礦山地質(zhì)生態(tài)環(huán)境修復(fù)技術(shù)研究

王 毅,常光鋒

(1.陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 咸陽 712000; 2.陜西天地地質(zhì)有限責(zé)任公司,陜西 西安 710000)

礦山的開采對(duì)周邊生態(tài)系統(tǒng)造成了嚴(yán)重破壞,對(duì)土壤和植被的影響最為嚴(yán)重,使土地失去了原本的使用價(jià)值[1]。露天的礦山開采,對(duì)礦區(qū)的地表土層造成了嚴(yán)重的破壞,從而影響到礦區(qū)地面植被的正常生長(zhǎng),而地下深挖礦山開采,則會(huì)造成地面凹陷等諸多問題,對(duì)礦區(qū)的土地和植被造成非常嚴(yán)重的破壞[2]。在礦山開發(fā)過程中,開采廢棄物需要大面積的儲(chǔ)存場(chǎng)地,從而導(dǎo)致大量土地被占用和破壞。儲(chǔ)存場(chǎng)地原有生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞,會(huì)導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境的變化,限制植被的正常生長(zhǎng)。廢棄的礦山對(duì)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重影響,它不僅會(huì)占用大量的土地使用面積,還會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生巨大的負(fù)面影響[3]。因此,對(duì)廢棄礦山地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行生態(tài)修復(fù),增加土地資源,既可緩解礦山開采過程中的土地利用問題,也可滿足礦山區(qū)域生態(tài)環(huán)境建設(shè)的需要,促進(jìn)礦山經(jīng)濟(jì)與環(huán)境保護(hù)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

在國內(nèi)的研究中,部分研究者提出了一種基于動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的礦山環(huán)境影響特征提取方法,并以2019年和2020年的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)為研究基礎(chǔ),對(duì)浙江省某區(qū)域內(nèi)的礦山資源進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)[4]。根據(jù)對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的分析和總結(jié),實(shí)現(xiàn)對(duì)礦山生態(tài)環(huán)境的歸納和劃分,并將礦山環(huán)境影響特征分為生態(tài)修復(fù)模式、工業(yè)園區(qū)模式、農(nóng)田復(fù)墾模式等三大模式,通過對(duì)礦山環(huán)境特征的提取,實(shí)現(xiàn)對(duì)礦山環(huán)境的治理。還有部分研究者以2010年和2021年湖南省某地區(qū)獲得的SPOT-5數(shù)據(jù)為研究基礎(chǔ),結(jié)合國內(nèi)GF-2衛(wèi)星影像監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)該地區(qū)的礦山遙感標(biāo)志進(jìn)行研究[5]。該篇文章分析了該研究區(qū)內(nèi)礦山地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀及礦山特征變化趨勢(shì)。研究結(jié)果表明,2010年研究區(qū)礦山開發(fā)面積為33.360 hm2,占整個(gè)研究區(qū)開采面積的1.56%。在國外的研究中,有部分研究者通過測(cè)量了不同地表土層位移深度下植物群落結(jié)構(gòu),對(duì)地表植物生長(zhǎng)和土壤性質(zhì)進(jìn)行分析,得出了植物生長(zhǎng)頻率與土壤形狀之間的關(guān)系,并根據(jù)研究數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析[6]。結(jié)果表明,不同土體深度的物種,其多樣性和均勻度受多種因素影響,且差異在(P>0.05)范圍內(nèi)不明顯。隨著土壤深度的增加,植物的密度和地上生物量顯著增加(P<0.05)。土壤性質(zhì)隨表土深度的增加而變化,當(dāng)植被深度為40～45 cm時(shí),土壤有機(jī)質(zhì)顯著高于其他兩個(gè)深度(P<0.05)。

基于以上研究背景,本文針對(duì)廢棄礦山的地質(zhì)環(huán)境,提出一種生態(tài)修復(fù)技術(shù),從而實(shí)現(xiàn)礦山地質(zhì)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 研究區(qū)概況

本文為了對(duì)廢棄礦山地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行生態(tài)恢復(fù),以A礦山為研究對(duì)象。該研究區(qū)東部和西部為平原地區(qū),南部和北部為丘陵地區(qū),平均海拔+1 825 m左右,最高海拔+2 001 m[7]。該研究礦區(qū)的氣候常年以干燥為主,但各個(gè)季節(jié)的溫差較大,冬季和夏季的最高溫差可達(dá)到60 ℃,冬季較為漫長(zhǎng),高達(dá)7個(gè)月之久,最低溫度達(dá)到-40 ℃左右,年平均溫度3 ℃左右[8],且常年揚(yáng)沙,風(fēng)速也均在6到7級(jí),春冬兩季以東北風(fēng)為主,夏季以南風(fēng)為主,年平均風(fēng)速在4.5 m/s,常年干旱少雨,降雨量較少,且?guī)缀醵荚谙募綶9],年平均光照時(shí)間為3 125 h。A礦山研究區(qū)的實(shí)景如圖1所示。

圖1 A礦山實(shí)景Fig.1 A actual view of mine A

1.2 實(shí)驗(yàn)試劑與土壤

實(shí)驗(yàn)土壤來自A礦區(qū)的自然清潔土壤,經(jīng)過人工方式染毒后作為實(shí)驗(yàn)土壤[10]。染毒試劑為優(yōu)級(jí)的氯化汞3.24 g、氯化鉻5.26 g。實(shí)驗(yàn)土壤來自A礦區(qū)深度為0～30 cm的土壤,土壤基本的理化性質(zhì)見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)土壤的理化性質(zhì)Tab.1 Physical and chemical properties of experimental soil

實(shí)驗(yàn)土壤中Hg含量約為0.18 mg/kg,Cd的含量小于0.05 mg/kg,都滿足國家土壤環(huán)境質(zhì)量Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(pH值>7.5)[11-12],土壤類型呈現(xiàn)為輕—中砂壤土。

1.3 實(shí)驗(yàn)植物

對(duì)于廢棄的礦山,對(duì)生態(tài)地質(zhì)環(huán)境造成影響的主要是土壤中的Hg和Cd,將苔蘚、芥菜和剪股穎作為Hg污染的生態(tài)環(huán)境修復(fù)植物,將菊苣、籽粒莧和鬼針草作為Cd污染的生態(tài)環(huán)境修復(fù)植物。

1.4 實(shí)驗(yàn)方案

本文設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)共分為土壤染毒和植物種植2個(gè)部分。

選取A礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境中的土壤,先對(duì)樣品土壤進(jìn)行測(cè)定。樣品土壤pH值為4.57,有機(jī)質(zhì)為18.78 mg/kg,初始Hg含量0.139 mg/kg,Cd含量0.45 mg/kg。取適量土壤加入外源Hg、Cd(形態(tài)分別為HgCl2和CdCl2)作為模擬污染土壤備用,其染毒過程處理如下。

(1)Hg染毒。取適量A礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境中的土壤,先將其平均分為2份,一份標(biāo)注為低濃度Hg土壤,另一份標(biāo)注為高濃度Hg土壤,然后取氯化汞試劑對(duì)離子水進(jìn)行稀釋,分別配置濃度為7.5、1.5 mg/L的氯化汞溶液,利用濃度為7.5 mg/L的氯化汞溶液對(duì)高濃度Hg土壤染毒,利用濃度1.5 mg/L的氯化汞溶液對(duì)低濃度Hg土壤染毒,以噴霧形式均勻地噴灑到實(shí)驗(yàn)土壤中,邊噴灑邊攪拌,使其可得到均勻染毒[13-14]。染毒后采用F732-G測(cè)汞儀對(duì)Hg含量進(jìn)行測(cè)定,其中Hg的全量用H2SO4-HNO3-V2O5消化,測(cè)定染毒后高濃度土壤Hg濃度為12.0 mg/kg,低濃度土壤內(nèi)Hg濃度為1.0 mg/kg[15-16]。最后將2組實(shí)驗(yàn)土壤放在溫室中進(jìn)行土培,實(shí)驗(yàn)用的塑料盆栽應(yīng)保證30 cm深,且其盆土均重為4 kg。

(2)Cd染毒。該過程與Hg染毒相似。先將土壤平均分為2份,利用氯化鉻試劑對(duì)離子水進(jìn)行稀釋,使其濃度分別為3.0、0.5 mg/kg,利用該兩種試劑分別對(duì)高低Cd濃度土壤染毒,將稀釋過后的氯化鉻試劑噴灑到土壤內(nèi),邊噴灑邊攪拌,使其染毒均勻。然后利用王水和高氯酸消化后再用光譜儀進(jìn)行元素濃度測(cè)定。測(cè)定后,其高、低濃度土壤內(nèi)Cd濃度分別為0.8、8.0 mg/kg,最后在溫室中分別放入兩個(gè)與上面試驗(yàn)相同的塑料盆中進(jìn)行土培[17-18]。

(3)植物種植。針對(duì)土壤中Hg的吸收,分別選取苔蘚、芥菜、剪股穎3種植物進(jìn)行試驗(yàn)[19-20];針對(duì)土壤中Cd的吸收,分別選取菊苣、籽粒莧、鬼針草3種植物進(jìn)行試驗(yàn),并在高、低濃度的土壤中進(jìn)行植株種植。分別在溫室培養(yǎng)3、5、7、9、11 d后取樣稱取植物鮮重,測(cè)定土壤中的Hg或Cd元素濃度,觀察各類植物的生態(tài)修復(fù)效果。部分試驗(yàn)植物實(shí)物如圖2所示。

圖2 部分試驗(yàn)植物實(shí)物Fig.2 Physical of some experimental plants

1.5 修復(fù)精度指標(biāo)

修復(fù)精度(UA)是指某一植物占總修復(fù)總數(shù)的百分比,其可反映總修復(fù)精度結(jié)果的正確度,計(jì)算公式為:

(1)

Kappa系數(shù)是最能準(zhǔn)確反映整體的修復(fù)精度的量,其是基于修復(fù)的每個(gè)數(shù)據(jù)獲得的,公式為:

(2)

Kappa指數(shù)<0、0～0.20、0.21～0.40、0.41～0.60、0.61～0.80、0.81～1.00時(shí),對(duì)應(yīng)的質(zhì)量為很差、差、一般、好、很好、極好。

2 結(jié)果分析

2.1 不同植物對(duì)Hg的吸收效果

2.1.1 生物量對(duì)比

苔蘚、芥菜和剪股穎在實(shí)驗(yàn)室條件下生長(zhǎng)時(shí),苔蘚的生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)最旺盛,最大株高在48.6～57.2 cm之間,芥菜的最大株高大約為28 cm,剪股穎是一種生長(zhǎng)在本土草坪的植物[20],地面以上的生長(zhǎng)高度大約為9 cm。當(dāng)濃度水平為1 mg/kg時(shí),不同植物吸收Hg的地上部分鮮重與變化趨勢(shì)見表2。

表2 低濃度水平下3種植物的地上部分鮮重Tab.2 Aboveground fresh weight of three plants at low concentration levels g/pot

根據(jù)表2的結(jié)果可知,3種植物在1 mg/kg的濃度下,隨著采樣次數(shù)的增加,地上部分的生物量都呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì),苔蘚和芥菜的地上部分生物量在第3次采樣時(shí)就達(dá)到了最大值,分別為31.24、28.48 g/pot,只有剪股穎的地上部分生物量在第4次采樣時(shí)達(dá)到最大值,為8.26 g/pot,而且剪股穎在5次采樣中的地上部分生物量都沒有太大變化幅度,3種植物在1 mg/kg的濃度下地上部分生物量排序?yàn)樘μ\>芥菜>剪股穎。

當(dāng)濃度水平為12 mg/kg時(shí),不同植物吸收Hg的地上部分鮮重與變化趨勢(shì)見表3。

表3 高濃度水平下3種植物的地上部分鮮重Tab.3 Aboveground fresh weight of three plants at high concentration levels g/pot

從表3可以看出,3種植物在12 mg/kg濃度下的地上部分鮮重變化規(guī)律與濃度為1 mg/kg時(shí)基本一致,也就是說隨著采樣次數(shù)的增加,地上部分鮮重仍然是先增大后減小,苔蘚和芥菜的地上部分生物量在第3次采樣時(shí)就達(dá)到了最大值,分別為32.07、29.67 g/pot,剪股穎的地上部分鮮重沒有明顯的變化,當(dāng)采樣第4次時(shí),生物量最大,為9.13 g/pot。3種植物在12 mg/kg的濃度下地上部分生物量排序?yàn)樘μ\>芥菜>剪股穎。

綜合以上結(jié)果,3種植物在不同濃度水平下的生長(zhǎng)情況基本一致,說明植物的生長(zhǎng)并沒有受到高濃度水平的抑制作用,對(duì)廢棄礦山地質(zhì)環(huán)境中土壤Hg污染的耐性很好。

2.1.2 不同植物對(duì)Hg的吸收效果

當(dāng)濃度水平為1 mg/kg時(shí),3種植物地上部分Hg的濃度測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3 低濃度水平下3種植物的 Hg 濃度Fig.3 Hg concentration of three plants at low concentration levels

根據(jù)圖3結(jié)果可知,隨著采樣次數(shù)的增加,3種植物地上部分Hg的濃度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì),并且都是在第4次采樣時(shí)達(dá)到最大值,分別為0.45、0.22、0.54 μg/g。

當(dāng)濃度水平為1 mg/kg時(shí),3種植物地上部分的Hg吸收量見表4。

表4 低濃度水平下植物地上部分的 Hg 吸收量Tab.4 Hg absorption of aboveground parts of plants at low concentration levels μg/pot

表4的結(jié)果顯示,3種植物地上部分的Hg吸收量都是在第4次采樣時(shí)達(dá)到最大值,吸收量分別為3.24、1.46、1.13 μg/pot。對(duì)于苔蘚和芥菜而言,Hg吸收量最大值出現(xiàn)的時(shí)間比地上部分鮮重最大值出現(xiàn)的時(shí)間晚,3種植物對(duì)廢棄礦山地質(zhì)環(huán)境土壤中Hg的修復(fù)效果排序?yàn)樘μ\>芥菜>剪股穎。

當(dāng)濃度水平為12 mg/kg時(shí),3種植物地上部分Hg的濃度測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖4 高濃度水平下3種植物的 Hg 濃度Fig.4 Hg concentration of three plants at high concentration levels

圖4中,隨著采樣次數(shù)的增加,3種植物地上部分Hg的濃度在第4次采樣時(shí)達(dá)到最大值,分別為1.32、0.56、0.85 μg/g。

當(dāng)濃度水平為12 mg/kg時(shí),3種植物地上部分的Hg吸收量見表5。

表5 高濃度水平下植物地上部分的 Hg 吸收量Tab.5 Hg absorption of aboveground parts of plants at high concentration levels μg/pot

根據(jù)表5的結(jié)果可知,在高濃度水平下,3種植物地上部分的Hg吸收量與低濃度水平比較接近,都是在第4次采樣時(shí)達(dá)到最大值,吸收量分別為9.83、3.98、1.78 μg/pot。對(duì)于苔蘚和芥菜而言,Hg吸收量最大值出現(xiàn)的時(shí)間比地上部分鮮重最大值出現(xiàn)的時(shí)間晚,3種植物對(duì)廢棄礦山地質(zhì)環(huán)境土壤中Hg的吸收效果排序?yàn)樘μ\>芥菜>剪股穎。

2.2 不同植物對(duì)Cd的吸收

2.2.1 生物量對(duì)比

菊苣、籽粒莧和鬼針草在實(shí)驗(yàn)室條件下生長(zhǎng)時(shí),鬼針草的生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)最為旺盛,最大株高可以達(dá)到85 cm,其次是菊苣,株高最低的是籽粒莧。當(dāng)濃度水平為0.8 mg/kg時(shí),不同植物吸收Cd的地上部分鮮重與變化趨勢(shì)見表6。

表6 低濃度水平下3種植物的地上部分鮮重Tab.6 Aboveground fresh weight of three plants at low concentration levels g/pot

表6中,在0.8 mg/kg的濃度下,隨著采樣次數(shù)的增加,3種植物地上部分的生物量都呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì),菊苣和鬼針草的地上部分生物量在第3次采樣時(shí)就達(dá)到了最大值,分別為32.04、85.24 g/pot,只有籽粒莧的地上部分生物量在第4次采樣時(shí)達(dá)到最大值,為65.24 g/pot,3種植物在1 mg/kg的濃度下地上部分生物量排序?yàn)楣磲槻?籽粒莧>菊苣。

當(dāng)濃度水平為8.0 mg/kg時(shí),不同植物吸收Cd的地上部分鮮重與變化趨勢(shì)見表7。

表7 高濃度水平下3種植物的地上部分鮮重Tab.7 Aboveground fresh weight of three plants at high concentration levels g/pot

表7的結(jié)果顯示,隨著采樣次數(shù)的增加,3種植物的地上部分鮮重先增大后減小,其中菊苣和鬼針草的地上部分鮮重在第3次采樣時(shí)達(dá)到最大,分別為30.23、89.67 g/pot,只有籽粒莧在第4次采樣時(shí)達(dá)到最大,為68.36 g/pot。3種植物在8.0 mg/kg的濃度下地上部分鮮重排序?yàn)楣磲槻?籽粒莧>菊苣。

根據(jù)以上結(jié)果可見,3種植物對(duì)廢棄礦山地質(zhì)環(huán)境中土壤Cd污染的耐性同樣很好。

2.2.2 不同植物對(duì)Cd的吸收效果

當(dāng)濃度水平為0.8 mg/kg時(shí),3種植物地上部分Cd的濃度測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖5 低濃度水平下3種植物的 Cd 濃度Fig.5 Cd concentration of three plants at low concentration levels

根據(jù)圖5結(jié)果可知,隨著采樣次數(shù)的增加,3種植物地上部分Cd的濃度出現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),并且都是在第4次采樣時(shí)達(dá)到最大值,分別為2.56、1.24、10.36 μg/g。

當(dāng)濃度水平為0.8 mg/kg時(shí),3種植物地上部分的Cd吸收量見表8。

表8 低濃度水平下植物地上部分的 Cd 吸收量Tab.8 Cd absorption of aboveground parts of plants at low concentration levels μg/pot

表8的結(jié)果顯示,3種植物地上部分的Cd吸收量都是在第4次采樣時(shí)達(dá)到最大值,吸收量分別為18.32、18.74、196.52 μg/pot。其中,菊苣和籽粒莧對(duì)Cd的吸收效果比較差。3種植物對(duì)Cd吸收量最大值出現(xiàn)的時(shí)間比地上部分鮮重最大值出現(xiàn)的時(shí)間晚,吸收效果排序?yàn)楣磲槻?籽粒莧>菊苣。

當(dāng)濃度水平為8.0 mg/kg時(shí),3種植物地上部分Cd的濃度測(cè)試結(jié)果如圖6所示。由圖6可知,隨著采樣次數(shù)的增加,3種植物地上部分Cd的濃度在第4次采樣時(shí)達(dá)到最大值,分別為13.96、8.37、32.59 μg/g。

圖6 高濃度水平下3種植物的 Cd 濃度Fig.6 Cd concentration of three plants at high concentration levels

當(dāng)濃度水平為8.0 mg/kg時(shí),3種植物地上部分的Cd吸收量見表9。

表9 高濃度水平下植物地上部分的 Cd 吸收量Tab.9 Cd absorption of aboveground parts of plants at high concentration levels μg/pot

根據(jù)表9的結(jié)果可知,在高濃度水平下,3種植物地上部分的Cd吸收量與低濃度水平比較接近,都是在第4次采樣時(shí)達(dá)到最大值,吸收量分別為96.21、133.26、611.24 μg/pot。對(duì)于鬼針草和菊苣而言,Cd吸收量最大值出現(xiàn)的時(shí)間比地上部分鮮重最大值出現(xiàn)的時(shí)間晚,3種植物對(duì)廢棄礦山地質(zhì)環(huán)境土壤中Cd的吸收效果排序?yàn)楣磲槻?籽粒莧>菊苣。

2.3 修復(fù)精度評(píng)價(jià)

選用eCognition軟件的礦山地質(zhì)生態(tài)環(huán)境修復(fù)精度,結(jié)合礦山實(shí)際驗(yàn)證點(diǎn)和無人機(jī)遙感影像圖輔助參與,對(duì)礦山地質(zhì)生態(tài)環(huán)境修復(fù)結(jié)果按照地類隨機(jī)布點(diǎn)抽取樣本并保存,最后根據(jù)軟件自帶的精度評(píng)價(jià)模塊進(jìn)行修復(fù)精度結(jié)果與實(shí)際地物之間的精度驗(yàn)證。修復(fù)精度評(píng)價(jià)見表10。

表10 修復(fù)精度Tab.10 Repair accuracy

3 結(jié)論

本文針對(duì)廢棄礦山的地質(zhì)環(huán)境提出了生態(tài)修復(fù)技術(shù)研究。結(jié)果顯示,通過土壤中Hg吸收實(shí)驗(yàn)可知,苔蘚對(duì)土壤中Hg的吸收效果最好,無論是面對(duì)高濃度土壤還是低濃度土壤,均可在第3次采樣時(shí)達(dá)到吸收的最大值,高濃度時(shí)吸收量為9.83 μg/pot,低濃度時(shí)吸收量為3.24 μg/pot;通過土壤中Cd吸收實(shí)驗(yàn)可知,無論是面對(duì)高濃度土壤還是低濃度土壤,鬼針草對(duì)土壤中Cd的吸收效果最好,均在第4次采樣時(shí)達(dá)到最大值,高濃度時(shí)吸收量為611.24 μg/pot,低濃度時(shí)吸收量為196.52 μg/pot。由此可針對(duì)該土質(zhì)種植大量苔蘚與鬼針草,以達(dá)到修復(fù)生態(tài)的目的。本文研究雖然可以成功修復(fù)廢棄礦山地質(zhì)環(huán)境,但是還存在很多不足,在今后的研究中,會(huì)考慮到不同植物的生長(zhǎng)周期,深入研究不同植物對(duì)廢棄礦山地質(zhì)環(huán)境土壤中Hg和Cd的吸收效果。