葉 漪，劉 浩，梁 娟，

(1.民族藥用植物資源研究與利用湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;2.懷化學(xué)院 生命科學(xué)系，湖南 懷化 418008)

礦山開采過程中所產(chǎn)生的尾砂、廢礦石等大量固體廢棄物不僅需要大面積的堆置場(chǎng)地，而且對(duì)原有生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重破壞.它們一方面直接侵占并破壞土地，影響植被生長，另一方面尾砂、廢礦石的長期堆放導(dǎo)致重金屬元素通過地表徑流、大氣飄塵等污染土壤，并通過食物鏈影響人體健康[1-4].因此，開展礦區(qū)廢棄地土壤重金屬污染及修復(fù)研究，既是緩解人地矛盾和礦區(qū)環(huán)境建設(shè)的需要，同時(shí)又是促進(jìn)礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑[5].但礦區(qū)廢棄地土壤結(jié)構(gòu)性差，有機(jī)質(zhì)含量及植物必需的養(yǎng)分元素(尤其是氮、磷、鉀)缺乏，同時(shí)重金屬含量高，不利于植物生長及其它生物活動(dòng)，恢復(fù)起來十分困難[6].

麻陽銅礦為湖南省最大的銅礦，開采歷史久遠(yuǎn)，產(chǎn)生了大量的廢棄地，如尾砂庫和廢石場(chǎng)，對(duì)當(dāng)?shù)赝寥篮椭参锂a(chǎn)生了不同程度的影響[7].本研究通過調(diào)查麻陽銅礦廢棄地土壤重金屬污染現(xiàn)狀，對(duì)比分析人工修復(fù)區(qū)和非人工修復(fù)區(qū)土壤及植被狀況，探索其土壤修復(fù)的方法，以期為麻陽銅礦廢棄地的生態(tài)修復(fù)提供一定的基礎(chǔ)資料.

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

麻陽銅礦位于湖南西部麻陽縣和辰溪縣交界處(27°56'N，110°04'E)，平均海拔160 m.含銅礦物以自然銅為主，占85%以上，其次為輝銅礦，氧化礦物以赤銅礦、孔雀石為主.麻陽銅礦具有日采選銅礦石600 噸，年產(chǎn)電解銅3 000 噸生產(chǎn)能力，系湖南省最大的銅礦[8].麻陽銅礦開采歷史久遠(yuǎn)，現(xiàn)已形成兩個(gè)大的尾砂庫(舊尾砂庫、新尾砂庫)以及多個(gè)廢石場(chǎng)，曾對(duì)尾砂庫與廢石場(chǎng)進(jìn)行過人工修復(fù)，其中舊尾砂庫部分區(qū)域進(jìn)行過客土覆蓋，廢石場(chǎng)部分區(qū)域進(jìn)行了植物種植.

1.2 采樣點(diǎn)設(shè)置

共調(diào)查了舊尾砂庫、新尾砂庫、廢石場(chǎng)、舊尾砂庫人工修復(fù)區(qū)以及廢石場(chǎng)人工修復(fù)區(qū)等5個(gè)地類，其中，舊尾砂庫人工修復(fù)區(qū)是在尾砂上覆蓋了一層土壤(約5 cm 厚)，廢石場(chǎng)人工修復(fù)區(qū)是在廢石場(chǎng)上直接進(jìn)行植物的栽植.每一地類采用對(duì)角線法進(jìn)行表層土壤的多點(diǎn)混合采樣及重金屬含量測(cè)定，所采集土壤均帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行后續(xù)分析.

1.3 土壤重金屬含量測(cè)定

采用INNOV-X 便攜式重金屬分析儀對(duì)各地類土壤重金屬元素(如Cr、Cu、Zn 等)進(jìn)行測(cè)定.

1.4 土壤重金屬污染評(píng)價(jià)

采用《土壤環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量(GB15612—1995)》中的3級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[9]，對(duì)土壤重金屬污染進(jìn)行評(píng)價(jià)，如表1.

表1 土壤環(huán)境質(zhì)量3級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值(mg/kg)

評(píng)價(jià)方法采用中國綠色食品發(fā)展中心1994年編制的《綠色食品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀評(píng)價(jià)綱要 (試行)》中推薦的單項(xiàng)污染指數(shù)法[10].

單項(xiàng)污染指數(shù)法:Pi=Ci/Si

式中:Pi為污染指數(shù);Ci為污染物實(shí)測(cè)值;Si為污染物的標(biāo)準(zhǔn)值;i代表某種污染物.

根據(jù)P值變幅，將土壤質(zhì)量劃分等級(jí)，具體土壤質(zhì)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表2.

表2 土壤中各元素污染程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

1.5 土壤理化性質(zhì)的分析

對(duì)所采集回來的土壤進(jìn)行土壤pH值、有機(jī)質(zhì)含量的測(cè)定，其中土壤pH值測(cè)定采用水土比2.5:1 酸度計(jì)法，土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法[11].

1.6 各地類植被調(diào)查

對(duì)比調(diào)查舊尾砂庫及其人工修復(fù)區(qū)的植被組成情況.

2 結(jié)果與分析

2.1 各地類土壤重金屬含量及評(píng)價(jià)

各地類土壤重金屬含量見表3，由此可以看出，舊尾砂庫、新尾砂庫、廢石場(chǎng)Cu 含量極高，均超過了標(biāo)準(zhǔn)值，其中含量最高的是新尾砂庫，Cu 含量為1 605.8 mg/kg，是標(biāo)準(zhǔn)值的4倍，其次是舊尾砂庫.而尾砂庫人工修復(fù)區(qū)和廢石場(chǎng)人工修復(fù)區(qū)的Cu 含量均未超出三級(jí)標(biāo)準(zhǔn).其它重金屬元素Zn、As、Pb、Cr 等含量在各地類均比較低，均未超出三級(jí)標(biāo)準(zhǔn).

表3 麻陽銅礦廢棄地各地類土壤重金屬含量

分析各元素的單項(xiàng)污染指數(shù)(表4)，發(fā)現(xiàn)大部分地類存在不同程度的Cu 污染，其中新尾砂庫Cu元素單項(xiàng)污染指數(shù)大于3，表現(xiàn)為重度污染，舊尾砂庫表現(xiàn)為中度污染，廢石場(chǎng)表現(xiàn)為輕度污染，但尾砂庫人工修復(fù)區(qū)和廢石場(chǎng)人工修復(fù)區(qū)Cu元素單項(xiàng)污染指數(shù)均小于1，表現(xiàn)為非污染.其他重金屬元素Zn、As、Pb、Cr的污染指數(shù)均小于1，表現(xiàn)為非污染.

綜合可知，礦區(qū)各地類污染程度表現(xiàn)為:新尾砂庫＞舊尾砂庫＞廢石場(chǎng)＞廢石場(chǎng)人工修復(fù)區(qū)＞尾砂庫人工修復(fù)區(qū).

表4 麻陽銅礦廢棄地各地類土壤重金屬污染指數(shù)

圖1 麻陽銅礦廢棄地各地類土壤pH值

2.2 各地類土壤肥力狀況

麻陽銅礦廢棄地各地類土壤肥力狀況(pH值、有機(jī)質(zhì))如圖1、2.從圖1可以看出，各地類土壤pH值在8.19～9.43之間，其中廢石場(chǎng)、舊尾砂庫、新尾砂庫土壤pH值大于8.5，堿性較強(qiáng)，而尾砂庫人工修復(fù)區(qū)、廢石場(chǎng)人工修復(fù)區(qū)相對(duì)于尾砂庫、廢石場(chǎng)而言pH值都有明顯的降低.

從圖2可以看出，各地類有機(jī)質(zhì)含量在0.12%～0.86%之間，均比較低，尤其是尾砂庫、廢石場(chǎng)以及礦脈地表露頭區(qū).但尾砂庫人工修復(fù)區(qū)以及廢石場(chǎng)人工修復(fù)區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量分別為0.86%、0.65%，兩者均要顯著高于尾砂庫以及廢石場(chǎng).

表5 麻陽銅礦廢棄地尾砂庫人工修復(fù)區(qū)植被組成情況

圖2 麻陽銅礦廢棄地各地類土壤有機(jī)質(zhì)含量

綜合可知，礦區(qū)廢棄地土壤肥力狀況表現(xiàn)為:尾砂庫人工修復(fù)區(qū)＞舊尾砂庫，廢石場(chǎng)人工修復(fù)區(qū)＞廢石場(chǎng).

2.3 尾砂庫及其人工修復(fù)區(qū)植被組成特征

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，新尾砂庫中沒有任何植物的分布，舊尾砂庫只有在庫區(qū)邊緣地帶有少量白茅、節(jié)節(jié)草、頭花蓼的分布.而尾砂庫人工修復(fù)區(qū)植物種類較豐富，共調(diào)查到植物44種，隸屬20 科，其中菊科8種、禾本科7種、薔薇科5種、豆科4種、蓼科2種(表5).從生態(tài)型來看，以多年生草本(27種)和1年生草本(4種)植物為主，木本植物為13種，主要以低矮的灌木和藤本為主.頭花蓼、野胡蘿卜、地枇杷、酸模、白茅、藎草、牡蒿、豬毛蒿分布較多，為主要的優(yōu)勢(shì)植物.

3 結(jié)論與討論

麻陽銅礦廢棄地氣候條件優(yōu)越，有利于植物生長發(fā)育，廢棄地生態(tài)修復(fù)的主要障礙是土壤因子.尾砂庫中基本上都是純尾砂，保水保肥性差，易干旱，缺乏植物生長所需要的有機(jī)質(zhì)和營養(yǎng)元素，而且尾砂中殘存的重金屬離子對(duì)植物造成毒害，這些都是生態(tài)修復(fù)的不利因素.因此，麻陽銅礦廢棄地生態(tài)修復(fù)的關(guān)鍵是土壤的改良以及植物種類的選擇.

土壤改良在礦山廢棄地的生態(tài)修復(fù)中占有舉足輕重的地位，而土壤改良最快速、最直接的方法是客土法，即在廢棄地上覆蓋一定厚度的有生產(chǎn)能力的土壤，然后通過種植植物進(jìn)行土壤的改良[12].我國不少礦山采用這一方法均取得了比較好的效果.例如，中條山的篦子溝銅礦廢棄地[13]、攀枝花礦區(qū)廢棄地[14]等，通過表土覆蓋，種植高粱、小麥等農(nóng)作物，均取得了良好的經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益.麻陽銅礦廢棄地舊尾砂庫、新尾砂庫、廢石場(chǎng)等均存在不同程度的Cu 污染，且土壤呈強(qiáng)堿性，有機(jī)質(zhì)含量低，基本沒有植物覆蓋或植物種類稀少.麻陽銅礦舊尾砂庫堆積時(shí)間已超過30年，但仍無植物的分布，這顯然與其土壤重金屬含量過高、養(yǎng)分貧乏等因素有關(guān)，而尾砂庫人工修復(fù)區(qū)通過客土覆蓋后，植物種類增加，土壤的肥力狀況有所改善，土壤中Cu元素的含量低于環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，表現(xiàn)為非污染，說明客土覆蓋是銅礦廢棄地土壤修復(fù)的有效途徑，即麻陽銅礦廢棄地可通過客土覆蓋的方式首先進(jìn)行土壤的改良.

植物種類選擇的適當(dāng)與否也是礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)成敗的關(guān)鍵之一[15].尾砂庫人工修復(fù)區(qū)植物主要以菊科、蓼科、禾本科、豆科為主，相似現(xiàn)象也多見于其他的銅礦區(qū)以及部分鉛鋅礦區(qū)[16-17]，原因可能是這4 科植物多為一年生或多年生草本植物，種子數(shù)量多且容易傳播，營養(yǎng)生長期以及繁殖期較短，對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力比較強(qiáng).頭花蓼、野胡蘿卜、酸模、地枇杷為人工修復(fù)區(qū)的優(yōu)勢(shì)植物，其中，頭花蓼和酸模是兩種已知的Cu 指示植物，這兩種植物在Cu 含量較高的礦脈地表露頭區(qū)有大量分布.因此，頭花蓼、野胡蘿卜、酸模、地枇杷等優(yōu)勢(shì)植物可以作為麻陽銅礦廢棄地生態(tài)修復(fù)的優(yōu)選物種.

麻陽銅礦廢棄地存在不同程度的銅污染，對(duì)于尾砂庫，可以采取客土覆蓋，種植頭花蓼、野胡蘿卜、酸模、地枇杷等耐銅能力強(qiáng)的植物進(jìn)行生態(tài)修復(fù).對(duì)于廢石場(chǎng)，因其只受到了輕度污染，可采取直接種植對(duì)Cu元素有一定耐受能力的木本、草本植物.

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