某鈾礦周邊土壤典型重金屬污染特征及植物篩選

薛清潑，魏 浩，張國(guó)瑞，張有軍，李 霄，汪敬忠，劉 卓

(1.天津華北地質(zhì)勘查總院，天津 300170；2.河北地質(zhì)大學(xué)地質(zhì)測(cè)試中心，河北 石家莊 050031)

礦山土壤重金屬污染對(duì)礦山環(huán)境造成了巨大的破壞，嚴(yán)重威脅當(dāng)?shù)厝祟惖慕】蛋l(fā)展。鈾礦因其具有放射性元素，對(duì)土壤、植物等生態(tài)環(huán)境的破壞更為嚴(yán)重。目前，我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)已經(jīng)提升到了一個(gè)新的高度，所以針對(duì)礦山土壤重金屬污染的評(píng)價(jià)、治理研究成為熱點(diǎn)。而礦山土壤重金屬修復(fù)方法中因植物修復(fù)具有成本低、二次污染小等優(yōu)勢(shì)，受到世界各國(guó)學(xué)者的廣泛重視和青睞[1]，成為目前礦區(qū)普遍采用的土壤修復(fù)技術(shù)之一[2-4]。植物修復(fù)的關(guān)鍵技術(shù)是篩選到一些生物量大且對(duì)超標(biāo)的重金屬具有很強(qiáng)耐受能力和富集能力的植物，以便推廣種植進(jìn)行土壤的植物修復(fù)[5-6]。

學(xué)者對(duì)眾多植物進(jìn)行了重金屬富集特征的研究，已發(fā)現(xiàn)400余種超累積植物[7]，比如遏藍(lán)菜、伴礦景天是公認(rèn)的Cd累積植物之一[6,8-10]；酸模、甘薯屬高山薯、異葉柔花等是常見的Cu元素超累積植物[11-13]；高山漆姑草屬、九節(jié)屬套哇九節(jié)及尼菊科分別是Pb、Ni、Cr元素的超累積植物[14]。已發(fā)現(xiàn)的重金屬超累積植物主要是針對(duì)Cd、Cu、Pb、Ni、Cr、Zn元素的超累積植物。由于鈾礦山放射性及重金屬污染會(huì)使當(dāng)?shù)刂参锶郝浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化，而在這種特殊條件下對(duì)放射性核素能較好吸收的植物自然較少。已有的研究表明，塊根莖、水馬齒、莫絲草三種植物可以作為治理水體鈾污染的水生植物[15]。另外，ENTRY等[16]經(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)向日葵是處理水體鈾污染的首選植物。針對(duì)鈾礦山附近土壤，一些學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了對(duì)鈾具有較好吸收特性的植物，如野棉花、印度芥菜、狗牙根、假儉草、商陸、辣廖等[17-19]，還有一些具有潛在利用價(jià)值的植物，如黃秋葵、紅油菜、白掌、吊竹梅、雪蓮果[20-23]，前人研究的這些植物中，許多不具備移植條件，適應(yīng)性差，離開了本土可能修復(fù)重金屬的能力會(huì)減弱，不適合移植。所以在鈾礦山周邊篩選當(dāng)?shù)剡m應(yīng)性強(qiáng)的重金屬富集植物對(duì)土壤修復(fù)研究具有重要意義。本文選擇某鈾礦山，對(duì)其周邊土壤重金屬污染特征及植物的重金屬吸附能力進(jìn)行調(diào)研，篩選出對(duì)超標(biāo)重金屬具有修復(fù)潛力的優(yōu)勢(shì)植物，旨在進(jìn)一步為鈾礦山周邊重金屬污染的土壤修復(fù)研究提供科學(xué)的依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

本文涉及的鈾礦區(qū)內(nèi)總體地勢(shì)相對(duì)平坦，北部較高，南部較低。地處高寒地帶，夏季較短，冬季較長(zhǎng)。冬季寒冷，年最低氣溫-34 ℃，多年平均氣溫1.97 ℃。氣候干燥，一年降水量集中在6月、7月、8月三個(gè)月，多年平均降水量399.7 mm。

2 材料與方法

2.1 植物資源調(diào)查方法

礦區(qū)及周邊植物調(diào)研主要調(diào)查生物量較高的優(yōu)勢(shì)植物。首先采用目測(cè)法找到植物群落較發(fā)育的植被區(qū)，在區(qū)內(nèi)對(duì)植物進(jìn)行全面統(tǒng)計(jì)。礦區(qū)內(nèi)植物較發(fā)育的區(qū)域?yàn)椴蓤?chǎng)東部400 m處。

2.2 樣品采集與處理

本次土壤樣品在尾礦庫(kù)、廢石場(chǎng)及采場(chǎng)下游布置了43個(gè)采樣點(diǎn)，其中尾礦庫(kù)下游附近采樣密度較大。靠近尾礦庫(kù)取樣間距約100 m，遠(yuǎn)離尾礦庫(kù)及廢石場(chǎng)、采場(chǎng)下游取樣間距約200 m，最外圍(距尾礦庫(kù)1 000～1 500 m)采樣間距為300～500 m。另外在遠(yuǎn)離礦區(qū)近30 km土壤中隨機(jī)布置了5個(gè)采樣點(diǎn)作為當(dāng)?shù)乇尘爸?。每一個(gè)采樣點(diǎn)在其周圍10 m內(nèi)根據(jù)梅花布點(diǎn)法采樣5個(gè)，采集0～20 cm表層土壤，混合均勻，采用4分法取樣1 kg，并剔除土壤中異塊及腐質(zhì)物，隨后將樣品裝入樣品袋，貼上標(biāo)簽帶回。

在采場(chǎng)東南部400 m以外，植物較發(fā)育處，隨機(jī)采取典型的優(yōu)勢(shì)植物3～5顆混為一個(gè)樣品。采到的標(biāo)本主要為草本植物，要求體態(tài)正常，全株采集。同步采集植物的根際土，采集深度0～20 cm，同樣將3～5個(gè)點(diǎn)土樣混為一個(gè)樣，然后用樣品袋裝好封口，貼上標(biāo)簽。共采集植物樣及根際土壤樣各15個(gè)。

植物樣品及土壤樣品的前處理參照文獻(xiàn)[24]和文獻(xiàn)[25]進(jìn)行處理，最后用ICP-MS進(jìn)行測(cè)試。

3 結(jié)果與討論

3.1 礦區(qū)周邊土壤重金屬分布特征

土壤樣品的重金屬測(cè)試結(jié)果見表1，將土壤樣品中各重金屬含量測(cè)定結(jié)果分別與國(guó)家土壤背景值進(jìn)行比較，可得出各重金屬元素超標(biāo)狀況?？傮w來看，土壤中Cd和U超出國(guó)家背景值，均值分別為國(guó)家背景值的2.50倍和2.77倍。另外Cu均值與國(guó)家背景值相當(dāng)，其他元素均未超出國(guó)家背景值。同時(shí)，Cd和U含量也高于當(dāng)?shù)乇尘爸担禐楫?dāng)?shù)乇尘爸档?.80倍和2.22倍，而其他元素與當(dāng)?shù)乇尘爸迪喈?dāng)。表2顯示Cd和U表現(xiàn)出極顯著相關(guān)特征，說明二者可能來自同一污染源，而且其遷移性也相近。由重金屬含量分布特征(圖1)可知，Cd和U污染中心比較吻合，主要在距尾礦庫(kù)200 m以內(nèi)的下游區(qū)域及采場(chǎng)東南部，污染較重區(qū)域大致呈北西-南東向分布。遠(yuǎn)離尾礦庫(kù)或采場(chǎng)區(qū)域，污染程度具有下降趨勢(shì)(圖2(b)和圖2(c))。利用聚類分析對(duì)這8中元素進(jìn)行分類(圖2)，當(dāng)8種重金屬分為4類時(shí)，Cd、U為一類，Ni、Cu、Co為一類，Pb、Zn為一類，Cr為一類。除Cd、U污染較重，并且與尾礦庫(kù)、采場(chǎng)空間分布有關(guān)外，其他類元素基本沒有受到人為活動(dòng)的影響，其相關(guān)性可能與該區(qū)背景值的分布有關(guān)。

表1 土壤中重金屬元素含量Table 1 Heavy metal elements in soil

圖1 重金屬元素含量空間分布特征Fig.1 Spatial distribution characteristics of heavy metal elements

表2 土壤重金屬元素相關(guān)系數(shù)Table 2 Correlation of heavy metal elements in soil

CrCoNiCuZnCdPbUCr10.1650.1440.352*-0.116-0.118-0.1150.014Co0.16510.703**0.381*0.309*0.490**0.1930.525**Ni0.1440.703**10.488**0.449**0.552**0.476**0.522**Cu-0.352*0.381*0.488**10.482**0.537**0.452**0.441**Zn-0.1160.309*0.449**0.482**10.523**0.663**0.604**Cd-0.1180.490**0.552**0.537**0.523**10.347*0.819**Pb-0.1150.1930.476**0.452**0.663**0.347*10.347*U0.0140.525**0.522**0.441**0.604**0.819**0.347*1

注：**在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)；*在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)

圖2 重金屬元素聚類分析圖Fig.2 Cluster analysis of heavy metal elements

以上說明鈾礦生產(chǎn)是周邊土壤Cd和U超標(biāo)的主要原因。結(jié)合鈾礦生產(chǎn)工藝流程，尾礦庫(kù)周邊污染可能和尾砂水沙漏及尾砂水溢流有關(guān)。而采場(chǎng)東南部可能主要和爆破、鑿巖時(shí)粉塵飛揚(yáng)有關(guān)，該區(qū)常年盛行西北風(fēng)，這也是污染趨勢(shì)呈北西-南東向分布的因素之一。

對(duì)于防范措施，針對(duì)尾砂水沙漏，可以在尾礦庫(kù)壩基和庫(kù)底鋪設(shè)一層復(fù)合土工膜，切斷滲透水和地下水的聯(lián)系，避免地下水受到污染；針對(duì)尾砂水溢流，可以在尾礦壩下游設(shè)置合理的導(dǎo)水溝、集水池和污水泵房，將溢流水輸送至水冶廠回收利用；采場(chǎng)附近的污染主要是鑿巖、爆破、礦山汽車運(yùn)輸時(shí)礦石灑落或揚(yáng)塵引起，可以增加灑水降塵頻次和鋪設(shè)灑水管路，在關(guān)鍵地段設(shè)置自動(dòng)噴水設(shè)施，定期噴灑檢修汽車，防止貨載漏撒，車箱加罩，防止精礦粉吹揚(yáng)，在礦石出口處，或礦倉(cāng)附近設(shè)置汽車自動(dòng)沖洗裝置，保證汽車駛?cè)氲V區(qū)公路之前，車身無積土和積塵，及時(shí)修復(fù)損壞的路面，定期清掃，經(jīng)常保持路面整潔。

3.2 植物資源調(diào)查

經(jīng)調(diào)查，礦區(qū)周邊植物群落較為簡(jiǎn)單，大多為自然生長(zhǎng)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值低的草本植物(表3)，調(diào)查的植物共計(jì)17種，7個(gè)科。以禾本科、菊科、豆科為主，其中，禾本科5種，占29.42%；菊科、豆科各4種，占23.53%(圖3)。優(yōu)勢(shì)植物以野生草本植物為主，如艾草、披堿草、牛筋草、棒頭草、白茅、苜蓿、蒲公英等。礦區(qū)下游多為當(dāng)?shù)匕傩辙r(nóng)田，農(nóng)作物以豆角、大豆、莜麥為主。灌木或喬木多為人工種植的松樹、楊樹、榆樹。

表3 礦區(qū)周邊植物主要種類及其特征Table 3 Main species and characteristics of plants around the mining area

續(xù)表3

拉丁名科種習(xí)性L.apetalum十字花科獨(dú)行菜一年生或二年生草本Sedumlineare Thunb.景天科佛甲草多年生草本Pinus松科松樹喬木Ulmus pumila L.榆科榆樹喬木

圖3 尾礦庫(kù)及采場(chǎng)周邊常見植物(科)所占比例Fig.3 Proportion of common plants around the tailings pond and stope

3.3 優(yōu)勢(shì)植物U、Cd含量及富集系數(shù)

在尾礦庫(kù)、采場(chǎng)東南部周邊采集了艾草、披堿草、牛筋草、棒頭草、白茅、苜蓿、蒲公英、苣買菜、莜麥、毛連菜10種優(yōu)勢(shì)植物，用ICP-MS分析法對(duì)采集的根際土和植物進(jìn)行重金屬U和Cd含量測(cè)試。測(cè)試結(jié)果見表4和5。

礦區(qū)內(nèi)生長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)植物對(duì)當(dāng)?shù)赝寥乐械闹亟饘儆休^好的耐性，不同耐性的植物吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)重金屬的能力也是不同的，這種能力的體現(xiàn)可以用富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)來表征[26]。富集系數(shù)可以反映植物對(duì)重金屬富集程度的高低或吸附能力的強(qiáng)弱，而轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)是表征植物將重金屬?gòu)闹参锏叵虏糠诌\(yùn)移到地上部分的能力大小[27-28]。轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)越大表明植物地上部分重金屬的富集量越大，越有利于植物吸取技術(shù)的應(yīng)用。表4和表5列出了研究區(qū)內(nèi)采集的優(yōu)勢(shì)植物的富集系數(shù)(BCF)和轉(zhuǎn)移系數(shù)(TF)。由表4可知，所有植物對(duì)重金屬元素U的富集能力均較弱，BCF<1，對(duì)鈾富集系數(shù)最強(qiáng)的植物是苜蓿，富集系數(shù)為0.18。主要優(yōu)勢(shì)植物富集系數(shù)較低說明礦區(qū)周邊自然生長(zhǎng)的植物可能進(jìn)化出某些機(jī)制盡量減少對(duì)鈾的吸收或者將體內(nèi)過量的鈾排出體外[29]，這些物種可以作為鈾礦區(qū)生態(tài)修復(fù)的先鋒植物。另外，這些植物的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)也比較低，苜蓿最高，為0.19，其次是白茅，為0.15。由表5可知，所有植物對(duì)重金屬元素Cd的富集系數(shù)BCF<1，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)<1。結(jié)果表明，這些植物對(duì)Cd的吸收能力也較弱，但苜蓿對(duì)Cd的富集系數(shù)達(dá)到了0.21，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)達(dá)到了0.31。

表4 礦區(qū)植物U含量及植物富集系數(shù)、轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)和根系滯留率Table 4 U content of plant and plant enrichment coefficient,transport coefficient and root retention coefficient

注：富集系數(shù)=植物體內(nèi)重金屬含量均值/根際土壤中重金屬含量；轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)=植物地上部分重金屬含量/根部重金屬含量；根滯留系數(shù)=1-轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)

表5 礦區(qū)植物Cd含量及植物富集系數(shù)、轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)和根系滯留率Table 5 Cd content of plant and plant enrichment coefficient,transport coefficient and root retention coefficient

注：富集系數(shù)=植物體內(nèi)重金屬含量均值/根際土壤中重金屬含量；轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)=植物地上部分重金屬含量/根部重金屬含量；根滯留系數(shù)=1-轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)

整體來看，礦區(qū)內(nèi)這些優(yōu)勢(shì)植物富集轉(zhuǎn)運(yùn)U、Cd的能力較弱，沒有對(duì)U、Cd理想的超累積植物，不能直接利用它們對(duì)污染土壤進(jìn)行修復(fù)。這些植物對(duì)土壤中U、Cd的耐性及吸收能力各不相同，苜蓿對(duì)Cd和U的富集及轉(zhuǎn)運(yùn)能力較其他植物要高，可以針對(duì)苜蓿及前人研究的對(duì)U、Cd吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)效果比較好的植物進(jìn)行室內(nèi)栽培實(shí)驗(yàn)，添加螯合劑、改良劑或植物激素來提升植物對(duì)土壤U、Cd的修復(fù)能力[30]。另外，還可通過研究育種及相關(guān)農(nóng)藝管控技術(shù)來種植對(duì)Cd、U低吸收、低轉(zhuǎn)運(yùn)并且耐性強(qiáng)的農(nóng)作物，以減少土壤Cd、U向食物鏈的遷移。

4 結(jié) 語(yǔ)

礦區(qū)附近土壤顯示一定程度U、Cd超標(biāo)，最嚴(yán)重的區(qū)域?yàn)榫辔驳V庫(kù)200 m以內(nèi)的下游區(qū)域及采場(chǎng)東南部，超標(biāo)較重區(qū)域大致呈北西-南東向分布。遠(yuǎn)離尾礦庫(kù)或采場(chǎng)區(qū)域，超標(biāo)程度具有下降趨勢(shì)。礦區(qū)內(nèi)優(yōu)勢(shì)植物富集轉(zhuǎn)運(yùn)U、Cd元素的能力較弱，苜蓿可以作為潛在的修復(fù)土壤中U、Cd污染的植物，并通過進(jìn)行室內(nèi)栽培實(shí)驗(yàn)，添加螯合劑、改良劑來提升植物對(duì)土壤U、Cd的修復(fù)能力。