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湘西花垣铅锌矿区重金属污染土壤生态修复研究

朱佳文  
【摘要】:铅锌矿的开采与加工造成了严重的环境污染和生态破坏问题。如何对铅锌矿区环境污染进行有效治理,促进矿业经济与环境协调发展,已成为环境生态领域的研究热点。本文以有色金属之乡—湘西花垣铅锌矿区重金属污染土壤为研究对象,通过野外调查、采样分析铅锌矿区土壤重金属含量和赋存形态、评价了土壤重金属污染现况;调查研究了湘西花垣铅锌矿区植被组成及土壤重金属在优势植物体内积累分配情况,确定黑麦草为该矿区生态修复的先锋植物材料;进一步通过土培试验,研究黑麦草对铅锌矿区土壤多金属胁迫的生理响应和耐受机理。同时通过土壤基质改良,研究改良作用对黑麦草生长、重金属积累及土壤重金属形态、土壤理化性质及土壤微生态环境的影响。在此基础上,进行田间工程示范,系统的研究了改良剂联合黑麦草对湘西花垣铅锌矿区多金属污染土壤的修复效果,为铅锌矿区的生态修复提供了理论依据和实践经验。主要研究结果如下: 1.湘西花垣铅锌矿区土壤重金属含量较高,冶炼区和尾砂区大多数土壤含量超过国家土壤环境质量三级标准,对矿区土壤造成污染。湘西花垣铅锌矿区菜园土亦受到了不同程度的Pb、Zn和Cd污染;通过内梅罗单因子污染评价,发现湘西花垣铅锌矿冶炼区、尾砂区土壤受到Pb、Zn和Cd的重度污染,尤其Cd污染最严重。菜园土受到Pb、Zn轻度污染和Cd重度污染。矿区土壤中Cu含量为安全水平。综合污染指数结果表明,铅锌尾砂区、冶炼区、矿区菜园土均为重度污染;采用BCR分级提取法对铅锌尾砂区土壤中重度污染因子Cd、Pb、Zn的形态进行分析,发现尾砂区裸地中Cd、Pb、Zn主要以残渣态形式存在。植物的定居使尾砂区重金属Cd、Pb、Zn形态随植物种类的不同而发生变化。植物的定居整体上使重金属残渣态含量降低,其生物有效性得到提高。 2.研究了湘西花垣铅锌矿区的植被组成和植物对重金属的积累特征。在铅锌矿冶炼区及尾砂区采集到55种植物,分别属于23科、49属,主要由禾本科和菊科植物组成;该矿区不同植物对重金属的吸收和分配能力不一样,且同种植物在不同生境中对重金属的吸收和再分配也存在差异。植物体内重金属Pb、Zn、Cd、Cu的平均含量分别为158.9、853.0、19.0(?)(?)33.2mg/kg。其中稀莶草(Siegesbeckia glabrescens)叶片Cd含量最高,达到了124.4mg/kg;其次为地枇杷(Ficus tikoua)地上部Cd含量,达到了103.3mg/kg;龙葵(Solanum photeinocarpum)、鬼针草(Bidens pilosa)和商陆(Phytolacca americana)地上部Cd含量分别达到了90.8、77.5(?)(?)75.7mg/kg。在样区内,重金属含量较高且转移指数较大的优势植物如地枇杷、辣蓼(Polygonum flaccidum)、商陆可用于污染土壤重金属的提取。而转移指数较低的重金属耐性植物如白茅(Imperata cylindrica)、黑麦草(Lolium perenne)可用于污染土壤重金属的植物固定。通过优势植物重金属吸收及再分配特征,相关植物种子室内发芽生长情况,确定采用黑麦草为铅锌矿区污染土壤生态修复的植物材料。 3.通过盆栽实验研究了黑麦草对铅锌矿区污染土壤多种重金属胁迫的响应及耐受机制。黑麦草的生物量和叶绿素含量随着土壤重金属污染程度的增加而下降;黑麦草地上部和根部Pb、Zn、Cd含量随着土壤重金属污染程度的增加而增加,其中根部重金属含量明显高于地上部。且随着重金属污染程度的增加,黑麦草对重金属的富集、转运能力逐渐下降;黑麦草叶片抗氧化酶活性(SOD、POD和CAT)、可溶性蛋白含量随着土壤重金属污染程度的增加总体上呈增加趋势,在一定程度上缓解了重金属对黑麦草的毒害,提高了黑麦草对重金属的耐性。 4.通过盆栽实验研究赤泥、磷石膏、石灰等三种改良剂对铅锌矿区多金属污染土壤的改良效果。赤泥、石灰改良均能显著降低重金属污染土壤中Pb、Zn、Cd的有效态含量,同时使黑麦草地上部和根部Pb、Zn、Cd含量显著下降。赤泥处理降低了土壤中Pb、Zn、Cd可交换态比例,增加了铁锰氧化态比例。石灰处理降低了重金属的可交换态比例,主要增加了碳酸盐结合态比例。磷石膏处理降低了土壤中Pb的有效态含量及可交换态比例,但使Zn、Cd有效态含量及可交换态比例增加。添加1%的赤泥、磷石膏、石灰均能显著增加黑麦草生物量,促进黑麦草的生长。但当赤泥、磷石膏添加剂量为5%、石灰添加剂量为3%时,则抑制了黑麦草的生长。综合考虑植物长势、重金属形态转化情况,赤泥是铅锌矿区多金属污染土壤的最佳改良剂,1%是其适宜的剂量。 5.采用盆栽试验,进一步研究菜园土、菜园土+赤泥联合黑麦草对铅锌尾矿砂理化性质和微生态环境的改良作用。改良处理显著促进黑麦草的生长;在铅锌尾矿砂中混合添加10%菜园土和1%赤泥联合黑麦草修复处理对铅锌尾矿砂中有机质、碱解氮、速效磷含量提高效果显著,分别比对照提高了51.82%、300.00%和901.29%。同时改良处理均使铅锌尾矿砂中微生物数量、微生物C、N含量显著增加,其中混合添加10%菜园土和1%赤泥联合黑麦草修复处理使土壤细菌、真菌、放线菌数量,微生物C、N含量的增加效果最好,分别比对照增加了33.78、5.99、21.82、6.34和6.35倍;改良处理还显著提高了尾矿砂中脲酶、磷酸酶、蔗糖酶、纤维素酶活性,其中混合添加10%菜园土和1%赤泥联合黑麦草修复处理使土壤脲酶、磷酸酶、蔗糖酶、纤维素酶活性分别比对照提高了18.43、12.58、5.00、9.15倍。黑麦草联合10%菜园土+1%赤泥处理对铅锌尾矿砂的肥力提高及微生态环境改良效果最显著。 6.研究了在铅锌尾矿砂中覆土5cm、覆土5cm+1%赤泥、覆土5cm+1%磷石膏后种植黑麦草对铅锌尾砂区生态修复的田间效果。结果表明,在铅锌尾矿砂上覆土5cm、覆土5cm+1%赤泥、覆土5cm+1%磷石膏等改良处理均显著增加了黑麦草的生物量,可以在尾矿砂上形成较好的植被覆盖,并且随时间的延长其促生效果越显著;同时改良处理不同程度的增加了黑麦草对重金属的积累量,并随处理时间的增加而增加;研究结果还表明,修复处理后土壤中营养成分显著增加,重金属有效态含量显著下降,细菌、放线菌、真菌等微生物数量及微生物C、N含量均显著提高。其中,覆土5cm+1%赤泥联合黑麦草修复处理使铅锌尾矿砂细菌、真菌、放线菌数量、微生物C、N含量增加效果最显著,分别比对照增加了3.25、1.48、1.84、1.99和8.79倍,显著改善了土壤的微生态环境。因此,覆土5cm+1%赤泥联合黑麦草修复在铅锌矿尾砂区的生态修复实践中应用潜力较大。


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