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广西三锰矿区土壤污染与优势植物重金属富集研究

唐文杰  
【摘要】: 本研究以广西全州、板苏、下雷三锰矿区为研究基地,通过野外生态调查、矿区土壤和植物的采样分析,测定土壤的肥力指标和重金属含量,并对矿区的土壤营养状况及重金属元素的污染情况进行评价;通过土壤重金属的赋存形态分析探讨各形态对植物的效应。调查优势植物对重金属的富集情况,寻找出适合广西锰矿废弃地土壤的重金属耐性植物和具有超富集或潜在超富集特性的植物;主要研究结论如下: (1)三锰矿区土壤pH均显弱酸性。EC平均值范围为12.02~542.23 ds·m- 1,三矿区有较大差异。从TN来看,除全州恢复区土壤较高外,其余两矿均偏低。从TP来看,全州的高,板苏的最低,且三锰矿区尾矿坝的TP都明显高于恢复区。TOM三矿区含量都较低,已成为植物生长的限制因子。 (2)三锰矿区土壤的Cu、Pb、Cd、Zn、Mn和Cr元素含量均超过相应广西土壤背景值,Mn和Cd含量还分别超过了土壤Mn适中标准值上限和全国土壤环境质量二级标准。其中,板苏土壤的Cu最高为86.29 mg·kg-1,全州矿区的Cr最高171.94 mg·kg-1,板苏矿区的Cd最高为7.41 mg·kg-1,远远高于广西土壤背景值。板苏矿区Pb含量最高89.47 mg·kg-1。全州矿区Zn、Mn含量最高,但这两种元素在三个矿区土壤含量无显著差异。 (3)使用单因子污染指数、改进内梅罗指数、模糊综合评价对锰矿废弃地土壤重金属污染状况进行评价。从单因子污染指数看,Pb、Zn、Cu未对矿区土壤造成污染,Cr为轻微污染,Cd为严重污染。三种方法评价结果基本一致。评价结果显示三矿区综合污染等级达到了重污染等级。三种方法的结合应用,能做到取长补短,使评价结果更客观。 (4)从板苏矿区土壤重金属形态分布来看,Cu以铁锰氧化物结合态和残渣态为主;Cd在尾矿坝与桉树林样地以残渣态和铁锰氧化物结合态为主,在未开采区与荔枝林以可交换态为主;Pb主要分布在残渣态和铁锰氧化物结合态中;Zn主要以残渣态的形式存在;Mn以铁锰氧化物结合为主;Cr主要存在于残渣态。 (5)从重金属的生物有效性来看,土壤Cu以可利用态和潜在可利用态为主;Cd的可利用态和潜在可利用态占68.0%,且可利用态的比例高达21.5%;Pb的可利用态和潜在可利用态接近半数( 49.2% );Zn一半以上是不可利用态,可利用态仅占0.4%;Mn可利用态和潜在可利用态占89.0%,其中可利用态只占很小部分2.9%;Cr不可利用态所占最高,可利用态最低仅为0.8%。 (6)从相关性分析来看,土壤中Cu可交换态、铁锰结合态都与Cu的总量呈显著正相关,土壤中Cd的铁锰结合态也与Cd的总量呈极显著正相关性,Mn的铁锰结合态与其总量呈极显著的正相关,Cr残渣态与其总量也呈极显著正相关。Cd可交换态也与土壤中的有机质、C/N呈极显著相关。Pb的残渣态与有机质、C/N呈极显著正相关。土壤有机质含量对重金属的赋存形态有一定的影响。 (7)从三锰矿区优势物体内的重金属含量看,各元素含量顺序为:Mn Zn Cr Cu PbCd。禾本科的五节芒(Miscanthus floridulus),菊科飞蓬(Erigeron acer)在矿区生长旺盛,能适应重金属元素较高、贫瘠、干旱的环境,可作为矿区废弃地恢复的先锋种。禾本科芦竹(Phragmitas communis),生物量大,耐涝耐旱,其根对Mn、Cr的富集能力很强,是矿渣堆、尾矿坝等严重污染区良好的恢复植物。为了适应矿区土壤高重金属含量,乌毛蕨(Blechnum orientale)、圆果雀稗(Paspalum orbiculare)、石芒草(Arundinella nepalensis)和地桃花(Urena lobata)则采取了避性对策。木荷(Schima superba)、油茶(Camellia oleifera)、芦竹和商陆(Phytolacca acinosa)则采取了典型的耐性对策。这几种植物都可考虑作为矿区生态恢复的优选物种。 (8)从三锰矿区农作物重金属含量看,Mn、Cu、Cr含量最高的农作物是均是芋头(Colocasia esculenta)的块茎,Pb含量最高的是南瓜(Cucurbita moschata);Cd最高的是苦苣菜(Sonchus oleraceus)(1.32 mg·kg-1);Zn最高的是黄瓜(Cucurbita sativus)。红薯(Ipomoea batatas)块根中六种元素都很低,都在正常含量以内。从农作物类别来看,蔬菜类重金属含量最高。以我国食品卫生限量值为标准,采用综合污染指数法评价结果表明:三锰矿区农作物受污染率达94%,重污染率在88.9%以上。三锰矿区农作物未受Zn和Cu的污染,但Pb、Cr和Cd污染指数值均达到严重污染等级,其中Pb污染最重(重度污染率达83.3%),其次是Cr(重污染率77.8%)和Cd(重污染率50.0%)。


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