采煤复垦区土壤酶活性特征及重金属污染评价——以淮南新庄孜矿为例

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本文以安徽淮南新庄孜矿塌陷复垦区土壤为研究对象,通过对该研究区域土壤的酶活性时空分布规律及土壤微生物、土壤理化性质及土壤重金属等影响因素的细化研究,探讨了土壤酶活性与复垦区土壤污染之间的关系;并分析土壤酶活性时空变化规律及评价重金属污染的可行性,为煤矿塌陷复垦区的塌陷充填复垦、矿区重构土壤的功能恢复和生态治理,以及正确评价复垦区重构土壤作为正常耕地使用的安全性提供一定的依据。对该塌陷复垦区污染情况进行了评价的基础上,明确了酶活性与土壤重金属污染之间的关系,并通过室内模拟污染实验,推导出三种重金属(Cd、Pb、Cr)污染对土壤脲酶和过氧化氢酶活性的定量抑制规律。  本次研究得到的主要结论如下:  (1)七种土壤酶活性表现出一定的时空分布特征。对新庄孜塌陷复垦区内脲酶、磷酸酶、蛋白酶等7种土壤酶活性值进行研究分析,发现土壤酶活性在不同采样深度剖面、不同采样季节的时间和空间范围内,表现出一定的规律性。与对照相比,研究区域土壤酶活性受到一定程度的抑制,且抑制程度不一致。土壤过氧化氢酶活性值分布规律不显著。多酚氧化酶则表现出与其它六种酶相异的变化趋势,具有一定的独特性,超过土壤对照点多酚氧化酶活性值。随着四季的变化,土壤酶活性值呈现“单峰”曲线分布。在三个采样剖面下,土壤酶活性表现出层次分布特征。  (2)通过对七种土壤酶与土壤微生物(细菌、真菌、放线菌)、土壤重金属含量、土壤理化性质、土壤呼吸等影响因子的分析,可以看出土壤酶活性与这些因子之间表现出一定的相关关系。细菌与土壤磷酸酶、蛋白酶活性在0.01水平上呈极显著正相关关系,与土壤脲酶、蔗糖酶活性在0.05水平上呈显著正相关。放线菌与土壤纤维素酶活性在0.01水平上呈极显著相关。真菌数量与蛋白酶、蔗糖酶、脲酶、磷酸酶在一定程度上相关,相关性不显著。土壤微生物总量与土壤脲酶活性在0.05水平上显著相关,与土壤磷酸酶、蔗糖酶、蛋白酶在0.01水平上极显著相关。土壤蔗糖酶和纤维素酶活性与pH值之间存在正相关性。过氧化氢酶和多酚氧化酶与土壤pH值之间存在负相关性。土壤纤维素酶活性与土壤氧化还原电位之间存在一定的负相关。土壤过氧化氢酶和多酚氧化酶活性与土壤氧化还原电位之间存在正相关性。土壤速效钾与土壤过氧化氢酶、多酚氧化酶活性之间存在一定的正相关性;而速效磷与多酚氧化酶活性之间存在一定的相关性。土壤重金属污染对土壤酶活性的影响更多的表现为不同程度的抑制作用。土壤呼吸与蛋白酶、磷酸酶和过氧化氢酶在0.01水平上极显著相关,与脲酶在0.05水平上显著相关。  (3)对新庄孜复垦区土壤及周边农田土壤土壤酶活性进行研究分析,发现该复垦区土壤酶活性均受到不同程度的抑制作用,采用主成分分析法得出主成分因子,进而建立土壤酶活性复合污染总体活性指标,评价土壤受污染的状况;结果表明利用主成分分析得出的土壤酶活性综合评价与基于灰色理论的灰色聚类法评价的土壤重金属污染状况基本一致。这表明由土壤总体酶活性指标构筑的土壤信息系统来表征研究区重金属复合污染程度是可行的。  (4)在实验室模拟条件下,研究了三种重金属Cd、Pb、Cr单独和复合污染在不同染毒水平下土壤脲酶、土壤过氧化氢酶活性的变化,以期为三种重金属污染土壤的环境风险评价、环境修复提供酶学指标。结果发现,Cd、Pb、Cr三种重金属对土壤脲酶及土壤过氧化氢酶均有不同程度的抑制作用,尤其是脲酶对三种重金属的污染较敏感。三种重金属Cr+Cd+Pb共同作用下,抑制作用达到最大状态,土壤酶活性最小。重金属和土壤酶之间存在显著负相关关系,可用土壤脲酶及过氧化氢酶表征土壤受重金属污染的程度。同时发现土壤酶和重金属之间存在微弱的交互作用,低浓度状态下表现为激活作用,高浓度状态下表现为拮抗作用。通过定量分析得出了复合污染状态下的最佳拟合曲线,为建立土壤重金属污染评价的酶学指标提供依据。为土壤环境监测和修复提供理论指导。
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