高鈣細粒金銅尾礦復墾植被篩選研究

夏 令 劉 旭 崔 旭 朱 江 胡 勇1

（1.礦物資源加工與環(huán)境湖北省重點實驗室，湖北武漢430070；2.國土資源部稀土稀有稀散礦產(chǎn)重點實驗室，湖北武漢430070；3.武漢理工大學資源與環(huán)境工程學院，湖北武漢430070；4.湖北三鑫金銅股份有限公司，湖北黃石431500）

礦區(qū)的開采活動能夠產(chǎn)生大量的礦山廢棄物，廢棄物的排放占用了大量的土地資源［1］，截止2015年，我國尾礦累計堆存量已經(jīng)超過146億t，而尾礦的綜合利用率不足18.9%［2］，僅2018年新增損毀土地約4.80萬hm2［3］。尾礦的大量堆積能夠造成大量環(huán)境問題，例如土壤污染退化、生態(tài)系統(tǒng)破壞、地下水污染，進而制約當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展，危害人類健康［4-5］，因此大宗尾礦資源規(guī)模利用亟待提速。

目前尾礦綜合利用方法有尾礦再選、制備建筑材料、礦區(qū)回填等多種方法［6-7］，其中尾礦區(qū)復墾是目前尾礦綜合利用手段中，消耗量最大的利用方式［8-9］。礦區(qū)復墾工作主要由基質(zhì)改良和植被篩選兩個部分組成。其中植被篩選環(huán)節(jié)對于礦區(qū)生態(tài)恢復結(jié)果起著決定性影響。礦區(qū)復墾的植被選擇應該遵循生長快、適應性強、以固氮樹種或當?shù)貎?yōu)良的鄉(xiāng)土樹種和先鋒樹種為主等原則［10-11］。同時，尾礦地復墾植被也要對重金屬有較高的耐受性、富集性或超富集性［12］。已有研究證實，草本［13］、禾本豆科［14］和木本豆科［15］類先鋒植物對礦區(qū)復墾有良好效果。

目前我國植物修復的研究主要以鉛鋅礦和煤礦較多，對于其他金屬礦的研究報道數(shù)量較少［16］，其中對于高鈣低硅型的尾礦復墾的研究也相對較少。因此本研究針對高鈣低硅銅尾礦的特點，開展尾礦復墾植被篩選工作。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

本試驗所用尾礦取自湖北省黃石大冶市某銅礦選礦廠中壓濾車間排出的濾餅尾礦堆。該尾礦屬于高鈣低硅型尾礦，其成分組成如表1所示。尾礦容重較大且粒度極細，容重1.64 g/cm3，90%以上的尾礦粒度小于38 μm。尾礦主要成分為方解石、石英和菱鐵礦，其中方解石占比達到33.46%，而石英占比僅為13.9%。尾礦pH為7.71，呈現(xiàn)堿性；毒性浸出時浸出液呈中性，且有Cu、Pb、Zn、As等重金屬離子浸出。

復墾的植物首要以當?shù)叵蠕h植物為主，從耐貧瘠、超富集、可培肥、景觀性等多個方向上選擇了18種供試植物，如表2所示。

1.2 試驗方法

本研究采用盆栽實驗進行植物篩選，利用前期研究已經(jīng)篩選出的適合植物生長的改良劑配方與比例，在試驗組基質(zhì)施加改良劑質(zhì)量分數(shù)為0.2%、0.2%、10%、2%、0.6%的菌肥、PAM、泥炭、秸稈和復合肥，空白組基質(zhì)不施加改良劑。

準確稱量風干研磨后的尾礦樣品2 kg，裝于高15.9 cm，直徑18.7 cm花盆內(nèi)，翻耕熟化，按比例施加改良劑；準確播種處理好的草本植物種子70粒，喬木灌木種子50粒于基質(zhì)1 cm深處，澆水（保持最大田間持水量60%）避光催芽，記錄植被生長發(fā)育情況。試驗全程在25℃恒溫溫室內(nèi)進行。

1.3 樣品測定方法

基質(zhì)、植物采用硝酸、高氯酸和硫酸的混合溶液（體積比為V（HNO3）∶V（HClO4）∶V（H2SO4）=4∶1∶2）進行消解；重金屬形態(tài)的劃分主要依據(jù)不同形態(tài)重金屬在化學試劑中的溶解程度，采用BCR連續(xù)提取法對重金屬各形態(tài)進行提?。徊捎迷游展庾V法（AAS）測定。

1.4 評價方法

富集系數(shù)（bioconcentration factor，BCF）是生物體內(nèi)污染物的平衡濃度與其生存環(huán)境中該污染物濃度的比值，被用作識別和分類對水生環(huán)境有害物質(zhì)的生物積累標準［17］。

具體計算方法為

富集系數(shù)（BCF）=植物金屬含量（mg/kg）/土壤重金屬含量（mg/kg）.

2 結(jié)果和分析

2.1 植物生長狀況

試驗記錄了植物的生長狀況，各植物生長狀況如表3、表4所示。

從表中可知，發(fā)芽率排在前列的植物為紫花苜蓿、四季青、胡枝子、紫云英、紫穗槐，發(fā)芽率分別高達98.4%、97.5%、96.4%、95.9%、95.8%，75%以上的植物發(fā)芽率都在80%以上，成活率較高；對于植物生物量而言，銀合歡、紫穗槐、刺槐、油菜、百日草的生物量較大，分別達到 29.8 g、24.5 g、21.4 g、15.6 g和15.7 g；這些植物多屬于豆科喬木、豆科灌木，草本植物有更多的分蘗數(shù)，為植物長期生長提供光照與水分的接收區(qū)域，通過豆科植被自身的培肥固氮能力，在體內(nèi)形成碳水化合物與無機營養(yǎng)元素的長期積累［18-19］，更有利于尾礦的復墾。植物的株高和葉綠素含量也能反映植物的生長狀況［20］，其中銀合歡、刺槐、金合歡、紫穗槐和早熟禾的40 d株高在所有植物中處于前列，分別為31.7 cm、28.2 cm、18.8 cm、18.2 cm和18.1 cm，而紅花合歡、百日草、紫花苜蓿、黃花槐、銀合歡的葉綠素含量較高，分別為8.4 mg/kg、7.8 mg/kg、7.2 mg/kg、6.9 mg/kg和6.8 mg/kg。由于每種植物的株高及葉綠素含量本身不同，但株高較高和葉綠素含量較高的植物其發(fā)芽率和生物量水平也相對較高。

因此從長勢來看，喬木、灌木植被中的銀合歡、刺槐、紫穗槐、胡枝子、黃花槐，草本植物中的紫云英、早熟禾、四季青和紫花苜蓿的植物組合可作為高鈣低硅尾礦的復墾植被組合。同時這些植被景觀性明顯，能在后期為復墾地提供良好的觀賞性。

將空白組與試驗組中均能生長的13種植物進行對比，對比結(jié)果如圖1所示。相較于原尾礦中植被生長狀況，施加改良劑的基質(zhì)下植物的發(fā)芽率、株高、生物量、葉綠素含量均大于原尾礦，說明基質(zhì)改良對植被的生長發(fā)育有明顯的促進效果，其中波斯菊、紫穗槐、胡枝子的株高提升效果較為顯著，分別達到222.51%、63.48%、53.75%。改良劑復配基質(zhì)對植物生物量的提升較為顯著的包括紅花合歡、萬壽菊、紫花苜蓿等，增長幅度分別為192.66%、89.59%、31.06%。同時在原尾礦供試植物栽培時，未能發(fā)芽成活或出苗后出現(xiàn)枯萎倒伏的植物，如多花木蘭、黃花槐、沙打旺、紅花合歡等植物在改良劑最佳配比基質(zhì)下，能夠正常發(fā)芽生長，其中黃花槐、沙打旺的發(fā)芽率達81.5%、92.5%，黃花槐、紅花合歡的生物量達9.62 g、8.57 g。

2.2 基質(zhì)重金屬形態(tài)分析

選取空白組中的早熟禾、紫穗槐、紫云英、四季青、銀合歡、胡枝子，在其發(fā)芽成活90 d后，對基質(zhì)中重金屬賦存形式進行測定，測定結(jié)果如圖2、圖3所示。有研究表明，殘渣態(tài)化學性質(zhì)穩(wěn)定，不易被生物吸收利用［21-22］。結(jié)果顯示，基質(zhì)中各類重金屬弱酸態(tài)含量占比均較小，尤其是Zn與As元素均以殘渣態(tài)為主，說明植物的種植對Zn和As均有不同程度的固化作用。在總量上，尾礦中重金屬總量較之前有所降低，尤其是Cu、Pb和As元素總量減少明顯。因此，紫穗槐、四季青、紫云英、銀合歡對Cu、Pb、Zn、As等重金屬元素具有穩(wěn)定作用和固化能力，使其向殘渣態(tài)轉(zhuǎn)化，能夠有效降低重金屬的毒性浸出風險。

2.3 植物對重金屬的轉(zhuǎn)移特征

為了研究植物對尾礦的重金屬是否具有富集作用，以及植物對重金屬的富集程度，計算研究了4種植物的富集系數(shù)（BCF）［23］，見表5。若BCF＜0.5，說明植物對重金屬的積累能力較弱；BCF＞0.5，對重金屬具有積累能力；BCF＞1時，富集能力較強。本實驗研究中，早熟禾、銀合歡和四季青對Pb的富集系數(shù)均大于0.5，說明其對Pb有富集能力，這是導致尾礦種植植被后Pb各賦存形態(tài)總量減少的原因；除銀合歡對Zn的富集系數(shù)為0.5外，其余實驗植物對Zn、Cu的富集系數(shù)均小于0.5，說明Zn、Cu的富集能力較弱。但2種金屬在植物中含量并不低，說明植物在生長過程中對Zn、Cu具有耐受能力，能夠?qū)χ亟饘俚墓袒鸬椒e極作用。

3 結(jié) 論

以大冶市某金銅高鈣低硅型尾礦作為研究對象，分試驗組及空白組2組進行盆栽實驗，測定并記錄了本實驗中植物生長狀況，基質(zhì)重金屬賦存形態(tài)變化，計算了植物對重金屬Pb、Zn、Cu元素的富集系數(shù)，篩選了適宜高鈣低硅型尾礦復墾的植物組合。研究顯示：

（1）75%以上的供試植物發(fā)芽率都在80%以上，其中紫花苜蓿、四季青、胡枝子、紫云英、紫穗槐發(fā)芽率分別高達98.4%、97.5%、96.4%、95.9%、95.8%；銀合歡、紫穗槐、刺槐、油菜、百日草的生物量大，分別達到29.8 g、24.5 g、21.4 g、15.6 g和15.7 g；發(fā)芽率高、生物量大的植物相較于其他植物，株高和葉綠素含量也高。因此，高鈣低硅尾礦的復墾植被組合如下：喬木、灌木植被為銀合歡、刺槐、紫穗槐、胡枝子、黃花槐，草本植物為紫云英、早熟禾、四季青和紫花苜蓿。

（2）在改良劑作用下，絕大部分植物都可以較好地發(fā)芽與生長，植物發(fā)芽率、生物量、株高、葉綠素含量較空白組中均有不同程度改善：波斯菊、紫穗槐、胡枝子的株高提升222.51%、63.48%、53.75%；紅花合歡、萬壽菊、紫花苜蓿的生物量提升192.66%、89.59%、31.06%；在原尾礦無法生長或倒苗的黃花槐、沙打旺蘭在改良劑作用下發(fā)芽率達81.5%、92.5%。綜合看來，改良劑對復墾植被起到明顯促進作用。

（3）紫穗槐、四季青、紫云英、銀合歡對Cu、Pb、Zn、As等重金屬元素具有穩(wěn)定作用和固化能力，能夠減少重金屬總量，并使其向殘渣態(tài)轉(zhuǎn)化；這些植物對Pb有富集能力，并對Zn、Cu有耐受能力，能夠?qū)χ亟饘俚墓袒鸬椒e極作用。