鐵尾礦廢棄地植物修復技術研究進展及展望

楊 輝，侯永莉，郝 喆，陳紅丹，延孟孟

(1.遼寧省地礦集團生態(tài)修復有限責任公司，遼寧 沈陽 110032；2.遼寧有色勘察研究院有限責任公司，遼寧 沈陽 110013；3.自然資源部老礦山地質災害防治與生態(tài)修復工程技術創(chuàng)新中心，遼寧 沈陽 110013；4.遼寧大學環(huán)境學院，遼寧 沈陽 110036；5.東華理工大學地球科學學院，江西 南昌 330013)

0 引 言

金屬礦山開采不僅對地形地貌景觀產(chǎn)生影響，并造成地質災害的發(fā)生，還可能會對周邊環(huán)境造成嚴重的水土污染，而金屬礦山的尾礦庫就是其中重要的潛在污染源。一般尾礦庫的有機質含量較低，重金屬含量較高，植物很難生長。當遇到風雨天，裸露的尾礦砂隨風飄揚，極易造成周邊環(huán)境污染和水土流失。因此，對尾礦庫的生態(tài)修復不僅是國際生態(tài)環(huán)境研究領域的熱點問題，也是我國當前生態(tài)環(huán)境保護所面臨的緊迫任務[1]。

作為一項涉及面廣、綜合性強的技術，植物修復技術在我國土壤修復中占有較大的比重。由于世界范圍內(nèi)植物種類繁多，資源非常豐富，所以利用植物進行生態(tài)修復具有巨大的潛力。近些年來，在工礦廢棄地土壤改良及場地污染治理的研究和實踐中，植物修復技術相對于以往傳統(tǒng)的物理修復及化學修復等方式，是最經(jīng)濟、最環(huán)保的解決方式，也逐漸成為我國礦山環(huán)境治理和尾礦庫生態(tài)修復的重要方法。當下，隨著礦產(chǎn)資源逐漸枯竭或政策性關停等原因，加之缺乏有效的監(jiān)管措施與制度，廢棄尾礦庫帶來的礦山環(huán)境問題極為嚴重，大量廢棄尾礦庫亟需修復治理。本文針對鐵尾礦廢棄地的植物修復相關問題開展系統(tǒng)綜述，為尾礦廢棄地環(huán)境治理和生態(tài)修復提供重要參考。

1 植物修復技術定義及類型

1.1 植物修復技術定義

生物修復指利用動植物或微生物的生命活動來影響和改變土壤的理化性質和結構，生物修復還具有降解、吸收或富集水土中污染物質的能力[2]。生物修復依據(jù)參與修復的生物種類，可分為植物修復、動物修復及微生物修復等。在水土污染修復過程中，植物修復投資較小且操作簡單，不僅可以改善地形地貌、保持水土、改良水土環(huán)境，還可以借此開發(fā)旅游景觀、發(fā)展農(nóng)林經(jīng)濟，相對于其他物理修復措施和化學修復措施具有成本低、見效快等優(yōu)勢。

美國國家環(huán)境保護局(EPA)將植物修復技術定義為利用植物提取、吸收分解、轉化或固定土壤沉積物、污泥或地表、地下水中有毒有害物質技術的總稱[3]，包括水生植物修復和土壤的植物修復兩類?？刹捎弥参锔H過濾及生物降解技術、人工濕地構建技術、植物固化技術、植物蒸發(fā)技術以及植物收割提取技術等對工礦廢棄地土壤進行修復[4]。

綜上所述，植物修復技術可以概括為利用不同植物類型對自然環(huán)境進行改善和優(yōu)化，以達到相應目的的有關技術。

1.2 植物修復技術類型

在植物生長的過程中，其對污染物的作用機理不同，修復過程也不同，大體可分為四種類型。①植物降解修復，指通過植物的生長代謝而對污染物進行轉化和降解，魏樹和[5]的研究表明，這種類型對結構比較單一的有機污染物土壤修復效果顯著，這可能因為某些植物可以分泌專一性降解酶。其方式主要有兩種：一種是植物將污染物吸收后貯藏在體內(nèi)進一步轉化；另一種是植物根部的分泌物或微生物可直接將有機污染物進行分解。②植物提取修復，指通過植物種植及其生長，在植物根系、莖葉等組織中吸收、積累、富集某種重金屬元素，最后通過植物的收割和集中處理來完成重金屬污染治理的技術，其重點是對超富集特征植物的篩選和研究。③植物揮發(fā)修復，指在一些揮發(fā)性污染物治理中，如易揮發(fā)性元素汞的土壤污染修復中，利用植物生長將土壤中的揮發(fā)物釋放和轉化的一種方式。如石杰等[6]的研究表明，煙草能將二價汞轉化為毒性較小的氣態(tài)汞。④植物穩(wěn)定修復，指利用植物來穩(wěn)定和積累污染物質，使污染物質不會因為物質循環(huán)和水土流失而引起遷移和擴散的方式。這一類植物主要針對重金屬污染土壤，其對重金屬或有機污染物具有很高的耐受性[7]。

2 植物修復技術國內(nèi)外研究進展

2.1 國外研究進展

在20世紀30年代，美國最早開始利用植物對廢棄尾礦庫進行土壤改良。20世紀50—70年代，學者們已經(jīng)開始熱衷于植物的耐重金屬研究，并初步得知了植物忍耐重金屬的機理，也相應提出了如排除機制、重金屬進入細胞質機制、滲透調(diào)節(jié)機制等機制原理[8]。 20世紀70—90年代初，學者們開始重點關注超累積植物的研究[9]。 英國BROOKS博士是提出植物修復概念的首批科學家之一，BROOKS等[10]在1977年首先提出“pyperaccumulator”這一概念，并研究發(fā)現(xiàn)了近50種十字花科庭芥屬植物對Ni有超富集特征。與此同時，其他金屬如Cu、Co、Mn、Pb、Se、Cd、Zn的超富集植物也相繼被發(fā)現(xiàn)。20世紀90年代后，學者們開始運用分子生物學和遺傳學等生物技術手段將轉基因技術導入到生物量大的超富集植物中，用以提高植物的修復效率[11]。目前，國際上報道的重金屬超富集植物有500多種。

在工礦廢棄地生態(tài)修復方面，植物修復技術也成為該領域研究的重點。例如，在澳大利亞露天礦生態(tài)重建中，研究人員主張要保持植物種質多樣性及血統(tǒng)，防止外來物種入侵、提高種子質量，并提出了包括植物物種優(yōu)選、土壤基底重構、表土覆蓋、播種和維護管理等全過程的植被重建技術。阿根廷的研究人員提出了包括物種選擇、胚質生產(chǎn)、幼苗撫育、苗木生產(chǎn)、土壤重構、構建群落以及植被養(yǎng)護等干旱礦區(qū)植被重建關鍵技術。植物穩(wěn)定化和植物輔助提取技術在廢棄礦山修復領域有廣泛應用，意大利學者ALESSIA等[12]將植物穩(wěn)定化和輔助植物提取技術應用于礦區(qū)廢棄地的修復，可在不改變土壤和景觀特征的前提下實現(xiàn)礦區(qū)廢棄地的修復，其研究結果表明，雙色堇由于其對金屬的耐受性而成為最適合植物修復的植物。美國學者JULIANA等[13]在植物修復大氣環(huán)境方面也進行了研究，其開展的植物修復田間試驗研究結果表明，植物修復技術可有效減少尾礦庫粉塵排放和尾礦庫風蝕污染物的運輸。印度學者KUMAR等[14-15]對聚金屬草-豆科植物組合在植物修復礦山廢棄物的促進作用方面開展研究，其研究結果表明，草-豆科植物具有富集金屬能力，是金屬轉運的潛在屏障，且有助于植物修復礦山廢棄物。另外，LI等[16]在紫外線輻射對南極植物修復的影響方面也有所研究。

綜上可知，近年來，在植物修復領域，國外研究熱點主要集中在土壤和植物相互作用機理、本土物種保持與特定污染的土壤修復技術以及植被自然恢復和人工修復選擇標準及效果評價等方面。

2.2 國內(nèi)研究進展

目前，國內(nèi)學者針對植物修復領域進行過許多探索和研究，但總體上，在植物修復方面我國尚處于起步階段。國內(nèi)學者自1999年開始，發(fā)現(xiàn)蜈蚣草對砷具有富集能力，東南景天對鋅具有超富集能力。近年來，中國科學院植物研究所何振艷等[17-19]研究揭示了蜈蚣草砷超富集機理及其調(diào)控分子網(wǎng)絡。對國內(nèi)植物修復技術進行系統(tǒng)總結發(fā)現(xiàn)，植物修復大體上可分為植物降解修復、植物提取修復、植物揮發(fā)修復和植物穩(wěn)定修復等四種基本類型。在廢棄礦山環(huán)境治理和生態(tài)修復領域的實踐中，國內(nèi)學者在耐性植物修復廢棄地、植物對土壤重金屬修復、先鋒植物選擇等方面都有相應的研究進展，推動了國家生態(tài)修復技術領域的研究進程。

2.2.1 耐性植物修復廢棄地方面

在耐性植物修復廢棄地方面，耐瘠薄、耐鹽堿的植物研究也較多。眾多研究表明[20-24]，在耐干旱、耐瘠薄土壤植被恢復中，較常用的植物種類有沙棘、紫穗槐、桑樹、亮葉樺、構樹、白茅、狗尾草等。在酸堿地植被恢復中，較常用馬尾松、側柏、云杉、旱柳、銀白楊、毛榆、檉柳、沙棗等植物[25]。陳偉等[11]研究發(fā)現(xiàn)，選用馬尾松、茶樹、香根草、五節(jié)芒組合的喬灌草復層群落結構可對酸性較強的亞熱帶高嶺土礦區(qū)進行礦區(qū)生態(tài)恢復。

2.2.2 植物修復土壤重金屬方面

在尾礦廢棄地治理中，植物修復相對于傳統(tǒng)的客土復墾、化學固定等修復方式是最經(jīng)濟、最環(huán)保的解決方式。無論植物修復采取何種方式，利用何種原理，都要求所選用的植物具有耐瘠薄、抗干旱、耐重金屬等生物學特性。而尾礦廢棄地植物修復的目標是重建具有豐富物種多樣性、保持水土、防風固沙等多功能的生態(tài)系統(tǒng)。隨著植被群落的建立，植物、動物、微生物種群不斷恢復，尾礦廢棄地土壤理化性質得到持續(xù)改善，土壤的改良又促進了植物群落的良性發(fā)展。徐學華等[26]研究表明，通過植被恢復可以改良土壤結構，使尾礦土壤熟化過程加速，植被群落的重建是鐵尾礦區(qū)土壤修復的重要手段和途徑。

在植物修復土壤重金屬方面，張波等[27]、李若愚等[28]和王英輝等[29]總結了植物對土壤重金屬的超富集作用，篩選出30余種重金屬超富集植物。其中，蜈蚣草表現(xiàn)為As的超富集植物，鴨跖草表現(xiàn)為Cu的超富集植物，東南景天表現(xiàn)出對Pb具有富集能力和耐性，商陸科植物商陸和山茶科植物木荷表現(xiàn)出對Mn的超富集特性，寶山堇菜是Cd超富集植物。

在對湖南省湘潭錳礦業(yè)廢棄地自然定居植物調(diào)查中，劉茜等[30]發(fā)現(xiàn)，商陸、燈心草、廖科的土荊芥、禾本科的狗牙根、菊科的野茼蒿和一年蓬等草本植物可以很好地穩(wěn)定和吸收礦業(yè)廢棄地中的重金屬。在福建省三明市典型金屬礦區(qū)土壤重金屬污染調(diào)查中，王學禮[31]發(fā)現(xiàn)，木賊科的筆管草和禾本科的五節(jié)芒等對重金屬有較強的穩(wěn)定富集作用，對修復鉛、鎘污染的土壤具有潛在的應用價值。

針對工礦廢棄地中的尾礦庫治理研究，李向敏等[32]對衡陽市某鉛鋅礦尾礦區(qū)進行植被調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)艾蒿、鴨跖草、野大豆、辣蓼等植物對Zn、Cu、Pb等重金屬均表現(xiàn)出較高的富集性。在Pb、Zn含量較高的尾礦區(qū)，選用多種類、轉移系數(shù)和富集系數(shù)較高的植物進行土壤改良和生態(tài)修復，將會表現(xiàn)出較好的修復效果。

2.2.3 先鋒植物選擇方面

目前，礦山尾礦庫的治理恢復研究較多，關注重點是通過植物種植修復的方式來保持水土、改良土壤、減少重金屬污染。在自然界，一些植物種類對尾礦砂具有較強的適應性和抗性，對重金屬具有獨特的抗性，這些植物可吸收、富集水土中的污染物，成為尾礦庫廢棄地恢復中的先鋒植物。這類植物以降解、提取、固定、揮發(fā)等方式去除或降低土壤中的重金屬含量，再通過人工收割植物的地上植物體，可有效降低土壤中的重金屬含量[33]。

在選擇先鋒植物進行生態(tài)修復方面，豆科植物特別是一些有根瘤和莖瘤的一年生豆科植物，具有較強的耐受性和適應性，是理想的先鋒植物。王婧靜[34]的研究表明，豆科植物具有固氮作用，可使土壤中的氮積累大幅度提高，以此來適應被污染的土壤。另外，一些非豆科植物如胡頹子科的沙棘和馬桑科灌木馬桑等也具有固氮能力，可作為先鋒植物進行生態(tài)修復。在鹽堿地土壤改良研究中發(fā)現(xiàn)，隨著適應性植被種植年限的增長，土壤的理化性質和肥力也相應地穩(wěn)步改善[35]。此外，楊曉艷等[36]的研究表明，禾本科的白茅、蓼科的水蓼、鐵線蕨科的鐵線蕨等也可作為先鋒植物進行廢棄地復墾及生態(tài)修復。在浙江省海寧縣鼠尾山露采廢棄礦山環(huán)境治理中，選擇豆科的美麗胡枝子、紫穗槐、紫花苜蓿、白三葉、馬棘以及禾本科的高羊茅、狗牙根等灌木和草本混合種子進行噴播，產(chǎn)生了較好的修復效果[37]。

何明珠等[38]的研究表明，植被定植后可有效改善尾礦廢棄地的土壤理化性質。如刺槐在鐵尾礦上定植后，尾礦土壤中的有機質、全氮、全磷含量顯著提高；而固氮菌數(shù)量、解磷菌數(shù)量和土壤脲酶、磷酸酶和過氧化氫酶活性也顯著上升。種植花生、大豆、高粱等農(nóng)作物可以改善鐵尾礦的理化性質。此外，紫花苜蓿、三葉草、墨西哥玉米、野燕麥、黑麥草、狗尾草等草本植物可有效提升鐵尾礦的養(yǎng)分含量。張俊英等[39]研究表明，豆科的楊柴和檸條以及胡頹子科的沙棗等植物根系能很快適應鐵尾礦廢棄地環(huán)境，而在提升鐵尾礦養(yǎng)分及微生物數(shù)量方面，楊柴和沙棗效果更好，更有優(yōu)勢。石娟華等[40]的研究表明，沙棘和桑樹組成的喬灌混交林，根系交叉分布相互補償，是尾礦砂上直接植被恢復模式之一，在鐵尾礦庫區(qū)生態(tài)修復中也是最經(jīng)濟、最環(huán)保，值得推廣的模式之一。宋鳳敏等[41]研究發(fā)現(xiàn)，禾本科的白茅對鐵尾礦環(huán)境有較強的適應性，其生長的同時為其他物種提供適宜的小環(huán)境。野外調(diào)查和試驗表明，白茅對Mn、Ni和Cd具有較強的耐受性，可作為先鋒物種用于鐵尾礦庫區(qū)的污染土壤治理和植被恢復。更有研究表明[42-45]，紫穗槐對尾礦表層結構改良作用明顯，因其生長速度快，根系發(fā)達，且為豆科固氮植物，所以對尾礦改良效益突出。作為常綠灌木的沙地柏，能夠有效增加尾礦庫區(qū)的綠色景觀，其縱深發(fā)展的根系也可改良土壤。因此，在尾礦區(qū)種植紫穗槐與沙地柏混交林可以更好地起到尾礦土壤生態(tài)修復的效果。

3 結 論

1) 植物修復技術作為污染防治和生態(tài)修復的重要手段，不僅操作簡便，而且兼具美化景觀的功能，越來越受到相關方的高度重視，被認為是最具前途的生物修復技術之一。目前，在富集植物篩選、植物修復效果評價、養(yǎng)護管理及后期收集等方面還有待進一步的研究與完善。

2) 針對鐵尾礦廢棄地的植物修復，首先需要進行當?shù)氐纳鷳B(tài)本底調(diào)查，根據(jù)不同的立地條件，選擇適應性強、耐瘠薄、耐干旱、耐重金屬污染的鄉(xiāng)土植物來重建尾礦廢棄地生態(tài)系統(tǒng)。在植物群落建立、先鋒物種選擇及植物搭配等方面進行如下總結：①在植物群落建立方面，盡可能多地利用喬木、灌木、草本的搭配形成多樣的復層結構，從而達到相互補充的效果；②在先鋒物種選擇方面，選擇具有固氮能力的豆科植物具有較好的效果，以實現(xiàn)群落的快速演替；③在植物搭配方面，盡量考慮常綠樹種和落葉樹種、一年生和多年生、深根性和淺根性等不同的組合模式。

3) 植物修復技術在尾礦廢棄地修復中也面臨幾大難題。第一，絕大多數(shù)重金屬耐受植物生長周期較長，植物生物量較小，因此如何選擇最為適合、更為高效的修復植物需要進一步研究。第二，在尾礦庫廢棄地生態(tài)修復過程中添加有機肥、生物炭、微生物菌劑等會使重金屬分布不均，從而降低植物對重金屬的吸收效率。第三，修復尾礦廢棄地的植物收集和處理主要是借鑒廢棄物的處置方法，如何避免二次污染的產(chǎn)生還需更系統(tǒng)、深入地開展植物回收的技術原理研究。第四，修復植物組成的群落如何演替和更新，如何加入正向演替最終形成穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)，植物群落對重金屬離子和地下水的影響等都需要進一步探討。因此，如何將植物學、土壤學、生態(tài)學、環(huán)境工程、地質學等學科相結合，通過學科的交叉來研究建立一種更加高效、穩(wěn)定、可持續(xù)的生態(tài)修復模式迫在眉睫。