环境检测知识

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环境检测知识

来源:http://www.allegyptjobs.com 作者:苓慧生活网 时间:2020-01-12 10:46

  矿产资源是社会发展的重要支柱,是国家经济发展的物资基础,但矿产资源开发也是迄今为止最大规模破坏地表生态系统的人类活动[1-2]。由于长期对矿产资源重利润轻保护的掠夺式开采,引发了诸如土壤流失、空气和水的污染、地质环境灾害、生物多样性丧失等诸多问题。矿山废弃地的生态恢复已成为世界各国迫切需要解决的环境问题[3-4]。自然生态系统的恢复与重建均是以植被恢复为前提的[5-7],植被恢复不仅起着构建退化生态系统初始植被群落的作用,还能促进土壤结构、肥力、微生物和动物的恢复,从而加快整个生态系统结构与功能的恢复与重建[8]。大量研究表明,植物治理措施可以快速恢复土壤性质,Reid等[9]对冻土区金伯利岩尾矿的植被恢复研究表明,采取植物措施后尾矿土壤的理化特性均得到不同程度的提高。Harris等[10]认为,在废弃地植被恢复中种植豆科植物可为废弃地提供大量的土壤有机物质,有效地增加土壤中N素的累积。印度学者的研究也证实豆科的固氮落叶树种能相对较快增加矿山废弃地土壤中的N素[11-12]。李冰等[13]研究稀土矿废弃地土壤环境质量发现,经过香根草(Vetiveriazizanioide)群落恢复并与其他植物群落演替发展后,土壤中有机质含量达到原生态环境下的62.5%。福建紫金山金铜矿是中国著名的金矿,多年来对矿产资源的大量开采给当地生态环境造成了极大破坏。有关学者对紫金山金铜矿废弃地治理进行了大量研究,并采取了一系列不同的措施进行治理[14-18],但因缺少不同治理措施对废弃地土壤质量的恢复效果研究,限制了其推广应用。鉴于此,本文通过对紫金山金铜矿废弃地不同植被配置模式土壤含水率、团聚体组成、养分含量、重金属污染及水土流失状况等进行调查分析,研究不同植物治理措施对矿山废弃地土壤理化性质的恢复效果及其规律,从中筛选出可快速改善废弃地土壤质量的植被恢复模式,研究结果可为金属矿山废弃地的生态恢复提供科学依据。

  1研究地概况紫金山金铜矿地处东经116°24′~116°25′,北纬25°10′~25°12′,位于福建省上杭县境内,地貌属武夷山南段东坡玳瑁山延伸的低山丘陵地带,地势较为陡峭,坡度30°~40°,海拔220~700m。年平均气温19.9℃,极端最高气温38.1℃,极端最低气温-7℃,年日照2043h,年降水量1604mm,无霜期285d。矿山废弃地主要是由金矿渣堆积而成的,主体为各种已矿及氧化的中、细粒花岗岩,矿渣结构松散,强度低,含砂石多,土粒所占比例极少,土壤贫瘠,持水、抗软化及抗剪切能力差,透水能力强。

  2.1植被配置模式设置在2003年对紫金山金矿废弃地边坡采取一系列工程稳固措施后进行植被治理。恢复植物种类选择本地耐旱、耐寒、耐贫瘠、抗风性强的植物,其中本地河滩草的主要草种有狗牙根(Cynodondactylon)、小蓬草(Conyzacanadensis)、藿香蓟(Ageratumconyzoides)、胜红蓟(Ageratumconyzoides)和香根草(Vetiveriazizanioides)。乔灌木选择马尾松(Pinusmassoniana)、胡枝子(Lespedezabicolor)、枫香(Liquidambarfor-mosana)、桉树(Eucalyptusrobusta)。不同植被配置模式样地设置在紫金山金铜矿“一选厂”和“风车斗”废弃地的阳坡上,坡度和坡位基本保持一致(坡度15°~25°,海拔645~700m),植被配置模式见表1。虽然本地河滩草中已有少量的香根草,但为进一步验证香根草对废弃地的恢复效果,在模式B植被配种中增加了香根草。为了比较不同植被配置模式对矿山废弃地的恢复效果,在矿区周边选择有代表性的自然植被地段设置未经开采的对照样地(CK)。在2008年对土壤质量恢复效果进行调查。

  2.2.1土壤样品的采集和处理在每种植被配置模式样地内设3个10m×10m的样方,在样方内用梅花形法,用容重圈及铝盒采集0~10cm的原状土,用于土壤含水率及水稳性团聚体组成测定;采集0~10cm表层土壤,每个样方5个点共采集1kg土壤样品,首先将土壤样品自然风干除去植物残体及砂砾等杂物,然后用瓷研钵研磨分别过20目及100目尼龙筛,用于土壤养分、pH和重金属含量的测定。

  2.2.2土壤样品的测定土壤含水率采用烘干法测定;水稳性团聚体组成采用干湿筛法测定[19];pH值采用电位法测定;全磷采用碱熔-钼锑抗比色法测定;全钾采用碱熔-火焰光度法测定;全氮采用半微量凯氏法测定;速效磷采用氟化铵-盐酸浸提-钼锑抗比色法测定;速效钾采用乙酸铵浸提-火焰光度法测定;水解氮采用碱解-扩散法测定;有机质采用重铬酸钾氧化-外加热法测定[19];重金属采用HNO3-HF-HClO4法[20]消煮,然后用北京瑞利分析仪器公司的原子吸收分光光度计(WFX-136)测定Cu、Pb、Zn、Mn、Cd、Cr和Ni的含量。

  2.2.3土壤侵蚀量的测定采用侵蚀沟法[21]调查不同恢复阶段样地水土流失情况,用皮尺在坡的上、中、下分别横向拉线,逐一测量皮尺经过的侵蚀沟的深度和宽度,并测量各侵蚀沟的长度,用下式计算单位面积的坡面流失量。分别于2007年8月和2008年8月进行调查,两次调查结果之差为各样地的水土流失状况。式中:a代表侵蚀沟的宽度;h代表侵蚀沟的深度;l代表侵蚀沟的长度,i代表侵蚀沟的序号;n代表侵蚀沟的个数。

  2.3数据统计分析数据用DPSV9.5和Excel软件进行统计分析,采用单因素方差分析比较不同配置模式之间土壤质量的差异显著性(P<0.05),数值为平均值±标准差。

  3.1不同植被配置模式土壤含水率比较水分是植物生长所必需的,而植被覆盖及其根系对水分的吸收对土壤水分含量具有很大的影响。由图1可知,紫金山金铜矿废弃地不同植被配置模式土壤含水率存在一定差异,恢复5a后,模式A、模式D、模式E和模式F土壤含水率均超过了对照,分别为对照的1.99、1.78、1.34倍和1.66倍,其中模式A土壤含水率最大,达到了30.45%,模式A、模式D和模式F显著高于对照(P<0.05),原因是马尾松、枫香等乔木树种根系具有较好的固土保水作用,从而提高了土壤含水率。但模式B土壤含水率最低,仅为9.66%,原因可能与其配置模式中增加了香根草,从而消耗了较多土壤表层水分有关。一些研究也表明土壤含水量是香根草返青后生长的主要限制因子[22],矿山废弃地恢复初期土壤含水率较低,且保水能力较差。因此,在矿山废弃生态恢复过程中植被配置模式的选择应根据立地条件慎重选择。

  3.2不同植被配置模式土壤水稳性团聚体比较土壤团聚体大小分布和稳定性是土壤物理性质的主要指标,水稳性团聚体能够改善土壤结构,具有较高的稳定性,含量越高土壤的抗蚀能力越强。因此众多学者把水稳性团聚体的含量作为评价土壤可蚀性的重要标准[23]。由表2可知,紫金山金铜矿废弃地不同植被配置模式土壤水稳性团聚体存在一定差异。>5mm水稳性团聚体含量,除模式D和模式E小于对照外,其他均大于对照,其中模式A最大,达到了17.70%,且显著高于模式D和模式E(P<0.05);2~5mm水稳性团聚体含量,除模式F(19.20%)大于对照外,其他均小于对照;1~2mm和0.5~1mm水稳性团聚体含量,各配置模式均小于对照;0.25~0.5mm水稳性团聚体含量,除模式A和模式D小于对照外,其他均大于对照,其中模式B最大,达到了8.30%;各配置模式>0.25mm水稳性团聚体含量均小于对照,其中模式B和模式F显著高于模式A、模式D和模式E(P<0.05),表现为模式F>模式B>模式C>模式A>模式E>模式D;结构破坏率,模式B和模式F小于对照,模式D和模式E显著大于对照(P<0.05),表现为模式D>模式E>模式A>模式C>模式F>模式B。环境检测知识从以上分析可得出,模式B、模式C和模式F土壤水稳性团聚恢复效果较好,这3种模式中均配置有马尾松和本地河滩草,说明马尾松和本地河滩草可以较快改善土壤团聚组成,提高抗蚀能力。

  3.3不同植被配置模式土壤养分比较许多研究表明强酸碱度、土壤理化性质差为限制矿山废弃地恢复的主要因子,尾矿废弃地中几乎没有植物可利用的养分[24-25]。由表3可知,紫金山金铜矿废弃地不同植被配置模式土壤及对照pH均较低,这可能是限制其植被恢复的重要因素;不同植被配置模式土壤养分含量均较低,除各模式速效P含量和模式B全K含量高于对照外,其他养分含量均低于对照。全N、水解N、全P和速效K均为模式D最高,分别为对照的54.98%、78.17%、63.18%和85.19%;模式F速效P含量最高,达到对照的7.06倍;模式B全K含量最高,为对照的1.02倍;模式C、模式D和模式E全N和水解N含量,模式A、模式D和模式F速效P含量及各配置模式全P和全K含量均大于土壤养分缺乏指标的上限值。有机质含量模式C最大,为对照的45.97%,除模式B外,其他模式均超过土壤养分缺乏指标。从以上分析可得出模式D(枫香+本地河滩草)的各养分含量均较高,说明在矿山废弃地治理中配置落叶阔叶树种,有利于较快改善土壤养分状况。有关研究表明枫香适应性较强,其落叶量大、分解快、养分含量高,是良好的改土培肥树种[26]。因此,枫香较适合在矿山废弃植被恢复中应用。

  3.4不同植被配置模式土壤重金属污染比较由表4可知,与对照相比,模式B土壤Cu全量,模式A、模式C、模式D和模式E土壤Zn全量,各模式土壤Mn全量,模式C、模式D和模式E土壤Cd全量,模式B、模式D和模式E土壤Cr全量,环境检测知识模式A、模式B、模式C、模式D和模式E土壤Ni全量均大于对照。模式A和模式E的土壤Mn全量分别达到对照17.28倍和17.02倍;模式B土壤Cr和Ni全量均最大,分别为对照的2.28倍和4.78倍。与国家土壤质量三级标准相比,除模式A、模式B、模式C、模式D和模式E土壤Cd全量超标外,各模式其他重金属全量均未超标。与福建省土壤质量背景值相比,各模式土壤Cu、Pb和Cd全量均超标,Cr全量均未超标;除模式A、模式B和模式F土壤Zn全量未超标外,其他模式均超标;模式A、模式D和模式E土壤Mn全量超标,分别达到背景值的2.37。1.35倍和2.34倍;模式A、模式B和模式E土壤Ni全量超标,其中模式B最大,达到背景值的2.09倍。由以上分析可知,紫金山矿山废弃地土壤中重金属含量较高,为其植被恢复的另一重要限制因子,在植被配置模式的选择中应考虑植物对重金属的富集作用。金属矿山废弃地土壤重金属污染引起了土壤微生物群落功能多样性的下降,减少了能利用有关碳源底物的微生物数量、降低了微生物对单一碳源底物的利用能力[27-28],进而对矿山废弃地生态恢复起到限制作用。目前国内外在重金属超富集植物筛选方面已进行了大量研究[29-30],但因缺少针对适合不同矿山废弃地应用的重金属富集植物研究而限制了其应用。

  3.5不同植被配置模式水土流失比较水土流失是矿山废弃地造成的主要环境问题之一,由图2可知,恢复5a后,不同植被配置模式土壤侵蚀量均大于未开采的对照样地,其中模式A最大,达到了2404.583m3•hm-2•a-1显著大于其他模式(P<0.05),除模式A外其他植被配置模式中均有本地河滩草,因此说明本地河滩草具有很好的水土保持效果,模式F土壤侵蚀量最小,为43.25m3•hm-2•a-1。不同模式土壤侵蚀量表现为模式A>模式D>模式B>模式E>模式C>模式F。3.6不同植被配置模式土壤质量的聚类分析以土壤含水率、水稳性团聚体、养分、有机质、重金属、侵蚀量等指标为变量对紫金山金铜矿废弃地不同植被恢复配置模式土壤质量进行聚类分析(图3),从图可看出,模式A单独为一类,模式B、模式D和模式F归为一类,模式C和模式E归为一类。结合前面分析结果可以得出,模式A土壤理化性质恢复较差,原因可能是植被配置中无草本植物。模式B、模式D和模式F,即马尾松+胡枝子+香根草+本地河滩草,枫香+本地河滩草、马尾松+桉树+本地河滩草3种模式可较快改善土壤理化性状,减小水土流失和重金属污染。矿山废弃地不同部位立地条件存在一定差异,其植被恢复过程也具有不同特点。张静雯等[3]研究不同煤矸石山坡面植被配置模式的研究发现,不同坡面适宜采取不同植被配置模式,可以达到较好恢复效果。本研究仅对同一立地条件下不同植被配置模式恢复效果进行了分析,今后应针对矿山废弃地不同部位开展植被恢复模式的研究,筛选出适合不同部位及立地条件废弃地恢复的植被配置模式。

  不同植被配置模式对废弃地土壤理化性质均有一定的恢复效果。马尾松+胡枝子+香根草+本地河滩草(模式B)、马尾松+本地河滩草(模式C)和马尾松+桉树+本地河滩草(模式F),可以较好改善土壤水稳性团聚体结构,提高土壤的抗蚀性。枫香+本地河滩草(模式D)可较快提高土壤全N、全P、速效P、全K和速效K含量。马尾松+桉树+本地河滩草(模式F)对土壤速效P恢复效果较好,马尾松+胡枝子+香根草+本地河滩草(模式B)对土壤全K恢复效果较好。马尾松+桉树+本地河滩草(模式F)对土壤Cu、Pb、Cd、Cr、Zn、Mn和Ni7种重金属污染均具有较好的修复效果。植被配置模式中加入本地河滩草可以较快的提高土壤的抗蚀能力。结合聚类分析结果,可以得出马尾松+胡枝子+香根草+本地河滩草(模式B)、枫香+本地河滩草(模式D)和马尾松+桉树+本地河滩草(模式F)3种模式可以较快速恢复土壤理化性状,减少水土流失和重金属污染。

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