淮北采煤沉陷區(qū)土壤重金屬分布賦存及微生物生態(tài)特征研究.pdf

1、本研究選擇淮北采煤沉陷區(qū)作為重點(diǎn)研究區(qū)域，測(cè)定土壤重金屬總量以及各種化學(xué)結(jié)合態(tài)的含量，評(píng)價(jià)沉陷區(qū)土壤重金屬污染特征，闡明沉陷區(qū)土壤重金屬的形態(tài)轉(zhuǎn)化和運(yùn)移規(guī)律，分析沉陷區(qū)及周邊農(nóng)田土壤重金屬污染對(duì)土壤酶活性、土壤微生物學(xué)性質(zhì)的影響，研究微生物與重金屬的相互作用及機(jī)理，為采煤沉陷區(qū)重金屬地球化學(xué)演化提供基本的認(rèn)識(shí)框架，為礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用及生態(tài)環(huán)境影響的評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)提供科學(xué)的決策和理論依據(jù)。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴與淮北市土壤背景值

2、相比，除Pb元素外，Cd、Cr、Cu、 Ni、Zn、Hg這6種重金屬平均值均超過(guò)淮北土壤背景值，其中，Cd和Hg分別是淮北土壤環(huán)境背景值的3.15和2.86倍;除Hg元素外，其他重金屬的平均含量均超過(guò)中國(guó)土壤環(huán)境背景值，其中Zn和Cd的富集最為嚴(yán)重，Cd和Zn的平均含量超過(guò)中國(guó)土壤環(huán)境一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明煤礦的開采會(huì)導(dǎo)致土壤重金屬一定程度的富集。⑵土壤重金屬和理化性質(zhì)相關(guān)分析表明，Cd、Cu、Pb、Zn和Hg之間顯著的正相關(guān)性反映它們?cè)谕寥乐?/p>

3、具有相似的地球化學(xué)行為，而它們和土壤理化性質(zhì)（有機(jī)質(zhì)、總氮、總碳）之間的顯著相關(guān)性表明這幾種重金屬有人為的來(lái)源。主成分分析結(jié)果表明，Cd、Cu、Pb、Hg和理化性質(zhì)分布在第一和第二主成分，這兩個(gè)主成分主要解釋了人為來(lái)源的重金屬污染，尤其是來(lái)源于煤炭開采和煤炭的燃燒。Cr和Ni被列為第三主成分，而在相關(guān)分析中，Cr和Ni與其他的重金屬以及土壤理化性質(zhì)之間沒(méi)有顯著的相關(guān)性，表明Cr和Ni很可能來(lái)自于非人為的來(lái)源，而是來(lái)源于成土過(guò)程。⑶Tes

4、sier逐級(jí)連續(xù)提取結(jié)果表明，除Cd之外，其余重金屬元素主要以殘?jiān)鼞B(tài)存在，Cd的可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)質(zhì)結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)所占的比例依次為41.92％、13.90％、23.07％、8.12％、13％，Cd的高活性比例及超過(guò)當(dāng)?shù)乇尘爸?.15倍的總量無(wú)疑給煤礦區(qū)帶來(lái)巨大的生態(tài)安全隱患。⑷潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果表明，研究區(qū)綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（RI）在低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)到中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。單個(gè)重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)Eir結(jié)果表明Cr

5、、Cu、Ni、Pb和Zn產(chǎn)生了低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，Cd產(chǎn)生了中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)到高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，Cd的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他幾種重金屬元素。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估編碼(RAC)評(píng)價(jià)結(jié)果表明，研究區(qū)土壤中Cr無(wú)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，Cu、Ni、Pb、Zn產(chǎn)生了低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，而Cd產(chǎn)生了高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)到極高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估編碼和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)兩種評(píng)價(jià)結(jié)果是一致的，都表明研究區(qū)土壤中Cd將帶來(lái)較高的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)該引起有關(guān)部門的重視。⑸沉陷區(qū)土壤理化性質(zhì)、重金屬總量、賦存形態(tài)對(duì)土壤基礎(chǔ)呼吸、微生

6、物量C、N、代謝熵、微生物量碳氮比的影響不顯著。土壤理化性質(zhì)和土壤脫氫酶、脲酶、酸性磷酸酶、過(guò)氧化氫酶活性有顯著的相關(guān)性，其中，pH對(duì)幾種土壤酶的活性影響最大，pH對(duì)脫氫酶、脲酶和過(guò)氧化氫酶有顯著激活作用，對(duì)酸性磷酸酶有一定的抑制作用，但抑制效果不顯著。⑹采用CCA對(duì)影響微生物生態(tài)特征的環(huán)境因子進(jìn)行分析，檢驗(yàn)結(jié)果表明，沉陷區(qū)土壤微生物學(xué)性質(zhì)、土壤酶活性受土壤重金屬Cd的可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、Cr的可交換態(tài)、Ni的碳酸鹽結(jié)合態(tài)、Zn和p

7、H的顯著影響(p＜0.05)。⑺通過(guò)實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)方法研究采煤沉陷區(qū)外源Cd、Hg單因素及其復(fù)合污染對(duì)土壤酶活性的影響，結(jié)果表明，與未加重金屬的對(duì)照相比，隨著重金屬濃度的增加，酶的活性顯著下降(p＜0.05);在相同處理濃度下，Cd、Hg對(duì)土壤酶活性的抑制程度有所差別，Cd、Hg復(fù)合污染對(duì)土壤酶活性的抑制作用最強(qiáng)，在單一重金屬污染中，Hg的抑制作用大于Cd。⑻與未添加重金屬Cd、Hg的對(duì)照相比，土壤基礎(chǔ)呼吸作用高于對(duì)照，隨著重金屬濃度的增加

8、，土壤基礎(chǔ)呼吸隨之明顯加強(qiáng)，定濃抑制率增大且呈現(xiàn)負(fù)值，說(shuō)明土壤微生物受重金屬抑制作用增強(qiáng)。在相同處理濃度下，Cd、Hg復(fù)合污染對(duì)土壤呼吸抑制作用最強(qiáng)，在單一重金屬污染中，Hg的抑制作用大于Cd。在培養(yǎng)時(shí)間上，土壤基礎(chǔ)呼吸隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸增強(qiáng)，在培養(yǎng)第14天達(dá)到最高，在培養(yǎng)后兩周，土壤基礎(chǔ)呼吸急劇下降，但是依舊高于對(duì)照。土壤基礎(chǔ)呼吸的最高值均出現(xiàn)在第二周的高濃度處理中(Cd30、Hg30、CdHg30)，分別達(dá)到3.60、3.88

9、、4.57 mg kg-1h-1。⑼細(xì)菌的NMDS圖譜表明:高濃度的Hg處理和高濃度的Cd/Hg的復(fù)合處理已經(jīng)使土壤中細(xì)菌的群落結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變。而真菌的NMDS圖譜表明，不同濃度處理的重金屬Cd、Hg沒(méi)有改變真菌的群落結(jié)構(gòu)。高濃度的單一Hg處理和Cd、Hg復(fù)合處理(Hg30和CdHg30)對(duì)細(xì)菌分類學(xué)類群的影響也是顯著的(p＜0.05)。在Hg30和CdHg30處理中，酸桿菌門和綠彎菌門相對(duì)豐度減少，而變形菌門、厚壁菌門和擬桿菌門的相對(duì)