3種草本植物結(jié)合改良劑對(duì)鉛鋅尾砂庫的修復(fù)效果

林曉燕， 熊云武， 裴東輝， 任 重，唐 彪，黃 雷，張時(shí)偉，許建新，趙 亮

(深圳市鐵漢生態(tài)環(huán)境股份有限公司，廣東深圳 518040)

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3種草本植物結(jié)合改良劑對(duì)鉛鋅尾砂庫的修復(fù)效果

林曉燕， 熊云武， 裴東輝， 任 重*，唐 彪，黃 雷，張時(shí)偉，許建新，趙 亮

(深圳市鐵漢生態(tài)環(huán)境股份有限公司，廣東深圳 518040)

摘要[目的]研究種植植物結(jié)合土壤改良劑對(duì)鉛鋅尾砂庫的修復(fù)效果，為尾砂庫無土復(fù)墾及實(shí)現(xiàn)生態(tài)修復(fù)提供理論依據(jù)。[方法]開展野外田間試驗(yàn)，在鉛鋅尾砂中添加改良劑TH-LZ01，反季節(jié)種植耐重金屬草本植物紫斑白三葉、金雞菊、紫花苜蓿，同時(shí)以不添加改良劑不種植植物作為對(duì)照，研究添加改良劑后植被恢復(fù)情況以及對(duì)尾砂重金屬含量和pH的影響。[結(jié)果]反季節(jié)種植植物半年后，即使是粗放式管理，3個(gè)添加改良劑種植植物的處理植被覆蓋度均達(dá)70%以上，尤其是紫斑白三葉處理，植被覆蓋度高達(dá)99.76%，遠(yuǎn)高于對(duì)照(6.13%)；添加改良劑TH-LZ01，種植植物可以顯著降低尾砂Cu、Zn、Pb、Cd的DTPA 提取態(tài)含量，降低率分別達(dá)83.00%、78.00%、31.00%、24.00%，效果顯著；金雞菊處理和紫花苜蓿處理的pH較紫斑白三葉處理高，且DTPA-Cu、DTPA-Zn顯著低于紫斑白三葉處理。[結(jié)論]粗放式管理模式下，紫斑白三葉、金雞菊、紫花苜蓿均可作為尾砂庫生態(tài)修復(fù)的先鋒草種，工程應(yīng)用時(shí)可以優(yōu)先考慮使用。

關(guān)鍵詞尾砂；生態(tài)修復(fù)；重金屬；改良劑

尾砂庫作為礦山開采后遺留的廢棄地之一，不僅占用了大量土地，還破壞了礦山原有的植被和景觀，大量裸露尾砂的堆放，易誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害和水土流失。同時(shí)，尾砂中含有大量有毒有害物質(zhì)，如重金屬等，易在水蝕、淋洗、徑流等作用下污染周邊土壤、水體，且尾砂易受風(fēng)蝕，造成揚(yáng)塵污染[1]。因此，對(duì)尾砂庫進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，控制其對(duì)周邊環(huán)境的污染成為研究熱點(diǎn)。尾砂庫生態(tài)修復(fù)以植被重建為關(guān)鍵，但由于尾砂重金屬含量高、大量營(yíng)養(yǎng)元素(如 N、P)缺乏等，限制了植物在尾砂庫的生長(zhǎng)[2-5]。因此，有學(xué)者提出采用人工輔助措施，在尾砂中添加改良劑，同時(shí)種植耐重金屬植物，建立無土復(fù)墾植被恢復(fù)技術(shù)，以穩(wěn)定尾砂庫，改善景觀，控制污染[1,6-7]。張凱等[8]通過盆栽試驗(yàn)表明，將污泥有機(jī)肥作為尾砂改良劑可促進(jìn)黑麥草、白三葉、草木樨、沙打旺的生長(zhǎng)。盧倩倩[9]利用綠肥對(duì)鉛鋅尾礦進(jìn)行改良，通過盆栽試驗(yàn)表明，綠肥可以有效降低尾砂中的重金屬有效態(tài)含量，提高尾砂的營(yíng)養(yǎng)成分含量，將黑麥草綠肥施于尾砂中，可以促進(jìn)黑麥草的生長(zhǎng)，且能降低其對(duì)重金屬的吸收。朱佳文[10]通過盆栽試驗(yàn)表明，赤泥、石灰作為尾砂改良劑，能顯著降低尾砂中Zn、Pb、Cd的有效態(tài)含量，當(dāng)添加量為1%時(shí)，能顯著增加黑麥草的生物量，促進(jìn)黑麥草生長(zhǎng)。結(jié)合改良劑和耐重金屬植物進(jìn)行修復(fù)，實(shí)現(xiàn)無土復(fù)墾，這種原位修復(fù)方法具有成本低，不破壞場(chǎng)地結(jié)構(gòu)，不引起二次污染，相對(duì)可靠，環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，目前該技術(shù)仍停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段，野外田間應(yīng)用試驗(yàn)較少。筆者通過田間試驗(yàn)，研究添加自主研發(fā)的尾砂改良劑TH-LZ01和種植耐重金屬草本植物(紫斑白三葉、金雞菊、紫花苜蓿)，對(duì)植被恢復(fù)及尾砂重金屬含量和pH的影響，旨在為尾砂庫生態(tài)修復(fù)提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況試驗(yàn)尾砂庫位于湖南省郴州柿竹園尾砂庫(113°9′ E，25°47′ N)，北臨大浪江橋，西近白露塘村，南臨將軍石，東靠東河。該地區(qū)屬中亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，四季分明，春早多變，夏熱期長(zhǎng)，秋晴多旱，冬寒期短，年均氣溫15.4～18.3 ℃，年均降雨量125～1 700 mm，無霜期長(zhǎng)。該區(qū)域光、熱、水資源豐富，有利于植物生長(zhǎng)。試驗(yàn)尾砂庫尾砂基本理化性質(zhì)見表1。由表1可知，除Pb、Cd含量均超過國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)3級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值(為保障農(nóng)林生產(chǎn)和植物正常生長(zhǎng)的土壤臨界值)外，其余重金屬指標(biāo)均符合3級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

1.2供試材料供試植物：紫斑白三葉種苗，來源于深圳市鐵漢生態(tài)環(huán)境股份有限公司，為公司自主研發(fā)的產(chǎn)品。金雞菊、紫花苜蓿，均采用種子撒播的方式進(jìn)行種植。

供試改良劑和肥料：改良劑TH-LZ01來源于深圳市鐵漢生態(tài)環(huán)境股份有限公司，為公司自主研發(fā)，主要成分為氧化鈣、海泡石、硫酸亞鐵。NPK復(fù)合肥為嘉安磷復(fù)合肥，硫酸鉀型。

表1　供試尾砂基本理化性質(zhì)

注：*表示數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，n=12；**為土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB 15618—1995。

Note：* indicated data were mean value ± standard deviation,n=12; ** was soil environmental quality standard GB 15618-1995.

1.3試驗(yàn)設(shè)計(jì)田間試驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理，分別為T1：對(duì)照(CK)；T2：紫斑白三葉；T3：金雞菊；T4：紫花苜蓿。每處理3個(gè)重復(fù)，共12個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積為3.0 m× 3.0 m，隨機(jī)排列。小區(qū)間間距0.7 m，并在每個(gè)小區(qū)周邊外側(cè)開挖深、寬度均為0.3～0.5 m的排水溝。在種植前1周，除CK外，每個(gè)小區(qū)均采用改良劑TH-LZ01進(jìn)行改良，添加量為0.5%(V/V)，撒播NPK復(fù)合肥作為基肥，添加量為25 g/m2，與表層尾砂混勻。種植時(shí)，CK不種植植物，紫斑白三葉采用種苗進(jìn)行扦插種植，株行距為15 cm × 15 cm，金雞菊、紫花苜蓿均采用撒播種子的方式進(jìn)行種植，種植密度分別為1.0、1.5 g/m2，播種后，均覆蓋1層稻草保持土壤濕潤(rùn)。試驗(yàn)時(shí)間為2015年10月至2016年3月，種植時(shí)澆定根水，同時(shí)采取粗放式管理，僅在長(zhǎng)期不下雨時(shí)澆水。

1.4樣品采集與分析測(cè)定1.4.1植物樣品采集與測(cè)定。反季節(jié)種植半年后，調(diào)查各處理植物蓋度和生物量。其中，植物蓋度采用目測(cè)判斷法，通過計(jì)算植物在樣方中的分蓋度即植物在一個(gè)樣方中的投影面積占樣方面積的比例，然后取所有分蓋度的平均值作為植物蓋度。植物蓋度=植物在所有樣方中的分蓋度總和/總樣方數(shù)[11]。生物量調(diào)查方法為建立0.5 m×0.5 m的樣方，收集樣方內(nèi)所有植物的地上部分，稱重。同時(shí)，采集各小區(qū)所種植植物的地上部分及根部，每種植物采集5個(gè)混合樣，采集量約0.5 kg，裝入塑料密封袋，標(biāo)記。在實(shí)驗(yàn)室用自來水和去離子水洗凈，吸干表面水分。樣品于105 ℃殺青30 min，然后于65 ℃ 48 h烘干，稱重。植物樣品用萬能粉碎機(jī)磨細(xì)，過0.25 mm尼龍篩，備測(cè)重金屬含量。植物重金屬采用HNO3-HClO4聯(lián)合消煮(GB/T 5009.11-15—2003)，并采用原子吸收光譜法測(cè)定Cu、Zn、Pb、Cd濃度。1.4.2尾砂樣品采集與測(cè)定。種植植物前和種植半年后，采集尾砂樣品，各小區(qū)按“S”形線路采集3個(gè)尾砂樣品，并將其混合成1個(gè)混合樣，采集深度0～30 cm，采集量約0.5 kg，采集后立即將樣品裝入塑料密封袋，標(biāo)記。在實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干，除去土壤中的石塊、植物根系和凋落物等，并研磨過20、100目尼龍篩，包裝登記后保存?zhèn)錅y(cè)。尾砂的有機(jī)質(zhì)、全N、全P、pH測(cè)定均參照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[12]，全K、全Cu、全Zn、全Pb、全Cd均采用HCl-HNO3-HF-HClO4消煮-原子吸收光譜法測(cè)定(GB/T 17138—1997)，重金屬有效態(tài)含量采用DTPA 浸提法[13]。

1.5數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)用EXCEL 2010處理，采用SAS 8.1軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多重比較。

2結(jié)果與分析

2.1尾砂植被恢復(fù)情況通過對(duì)植物的生長(zhǎng)狀況進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)可知(表2)，反季節(jié)種植植物半年后，T2、T3、T4處理植被覆蓋度最低達(dá)70.00%，遠(yuǎn)高于CK(6.13%)，初步實(shí)現(xiàn)了裸露尾砂快速植物恢復(fù)，有效抑制了水土流失和揚(yáng)塵。3個(gè)種植植物處理中，T2處理植被覆蓋度達(dá)到99.76%，明顯高于T3處理(70.00%)和T4處理(75.00%)，這可能與紫斑白三葉采用種苗進(jìn)行種植，其他2個(gè)處理采用種子進(jìn)行種植有關(guān)。從生物量和優(yōu)勢(shì)植物及其蓋度來看，除CK外，各處理優(yōu)勢(shì)植物均為種植的植物，且優(yōu)勢(shì)植物蓋度最低達(dá)69.33%，生物量達(dá)29.11 g/m2(DW)，遠(yuǎn)高于CK。這表明通過向尾砂中添加改良劑TH-LZ01，反季節(jié)種植植物，即使是粗放式管理也是可行的。

表2　不同處理植物種類、蓋度及生物量比較

2.2植物體重金屬含量通過測(cè)定各處理種植植物的地上部和根部重金屬含量可知(表3)，植物組織中重金屬含量相對(duì)較低，地上部分重金屬Cu、Zn、Pb、Cd的濃度范圍分別為2.11～12.98、20.65～98.76、81.00～100.10、2.66～6.48 mg/kg，根部重金屬Cu、Zn、Pb、Cd的濃度分別為1.86～26.27、13.51～51.46、35.38～166.30、1.35～2.19 mg/kg，變化范圍相對(duì)較大。3種植物中Cu、Zn含量和紫花苜蓿根部Pb含量均在正常含量范圍內(nèi)，3種植物體內(nèi)Pb、Cd含量均高于正常含量范圍高值(Cu、Zn、Pb、Cd的正常范圍分別為0.40～45.80、1.00～160、0.10～41.70、0.08～0.15[14-15])。

表3　植物體不同部位重金屬含量

通過計(jì)算植物對(duì)重金屬的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)可知(表4)，3種植物對(duì)Cu、Zn、Pb的富集系數(shù)均小于1.00，尤其是Cu、Pb更低，富集系數(shù)分別為0.03～0.16、0.10～0.13，說明3種植物地上部分富集土壤中Cu、Pb的能力較低，而Cd的富集系數(shù)均大于1.00，這可能是由于尾砂中Cd的含量相對(duì)較低。而除紫斑白三葉Cu和金雞菊Cu、Pb的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)小于1.00外，其余均大于1.00，這說明植物從土壤中吸收的重金屬通過根部轉(zhuǎn)運(yùn)到地上部的能力較強(qiáng)。

表4　植物體重金屬生物富集系數(shù)及運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)

注：富集系數(shù)=植物地上部分重金屬含量/土壤重金屬含量;轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)=植物地上部分重金屬含量/植物根部重金屬含量。

Note：Concentration coefficient = Heavy metal content of plant aboveground part / soil heavy metal content; transfer coefficient =Heavy metal content of plant aboveground part / Heavy metal content of plant roots.

重金屬污染的尾砂上生長(zhǎng)的植物對(duì)重金屬污染均具有一定耐性，結(jié)合其覆蓋度和生物量可知，紫斑白三葉、金雞菊、紫花苜蓿均可作為尾砂庫生態(tài)修復(fù)的先鋒草種，可以利用草本植物迅速生長(zhǎng)蔓延的能力，快速實(shí)現(xiàn)尾砂庫植被覆蓋，使土壤逐漸改良。同時(shí)，紫斑白三葉、紫花苜蓿具有固氮作用，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，即使不施肥，植物也能實(shí)現(xiàn)自我恢復(fù)，從而實(shí)現(xiàn)尾砂庫穩(wěn)定的植被恢復(fù)，最終實(shí)現(xiàn)尾砂庫生態(tài)修復(fù)，工程應(yīng)用時(shí)可以優(yōu)先考慮使用。

2.3植被恢復(fù)后尾砂pH和重金屬含量比較植被恢復(fù)后各處理的pH可知(表5)，3個(gè)植物處理尾砂pH無明顯區(qū)別，為8.41～8.46,但均顯著低于CK(8.68)，這表明尾砂中添加改良劑及種植植物可降低尾砂的pH。通過對(duì)尾砂重金屬全量進(jìn)行分析測(cè)定可知(表5)，CK的尾砂重金屬全量Cu、Zn、Pb、Cd均顯著低于3個(gè)植物處理，而T3、T4處理的Cu、Zn、Pb、Cd含量均較T2處理低，且除了T3處理的Cd含量顯著低于T2處理外，3個(gè)處理間Cu、Zn、Pb、Cd含量的差異不顯著。這表明尾砂中添加改良劑，可以利用改良劑穩(wěn)定重金屬，促進(jìn)植物生長(zhǎng)，從而利用植物根系有效抑制重金屬隨水土流失。

對(duì)尾砂重金屬Cu、Zn、Pb、Cd的DTPA 提取態(tài)含量進(jìn)行測(cè)定可知(表6)，3個(gè)植物處理的DTPA-Cu、DTPA-Zn、DTPA-Pb、DTPA-Cd 含量顯著低于CK，且與種植前相比，3個(gè)植物處理植被恢復(fù)后DTPA-Cu、DTPA-Zn、DTPA-Pb、DTPA-Cd 含量均較種植前明顯降低，降低率分別達(dá)83.00%、78.00%、31.00%、24.00%，而CK的DTPA-Cu、DTPA-Zn、DTPA-Pb、DTPA-Cd 含量比種植前雖有降低，但不明顯，降低率分別為2.55%、5.57%、10.84%、12.67%。這表明在尾砂中添加改良劑TH-LZ01，可有效降低尾砂重金屬的有效態(tài)含量，從而降低尾砂重金屬的毒性。而3個(gè)種植植物的處理，T3、T4處理DTPA-Cu、DTPA-Zn、DTPA-Pb、DTPA-Cd 含量均較T2處理低，尤其是DTPA-Cu、DTPA-Zn含量與T2處理差異顯著，這可能是由于紫斑白三葉的根系可以分泌有機(jī)酸等酸性物質(zhì)，且紫斑白三葉生長(zhǎng)較好，覆蓋度較大，植物根系較發(fā)達(dá)，造成尾砂的pH較T3、T4處理低，從而T2處理尾砂的重金屬活性較T3、T4處理高，重金屬有效態(tài)含量較T3、T4處理高。

表5不同處理植被恢復(fù)后尾砂pH和重金屬含量

Table 5Tailings pH and heavy metal contents after vegetation recovery in different treatments

處理TreatmentpH重金屬全量(DW)Heavymetalcontent∥mg/kg(DW)CuZnPbCdT1(CK)8.68±0.07a73.33±4.16b137.50±7.00b758.00±10.6b2.27±0.05cT28.41±0.05b82.57±2.37a152.10±3.60a794.00±5.91a2.41±0.02aT38.44±0.09b79.47±1.62a149.40±4.16a781.40±5.51a2.34±0.02bT48.46±0.06b78.67±1.42a148.70±4.04a786.70±7.77a2.35±0.03ab

注：同列不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。

Note：Different lowercases in the same row indicated significant differences among treatments (P< 0.05).

表6　不同處理植被恢復(fù)后尾砂重金屬DTPA提取態(tài)含量

注：同列不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。

Note：Different lowercases in the same row indicated significant differences among treatments (P< 0.05).

3結(jié)論

(1) 反季節(jié)種植植物半年后，即使是粗放式管理，3個(gè)添加改良劑種植植物處理的植被覆蓋度均達(dá)70.00%及以上，尤其是紫斑白三葉處理，植被覆蓋度高達(dá)99.76%，遠(yuǎn)高于對(duì)照處理(6.13%)，初步實(shí)現(xiàn)了裸露尾砂快速植被恢復(fù)，有效抑制了水土流失和揚(yáng)塵。

(2) 反季節(jié)種植紫斑白三葉、金雞菊、紫花苜蓿，即使是粗放式管理也是可行的，且3種植物均可作為礦區(qū)植被恢復(fù)的先鋒草種，工程應(yīng)用時(shí)可以優(yōu)先考慮使用。

(3) 尾砂中添加改良劑TH-LZ01及種植植物可以顯著降低尾砂Cu、Zn、Pb、Cd DTPA 提取態(tài)含量，降低率分別達(dá)83.00%、78.00%、31.00%、24.00%，尾砂重金屬的毒性降低明顯，修復(fù)效果顯著。

(4) 金雞菊處理和紫花苜蓿處理的pH較紫斑白三葉處理高，且DTPA-Cu、DTPA-Zn含量顯著低于紫斑白三葉處理。

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基金項(xiàng)目廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2015B090904008);廣東省軟科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2014B090903015)；深圳市科技計(jì)劃項(xiàng)目(CXZZ20140418105252027)；深圳市戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項(xiàng)資金(發(fā)改辦高技[2013]2556號(hào))；廣東省工程技術(shù)研究開發(fā)中心入庫項(xiàng)目(粵科函政字 [2013] 1589號(hào))。

作者簡(jiǎn)介林曉燕(1988- )，女，廣東汕頭人，助理工程師，碩士，從事土壤污染與修復(fù)研究。*通訊作者，工程師，博士，從事土壤污染與修復(fù)研究。

收稿日期2016-04-13

中圖分類號(hào)S 181

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)0517-6611(2016)13-115-04

Repairing Effect of Three Herbs Combined with Modifier on Lead-zinc Tailings

LIN Xiao-yan,XIONG Yun-wu,PEI Dong-hui,REN Zhong*et al

(Shenzhen Techand Ecology & Environment Co.,Ltd.,Shenzhen,Guangdong 518040)

Abstract[Objective] To realize soiless reclamation,and to provide the theory basis for ecological restoration of lead-zinc tailings.[Method] A field experiment was conducted; and modifier (TH-LZ01) was added in lead-zinc tailings.Anti-season cultivation of heavy metal tolerance herbs was carried out,such as white clover (Trifolium repens L.),coreopsis (Coreopsis drummondii Torr.et Gray) and alfalfa (Medicago sativa L.).With treatment of no adding modifier and no plant cultivation as the control,we analyzed the vegetation recovery after adding modifier,and the effects on pH and heavy metal contents in tailings.[Result] After the anti-season plant was cultivated for six months,vegetation coverage of three treatments of adding modifier all reached 70%,even under extensive management.Especially that the vegetation coverage of white clover treatment was up to 99.76%,which was far higher than the control (6.13%). Adding modifier TH-LZ01 significantly reduced DTPA extraction contents of Cu,Zn,Pb,and Cd,and the reduction rates were 83%,78%,31% and 24%,respectively.Coreopsis treatment and alfalfa treatment had higher pH than white clover treatment,and DTPA-Cu and DTPA-Zn contents were significantly lower than those of white clover treatment.[Conclusion] Under extensive management,white clover,coreopsis and alfalfa can be used as the pioneer herbs of tailing ecological restoration,and should give priority in engineering application.

Key wordsTailings; Ecological restoration; Heavy metal; Modifier