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淮南煤矸石堆积地重金属元素环境生物地球化学研究

作　者: 王兴明
导　师: 董众兵
学　校: 安徽理工大学
专　业: 环境工程
关键词: 煤矸石山重金属元素环境风险环境介质植被分布限制因子生物富集生物指示者
分类号: X752
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

随着煤炭的开采和利用,大量的煤矸石不断产生并被堆积在地表形成煤矸石山。煤矸石山不仅侵占大量的土地,其在淋溶、风化、自燃等过程中更会释放出一定量有毒有害物质,特别是重金属元素。重金属元素难于降解,其被释放后,可能会在堆积地周边环境介质中富集,并通过食物链或食物网在生态系统中传递,最终会对煤矸石堆积地周边人群造成潜在的环境风险。因此,研究煤矸石堆积地周边环境中重金属的分布、迁移、影响因素和风险对于矿区生态安全和风险管理具有重要意义。本研究选择淮南矿区三个典型的煤矸石堆积地,通过各环境介质中重金属元素含量分析、土壤理化性质分析和植被调查等方法,深入探讨重金属元素在煤矸石堆积地多种环境介质(矸石、土壤、水体、动植物(水稻、黄豆、蚯蚓和鱼))中含量和分布特征,重金属元素在多种介质中所产生的环境风险,矸石中重金属元素和堆积地植被分布的关系以及特征物种(蚯蚓)作为煤矸石堆积地重金属元素生物指示种或生物富集种的可能性。通过研究,主要得出：(1)环境介质中重金属元素平均含量均低于我国相应国家标准值：矸石和土壤中Zn、Pb、Cd、Ni、Cr和Cu平均含量均低于国家土壤环境质量标准一级水平；水稻、黄豆籽实和鱼肉中Zn、Pb、Cd、Cr和Cu平均含量均低于食品限量卫生标准；水体中Zn、Pb、Cd、Cr和Cu平均含量均在地表水环境质量标准二级范围内。此外,环境介质中重金属元素含量均随煤矸石堆积年限变化,但各环境介质中同一重金属元素随矸石堆积年限变化趋势不相同。(2)不同环境介质中重金属元素分布差异性明显：煤矸石山不同部位重金属元素含量不同；表层土壤(0-20cm)重金属元素含量随距离变化较明显,且可分为两种类型：重金属元素含量随着距离增加而降低或随距离增加先增加再降低；不同重金属、相同重金属在不同区域的水稻和黄豆各个器官分布均有差异,水稻和黄豆中重金属含量和土壤中相应重金属含量相关性不显著,重金属元素在富集过程中存在元素之间的协同或拮抗效应,且Zn、Ni、Mn和Cu在水稻和黄豆中富集系数均和土壤中相应元素含量存在幂指数关系；鱼内脏是重金属元素的主要富集器官,鳃中重金属含量也相对较高,而鱼肉、鱼鳞、鱼骨、鱼鳍、鱼鳔等器官富集重金属的能力相对较弱,鱼吸收水体中重金属元素也同样存在元素之间的协同或拮抗效应。(3)矸石堆积地植被分析表明：矸石中重金属元素可能不是植物定居的限制因子(以新庄孜矿为例),矸石中过高pH、盐分,及较低总磷和总钾可能是限制先锋植物定居的主要因素。而植被分析也表明：禾本科的狗牙根和菊科的野塘蒿是矸石堆积地植物群落中优势种,它们或许可被用于煤矸石山生态恢复。(4)蚯蚓体内某些重金属可表征土壤中重金属：蚯蚓体内Zn和Cd含量可较准确反映土壤中Zn和Cd浓度,蚯蚓体内Ni、Cr、V含量可在距离上反映其与煤矸石山之间远近关系,蚯蚓只对土壤Zn和Cd产生富集效应(对Cd富集能力较大),蚯蚓可作为煤矸石山周边土壤Zn和Cd的指示生物。(5)不同环境介质中重金属所产生的风险均不高(除Cr在水稻、黄豆、水体和鱼肉中所产生的致癌风险)：矸石山和土壤中总的重金属元素潜在生态风险均处于轻微水平,矸石中的风险随堆积年限增加而降低,而土壤中则升高；水稻和黄豆籽实、塌陷塘、鱼肉中化学致癌重金属健康个人风险主要来自Cr。化学致癌重金属产生的健康风险Cr>Cd,水稻籽实、塌陷塘和鱼肉中重金属产生的总的个人健康年风险均处于中等水平。黄豆籽实中重金属产生的总的个人健康年风险(除中年矿)均在可接受范围内。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-18
第一章绪论  18-46
  1.1 环境中的重金属及其环境效应  18-33
    1.1.1 环境中重金属来源  18-23
      1.1.1.1 自然来源  18-20
      1.1.1.2 人为来源  20-23
    1.1.2 环境中重金属在不同介质中分布  23-27
      1.1.2.1 重金属在土壤中的分布  23-24
      1.1.2.2 重金属在水体中分布  24
      1.1.2.3 重金属在大气颗粒物中分布  24-25
      1.1.2.4 重金属生物体(植物、动物)中分布  25-27
    1.1.3 环境中重金属毒性与危害  27-30
    1.1.4 环境中重金属元素生态风险评价和健康风险评价  30-33
      1.1.4.1 土壤中重金属生态风险评价  30-31
      1.1.4.2 水体中重金属健康风险评价  31-32
      1.1.4.3 农作物和鱼中重金属健康风险评价  32-33
  1.2 煤矸石堆积地重金属研究现状与意义  33-44
    1.2.1 煤矸石堆积地重金属研究的国内外现状  33-40
      1.2.1.1 煤矸石中重金属元素含量的区域化分布  33-34
      1.2.1.2 煤矸石中重金属元素释放  34-35
      1.2.1.3 煤矸石堆积地环境介质中重金属富集  35-40
        1.2.1.3.1 土壤中富集  35-37
        1.2.1.3.2 地表水体中富集  37-38
        1.2.1.3.3 植物体和动物体中富集  38-39
        1.2.1.3.4 矸石堆积地的重金属评价  39-40
    1.2.2 煤矸石堆积地重金属研究趋势  40
    1.2.3 淮南煤矸石堆积地重金属研究现状与意义  40-44
      1.2.3.1 淮南煤矸石堆积地重金属研究现状  40-43
      1.2.3.2 淮南煤矸石堆积地重金属研究意义  43-44
  1.3 本研究内容、思路、技术路线及主要工作量  44-46
    1.3.1 研究内容、思路和技术路线  44-45
    1.3.2 本研究主要工作量  45-46
第二章样品与方法  46-56
  2.1 研究区域选择与概况  46-47
    2.1.1 研究区域选取及地理位置  46
    2.1.2 研究区域自然地理概况  46-47
  2.2 样品的采集和分布  47-52
    2.2.1 样点设置和样品采集  47-48
    2.2.2 各采样区样品分布  48-52
  2.3 样品处理及实验分析  52-56
    2.3.1 样品消解  52-53
    2.3.2 土壤(矸石)pH、EC、有机质、总氮、总磷、总钾测定  53-54
    2.3.3 植被分布调查方法  54-55
    2.3.4 仪器分析  55
    2.3.5 数据分析、处理与统计  55-56
第三章煤矸石堆积地矸石中重金属分布特征研究  56-68
  3.1 概述  56-57
  3.2 煤矸石山矸石中重金属含量  57-60
  3.3 煤矸石山不同部位(高度)矸石中重金属含量  60-61
  3.4 煤矸石中重金属之间的相关性及其和煤矸石化学性质的关系  61-63
    3.4.1 煤矸石中重金属之间的同源性  61-62
    3.4.2 煤矸石中重金属元素和矸石化学性质之间的关系  62-63
  3.5 煤矸石中重金属元素与煤矸石堆积地植被分布的关系(以新庄孜矿为例)  63-66
    3.5.1 煤矸石山底部植被类型及其结构特征  63-64
    3.5.2 煤矸石山底部植被的物种组成及特征  64-65
    3.5.3 煤矸石山底部植被分布限制因子分析  65-66
  3.6 煤矸石山重金属元素的潜在生态风险  66-67
  3.7 小结  67-68
第四章煤矸石堆积地土壤中重金属分布特征研究  68-84
  4.1 概述  68-69
  4.2 土壤中重金属的含量  69-71
  4.3 土壤中重金属垂向分布特征  71-73
  4.4 不同深度土壤中重金属在距离上分布特征  73-79
  4.5 土壤中重金属同源性分析及其和土壤化学性质之间的关系  79-81
  4.6 土壤中重金属潜在生态风险分析  81-83
  4.7 小结  83-84
第五章煤矸石堆积地土壤中动植物对土壤重金属的富集特征研究  84-106
  5.1 概述  84-85
  5.2 土壤中重金属在矸石堆积地植物(水稻和黄豆)中分布特征  85-99
    5.2.1 水稻和黄豆籽实中重金属含量  85-87
    5.2.2 水稻和黄豆各器官中重金属分布  87-90
    5.2.3 水稻和黄豆体各器官重金属含量与土壤中重金属含量、土壤化学性质、矸石山距离之间关系  90-93
    5.2.4 水稻和黄豆各器官重金属的富集系数  93-97
    5.2.5 水稻和黄豆籽实中重金属产生的健康风险  97-99
  5.3 土壤中重金属在蚯蚓体内富集特征  99-104
    5.3.1 蚯蚓体内重金属含量  99-100
    5.3.2 蚯蚓体内重金属与土壤重金属及化学性质之间的关系  100-103
    5.3.3 蚯蚓对重金属的生物富集效应  103-104
  5.4 小结  104-106
第六章煤矸石堆积地塌陷塘水体和鲫鱼中重金属富集特征研究  106-122
  6.1 概述  106-107
  6.2 塌陷塘水体中重金属元素含量  107-109
  6.3 煤矿排污渠水体中重金属元素含量  109-110
  6.4 鱼肉中重金属含量  110-112
  6.5 鱼各器官中重金属分布  112-114
  6.6 矿区鱼各器官重金属含量和水体中重金属含量之间的关系  114-115
  6.7 鱼各器官重金属元素的富集系数  115-117
  6.8 塌陷塘水体和鱼肉经食入途径所产生的健康风险  117-118
    6.8.1 塌陷塘水体经食入途径所产生的健康风险  117-118
    6.8.2 鱼肉经食入途径所产生的健康风险  118
  6.9 重金属在环境介质中分布及迁移模式  118-119
  6.10 小结  119-122
第七章结论  122-128
  7.1 结论  122-125
    7.1.1 重金属元素在不同环境介质中含量特征  122-123
    7.1.2 重金属元素在不同环境介质中含量随煤矸石山堆积年限变化特征  123
    7.1.3 重金属元素在不同环境介质中分布特征  123-124
    7.1.4 土壤(矸石)化学性质对环境介质中重金属元素含量和矸石山植被分布的影响  124-125
    7.1.5 蚯蚓作为煤矸石山周边土壤中重金属指示种可能性分析  125
    7.1.6 重金属元素在不同环境介质中的风险特征  125
  7.2 创新点  125-126
  7.3 展望  126-128
参考文献  128-148
致谢  148-150
作者简介及读博期间主要科研成果  150
攻读学位期间发表、录用和完成的学术论文  150-151
攻读学位期间科研与主要学术活动概况  151

淮南煤矸石堆积地重金属元素环境生物地球化学研究

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