劉 方, 陳祖擁, 劉元生, 朱 健, 卜通達(dá)

(1.貴州大學(xué) 環(huán)境與資源研究所, 貴州 貴陽 550025; 2.貴州喀斯特環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)教育部野外科學(xué)觀測研究站, 貴州 貴陽 550025)

關(guān)閉煤礦井周邊煤矸石大量露天堆存不僅占用大量土地，而且大量的硫化物及鐵、錳等金屬離子在降雨條件下隨地表徑流進(jìn)入周圍土水環(huán)境，導(dǎo)致地表水體出現(xiàn)嚴(yán)重污染，以及土壤酸化和重金屬污染[1-3]。由于煤矸石基質(zhì)酸度大、養(yǎng)分缺乏，植物萌發(fā)和生長困難，從而阻礙煤矸石堆場及周邊環(huán)境的生態(tài)恢復(fù)[4-8]。目前對煤矸石堆場的植被恢復(fù)技術(shù)及植物修復(fù)效果、水土流失規(guī)律等方面開展了一些研究工作[9-16]，宋楠等對煤矸石山坡面不同覆蓋的水土保持效益進(jìn)行分析，采用煤矸石和黃土混合覆蓋的煤矸石山坡面蓄水保土效果顯著，植被恢復(fù)狀況良好[17]。王麗艷等對煤矸石山7種植被恢復(fù)模式進(jìn)行了研究，與裸地相比，不同植被恢復(fù)模式均對矸石山坡面土壤侵蝕和養(yǎng)分流失具有明顯控制效果[18]。植被具有大的林冠或茂密的草叢和枯枝落葉層，降低了地表徑流流速，提高了煤矸石堆場表面抵抗降雨沖蝕的能力[19]。近年來貴州多數(shù)關(guān)閉的小煤窯礦區(qū)環(huán)境治理取得較明顯的效果，煤矸石堆場植被出現(xiàn)一定程度的自然恢復(fù)，主要有馬尾松、光皮樺、類蘆及蕨類植物等植物的生長，這些植物的生長增加了地表覆蓋，減少了地表徑流的產(chǎn)生及土壤侵蝕作用[20-21]。但是，對該區(qū)域不同植被恢復(fù)類型下煤矸石堆場鐵、錳等金屬離子淋溶遷移的變化還缺乏深入的研究，故本文選擇貴州省中部山區(qū)關(guān)閉的煤礦區(qū)為研究對象，探討不同植被類型下煤矸石堆場地表徑流中Fe，Mn的遷移特點以及植被自然恢復(fù)對煤矸石中Fe，Mn淋溶遷移的作用效果，為煤礦區(qū)煤矸石堆場的生態(tài)環(huán)境治理及生態(tài)修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于貴陽市花溪區(qū)麥坪鄉(xiāng)及久安鄉(xiāng)，屬低中山地貌及亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，年平均氣溫在14.0～15.0 ℃，年降雨量達(dá)1 200 ～1 300 mm，降雨集中在5—8月。植被為常綠闊葉林及混交林，土壤多為黃壤及石灰土。該煤礦區(qū)曾經(jīng)是貴陽市重要產(chǎn)煤區(qū)，2000年底通過煤礦整治后小煤礦井全部關(guān)閉，但多年開采廢棄的煤矸石仍露天堆放在礦井周邊。通過對該區(qū)煤矸石堆場自然恢復(fù)植被(喬木林、灌木林、草叢)的群落組成和物種多樣性進(jìn)行調(diào)查，選擇優(yōu)勢植物分別為馬尾松、光皮樺、類蘆的煤矸石堆場進(jìn)行樣地設(shè)置，各種植被類型的物種組成及優(yōu)勢種詳見表1。

表1 調(diào)查區(qū)不同植被恢復(fù)類型下煤矸石堆場的物種組成

1.2 煤矸石樣品采集及重金屬浸出試驗

依據(jù)煤矸石風(fēng)化程度及顆粒組成特征，分別對煤矸石堆場中上部坡面風(fēng)化殘積的表層(0—20 cm)煤矸石(殘積型煤矸石)，以及煤矸石堆場下部經(jīng)季節(jié)性流水搬運沉積在侵蝕沖溝旁的表層煤矸石(坡積型煤矸石)進(jìn)行混合樣品采集。在麥坪鄉(xiāng)采集了3個煤矸石堆場的殘積型煤矸石樣品、3個煤矸石堆場的坡積型煤矸石樣品，在久安鄉(xiāng)采集了3個煤矸石堆場的殘積型煤矸石樣品。煤矸石樣品帶回實驗室后進(jìn)行自然風(fēng)干、破碎、并研磨過60目篩。然后，參照《固體廢物浸出毒性浸出方法—水平振蕩法》(HJ/T299-2007)，按照1∶10的固液比，加入去離子水，攪拌混合均勻后靜置48 h，取上清液用0.45微米的濾膜過濾，采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)測定水樣中Fe，Mn，Zn，Cr，Cu，Cd，Pb的含量(表2)。

1.3 煤矸石堆場地表徑流樣品采集

在調(diào)查區(qū)按馬尾松、光皮樺、類蘆3種植被類型，選擇坡度相對一致、植被覆蓋率達(dá)80%～90%的地段，對每一種植被設(shè)置3塊樣地(20 m2)，同時選擇周邊無植被的煤矸石堆場為對照區(qū)。在每個樣地內(nèi)采用無界徑流小區(qū)法設(shè)置徑流收集槽[22]，在植物生長旺盛期，于2019年5—7月在同一大雨條件下(自然降雨)對收集槽的徑流水進(jìn)行樣品采集；采樣時間分別是5月17日(平均降雨強(qiáng)度為36 mm/h)，6月12日(平均降雨強(qiáng)度為40 mm/h)和7月21日(平均降雨強(qiáng)度為34 mm/h)。每次采樣是降雨時段達(dá)到現(xiàn)場，雨后立即采集徑流收集槽的水樣，裝入2.5 kg的塑料壺，帶回實驗室搖勻后量取250 ml水樣通過0.45 μm濾膜過濾，采用原子吸收分光光度計測定水樣中Fe，Mn含量，同時采用烘干法測定濾膜上的泥沙含量。

1.4 盆栽條件下煤矸石滲透水樣品采集

在設(shè)置的采樣區(qū)煤矸石堆場上，選取高度100 cm左右、生長良好的馬尾松、光皮樺、類蘆，在其根部開挖深約50 cm后整株帶土移栽到塑料桶中，分別挖取3株馬尾松、光皮樺、類蘆，同時每個采樣區(qū)挖取無植被的煤矸石為對照。將裝桶的馬尾松、光皮樺、類蘆及對照煤矸石運回盆栽場，移栽存活后在塑料桶底部設(shè)置基質(zhì)滲透水收集裝置，根據(jù)自然降雨情況，隔兩周左右收集一次滲透水樣品，在5月至8月共采集了7次滲透水樣品。每次量取150 ml的滲透水用0.45 μm濾膜過濾，采用原子吸收分光光度計測定水樣中Fe，Mn含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 廢棄煤礦區(qū)風(fēng)化煤矸石中重金屬淋溶遷移的特點

從表2看出，無論是原地殘留的煤矸石，還是經(jīng)季節(jié)性流水搬運堆積的煤矸石，煤矸石水浸液的pH值仍達(dá)2.25～2.84之間，而7種重金屬元素含量的大小順序為：Fe>Mn>Zn>Cu>Cr>Pb>Cd，其中Fe，Mn含量范圍分別達(dá)1.34～5.29 mg/L，0.42～2.18 mg/L，均超過了《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838-2002)》中集中式生活飲用水地表水源地補(bǔ)充項目標(biāo)準(zhǔn)限值(Fe為0.3 mg/L，Mn為0.1 mg/L)。此外，參照《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)(GB3838-2019)》中Mn≤2.0 mg/L的限值，其中坡積型煤矸石中Mn含量超過此限值。說明廢棄煤礦井周邊煤矸石堆場對水環(huán)境影響的主要因素是Fe，Mn的淋溶遷移，且坡積型煤矸石對水環(huán)境影響的程度明顯大于殘積型煤矸石。

表2 廢棄煤礦礦井周邊風(fēng)化煤矸石水浸液中重金屬含量的變化

2.2 不同類型植物生長對煤矸石中Fe/Mn淋溶遷移的影響

通過對盆栽條件下馬尾松、光皮樺、類蘆及對照(無植物)的煤矸石基質(zhì)滲透水中Fe，Mn含量進(jìn)行統(tǒng)計分析(每個處理3組重復(fù)的7次采樣測定值)，馬尾松生長煤矸石基質(zhì)滲透水中Fe，Mn含量范圍分別為0.029～0.678 mg/L(均值0.198)，0.043～1.175 mg/L(均值0.345)，光皮樺生長基質(zhì)滲透水中Fe，Mn含量范圍分別是0.044～0.958 mg/L(均值0.309)，0.015～1.102 mg/L(均值0.332)，而類蘆生長基質(zhì)滲透水中Fe，Mn含量范圍分別為0.042～0.916 mg/L(均值0.253)，0.049～0.811 mg/L(均值0.333)。

從3種植物種類煤矸石基質(zhì)滲透水中Fe，Mn平均含量(每次采樣3個重復(fù)的平均值)的變化趨勢來看(圖1)，植物生長后煤矸石基質(zhì)滲透水中Fe，Mn的含量均出現(xiàn)明顯的降低，馬尾松、光皮樺及類蘆生長的煤矸石基質(zhì)滲透水中Fe的平均含量分別比對照降低60.56%，38.44%，49.60%，而Mn的平均含量分別比對照減少52.22%，54.02%，53.88%；其中，馬尾松生長的基質(zhì)滲透水中Fe的平均含量分別比光皮樺及類蘆低56.06%，27.87%。

圖1 煤矸石基質(zhì)滲透水中Fe，Mn含量的變化

2.3 不同植被類型對煤矸石堆場地表徑流中Fe/Mn含量的影響及其作用效果

通過對3次自然降雨(大雨)條件下馬尾松幼林、闊葉樹幼林、類蘆草叢(3個重復(fù)樣地)煤矸石堆場的地表徑流樣品測定值進(jìn)行統(tǒng)計分析(表3)，馬尾松幼林、闊葉樹幼林、類蘆草叢煤矸石堆場徑流水中Fe的平均含量分別比裸露煤矸石堆場低85.60%，72.57%，45.27%，而Mn的平均含量則分別比裸露煤矸石堆場低90.13%，81.11%，60.17%。從采集的全部徑流樣品測定值來看，裸露煤矸石堆場地表徑流中Fe，Mn濃度范圍分別達(dá)0.419～1.552 mg/L，0.713～1.813 mg/L，均超過《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3 838-2002)》中集中式生活飲用水地表水源地補(bǔ)充項目的標(biāo)準(zhǔn)限值(Fe為0.3 mg/L，Mn為0.1 mg/L)。但是，馬尾松幼林煤矸石堆場地表徑流中Fe，Mn濃度范圍分別在0.034～0.162 mg/L，0.043～0.173 mg/L，F(xiàn)e含量均未出現(xiàn)超標(biāo)，而Mn未超標(biāo)率為55.6%；闊葉樹幼林煤矸石堆場徑流水中Fe，Mn濃度范圍分別為0.105～0.641 mg/L，0.074～0.695 mg/L，F(xiàn)e，Mn未超標(biāo)率分別為88.9%，33.3%；類蘆草叢煤矸石堆場徑流水中Fe，Mn濃度范圍分別為0.131～0.714 mg/L，0.117～0.681 mg/L，F(xiàn)e，Mn未超標(biāo)率分別是44.4%，11.1%?？梢?，煤矸石堆場恢復(fù)植物后能明顯減少降雨過程中Fe，Mn的遷移量，植被作用效果的大小順序為：馬尾松幼林>闊葉樹幼林>類蘆草叢，植物生長對減少煤矸石中Fe向水體遷移產(chǎn)生的環(huán)境效應(yīng)大于Mn。另一方面，馬尾松幼林、闊葉樹幼林、類蘆草叢煤矸石堆場地表徑流的pH值比裸露煤矸石堆場均出現(xiàn)明顯的增加，其平均提高幅度分別達(dá)32.15%，25.47%，12.32%(表3)。同時，煤矸石堆場植被恢復(fù)后地表徑流中泥沙含量出現(xiàn)明顯的減少，馬尾松幼林、闊葉樹幼林、類蘆草叢煤矸石堆場徑流中泥沙平均含量分別比裸露煤矸石堆場降低了40.18%，30.67%，27.91%。對表3中全部地表徑流樣品進(jìn)行相關(guān)分析，煤矸石堆場地表徑流中Fe，Mn含量與pH值之間存在顯著的負(fù)相關(guān)(相關(guān)系數(shù)分別為-0.789，-0.828，p<0.01)，而地表徑流中Fe，Mn含量與泥沙含量之間存在顯著的正相關(guān)(相關(guān)系數(shù)分別為0.754，0.766，p<0.01)。因而，煤矸石堆場植被自然恢復(fù)后，不僅通過降低徑流水的酸度而減少煤矸石中礦物態(tài)Fe，Mn的溶解度，同時也減少了地表徑流作用下礦物顆粒態(tài)Fe，Mn的遷移，對廢棄煤礦區(qū)水環(huán)境質(zhì)量的改善有明顯的促進(jìn)作用，特別是馬尾松生長。

3 討 論

3.1 不同類型植被恢復(fù)對煤矸石堆場Fe/Mn的淋溶遷移影響存在明顯的差異性

植被自然恢復(fù)能明顯的減少降雨過程下煤矸石堆場Fe，Mn的淋溶遷移，其作用效果的順序為：馬尾松幼林>闊葉樹幼林>類蘆草叢，多重比較結(jié)果表明：馬尾松、光皮樺及類蘆生長的煤矸石基質(zhì)滲透水、煤矸石堆場地表徑流水中Fe，Mn的含量均顯著地高于無植被的對照，3種植物種類之間煤矸石基質(zhì)滲透水中Fe，Mn含量未出現(xiàn)顯著性的差異，但馬尾松幼林煤矸石堆場地表徑流水中Fe，Mn的含量均顯著地低于類蘆草叢煤矸石堆場；這種差異主要與不同類型植被的生物量有明顯的關(guān)聯(lián)性；調(diào)查區(qū)樣地煤矸石堆場自然植被覆蓋度均達(dá)80%～90%，但馬尾松幼林的生物量明顯大于光皮樺為主的闊葉樹幼林以及類蘆為主的草叢；由于Fe，Mn是植物生長的必需元素，植物生長過程中植株吸收的大量Fe，Mn被固定在植株體內(nèi)[23-25]。田大倫等對廣西中部丘陵區(qū)的4個不同年齡階段馬尾松人工林內(nèi)Fe，Cu，Zn，Mn，Pb，Ni，Cd等7種微量元素的含量、積累、空間分配進(jìn)行了研究，林木各器官微量元素含量大小排序為：根>葉>枝>皮>干，微量元素在各器官含量大小順序均為：Fe>Mn>Zn>Cu>Pb>Ni>Cd；隨著林齡的增加，微量元素含量存在明顯差異，尤其以Fe突出；樹皮和樹干的貯存量最高，占總貯存量的40%～46%[23]。從本研究結(jié)果也看出(圖1)，在植物生長茂盛的6—7月，馬尾松、光皮樺及類蘆生長的煤矸石基質(zhì)滲透水中Fe，Mn的含量出現(xiàn)最低值；說明植被恢復(fù)過程中植物吸收固定是減少煤矸石中Fe，Mn向水體遷移的主要原因。

表3 不同植被類型下煤矸石堆場地表徑流中泥沙含量、pH及Fe，Mn含量的變化

3.2 植被自然恢復(fù)改變了煤矸石堆場表生環(huán)境，對煤矸石中Fe/Mn的淋溶遷移也產(chǎn)生影響

4 結(jié) 論

植被自然恢復(fù)能明顯地減少煤矸石堆場Fe，Mn的淋溶遷移，馬尾松、光皮樺、類蘆生長下煤矸石基質(zhì)滲透水和煤矸石堆場地表徑流水中Fe，Mn含量均顯著地低于無植物生長的裸露煤矸石，馬尾松幼林、闊葉樹幼林、類蘆草叢煤矸石堆場地表徑流水中Fe的平均含量分別比裸露煤矸石堆場降低85.60%，72.57%和45.27%，而Mn的平均含量則分別比裸露煤矸石堆場減少90.13%，81.11%，60.17%。此外，植被自然恢復(fù)提高了地表覆蓋度，煤矸石堆場地表徑流水的pH值出現(xiàn)明顯的增加，而地表徑流中泥沙含量出現(xiàn)顯著的降低；與裸露煤矸石堆場相比，馬尾松幼林、闊葉樹幼林、類蘆草叢煤矸石堆場地表徑流水的pH值分別平均提高了32.15%，25.47%和12.32%，煤矸石堆場地表徑流中泥沙含量則分別平均降低了40.18%，30.67%，27.91%。植被自然恢復(fù)后不僅能明顯地降低煤矸石中溶解態(tài)Fe，Mn的淋溶遷移，同時也顯著地減少了煤矸石中礦物顆粒態(tài)Fe，Mn向水體的遷移，這種植被作用效果順序為：馬尾松幼林>闊葉樹幼林>類蘆草叢，而且植物生長對減少煤矸石中Fe向水體遷移產(chǎn)生的環(huán)境效應(yīng)大于Mn。植被自然恢復(fù)有助于減少煤矸石堆場Fe，Mn的遷移量及其對周邊水環(huán)境質(zhì)量的影響，特別是馬尾松生長。