨量按季节排序为:夏季>春季>秋季>冬季。大气重金属干沉降总量大于湿沉降总量。大气降雨中重金属含量与降雨量之间存在显著的负相关关系。集水区全年重金属总输入量为16.44kg·hm-2·a-1,大气重金属年沉降量为13.84kg·hm-2·a-1,肥料重金属总输入量为2.60 kg·hm-2·a-1。As输入量为0.17 kg·hm-2·a-1,Cd的输入量为0.09kg·hm-2·a-1 Cu的输入量为0.95kg·hm-2·a-1 Pb的输入量为0.94 kg·hm-2·a-1,Zn的输入量为 14.29 kg·hm-2·a-1。(2)集水区不同林分类型穿透水和树干径流中重金属含量与降雨量之间存在显著的负相关关系。水杉人工林林冠截留总量为226.38mm,占大气降雨的18.83%;重金属总截留量为5.34kg,占大气沉降的70.18%。杉木人工林林冠截留总量为168.51mm,占大气降雨的14.01%;重金属总截留量为2.07kg,占大气沉降的69.46%。巨桉人工林林冠截留总量为250.84mm,占大气降雨的20.86%;重金属总截留量为3.54kg,占大气沉降的71.13%。阔叶混交林林冠截留总量为288.00mm,占大气降雨的23.95%;重金属总截留量为2.50kg,占大气沉降的73.06%。巨桉人工林林冠层对重金属As和Cd的截留率最高,表明其对大气沉降中的重金属As和Cd的吸附和吸收作用最强;阔叶混交林林冠层对重金属Cu、Pb和Zn的截留率最高,表明其对大气沉降中的重金属Cu、Pb和Z的吸附和吸收作用最强。(3)集水区水杉人工林枯落物现存量6.32t·hm-2,年产量3.02t·hm-2,重金属储量为0.80kg·hm-2;杉木人工林枯落物现存量3.58t·hm-2,年产量2.46t·hm-2,重金属储量为0.49kg·hm-2;巨桉人工林枯落物现存量1.86t·hm-2,年产量3.24t·hm-2,重金属储量为0.45kg.hm-2;阔叶混交林枯落物现存量9.63t·hm-2,年产量6.40t·hm-2,重金属储量为2.42kg·hm-2。不同林分类型枯落物重金属年输入总量的排序为:阔叶混交林(0.98 kg·hm-2)>巨桉人工林(0.41kg·hm-2)>水杉人工林(0.25kg·hm-2)>杉木人工林(0.14 kg·hm-2)。枯落物层对大气降水量的截留率的排列顺序为:水杉人工林(42.56%)>杉木人工林(36.96%)>巨桉人工林(36.74%)>阔叶混交林(36.72%)。枯透水重金属输出量从大到小的顺序为:杉木人工林(1.82kg·hm-2)>巨桉人工林(1.57kg·hm-2)>水杉人工林(1.39kg·hm-2)>阔叶混交林(1.25kg·hm-2)。枯落物层重金属全年总截留量为:巨桉人工林>阔叶混交林>水杉人工林>杉木人工林;截留率排序为:水杉人工林(19.78%)>阔叶混交林(17.89%)>巨桉人工林(17.51%)>杉木人工林(17.41%),其中水杉人工林枯落物层对重金属As、Cd、Cu、Pb和Zn的截留率最高,表明其对输入林内的重金属As、Cd、Cu、Pb和Zn的吸附和吸收作用最强。(4)集水区土壤中5种重金属含量相关关系均为极显著,土壤重金属As和Cd含量与pH值为负相关关系,重金属As、Cd、Cu、Pb、Zn和有机质都为极显著正相关。对比1年数据,旱地土壤重金属Cd和Pb含量呈负增长的趋势,水田土 5种重金属含量呈正增长。集水区土壤层重金属总储存量为3771.54kg,其中水杉人工林重金属总储量为496.02kg,杉木人工林重金属总储量为542.39kg,巨桉人工林重金属总储量为900.38kg,阔叶混交林重金属总储量为507.66kg,旱地重金属总储量为513.45kg,水田重金属总储量为811.64kg。不同土地利用类型土壤层对降雨量截留率排序为:旱地(45.46%)>杉木人工林(16.54%)>阔叶混交林(13.67%)>巨桉人工林(13.22%)>水杉人工林(12.69%)。集水区不同土地利用类型地表径流重金属输出量从大到小的顺序为:旱地(1.39kg·hm-2)>水杉人工林(0.47kg·hm-2)>杉木人工林(0.45kg·hm-2)>巨桉人工林(0.44kg·hm-2)>阔叶混交林(0.25kg·hm-2)。土壤层对重金属的截留率排序为:旱地(89.94%)>水杉人工林(16.97%)>阔叶混交林(16.12%)>杉木人工林(15.12%)>巨桉人工林(14.35%)。由于旱地多为农耕地,农药化肥的施用增加了重金属的输入量,加之旱地无林冠截留和林内植被截留作用,故总体而言,旱地对重金属As、Cd、Cu、Pb和Zn的截留率最高。(5)集水区擦木对重金属As、Cd和Pb,桤木对Cu,白叶安息香对Zn的富集系数最高。青冈对As、Cd和Zn,化香对Cu,楠木对Pb的转运系数最高。一点红、铁芒箕、蜈蚣草和扁秆草对重金属Cd、Cu、Pb、Zn,淡竹叶、云南海金沙和酸浆草对重金属Cd、Pb和Zn,麦冬对Cd和Cu,绣球藤对重金属Cd和Zn,杜鹃对重金属Cu、Pb和Zn的富集系数和转运系数均大于1,表明这10种植物对相应重金属的富集能力强。植物重金属总储量为15.12kg,其中水杉人工林重金属重金属储存量为8.47kg·hm-2;杉木人工林重金属储存量为5.04kg·hm-2;巨桉人工林重金属重金属储存量为0.32kg·hm-2;阔叶树重金属储存量为0.79kg·hm-2。(6)水体中重金属总储量为1.86kg,出水口年径流总量为8075.16m3,重金属年输出总量为 2.17kg·a-1 重金属输出率排序为:As(3.39%)>Zn(3.27%)>Cd(2.92%)>Pb(2.05%)>Cu(0.89%)。(7)研究区重金属总储量为3791.28kg,土壤重金属总储量为3771.54kg,植物重金属总储量为15.12kg,枯落物层重金属总储量为2.76kg,水体重金属总储量为1.86kg。研究区对重金属的总积累量为64.89kg,储滤率为91.57%,其中As的积累量为0.69kg,储滤率为93.23%,Cd的积累量为0.37kg,储滤率为91.36%,Cu的积累量为4.01kg,储滤率为98.02%,Pb的积累量为3.75kg,储滤率为93.02%,Zn的积累量为56.07kg,储滤率为91.03%。不同土地利用类型对重金属的储滤效应排序为:阔叶混交林>巨桉人工林>杉木人工林>水杉人工林>旱地;林冠层的储滤效应排序为:阔叶混交林>巨桉人工林>水杉人工林>杉木人工林,枯落物层的储滤效应排序为:水杉人工林>阔叶混交林>杉木人工林>巨桉人工林。(8)在集水区农林复合生态系统中,5种重金属在水体中的含量均低于地表水环境质量Ⅲ类标准,达到生活饮用水地表水源地二级保护标准。但与国内其他城市相比,大气重金属污染状况比较严重。集水区土壤未受到As、Cu和Pb的污染,只存在轻微的Zn污染,但Cd污染严重。重金属Cd潜在生态危害程度最高,旱地表层土和水田土壤具有较强的潜在生态危害,有林地土壤具有中等潜在生态危害。集水区有林地对重金属的截滤效应明显高于旱地,阔叶林的截滤效应高于针叶林。综上所述,为降低区域生态风险,控制面源污染,提高环境质量,一方面可从源头治理,如适当降低农药肥料等的使用;另一方面可增加有林地面积(最好是阔叶林),增大植物吸收和固定作用,降低重金属在区域中的迁移量,为污染生态修复提供支持。