淮南煤矸石堆积地重金属元素环境生物地球化学研究

论文摘要

随着煤炭的开采和利用,大量的煤矸石不断产生并被堆积在地表形成煤矸石山。煤矸石山不仅侵占大量的土地,其在淋溶、风化、自燃等过程中更会释放出一定量有毒有害物质,特别是重金属元素。重金属元素难于降解,其被释放后,可能会在堆积地周边环境介质中富集,并通过食物链或食物网在生态系统中传递,最终会对煤矸石堆积地周边人群造成潜在的环境风险。因此,研究煤矸石堆积地周边环境中重金属的分布、迁移、影响因素和风险对于矿区生态安全和风险管理具有重要意义。本研究选择淮南矿区三个典型的煤矸石堆积地,通过各环境介质中重金属元素含量分析、土壤理化性质分析和植被调查等方法,深入探讨重金属元素在煤矸石堆积地多种环境介质（矸石、土壤、水体、动植物（水稻、黄豆、蚯蚓和鱼））中含量和分布特征,重金属元素在多种介质中所产生的环境风险,矸石中重金属元素和堆积地植被分布的关系以及特征物种（蚯蚓）作为煤矸石堆积地重金属元素生物指示种或生物富集种的可能性。通过研究,主要得出：（1）环境介质中重金属元素平均含量均低于我国相应国家标准值：矸石和土壤中Zn、Pb、Cd、Ni、Cr和Cu平均含量均低于国家土壤环境质量标准一级水平；水稻、黄豆籽实和鱼肉中Zn、Pb、Cd、Cr和Cu平均含量均低于食品限量卫生标准；水体中Zn、Pb、Cd、Cr和Cu平均含量均在地表水环境质量标准二级范围内。此外,环境介质中重金属元素含量均随煤矸石堆积年限变化,但各环境介质中同一重金属元素随矸石堆积年限变化趋势不相同。（2）不同环境介质中重金属元素分布差异性明显：煤矸石山不同部位重金属元素含量不同；表层土壤（0-20cm）重金属元素含量随距离变化较明显,且可分为两种类型：重金属元素含量随着距离增加而降低或随距离增加先增加再降低；不同重金属、相同重金属在不同区域的水稻和黄豆各个器官分布均有差异,水稻和黄豆中重金属含量和土壤中相应重金属含量相关性不显著,重金属元素在富集过程中存在元素之间的协同或拮抗效应,且Zn、Ni、Mn和Cu在水稻和黄豆中富集系数均和土壤中相应元素含量存在幂指数关系；鱼内脏是重金属元素的主要富集器官,鳃中重金属含量也相对较高,而鱼肉、鱼鳞、鱼骨、鱼鳍、鱼鳔等器官富集重金属的能力相对较弱,鱼吸收水体中重金属元素也同样存在元素之间的协同或拮抗效应。（3）矸石堆积地植被分析表明：矸石中重金属元素可能不是植物定居的限制因子（以新庄孜矿为例）,矸石中过高pH、盐分,及较低总磷和总钾可能是限制先锋植物定居的主要因素。而植被分析也表明：禾本科的狗牙根和菊科的野塘蒿是矸石堆积地植物群落中优势种,它们或许可被用于煤矸石山生态恢复。（4）蚯蚓体内某些重金属可表征土壤中重金属：蚯蚓体内Zn和Cd含量可较准确反映土壤中Zn和Cd浓度,蚯蚓体内Ni、Cr、V含量可在距离上反映其与煤矸石山之间远近关系,蚯蚓只对土壤Zn和Cd产生富集效应（对Cd富集能力较大）,蚯蚓可作为煤矸石山周边土壤Zn和Cd的指示生物。（5）不同环境介质中重金属所产生的风险均不高（除Cr在水稻、黄豆、水体和鱼肉中所产生的致癌风险）：矸石山和土壤中总的重金属元素潜在生态风险均处于轻微水平,矸石中的风险随堆积年限增加而降低,而土壤中则升高；水稻和黄豆籽实、塌陷塘、鱼肉中化学致癌重金属健康个人风险主要来自Cr。化学致癌重金属产生的健康风险Cr>Cd,水稻籽实、塌陷塘和鱼肉中重金属产生的总的个人健康年风险均处于中等水平。黄豆籽实中重金属产生的总的个人健康年风险（除中年矿）均在可接受范围内。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 环境中的重金属及其环境效应
• 1.1.1 环境中重金属来源
• 1.1.1.1 自然来源
• 1.1.1.2 人为来源
• 1.1.2 环境中重金属在不同介质中分布
• 1.1.2.1 重金属在土壤中的分布
• 1.1.2.2 重金属在水体中分布
• 1.1.2.3 重金属在大气颗粒物中分布
• 1.1.2.4 重金属生物体（植物、动物）中分布
• 1.1.3 环境中重金属毒性与危害
• 1.1.4 环境中重金属元素生态风险评价和健康风险评价
• 1.1.4.1 土壤中重金属生态风险评价
• 1.1.4.2 水体中重金属健康风险评价
• 1.1.4.3 农作物和鱼中重金属健康风险评价
• 1.2 煤矸石堆积地重金属研究现状与意义
• 1.2.1 煤矸石堆积地重金属研究的国内外现状
• 1.2.1.1 煤矸石中重金属元素含量的区域化分布
• 1.2.1.2 煤矸石中重金属元素释放
• 1.2.1.3 煤矸石堆积地环境介质中重金属富集
• 1.2.1.3.1 土壤中富集
• 1.2.1.3.2 地表水体中富集
• 1.2.1.3.3 植物体和动物体中富集
• 1.2.1.3.4 矸石堆积地的重金属评价
• 1.2.2 煤矸石堆积地重金属研究趋势
• 1.2.3 淮南煤矸石堆积地重金属研究现状与意义
• 1.2.3.1 淮南煤矸石堆积地重金属研究现状
• 1.2.3.2 淮南煤矸石堆积地重金属研究意义
• 1.3 本研究内容、思路、技术路线及主要工作量
• 1.3.1 研究内容、思路和技术路线
• 1.3.2 本研究主要工作量
• 第二章 样品与方法
• 2.1 研究区域选择与概况
• 2.1.1 研究区域选取及地理位置
• 2.1.2 研究区域自然地理概况
• 2.2 样品的采集和分布
• 2.2.1 样点设置和样品采集
• 2.2.2 各采样区样品分布
• 2.3 样品处理及实验分析
• 2.3.1 样品消解
• 2.3.2 土壤（矸石）pH、EC、有机质、总氮、总磷、总钾测定
• 2.3.3 植被分布调查方法
• 2.3.4 仪器分析
• 2.3.5 数据分析、处理与统计
• 第三章 煤矸石堆积地矸石中重金属分布特征研究
• 3.1 概述
• 3.2 煤矸石山矸石中重金属含量
• 3.3 煤矸石山不同部位（高度）矸石中重金属含量
• 3.4 煤矸石中重金属之间的相关性及其和煤矸石化学性质的关系
• 3.4.1 煤矸石中重金属之间的同源性
• 3.4.2 煤矸石中重金属元素和矸石化学性质之间的关系
• 3.5 煤矸石中重金属元素与煤矸石堆积地植被分布的关系（以新庄孜矿为例）
• 3.5.1 煤矸石山底部植被类型及其结构特征
• 3.5.2 煤矸石山底部植被的物种组成及特征
• 3.5.3 煤矸石山底部植被分布限制因子分析
• 3.6 煤矸石山重金属元素的潜在生态风险
• 3.7 小结
• 第四章 煤矸石堆积地土壤中重金属分布特征研究
• 4.1 概述
• 4.2 土壤中重金属的含量
• 4.3 土壤中重金属垂向分布特征
• 4.4 不同深度土壤中重金属在距离上分布特征
• 4.5 土壤中重金属同源性分析及其和土壤化学性质之间的关系
• 4.6 土壤中重金属潜在生态风险分析
• 4.7 小结
• 第五章 煤矸石堆积地土壤中动植物对土壤重金属的富集特征研究
• 5.1 概述
• 5.2 土壤中重金属在矸石堆积地植物（水稻和黄豆）中分布特征
• 5.2.1 水稻和黄豆籽实中重金属含量
• 5.2.2 水稻和黄豆各器官中重金属分布
• 5.2.3 水稻和黄豆体各器官重金属含量与土壤中重金属含量、土壤化学性质、矸石山距离之间关系
• 5.2.4 水稻和黄豆各器官重金属的富集系数
• 5.2.5 水稻和黄豆籽实中重金属产生的健康风险
• 5.3 土壤中重金属在蚯蚓体内富集特征
• 5.3.1 蚯蚓体内重金属含量
• 5.3.2 蚯蚓体内重金属与土壤重金属及化学性质之间的关系
• 5.3.3 蚯蚓对重金属的生物富集效应
• 5.4 小结
• 第六章 煤矸石堆积地塌陷塘水体和鲫鱼中重金属富集特征研究
• 6.1 概述
• 6.2 塌陷塘水体中重金属元素含量
• 6.3 煤矿排污渠水体中重金属元素含量
• 6.4 鱼肉中重金属含量
• 6.5 鱼各器官中重金属分布
• 6.6 矿区鱼各器官重金属含量和水体中重金属含量之间的关系
• 6.7 鱼各器官重金属元素的富集系数
• 6.8 塌陷塘水体和鱼肉经食入途径所产生的健康风险
• 6.8.1 塌陷塘水体经食入途径所产生的健康风险
• 6.8.2 鱼肉经食入途径所产生的健康风险
• 6.9 重金属在环境介质中分布及迁移模式
• 6.10 小结
• 第七章 结论
• 7.1 结论
• 7.1.1 重金属元素在不同环境介质中含量特征
• 7.1.2 重金属元素在不同环境介质中含量随煤矸石山堆积年限变化特征
• 7.1.3 重金属元素在不同环境介质中分布特征
• 7.1.4 土壤（矸石）化学性质对环境介质中重金属元素含量和矸石山植被分布的影响
• 7.1.5 蚯蚓作为煤矸石山周边土壤中重金属指示种可能性分析
• 7.1.6 重金属元素在不同环境介质中的风险特征
• 7.2 创新点
• 7.3 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介及读博期间主要科研成果
• 攻读学位期间发表、录用和完成的学术论文
• 攻读学位期间科研与主要学术活动概况