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木本植物修复煤矿复垦区重金属迁移规律研究

作　者: 杨金香
导　师: 张明旭
学　校: 安徽理工大学
专　业: 环境工程
关键词: 木本植物修复重金属迁移规律煤矿复垦区
分类号: X173
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

植物修复是近年来发展起来的土壤重金属污染整治的重要手段之一,受到国内外众多学者的关注。本文基于淮南煤矿复垦区的复垦特点,选取大通生态湿地(Datong ecological wetland, DTEW)-.潘一矿复垦区(Panyi mine reclamation area, PYRA)和新庄孜矿复垦区(Xinzhuangzi mine reclamation are, XZRA)为研究对象,分析研究了复垦区土壤重金属污染特点,表明复垦区土壤受到重金属元素的不同程度污染,其中Cd是复垦区土壤重金属污染最主要的诱发因子。在此基础上,筛选不同树种的木本植物,通过趋势模拟与数学建模,探寻重金属在煤矸石—土壤—木本植物系统中的迁移规律。(1)通过不同复垦区内同种木本植物对不同重金属的吸收富集能力的研究,表明复垦类型的不同,同种植物发生了不同种群之间的差异和分化,形成了不同生态型,从而影响了同种木本植物对同种重金属的吸收积累能力差异。(2)根据不同复垦区内不同时间段采集的复垦煤矸石中的重金属含量,通过趋势分析,探寻煤矸石在覆土状态下重金属释放规律。结果表明覆土状态下煤矸石重金属元素释放规律遵循负指数方程,且以木本植物修复为主的复垦区内煤矸石中重金属释放速率大于以草本植物修复为主的煤矸石中重金属的释放速率,证明了植物根系能够加速复垦煤矸石中重金属元素的释放。(3)通过覆土底层土壤中重金属与复土厚度、pH、含水率、总孔度、有机质、速效钾、速效磷和CEC等影响因子的相关性分析,确定主要影响因子,采用多元线性回归,移除异常因子,建立了煤矸石—上层覆土界面之间不同重金属迁移影响因子模型。(4)根据木本植物根系吸收、富集土壤中重金属的特点,提出了新的采样布点方案,以探寻重金属在土壤—根区系统中的迁移规律。结果表明：木本植物根系对重金属吸收富集能力强,其迁移能力就较强,且迁移规律沿着根系遵循三次曲线模型；随着根系对重金属的吸收富集能力降低,其迁移能力也逐渐降低,且迁移规律沿着根系由三次曲线模型向直线模型趋势过渡。同时采用克里格方法,建立了具有植物富集特点的不同范围内不同剖面的克里格模型。并通过大量的土壤与木本植物中重金属含量数据,采用趋势拟合的方法,发现重金属在根际土—根区,以及在木本植物系统的分布规律遵循三次曲线模型：y=a3X3＋a2x2＋a1x＋a0,。(5)依据木本植物从复垦区土壤中吸收和富集重金属的过程,结合重金属在木本植物体内的积累机理,细化木本植物的生理结构特点,运用药物动力学的“房室模型”思想,建立了木本植物吸收、富集重金属的二室、三室数学模型,以及茎杆的时空模型,即：二室模型：(由土壤进入根系的速率为常数)；(土壤中重金属含量为定值)；三室模型：茎杆的时空模型：(6)论文从采样方法上,根据木本植物根系吸收、富集土壤中重金属的特点,提出了一种确定土壤中重金属迁移趋势的方法和系统。并针对煤矿复垦区特点,系统、全面地探讨了煤矸石—土壤—木本植物系统中的重金属迁移规律,运用药物动力学的思想,从理论上构建了重金属在木本植物系统的迁移模型,从而为定量研究重金属在木本植物系统中的迁移、积累过程和定量计算模型的合理选择提供思路和方法。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-15
1 绪论  15-31
  1.1 研究目的及意义  15-17
  1.2 国内外研究动态  17-28
    1.2.1 煤矿复垦区土壤污染及修复技术研究现状  17-20
      1.2.1.1 煤矿复垦区土壤污染现状  17-18
      1.2.1.2 煤矿复垦区植物修复研究现状  18-20
    1.2.2 木本植物修复技术研究现状  20-22
    1.2.3 植物对重金属吸收积累机理研究进展  22-24
    1.2.4 植物修复土壤重金属污染的前沿问题  24-26
    1.2.5 植物修复土壤重金属迁移模型研究现状  26-28
  1.3 研究内容  28
  1.4 研究思路  28-29
  附图  29-31
2 研究区域概况  31-37
  2.1 自然概况  31
  2.2 矿区开采与塌陷概况  31-34
  2.3 塌陷区综合治理概况  34-37
    2.3.1 治理措施  34-35
    2.3.2 复垦区概况  35-37
      2.3.2.1 大通湿地生态区  35
      2.3.2.2 潘一矿复垦区  35-36
      2.3.2.3 新庄孜复垦区  36-37
3 材料与方法  37-45
  3.1 材料  37-40
    3.1.1 土壤样品的采集  37-40
    3.1.2 植物样品的采集  40
    3.1.3 煤矸石样品的采集  40
  3.2 预处理  40-42
    3.2.1 土壤样品的预处理  40-41
    3.2.2 植物样品的预处理  41
    3.2.3 煤矸石样品的预处理  41-42
  3.3 方法  42-45
    3.3.1 实验试剂  42
    3.3.2 测定项目  42
    3.3.3 测定方法  42-43
    3.3.4 质量控制  43-45
4 复垦区木本植物重金属富集、积累特征研究  45-67
  4.1 煤矿复垦区土壤特征研究  45-53
    4.1.1 复垦区土壤重金属污染特征  46-48
    4.1.2 复垦区土壤重金属污染评价  48-53
  4.2 同一复垦区木本植物对不同重金属的吸收积累特征  53-59
    4.2.1 杨树对重金属的吸收积累特征  54
    4.2.2 高杆女贞对重金属的吸收积累特征  54-55
    4.2.3 雪松对重金属的吸收积累特征  55-56
    4.2.4 水杉对重金属的吸收积累特征  56-57
    4.2.5 四川桧对重金属的吸收积累特征  57-58
    4.2.6 枸树对重金属的吸收积累特征  58-59
  4.3 同一复垦区不同树种对重金属的吸收转移能力  59-61
  4.4 不同复垦类型木本植物重金属吸收差异分析  61-65
    4.4.1 枸树不同部位对重金属吸收积累的差异  63-64
    4.4.2 高杆女贞不同部位对重金属吸收积累的差异  64-65
    4.4.3 水杉不同部位对重金属吸收积累的差异  65
  4.5 本章小结  65-67
5 复垦区煤矸石—土壤—木本植物系统重金属迁移规律研究  67-113
  5.1 重金属在土壤—木本植物系统中迁移的影响因素  67-68
  5.2 煤矸石—土壤系统重金属迁移规律研究  68-75
    5.2.1 煤矸石重金属含量分析  69-70
    5.2.2 覆土底层土壤重金属与煤矸石的相关性分析  70
    5.2.3 覆土状态下煤矸石重金属释放规律  70-73
    5.2.4 重金属在煤矸石-上层土壤界面的迁移规律  73-75
  5.3 重金属在土壤—根系界面的空间迁移规律  75-98
    5.3.1 研究方案  76-77
    5.3.2 样品采集与测试  77-79
    5.3.3 重金属在土壤—根系界面系统的横向迁移规律  79-85
    5.3.4 重金属在土壤—根系界面系统的纵向迁移规律  85-98
  5.4 重金属在根际土壤—根区系统的迁移规律  98-104
    5.4.1 重金属在根际土—杨树根区系统的迁移规律  98-100
    5.4.2 重金属在根际土—高杆女贞根区系统的迁移规律  100-101
    5.4.3 重金属在根际土—四川桧根区系统的迁移规律  101-102
    5.4.4 重金属在根际土—雪松根区系统的迁移规律  102-104
  5.5 重金属在木本植物系统中迁移规律  104-111
    5.5.1 重金属在杨树中的迁移规律  104-106
    5.5.2 重金属在高杆女贞中的迁移规律  106-107
    5.5.3 重金属在四川桧中的迁移规律  107-109
    5.5.4 重金属在雪松中的迁移规律  109-111
  5.6 本章小结  111-113
6 重金属在木本植物系统中迁移积累模型构建  113-135
  6.1 问题的提出  113-114
  6.2 模型构建理论基础  114-117
  6.3 模型构建思路  117-118
  6.4 模型构建  118-131
    6.4.1 模型假设  118-119
    6.4.2 模型建立  119-131
      6.4.2.1 二室模型  119-124
      6.4.2.2 三室模型  124-128
      6.4.2.3 时空模型  128-131
  6.5 模型验证  131-134
  6.6 本章小结  134-135
7 结论与创新  135-141
  7.1 结论  135-138
  7.2 创新  138-139
  7.3 展望  139-141
参考文献  141-153
致谢  153-155
作者简介及读博期间主要科研成果  155-157

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