某金-铜矿重金属的环境影响及典型污染区定居植物分析-高卫强.docx

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1、厦门大学 硕士学位论文 某金 -铜矿重金属的环境影响及典型污染区定居植物分析 姓名：高卫强 申请学位级别：硕士 专业：生态学 指导教师：丁振华 20071201 摘要 本文选择福建某大型金一铜矿和厦门东孚垃圾填埋场为研究对象，根据矿业 的开采工艺划定了矿山不同区域，通过对矿山不同区域土壤、水体、植物的野外 采样和室内分析测试，讨论了重金属在土壤、水体、植物等不同环境介质中含量、 存在形态以及迁移转化规律，评价了矿山开采造成在土壤、水体中的重金属潜在 生态危害性，寻筛选了一些的重金属耐性物种；本文还就生活垃圾填埋场重金属 污染环境下植物自然定居的的生态对策、群落特征以及重金属的耐性分析 主要结论

2、如下： (1) 矿区土壤的重金属 As、 Cii、 Zn、 Cr、 Hg污染严重， As、 Cu、 Zn、 Cr、 Hg 的平均含量为 111.1 mg/kg、 570,3 mg/kg、 396.8 mg/kg、 262.2 mg/kg 和 0. 101mg/kg， 分别为福建省背景值的 17.62、 25.01、 4.61、 5.96、 1.62 倍。 As、 Zn、Cu、 Cr和 Hg之间均呈正相关性，其中 Cu与 As呈现极显著相关。 As、 Cu 的生态风险为中等危害， Hg、 Cr和 Zn的生态风险为轻度危害。各区域土壤重 金属污染程度递降顺序为：尾矿区 矿石运输区 原矿脉土矿业废水

3、区 矿区 外土壤壤，其中尾矿区和矿石运输区为中等危害。 (2) 各区域土壤重金属 As存在方式顺序为：残渣态 有机态 Fe-Mii氧化 态 碳酸盐态 可交换态。各区域重金属 Cu、 Zn存在方式顺序均为：残渣态 Fe-Mn氧化态 有机态 碳酸盐态 可交换态。尾矿区土壤含有较高的可交换态和 碳酸盐态重金属，选矿废水排放区含有较高的有机态重金属。 (3) 矿区水体 的重金属 As、 Cu、 Zn、 Cr和 Hg污染严重， As、 Cu、 Zn、 Cr 和 Hg 平均含量为 2.253 mg/L、 30.946 mg/L、 7.614 mg/L、 3.876 mg/L 和 0.438 ug/L分别是

4、国家 III类地表水标准 45.06、 30.95、 7.16、 3.88和 4.38倍。水体重金 属污染程度依次： AsQiZnHgG。 不同水体重金属污染程度为：选矿废 水 雨积水 汀溪水 山涧水。水体中 As、 Cu和 Hg以颗粒态为主， Cr、 Zn以 可溶解态为主。另外水体过于酸性。 (4) 矿区尾矿自然定居植物有 18个科 30种，尾矿地植物小飞蓬 Co砂 za canadensis (L.)% 点红 E. (L) DC、 山油麻！ Tcffe/wVwa 崖豆 藤、红背山麻杆 d/cAomea./rewfo油 (Benth.)对金属铜均具有一定的耐性 。 形成赤 楠群落 +截叶铁扫

5、帚群落、水生黍群落、野牡丹群落、芒萁群落、鸡眼草 +小飞 蓬群落等 5个比较典型的群落。群落的演替规律上，鸡眼草 +小飞蓬群落可能是 冶炼渣的先锋植物，随着鸡眼草、小飞蓬的入侵和定居，待基质条件改善后，赤 楠群落、截叶铁扫帚和水生黍慢慢过渡为优势种，野牡丹群落、芒萁群落土壤可 能为新的入侵种。尾矿地自然定居不同形态植物对不同重金属的吸收特性各有不 同尾矿优势植物Hg的转运系数为 2.033。 (5) 厦门东孚垃圾填埋场定居植物有 4科 6种，其中南美蟛蜞菊肠 /rz7o6ato根部体内 Cu含量为 235.1 mg/kg， 地上部分 Cu含量为 100.7 mg/kg， 对 重金属 Cu具有较

6、好的耐性。 关键词：矿区；环境影响；重金属形态；自然定居植物 n Abstract In this paper, one gold-copper mine and the Xiamen landfill for study, according to the exploitation of mining different area, the mine through different patches of soil, water, plants of various heavy metals Pollution earned out data collection, field sampl

7、ing and laboratory analysis test, discussed the heavy metals in the soil, water and plants in different environmental media the existence of patterns, migration and transformation of a heavy metal mining and environmental effects, the evaluation of the heavy metals in the soil, water the potential e

8、cological hami, and heavy metals pollution of the natural environment of the settlement of ecological measures, as well as community characteristics of the heavy metal tolerance of the search and selection of heavy metal contaminated areas patience species. (1) As of heavy metals mine soil, Cu, Zn C

9、r， Hg pollution is serious, -As， Cu, Zn, Cr, Hg, the average level of 111.1 mg/kg g and 570.3 mg/kg and 396.8 mg/kg 262.2 mg/kg and 0.101 mg/kg, respectively, 17.62,25.01,4.61,5.96,1-62 times the Fujian background values. As, Zn, Cu, Cr and Hg There was a positive correlation, them As and Cu show a

10、significant ajrrelation. As, Cu show middle ecological risk hazards, and Hg, Cr, Zn show mild the ecological risk harm. District of the heavy metal pollution of the soil in descending order: Tailings mining area Ore Transport Area original veins soil Mining District wastewater soil out of mind. (2)

11、District of heavy metals in soils As for the existence of the order: residue- organio Fe-Mn oxide species carbonate species exchangeable. District of the heavy metals Cu， Zn existence of the order are: residual Fe-Mn oxide species organio carbonate species exchangeable. Mei mine soils containing hig

12、her exchangeable and carbonate heavy metals, mineral processing wtewater discharge area with a higher organic metals. (3) Mine water body of heavy metals As, Cu, Zn, Cr and Hg cause serious pollution, the average content of 2.253 mg / L, 30.946 mg / L, 7.614 mg / L, 3.876 mg / L and 0.438 ug / L res

13、pectively, the state of the surface HI 45.06,30-95,7.16,3-88 water standards and 4.38 times. Metal pollution of the water body weight followed: As Cu Zn Hg Cr. Different weight metal pollution of the water: mineral processing wastewater rain water Ting stream mountain stream water. (4) Tailing Plant

14、 Ctonyza canadensis (L.), E. sonchifolia (L.) DC, Tdielsiana. Dielsiana, Alchomea.trewioide (Benth.) are a patience on the Cu. Bridelia balansae communities + Lespedeza cuneata immunity, Panicum.paludosum Cbmmunity , Melastoma candidum community, Kummerowia striata communities + Conyza canadensis co

15、mmimity, Dicranopteri dichotoma omummity five a typical community, dominant plant tailings Hg transhipment coefficient 2.033. (5) Xiamen plant Landfill settlers 4 Section 6, of which Wedelia trilobata roots in Cu content of 235.1 mg / kg, on the Cu content of 100.7 mg / kg of heavy metals Cu has goo

16、d patience. Key Words: Mine; environmental impact ;heavy metals form;natural plant settlement 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在 文中以明确方式标明。本人依法享有和承担由此论文产生的权利 和责任。 声明人（签名 ）： 蚱年元月 /X日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦门大 学有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸质版和电 子版，有权将学位

17、论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学 校图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索， 有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适 用本规定。 本学位论文属于 1、 保密 （）， 在 年解密后适用本授权书。 2、 不保密 （ V ) (请在以上相应括号内打 “ V” ） 作者签名： _又 # 日期： 3。必年 :月夂曰 导 师 签 名 ： 日 期 ： 辦 辟 1 月 / 阳 第 一 章 前 言 1.1矿区土壤重金属的环境影响 通常把密度大于 5的金属称为重金属，如镉、铬、铜、镍、铅、锌等。砷虽 然不是金属，但由于其对环境的影响与重金属类似，通常也被称为重金

18、属。环境 中的重金属来源广泛，如各种工业废水和城镇生活污水排放、汽车尾气农药和化 肥施用等，其中矿业活动则是环境中重金属的主要来源或最主要来源之一 11。金 属矿山的开采过程产生大量的尾矿、废弃的低品位矿石等。这些废弃物重金属含 量很高的，露天堆放 条件下 ，迅速风化，导致重金属向周边环境释放 ，从 而产生 重金属污染问题。美国蒙大拿洲西部 ClarkForic河盆地，由于 100多年 fT铜及其 他金属采选和冶炼活动，污染土壤中重金属含量比正常岩石高出几百、甚至上千 倍 。重金属可迁移性差，不仅不能降解，而且会在生态系统中不断积累，并沿 食物链呈放大积累，最后通过食物链影响人体健康 3。 1

19、.1.1矿区土壤重金属污染的研究进展 矿山开采过程中产生的重金属污染问题广泛而且异常复杂，由于矿业的开采 原本处于深部的矿石暴露地表，使重金属的释放成了可能，随着地表径流、风力 传送、雨水淋滤等自然作用，重金属等不 断滲透和扩散到土壤、水体和植物等生 态系统，给采矿区及周围环境带来严重的污染 W。 据不完全统计，我国金属矿山 积存尾矿约40多亿吨，并以每年 1亿多吨的速度在增加，造成大面积土壤重金 属污染 l5L近年来众多学者对金属矿区重金属污染进行了大量的研究，发现金属 矿区重金属污染十分严重。张鑫 6对铜陵矿区重金属在地表水、沉积物、尾矿库 和土壤中的空间分布特征进行了详细研究，全面系统地

20、分析了矿山开采活动给铜 陵地区带来的环境影响，并建立了重金属在不同介质体中及其之间释放、迁移和 转化模式。张敏 7通过测定长江铜陵段 枯、丰水期江水中 Cu、 Pb、 Zn和 Cd不 同形态的含量，显示长江铜陵段江水中各重金属总量丰水期时大于枯水期，丰水 期时 Cu、 Zn、 Pb以活跃态和稳定态为主， Cd以活跃态为主；枯水期时 Zn主要 以溶解态和稳定态为主， Pb以稳定态方式被携带，而 80%的 Cu、 Cd是以溶解 态形式存于水中；悬浮物 (丰水期 )对重金属的吸附能力大小顺序为 FbCuZn Cd。 杨西飞等人 W对铜陵矿区农田表层土壤重金属污染进行了评价，显示该矿 区农田表层土壤普

21、遍受到了重金属不同程度的污染，不 同元素污染程度主要表现 在 Cd污染最严重，平均含量已达到其参考的土壤环境背景值的 20.21倍，其次 是 Cu,也达到4.04倍，其它各元素依次为 PbAsZnHg,弓丨用污水灌溉农 田是该区土壤重金属污染的主要来源 9黄长千等人对江西德兴铜矿采矿区、尾 矿堆积区、生活区以及下游河流大圬河、乐安河的水域、土壤进行了铜污染状况 的调査显示矿区铜污染极为严重，土壤中铜含量平均高达 186mg/kg,大转河河 水铜含量在 15 30mg/L之间，底泥的铜含量在 500 9000mg/kg之间，乐安河 的底泥铜含量达 500m/kg。 陈翠华 lwl等人采用富集因子

22、分析，结合 GIS空间分析 技术对江西德兴地区进行了较系统的土壤重金属污染评价显示德兴地区有不同 程度的的砷、汞、镉、锌、铜和铅重金属污染尤其以德兴矿区为中心的区域污染 最为严重，铬污染程度小。苏静 lli等人研究了德兴铜矿土壤中铜存在的化学形态 和生物可利用性显示德兴铜矿各功能区表层土壤均己受到不同程度的 Cu污染， 分布趋势为尾矿库 采矿区 菜田 稻田 生活区。表层土壤中 Cu的直接利用性不 高，但可利用态 Cu所占比例较高，可能造成潜在的生态毒性。土壤剖面中 Cu 的化学形 态分布趋势为残余态 有机结合态 氧化态 碳酸盐结合态 可交换态。 刘小红等人研究发现江苏九华铜矿区约有一半的采样点

23、土壤全 Cu含量超过我 国土壤环境质量三级标准 (400 mg/kg),其 DTPA提取态 Cu含量的平均值为 117 mg/kg， 土壤 Cu与 Zn、 Pb、 Cd、 Co之间呈极显著的正相关关系 (p 铜陵铜矿 九华铜矿，而锌含量顺序依次为铜陵铜矿 九华铜矿 德兴铜矿。 1.1.2矿山重金属污染土壤的形态和生物有效性研究概况 重金属的生物毒性不仅与其总浓度有关，更大程度上由其形态分配所决定。 不同的形态产生不同的环境效应，直接影响到重金属的毒性、迁移及在自然界的 循环fMl。 因此，借助形态分析阐明重金属在环境中的迁移、转化规律以及最终 的归宿以成为当今研究热点。根据国际纯粹与应用化学联

24、合会的定义，形态分析 是指一个元素在环境中存在的各种不同化学形态与物理形态的过程 li5l许多学 者关于土壤中重金属形态提出了不同的方法。 Forstaer1163提出了 7步连续提取法， 将重金属形态分为交换态、碳酸盐结合态、无定型氧化锰结合态、有机态、无定 型氧化铁结合态、晶型氧化铁结合态、残渣态、化物沉淀态和残渣态 。 Tiesser 等人117则提出的将土壤或者沉积物中的金属元素分为交换态、碳酸盐结合态、 铁 -锰氧化物结合态、有机物结合态与残渣态。欧共体标准物质局提出了 3步萃 取法将土壤中重金属形态分为水溶态、可交换态与碳酸盐结合态 B1， 铁 - 锰氧化物结合态 B2,有机物和硫

25、化物结合态 B3。 土壤重金属形态分析虽然能够 在一定程度上反映重金属形态分布及毒性。但目前为止，形态分析仍然有一定的 局限性，如由于萃取剂对重金属的萃取机理不同及重金属的赋存状态的差异，不 同萃取剂对重金属的萃取效果也不同，而且同一萃取剂对土壤中不同重金属的萃 取效果差别也很大缺乏可比性。相对而言， Tiesser法仍是最常用的方法。 重金属形态分析的主要目的是确定具有生物毒性的重金属含量。重金属的生 物有效性 (Bioavailability)指重金属能被生物吸收或对生物产生毒性的 性状，可由 间接的毒性数据或生物体浓度数据评价生物有效性研究对环境健康风险性 评估具有重要意义。有关土壤中重

26、金属元素生物可利用性的研究方法有生物试验 法、植物指示法、化学形态分析法等。植物指示法是其中正在迅速发展的，也是 前景最为看好的一种方法。该法利用植物吸收重金属的量来判断重金属污染程度 或评价重金属的生物可利用性，与其他评估方法相比，具有成本低、效果好、无 二次污染等优点，但是该法更多处于概念和实验阶段，比较少被应用于生物可利 用性的评价上。目前应用最多的是化学形态分析法。 1.0重金属污染土壤修复治 理概况 目前改良和治理矿区重金属污染的方法主要有：工程治理法、物理修复法、 化学修复法和生物修复法。工程治理措施是指用客土、换土、去表土和深耕翻土 等工程措施，使聚积在表层的污染物分散到更深的层次或者移到他处，以达到稀 释的目的。物理修复法是指应用电解、络合、加热等物理措施，实现污染土壤样 品的减污或清洁。化学修复法是指向土壤投入改良剂，使其改变土壤的酸碱性、 土壤氧化还原条件或土壤中离子的构成情况，进而对重金属的吸附作用、氧化还 原作用、拮抗或沉淀作用产生影响，最终降低重金属的污染。生物措施主要包括 动物 治理、微生物修复 (bioremediation)和植物修复。目前，研究较多的为植物修 复技术。植物修复是利用某些植物能忍耐和超量积累某种重金属的特性，诱导土