煤炭等能源礦產(chǎn)及多種金屬礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用是當今世界社會經(jīng)濟發(fā)展的必要支柱,在帶來巨大經(jīng)濟效益的同時,也產(chǎn)生了嚴重的環(huán)境污染和生態(tài)破壞。值得注意的是,在礦產(chǎn)資源開采、加工、利用過程中會產(chǎn)生大量的尾礦和廢石,它們的堆放會占用大量土地,產(chǎn)生揚塵、有毒氣體、廢水等污染環(huán)境,特別是其中的金屬硫化物氧化后引起污染物的大量釋放。這種在產(chǎn)酸微生物作用下的風化過程一旦開始,往往可自行維持幾個世紀甚至上千年的時間,在地表徑流作用下,由污染物釋放遷移形成的酸性礦山廢水,由于其明顯的酸度、鹽害并富含鐵錳重金屬的典型特征,已成嚴重制約地區(qū)可持續(xù)發(fā)展及區(qū)域生態(tài)安全的重大問題之一,并受到國際科學界的廣泛關(guān)注。自然植被作為自然環(huán)境中的關(guān)鍵生物,顯著影響著地表的物質(zhì)演化過程,對元素的生物地球化學過程發(fā)揮著重要作用。在含硫尾礦自然風化過程中,由于形成的酸、鹽及有害重金屬離子等特征風化組分有明顯毒性作用,鮮見有自然植被存活,但嗜酸微生物卻表現(xiàn)出更高的生物活性,由此促進了煤矸石的風化過程,其相關(guān)的機理目前已有較為全面和深入的研究,而涉及植物參與下對含硫尾礦表生地球化學過程的影響方面的研究明顯不足�；謴椭脖粎⑴c下煤矸石風化過程如何變化,對煤矸石的風化過程是促進還是抑制、恢復植被參與對煤矸石堆場的特征風化組分及原有產(chǎn)酸微生物等有什么影響、以及以上作用與現(xiàn)象的相關(guān)過程及機理尚不明確。因此,開展植被參與對煤矸石風化表生地球化學過程方面影響的研究就顯得十分重要和必要,相關(guān)研究結(jié)果將對含硫尾礦堆場生物地球化學過程的認識提供新的數(shù)據(jù)支撐,補充和豐富植物參與下含硫尾礦表生地球化學過程的理論,這對于指導含硫尾礦堆場污染原位控制和生態(tài)修復工作的科學開展具有重要意義。論文在前人對產(chǎn)酸微生物參與下煤矸石風化的表生地球化學過程研究的基礎(chǔ)上,以貴州貴陽花溪麥坪的高硫(含硫量5%)風化煤矸石堆場為研究對象,通過分析自然恢復鱗毛蕨、類蘆、馬尾松等不同類型的植被參與作用下,對煤矸石風化過程中煤矸石堆場物理特性(pH、Eh、鹽分、含水率、矸石粒徑、元素組成)、化學特性(酸、硫酸根、總鐵、亞鐵、mn、cu、zn等特征風化組分及特征元素存在形態(tài))、生物特性(堆場植被,入侵細菌、真菌、放線菌等微生物類群的豐度,原有產(chǎn)酸微生物的豐度和活性,總微生物量以及恢復植被對元素的吸收、富集、固定)的影響,并在多年風化的煤矸石堆場上開展人工恢復條件下植被參與對煤矸石表生地球化學過程影響的實地研究,在分析堆場物理特性、化學特性和生物特性的同時,進一步分析堆場原生、次生礦物的變化及植被代謝或分泌組分對產(chǎn)酸微生物豐度及活性的影響,系統(tǒng)分析恢復植被參與對含硫煤矸石風化過程的影響;此外,結(jié)合主成分分析和相關(guān)關(guān)系分析,總結(jié)恢復植被參與影響煤矸石風化生物地球化學過程的共性規(guī)律并對相關(guān)機理作了分析討論,取得了以下幾點認識:1.多年風化煤矸石堆場具有獨特的物理特征、化學特征及生物特性。多年風化的煤矸石堆場呈現(xiàn)明顯較低的ph、明顯較高電導率和強氧化特性,同時富含酸(h+)、硫酸根及fe、mn、cu、zn等可溶性金屬離子;堆場上層風化后的煤矸石整體呈現(xiàn)較高的黏粒、粉粒含量,相對較低的砂粒含量、較大的比表面積、相對較細的d50、面積平均徑、體積平均徑等粒徑特征,而堆場深層呈較粗的未風化的矸石顆粒的典型特征;整個堆場上黃鉀鐵釩均較豐富,石英在堆場中上層明顯累積,而石膏、斜長石在堆場中上層淋失,在堆場中下層累積;且在堆場中上層幾乎觀察不到含硫尾礦中豐富存在的黃鐵礦,而其在底層60-70cm處含量顯著增加;整個堆場煤矸石中有明顯較高的產(chǎn)酸微生物豐度和活性,以及整體較高的總微生物量;而自然環(huán)境介質(zhì)中豐富存的細菌、真菌、放線菌微生物類群極其稀少且主要分布在堆場表層,呈現(xiàn)表生環(huán)境下以產(chǎn)酸微生物為主體的含硫尾礦持續(xù)風化的典型特征。2.恢復植被參與可明顯改變堆場ph、eh、ec及含水率等環(huán)境特性。幾種恢復植被的參與均可顯著地提高堆場ph環(huán)境,明顯降低堆場中可溶性鹽的含量,特別是在表層作用越明顯;可有效降低堆場上層強氧化特性,而又一定程度上可增加堆場中下層氧化特性;同時明顯降低堆場中表層的含水率,而又明顯增加堆場中下層水分含量。3.恢復植被的參與可明顯影響堆場煤矸石的粒徑特征。整體上幾種恢復植被的參與均可降低堆場風化煤矸石的黏粒、粉粒的含量和比例,相應(yīng)增加砂粒的含量,降低煤矸石的比表面積,提高d50、面積平均徑、體積平均徑,進而促進堆場中層以上團聚結(jié)構(gòu)的形成,呈現(xiàn)向壤土質(zhì)地演化的特征,而堆場中下層特別是人工恢復草本植被堆場上中層以下此種作用不明顯或產(chǎn)生同上層相反的作用,明顯增加了深層煤矸石中黏粒、粉粒的含量,降低煤矸石的粒徑大小促進深層煤矸石的崩解。4.恢復植被明顯改變堆場矸石的礦物學特征。人工恢復植被堆場上,恢復植被的參與可明顯降低堆場中上層中黃鉀鐵釩含量,中下至底層深度梯度上與空白堆場的含量基本相當甚至具有更高的含量水平,同時提高了堆場的石膏和斜長石的比例,尤其是中上層表現(xiàn)最為明顯,而明顯降低了石英的累積;且人工恢復植被處理組的堆場各深度梯度煤矸石中均未觀察到fes2的明顯的特征峰出現(xiàn),即使在堆場的60-70cm的深層上。5.恢復植被參與顯著降低堆場矸石風化組分的浸出。恢復草本植被的參與可以顯著抑制煤矸石中各特征風化組分的溶出,特別是在堆場上層作用更為明顯。恢復植被的參與整體上可以顯著降低堆場煤矸石中fe、mn、cu、zn可交換態(tài)的含量和比例,而相應(yīng)增加堆場可氧化態(tài)、殘渣態(tài)的含量和比例;且可有效降低可還原態(tài)鐵的含量,而增加堆場煤矸石可還原態(tài)mn、cu、zn的含量。6.恢復植被參與極顯著改變矸石堆場微生物學特性�；謴椭脖粎⑴c可極顯著地增加煤矸石介質(zhì)中入侵細菌、真菌、放線菌等常規(guī)微生物類群的豐度,同時明顯地降低堆場中原有產(chǎn)酸微生物的豐度和活性,且整體降低了堆場總微生物量的水平,特別是在堆場中下層。7.產(chǎn)酸微生物、風化組分及矸石粒徑是影響矸石風化過程的主要因子。相關(guān)關(guān)系分析表明,產(chǎn)酸微生物、矸石粒徑與煤矸石特征風化組分之間具有明顯的相關(guān)關(guān)系;主成分分析表明,恢復植被的參與作用下產(chǎn)酸微生物和主要風化組分(酸度、硫酸根、fe、mn、cu、zn離子含量)及堆場煤矸石粒徑特征(黏粒、粉粒、砂粒、比表面積、平均徑)的變化是植被參與影響煤矸石風化過程的最主要的因素,而恢復植被引進常規(guī)微生物(細菌、真菌、放線菌)和ph、eh、含水率、總微生物量等綜合特性指標貢獻相對較低,影響作用相對較小。8.植被代謝或分泌組分可明顯影響堆場產(chǎn)酸微生物的豐度及活性。實驗分析表明,植物凋落物和根系分泌物對堆場原有產(chǎn)酸微生物有明顯影響,腐殖酸、黃腐酸等主要的凋落物代謝組分的存在,在較低濃度上影響作用不明顯,而較高濃度上能明顯抑制產(chǎn)酸微生物的生長和活性;乙酸、蘋果酸、檸檬酸等主要的根系分泌物組分在較低濃度水平上可促進產(chǎn)酸微生物的生長和活性,而較高濃度水平上則顯著抑制產(chǎn)酸微生物的生長和活性。綜上,恢復植被的參與明顯改變了煤矸石原本的表生地球化學過程�；謴椭脖坏膮⑴c通過改變堆場pH及氧化還原環(huán)境、影響堆場煤矸石的粒徑組成和團粒結(jié)構(gòu)、顯著抑制堆場原有產(chǎn)酸微生物的豐度和活性、以及恢復植被自身的植物固定與植物提取作用,明顯降低了堆場煤矸石中特征風化組分的濃度和浸出量,最終顯著改變了煤矸石堆場的原有環(huán)境特性,使以產(chǎn)酸微生物作用為主體的氧化產(chǎn)酸、硫酸根和金屬離子的持續(xù)釋放的風化過程不復存在。恢復植被的參與進一步促進了表生條件下煤矸石的風化,但明顯降低了空白風化堆場中酸、硫酸根、金屬離子等主要風化組分的濃度水平,且逐漸向形成良性土壤的方向演化。
【學位單位】：貴州大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2015
【中圖分類】：P593;X752
【文章目錄】：
中文摘要
Summary
第一章 國內(nèi)外研究進展
    1.1 煤矸石的產(chǎn)生及環(huán)境生態(tài)危害
    1.2 煤矸石風化的生物地球化學過程研究進展
        1.2.1 產(chǎn)酸微生物直接參與煤矸石風化研究
        1.2.2 產(chǎn)酸微生物參與次生礦物的形成
        1.2.3 調(diào)控產(chǎn)酸微生物防治煤矸石污染
        1.2.4 植被參與煤矸石風化的生物地球化學過程研究
    1.3 研究的目的及意義
        1.3.1 生物地球化學概念、研究內(nèi)容及作用
        1.3.2 研究區(qū)域特點
        1.3.3 本研究的重要意義
第二章 主要研究內(nèi)容、創(chuàng)新點及技術(shù)路線
    2.1 主要研究內(nèi)容及深度
        2.1.1 自然恢復植被對煤矸石表生地球化學過程的影響
        2.1.2 人工恢復植被對煤矸石表生地球化學過程的影響
        2.1.3 影響煤矸石風化過程的主成分分析和相關(guān)關(guān)系分析
        2.1.4 恢復植被參與對煤矸石風化過程影響的統(tǒng)一規(guī)律和機理探討
    2.2 研究目標及創(chuàng)新點
    2.3 技術(shù)路線
第三章 實驗材料及方法
    3.1 研究區(qū)域概況
        3.1.1 研究區(qū)域的自然地理特征
        3.1.2 采樣地的煤矸石分布、特性和堆場植被特征
    3.2 試驗設(shè)計及方法
        3.2.1 自然恢復單一植被參與對煤矸石表生地球化學過程的影響
        3.2.2 人工恢復草本植被參與對煤矸石表生地球化學過程的影響
        3.2.3 植被參與影響煤矸石風化過程的主成分分析和相關(guān)性分析
        3.2.4 植物主要代謝及分泌組分對堆場產(chǎn)酸微生物影響的機理分析
    3.3 樣品采集、處理與分析
        3.3.1 樣品采集與處理
        3.3.2 煤矸石含水率的測定
        3.3.3 煤矸石pH、Eh、EC的測定
        3.3.4 煤矸石粒徑特征分析
        3.3.5 煤矸石礦物組成分析
        3.3.6 煤矸石中特征風化組分的浸出分析
        3.3.7 煤矸石特征元素的全量分析
        3.3.8 煤矸石中特征金屬元素形態(tài)分析
        3.3.9 煤矸石中真菌、細菌、放線菌豐度測定
        3.3.10 煤矸石中產(chǎn)酸微生物豐度測定
        3.3.11 煤矸石中總微生物量的測定
        3.3.12 煤矸石中產(chǎn)酸微生物活性分析
        3.3.13 恢復植物中特征元素含量分析
    3.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析
        3.4.1 方差分析及多重比較
        3.4.2 相關(guān)性分析
        3.4.3 主成分分析
第四章 自然恢復鱗毛蕨植被對煤矸石表生地球化學過程的影響
    4.1 恢復鱗毛蕨對堆場煤矸石物理特性的影響
        4.1.1 恢復鱗毛蕨對堆場pH、Eh、EC及含水率的影響
        4.1.2 恢復鱗毛蕨對堆場煤矸石粒徑特征的影響
        4.1.3 恢復鱗毛蕨對堆場煤矸石元素組成及含量的影響
    4.2 恢復鱗毛蕨對煤矸石中特征風化組分浸出特征的影響
        4.2.1 堆場煤矸石中酸（H+）、硫酸根的浸出特征
        4.2.2 堆場煤矸石中特征金屬元素的浸出特征
        4.2.3 恢復鱗毛蕨對煤矸石中特征金屬元素存在形態(tài)的影響
    4.3 恢復鱗毛蕨對堆場生物環(huán)境特性的影響
        4.3.1 鱗毛蕨植株對特征元素的吸收與富集
        4.3.2 恢復鱗毛蕨對堆場細菌、真菌、放線菌豐度的影響
        4.3.3 恢復鱗毛蕨對堆場產(chǎn)酸微生物豐度的影響
        4.3.4 恢復鱗毛蕨對堆場微生物總量的影響
        4.3.5 恢復鱗毛蕨對堆場產(chǎn)酸微生物催化活性的影響
    4.4 鱗毛蕨植被影響堆場煤矸石表生地球化學過程的主成分分析
    4.5 堆場煤矸石特性變化與特征風化組分間的相關(guān)關(guān)系分析
        4.5.1 pH、Eh、EC、含水率與特征風化組分相關(guān)關(guān)系分析
        4.5.2 粒徑特征變化與特征風化組分相關(guān)關(guān)系分析
        4.5.3 元素存在形態(tài)與風化組分間的相關(guān)關(guān)系分析
        4.5.4 微生物指標與特征風化組分相關(guān)關(guān)系分析
    4.6 小結(jié)
第五章 自然恢復類蘆植被參與對煤矸石表生地球化學過程的影響
    5.1 類蘆參與下堆場煤矸石物理特性的變化
        5.1.1 類蘆參與下堆場pH、Eh、EC及含水率的變化
        5.1.2 類蘆參與下堆場煤矸石粒徑的變化
        5.1.3 類蘆參與下堆場矸石中元素組成及含量的變化
    5.2 類蘆參與下堆場煤矸石中特征風化組分浸出特征的變化
        5.2.1 類蘆參與下煤矸石中酸（H+）、硫酸根浸出特征的變化
        5.2.2 類蘆參與下堆場煤矸石中特征金屬元素浸出特征的變化
        5.2.3 類蘆參與下特征金屬元素存在形態(tài)的變化
    5.3 類蘆植被參與下堆場生物環(huán)境特性的變化
        5.3.1 類蘆植株對特征元素的吸收與富集
        5.3.2 類蘆參與下堆場細菌、真菌、放線菌豐度的變化
        5.3.3 類蘆參與下堆場產(chǎn)酸微生物豐度的變化
        5.3.4 類蘆參與下堆場微生物總量的變化
        5.3.5 類蘆參與下堆場中產(chǎn)酸微生物催化活性的變化
    5.4 類蘆植被影響堆場煤矸石表生地球化學過程的主成分分析
    5.5 堆場煤矸石特性變化與特征風化組分間的相關(guān)關(guān)系分析
        5.5.1 綜合特性指標與特征風化組分相關(guān)關(guān)系分析
        5.5.2 粒徑特征變化與特征風化組分相關(guān)關(guān)系分析
        5.5.3 元素存在形態(tài)與風化組分間的相關(guān)關(guān)系分析
        5.5.4 微生物指標與特征風化組分相關(guān)關(guān)系分析
    5.6 小結(jié)
第六章 自然恢復馬尾松植被參與對煤矸石表生地球化學過程的影響
    6.1 恢復馬尾松對堆場煤矸石物理特性的影響
        6.1.1 恢復馬尾松對堆場pH、Eh、EC及含水率的影響
        6.1.2 恢復馬尾松對堆場矸石粒徑特征的影響
        6.1.3 馬尾松對矸石中元素組成及含量的影響
    6.2 恢復馬尾松對煤矸石中特征風化組分浸出特征的影響
        6.2.1 堆場煤矸石中酸（H+）、硫酸根浸出特征
        6.2.2 堆場煤矸石中特征金屬元素的浸出特征
        6.2.3 恢復馬尾松對特征金屬元素存在形態(tài)的影響
    6.3 恢復馬尾松對堆場生物環(huán)境特性的影響
        6.3.1 馬尾松植株對特征元素的吸收與富集
        6.3.2 恢復馬尾松對堆場細菌、真菌、放線菌豐度的影響
        6.3.3 恢復馬尾松對堆場產(chǎn)酸微生物豐度的影響
        6.3.4 恢復馬尾松植被對堆場微生物總量的變化
        6.3.5 恢復馬尾松對堆場產(chǎn)酸微生物催化活性的影響
    6.4 馬尾松植被影響堆場煤矸石表生地球化學過程的主成分分析
    6.5 堆場煤矸石特性變化與特征風化組分間的相關(guān)關(guān)系分析
        6.5.1 綜合特性指標與特征風化組分相關(guān)關(guān)系分析
        6.5.2 粒徑特征變化與特征風化組分相關(guān)關(guān)系分析
        6.5.3 元素存在形態(tài)與風化組分間的相關(guān)關(guān)系分析
        6.5.4 微生物指標與特征風化組分相關(guān)關(guān)系分析
    6.6 小結(jié)
第七章 人工恢復植被參與對煤矸石表生地球化學過程的影響
    7.1 人工植被參與下堆場煤矸石物理特性的變化
        7.1.1 堆場pH、Eh、EC及含水率的變化
        7.1.2 堆場煤矸石粒徑特征的變化
        7.1.3 堆場煤矸石元素組成及含量的變化
        7.1.4 堆場煤矸石礦物組成的變化
    7.2 人工植被參與下煤矸石中特征風化組分浸出特征的變化
        7.2.1 堆場煤矸石中酸度（H+）、硫酸根浸出特征
        7.2.2 堆場煤矸石中特征金屬元素浸出特征
        7.2.3 堆場煤矸石中特征元素存在形態(tài)的變化
    7.3 人工植被參與下堆場生物環(huán)境特性的變化
        7.3.1 恢復植物對特征元素的吸收與富集
        7.3.2 堆場細菌、真菌、放線菌豐度的變化
        7.3.3 堆場產(chǎn)酸微生物豐度的變化
        7.3.4 堆場微生物總量的變化
        7.3.5 堆場產(chǎn)酸微生物催化活性的變化
    7.4 植物主要代謝或分泌組分對產(chǎn)酸微生物豐度及活性影響的實驗分析
        7.4.1 主要凋落物降解組分對產(chǎn)酸微生物豐度及活性的影響
        7.4.2 主要根系分泌物組分對產(chǎn)酸微生物豐度及活性的影響
    7.5 人工植被影響堆場煤矸石表生地球化學過程的主成分分析
    7.6 堆場煤矸石特性變化與特征風化組分間的相關(guān)關(guān)系分析
        7.6.1 綜合特性指標與特征風化組分相關(guān)關(guān)系分析
        7.6.2 粒徑特征變化與特征風化組分相關(guān)關(guān)系分析
        7.6.3 堆場礦物組成變化與特征風化組分相關(guān)關(guān)系分析
        7.6.4 元素存在形態(tài)與風化組分的相關(guān)關(guān)系分析
        7.6.5 微生物指標與特征風化組分相關(guān)關(guān)系分析
    7.7 小結(jié)
第八章 恢復植被對煤矸石風化過程的影響及機理探討
    8.1 恢復植被參與對煤矸石堆場pH、Eh、EC和含水率的影響
    8.2 恢復植被參與對堆場煤矸石粒徑特征的影響
    8.3 恢復植被參與對堆場煤矸石特征風化組分的影響
    8.4 恢復植被參與對堆場原有產(chǎn)酸微生物及入侵微生物的影響
    8.5 人工恢復植被參與對堆場煤矸石礦物組成的影響
    8.6 恢復植被參與影響煤矸石表生地球化學過程的主要因子分析
第九章 結(jié)論與展望
    9.1 主要結(jié)論
    9.2 展望
致謝
參考文獻
附錄
    附錄一 博士期間主要的學術(shù)成果
    附錄二 主要參與的科研課題

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本文編號：2858626