采礦廢石場重金屬污染評價與模擬植物恢復(fù)*

彭禧柱，李鳳梅，楊勝香

(吉首大學(xué)生物資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，錳鋅礦業(yè)重金屬污染綜合防治技術(shù)

湖南省工程實驗室，湖南 吉首 416000)

摘要：對湘西自治州礦區(qū)7個采礦廢石場重金屬進行監(jiān)測，采用污染指數(shù)法對其進行評價.研究結(jié)果表明，湘西自治州采礦廢石場重金屬元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏高，其中Pb，Zn，Cu，Cd的超過國家土壤環(huán)境質(zhì)量三級標(biāo)準(zhǔn)，Pb污染水平為清潔─輕度─中度污染，Zn為清潔─輕度污染，Cd為輕─中度污染，總污染程度為清潔─輕度─中度污染.植被恢復(fù)模擬試驗結(jié)果表明，黑麥草、紫花苜蓿和野菊在不同的覆蓋厚度上均能萌發(fā)、生長，且隨著覆蓋厚度的增加植物的發(fā)芽率、株高、生物量均顯著提高，覆蓋厚度為50 mm的處理植物長勢最好，發(fā)芽率和株高最高，生物量最大.

關(guān)鍵詞：采礦廢石場；重金屬污染；噴混植生綠化技術(shù)；植被恢復(fù)

文章編號：1007-2985(2015)06-0079-05

中圖分類號：X753文獻標(biāo)志碼：B

DOI:10.3969/j.cnki.jdxb.2015.06.018

收稿日期：*2015-07-26

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(41561076，41471257)；吉首大學(xué)校級科研項目(15JDY022)；湖南省研究生培養(yǎng)創(chuàng)新基地項目(201501)

作者簡介：彭禧柱(1987—)，男，湖南古丈人，吉首大學(xué)生物資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院碩士生，主要從事礦山污染治理及生態(tài)恢復(fù)研究 通信作者：楊勝香(1972—)，女，山東東營人，吉首大學(xué)生物資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院副教授，博士，主要從事重金屬污染治理及生態(tài)恢復(fù)研究.

礦產(chǎn)資源開采是迄今人類最大規(guī)模改變地球表面景觀和破壞地表生態(tài)系統(tǒng)的有組織的人類活動.采礦過程中難免會產(chǎn)生大量廢石，如露天開采時剝離礦體上方的巖石，地下開采井巷中產(chǎn)生的廢石.這些采礦廢石因礦石品位較低達不到選礦要求而被遺棄，往往堆積在礦區(qū)，形成大大小小的廢石場.據(jù)中國礦業(yè)聯(lián)合會統(tǒng)計，中國現(xiàn)有礦山約12萬個，每年產(chǎn)出的廢石排放量一直在10億t以上，礦山歷年廢石的堆存量己達127億t.湖南省湘西自治州礦產(chǎn)資源豐富，現(xiàn)已開發(fā)利用的金屬礦產(chǎn)資源以Mn,Pb,Zn,Mg等為主，非金屬礦產(chǎn)以P、石灰?guī)r、陶土、大理石等為主.[4-5]湘西自治州地處武陵山區(qū)，采礦廢石產(chǎn)生量非常大，各類廢石廢渣的堆置不僅對山體植被和土壤結(jié)構(gòu)造成毀滅性破壞，而且給當(dāng)?shù)貛碇亟饘傥廴镜陌踩[患，嚴(yán)重影響了礦產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展.

近年來，環(huán)境與發(fā)展已成為社會普遍關(guān)注的重大問題，加強礦山地質(zhì)環(huán)境治理和生態(tài)恢復(fù)是中國當(dāng)前所面臨的緊迫任務(wù).植被恢復(fù)是礦山環(huán)境治理的關(guān)鍵，可以促進土壤熟化、涵養(yǎng)水源、防風(fēng)固沙、控制污染、美化景觀等.采礦廢石場中廢石塊度大，堆積物中孔隙度大，復(fù)墾技術(shù)難度大，可供借鑒的成功經(jīng)驗不多，致使大部分礦區(qū)廢石場復(fù)墾工作進展緩慢，生態(tài)恢復(fù)率極低.此外，廢石中殘存相當(dāng)高的重金屬，在露天堆置條件下易被氧化，重金屬的存在很不利于植物生長和其他生物活動，恢復(fù)起來十分困難.客土噴播植生綠化技術(shù)是近年來國內(nèi)外發(fā)展起來的一項巖質(zhì)邊坡植被綠化技術(shù)，在采石場邊坡穩(wěn)定、公路、鐵路邊坡植被保護等方面做過大量工作并成功應(yīng)用，然而將其用于采礦廢石場環(huán)境修復(fù)的報道卻很少[10-11].

筆者對湘西自治州礦區(qū)7個采礦廢石場進行生態(tài)調(diào)查和重金屬污染評價，在試驗場地模擬客土噴播植生綠化技術(shù)對采礦廢石進行植被恢復(fù)，旨在為采礦廢石場人工生態(tài)修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持.

1材料與方法

1.1 采礦廢石場概況

2011年3月對湘西自治州花垣縣團結(jié)鎮(zhèn)3個廢石場(編號為T1，T2，T3)、龍?zhí)舵?zhèn)2個廢石場(編號為L1，L2)、民樂鎮(zhèn)2個廢石場(編號為M1，M2)進行現(xiàn)場調(diào)查和樣品采集.這些廢石場均由粗糙的廢石碎片堆積而成，面積2 000～5 000 m2，碎石間空隙大，缺乏團粒結(jié)構(gòu)，持水能力差，晝夜溫差大，氣候干燥，幾乎無植被覆蓋.在每個廢石場隨機采集廢石樣5～6個，裝入潔凈的聚乙烯封口袋，運回實驗室進行重金屬含量檢測.

1.2 植被恢復(fù)實驗方法

在湘西自治州花垣縣團結(jié)鎮(zhèn)廣字坳廢石場取廢石約300 kg，對其進行植被恢復(fù)模擬實驗.在試驗場地，將運來的廢石模擬廢石場堆砌成0.5 m×0.5 m×0.5 m小樣方.采用客土噴播植生綠化法[12]將草種、粘合材料、保水劑、土壤按一定比例充分混合后，將不同厚度的混合層覆蓋在廢石上，覆蓋厚度分別為10，20，30，50 mm，每種處理重復(fù)4次.具體做法是：將粘合材料、保水劑和水按照質(zhì)量比1∶1∶100配成水凝膠，把黑麥草、野菊和紫花苜蓿的種子倒入水凝膠中，每個草種播種量均為300粒，攪拌使種子沾滿水凝膠，均勻倒入到土壤中，繼續(xù)加水直到成泥狀，按照設(shè)計的厚度覆蓋在廢石表面.觀察種子的萌發(fā)、生長狀況，1個月后測量株高，剪掉幼苗的地上部分，烘干，測量植物地上部分的生物產(chǎn)量.

1.3 樣品處理方法

將采集的廢石樣品搗碎、研細(xì)，過60目尼龍篩，備用.采用國標(biāo)法測定廢石pH值.稱取廢石樣4.00 g，加入10 mL的純水，用pH計(PHS-3C型)測定.廢石中的重金屬含量采用混合酸消解法.稱取廢石樣品0.2 g，小心倒入消化管中，加入4 mL的王水(V(HCl)∶V(HNO3)=3∶1)，浸泡過夜，第2天放入消化爐內(nèi)90 ℃加熱30 min，140 ℃加熱30 min，180 ℃加熱1 h，冷卻.加1 mL HClO4，于140 ℃加熱20 min，180 ℃加熱1 h，冷卻，過濾，定容[13].用等離子體發(fā)射光譜儀(ICAP6300，美國熱電)測定消解液中的重金屬元素Mn，Pb，Zn，Cu，Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù).

1.4 重金屬污染評價方法

采礦廢石場重金屬污染評價采用單因子污染指數(shù)法Pi和綜合污染指數(shù)法P綜進行[14-15]：

其中：Pi為廢石中重金屬i的單因子污染指數(shù)；Ci為廢石中重金屬i的實測值；Si為重金屬i的評價標(biāo)準(zhǔn)；P綜為重金屬綜合污染指數(shù)；Pave為重金屬單因子污染指數(shù)的平均值；Pmax為重金屬單因子污染指數(shù)中的最大值.重金屬污染指數(shù)范圍及污染等級劃分標(biāo)準(zhǔn)見表1.

表1　重金屬污染指數(shù)及其等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

1.5 數(shù)據(jù)分析方法

采用Excel 2003 和SPSS 15.0對數(shù)據(jù)進行分析，單因素方差分析法分析不同處理間的差異，最小顯著差數(shù)法進行顯著性檢驗(差異顯著水平設(shè)為P< 0.05).

2結(jié)果與討論

2.1 采礦廢石場重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)

采礦廢石場pH值和重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表2.

表2　湘西自治州采礦廢石場 pH值和重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)(均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差)

從表2可知，湘西自治州采礦廢石場重金屬pH值為5.9～7.3，接近中性.7個廢石場重金屬元素Mn,Zn,Pb,Cu,Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為591.82～1 340，489.42～1152.28，344.68～671.66，52.74～144.90，0.75～2.58μg·g-1.重金屬元素Mn，Zn，Pb，Cu，Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于湖南省土壤背景值，分別是湖南省背景值的1.3～2.9，5.1～12.1，11.6～22.6，1.9～5.3，5.6～20.5倍.與國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[16]的三級標(biāo)準(zhǔn)(GB15618—1995III)比較來看：除團結(jié)鎮(zhèn)T1廢石場外，其他6個廢石場Zn質(zhì)量分?jǐn)?shù)均超過三級標(biāo)準(zhǔn)；團結(jié)鎮(zhèn)的T1，T2廢石場、龍?zhí)舵?zhèn)的L1廢石場、民樂鎮(zhèn)的M1廢石場Pb質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過三級標(biāo)準(zhǔn)；7個廢石場Cu元素均在三級標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)；除團結(jié)鎮(zhèn)T2廢石場外，其他6個廢石場Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)均超過三級標(biāo)準(zhǔn).

2.2 廢石場重金屬污染評價結(jié)果

湘西自治州采礦廢石場重金屬污染指數(shù)及污染程度見表3.為保障農(nóng)林生產(chǎn)和植物正常生長的土壤臨界值，重金屬單因子污染指數(shù)的計算采用中國土壤環(huán)境質(zhì)量三級標(biāo)準(zhǔn).土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)未對Mn元素作出規(guī)定，只對Zn，Pb，Cu，Cd進行評價.

表3　湘西自治州采礦廢石場重金屬污染指數(shù)及污染程度

由表3可知，廢石場Zn，Pb，Cu，Cd單項污染指數(shù)分別為0.98～2.19，0.69～1.34，0.14～0.36，0.75～2.58.從污染程度上看，Pb對廢石場造成清潔─輕度─中度污染，Zn為清潔─輕度污染，Cu未對礦區(qū)造成污染，Cd為清潔─輕度─中度污染.綜合污染指數(shù)反映了4種重金屬元素的綜合污染狀況，其范圍為1.11～2.13.龍?zhí)舵?zhèn)L1廢石場總的污染程度為中度污染，其余廢石場均為輕度污染.

2.3 植物恢復(fù)模擬試驗結(jié)果

廢石場植物恢復(fù)模擬試驗植物生長狀況見表4.

表4　廢石場植被恢復(fù)模擬試驗植被生長狀況

注表中同列內(nèi)不同的字母表示各處理間差異顯著(P<0.05)，相同的字母表示各處理間差異不顯著(P>0.05).

從表4可知，3種植物在不同的基質(zhì)覆蓋厚度上均能萌發(fā)和生長，從發(fā)芽情況來看，黑麥草發(fā)芽率最高(31.2%～58.3%)，其次是紫花苜蓿(6.8%～29.4%)，野菊發(fā)芽率最低(4.6%～19.2%)；從植株高度來看，黑麥草株高最高(4～10cm)，其次是紫花苜蓿(3～7cm)，野菊株高最低(2～4cm)；從生物量來看，黑麥草生物量最高(5.5～11.2g)，其次是紫花苜蓿(0.6～3.2g)，野菊株高最低(0.4～0.9g)；從覆蓋厚度來看，隨著基質(zhì)覆蓋厚度的增加，黑麥草、野菊、紫花苜蓿的發(fā)芽率、株高和生物量呈顯著增長的趨勢，覆蓋厚度最高(50mm)；從植物生長狀況來看，種子萌發(fā)之后，覆蓋厚度為10，20，30mm的3種植物均出現(xiàn)不同程度的缺水、葉片萎蔫、變枯的現(xiàn)象，覆蓋厚度為50mm中3種植物均能健康地生長，葉片鮮綠、健壯，在生長期內(nèi)未發(fā)現(xiàn)缺水癥狀；從總的植被蓋度來看，覆蓋厚度為10，20，30mm的處理植被蓋度較低(均在50%以下)，覆蓋厚度為50mm的處理植被蓋度最高(80%).

3結(jié)論與分析

本研究結(jié)果顯示，7個廢石場5種重金屬元素(Mn，Zn，Pb，Cu，Cd)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于湖南省土壤背景值.其中6個廢石場Zn、4個廢石場Pb含、6個廢石場Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)均超過國家土壤質(zhì)量三級標(biāo)準(zhǔn).因此，廢石場中的重金屬殘留可能會影響植被的自然定居和生長，而且可能對周邊的農(nóng)田和水體帶來重金屬污染.廢石場重金屬污染評價表明，Pb為清潔─輕度─中度污染，Zn為清潔─輕度污染，Cd為清潔─輕度─中度污染，總污染程度為輕度─中度污染.為控制來自采礦廢石場的污染，一般采取覆土的方式進行生態(tài)恢復(fù)，即從廢石場周邊非污染區(qū)域取土覆蓋，然后種植植被使其穩(wěn)定.這種方式雖簡單有效，但取土給土源供應(yīng)地帶來嚴(yán)重的生態(tài)破壞，且中國大部分金屬礦山位于南部山區(qū)，土層較薄，多年采礦后取土越來越困難，有的礦山甚至花巨資購買耕地取土.據(jù)報道，一個中等規(guī)模的廢石場覆土約需 20 000m3土方量，相當(dāng)于從約8 000m2耕地挖深2.5m取土[17].這種做法既不能解決礦山長期使用土源問題，又破壞了中國寶貴的耕地資源，還給礦山帶來沉重的經(jīng)濟負(fù)擔(dān).

客土噴播植生綠化技術(shù)能達到恢復(fù)植被、改善景觀、保護環(huán)境的目的[11-12].噴射厚度是今后植物生長的關(guān)鍵所在，不同廢石場因其成因、坡度、立地條件等不同，其噴播厚度也不一樣.馬萬權(quán)等[18]認(rèn)為基材噴射厚度一般為8～10cm，對于部分土夾石緩坡，噴漿厚度可降低到 5～6cm，對于陡急的硬巖邊坡，噴漿厚度應(yīng)增大到 10～12cm.章夢濤等[19]對巖質(zhì)坡面快速綠化工程實踐表明，草本植物生長的厚度為15～30mm，對于碎石塊度均勻、緩坡，降雨量較豐富的廢石場客土噴播厚度為30～ 60mm即可.筆者借鑒該技術(shù)，人工模擬廢石場將草種、粘合材料、保水劑、粘土按一定比例充分混合后覆蓋在廢石上，觀察種子的萌發(fā)、生長狀況.試驗結(jié)果顯示，3種植物(黑麥草、紫花苜蓿和野菊)在不同的覆蓋厚度上均能萌發(fā)、生長，且隨著覆蓋厚度的增加植物的發(fā)芽率、株高、生物量均顯著提高.總體來看，覆蓋厚度為50mm的處理效果最佳，植物長勢最好，發(fā)芽率最高，株高最高，生物量最大，植被覆蓋度達到了植被恢復(fù)的要求[20].因此，采用客土噴播植生綠化技術(shù)進行采礦廢石場植被恢復(fù)是可行的，且噴射厚度至少為50mm.

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HeavyMetalPollutionAssessmentandVegetationRestoration

SimulationatMinedWasteRockYards

PENGXizhu，LIFengmei，YANGShengxiang

(CollegeofBiologicalResourcesandEnvironmentalScience，HunanProvinicalEngineeringLaboratoryofControland

RemediationofHeavyMetalPollutionfromMn-ZnMing,JishouUniversity，Jishou416000，HunanChina)

Abstract:An assessment of heavy metal pollution was conducted at 7 mined waste-rock yards in Xiangxi Autonomous Prefecture.The results obtained from the contamination index method showed high level of heavy metals,among which the levels of Zn，Pb and Cd exceeded the Grade III according to China Environmental Quality Standard for Soils (GB 15618—1995).The contamination index showed clean-mild-moderate contamination by Pb，clean-mile contamination by Zn and clean-moderate contamination by Cd.The general index indicated clean-mild-moderate contamination. The vegetation restoration simulation results showed that three plants (Lolium perenne，Medicago sativa and Chrysanthemum indicum) could germinate and grow in all the cover depths，and the germination rate，plant height and biomass of the three plants significantly increased with the cover depths.Overall，the plants in the treatment of 50 mm grew healthily with the highest germination rate，plant height and biomass.

Keywords:minedwaste-rockyard；heavymetalcontamination;spray-seedingtechnology；vegetationrestoration

(責(zé)任編輯陳炳權(quán))