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环渤海典型重金属的环境行为及模拟预警研究

文献类型:学位论文

作者徐笠
学位类别博士
答辩日期2014-05
授予单位中国科学院研究生院
授予地点北京
导师吕永龙
关键词近海地区 水源地 影响因素 温度 模型 Offshore area Water source Influence factor Temperature Model
其他题名Environmental behaviour, simulation and warning of heavy metals in the typical areas along Bohai Coastal Region
学位专业环境科学
中文摘要      论文选取环渤海典型地区(近海地区和水源地)为研究区域,通过野外调研及采集、测定大量环境样品,借助于地统计与数理统计方法,研究了研究区域 7种重金属(Cu,  Zn,Ni, Pb, As,  Cr和   Cd)在沉积物和土壤中的污染特征、空间格局、赋存趋势和相互关系,揭示了土地利用类型、土壤理化性质,土壤酶活性等因素对重金属残留的影响及相互之间的关系。从区域温度因子出发,设计了室内营养液培养实验结合植物生理研究,探讨了不同温度条件(18℃,  24℃,  30℃)重金属(Cd和  Cu)在植物体内的分布特征和化学形态的变化特点,阐明了不同温度下幼苗期玉米生理活动与体内重金属的化学行为的相关关系。依据重金属的不同来源,利用 IDMM(Intermediate Dynamic  Model for Metals)模型模拟了水源地流域农田中重金属的累积规律,并预测了该区域在不同情境下,未来50年的土壤重金属含量变化趋势,为区域生态风险评估和管理提供理论基础和科学依据。具体的结果如下:
      1.环渤海近海地区的沉积物和土壤中的重金属含量较高区域主要集中在天津地区、山东界河流域地区和辽宁葫芦岛地区,上游沉积物的中大部分重金属的含量高于下游地区。沉积物中的 Cr和 Ni主要来自于自然风化,而其余  5种重金属主要来自于人为污染。土壤中的 Cr、Ni和  As主要来自于自然风化,而其余  4种重金属主要来自于人为污染。沉积物生态风险评估表明,  Pb、Cu和  Zn三种重金属的污染较严重,土壤生态风险评估表明,重金属单因子生态危害程度为 Cd>Pb>As>Cu> Ni>Cr>Zn,在所有的土壤位点中,有 8个位点属于严重生态危害,有  2个点会造成重的生态危害。
       2.官厅水库流域土壤中 Cu、Zn、Cr、Ni、Cd、Pb和   As的平均值为  16.8,59.4,37.8,18.3,0.32,20.1和  8.67 mg/kg。在四种土地利用类型中,Cu在果园中的含量最高,而其余  6种重金属含量均在农田中最高。在不同质地土壤中,As、Pb、Cd和  Cr的最大平均值发现于壤土中,而 Ni、Zn和  Cu的最大平均值发现于中轻壤土。As、Ni、Zn、Cu和  Cr的最大值均在石灰性褐土中,Ni、Cr和   Cu的平均值在三种土壤中的大小顺序为石灰性褐土>潮褐土>潮土,As和  Zn的平均值在三种土壤中的大小顺序为石灰性褐土>潮土>潮褐土。通过重金属与酶活性的相关性系数表明:重金属主要刺激了过氧化氢酶和脲酶的活性。
      3.在   0  µM-100  µM范围内,低温处理下,随着  Cu的浓度的升高,玉米幼苗根的生物量先升高后降低。适中和高温处理下,随着 Cu的浓度的升高,玉米幼苗根的生物量逐渐下降,温度越高,生物量下降越多。在 0 µM-100 µM范围内,三种温度处理下,随着 Cu的浓度的升高,玉米幼苗根中   Cu的含量逐渐升高,同一浓度下,温度越高,根里面的 Cu含量越高(除   Cu浓度为  5µM时)。玉米幼苗根系中   Cu在亚细胞的分布特征表明:在 0 µM-100 µM范围内,Cu主要分布在热稳定蛋白部分和含完整细胞或组织的部分。当 Cu浓度升高时,高温处理下热稳定蛋白部分中的   Cu含量比例最高。在0µM-100 µM范围内,适中温度处理下的玉米幼苗根系中  SOD酶活性要高于低温和高温处理下玉米幼苗根系中 SOD酶活性。不同温度处理对  Cu胁迫下  SOD酶活性的影响要大于对 Cu胁迫下  POD酶活性的影响。不同温度处理下,玉米幼苗根系亚细胞中的Cu含量与酶活性相关性不一样。
      4.三种温度处理下,在 0  µM-40  µM范围内,随着  Cd的浓度的升高,玉米幼苗根和地上部分的生物量都逐渐降低。三种温度处理下,温度越高,玉米幼苗根系中的Cd含量越高;而地上部分则是适中温度处理下 Cd含量较高。不同温度处理对   Cd胁迫下玉米幼苗矿质元素吸收的影响结果如下:在 0  µM-40  µM范围内,Cd促进了玉米幼苗对 Zn的吸收,Cd抑制了玉米幼苗对  Mn的吸收,Cd对植物吸收   Ca的影响则比较复杂。同温度处理下对 Cd胁迫下玉米酶活性的影响结果如下:在  0 µM-40 µM范围内,Cd的存在刺激的玉米幼苗根和地上部分的 SOD和  POD酶的酶活性,除了高温处理下玉米幼苗地上部分 Cd对  SOD的影响。
      5.经过与实际测定值的比较,结果表明:IDMM模型能够很好的预测研究区域土壤中 Cu、Cd和   Zn的累积情况。根据模型的预测结果以及相应的土壤易被吸收态的临界值,我们发现,Zn是该区域在   2060年的主要的风险源。在所有的重金属来源里面,大气沉降是所占的比例最大,所以控制该区域由大气沉降带来的 Zn污染将是今后一段时间内管理部分的工作重点。
英文摘要      Two  tyical   areas  in   Bohai  coastal   region  were   selected  as   study  areas.   Lots  of environmental samples were collected through field investigation. The residual characteristics, spatial pattern  and ecological  risk of Cu,  Zn, Ni,  Pb, As, Cr  and Cd  in sediments  and soils were studied by geostatistical analysis and  mathematical statistics methods. The relationships between  soil metals  concentrations  and  land uses,  soil  texture,  soil type  and  soil  enzyme activity were  investigated. As  we know, the  temperture will  affect the  metal environmental behavior.   So,  indoor   simulation   experiments  were   designed  to   study   the  distribution characters of  Cadmium and Copper  in corn seedling  at differernt temperatures  (18℃, 24℃,30℃). The  relationships between  chemical behavior of  metals and  physiological activity in corn  seedling at  differernt temperatures  were  also investigated.  The  accumulation rules  of metals  in  farmland  soils  along  the  watershed  of  Guanting  Reservior  were  simulated  by IDMM model based  on differernt metal sources. The  variation tendency of soil metals  in the next 50 years at differernt  scenario was also predicted. The results will  offer theoretical basis and  scientific basis  for  regional ecological  risk  assessment and  management.  The specific results were as follows:
      1. The  high concentrations  of metals in  sediments and  soils along the  offshore area  of Bohai coastal  region were  mainly located in  Tianjin City, Jie  River watershed  of Shandong Province and  Huludao  city of  Liaoning Province.  Most  metals mean  concentrations in  the sediments  from  upstream area  were  higher  than  the downstream  area.  The  Cr  and Ni  in sediments  were   mainly  from  natural   wearhering,  the  rest   5  metals  were   mainly  from anthropogenic sources. In soil, Cr,  Ni and As were primarily natural sources,  and Cu, Zn, Cd and Pb were  mainly from anthropogenic  sources. Pb, Cu  and Zn were contaminated  heavily in  sediments  based   on  ecological  risk  assessment.   The  soil  ecological  risk   assessment indicated  that   the  ecological   damage  of   every  metal  were   decreased  in   the  order   of Cd>Pb>As>Cu> Ni>Cr>Zn. In 73 soil samples, 8 sites have high ecological risk from metals, 2 sites have considerable ecological risk from metals.
      2.The mean concentrations of Cu,  Zn, Cr, Ni, Cd, Pb and As in  soil along the watershed of Guanting Reservoir were 16.8,59.4,37.8,18.3,0.32,20.1and 8.67 mg/kg, respectively. In four kinds  of land uses, the  largest average values for  Cu (19.4 mg/kg dw)  were found in orchard soils,  however the  largest  average values  for rest  metals existed  in farmland  soils. The  highest mean  levels  of As,  Pb, Cd  and  Cr were  found  in loamy  soil,  and the  largest  average concentrations of Ni, Zn and Cu were found in light loamy soil.  The highest levels of As, Ni,  Zn, Cu  and Cr were  found in  the CCS.  The mean concentrations  of Ni,  Cr and Cu decreased  in the  order  of  CCS  > FCS  >  FAS,  while the  average  contents  of  As and  Zn decreased in  the order  of CCS  > FAS >FCS.  On the  basis of  the relationships  between the metals  concentrations   and  enzymatic  activity,   metals  mainly  stimulated   the  activity  of catalase and urease.
      3.The biomass of  corn seedling root increased  from 0 µM to  5 µM, and then  decreased from  5  µM  to  100  µM  under Cu  stressed  at  18℃.  The  biomass  of  corn  seedling  root decreased from 5µM  with increasing Cu level  at 24℃  and 30℃. The  copper concentrations in the corn seedling root  increased with increasing Cu level at 18℃,  24℃  and  30℃. At the same Cu  concentration, higher  temperature led  to higher  Cu accumulation  in corn seedling root, except  when  Cu concentration  was 5µM.  The  subcellular Cu  distribution in  the corn seedling root  indicated  that the  HSP-Cu and  the cell  debris-Cu were  the major  subcellular fractions. When  Cu concentration  increased,  the relative  Cu distribution  in the  fractions of HSP were  highest of all  at 30℃.  The SOD  activity in  the corn seedling  root at  24℃  were higher  than  the   SOD  activity  in   the  corn  seedling  root   at  18℃   and  30℃.   Different temperture  affected  SOD activity  severely  than  POD  activity  under  Cu stress.  The  SOD activity under  Cu stress  was more  sensitive than  POD activity  under Cu  stress to  different temperture   treatments.   The   relationships   between   subcellular   Cu   concentrations   and enzymatic activity in the corn seedling root were changed by different temperture treatments.
      4.The biomass of the root and  shoot of corn seedling decreased with increasing Cd  level at 18℃,  24℃  and  30℃.At  the same  Cd concentration,  higher temperature  would  lead to higher Cd accumulation in  corn seedling root, however, higher Cd  concentration in the shoot were  found at  24℃.The  mineral  element  absorption  by corn  seedling  under  Cd  stress at different temperture treatments indicated that  Cd would promote Zn uptake by corn  seedling, Cd would  restrain Mn  uptake by corn  seedling, Ca  absorption by corn  seedling affected  by Cd  were  very  complicated.  The  enzymatic  activity  of  corn  seedling  under  Cd  stress  at different temperture treatments indicated that the SOD and POD activity of the root and shoot of corn seedling  were promoted by Cd,  except SOD activity of  the shoot of corn  seedling at 30℃.
      5.  Compared to  measured  values indicated  that  the IDMM  model  could simulate  the accumulation of Cu, Cd and Zn perfectly in the farmland soils  in the study area. According to the prediction results and relevent critical limits  values of labile Cu and Zn, we found that Zn could be the main source of risks in the 2060. Atmospheric deposition was the most important source of Cu, Cd and Zn in  the study area. To control the atmospheric deposition of Zn in the study area will be the most important task for the local government in the next 50 years.
公开日期2015-07-07
源URL[http://ir.rcees.ac.cn/handle/311016/15636]  
专题生态环境研究中心_城市与区域生态国家重点实验室
推荐引用方式
GB/T 7714
徐笠. 环渤海典型重金属的环境行为及模拟预警研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2014.

入库方式: OAI收割

来源:生态环境研究中心

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