黃石廢棄采石場人工植被修復(fù)后重金屬含量特征及污染評價

尹曉蛟 唐利君 曾慶春 白琳 趙玉清 楊旭

摘 要： 對黃石市黃荊山北麓廢棄采石場因不同修復(fù)模式形成的各植被群落中土壤的重金屬進(jìn)行比較研究，并應(yīng)用內(nèi)梅羅污染指數(shù)法和哈坎松潛在生態(tài)危害法評價土壤重金屬污染程度。結(jié)果表明：（1）試驗中的七種復(fù)墾模式對于改善采石場廢棄地土壤重金屬污染狀況有一定的效果，且效果因植被修復(fù)模式而異；（2） 刺槐對降低超標(biāo)重金屬Cd 的效果好，而在降低重金屬Cu的效果上，多花木藍(lán)優(yōu)于小葉女貞；（3）內(nèi)梅羅污染指數(shù)法評價結(jié)果中，刺槐純林綜合污染指數(shù)最小，在各樣地超標(biāo)重金屬中Cd的貢獻(xiàn)率最大，而以Ni貢獻(xiàn)率最??；哈坎松潛在生態(tài)危害評價結(jié)果中僅以客土噴播刺槐純林和客土噴播鹽膚木+刺槐混交林的土壤污染危害較小，為輕微級別。

關(guān)鍵詞： 廢棄采石場；人工植被修復(fù)；重金屬；污染評價 ；黃石市

中圖分類號：X53 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004-3020（2018）01-0034-06

Distribution and Pollution Assessment of Heavy Metals

in Soils After Artificial Vegetation Restoration in Abandoned Quarries in Huangshi

Yin Xiaojiao（1） Tang Lijun（2） Zeng Qingchun（3） Bai Lin（1） Zhao Yuqing（1） Yang xu（1）

（1.Hubei Ecology Vacational College Wuhan 430200； 2.Hubei Provincial Peoples Government Wuhan 430071；3.Hubei Hydrographic and Water Resources Survey Bureau Wuhan 430071）

Abstract： Based on the comparison of vegetation communities developed from various restoration models on abandoned quarry in mount Huangjing， the characteristics and pollution level of heavy metal in soil are studied and evaluated with the methods of Nemerow Pollution Index and Hakanson potential ecological risks. The results indicate that： （1） the seven recovery models in the abandoned quarries are proved to be effective to reduce heavy metals content， varying from different vegetation restoration models； （2） Robinia pseudoacacia has the best result to reduce excessive heavy metals Cd， while Indigofera amblyantha Craib produces a better record than Ligustrum quihoui of decreasing heavy metal Cu in the soil； （3） with regards to Nemerow Pollution Index， pure Robinia pseudoacacia stands are reported with the lowest comprehensive pollution. Cd is the biggest contributor to the heavy metals pollution， while Ni is the slightest one in all the heavy metals studied； From the results of evaluating Hakanson potential ecological risks， only the pure Robinia pseudoacacia stands and their mixed plantations with Rhus chinensis by soil spray-sowing register the mild level of soil pollution risks.

Key words： abandoned quarry； artificial vegetation restoration； heavy metals； pollution assessment；Huangshi

礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用自古以來在中國國民經(jīng)濟(jì)及社會發(fā)展中起著關(guān)鍵作用。特別是建國以來開山采礦呈現(xiàn)日益繁榮的景象，然而，礦石開采造成的負(fù)面影響同樣不可小覷。隨采礦工業(yè)產(chǎn)生的污水、塵土以及高濃度的重金屬或非金屬元素將對當(dāng)?shù)匾约爸苓叺貐^(qū)的生物感受器和生態(tài)系統(tǒng)造成不利影響。而在尾礦區(qū)及采石場廢棄地，因歷經(jīng)一番無節(jié)制的開采卻不采取任何保護(hù)措施，終致邊坡裸露，水土流失，環(huán)境污染，生態(tài)景觀破壞[1]。因此，對廢棄采石場及時進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，重建礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)已成為當(dāng)前工作焦點[2]。植被重建法因其優(yōu)良顯著的穩(wěn)定邊坡，控制污染，恢復(fù)景觀，保持水土，耗資合理等優(yōu)勢倍受矚目[3]。

重金屬污染是采石場廢棄地最普遍最為嚴(yán)重的環(huán)境問題之一，礦區(qū)中重金屬污染物將通過水流和大氣散播至周邊地區(qū)，致使周邊地區(qū)土壤污染，其污染程度及污染物的空間分布由重金屬散播方式?jīng)Q定。污染地區(qū)因重金屬濃度過高，嚴(yán)重阻礙了當(dāng)?shù)刂脖簧L[4]。少數(shù)植物可耐受土壤中高濃度的重金屬元素而得以在污染區(qū)自然生長，并不斷吸收和積累土壤中的重金屬元素。目前國內(nèi)外利用重金屬的超富集植物改良土壤已卓見成效[5]。

近年來，關(guān)于礦地土壤重金屬的研究內(nèi)容多集中在其污染評價和環(huán)境修復(fù)方面，但關(guān)于采石場廢棄地植被修復(fù)后土壤中重金屬元素的含量特征及變化趨勢的研究相對較少[6-8]。本文調(diào)查研究了黃石地區(qū)黃荊山北麓廢棄采石場經(jīng)植被重建后，形成的七種人工植被群落中的土壤重金屬含量分布特征，旨在探索植被修復(fù)模式與廢棄地重金屬分布狀況間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，另一方面評價植被重建后的重金屬污染狀況，以期為采石礦廢棄地植被修復(fù)工程的實施提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣地設(shè)置

研究地位于湖北省黃石市黃荊山北麓上窯至下陸沿線采石場廢棄地，屬于亞熱帶氣候類型，年均降雨量1 3826 mm，年均溫19 ℃。該區(qū)地質(zhì)成分以石灰?guī)r為主，兼有泥質(zhì)灰?guī)r、白云巖等裸巖，巖石堅硬且保水性差，植被再生困難。廢棄地邊坡平均高為80 m，坡度較陡，多為70°以上斜坡?；谝陨弦蛩?，斜坡幾無植被覆蓋。針對采石場廢棄地資源裸露現(xiàn)狀，黃石市政府實行了生態(tài)復(fù)綠工程，廢棄地不同的立地類型采用不同的修復(fù)模式進(jìn)行植被修復(fù)[9]，修復(fù)期5年。本次立地修復(fù)表征與評價，根據(jù)黃荊山北麓塘口不同修復(fù)措施的立地條件和可達(dá)性，采用標(biāo)準(zhǔn)樣地調(diào)查法，選擇坡向、海拔基本一致的樣地，對恢復(fù)后的植被種類進(jìn)行調(diào)查統(tǒng)計，結(jié)果見表1。

1.2 采樣方法

對黃荊山北麓不同修復(fù)模式植被恢復(fù)后的采石場選擇坡向、海拔、經(jīng)緯度等立地條件基本一致的七處代表性樣地作為采樣點。每處采樣地點選取喬木生長群落樣地20 m×20 m或灌木生長群落樣地10 m×10 m，每塊樣地隨機(jī)布置1 m2采樣樣方3個，以S形法采集5個點0～20 cm的垂直土層，同一樣方5個點的土樣均勻混合，經(jīng)四分法處理后再次收集，風(fēng)干研磨，過100目篩，保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3 樣品測定方法

備用樣品經(jīng)HF-HNO3-HClO4消解，Cu、Zn、Cr、Cd、Pb、Ni含量采用原子吸收分光光度法測定，As含量采用氫化物發(fā)生原子吸收法測定[10]。

1.4 土壤重金屬污染評價方法

本文主要采用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法及Hakanson潛在生態(tài)危害指數(shù)法對黃荊山北麓采石場廢棄地植被修復(fù)后的土壤環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評價。

1.4.1 污染指數(shù)法

本次土壤環(huán)境質(zhì)量評價以湖北省土壤背景值作為參比值[11]（表2）。首先計算單因子污染指數(shù)，計算公式為Pi=Ci/Si，式中Pi表示土壤中污染物i的單項污染指數(shù)；Ci為污染物i的實測值（mg/kg），Si表示污染物i的評價標(biāo)準(zhǔn)（mg/kg）。計算得到的單項污染指數(shù)，采用內(nèi)梅羅（N.L.Nemerow）綜合污染指數(shù)法評價該地區(qū)土壤重金屬綜合污染程度，內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)計算公式為：

其中I為內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)；Pi為土壤污染物單項污染指數(shù)；Pi max表示所有單因子污染指數(shù)中的最大值。

根據(jù)內(nèi)梅羅污染指數(shù)值I，參照表3土壤綜合污染指數(shù)評價標(biāo)準(zhǔn)[12]確定土壤污染程度。

1.4.2 潛在生態(tài)危害指數(shù)法

以單種重金屬潛在生態(tài)危害系數(shù)和多種重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)評價黃荊山北麓采石場廢棄地植被重建后的土壤重金屬潛在的生態(tài)風(fēng)險。

單種重金屬潛在生態(tài)危害系數(shù)計算公式為：

2 結(jié)果與分析

2.1 不同修復(fù)模式下土壤重金屬含量

采石場廢棄地經(jīng)過不同模式的植被修復(fù)后，土壤表層重金屬元素含量測得值見表3。各樣地土壤中以元素Zn含量最高，Cd含量最低。表3結(jié)果顯示C4、C5、對照組三處Zn元素平均含量已超過土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅲ級值；C1、C2和對照組中As元素含量超出土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅲ級值；除C6和C7外，其余修復(fù)模式下的樣地土壤中Cd元素的含量均超過土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅲ級值。Cr（除C1、C2、C7三種修復(fù)模式外）平均含量明顯低于當(dāng)?shù)乇尘爸?，Ni在各樣地土壤中的平均含量均低于當(dāng)?shù)乇尘爸担鳦u、Zn、Cd、Pb、As平均含量均高于當(dāng)?shù)乇尘爸?倍以上，為強(qiáng)烈富集。檢測的七種重金屬元素中，變異系數(shù)差異最大為Cd（16.82%～65.63%），其次為Cr>Zn>As>Cu>Pb，最小為Ni（7.57%～47.75%），說明Cd、Cr在空間分布不均勻，而Ni、Pb、Cu等元素在空間分布較均勻。

方差分析表明， Cu、Pb、Ni、As四種重金屬元素在不同修復(fù)模式下的土壤中含量均表現(xiàn)為極顯著性差異（P<0.01）。而Zn、Cr、Cd元素在不同修復(fù)模式下的含量均表現(xiàn)為顯著性差異（P<0.05）。七種修復(fù)模式下土壤中各重金屬元素含量均低于CK，表明本試驗研究的七種復(fù)墾模式對于改善采石場廢棄地土壤重金屬污染狀況有一定的效果，且效果因植被修復(fù)模式不同而異。

2.2 廢棄地經(jīng)不同模式的植被修復(fù)后土壤重金屬污染評價

2.2.1 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法評價結(jié)果

為客觀評價不同修復(fù)模式對廢棄地土壤污染程度的影響，本實驗采用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法對各采樣點土壤重金屬污染程度進(jìn)行綜合評價（表5）。結(jié)果表明，對照樣地土壤污染最為嚴(yán)重，綜合污染指數(shù)高達(dá)6.43，為重度污染；C1～C5樣地土壤污染程度相近，綜合污染指數(shù)在5.01～5.77之間，也達(dá)重度污染標(biāo)準(zhǔn)；C7修復(fù)模式下的土壤污染程度略低，綜合污染指數(shù)為3.62，仍為重污染；C6修復(fù)模式下土壤綜合污染指數(shù)為2.72，為中度污染。比較同一樣地的土壤單因子污染指數(shù)，以Cd的指數(shù)最高，Ni的指數(shù)最低。說明在各區(qū)域七種重金屬污染物中Cd的貢獻(xiàn)率最大，而以Ni貢獻(xiàn)率最小。根據(jù)土壤污染分級標(biāo)準(zhǔn)分析，在試驗介紹的七種不同的修復(fù)模式下土壤中Ni污染屬安全級別；C1、C2、C3、C5修復(fù)模式下土壤中Zn、Cd、Pb、As單因子污染指數(shù)均達(dá)到重污染標(biāo)準(zhǔn)； C4模式中僅Zn和Cd屬重污染，C6模式Pb屬重污染，C7模式Cu、Zn、Pb屬重污染；而對照組除Cr、Ni污染指數(shù)值在警戒線范圍內(nèi)，Cu、Zn、Cd、Pb、As五種元素均為重污染。綜合污染程度CK（6.43）>C5（5.77）>C1（5.36）>C4（5.25）>C3（5.07）>C2（5.01）>C7（3.62）>C6（2.72）。

2.2.2 潛在生態(tài)危害指數(shù)法評價結(jié)果

本研究選用湖北省土壤背景值作為潛在生態(tài)危害評價參比值。各研究區(qū)土壤重金屬潛在生態(tài)危害系數(shù)和潛在生態(tài)危害指數(shù)結(jié)果見表6。由表6可知本文研究的所有修復(fù)模式土壤中的Cu、Zn、Cr、Pb、Ni潛在生態(tài)危害僅為輕微級別；而Cd除在C6和C7兩種修復(fù)模式下生態(tài)危害程度為中等外，其余修復(fù)模式下均表現(xiàn)為很強(qiáng)的生態(tài)危害程度；土壤中的As元素只在C2和CK兩種修復(fù)模式下為中等危害程度，其余研究模式下As的生態(tài)危害程度為輕微程度?？偟臐撛谏鷳B(tài)危害指數(shù)僅CK組達(dá)到強(qiáng)危害級別，C1～C5修復(fù)模式土壤重金屬存在中等生態(tài)危害，而C6和C7土壤重金屬僅為輕微生態(tài)危害。以上數(shù)據(jù)說明采礦廢棄地經(jīng)復(fù)墾后，重金屬污染程度減輕。尤以C6和C7兩種修復(fù)模式效果最優(yōu)。

3 討論

C4樣地植被群落多花木藍(lán)和C5樣地的多花木藍(lán)+小葉女貞群落均是通過客土噴播模式實現(xiàn)植被復(fù)綠，C4和C5兩地的綜合污染指數(shù)相近，C5樣地的Cu含量顯著高于C4 樣地，其它六種重金屬含量在C4和C5樣地?zé)o顯著差異，推測多花木藍(lán)較之小葉女貞固定、吸收和轉(zhuǎn)運Cu的效果更佳。多篇文獻(xiàn)中已報導(dǎo)小葉女貞和多花木藍(lán)均為對銅蓄積能力較強(qiáng)的灌木[15-16]，然而關(guān)于這兩種植物吸收和富集銅元素的能力之比較并未見報導(dǎo)。

C1、C6和C7樣地分別以客土噴播的方式向坡地噴灑香樟+刺槐種子，刺槐種子以及鹽膚木+刺槐種子。在5 a生長恢復(fù)期后，三塊樣地的植被郁閉度接近一致。比較三者的綜合污染指數(shù)，刺槐林綜合污染指數(shù)最低，鹽膚木+刺槐混交林次之，香樟+刺槐混交林較高，主要因Cd元素的含量差異較大，C1樣地綜合污染指數(shù)顯著高于C6，表明刺槐將比香樟有更強(qiáng)的富集Cd元素的能力，此現(xiàn)象已獲得相關(guān)文獻(xiàn)證實[17-18]。

在改善土壤重金屬污染方面，豆科植物與其根系的根瘤菌形成的共生體系比其它植物表現(xiàn)出更為可觀的效果。根瘤菌不僅可以憑借各種重金屬抗性機(jī)制維持自身細(xì)胞內(nèi)重金屬穩(wěn)定濃度，更可以利用生物固氮活動促進(jìn)宿主植物生長，保證較高的植物生物量和地表覆蓋率，間接促進(jìn)植物修復(fù)的發(fā)展[19]。根瘤菌自身也可吸附、固定、富集重金屬，為宿主緩沖重金屬壓力脅迫[20]。同時，根瘤菌分泌的某些代謝產(chǎn)物如有機(jī)酸、螯合劑等可改變重金屬價態(tài)，或?qū)⑵淙芙?，水溶態(tài)及交換態(tài)的重金屬易被植物吸收和富集[21]。豆科植物-根瘤菌共生體系將顯著增強(qiáng)污染土壤的肥力，加速周圍微生物、草本或灌木植物的生長，從而達(dá)到更好的植被修復(fù)效果。本研究中豆科植物對重金屬污染的良好的改良效果為植被修復(fù)工程先鋒植物的選擇提供了依據(jù)和借鑒。

內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評價法和潛在生態(tài)危害指數(shù)評價法皆證明：經(jīng)過植被修復(fù)的采石場廢棄地重金屬污染有不同程度的減輕。兩種評價結(jié)果顯示，Cd元素污染程度較其他重金屬元素更為嚴(yán)重，同時其潛在危害性亦最嚴(yán)重。某些樣地Zn元素污染程度為單因子污染指數(shù)中最大值，其潛在生態(tài)危害性卻僅為輕微危害級別，這是因為Zn元素是生態(tài)環(huán)境中一種重要元素，植物與動物正常的生長與發(fā)育與之密切相關(guān)，其在土壤中的累積對于生態(tài)環(huán)境的潛在危害較小，因此盡管在內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)中Zn的數(shù)值高，潛在生態(tài)危害系數(shù)卻較低。

參 考 文 獻(xiàn)

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