贵阳市关闭煤矿区煤矸石堆场周边水稻土重金属污染特征及评价

摘要

煤矸石是在煤炭开采、洗选加工过程中所产生的固体废弃物。目前，煤矿的排矸量约占煤炭开采量的8％～20％，平均约为12％。本文选取贵阳市关闭煤矿区煤矸石堆场作为研究对象，在此之前有众多学者研究过此地污染状况，但在重金属有效态污染和重金属释放迁移性却研究甚少，亟待探索。
　　本论文从煤矸石污染状况着手，深入研究煤矸石堆场水稻土重金属有效态含量，从而探究煤矸石堆场水稻土重金属迁移和释放特征;在植物生态方面，探究污染水稻土对作物种苗生长的影响以及对微生物代谢活性的探索，完成了论文完成时段该地区煤矸石堆场污染状况特征分析及对该地区植物及微生物的影响。取得的主要结果如下:
　　(1)对贵阳市废弃煤矿区煤矸石堆场周边污染的水稻土进行调查与采样分析，探讨煤矸石堆放过程中重金属迁移对周边水稻土重金属含量的影响。研究结果表明:煤矸石和土壤中Cd、As和Hg的含量均超过了土壤环境质量二级标准，其中轻污染水稻土Cd、As和Hg的含量分别超过了限值的8.83、0.28和6.53倍，中污染水稻土Cd、As和Hg的含量分别超过了限值的11.6、0.39和8.87倍，重污染水稻土Cd、As和Hg的含量分别超过了限值的18.23、2.10和16.13倍;而水稻土中Zn、Pb、Cr和Cu的含量均未超过土壤环境质量二级标准限值。因此，煤矸石堆场周边的土壤重金属污染以Hg和Cd为主，其次是As。随着水稻土污染程度的增加，土壤有效态Pb和Cd的含量出现明显的差异，中度污染水稻土和重度污染水稻土有效态Pb的平均含量分别比轻度污染水稻土增加了1.50和2.13倍;而中度污染水稻土和重度污染水稻土有效态Cd的平均含量分别比轻度污染水稻土增加了1.30和2.60倍。因此，煤矸石堆场周边污染水稻土重金属的影响最主要是Cd，其次是Pb。对贵州中部山区煤矸石堆场周边污染的水稻土及上覆水进行调查与采样分析，探讨污染水稻土有效态重金属（Cr、Cu、Zn、As、Cd、Hg和Pb）含量的变化及其释放特征。研究结果表明:在水稻生长期间（6～8月），污染稻田上覆水Cr、Cu和Zn浓度分别在7.0～14.0μg·kg-1、34.3～95.5μg·kg-1和25.1～132.0μg·kg-1，而As、Cd、Hg和Pb浓度分别为0.473～1.350μg·kg-1、5.13～6.84μg·kg-1、0.011～0.028μg·kg-1和3.39～6.48μg·kg-1之间。污染稻田上覆水中均出现Cd的超标，中度污染稻田和重度污染稻田上覆水Cd的平均浓度（三次采样）分别比轻度污染稻田的上覆水高11.3％和27.3％。可见，煤矸石堆场周边污染稻田上覆水Cd的超标与土壤有效态Cd含量显著的增加密切相关。
　　(2)不同污染程度的水稻土经过30天淹水后，上覆水重金属浓度均有不同程度地增加，其中以Cd浓度的增加程度最为明显，上覆水重金属浓度与《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)Ⅲ类水相应的指标进行对比，中度及重度污染水稻土从淹水20天后，其上覆水Cd均出现超标，Hg也有部分样品出现超标现象，其他重金属均未出现超标。由于土壤重金属总量Cd较高，这可能影响了Cd的释放，导致其30天淹水后超过了《地表水环境质量标准》。电导率和释放时间呈正相关关系，相关系数为0.9886**(p＜0.01)，在第30d达到最大值。这是因为随着时间的推移，电解质增加，因此电导率也在不断的增加。因此，综合淹水试验及实地采样分析结果看出，煤矸石堆场周边污染稻田的上覆水主要是Cd和Hg的污染，煤矸石中的重金属受到雨水淋溶和冲沟水冲刷，再次进入稻田或地表水体中，产生二次污染，携带的重金属在稻田中不断累积，造成水稻土出现重金属污染，造成水稻产量下降及品质降低。
　　(3)重污染土处理水稻、油菜和生菜三者发芽势和发芽率均为零，中污染土处理的三种作物种子在第10天左右有发芽现象，除水稻外，油菜和生菜到试验期结束完全发霉死亡;轻污染土处理三者两项指标与对照（蒸馏水处理）之间存在显著差异(P＜0.05)，随着离煤矸石堆距离的增加，轻污染土处理三者发芽势和发芽率均成增加趋势，与对照相比，油菜、水稻和生菜发芽势和发芽率降幅为35.5％和23.5％、35％和15％、22.2％和36.8％。不同处理对油菜、水稻和生菜的鲜重和干重的影响与对照相比均达显著水平(P＜0.05)，随着距矸石堆的距离的增加，二者幼苗鲜重和干重呈增加趋势，轻污染程度水稻土与对照（蒸馏水处理）之间存在显著差异(P＜0.05)，水稻两项指标降幅为72.36％、57.58％，，油菜为91.6％、60.6％，生菜为91.39％、77.4％;重污染程度水稻土水稻和油菜与对照（蒸馏水处理）存在显著差异(P＜0.05)，降幅均为100％。
　　重污染土处上覆水理水稻、油菜和生菜三者发芽势和发芽率均为零;中污染土上覆水处理的三种作物种子在第3天左右有发芽现象，三种作物到试验期结束完全发霉死亡;轻污染土上覆水处理三者两项指标与对照（蒸馏水处理）之间存在显著差异(P＜0.05)，轻污染土上覆水处理下三种作物种子在第3天左右有发芽现象，除水稻外，油菜和生菜到试验期结束完全发霉死亡，与对照相比，水稻发芽势和发芽率降幅为14.1％和15％。不同处理对油菜、水稻和生菜的鲜重和干重的影响与对照相比均达显著水平(P＜0.05)，随着距矸石堆的距离的增加，二者幼苗鲜重和干重呈增加趋势，轻污染程度水稻土上覆水处理与对照（蒸馏水处理）之间存在显著差异(P＜0.05)，水稻两项指标降幅为62.6％和61.1％;中污染程度水稻土上覆水和重污染程度水稻土上覆水三种作物与对照（蒸馏水处理）存在显著差异(P＜0.05)，降幅均为100％。
　　通过AWCD值的分析结果显示从培养微生物开始，代谢活性逐渐提高，在培养72h后增加速率开始显著性提升，在168h后逐渐趋于平稳。在处理初期，微生物代谢活性受到重金属的影响不具规律性，在48h处理时，中污染土的AWCD值高于重污染土，说明煤矸石堆场周边水稻土中重金属对微生物代谢活性的影响与时间有关，长期的重金属污染会造成水稻土周边微生物代谢活性明显下降。48h后微生物代谢活性与重金属含量有显著相关性，且在相同培养时间的微生物代谢活性重污染土AWCD值明显低于轻污染土，说明重金属含量高低与微生物的代谢活性呈负相关。

目录

声明

论文说明

摘要

第一章 文献综述

1．1 引言

1．2 煤矸石污染及其现状

1．2．1 煤矸石的组成及分布

1．2．2 煤矸石重金属含量

1．2．3 煤矸石堆场的污染形势及危害

1．3 土壤重金属的生物有效性

1．4 土壤土上覆水的研究

1．5 重金属污染对土壤微生物的影响

1．6 国内外重金属有效态释放和迁移的研究现状

1．7 煤矸石的综合利用

1．8 问题与展望

1．9 研究目标及技术路线

第二章 煤矸石堆场周边水稻土重金属污染状况及评价

2．1 材料与方法

2．1．1 调查区概括

2．1．2 样品采集

2．1．3 样品测定方法

2．1．4 污染水稻土上覆水重金属浓度的变化

2．1．4 数据处理与分析

2．2 结果与分析

2．2．1 煤矸石堆场周边土壤重金属的污染特征

2．2．2 污染水稻土有效态重金属含量的变化

2．2．3 污染水稻土上覆水重金属浓度的变化

2．3 结论

第三章 煤矸石堆场周边水稻土重金属释放特征

3．1 材料与方法

3．2 结果与分析

3．2．1 淹水条件下污染水稻土重金属的释放特征

3．2．2 淹水条件下煤矸石与不同污染程度水稻土重金属释放特征比较

3．3 结论

第四章 污染水稻土对作物及微生物生长的影响

4．1 材料与方法

4．1．1 煤矸石堆场污染水稻土对作物种苗生长的影响

4．1．2 煤矸石堆场污染水稻土上覆水对作物种苗生长的影响

4．1．3 煤矸石堆场污染水稻土对作微生物代谢活性的影响

4．2 结果与分析

4．2．1 煤矸石堆场污染水稻土对作物种苗生长的影响

4．2．2 煤矸石堆场污染水稻土上覆水对作物种苗生长的影响

4．2．2 优势植物根际与非根际微生物群落功能多样性的差异

4．3 结论

第五章 总结和展望

5．1 总结

5．2 创新点

5．3 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文

致谢