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《东北大学》 2010年
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辽宁省典型有色金属矿区土壤重金属污染评价及植物修复研究

石平  
【摘要】:有色金属矿山开发活动给矿区及其周边地区造成了严重的土壤重金属污染,成为矿区环境污染的主要来源,恢复难度很大。然而价格低廉、环境扰动小、没有二次污染的植物修复技术是金属矿区土壤重金属污染治理及生态环境恢复的极为有效的措施。本文选取辽宁省抚顺红透山铜矿区、丹东青城子铅锌矿区、葫芦岛杨家杖子钼矿区作为研究区域,开展野外实地植被调查,并采集植物样品及根际上壤样品。通过对植物与土壤重金属含量和土壤理化性质的测定分析,并对矿区的土壤营养状况及重金属污染情况进行评价,以便弄清矿区土壤重金属污染程度和确定上壤改良措施;通过对土壤重金属的赋存形态进行分析并探讨各形态对植物的效应,以便确定土壤重金属的生物毒害性;通过对植物进行野外调查,并测定矿区的优势植物对重金属的富集与转移能力,以便筛选出适合本研究区域土壤状况的重金属忍耐型植物或具有(潜在)超累积特性的植物,然后优选植被配置模式,并加强后期维护管理,完成植物修复工程。研究结果表明: (1)有色金属矿区存在Cu、Cd、Zn、Pb等重金属的复合污染,而且它们之间可能具有同源关系。 红透山铜矿区上壤中重金属Cu、Cd、Zn、Pb的含量严重超标,尤其Cu、Cd、Zn在上壤中的积累程度更为强烈。全量Cu与Zn、Cd,全量Zn与Cu、Cd,全量Pb与Hg,全量Cr与As,全量Cd与Cu、Zn、As之间都有着极显著的正相关关系;全量Cu与全量As呈显著正相关关系。青城子铅锌矿区上壤中Pb、Cd、Zn、Cu含量严重超标,尤其Pb、Cd的含量均超出100多倍,可见二者在土壤中的积累程度非常强烈。土壤中多数重金属的含量间有着极显著的相关性,说明各种重金属的污染具有同源性,都可能与矿区频繁的采矿活动密不可分。杨家杖子钼矿区土壤中Pb、Zn、Cd、Cu含量轻微超标。土壤中Cu和Pb、Cr, Zn和As,Pb和Cu、Cr, Cd和Hg的总量间呈极显著正相关性,表明这些重金属元素间可能具有同源关系。 (2)有色金属矿区土壤重金属污染严重,主要污染因子为Cu、Cd、Zn、Pb等。 采用模糊综合-加权平均模型以及模糊综合指数法评价红透山铜矿区的重金属污染程度:排土场主要重金属污染因子为Cu、Cd、Zn,尾矿库主要重金属污染因子为Cu、Zn、Pb,周边耕地主要重金属污染因子为Cd、Zn、As、Cu。采用地积累指数法和潜在生态危害指数法评价青城子铅锌矿区的重金属污染程度:重金属Pb、Cd污染极其严重,Zn偏重污染,Cu、As皆为中度污染,Cr污染较轻。通过比较RI和Igeo两种评价方式,评价结果基本一致,说明这两种方法的结合使用,既互相补充又互相印证。重金属污染程度排序为:CdPbHgZnCu AsCr。其中,排土场Pb、Cd污染严重,尾矿库Cd、Pb污染极为严重,周边农田Hg、Cd污染严重。采用单项污染指数法和内梅罗综合污染指数法评价杨家杖子钼矿区的重金属污染程度:排土场、尾矿库及其附近耕地的综合污染指数Pj均大于3,土壤重金属污染程度很严重。 (3)杨家杖子钼矿区可交换态Zn, Mo, Cu, Cd含量高,对植物的有效性和毒性大,并且大多数重金属的有机物结合态与上壤养分含量之间相关性显著。 采用Tessier连续提取法进行样品分析:采场周边山地可交换态Cd, Cu, Zn含量最高,排土场周边耕地可交换态Zn, Mo, Cu含量最高,尾矿库周边耕地可交换态Cd, Zn, Mo含量最高,对植物的有效性和毒性最大。 通过对土壤中重金属可利用态与作物体内重金属含量的相关性分析发现:土壤中Zn、Cd的有效态含量和作物籽粒内的五种重金属含量间有着极显著的或弱的负相关关系,其余元素间的相关性都不显著。通过对土壤样品的重金属的各个形态含量与土壤养分含量之间进行相关性分析发现:Cu的有机物结合态与全N、速效N、速效P、全K、速效K之间具有极显著负相关关系;Zn的全量与可交换态、铁锰氧化物结合态之间有着极显著正相关性,与有机质、全P间具有极显著正相关性;Pb的全量、可交换态含量、有机物结合态含量与土壤养分含量之间多呈显著或极显著负相关性;全P与Cd的全量、其它各种形态的含量之间大多数具有极显著正相关关系;Hg的有机物结合态与土壤养分含量之间多呈极显著负相关性。 (4)有色金属矿区上壤养分含量很低,尤其速效N和速效K等营养元素非常贫乏。 采用模糊综合评价法和主成分分析法对矿区的土壤肥力状况进行综合评价:红透山铜矿区的排上场和尾矿库岩土的养分状况为2级——“贫乏”,周边耕地的上壤养分状况为5级——“丰富”。排土场最缺乏的上壤营养元素为氮和钾,尾矿库最缺乏有机质、磷和钾。青城子铅锌矿区的排土场中除了速效磷外,其余营养元素都很贫乏;尾矿库中有机质、全N、速效N、速效K极度贫乏,全K贫乏;附近耕地中只有全N和速效N贫乏,其余较丰富。上壤综合肥力状况排序为:附近耕地排土场尾矿库。杨家杖子钼矿区的土壤pH值与上壤养分含量间绝大多数存在极显著负相关关系,废弃地的土壤呈碱性,养分含量极低。上壤综合肥力状况排名依次为:附近山坡榛树林下、附近耕地、尾矿库内沙棘地、排土场、尾矿库。 (5)通过调整土壤pH值、Eh值、有机质、质地等措施来改变重金属在土壤中的活性,从而改变其生物有效性以及植物的利用率,提高植物的成活率。 采取向酸性土壤中施加石灰,增大土壤碱性的办法来降低重金属的生物有效性;采用灌溉或淹水的措施创造还原性的环境条件,降低土壤Eh值,减少土壤中重金属离子的数量;增施污水污泥、生活垃圾、动物粪便及植物秸杆等有机肥,提高土壤中养分及有机质的官能团含量;选择对植物无危害或危害较轻且浓度低时对植物生长有利的微量元素来拮抗含量过高的重金属元素。通过试验发现,这些改良措施在研究区域中的应用是切实可行的。 (6)分析比较有色金属矿区优势植物对重金属的富集、转移能力,挑选出山刺玫、薹草、地榆等对重金属累积能力强的植物,为植物修复的先锋种的确定提供科学依据。 实地调查了矿区废弃地的自然植物群落,分析测定了主要优势植物及其根际土壤中的重金属含量并作了相关分析:红透山铜矿区优势植物地上部的Cu、Zn、Cd分别与土壤中的Cu、Zn、Cd的含量具有极显著的正相关关系;青城子铅锌矿区优势植物中的Zn、Pb、Cd分别与土壤中的Zr、Pb、Cd的含量具有极显著的正相关关系;杨家杖子钼矿区土壤与玉米中的Hg,大豆中的Pb、Hg,谷子中的Zn达到显著性相关。 植物富集重金属能力比较:红透山铜矿区对Cu富集能力较强的分别是野艾蒿、薹草、假酸浆,对Zn富集能力较强的分别是山刺玫、薹草、假酸浆,对Pb富集能力较强的分别是芦苇、落叶松、假酸浆,对Cd富集能力较强的分别是旱柳、大籽蒿、假酸浆。青城子铅锌矿区对Cu富集能力较强的分别是羊胡子薹草和辣蓼铁线莲、野艾蒿和白花败酱、大籽蒿,对Zn富集能力较强的分别是羊胡子薹草和烟管头草、苦荬菜和兴安毛连菜、白桦,对Pb富集能力较强的分别是烟管头草和辣蓼铁线莲、兴安毛连菜和白花败酱、野山楂,对Cd富集能力较强的分别是地榆和烟管头草、苦荬菜和白花败酱、白桦。杨家杖子钼矿区三种农作物对重金属的富集能力排序是:玉米和谷子:CuZnCdHgPb;大豆:CuCdZnHgPb。 植物转移重金属能力比较:红透山铜矿区尾矿库、排土场、垃圾场中对Cu转移能力较强的分别是山刺玫、薹草、假酸浆,对Zn转移能力较强的分别是山刺玫、薹草、假酸浆,对Pb转移能力较强的分别是珍珠梅、薹草、假酸浆,对Cd转移能力较强的分别是山刺玫、薹草、假酸浆。青城子铅锌矿区对Cu转移能力最强的分别是地榆、兴安毛连菜、龙牙草,对Zn转移能力最强的分别是烟管头草、苦荬菜、大籽蒿,对Pb转移能力最强的分别是烟管头草、兴安毛连菜、绣线菊,对Cd转移能力最强的分别是地榆、兴安毛连菜、绣线菊。 (7)筛选出珍珠梅、假酸浆、苦荬菜等重金属忍耐型或超累积植物,经过栽植试验确定最佳植物配置模式并应用于有色金属矿区的植物修复工程中。 根据群落演替理论,矿山废弃地植被恢复过程是从先锋植物的引入开始,经过一系列演替阶段,最终达到中生性的顶极群落。研究区域的地带性植被是针阔叶混交林,从裸地开始的进展演替大致经过裸地→草丛→灌丛→针叶林→针阔叶混交林阶段。 筛选重金属忍耐型或(潜在)超累积植物:在红透山铜矿区的原始尾矿库中选取野艾蒿、山刺玫和珍珠梅,排土场中选取薹草、落叶松和大籽蒿,覆盖生活垃圾的尾矿库中选取假酸浆和灰绿藜等;在青城子铅锌矿区的排土场中选取烟管头草、地榆、羊胡子薹草,尾矿库中选取兴安毛连菜、苦荬菜、白花败酱,周边山地中选取白桦、绣线菊、大籽蒿等;在杨家杖子钼矿区选取高羊茅、早熟禾、黑麦草三种草坪草和沙棘等对重金属忍耐能力强的植物品种作为研究区域废弃地植物恢复的先锋物种。 确定最佳植物配置模式:红透山铜矿区尾矿库的恢复方向以保护为主,采用灌木与草本植物相结合的植物恢复措施,最佳植物配置模式:山刺玫×珍珠梅×(假酸浆、灰绿藜、苋菜);排上场的恢复方向以保护为主,兼顾利用,采用乔木与草本相结合的植物恢复措施,最佳植物配置模式:落叶松×(山杨、刺槐)×(大籽蒿、薹草)。青城子铅锌矿区尾矿库的恢复方向以保护为主,利用草本植物群落迅速覆盖尾砂裸地,逐渐改良上质,为乔、灌木的生长创造条件,最佳植物配置模式:水淹地:芦苇×蔺草×水蓼,其它:兴安毛连菜×苦荬菜×白花败酱;排上场的恢复方向以保护为主,兼顾利用,植物恢复措施采用乔木、灌木与草本植物相结合的方式,最佳植物配置模式:油松×白桦×(胡枝子、地榆)×(铁杆蒿、升麻、羊胡子薹草、烟管头草)。杨家杖子钼矿区尾矿库的恢复方向以保护为主,兼顾利用,采用灌木与草本植物相结合的植物恢复措施,最佳植物配置模式:沙棘×柠条×(高羊茅、早熟禾、黑麦草)。 以上研究结论对于受到重金属严重污染的金属矿山的环境治理和生态恢复具有重要的现实意义,大大提高了植被重建效果和生态恢复成功率,有利于矿山生产及其生态环境的可持续发展。
【学位授予单位】:东北大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:X53

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8 李新雄;广西严厉整治八大重点环境问题[N];中国矿业报;2008年
9 本报记者 李新雄;我区严厉整治8个重点环境问题[N];广西日报;2008年
10 刘燕文;地研战线党旗红[N];中国有色金属报;2004年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 朱佳文;湘西花垣铅锌矿区重金属污染土壤生态修复研究[D];湖南农业大学;2012年
2 储彬彬;铅锌矿区重金属的富集规律和形态研究[D];中国地质科学院;2012年
3 顾继光;不同作物品种对重金属的积累特性及农产品品质安全[D];中国科学院研究生院(沈阳应用生态研究所);2003年
4 何增明;猪粪堆肥中钝化剂对重金属形态转化及其生物有效性的影响研究[D];湖南农业大学;2011年
5 刘晓文;干旱区典型土壤—植物系统中主要重金属行为过程及风险性研究[D];兰州大学;2009年
6 付善明;广东大宝山金属硫化物矿床开发的环境地球化学效应[D];中山大学;2007年
7 王图锦;三峡库区消落带重金属迁移转化特征研究[D];重庆大学;2011年
8 郭宇;恩施地区硒的地球化学研究及富硒作物栽培实验研究[D];中国地质大学;2012年
9 邱海源;厦门市翔安区土壤重金属分布、形态及生态效应研究[D];厦门大学;2008年
10 王立群;镉污染土壤原位修复剂及其机理研究[D];首都师范大学;2009年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 吴杰;汉源干热河谷铅锌矿区土壤酶活性与铅锌污染程度关系的研究[D];四川农业大学;2010年
2 颜森;铅锌矿区土壤微生物特性研究[D];四川农业大学;2010年
3 唐勇;甘洛县赤普沟铅锌矿区土壤重金属与农产品卫生品质研究[D];四川农业大学;2008年
4 何勇;秦岭寺沟铅锌矿区重金属污染效应研究[D];西安科技大学;2009年
5 张慧颖;会泽铅锌矿区水文地质条件及地下水环境质量评价[D];昆明理工大学;2002年
6 蔡春艳;黄壤性水稻土不同粒径上镉和有效硅的分布及其相关性研究[D];四川农业大学;2012年
7 姚海艳;铅锌矿区铅锌暴露对儿童骨骼形成及其机制研究[D];兰州大学;2011年
8 黄琴辉;滇西保山核桃坪铅锌矿区F_1断裂构造变形及成矿关系解析[D];昆明理工大学;2010年
9 刘灿;黑麦草对湘西铅锌矿区污染土壤的适应性研究[D];湖南农业大学;2012年
10 徐福银;上海典型城市绿地土壤污染特征分析[D];东北林业大学;2011年
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