錳礦污染區(qū)植物群落模式修復效應研究.pdf

1、本文以湘潭錳礦污染區(qū)治理為研究對象，致力于探索重金屬污染場地生態(tài)修復涉及的理論與工程技術(shù)問題。通過野外調(diào)查和樣品采集，分析了錳礦渣堆積區(qū)基質(zhì)的理化性質(zhì)與重金屬污染程度，統(tǒng)計了區(qū)內(nèi)分布的本土植物種類，分析了其重金屬耐受和積累特性，選出了16種生態(tài)-經(jīng)濟型修復植物。采用礦渣作為基質(zhì)開展了盆栽試驗，測試分析了篩選植物耐受復合重金屬污染的機理，檢驗了專用有機菌肥改良根際土壤的效果。結(jié)合盆栽試驗，構(gòu)建了中試模擬場地試驗裝置，對比了復合與單一植物模

2、式的修復效應?；谏鲜鲅芯?，以泡桐和欒樹為建群植物，采用專用有機菌肥改良根際土壤微生態(tài)環(huán)境來代替常規(guī)的覆土方法，成功地在湘潭錳礦污染區(qū)建立了面積為4 hm2的生態(tài)修復示范區(qū)。示范區(qū)建成后5年里，通過采樣、監(jiān)測，比較了泡桐和欒樹5年生長量和重金屬積累特性，分析了逐步形成的植物群落結(jié)構(gòu)和其重金屬吸收的季節(jié)變化效應。結(jié)合運用物理化學與生態(tài)學原理，建立了用以描述重金屬污染修復區(qū)狀態(tài)的生態(tài)系統(tǒng)熱力學方程，測試分析了不同植物群落模式的Gibbs自由

3、能和不同物種的化學勢。本研究為指導生態(tài)修復工程實踐和評價污染區(qū)生態(tài)修復效果提出了新的理論依據(jù)與實用參數(shù)。主要研究結(jié)果如下:
　　(1)湘潭錳礦渣基質(zhì)保水性差，氮、磷含量低，不利于植物生長?；|(zhì)中最高Mn含量可達24727.73mg/kg，Pb、Cd、Cu、Zn的平均含量也遠超過湖南省和全國的背景值。污染指數(shù)、地累積指數(shù)和潛在生態(tài)風險指數(shù)評價結(jié)果表明，試驗點屬多重金屬重度污染區(qū)，存在極大的潛在生態(tài)風險。礦區(qū)本土植物共63種29科，多

4、為草本植物。盆栽篩選試驗中，泡桐、烏桕、蓖麻、欒樹、小葉女貞、紅麻、夾竹桃成活率均達100％，7種植物中，泡桐和欒樹生長速度最快，泡桐、欒樹、紅麻、夾竹桃的Mn、Pb積累量大，專用有機菌肥顯著增大了植物生物量和錳吸收量，含20％有機菌肥基質(zhì)處理的成本效益最高。
　　(2)中試模擬試驗中，復合植物模式的生物量、Mn積累量、持水量分別是單一植物模式的1.6、7.5、1.5倍，有機菌肥能增大群落重金屬吸收量，提高基質(zhì)保水能力，降低重金屬

5、污染擴散量。模擬降雨淋失試驗中，有機菌肥處理提高了土壤水溶性Mn含量，但降低了其絡合性重金屬含量，系統(tǒng)水土流失和隨其帶走的重金屬量隨模擬降雨強度增大而增大。要控制污染擴散，必須攔截阻隔降雨時期污染區(qū)的水土流失。復合植物-有機菌肥處理的植物覆蓋度、生物量、重金屬積累量最大，生態(tài)修復效果最好，形成的喬-灌-草空間結(jié)構(gòu)具有生物多樣性豐富，保水力強和水土流失量低的綜合特點。
　　(3)生態(tài)修復示范區(qū)中，專用有機菌肥處理區(qū)栽種的泡桐和欒樹的

6、成活率大于83％，利用其速生特點，能快速恢復污染區(qū)植被景觀。3至5年樹齡的泡桐平均樹高、胸徑、生物量、重金屬積累量均大于欒樹。兩種植物重金屬積累量隨樹齡顯著增大，在植體內(nèi)的分布規(guī)律為莖＞根＞葉。兩種植物的Mn、Pb含量隨樹齡的變化不大，在植體內(nèi)的分布規(guī)律為葉＞根＞莖。復合植物群落的密度、蓋度、豐富度、多樣性指數(shù)的季節(jié)變化顯著，規(guī)律為夏＞秋與春＞冬。由于落葉和草本植物的消亡，植物群落地上部生物量和重金屬吸收量隨季節(jié)變化的規(guī)律為秋＞夏＞冬≈

7、春。處理區(qū)根際土壤Mn水溶性季節(jié)規(guī)律為夏、秋和冬大于春季，土壤微生物數(shù)量和種類數(shù)為秋和夏大于春和冬季。植物的生長量和錳積累量與土壤重金屬有效性和工程區(qū)植物多樣性呈正相關(guān)。
　　(4)監(jiān)測的植物修復模式中，復合植物群落模式的覆蓋度、豐富度、多樣性指數(shù)、均勻度最大。不同模式植物的平均年生物量增長率為:復合植物-有機菌肥＞單一草坪-覆土＞單一欒樹-覆土＞對照;植物錳吸收量為:復合植物-有機菌肥＞單一欒樹-覆土＞對照＞單一草坪-覆土。復合

8、植物-有機菌肥模式的群落層次豐富度和多彩美景度最高，景觀效果最好。
　　(5)本研究定義的轉(zhuǎn)運量系數(shù)TQ和積累量系數(shù)BQF可定量描述植物的重金屬轉(zhuǎn)運和去除能力，而建立的生態(tài)系統(tǒng)Gibbs自由能方程可用以確定工程區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)和評價修復的效果。植物群落自由能和化學勢描述的生態(tài)修復效應與相關(guān)生態(tài)學指標反映的基本趨勢一致，復合植物-有機菌肥模式的錳吸收量的Gibbs自由能值最高、富集錳元素的勢能最強。自由能G包含了系統(tǒng)生產(chǎn)力和生物多樣

9、性信息，化學勢μ能反映植物生長勢、元素吸收能力及其相關(guān)的生態(tài)學特性。與傳統(tǒng)指標相比，G和μ可從熱力學角度分析生態(tài)系統(tǒng)與立地環(huán)境的相關(guān)性，因此，建立的熱力學方程在指導生態(tài)修復工程實踐和評價修復效果中具有一定的應用價值。
　　本文主要的創(chuàng)新點為:
　　(1)采用用材樹種為建群物種，發(fā)展了新的用以修復重金屬污染場地的植物群落模式技術(shù)。
　　(2)應用了具有解毒和供肥功能的含有耐性菌株的有機菌肥。
　　(3)建立了用以確