工矿区生物结皮对大气降尘重金属污染的富集与迁移规律

作     者：王融融 

作者单位：宁夏大学 

学位级别：硕士

导师姓名：余海龙

授予年度：2023年

学科分类：07[理学] 070602[理学-大气物理学与大气环境] 0706[理学-大气科学] 

主      题：生物结皮 大气降尘重金属污染 细菌群落 干湿交替 迁移 

摘      要：随着全球工业化和城市化的迅速发展,大气颗粒物污染已成为严重的城市环境问题之一。工矿区由于采矿活动和生产活动会产生大量的大气降尘,大气降尘中携带的有毒重金属元素易沉积在地表,在表层土壤中不同程度地累积,进而对排放源周围的生态系统和人体健康造成持久性影响。大气降尘重金属污染具有污染范围广、易于在土壤和植物体内累积、难降解等特点。生物结皮作为荒漠区常见的植被类型,可有效改善土壤属性,并能富集大气降尘。生物土壤结皮不仅可以用于对煤矿区沙尘的控制修复,还可以用于采煤迹地及一些尾矿区的重金属污染修复。而富集于生物结皮中的重金属会对生物结皮产生怎样的危害?以及在目前干湿交替气候背景下生物结皮富集的重金属会有怎样的迁移规律,有多少会迁移至下层土壤?迁移至深层的重金属会对结皮层下土壤微生物群落产生怎样的影响?到多大深度?针对上述问题,有必要在典型区域开展相关研究。本研究位于典型荒漠草原工矿区易产生大气降尘的火电厂周边,以厂区周边自然发育的苔藓结皮、混生结皮和藻类结皮三类生物结皮及其下层土壤为对象,并以同类型区无工业活动的生物结皮广布区选择同类结皮作为对照,在统计当地大气降尘通量的基础上分析大气降尘的主要组分及其污染程度;分析不同类型生物结皮对大气降尘的富集规律及综合污染程度;分析富集于生物结皮中的重金属对结皮层及层下土壤细菌群落结构、多样性的影响;采用土柱模拟实验,分析干湿交替循环背景下不同类型生物结皮对大气降尘重金属的迁移规律和释放量,旨在为工矿区生物结皮用于生态修复的物种选择及微生物培育提供一些参考依据。主要结论如下:(1)工矿区大气降尘通量时空分布规律显示:工矿区降尘通量显著高于工业园区的平均水平;呈现出明显的季节动态:四季降尘量呈现春夏冬秋的变化规律。大气降尘的主要成分与当地土壤母质类似,但尘载重金属元素多来自工业排放源。污染程度评价结果显示:降尘重金属污染程度表现出显著的距离效应,即距离工业排放源越近,重金属污染程度越高。(2)工矿区生物结皮均具有一定的富集大气降尘重金属污染物的能力,且随生物结皮的演替呈增加趋势,即处于演替后期的苔藓结皮有着更强的重金属富集能力。三类生物结皮层重金属的含量大小排序为:苔藓结皮混合结皮藻类结皮,说明生物结皮的发育程度越高、重金属富集能力越强。同时,三类生物结皮还可以改善下层土壤的理化性质。(3)鉴于三类生物结皮对源自大气降尘的各类重金属元素均具有显著的表层富集作用,且会对结皮层和下层土壤造成—定程度的污染,受土壤理化性质和重金属污染程度的影响,不同生境优势细菌门相对丰度存在差异。重金属元素Cr、Hg、Zn、As,和土壤理化性质如EC、pH、全氮、容重是影响当地细菌群落结构的主要驱动因子。(4)土柱模拟实验结果显示:干湿交替背景下,生物结皮富集的重金属会在淋溶作用下向下迁移,迁移深度与结皮类型、干湿交替循环次数、土壤性质等密切相关。