《Journal of Hazardous Materials》：Heavy rainfall shunts heavy metal transport from runoff to dominant sediment pathways in sludge-amended forest soils
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本研究通过九次室内模拟降雨实验，探究污泥施用下不同降雨强度（60-150 mm·h?1）对南方亚热带林地土壤中六种重金属迁移的影响。结果表明，污泥施用显著增加各迁移途径中重金属浓度，其中沉积物贡献占比超91%，且降雨强度升高导致细小颗粒含量下降（降幅48.1-58.6%），粗颗粒含量上升（增幅12.1-23.7%）。极端降雨下（≥120 mm·h?1），沉积物和Cd的综合生态风险为"中度"，而低强度降雨下径流和细流风险可忽略。研究证实沉积物中Cd的动态是指导污泥安全施用的重要依据。
作者：连华仙、卢德豪、郑凤林、方建波、杨远通、冯家毅、吴道明、Josep Pe?uelas、曾树才
华南农业大学林学与景观建筑设计学院，中国广州510642
摘要
将污泥应用于森林土壤是一种有价值的废物管理方法，但强降雨会显著改变重金属（HMs）的迁移路径，破坏土壤团聚体，并加速侵蚀，从而增加对水体的污染风险。本研究探讨了不同降雨强度（60、90、120和150毫米/小时）对污泥改良的亚热带森林土壤中六种重金属（Ni、Cd、Pb、Cr、Cu、Zn）迁移的影响，重点关注这些金属在地表径流、地下径流和沉积物中的分布。通过九次模拟降雨实验，我们发现污泥改良增加了这六种重金属在三种迁移途径中的浓度，其中沉积物占总迁移量的91%以上。随着降雨强度从60毫米/小时增加到150毫米/小时，小于0.05毫米的土壤团聚体的质量比例减少了48.1%-58.6%，而大于或等于0.25毫米的团聚体比例增加了12.1%-23.7%。在极端降雨条件下（≥120毫米/小时），这三种重金属迁移途径的综合生态风险为“中等”，主要归因于沉积物和镉（Cd）。然而，当降雨强度低于150毫米/小时时，径流和地下径流带来的风险可以忽略不计。尽管污泥的应用减少了地下径流和沉积物的损失，但它加剧了重金属污染，尤其是镉（Cd）的污染。这些发现强调了在降雨强度增加的情况下，受沉积物束缚的重金属动态对于指导污泥在亚热带森林中的安全使用的重要性。
引言
全球范围内，污泥的处理和最终处置是一个重大的环境挑战[3]。截至2020年，中国共有11,055座城市污泥处理厂，每年处理5600万吨废水并产生约6000万吨污泥，凸显了这一问题的严重性[36]。随着污泥产量的增加以及严格的处置规定，开发经济可行的处置策略变得十分必要[19]。将污泥作为土壤改良剂应用于森林生态系统被认为是一种有前景的处置方法[8]。这种做法可以提高土壤养分含量，从而改善森林土壤的物理和化学性质[1]、[10]，并减少污泥进入人类食物链的担忧，从而提高其可接受性。
然而，污泥的应用会将潜在有害的重金属引入土壤[9]。特别是中国南部的森林地区，通常具有坡地地形。强降雨会促进这些坡地上重金属的迁移，通过径流和土壤传输对土壤微环境和植物健康产生不利影响[40]。此外，这些重金属可能在森林生态系统中长期存在，并对下游水质构成污染风险[7]。阐明土壤侵蚀引起的重金属迁移途径和机制对于评估污泥在森林中的环境风险及其对生态和人类健康的潜在影响至关重要。
森林生态系统的水文动态在重金属迁移中起着关键作用[52]。降雨和干旱等天气事件直接影响土壤湿度和水分运动，从而影响重金属的水平和垂直迁移[38]。在降水过程中，一些重金属溶解在径流中，而另一些则吸附在土壤颗粒上并随径流迁移。地表径流和沉积物中的重金属沿水文路径传输，而地下径流中的重金属则通过土壤孔隙渗透[20]、[27]。Yang等人[48]报告称，强降雨加剧了重金属的迁移，增加了对地下水和地表水的污染风险。相比之下，其他研究表明，污泥的应用改变了土壤结构，增强了雨水渗透性，并减少了径流量，导致短期内径流中的重金属浓度仅略有增加[29]。因此，了解重金属迁移与降雨强度之间的相互作用对于制定有效的污染控制策略至关重要。
气候变化正在加剧全球水文循环[31]。地表温度每升高1°C，全球平均降水量增加1%-3%，从而平衡大气能量预算[30]。预计湿润地区将变得更加湿润，极端降水量可能超过每升高1K 6%-7%的克劳修斯-克拉佩龙率[33]。在亚洲季风区等潮湿气候中，降雨模式正朝着更高的强度变化[32]、[49]，这对土壤环境构成了严重挑战。降雨强度直接影响地表径流和土壤侵蚀，从而调节重金属的迁移[38]。因此，了解极端天气条件下重金属的行为至关重要。
雨水侵蚀产生的径流是土壤-水界面物质跨界传输的关键机制[43]。最近的研究表明，强降雨是促使污泥中可交换重金属迁移的关键因素，促进了它们向沉积物的转移并增加了相关的污染风险[38]、[53]。尽管已有大量研究关注不同降雨强度下的养分传输[5]、[6]，但降雨强度对重金属迁移路径和特性的影响仍研究不足。为填补这一知识空白，我们进行了九次室内模拟降雨实验（每次持续1小时），目的是：（1）量化污泥应用和降雨强度（60、90、120、150毫米/小时）对森林水文路径（地表径流和地下径流量）及沉积物产量的影响；（2）评估污泥和降雨协同作用下的重金属迁移动态模式和生态风险；（3）为森林土壤中应用污泥后的重金属污染管理提供基础框架。
实验部分
污泥与土壤性质
2020年11月，在中国广东省东莞市大岭山森林公园内的Eucalyptus urophylla种植园进行了土壤采样（坐标：北纬22°51′18.99″，东经113°45′22.44″）。该采样地点的土壤为红壤，是一种常见的砂质壤土类型，由风化花岗岩形成。从三个深度区间（0-10厘米、10-20厘米和20-30厘米）提取了土壤样本。使用切割环法在现场测定了土壤的容重。
污泥改良和降雨强度对地表径流、地下径流及沉积物传输的影响
降雨强度对地表径流和沉积物产量的控制作用比污泥应用更强（图1a-c）。随着降雨强度的增加，每次降雨事件中的径流和沉积物产量均相应增加（图S2）。然而，污泥改良对这些参数的影响并不显著（p > 0.05）。与对照组相比，添加污泥显著减少了23.5%-323.6%的地下径流量。污泥添加和降雨强度对土壤及水侵蚀的影响
土壤侵蚀动态受到雨滴侵蚀力和径流冲刷力的显著影响[18]、[55]，降雨强度的增加加剧了地表土壤的冲刷，从而增加了径流量和土壤损失[28]、[46]。我们的观察结果证实，地表径流和沉积物产量对降雨强度的反应比对污泥改良更为敏感；在九次累积降雨事件中，150毫米/小时下的地表径流量是60毫米/小时下的1.95倍。结论
本研究系统评估了降雨强度和污泥应用对森林土壤中重金属通过地表径流、地下径流和沉积物迁移的影响。主要发现表明，污泥应用显著减少了地下径流量，但对地表径流和沉积物产量的影响较小。较高的降雨强度（150毫米/小时）显著增加了地表径流量和土壤损失。在降雨强度为60毫米/小时时，地下径流是镉（Cd）的主要传输途径。
未引用的参考文献
[2]、[4]、[11]、[14]、[35]、[37]、[39]
作者贡献声明
Josep Pe?uelas：撰写、审稿与编辑、可视化。
Shucai Zeng：撰写、审稿与编辑、资源管理、项目协调、方法学研究、资金获取。
Jiayi Feng：数据收集与分析。
Daoming Wu：撰写、审稿与编辑、方法学研究。
Jianbo Fang：数据可视化、数据管理。
Yuantong Yang：数据收集与分析。
Dehao Lu：撰写、初步分析、数据管理。
Fenglin Zheng：数据可视化、数据收集与分析。
Lihua Xian：撰写、初步分析、方法学研究。
利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益和个人关系：Shucai Zeng表示获得了中国国家重点研发项目的资金支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了中国国家重点研发项目（项目编号：2022YFC3703102）的支持。
