煤矿区土壤—作物系统重金属生物有效性研究

发布时间：2017-09-19 17:00

  本文关键词：煤矿区土壤—作物系统重金属生物有效性研究

  更多相关文章： 土壤 重金属 改进BCR 作物 生物有效性

【摘要】：为探明煤矿区矸石山周围农田土壤—作物系统中重金属Cd、As、Pb、Cu、Ni、Co、Cr、Zn的生物有效性,以改进BCR连续提取法分析了河南省焦作市中马村矿煤矸石山周围农田土壤重金属的形态,在此基础上对土壤重金属的污染现状进行了综合评价,并对土壤重金属的污染来源进行了识别;讨论了土壤有机质、土壤酶与重金属形态的关系;分析了小麦植株内重金属的分布特征和时间变化规律;比较了小麦和玉米作物对重金属富集能力及富集效果的差异性;评估了作物籽粒的健康风险以及秸秆还田的适宜性。结果为:(1)该区域农田土壤为弱碱性矿物质土壤,土壤重金属Cd以可交换态、残渣态为主要赋存形态,而As、Pb、Cu、Ni、Co、Cr、Zn均以残渣态占绝对优势。土壤中各重金属的总量(mg·kg-1)排序为:Zn(81.43±7.34)Cr(48.58±3.68)Pb(33.59±3.98)Ni(29.31±1.42)Cu(24.32±2.06)As(18.02±1.73)Co(12.85±1.64)Cd(0.48±0.12)。土壤中各重金属的生物有效态含量(mg·kg-1)排序为:Zn(18.46±5.82)Pb(15.70±4.05)Ni(7.48±0.60)Co(5.49±1.93)As(3.07±1.10)≈Cr(2.89±0.52)Cu(1.38±0.34)Cd(0.29±0.06)。(2)该区域土壤中重金属Cd、As、Pb、Cu、Ni、Co、Zn均存在累积现象,煤矸石山是重金属Pb、Cu、Ni、Co、Zn累积的主要来源,主导季风在煤矸石山向外界释放重金属的过程中起到重要作用。该区域土壤存在中度至强度等级的Cd污染,8种重金属的综合生态风险处于中等水平。Cd达到土壤环境质量标准(GB156-1995)Ⅲ类土壤要求,其余7种重金属达到Ⅱ类土壤要求。(3)有机质、土壤酶与重金属形态的关系呈现出多样性。有机质可显著提高As和Ni、抑制Pb和Zn的生物有效性。重金属积累可显著抑制土壤蔗糖酶和淀粉酶活性,重金属胁迫下土壤酶表现出的耐受机制影响着重金属的生物有效性。(4)小麦植株对重金属的富集存在选择性,根部更易富集Cd和Cr,茎叶更易富集Cd和Zn,籽粒更易富集Zn和Cu,富集效果因重金属种类、作物器官而异。植株中重金属的含量大小存在稳定的规律性,根部为Zn≈CrCu≈NiPbCo≈AsCd;茎叶为ZnCrCu≈Ni≈PbAsCdCo;籽粒为ZnCuNi≈Pb≈Cr≈Cd≈AsCo。植株对重金属的富集能力也存在稳定的规律性,根部为CdCrZn≈Cu≈NiPbCoAs;茎叶为CdZnNiCuPb≈CrAsCo;籽粒为ZnCuCdPb≈Ni≈CrAsCo。(5)在小麦的生长周期内,其植株对同一重金属的富集规律与含量的分布规律保持一致,重金属Cd、As、Pb、Ni、Co、Cr均为根部茎叶籽粒,Cu为根部籽粒茎叶,植株内Zn的分布较为均匀。作物器官内重金属的含量处于变化中,且器官中重金属含量的时间变化特征与器官对重金属富集能力的时间变化特征相吻合。小麦拔节期根部的重金属含量与茎叶中同一重金属的含量呈显著或极显著正相关,Cd在小麦的生长周期内均表现出根部与茎叶间的显著正相关。(6)玉米植株内重金属含量的排序为:根部ZnCuCrNiPbCoAsCd,秸秆ZnCuNiCrPbCd≈AsCo,籽粒:ZnCuPb≈Ni≈CrAsCd≈Co。玉米植株对重金属富集能力的排序为:根部CdCuZn≈Ni≈CrCoPbAs,秸秆Cd≈CuZnNiCr≈PbCo≈As,籽粒ZnCuPb≈NiCd≈CrCo≈As。玉米植株中重金属含量的分布规律与富集规律相一致,Cd、Pb、Cu、Ni为玉米根≈玉米秆玉米粒;As、Cr、Co为玉米根玉米秆玉米粒;Zn为玉米粒≈玉米秆玉米根。(7)小麦和玉米作物相比,相同点为:小麦和玉米各部分均以Zn含量最高,Cd、As、Co的量值极低;两者的营养器官对Cd、籽粒对Zn和Cu均具有较高的富集能力;两者的根部对Cu、茎叶和籽粒对Ni的富集能力均相当,含量也相当。不同点为:玉米茎叶对Cu、籽粒对Pb、Cr的富集能力强于小麦,含量也高于小麦;两种作物茎叶对Zn的富集能力相当,但小麦茎叶Zn含量明显高于玉米茎叶;小麦根部对Co的富集能力强于玉米根部,而小麦根部的Co含量却比玉米根部的低;其余情况均为小麦强于玉米。(8)该区域所产小麦籽粒整体处于安全水平。玉米籽粒的Pb含量整体高于GB2762-2012限量值,但满足NY861-2004限量要求,玉米籽粒中Cd、As、Cu、Cr、Zn的含量均处于安全水平。成人及儿童摄入该区域所产小麦或玉米,均不存在由Pb、Cu、Ni、Cr、Co、Zn引起的非致癌健康风险,同时对成人亦不存在由Cd、As引起的致癌健康风险;儿童摄入玉米不存在由Cd、As引起的致癌健康风险,而儿童摄入小麦引起的Cd、As潜在致癌风险高于美国环境保护署推荐的限量值。无论是摄食小麦还是玉米,所引起的潜在健康风险的程度均为儿童大于成人。无论成人还是儿童,通过摄食小麦所引起的潜在健康风险的程度均大于玉米。小麦秸秆不宜进行还田处置,亦不建议玉米秸秆还田。
【关键词】：土壤 重金属 改进BCR 作物 生物有效性
【学位授予单位】：河南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X53
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 1 绪论13-25
• 1.1 选题依据与研究意义13-14
• 1.2 重金属生物有效性14-15
• 1.3 重金属生物有效性研究方法15-19
• 1.3.1 总量预测15-16
• 1.3.2 土壤重金属形态分析16-18
• 1.3.3 生物指示18-19
• 1.4 重金属生物有效性的影响因素19-20
• 1.4.1 土壤物理化学性质19
• 1.4.2 土壤微生物和酶特征19-20
• 1.4.3 人类生产活动20
• 1.5 土壤重金属污染评价方法20-22
• 1.5.1 综合指数评价21
• 1.5.2 模糊数学评价21-22
• 1.5.3 地理信息系统评价22
• 1.6 本文研究目的和意义22
• 1.7 本文主要研究内容22-25
• 2 材料与方法25-31
• 2.1 采样区域概况25
• 2.2 样品采集及预处理25-26
• 2.2.1 土壤样品采集及预处理25-26
• 2.2.2 作物样品采集及预处理26
• 2.3 样品分析方法26-29
• 2.3.1 土壤pH值测定方法26
• 2.3.2 土壤酶活性测定方法26-27
• 2.3.3 土壤矿物组成及元素分析27
• 2.3.4 土壤有机质测定方法27
• 2.3.5 土壤重金属连续提取步骤27-28
• 2.3.6 作物样品消解步骤28-29
• 2.4 实验室质量控制29
• 2.5 试验数据处理29-31
• 3 土壤重金属形态分析与生态风险评价31-55
• 3.1 土壤理化性质分析结果31-32
• 3.2 土壤重金属形态分析结果32-36
• 3.3 土壤重金属生态风险评价36-41
• 3.3.1 重金属单项污染系数37
• 3.3.2 地累积指数评价37-38
• 3.3.3 潜在生态危害指数评价38-40
• 3.3.4 风险评价编码评价40-41
• 3.4 土壤重金属污染来源识别41-49
• 3.4.1 土壤重金属空间分布特征41-45
• 3.4.2 重金属间相关性分析45
• 3.4.3 重金属聚类分析45-49
• 3.5 有机质与重金属形态的关系49-50
• 3.6 土壤酶活性与重金属形态的关系50-52
• 3.7 小结52-55
• 4 小麦不同生长时期植株重金属含量分析55-79
• 4.1 小麦不同生长时期重金属分布特征55-68
• 4.1.1 拔节期小麦植株重金属分布特征55-58
• 4.1.2 灌浆期小麦植株重金属分布特征58-63
• 4.1.3 完熟期小麦植株重金属分布特征63-68
• 4.2 小麦器官中重金属含量随时间的变化规律68-75
• 4.2.1 小麦根部中重金属含量随时间的变化规律68-71
• 4.2.2 小麦茎叶中重金属含量随时间的变化规律71-73
• 4.2.3 小麦籽粒中重金属含量随时间的变化规律73-75
• 4.3 小麦茎叶与根部重金属含量相关性分析75-76
• 4.4 小节76-79
• 5 成熟期玉米不同器官重金属含量分析-79-87
• 6 成熟期作物各器官重金属含量比较87-91
• 6.1 小麦与玉米根部重金属含量比较87-88
• 6.2 小麦与玉米茎叶重金属含量比较88-89
• 6.3 小麦与玉米籽粒重金属含量比较89-90
• 6.4 小结90-91
• 7 作物健康及生态风险评价91-97
• 7.1 作物籽粒重金属健康风险评价91-94
• 7.2 作物秸秆还田适宜性评价94-95
• 7.3 小结95-97
• 8 结论与展望97-101
• 8.1 本文的主要结论97-99
• 8.2 问题与展望99-101
• 参考文献101-111
• 作者简历111-113
• 学术论文数据集113

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