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)作為重點研究區(qū)域，測定土壤重金屬總量以及各種化學結(jié)合態(tài)的含量，評價沉陷區(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)化和運移規(guī)律，分析沉陷區(qū)及周邊農(nóng)田土壤重金屬污染對土壤酶活性、土壤微生物學性質(zhì)的影響，研究微生物與重金屬的相互作用及機理，為采煤沉陷區(qū)重金屬地球化學演化提供基本的認識框架，為礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用及生態(tài)環(huán)境影響的評價和預測提供科學的決策和理論依據(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中國土壤環(huán)境背景值，其中Zn和Cd的富集最為嚴重，Cd和Zn的平均含量超過中國土壤環(huán)境一級標準，說明煤礦的開采會導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)相關分析表明，Cd、Cu、Pb、Zn和Hg之間顯著的正相關性反映它們在土壤中

3、具有相似的地球化學行為，而它們和土壤理化性質(zhì)（有機質(zhì)、總氮、總碳）之間的顯著相關性表明這幾種重金屬有人為的來源。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，這兩個主成分主要解釋了人為來源的重金屬污染，尤其是來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)之間沒有顯著的相關性，表明Cr和Ni很可能來自于非人為的來源，而是來源于成土過程。⑶Tes

4、sier逐級連續(xù)提取結(jié)果表明，除Cd之外，其余重金屬元素主要以殘渣態(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)、有機質(zhì)結(jié)合態(tài)和殘渣態(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當?shù)乇尘爸?.15倍的總量無疑給煤礦區(qū)帶來巨大的生態(tài)安全隱患。⑷潛在生態(tài)風險評價結(jié)果表明，研究區(qū)綜合潛在生態(tài)風險指數(shù)（RI）在低生態(tài)風險到中等生態(tài)風險。單個重金屬的潛在生態(tài)風險指數(shù)Eir結(jié)果表明Cr

5、、Cu、Ni、Pb和Zn產(chǎn)生了低生態(tài)風險，Cd產(chǎn)生了中等生態(tài)風險到高生態(tài)風險，Cd的生態(tài)風險遠遠高于其他幾種重金屬元素。風險評估編碼(RAC)評價結(jié)果表明，研究區(qū)土壤中Cr無生態(tài)風險，Cu、Ni、Pb、Zn產(chǎn)生了低生態(tài)風險，而Cd產(chǎn)生了高生態(tài)風險到極高生態(tài)風險。風險評估編碼和潛在生態(tài)風險兩種評價結(jié)果是一致的，都表明研究區(qū)土壤中Cd將帶來較高的生態(tài)風險，應該引起有關部門的重視。⑸沉陷區(qū)土壤理化性質(zhì)、重金屬總量、賦存形態(tài)對土壤基礎呼吸、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、過氧化氫酶活性有顯著的相關性，其中，pH對幾種土壤酶的活性影響最大，pH對脫氫酶、脲酶和過氧化氫酶有顯著激活作用，對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對影響微生物生態(tài)特征的環(huán)境因子進行分析，檢驗結(jié)果表明，沉陷區(qū)土壤微生物學性質(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通過實驗室培養(yǎng)方法研究采煤沉陷區(qū)外源Cd、Hg單因素及其復合污染對土壤酶活性的影響，結(jié)果表明，與未加重金屬的對照相比，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對土壤酶活性的抑制程度有所差別，Cd、Hg復合污染對土壤酶活性的抑制作用最強，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的對照相比，土壤基礎呼吸作用高于對照，隨著重金屬濃度的增加

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

9、、4.57 mg kg-1h-1。⑼細菌的NMDS圖譜表明:高濃度的Hg處理和高濃度的Cd/Hg的復合處理已經(jīng)使土壤中細菌的群落結(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復合處理(Hg30和CdHg30)對細菌分類學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豐度減少，而變形菌門、厚壁菌門和擬桿菌門的相對