土壤是生态系统的重要组成部分,具有消纳、降解有机污染物、净化大气和水体环境等的重要作用。近年来,随着工业“三废”的不断排放以及污水灌溉、农药和化肥的不合理使用,土壤重金属污染已经严重影响到人类的健康和生存,成为众多环境科学工作者关注的热点之一。因此本工作的主要研究内容是以我国黄土高原地区典型煤炭工业区——兰州红古矿区煤矿为研究区域,采用统计学等学科理论,通过野外采集样品、实验室化验分析和数量统计分析相结合的研究方法,讨论该矿区土壤重金属污染及其环境效应,理论上可以探索并建立关于矿区土壤污染的研究方法,拓展现代土壤学的研究范畴。应用上可以为矿区土壤资源的合理利用与管理,解决矿区土壤质量下降导致的生态环境问题提供理论依据、基础信息和技术支撑。论文共分四章:第一章矿区土壤重金属污染概述本章较为详细地介绍了重金属污染的特点和土壤中重金属的形态,国内外矿区土壤重金属污染的研究现状及红古矿区地质环境的现状和成因,并对土壤重金属污染的环境效应及土壤重金属形态分析方法及其环境学意义进行了综述,共引用文献69篇。第二章实验方案的设计及研究方法本研究以我国黄土高原地区甘肃兰州红古窑街矿区为研究区域,针对研究区概况,采用系统采集矿区样品、实验室化验分析和数据分析相结合的研究方法。第三章红古矿区土壤重金属污染综合评价以总量法、对比法、相关性系数法和富集系数法综合评价了重金属元素Cd、Cr、Co、Cu、Mn、Pb、Zn在红古矿区土壤中的富集和污染水平。研究结果表明,矿区土壤中上述重金属元素已经表现出显著的富集和污染贡献,即矿区土壤已经表现出源自煤炭开发利用而导致的重金属污染,并且不同矿井区土壤中重金属含量随开采时间的长短以及煤矸石、煤粉堆堆积时间的长短呈现递增的现象。通过对矿区土壤重金属总量的统计分析,可以得出以下结论:红古矿区表层土壤已经受到Cd、Cr、Co、Cu、Mn、Pb、Zn等重金属元素不同程度的污染。单因子污染指数评价表明,Cd的平均污染指数为3.22,污染指数范围2.41—4.19,属重度污染:Co的平均污染指数为1.47,污染指数范围1.17—1.90,属轻度污染;Cr平均污染指数为1.30,污染指数范围0.86—1.53,属轻度污染;Cu的平均污染指数为1.41,污染指数范围1.03—1.75,属轻度污染:Mn的平均污染指数为1.10,污染指数范围0.95—1.37,属轻度污染:Zn的平均污染指数为1.81,污染指数范围1.31—2.73,属轻度污染:Pb的平均污染指数为2.50,污染指数范围2.04—3.29,属中度污染。综合污染指数评价表明,矿区土壤重金属综合污染指数为2.66,属中度污染。第四章红古矿区土壤重金属元素生态风险评价本章采用了在欧共体标准局三步连续提取方法基础上改进的四步两次连续提取方法对红古矿区土壤中Cd、Co、Cr、Cu、Pb、Mn、Zn的形态进行了分析及生态风险评价,得出以下结论:Cd元素主要以酸可交换态和氧化物结合态为主,有机结合态和残渣态所占比例较小,这说明矿区土壤系统中Cd元素的活性较高,容易迁移进入坏境,表现出相对较强的迁移性。Zn、Mn元素主要以氧化物结合态为主,这类重金属离子在高还原条件下就释放出来,因而对作物和人类有潜在的危害。以这一形态存在的重金属,特别对环境变化很敏感,也就是说当土壤的pH值和氧化还原条件发生改变时,也可以被释放出来,具有一定的生态风险。这也说明了矿业活动对当地环境的影响。矿区土壤重金属元素的活性态百分比分析结果表明,重金属元素Cd、Mn、Pb、Zn活性态所占的比例较高,对矿区土壤的潜在的危险也较大。Co、Cr、Cu活性态所占的比例则相对较小。矿区土壤重金属元素的生物有效性系数结果表明,重金属中Cd、Mn的生物有效性系数最高,Co、Pb、Zn的生物有效性系数次之,Cu的生物有效性系数最低,说明Cd、Mn元素的生物可利用性强,由此带来的环境危害也较大。