礦區(qū)土壤重金屬污染植物修復(fù)探討
——以新余市仰天崗為例

葉生晶，何 見，但新球

(國家林業(yè)局中南林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院，長沙 410014)

礦區(qū)土壤重金屬污染植物修復(fù)探討
——以新余市仰天崗為例

葉生晶，何 見，但新球

(國家林業(yè)局中南林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院，長沙 410014)

植物修復(fù)是礦區(qū)重金屬污染常用的一種生物修復(fù)方法，將植物修復(fù)應(yīng)用于礦區(qū)土壤重金屬污染治理已成為環(huán)境科學(xué)和土壤學(xué)的研究熱點(diǎn)之一。在分析礦區(qū)土壤重金屬污染現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對植物修復(fù)土壤重金屬進(jìn)行了綜述，并以新余市仰天崗礦山生態(tài)環(huán)境保護(hù)與治理為例，探討植物修復(fù)在礦區(qū)污染治理方面的規(guī)劃應(yīng)用，以期為礦區(qū)污染及其修復(fù)的研究提供科學(xué)依據(jù)。

礦區(qū)；土壤；重金屬污染；植物修復(fù)

近年來隨著人口的不斷增長，工業(yè)化和城市化的快速發(fā)展，資源和能源的大量消耗和不合理利用，土壤重金屬污染問題日益突出。礦產(chǎn)資源的開發(fā)和利用是造成土壤重金屬污染的主要原因之一，嚴(yán)重破壞原有土壤生態(tài)系統(tǒng)，造成植被退化，減少土壤生物及微生物多樣性，危害當(dāng)?shù)厣姝h(huán)境。土壤重金屬污染長期影響作物生長，降低農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量及品質(zhì)，通過食物鏈對人體造成傷害。

目前，礦區(qū)土壤重金屬污染修復(fù)方法很多，主要包括：工程物理化學(xué)法、農(nóng)業(yè)化學(xué)調(diào)控法、生物法等。80年代美國就開始了應(yīng)用生態(tài)學(xué)原理和技術(shù)修復(fù)污染土壤，即生物修復(fù)(Bioremediation)方面的研究[1]。近年來的研究結(jié)果證明，生物修復(fù)是既安全又經(jīng)濟(jì)的方法。植物修復(fù)(Phytoremediation)是修復(fù)污染土壤常用的一種生物修復(fù)方法，主要通過植物—微生物復(fù)合系統(tǒng)的降解、吸收與轉(zhuǎn)化。礦區(qū)土壤污染中重金屬含量較高，使得大多數(shù)植物無法生存，但有一些富集或超富集植物能夠正常生長，并對污染土壤中重金屬進(jìn)行吸收或吸附，進(jìn)而減輕污染土壤重金屬危害，提升土壤健康狀況，有利于礦區(qū)污染土壤的質(zhì)量恢復(fù)。因此，將植物修復(fù)應(yīng)用于礦區(qū)土壤重金屬污染治理已成為環(huán)境科學(xué)和土壤學(xué)的研究熱點(diǎn)之一[2-4]。本文介紹了礦區(qū)土壤重金屬污染現(xiàn)狀，并對植物修復(fù)土壤重金屬進(jìn)行了綜述，以期為礦區(qū)污染及其修復(fù)的研究提供科學(xué)依據(jù)。

1 礦區(qū)土壤重金屬污染現(xiàn)狀

1.1 礦區(qū)土壤重金屬來源及危害

礦區(qū)資源的開發(fā)，尤其是金屬礦產(chǎn)資源，在開礦、選礦、冶煉的過程中，伴隨著礦產(chǎn)開發(fā)中的廢石、尾砂、礦塵、廢水、廢氣等的產(chǎn)生，大量重金屬元素直接進(jìn)入礦區(qū)及其周邊地區(qū)的土壤中，造成嚴(yán)重的土壤重金屬污染。有色和貴金屬礦石由于品位很低，且提取工藝復(fù)條，使得其開發(fā)過程產(chǎn)生大量固體廢棄物，破壞和壓占大量土地，造成的環(huán)境污染現(xiàn)象更為嚴(yán)重。每開采1t礦石，有用資源僅僅為0.02 t，伴隨著產(chǎn)生0.42 t廢石、0.52 t尾礦及0.04 t冶煉廢渣[5]。尾礦、廢渣及廢石中的重金屬含量極高，在降雨、風(fēng)化等作用下，向礦區(qū)及毗鄰農(nóng)田土壤中擴(kuò)散，造成農(nóng)田土壤質(zhì)量下降，危害糧食、蔬菜等農(nóng)作物生長，通過食物鏈對人體造成威脅[6-7]。更為嚴(yán)重的是土壤重金屬污染具有隱蔽性、長期性和不可逆性等特點(diǎn)，毒性大，眾多重金屬具有致癌或致突變性，如鋅、鉛、鎘、砷、鉻等，因此土壤一旦被污染，便很難被清除干凈，并造成惡性循環(huán)，長期對生態(tài)系統(tǒng)造成威脅。

1.2 礦區(qū)土壤重金屬污染國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

一些西方國家對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)研究開展得較早，積累了豐富的防治經(jīng)驗(yàn)，在處理可能的環(huán)境問題時(shí)，強(qiáng)調(diào)“預(yù)防優(yōu)于治理”[8-11]，以把被破壞的礦區(qū)生態(tài)環(huán)境修復(fù)到原有狀態(tài)為目的。印度的Prasad B等對Himalayas地區(qū)石灰石礦區(qū)的地表水體中的重金屬含量展開調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)水體已經(jīng)受到鈷、銅、和鎳等重金屬污染；Teieira E.C等對巴西的RS Baixo Jacui地區(qū)的煤礦區(qū)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)河流底部沉積物受到鉛、鋅、銅、鐵和鎳等重金屬污染，這一狀態(tài)是由于煤礦開采引起；Dinelli E等對意大利北部的Vigonzano區(qū)的銅礦進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)礦區(qū)尾礦渣鉻、鎳、銅和鈷等重金屬的富集現(xiàn)象，原因是堆放的尾渣可能對水體中鋅、鐵和鎘含量的升高造成影響[12]。

我國對于礦區(qū)土壤重金屬污染的研究開始的相對較晚，礦山生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)重建工程發(fā)展比較緩慢[13]。曾經(jīng)由于資金、技術(shù)、管理等方面的措施不能及時(shí)到位，我國礦區(qū)土壤污染嚴(yán)重，治理修復(fù)技術(shù)落后，相較于發(fā)達(dá)國家對于礦區(qū)廢棄地復(fù)墾率高達(dá)5%而言[14]。我國金屬礦產(chǎn)資源豐富，以銅礦和鉛鋅礦為主，共有9000多座大中型礦山及26 萬座小型礦山，已存在近4 萬km2被侵占，造成330km2/ a廢棄土地[12]。目前對于重金屬污染的研究大多集中于礦產(chǎn)開發(fā)的重金屬污染狀況及重金屬生物有效性方面。周建民等研究了廣東大寶山礦區(qū)污染情況，研究發(fā)現(xiàn)礦區(qū)土壤污染重金屬主要有銅、鋅、砷、鎘、鉛，復(fù)合綜合污染指數(shù)為0.89～32.34[15]。楊振等[16]研究了程潮鐵礦區(qū)的廢水和固體廢棄物污染情況，分析得到土壤中存在不同程度的重金屬積累。宋書巧等[17]對廣西大廠礦區(qū)沿江金洞村農(nóng)田的研究發(fā)現(xiàn)，農(nóng)田土壤中砷、鉛、鎘、鋅復(fù)合污染情況嚴(yán)重。

1.3 礦區(qū)土壤重金屬污染治理方法

目前土壤重金屬污染治理方法主要有三類：工程物理化學(xué)法、農(nóng)業(yè)化學(xué)調(diào)控法、生物修復(fù)法[7,18-19]。治理機(jī)理主要是通過改變土壤中重金屬存在形式，降低其遷移性和生物可用性，或是直接從土壤中去除重金屬，或是改變種植方式，避免重金屬流入食物鏈。工程物理化學(xué)法包括客土法、物理固化法、絡(luò)合法、電化學(xué)法、熱處理法等，通過物理和化學(xué)的原理對土壤重金屬進(jìn)行治理，具有徹底治理及效果穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，但是往往操作復(fù)雜、成本高，易遺留二次污染等問題；農(nóng)業(yè)化學(xué)調(diào)控法是通過添加改良劑、抑制劑或農(nóng)業(yè)措施，調(diào)節(jié)土壤理化性質(zhì)，抑制土壤重金屬遷移，具有成本低、易實(shí)施等優(yōu)點(diǎn)，也具有修復(fù)效果不明顯、高風(fēng)險(xiǎn)等缺點(diǎn)；生物修復(fù)法只要利用生物的新陳代謝活動，對土壤中重金屬進(jìn)行吸收、轉(zhuǎn)移，從而緩解土壤重金屬污染，該方法的優(yōu)點(diǎn)有無污染、低成本等，往往此方法可同時(shí)治理多種重金屬復(fù)合污染[19-20]。

2 植物修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展

植物修復(fù)(Phytoremediation)技術(shù)修復(fù)污染土壤常用的一種生物修復(fù)方法，主要是利用綠色植物的新陳代謝活動來固定、降解、提取和揮發(fā)土壤或水體中的重金屬。由于其較其它土壤修復(fù)方法更具低成本、無污染轉(zhuǎn)移或二次污染、環(huán)境擾動小、能夠?qū)κ芪廴镜牡叵滤M(jìn)行修復(fù)，同時(shí)具有礦藏指示作用，是目前土壤修復(fù)技術(shù)與工程學(xué)科公認(rèn)的研究熱點(diǎn)和前沿領(lǐng)域之一[20-21]。

2.1 植物修復(fù)土壤重金屬的機(jī)制

植物修復(fù)技術(shù)根據(jù)其作用過程及機(jī)制，可分為4種類型：一是植物穩(wěn)定(Phytostabilization)，是指植物種植在一定濃度重金屬污染的土壤中，通過自身吸收、分解、氧化還原和沉淀固定等過程，使污染土壤中重金屬有效性降低，防止重金屬的擴(kuò)散和滲濾，一般適用于礦區(qū)廢石、廢渣的處理[22]；二是植物揮發(fā)(Phytovolatilization)，是指植物在吸收和積累污染土壤重金屬后，通過自身體內(nèi)轉(zhuǎn)化及揮發(fā)作用，去除土壤中一些揮發(fā)性重金屬污染物，如汞、硒和砷，釋放到大氣中的揮發(fā)重金屬，往往對環(huán)境造成傷害，對人畜具有一定風(fēng)險(xiǎn)；三是根際過濾(Rhizofiltration)，是指植物通過根際環(huán)境，對重金屬進(jìn)行的過濾作用，例如水浮蓮、浮萍、水葫盧等水生植物利用自身的吸附能力，減輕重金屬對水體的污染程度[23]，一般應(yīng)用于人工濕地或生物塘；四是植物提取(Phytoextraction)，指具有富集或超富集能力的植物，從污染土壤中將重金屬從地下部分轉(zhuǎn)移至地上部分，最終達(dá)到去除土壤重金屬的效果[22，24]。

2.2 植物修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展

礦區(qū)土壤重金屬污染植物修復(fù)的理想對象是重金屬耐性植物(Metaltolerant Plants)、重金屬富集植物(Hyperaccuimilator)和指示性植物(Indicator)，這些植物在自然演化和自然選擇作用下，分布在礦區(qū)土壤重金屬污染土壤區(qū)域[21]。早期對于礦產(chǎn)開發(fā)指示性植物的調(diào)查研究為超累積植物的發(fā)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。早在20世紀(jì)40年代Minguzzi等就發(fā)現(xiàn)意大利Tuscany地區(qū)庭芥屬的A.bortolonti植物葉組織中已含超過1%的鎳。在已發(fā)現(xiàn)的超過400種重金屬超級累植物中，一些植物能同時(shí)對兩種或多種重金屬進(jìn)行超量吸收和積累。目前，礦區(qū)土壤重金屬污染的植物修復(fù)技術(shù)主要集中在試驗(yàn)和嘗試性階段。礦區(qū)廢棄地的復(fù)墾，主要目的是將土壤恢復(fù)至農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平[5]。植物修復(fù)作為綠色環(huán)保、高效低成本的修復(fù)技術(shù)，在礦區(qū)復(fù)墾領(lǐng)域具有無法比擬的優(yōu)勢，是相關(guān)領(lǐng)域的前沿研究熱點(diǎn)之一。楊修等[25]對江西德興銅礦1號尾礦庫內(nèi)純尾砂立地的修復(fù)采用了植被恢復(fù)演替、土壤生物改良和客土復(fù)墾三種模式；丁佳紅等[26]對獅子山銅礦區(qū)的修復(fù)研究，發(fā)現(xiàn)節(jié)節(jié)草、一年蓬、小飛蓬等植物能夠很好地生長在銅含量較高的土壤中。

3 應(yīng)用實(shí)例：仰天崗植物修復(fù)技術(shù)

3.1 工程地概況

仰天崗位于新余市城區(qū)西北面，有新余“城市綠肺”的美譽(yù)，總面積21.7893 km2，屬中亞熱帶濕潤性氣候，年均氣溫17.7 ℃，平均日照時(shí)數(shù)為1655.4 h，平均無霜期281 d，年平均相對濕度為80%。仰天崗山嶺屬于羅霄山脈，主要以丘陵地貌形態(tài)為主，其母巖以變質(zhì)巖系、花崗巖、石灰?guī)r、砂質(zhì)巖為主。仰天崗植物資源以木荷(SchimasuperbaGardn.etChamp.)、油茶(CamelliaoleiferaAbel.)、山合歡(Albizziakalkora(Roxb.)Prain)、樟樹(Cinnamomumcamphora(Linn.)Presl)、馬尾松(PinusmassonianaLamb.)、檵木(Loropetalumchinense(R. Br) Oliv)、杜鵑(RhododendronsimsiiPlanch.)等為主。

3.2 修復(fù)方案

目前，仰天崗礦區(qū)共有5個礦山開采區(qū)，占地總面積為267.29 hm2。生態(tài)恢復(fù)治理以礦區(qū)植被恢復(fù)為目標(biāo)，充分考慮礦地綜合利用的價(jià)值，按科技型、環(huán)保型、生態(tài)型的要求建設(shè)礦山，做到邊開采、邊治理，積極推行“綠色礦山”生產(chǎn)模式。以鄉(xiāng)土樹種為主，喬、灌、草、藤相結(jié)合，針闊、常綠落葉混交的模式進(jìn)行植被恢復(fù)。在原有土地面貌基礎(chǔ)上，平整廢礦石，栽種已篩選植物，開展不同造林模式，通過后期營林管護(hù)措施，來達(dá)到礦區(qū)修復(fù)目標(biāo)。具體操作方案如下：

1) 平整廢礦石 。為改善土壤的理化性質(zhì)，提高造林成活率，將條件成熟的地段對廢礦石進(jìn)行清運(yùn)。通過整地、挖土、覆土及切花壇等工程措施，將礦區(qū)土地進(jìn)行整理規(guī)劃。

2) 植物篩選。根據(jù)造林立地條件和林木培育目的，在鄉(xiāng)土樹種中選擇適應(yīng)性強(qiáng)、抗逆性強(qiáng)的植物品種。篩選得到的本土植物品種，增加土壤肥力，可有效地阻止風(fēng)蝕和水蝕，節(jié)省種植費(fèi)用。根據(jù)仰天崗實(shí)際情況，我們篩選得出：常綠喬木有濕地松、紅葉石楠、桂花、大葉女貞、香樟；落葉喬木有楓香、櫻桃；灌木：鉤骨、杜鵑、火棘；藤本：地枇杷、葛藤、紫藤、爬山虎；草本有野菊花、狗尾草、五節(jié)芒、三葉草、紫云英、黑麥草。

3) 造林模式。根據(jù)修復(fù)地坡度及地質(zhì)不同，開展不同造林模式，主要有：陡坡廢礦石造林模式、緩坡廢礦石造林模式、混交平緩坡廢礦石模式、景觀苗木平緩坡廢地造林模式、耐濕抗污染植物尾礦庫造林模式。

4) 管護(hù)措施。為鞏固礦山造林綠化工程的工作成果，必須加強(qiáng)苗木栽植后的管護(hù)。管護(hù)措施主要包括：澆水、施肥、病蟲害防治、抗旱和冬季保暖措施。養(yǎng)護(hù)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)是保證栽植后年生長量應(yīng)達(dá)到0.8～1.5 m；無缺株，無損壞，無病蟲害，生長良好；綠化施工保養(yǎng)期兩年。

通過植物修復(fù)治理措施對礦區(qū)植被進(jìn)行保護(hù)和恢復(fù)，從根本上改善礦區(qū)及其影響區(qū)域的生態(tài)環(huán)境，維護(hù)生態(tài)平衡，建立礦區(qū)生態(tài)環(huán)境治理恢復(fù)長效機(jī)制，改善礦區(qū)周邊地區(qū)人居環(huán)境，保障礦區(qū)植被恢復(fù)建設(shè)的有序進(jìn)行。

4 展望

綜上所述，礦區(qū)土壤重金屬污染的植物修復(fù)過程是非常復(fù)雜的，容易受多方面因素的影響，比如植物本身的特性，土壤環(huán)境和氣候條件等等。因此，要想使植物修復(fù)在礦區(qū)土壤重金屬的修復(fù)方面得到理想的效果，還需更加深入的探討和研究。從個體、微觀、局部到宏觀和整個生態(tài)系統(tǒng)的多層次多角度的研究，將使土壤重金屬污染的植物修復(fù)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用上更具科學(xué)性，更容易實(shí)現(xiàn)。因此，礦區(qū)土壤重金屬污染修復(fù)技術(shù)的研究還可以從以下幾方面進(jìn)行完善：一是創(chuàng)建相關(guān)數(shù)據(jù)庫，通過互聯(lián)網(wǎng)手段，共享有關(guān)礦區(qū)植物修復(fù)數(shù)據(jù)，避免重復(fù)研究，節(jié)約資源；二是完善礦區(qū)土壤重金屬污染預(yù)警和防治系統(tǒng)，使礦區(qū)污染土壤重金屬的修復(fù)技術(shù)更加規(guī)范化；三是加強(qiáng)礦區(qū)土壤重金屬污染修復(fù)技術(shù)的合作開發(fā)，統(tǒng)籌不同治理方法，優(yōu)化治理手段。

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ResearchonPhytoremediationofHeavyMetalContaminatedSoilinMiningArea:A Case Study of Yangtiangang in Xinyu City

YE Shengjing，HE Jian，DAN Xinqiu

(Central South Forest Inventory and Planning Institute of State Forestry Administration, Changsha 410014, Hunan, China)

Phytoremediation is one of the commonly methods used in repairing contaminated soil. Application of phytoremediation to the soil heavy metal pollution in mining area has become one of the hotspots in the environmental science and soil science. This paper introduced the present situation of heavy metal pollution in mining area, summarized the heavy metal pollution in soil, and took ecological environmental protection and governance of Yangtiangang mining area in Xinyu city for example, discussed the phytoremediation in mining area pollution control planning applications, in order to provide the scientific basis for the study of mining pollution and remediation.

mining area；soil；heavy metal pollution；phytoremediation

2015-12-11

葉生晶(1986-)，男，甘肅武威人，助理工程師，主要從事石漠化監(jiān)測與研究工作。

S 731.6；X 321

A

1003-6075(2015)04-0041-04

10.16166/j.cnki.cn43-1095.2015.04.011