沉陷地复垦基质效应与重金属元素的植物修复研究

论文摘要

沉陷地是我国主要的退化土地之一,目前采用的复垦方式多为充填覆土,表层覆土的缺乏是制约当前土地复垦工作的主要问题。另外,大量固体废弃物的产生出来也导致了很多环境问题。因此,提出了利用固体废弃物构造土地复垦基质的思想,并把粉煤灰分别按一定比例与酒糟、糠醛渣、污泥等混合成复垦基质进行了试验研究。前期研究结果显示基质中重金属含量较高,特别是镉（Cd）的含量超过了国家土壤环境质量二级标准,必须采取措施降低基质中的重金属镉（Cd）的含量,又设计了降低重金属镉（Cd）含量的植物修复试验。采用盆栽试验的方法,先后对六种不同基质进行了研究,提出了评价植物对基质中重金属元素吸收能力的指标体系,探讨了“超富集植物”的概念。本研究对节土造田、增加耕地面积、改善沉陷地周边环境、实现固体废弃物的资源化利用、促进资源-环境-社会经济的协调发展都具有积极的现实意义,同时也为重金属元素的植物修复研究和“超富集植物”的筛选和培育提供了新的思路和理论依据。论文的主要成果和结论如下:1)通过对基质理化性质和植物生长情况的试验,获得糠醛渣、污泥、酒糟三种有机固体废弃物分别与粉煤灰混合构造土地复垦基质的适宜比例为5-20%。2)经过六年的植物种植试验,基质理化性质得到了明显改善。基质疏松,孔隙率大,通气性好,田间持水量呈逐年增加趋势,容重均低于土壤对照;各基质pH值基本维持在中性范围;有机质和速效氮、磷、钾含量配置初期远高于对照,虽然由于植物吸收和淋洗有所降低,但是仍维持在较高水平;基质配置初期盐分含量较高,经过一段时间的淋洗后,均降至2 g·kg-1以下;各基质重金属元素含量均高于土壤对照,且随着种植年限的增长而降低,除镉（Cd）外,均低于土壤环境质量二级标准值,因此要使基质能安全地用于农业生产,应采取措施降低镉（Cd）的含量。3)建立了基质质量综合评价模型,并对三种基质质量进行了评价,结果与基质中植物生长情况相吻合,说明模型与实际相符合。4)各植物在基质1、2、3中的出苗率普遍高于对照,而且随着种植年限的延长,出苗率有提高的趋势。在基质中种植的植物,初期长势普遍低于土壤对照,随着基质不断熟化,植物均超过土壤对照。从叶绿素含量来看,除了初期有一定不良影响外,总体上与土壤相当。有多种植物的重金属含量超过了相应的国家标准,因此在基质上种植植物时,尽量选择非食用性植物品种,即使种植了蔬菜和牧草等植物,也不应将收获后的产品供人类食用或用于畜牧生产,以免危害人体健康。5)建立和研究了复垦基质先锋植物的适宜性评价模型,结果表明,不同基质中适宜的先锋植物分别如下:基质1为苜蓿,基质2为桧柏、棉花和高羊茅,基质3为桧柏、早熟禾、高羊茅、棉花和苜蓿。6)探讨了评价重金属元素植物修复能力的指标体系和“超富集植物”的概念。以对植物重金属元素的植物修复实际效果为出发点,提出了评价重金属元素的植物修复能力的指标,如吸收模量、修复年限、相对修复年限和相对修复指数等,建立了以相对修复年限为核心的评价体系,并拟定了评价标准。以相对修复年限为评价指标定义相对修复年限为0-10年的植物为“超富集植物”,10-50年的植物为“富集植物”。7)在由不同废弃物按一定的比例混合配制的六种土地复垦基质上,系统地研究了几种植物对重金属镉（Cd）的吸收和富集情况,结果表明,相对修复年限既适用于不同植物对同一种重金属元素的吸收能力的评价,又适用于同一植物对不同重金属元素的吸收能力的评价,是衡量重金属元素植物修复效果的理想指标。8)从不同植物对同一基质重金属镉（Cd）的吸收和富集能力看,不论是经过多年种植的基质,还是第一次种植的基质,小白菜和油菜都是相对理想的植物;而黑麦草、高羊茅和苜蓿的吸收效果并不理想。从同一种植物对不同基质中重金属镉（Cd）的吸收和富集能力看,对基质1、基质2和基质3来讲,小白菜、油菜和甘蓝更适用于在由粉煤灰与酒糟混合配制的基质3、而黑麦草和高羊茅则较适用于由粉煤灰与糠醛渣混合配制的基质1;对基质I、基质II和基质III来讲,由于构成基质的糠醛渣、污泥和酒糟的理化性质和化学成分的差异,植物的适宜程度并未出现一致的规律性。9)根据“超富集植物”的相对修复年限评价标准的0-10年和“富集植物”的10-50年,小白菜、油菜和甘蓝对基质1、基质2和基质3是比较理想的“富集植物”,对基质I、基质II和基质III,只有小白菜完全表现出这种特征,所以,植物对重金属的“超富集”和“富集”特征是相对的,应当指明在什么条件下才有意义。10)如果考虑到植物吸收和重金属淋溶两方面的作用,在种植适宜植物的情况下,基质中重金属镉（Cd）的含量会在10-15年间降至国家土壤环境质量二级标准以下,根系作用层可以满足一般农业生产的需要。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 引言
• 1.1 沉陷废弃地的土地复垦研究
• 1.1.1 沉陷废弃地的形成与危害
• 1.1.2 沉陷废弃地复垦研究的历史和现状
• 1.1.3 沉陷地复垦模式
• 1.1.4 沉陷废弃地复垦中的植被恢复和基质改良
• 1.2 固体废弃物的理化性质及在土地复垦中的应用
• 1.2.1 固体废弃物的生产现状
• 1.2.2 几种固体废弃物的主要理化性质
• 1.2.3 土地复垦中粉煤灰和污泥等对固体废弃地土壤性质的影响
• 1.2.4 土地复垦中粉煤灰和污泥的应用需要注意的问题
• 1.3 重金属污染土壤的植物修复研究进展
• 1.3.1 土壤重金属污染的特点与危害
• 1.3.2 重金属污染土壤治理措施
• 1.3.3 重金属污染土壤的植物修复研究概况
• 1.3.4 超富集植物的定义与研究进展
• 1.3.5 植物对重金属元素的吸收能力评价指标研究
• 1.4 研究的目的意义与主要内容
• 1.4.1 选题依据
• 1.4.2 研究目的意义
• 1.4.3 研究目标
• 1.4.4 研究内容
• 2 试验材料、设计与方法
• 2.1 试验背景与时间安排
• 2.2 试验材料
• 2.3 试验植物
• 2.3.1 选取的原则
• 2.3.2 实验选用植物
• 2.4 试验设计与管理
• 2.4.1 基质配比与盐分冲洗试验
• 2.4.2 复垦基质重金属元素淋溶特性试验
• 2.4.3 种子出苗试验
• 2.4.4 基质理化性质变化与植物生长试验
• 2.4.5 基质重金属植物修复试验
• 2.5 测定项目与方法
• 2.5.1 基质理化性质
• 2.5.2 基质重金属
• 2.5.3 植物生长参数
• 2.5.4 植物重金属含量
• 3 结果与分析
• 3.1 复垦基质的理化性质变化研究与质量综合评价
• 3.1.1 复垦基质合理配比试验分析
• 3.1.2 基质盐分冲洗定额研究
• 3.1.3 不同基质中重金属元素淋溶特性研究
• 3.1.4 不同基质在植物种植条件下的理化性质变化
• 3.1.5 复垦基质质量综合评价
• 3.1.6 小结
• 3.2 复垦基质对植物生长的影响与植物适宜性评价
• 3.2.1 不同基质对植物出苗的影响
• 3.2.2 不同基质对植物生长状况的影响
• 3.2.3 不同基质对植物产量或生物量的影响
• 3.2.4 不同基质对植物叶绿素含量的影响
• 3.2.5 不同基质对植物重金属含量的影响
• 3.2.6 复垦基质先锋植物的适宜性评价
• 3.2.7 小结
• 3.3 重金属元素的植物修复研究
• 3.3.1 重金属元素的植物修复能力评价指标的提出
• 3.3.2 重金属元素的植物修复能力综合评价指标的概念与计算
• 3.3.3 重金属元素的植物修复能力评价指标体系的建立和评价标准的制定
• 3.3.4 超富集植物和富集植物筛选量化指标的分析
• 3.3.5 超富集植物和富集植物的理解及其选择标准的界定
• 3.3.6 植物对重金属镉（Cd）的吸收和富集能力的评价研究
• 3.3.7 植物对其它重金属的吸收和富集能力的评价研究
• 3.3.8 小结
• 4 讨论
• 4.1 固体废弃物用于沉陷地复垦思想的形成与发展
• 4.1.1 基质用于沉陷废弃地复垦从理论到实践应遵循的几个步骤
• 4.1.2 固体废弃物的种类选择及合理搭配
• 4.1.3 复垦基质的冲洗脱盐
• 4.1.4 工程处理措施
• 4.1.5 土地复垦中基质充填方式的选择
• 4.1.6 施用改良剂改善基质理化性质
• 4.1.7 复垦基质适种植物的选择
• 4.1.8 基质用于沉陷废弃地复垦须掌握的几个原则
• 4.2 重金属元素的植物修复实践技术研究
• 4.2.1 超富集植物的筛选和培育
• 4.2.2 增强基质内重金属元素活性，提高溶液中有效态重金属的浓度
• 4.2.3 研究展望
• 5 结论
• 5.1 论文主要结论
• 5.1.1 基质合理配比的选择
• 5.1.2 不同基质在植物种植条件下的理化性质变化规律
• 5.1.3 建立了基质质量综合评价模型，并对三种基质质量进行了综合评价
• 5.1.4 复垦基质对植物出苗和生长的影响
• 5.1.5 筛选了复垦基质先锋植物
• 5.1.6 探讨了评价重金属元素的植物修复能力的指标
• 5.1.7 提出了对重金属元素的“超富集植物”的理解
• 5.1.8 系统地研究了几种植物对重金属Cd 的吸收和富集情况
• 5.2 主要创新点
• 5.2.1 探讨了评价重金属元素的植物修复能力的指标体系和评价标准
• 5.2.2 提出了“超富集植物”和“富集植物”的理解和界定标准
• 5.2.3 系统地研究了植物对重金属Cd 元素的修复能力
• 5.3 学术价值和发展前景
• 5.3.1 固体废弃物构造新型基质用于沉陷地复垦思想的形成与发展
• 5.3.2 重金属元素的植物修复能力评价体系的建立
• 5.4 存在的不足和后续工作的研究重点
• 5.4.1 关于盆栽试验的局限性问题
• 5.4.2 关于固体废弃物的种类选择和配比问题
• 5.4.3 关于基质上适种先锋植物的选择问题
• 5.4.4 关于重金属元素的植物修复能力的评价指标和植物修复研究问题
• 6 参考文献
• 7 致谢
• 8 攻读学位期间发表论文情况