【摘要】： 礦區(qū)土壤重金屬污染及其修復是當今礦山生態(tài)及我國區(qū)域性、行業(yè)性領(lǐng)域的研究熱點,對土地可持續(xù)利用、糧食安全、礦區(qū)環(huán)境與區(qū)域生態(tài)保護具有重要意義。通過對礦區(qū)充填復墾土壤進行系統(tǒng)、量化的野外及實驗室研究,所得出的理論方法、數(shù)學模型、試驗技術(shù)、相關(guān)數(shù)據(jù)、軟件手段等可為國家指導礦區(qū)土地復墾和生態(tài)重建提供數(shù)據(jù)支持和科學指導,并可為相關(guān)礦區(qū)環(huán)境政策的制定提供參考。 本文在較系統(tǒng)地綜述了國內(nèi)外礦區(qū)復墾土壤研究進展情況的基礎(chǔ)上,重點開展了五方面的研究工作: 1.充填復墾土壤特性 場地實測與室內(nèi)實驗相結(jié)合,系統(tǒng)地研究了復墾土壤的理化、生物特性,包括土壤的滲透性、緊實度、孔隙水電導率、含水率、溫度、pH值、有機質(zhì)、氮磷鉀、重金屬、微生物(細菌、真菌、放線菌)種類種數(shù);選用美國2800K1型滲透儀、英國三參數(shù)速測儀HH2/WET、美國緊實度儀soil compaction,測試分析了土壤的緊實度等。數(shù)據(jù)結(jié)論:煤矸石、粉煤灰充填(覆土厚度40cm)復墾土壤的pH值為7.98-8.78,含水率高于正常土壤10%-20%,滲透性系數(shù)為0.059-0.286,緊實度在200-300PSI,有機質(zhì)含量低于對照土壤。這些研究結(jié)果對于國家制定礦區(qū)復墾技術(shù)標準及復墾工程的設(shè)計實施具有重要的參考價值。 2.復墾土壤重金屬分布規(guī)律 研究了礦區(qū)充填復墾土壤重金屬污染問題,首先探討了充填復墾區(qū)域土壤重金屬空間分布特征分析的理論與方法,通過采集、處理、測試245個土樣的As、Cd、Cr、Cu、Hg、Pb、Zn等的含量,利用變化度、污染度和含量趨勢等指標,解析研究了煤矸石充填復墾土壤、粉煤灰充填復墾土壤、對照土壤三類土壤的重金屬分布特征;在此基礎(chǔ)上,總結(jié)了七種元素的空間分布情況,對嚴重污染的Cd、輕度污染的Cr、正常范圍的Pb進行了重點分析;采用線性、對數(shù)、指數(shù)、乘冪、多項式、克里格模型闡釋了Cd、Cr及Pb的空間分布規(guī)律,得出結(jié)論:①簡單模型:擬合的模型在一定程度上能反映出微量元素的變化趨勢,三塊場地模型擬合的誤差均值保持在30%以內(nèi),其中,煤矸石場地誤差最小,最大值為18.4%,最小值為8.3%;②多項式模型:由反演所得數(shù)據(jù)繪制的模擬遷移圖具有現(xiàn)實應用意義,即可利用模型由測點的數(shù)值推知未測點的數(shù)值,得到相對連續(xù)的重金屬含量值,分析其空間分布規(guī)律;③Kriging模型:以粉煤灰場地的Cd為例,建立的模型擬合精度較高。上述研究結(jié)果將為礦區(qū)污染土地的修復并進而制定相應治理措施提供依據(jù)。 3.土壤特性與重金屬污染相關(guān)性的方法與理論 首先確定了可能影響土壤重金屬分布的四個重要土壤特性:土壤緊實度、土壤pH值、土壤有機質(zhì)以及土壤微生物;采用Pearson Correlation Coefficient方法,分析了pH值對重金屬分布的影響、有機質(zhì)與重金屬分布的相關(guān)程度、緊實度與重金屬污染的關(guān)系、微生物與重金屬污染的相關(guān)性,結(jié)果表明:①充填復墾場地的pH值、有機質(zhì)和緊實度與重金屬含量的相關(guān)性較弱,相關(guān)系數(shù)都在-0.6到0.6之間,這也說明了在一定程度上,重金屬空間分布的無規(guī)律性。②微生物與土壤重金屬的相關(guān)性很大,在粉煤灰場地體現(xiàn)的更加明顯,微生物的多少對土壤重金屬含量產(chǎn)生直接的影響;最后應用集對理論(Set Pair Analysis Theory)研究了微生物與重金屬的關(guān)聯(lián)機理。這對于深入認識土壤重金屬遷移機理的復雜性具有重要的科學意義,并可為其中難以定量和難以鑒別的污染相關(guān)因素的后續(xù)研究提供數(shù)據(jù)支持。 4.主要農(nóng)作物重金屬污染物遷移規(guī)律研究 比較研究了世界主要國家和地區(qū)對小麥、水稻和大豆中重金屬污染物的限量標準,提出了小麥等主要農(nóng)作物重金屬污染物限量的選取標準;采用單項、綜合污染指數(shù)分析了根際土壤As、Cd、Cr、Cu、Hg、Pb、Zn的污染狀況,得出了復墾土壤綜合污染指數(shù)小于1,全部測點均達到了土壤環(huán)境質(zhì)量二級標準要求;定量解析了小麥不同部位的重金屬含量,確定Cd、Cr為污染元素,研究結(jié)果:①復墾場地生長的成熟小麥,Cd、Cr在其不同器官中的分布遷移趨勢是一致的;②對照場地生長的成熟小麥,Cd、Cr在其不同器官中的分布趨勢存在差異;提出根富集系數(shù)率,進行曲線估計,建立了Cd回歸方程、Cr偏微分方程。這些研究結(jié)果對礦區(qū)糧食安全的監(jiān)控具有重要的實際應用價值。 5.土壤、作物污染程度的可視化表達 探索性地引入Surfer軟件成圖方法,借助多項式模型反演所得的數(shù)據(jù),對礦區(qū)復墾土壤的結(jié)構(gòu)進行可視化,直觀地描述了土壤重金屬分布的縱向、橫向特征;應用Photoshop軟件,對主要農(nóng)作物小麥中重金屬的污染遷移,以Cd、Cr為例,制作了量化模擬色彩映射圖,真實地評價了小麥不同器官中重金屬的污染程度。
【學位授予單位】：中國礦業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2008
【分類號】：X53

【引證文獻】

相關(guān)博士學位論文 前1條

1 姜杰;礦業(yè)生態(tài)化開發(fā)的哲學研究及模式探索[D];中共中央黨校;2012年

相關(guān)碩士學位論文 前3條

1 管永;淮南礦區(qū)環(huán)境修復區(qū)土壤中重金屬分布特征研究[D];安徽理工大學;2011年

2 羅國忠;中水灌溉下不同綠地植物體內(nèi)礦質(zhì)元素含量變化及生理反應[D];甘肅農(nóng)業(yè)大學;2009年

3 陳松;尾礦庫重金屬的污染機理及其數(shù)值模擬研究[D];中南大學;2012年

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本文編號：2622412