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1、内蒙古师范大学 硕士学位论文 火力发电厂周边沙土地生物结皮重金属污染的研究 姓名:默原 申请学位级别:硕士 专业:生物学;植物学 指导教师:徐杰 20120520 中 文 摘 要 土壤重金属污染越来越引起人们的重视,似对火电厂周围土壤重 金属污染的研究较少。达拉特旗火力发电厂地处库布其沙漠北部边 缘,周围广泛分布着不同类型的生物土壤结皮,有利于监测大气沉降 对土壤重金属富集效应的影响。本文通过对达拉特旗火电厂周围的丰 物结皮进行实地调查,运用 GIS和生物统计学相结合的方法,首次对 生物结皮中的萊、砷、铺、铅、络、粹、铜、钴、镍、错等 1种重 金属元素进行了空间分布特征和污染状况评价的研究,比
2、较了不同生 物结皮对重金属累积程度的差异,主要内容结果如下: 1.对研究区生物结皮中的重金属元素进行采样数据进行统计学 分析,得出了火电厂周的围生物结皮中 Hg、 Cd、 Pb、 Cr、 Zn、 Cu、 Co、 Ni及 As的含量基本为国家 2级水平,但在生物结皮中 Cd、 Cn、 Zn的富集含量是分别是内蒙古土壤背景值的 2倍、 2.74倍及 1.07倍, 存在一定程度的污染。 _ 2.分析 3种不同类型生物结皮层中重金属的含量特征,得出各类 生物结皮的变异系数大小顺序依次为:藓结皮 藻结皮 物理结皮,重 金属元素在藓结皮中的变异系数介于 36.4% 179.3%之间,在各样点 平均达到了
3、56.8%,其中 Cu在藓结皮中的的变异系数最大,达到 17 9.3/ 。, Hg在藻结皮中的富集含量变异系数最低,只有 15%。 3. 藓结皮和藻结皮中的重金属元素之间除了 Cu_Zn在 PPbCu AsCoCd Hg的顺序关系,藻结皮重金属含量表现为: CrZ nNiPbCuAsCoCdHg的顺序关系,物理结皮中除个别 元素 Hg和 Zn在 2007年样地比 2008年样地含量稍大外,其他元素 含量均表现为随着年代的增加而上升的趋势。 6“ 用富集因子进行污染状况评价,从 EF值和 CEF值得到的污染 分类结果看,发现当地重金属污染可分为人为污染 ( EF algal crus ts ph
4、ysical crusts, and the variation coefficient of heavy metal el ements in moss crusts ranged from 36.4% to 179.3%, achieved an average of 56.8% for the sampling points, of which, the variation c oefficient of Cu in moss crusts was highest, achieved 179.3%, and the enrichment content variation coeffic
5、ient of Hg in algae crusts w as lowest, which was only 15%. 3. Among the heavy metal elements of moss crusts and algae crusts, in addition that Cu-Zn had significant correlation (P 0.05) and Pb-Cr had significant correlation (P 0.01), the rests had no significant correlations, showing that most elem
6、ents did not have go od natural companion relations. 4. At 1 km, 1.5 km, 2 km, 2.5 km, 3 km, 3.5 km and 4 km off the wind direction from power plant, spatial distribution charact eristics of heavy metal pollution were analyzed, showing the fluctua ting tendency of decreasing first and increasing lat
7、er and then decre asing again, and that the content of heavy metal elements of soil i n the range of 2 km-3 km from the power plant was significantly higher than that in other soil samples. 5. From the analysis of time cumulative effect of heavy metal content in biological soil crusts, along with th
8、e increasing of the de velopment age, all kinds of crusts showed the phenomenon that hea vy metal content was higher with the increase of the development t ime. he tendency of the increase with the increasing age. 6. The enrichment factor was applied for the evaluation of poll ution status, from EF
9、and CHF pollution classification results, we f ound that local heavy metal pollution can be divided into artificial pollution (EF 1, CEF 1), level 1 mild pollution (1 EF 2, 1 CEF 2), level 2 moderate pollution (2 EF 5, 2 CEF 5) and level 3 significant pollution (5 EF 20, 5 CEF 20); from EF and CEF p
10、ollution classification results, EF and CE F distribution features of Cd, Pb, Cr, Zn, Cu, Co, Ni and As were not consistent. Potential ecological risk index of local heavy metal was RI = 14.935, and the results showed that the local heavy met al pollution was mild ecological hazard. 9 Key words: bio
11、logical soil crusts, powerplants, heavy metals, spatial distribution, pollution evaluation 项目资助 : 本论文受到国家自然科学基金项目 30860063,国家自然科学基金项目 3066 0027,内蒙古自治匿教存厅高等学校科研项目 NJzy08202,内蒙古师范大学青年 基金项目 QN06014联合资助。 “ _ 1引言 自然环境当中的重金属元素,因其化学行为和生态效应的复杂性与后果的严重性, 直是国际环境界中研究不衰的课题。早在上世纪 50年代初期,重金属的环境污染问 题就己引起了世界各国的普遍关注。
12、近年,随着我国工业化、城市化发展进程的加快, 国内接连发生的重金属污染事件也为社会敲响了警钟。因为重金属中毒损害机体器官往 往是终生、不可逆的,且重金属在动物和人体内都有富集效应,很难自然排出或彻底去 除,所以对处在食物链末端的人来说,重金属污染危害尤甚。在土壤环境污染中,重金 属污染物质主要指生物毒性显著的 Hg、 Cd、 Pb、 Cr和类金属 As等,也指具有一定毒 性的一般重金属Zn、 Cu、 Co、 Ni等。 燃煤中含有多种有害的重金属元素,燃烧时大部 分重金属元素会形成金属蒸汽,在温度降低时富集到亚微米颗粒的表面,并随之排放到 大气当中 11。本文是针对于污染生态学领域内的应用基础性
13、的研究,主要针对沙地生态 系统中利用生物结皮监测重金属污染的实际效果。 随着人类活动对全球环境的影响,植物和人类的生存空间受到严重破坏,如何更有 效的利用自然媒介的变化进行指示和监测便成为当前研究的热点和前沿之一。生物结皮 广泛存在于干旱半干旱地区,主要是由藻类、菌类、地衣、苔藓植物共同形成的一个复 合生物土壤层 |21131141,在干旱和半干旱区,生物土壤结皮 ( biologica丨 soil crusts, BSC, 简称生物结皮 ) 可被用来监测、评价生态环境健康程度,以其时空变化来揭示干旱、半 干旱区生态环境的演变趋势及其对全球变化的响应规律 |51。现在不少的学术研究成果中 ,
14、生物土壤结皮都被确定为判断干旱、半干旱地区土壤表面健康状况的指示生物和评价生 态系统状况的重要指标 |61171。然而,针对生物结皮环境监测功能的实用环节研究较为鲜 见,基于此本文借助全球卫星定位系统 (GPS), 对达拉特旗火力发电厂周边不同功能区 中的 10种重金属含量的空间分布规律和特点进行了研究,探究其时间、空间水平上的 变异规律,并在此基础上分析该区域内土壤重金属的污染状况,并通过多种统计分析方 法进行重金属污染评价,为当地土壤重金属污染防治、环境保护和可持续发展提供科学 依据。 1.1研究目的和意义 1.1.1研究目的 近年来,随着我国能源利用经济的发展,由此所引发的环境污染问题越
15、来越突出, 已经直接或间接地危害到人体健康,尤其是连续发生的重金属污染事故,对公众健康造 成了极大的危害,并在社会上产生了不良影响。 2010年以来,全国由重金属污染引起的突发环境事件达百起,据 2011年 10月 14 曰经济参考报报道:在内蒙古的河套地区砷中毒、氟中毒等地方病较为严重,河套 地区共有近 30万人受砷中毒威胁,患病人群超过 2000人。在呼和浩特市和林格尔县董 家营到托克托县永圣域乡一带也是氟中毒的重点区域,地下水当中的氟含量在河套地区 最高,该区几个重点村的村民均存在不同程度的氟中毒症状。距离包钢尾矿坝西约 2000m米的打拉亥村由于受尾矿水的下渗造成地下水以及粮食中的稀土
16、元素、氟 元素以 及其他重金属元素的污染,使该村的居民受到严重危害,以心血管病、癌症、骨质疏松 为主的各种病症严重危害人体健康。以上的媒体报道让人触目惊心,而相继引发的重金 属污染事故无疑是自然界向我们发出的聱示信号,提醒我们需要解决过去发展中所积 累、遗留下来的重金属污染问题,为区域发展规划、土地利用和环境监测等方面提供参 考依据。 内蒙古自治区作为国家矿产资源开发储备大区,煤炭、有色金属生产加工企业点多、 涵盖面广,被国家列为 14个重金属污染重点防治省区之一,其中巴林左旗、克什克腾 旗和乌拉特后旗己经被列为国家重 点防控单元。因此,加强重金属污染防治工作,维护 社会和谐稳定是自治区近年的
17、工作重点之一。鄂尔多斯地区总面积为 86752km2,矿产 资源储备丰富,是我国新兴的能源地区,这里不仅蕴藏着大量矿产和煤炭,而且还发现 了大量天然气田储备。 十一五 期间当地经济增长速度每年都超过 20%,但随之而来的 是能源经济开发利用所带来的一系列环境污染问题。鄂尔多舫地区现有火力发电厂 16 座,火力发电厂所排放的尘烟含有大量的污染重金属,大气中的重金属沉降对电厂周边 居民生活和周边的生态系统可能会导致一系列的生态环境问题,本文研究 的达拉特旗火 力发电厂位于鄂尔多斯高原,于 1992年全面动工兴建,是国家 八五 、 九五 的重点建 设项目,隶属于华能集团公司。这座电厂是在我国在改革开
18、放过程中建成的特大型火力 发电企业,目前投产发电机组总容量为 318万千瓦,设计最终装机总容量为 500万千瓦, 属亚洲设计装机总容量最大的火力发电厂之一 。 近年,随着生产规模的扩大和企业生产 能力的提升,其生产过程中的生态负面效应也就愈来愈值得人们关注。 另外,干旱、半干旱地区沙地生态系统的生态环境极为脆弱,不论是农业污染还是 环境污染都会对其造成难以挽回的严重 破坏后果,因此加强干旱、半干旱地区的环境保 护工作具有更重要的现实意义。大气重金属污染是困扰世界城市环境与发展的严重环境 污染问题之一,重金属污染物质一旦进入到环境中,尤其是进入土壤 -农田环境中就很 难排除。过量的重金属元素在土
19、壤中大量积累,不仅会影响植物 -土壤生态系统,还会 通过食物链危害动物及人类的健康。近年国内对造成土壤重金属污染的研究主要以 ClK Zn、 Ni、Cr、 Pb、 Cd、 As和 Hg等元素为代表,研究区域多集中在大城市,而对新兴 的中小城市的土壤重金属的相 关研究较少,而用生物土壤结皮 ( BSC)监测土壤重金属 污染程度的相关研究还处于空白阶段。本文选取的研究区域是位于沙地生态系统的电力 工业及农业经济发达的地区,近年来此区域正处于农村向城市化迈进的转型过渡时期, 具有造成重金属污染中典型的环境污染因素,广泛分布的生物结皮,独特的地域性特征 也使本项研究工作具备了得天独厚的条件。 1.1.
20、2理论意义 重金属往往通过生物累积进入土壤植物系统中,通过食物链传递而危害人体健康, 因此有关陆地生态系统重金属污染物循环迁移累积规律的研究己成为环境科学领域的 热点问题。火力发电厂在生产过程中,是借由燃烧固体燃料 -煤产生电力的,在煤的燃 烧过程中会产生一定程度的污染物排放,火电厂周边地区的土壤重金属污染主要宋自 f 煤的燃烧排烟及煤灰的排放,通过大气沉降至土壤中的。由于重金属污染具有隐蔽性、 潜伏性,且不易降解,具有不可逆性和长期性,所以造成的后果尤其严重。 达拉特旗地处内蒙古自治区鄂尔多斯市库布其沙漠北部边缘,属于典型的干旱半千 旱沙区,气候干燥,大风、沙尘暴天气频繁,在地带性生态系统上
21、被划分为沙地生态系 统,环境恶劣且脆弱,生物土壤结皮 ( biological soil crusts, BSC)却广泛分布,不同类 型的藻结皮、藓结皮以及无结皮土壤中重金属含量与该元素的大气重金属沉降存在良好 的相关性,利用生物结皮监测研究区域性火力发电厂的大气沉降重金属污染,有利于监 测大气沉降对土壤重金属累积的影响。因此探讨 BSC对干旱半干旱沙区环境中污染土 壤系统的生态学作用对于研究当地大气重金属沉降的时空分布、污染、迁移及其来源有 重要的意义,可为相关研究提供理论参考。 1.1.3实践价值 目前,已有不少学者从事重金属污染方面的研究,但是由于地域、成矿地质条件、 地球化学背景、 矿物成分的差异,但是其他研究区域的重金属污染问题不一定适合干旱、 半干旱区。鉴于此,本文以达拉特旗火力发电厂周边为研究范围,通过系统采集各种类 型的生物结皮,采用原子吸收分光光度法测定各类样品中的重金属含量,应用单项污染 指数法和综合污染指数法,评价不同类型生物结皮的重金属富集能力,并探索重金属在 环境系统中迁移转化机理,分析重金属在藓结皮、藻结皮和土壤之间的迁移转化规律和 污染途径,筛选出当地具有超富集潜能的结皮类型,从而采取积极有效的治理与保护措
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