本文關鍵詞：煤礦區(qū)土壤—作物系統(tǒng)重金屬生物有效性研究

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【摘要】：為探明煤礦區(qū)矸石山周圍農(nóng)田土壤—作物系統(tǒng)中重金屬Cd、As、Pb、Cu、Ni、Co、Cr、Zn的生物有效性,以改進BCR連續(xù)提取法分析了河南省焦作市中馬村礦煤矸石山周圍農(nóng)田土壤重金屬的形態(tài),在此基礎上對土壤重金屬的污染現(xiàn)狀進行了綜合評價,并對土壤重金屬的污染來源進行了識別;討論了土壤有機質(zhì)、土壤酶與重金屬形態(tài)的關系;分析了小麥植株內(nèi)重金屬的分布特征和時間變化規(guī)律;比較了小麥和玉米作物對重金屬富集能力及富集效果的差異性;評估了作物籽粒的健康風險以及秸稈還田的適宜性。結果為:(1)該區(qū)域農(nóng)田土壤為弱堿性礦物質(zhì)土壤,土壤重金屬Cd以可交換態(tài)、殘渣態(tài)為主要賦存形態(tài),而As、Pb、Cu、Ni、Co、Cr、Zn均以殘渣態(tài)占絕對優(yōu)勢。土壤中各重金屬的總量(mg·kg-1)排序為:Zn(81.43±7.34)Cr(48.58±3.68)Pb(33.59±3.98)Ni(29.31±1.42)Cu(24.32±2.06)As(18.02±1.73)Co(12.85±1.64)Cd(0.48±0.12)。土壤中各重金屬的生物有效態(tài)含量(mg·kg-1)排序為:Zn(18.46±5.82)Pb(15.70±4.05)Ni(7.48±0.60)Co(5.49±1.93)As(3.07±1.10)≈Cr(2.89±0.52)Cu(1.38±0.34)Cd(0.29±0.06)。(2)該區(qū)域土壤中重金屬Cd、As、Pb、Cu、Ni、Co、Zn均存在累積現(xiàn)象,煤矸石山是重金屬Pb、Cu、Ni、Co、Zn累積的主要來源,主導季風在煤矸石山向外界釋放重金屬的過程中起到重要作用。該區(qū)域土壤存在中度至強度等級的Cd污染,8種重金屬的綜合生態(tài)風險處于中等水平。Cd達到土壤環(huán)境質(zhì)量標準(GB156-1995)Ⅲ類土壤要求,其余7種重金屬達到Ⅱ類土壤要求。(3)有機質(zhì)、土壤酶與重金屬形態(tài)的關系呈現(xiàn)出多樣性。有機質(zhì)可顯著提高As和Ni、抑制Pb和Zn的生物有效性。重金屬積累可顯著抑制土壤蔗糖酶和淀粉酶活性,重金屬脅迫下土壤酶表現(xiàn)出的耐受機制影響著重金屬的生物有效性。(4)小麥植株對重金屬的富集存在選擇性,根部更易富集Cd和Cr,莖葉更易富集Cd和Zn,籽粒更易富集Zn和Cu,富集效果因重金屬種類、作物器官而異。植株中重金屬的含量大小存在穩(wěn)定的規(guī)律性,根部為Zn≈CrCu≈NiPbCo≈AsCd;莖葉為ZnCrCu≈Ni≈PbAsCdCo;籽粒為ZnCuNi≈Pb≈Cr≈Cd≈AsCo。植株對重金屬的富集能力也存在穩(wěn)定的規(guī)律性,根部為CdCrZn≈Cu≈NiPbCoAs;莖葉為CdZnNiCuPb≈CrAsCo;籽粒為ZnCuCdPb≈Ni≈CrAsCo。(5)在小麥的生長周期內(nèi),其植株對同一重金屬的富集規(guī)律與含量的分布規(guī)律保持一致,重金屬Cd、As、Pb、Ni、Co、Cr均為根部莖葉籽粒,Cu為根部籽粒莖葉,植株內(nèi)Zn的分布較為均勻。作物器官內(nèi)重金屬的含量處于變化中,且器官中重金屬含量的時間變化特征與器官對重金屬富集能力的時間變化特征相吻合。小麥拔節(jié)期根部的重金屬含量與莖葉中同一重金屬的含量呈顯著或極顯著正相關,Cd在小麥的生長周期內(nèi)均表現(xiàn)出根部與莖葉間的顯著正相關。(6)玉米植株內(nèi)重金屬含量的排序為:根部ZnCuCrNiPbCoAsCd,秸稈ZnCuNiCrPbCd≈AsCo,籽粒:ZnCuPb≈Ni≈CrAsCd≈Co。玉米植株對重金屬富集能力的排序為:根部CdCuZn≈Ni≈CrCoPbAs,秸稈Cd≈CuZnNiCr≈PbCo≈As,籽粒ZnCuPb≈NiCd≈CrCo≈As。玉米植株中重金屬含量的分布規(guī)律與富集規(guī)律相一致,Cd、Pb、Cu、Ni為玉米根≈玉米稈玉米粒;As、Cr、Co為玉米根玉米稈玉米粒;Zn為玉米�！钟衩锥捰衩赘�。(7)小麥和玉米作物相比,相同點為:小麥和玉米各部分均以Zn含量最高,Cd、As、Co的量值極低;兩者的營養(yǎng)器官對Cd、籽粒對Zn和Cu均具有較高的富集能力;兩者的根部對Cu、莖葉和籽粒對Ni的富集能力均相當,含量也相當。不同點為:玉米莖葉對Cu、籽粒對Pb、Cr的富集能力強于小麥,含量也高于小麥;兩種作物莖葉對Zn的富集能力相當,但小麥莖葉Zn含量明顯高于玉米莖葉;小麥根部對Co的富集能力強于玉米根部,而小麥根部的Co含量卻比玉米根部的低;其余情況均為小麥強于玉米。(8)該區(qū)域所產(chǎn)小麥籽粒整體處于安全水平。玉米籽粒的Pb含量整體高于GB2762-2012限量值,但滿足NY861-2004限量要求,玉米籽粒中Cd、As、Cu、Cr、Zn的含量均處于安全水平。成人及兒童攝入該區(qū)域所產(chǎn)小麥或玉米,均不存在由Pb、Cu、Ni、Cr、Co、Zn引起的非致癌健康風險,同時對成人亦不存在由Cd、As引起的致癌健康風險;兒童攝入玉米不存在由Cd、As引起的致癌健康風險,而兒童攝入小麥引起的Cd、As潛在致癌風險高于美國環(huán)境保護署推薦的限量值。無論是攝食小麥還是玉米,所引起的潛在健康風險的程度均為兒童大于成人。無論成人還是兒童,通過攝食小麥所引起的潛在健康風險的程度均大于玉米。小麥秸稈不宜進行還田處置,亦不建議玉米秸稈還田。
【關鍵詞】：土壤 重金屬 改進BCR 作物 生物有效性
【學位授予單位】：河南理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：X53
【目錄】：

• 致謝4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 1 緒論13-25
• 1.1 選題依據(jù)與研究意義13-14
• 1.2 重金屬生物有效性14-15
• 1.3 重金屬生物有效性研究方法15-19
• 1.3.1 總量預測15-16
• 1.3.2 土壤重金屬形態(tài)分析16-18
• 1.3.3 生物指示18-19
• 1.4 重金屬生物有效性的影響因素19-20
• 1.4.1 土壤物理化學性質(zhì)19
• 1.4.2 土壤微生物和酶特征19-20
• 1.4.3 人類生產(chǎn)活動20
• 1.5 土壤重金屬污染評價方法20-22
• 1.5.1 綜合指數(shù)評價21
• 1.5.2 模糊數(shù)學評價21-22
• 1.5.3 地理信息系統(tǒng)評價22
• 1.6 本文研究目的和意義22
• 1.7 本文主要研究內(nèi)容22-25
• 2 材料與方法25-31
• 2.1 采樣區(qū)域概況25
• 2.2 樣品采集及預處理25-26
• 2.2.1 土壤樣品采集及預處理25-26
• 2.2.2 作物樣品采集及預處理26
• 2.3 樣品分析方法26-29
• 2.3.1 土壤pH值測定方法26
• 2.3.2 土壤酶活性測定方法26-27
• 2.3.3 土壤礦物組成及元素分析27
• 2.3.4 土壤有機質(zhì)測定方法27
• 2.3.5 土壤重金屬連續(xù)提取步驟27-28
• 2.3.6 作物樣品消解步驟28-29
• 2.4 實驗室質(zhì)量控制29
• 2.5 試驗數(shù)據(jù)處理29-31
• 3 土壤重金屬形態(tài)分析與生態(tài)風險評價31-55
• 3.1 土壤理化性質(zhì)分析結果31-32
• 3.2 土壤重金屬形態(tài)分析結果32-36
• 3.3 土壤重金屬生態(tài)風險評價36-41
• 3.3.1 重金屬單項污染系數(shù)37
• 3.3.2 地累積指數(shù)評價37-38
• 3.3.3 潛在生態(tài)危害指數(shù)評價38-40
• 3.3.4 風險評價編碼評價40-41
• 3.4 土壤重金屬污染來源識別41-49
• 3.4.1 土壤重金屬空間分布特征41-45
• 3.4.2 重金屬間相關性分析45
• 3.4.3 重金屬聚類分析45-49
• 3.5 有機質(zhì)與重金屬形態(tài)的關系49-50
• 3.6 土壤酶活性與重金屬形態(tài)的關系50-52
• 3.7 小結52-55
• 4 小麥不同生長時期植株重金屬含量分析55-79
• 4.1 小麥不同生長時期重金屬分布特征55-68
• 4.1.1 拔節(jié)期小麥植株重金屬分布特征55-58
• 4.1.2 灌漿期小麥植株重金屬分布特征58-63
• 4.1.3 完熟期小麥植株重金屬分布特征63-68
• 4.2 小麥器官中重金屬含量隨時間的變化規(guī)律68-75
• 4.2.1 小麥根部中重金屬含量隨時間的變化規(guī)律68-71
• 4.2.2 小麥莖葉中重金屬含量隨時間的變化規(guī)律71-73
• 4.2.3 小麥籽粒中重金屬含量隨時間的變化規(guī)律73-75
• 4.3 小麥莖葉與根部重金屬含量相關性分析75-76
• 4.4 小節(jié)76-79
• 5 成熟期玉米不同器官重金屬含量分析-79-87
• 6 成熟期作物各器官重金屬含量比較87-91
• 6.1 小麥與玉米根部重金屬含量比較87-88
• 6.2 小麥與玉米莖葉重金屬含量比較88-89
• 6.3 小麥與玉米籽粒重金屬含量比較89-90
• 6.4 小結90-91
• 7 作物健康及生態(tài)風險評價91-97
• 7.1 作物籽粒重金屬健康風險評價91-94
• 7.2 作物秸稈還田適宜性評價94-95
• 7.3 小結95-97
• 8 結論與展望97-101
• 8.1 本文的主要結論97-99
• 8.2 問題與展望99-101
• 參考文獻101-111
• 作者簡歷111-113
• 學術論文數(shù)據(jù)集113

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本文編號：882804