淮北采煤沉陷区土壤重金属分布赋存及微生物生态特征研究

发布时间：2017-12-23 08:34

本文关键词：淮北采煤沉陷区土壤重金属分布赋存及微生物生态特征研究　出处：《安徽大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：本研究选择淮北采煤沉陷区作为重点研究区域,测定土壤重金属总量以及各种化学结合态的含量,评价沉陷区土壤重金属污染特征,阐明沉陷区土壤重金属的形态转化和运移规律,分析沉陷区及周边农田土壤重金属污染对土壤酶活性、土壤微生物学性质的影响,研究微生物与重金属的相互作用及机理,为采煤沉陷区重金属地球化学演化提供基本的认识框架,为矿产资源的开发利用及生态环境影响的评价和预测提供科学的决策和理论依据,主要研究结果如下:(1)与淮北市土壤背景值相比,除Pb元素外,Cd、Cr、Cu、Ni、Zn、Hg这6种重金属平均值均超过淮北土壤背景值,其中,Cd和Hg分别是淮北土壤环境背景值的3.15和2.86倍;除Hg元素外,其他重金属的平均含量均超过中国土壤环境背景值,其中Zn和Cd的富集最为严重,Cd和Zn的平均含量超过中国土壤环境一级标准,说明煤矿的开采会导致土壤重金属一定程度的富集。(2)土壤重金属和理化性质相关分析表明,Cd、Cu、Pb、Zn和Hg之间显著的正相关性反映它们在土壤中具有相似的地球化学行为,而它们和土壤理化性质(有机质、总氮、总碳)之间的显著相关性表明这几种重金属有人为的来源。主成分分析结果表明,Cd、Cu、Pb、Hg和理化性质分布在第一和第二主成分,这两个主成分主要解释了人为来源的重金属污染,尤其是来源于煤炭开采和煤炭的燃烧。Cr和Ni被列为第三主成分,而在相关分析中,Cr和Ni与其他的重金属以及土壤理化性质之间没有显著的相关性,表明Cr和Ni很可能来自于非人为的来源,而是来源于成土过程。(3)Tessier逐级连续提取结果表明,除Cd之外,其余重金属元素主要以残渣态存在,Cd的可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机质结合态和残渣态所占的比例依次为41.92%、13.90%、23.07%、8.12%、13%,Cd的高活性比例及超过当地背景值3.15倍的总量无疑给煤矿区带来巨大的生态安全隐患。(4)潜在生态风险评价结果表明,研究区综合潜在生态风险指数(RI)在低生态风险到中等生态风险。单个重金属的潜在生态风险指数Ert结果表明Cr、Cu、Ni、Pb和Zn产生了低生态风险,Cd产生了中等生态风险到高生态风险,Cd的生态风险远远高于其他几种重金属元素。风险评估编码(RAC)评价结果表明,研究区土壤中Cr无生态风险,Cu、Ni、Pb、Zn产生了低生态风险,而Cd产生了高生态风险到极高生态风险。风险评估编码和潜在生态风险两种评价结果是一致的,都表明研究区土壤中Cd将带来较高的生态风险,应该引起有关部门的重视。(5)沉陷区土壤理化性质、重金属总量、赋存形态对土壤基础呼吸、微生物量C、N、代谢熵、微生物量碳氮比的影响不显著。土壤理化性质和土壤脱氢酶、脲酶、酸性磷酸酶、过氧化氢酶活性有显著的相关性,其中,pH对几种土壤酶的活性影响最大,pH对脱氢酶、脲酶和过氧化氢酶有显著激活作用,对酸性磷酸酶有一定的抑制作用,但抑制效果不显著。(6)采用CCA对影响微生物生态特征的环境因子进行分析,检验结果表明,沉陷区土壤微生物学性质、土壤酶活性受土壤重金属Cd的可交换态、碳酸盐结合态、Cr的可交换态、Ni的碳酸盐结合态、Zn和pH的显著影响(p0.05)。(7)通过实验室培养方法研究采煤沉陷区外源Cd、Hg单因素及其复合污染对土壤酶活性的影响,结果表明,与未加重金属的对照相比,随着重金属浓度的增加,酶的活性显著下降(p0.05);在相同处理浓度下,Cd、Hg对土壤酶活性的抑制程度有所差别,Cd、Hg复合污染对土壤酶活性的抑制作用最强,在单一重金属污染中,Hg的抑制作用大于Cd。(8)与未添加重金属Cd、Hg的对照相比,土壤基础呼吸作用高于对照,随着重金属浓度的增加,土壤基础呼吸随之明显加强,定浓抑制率增大且呈现负值,说明土壤微生物受重金属抑制作用增强。在相同处理浓度下,Cd、Hg复合污染对土壤呼吸抑制作用最强,在单一重金属污染中,Hg的抑制作用大于Cd。在培养时间上,土壤基础呼吸随着培养时间的延长而逐渐增强,在培养第14天达到最高,在培养后两周,土壤基础呼吸急剧下降,但是依旧高于对照。土壤基础呼吸的最高值均出现在第二周的高浓度处理中(Cd30、Hg30、CdHg30),分别达到3.60、3.88、4.57 mg kg-1h-1。(9)细菌的NMDS图谱表明:高浓度的Hg处理和高浓度的Cd/Hg的复合处理已经使土壤中细菌的群落结构发生了改变。而真菌的NMDS图谱表明,不同浓度处理的重金属Cd、Hg没有改变真菌的群落结构。高浓度的单一 Hg处理和Cd、Hg复合处理(Hg30和CdHg30)对细菌分类学类群的影响也是显著的(p0.05)。在Hg30和CdHg30处理中,酸杆菌门和绿弯菌门相对丰度减少,而变形菌门、厚壁菌门和拟杆菌门的相对丰度显著增加(p0.05)。在所有处理和对照土壤中,真菌的优势门是子囊菌门,相对丰度为43.7-99.3%。担子菌门、芽芝霉菌门在Cd0.3和CdHg3处理中相对丰度增加,而高浓度的Cd和Hg并没有进一步影响土壤中真菌的类群。
【学位授予单位】：安徽大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：X53;S154

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