基于小白菜盆栽試驗(yàn)的尾礦土壤復(fù)墾適農(nóng)性研究

安俊珍，蔡崇法，雷中仁，溫重陽，常萬廣

(1.白銀市水務(wù)局，甘肅 白銀 730900；2.華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430070)

礦山開采在促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)增長的同時(shí)，引發(fā)了一系列生態(tài)環(huán)境問題。采礦占用地表資源，造成對(duì)水文和微氣候的擾動(dòng)，引起水質(zhì)、大氣、土壤污染和生物多樣性損失，加速土壤退化和水土流失，導(dǎo)致礦區(qū)生態(tài)退化與環(huán)境污染[1-7]。礦山開采破壞地表自然景觀，形成一個(gè)與周圍環(huán)境完全不同甚至極不協(xié)調(diào)的外觀[8]。若用級(jí)別定量表示各行業(yè)對(duì)生態(tài)施加的綜合影響程度，則礦業(yè)對(duì)環(huán)境的影響居于首位[9]。近年來，礦業(yè)廢棄地和尾礦庫的復(fù)墾及生態(tài)恢復(fù)備受學(xué)者關(guān)注，不少學(xué)者開展了相關(guān)研究并提出了大量理論與技術(shù)成果[10-20]。研究金礦開采對(duì)礦區(qū)的損害，認(rèn)識(shí)尾礦土壤特性和有毒物質(zhì)含量及變化規(guī)律，開展土壤復(fù)墾的適農(nóng)性評(píng)價(jià)，對(duì)于今后更好地利用尾礦土地資源、解決當(dāng)?shù)丶怃J的人地矛盾，維護(hù)和改善礦區(qū)生態(tài)環(huán)境具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)基本概況

試驗(yàn)用土壤為蛇屋山金礦尾礦土壤，該金礦位于湖北省咸寧市嘉魚縣，是“亞洲第一、世界第二”的大型風(fēng)化型紅黏土富金礦藏。地理坐標(biāo)為29°53′23″—29°53′57″N、113°45′13″—113°46′28″E，屬亞熱帶濕潤型季風(fēng)氣候區(qū)。年均降水量1 401.3 mm，年均氣溫16.9 ℃、無霜期249～262 d。年土壤以紅壤和石灰土為主。盆栽試驗(yàn)在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)盆栽場(chǎng)進(jìn)行，供試土壤的理化性質(zhì)如表1所示。

表1 供試土壤理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與觀測(cè)

依據(jù)尾礦平整后的地形特點(diǎn)，以尾礦生成時(shí)間為序列，在尾礦庫頂部、邊坡和底部按S形和隨機(jī)多點(diǎn)混合的原則確定采樣點(diǎn)并進(jìn)行采樣，用T06—T09表示2006—2009年的尾礦土壤，TV表示已種植樹(草)種的尾礦林下土壤，并選取礦區(qū)內(nèi)未擾動(dòng)區(qū)的土壤進(jìn)行對(duì)照，用CK表示。尾礦土壤自然風(fēng)干后，剔除石頭、塑料、秸稈、根系等物質(zhì)，過5 mm篩后裝入盆栽盆內(nèi)。小白菜品種選用上海青，選優(yōu)種每盆播20粒，用去離子水澆灌。播種5 d后記錄小白菜發(fā)芽情況，待發(fā)芽情況接近穩(wěn)定時(shí)，進(jìn)行定苗，每盆定苗5株。播種40 d后進(jìn)行收割處理 (因研究的重點(diǎn)為尾礦土壤的適農(nóng)性，所以只收割處理了地上部分，即可食部分，未對(duì)根部進(jìn)行處理)。

重金屬含量采用原子吸收分光光度法測(cè)定，土樣用HNO3-HClO4(4 ∶1)硝化，植物樣(小白菜)用王水/HClO4硝化；土樣中殘留氰化物采用蒸餾+異煙酸-吡唑啉酮光度法測(cè)定[21]。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同年際尾礦土壤理化性質(zhì)變化特征

不同年際尾礦土壤理化性質(zhì)見表2。金礦開采破壞土壤物理結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)不良，尾礦基質(zhì)過于松散或緊實(shí)，引起土壤持水、保水、透水能力和土壤肥力發(fā)生很大變化。尾礦土壤容重增大，介于1.36～1.74 g/cm3之間，與CK間存在顯著差異，不同年限尾礦容重也存在較為顯著差異；不同年限尾礦飽和含水量均低于CK，與CK差異顯著，尾礦土壤之間差異不顯著；除Tv的飽和入滲率高于T06—T09外，飽和入滲率的變化規(guī)律大致與飽和含水量相似；機(jī)械組成方面，不同年限尾礦土壤的黏粒平均含量為244 g/kg，粉粒為363 g/kg，均低于CK值，砂粒平均含量高于CK值，且尾礦土壤機(jī)械組成與CK差異顯著，各年尾礦之間機(jī)械組成差異不顯著?；瘜W(xué)性質(zhì)方面，尾礦土壤的pH值顯著升高，介于8.18～8.79之間；土壤有機(jī)質(zhì)含量總體較低，除TV外，其他尾礦的含量均在15.5 g/kg左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于CK；全N、全P、全K含量均較低，其中全P含量在整個(gè)金礦開采工藝過程中比較穩(wěn)定，全N、全K變化較大。從尾礦土壤的化學(xué)性質(zhì)可以看出，所測(cè)幾項(xiàng)指標(biāo)，尾礦土壤與CK間均存在顯著差異， pH和全P在尾礦土壤之間差異不明顯。

表2 不同年份尾礦土壤理化性質(zhì)變化特征

2.2 重金屬富集-氰化物殘留及相關(guān)關(guān)系分析

金礦開采導(dǎo)致了尾礦土壤重金屬污染。重金屬存在于土壤中，當(dāng)其含量超過土壤的自凈能力時(shí)，會(huì)引起土壤組成、結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生變化，種子發(fā)芽和植株生長受到抑制，影響礦區(qū)土地復(fù)墾、植被恢復(fù)和重建。測(cè)試金礦土壤重金屬含量如表3所示。

表3 尾礦土壤重金屬含量 mg/kg

不同年限尾礦土壤中五種重金屬含量存在顯著差異，不同的重金屬在尾礦土壤中含量隨尾礦堆積時(shí)間的延長而呈下降趨勢(shì)，各年尾礦中的重金屬含量均高于已人工恢復(fù)植被區(qū)林下土壤TV和礦區(qū)未擾動(dòng)區(qū)CK的含量，且T09到T08下降趨勢(shì)最為明顯，這是因?yàn)槲驳V形成初未進(jìn)行平整處理，土體比較疏松，尾礦土壤受風(fēng)力、降雨等作用發(fā)生了遷移。尾礦土體整理完畢后，隨著時(shí)間的變化，野生植物物種不斷侵入和人工落實(shí)水土保持林草措施，不同植物對(duì)重金屬元素進(jìn)行吸收，降低了尾礦中重金屬的含量。對(duì)比《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15612—1995)，在所測(cè)的五種重金屬元素中，Cd、Ni的含量超過了國家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[22]。

堆浸-噴淋的特殊金礦開采工藝，導(dǎo)致氰化物在尾礦土壤中殘留。氰化物，包括簡(jiǎn)單氰化物、絡(luò)合氰化物和有機(jī)氰化物(有機(jī)腈類)，是一類含有氰基的強(qiáng)毒性環(huán)境污染物(除少數(shù)穩(wěn)定的復(fù)合鹽外)。采用異煙酸—吡唑啉酮分光光度法測(cè)定了尾礦中的殘留氰化物含量，測(cè)定結(jié)果見表4。

表4 尾礦土壤殘留氰化物含量 mg/kg

考慮金屬離子與氰根離子間的絡(luò)合作用，在上述研究的基礎(chǔ)上，對(duì)尾礦土壤中重金屬與殘留氰化物含量進(jìn)行線性回歸分析，結(jié)果顯示，尾礦土壤中幾種重金屬與殘留氰化物含量之間顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)R2值均在0.95以上，見表5。

表5 重金屬與氰化物含量相關(guān)性分析

2.3 基于Cd富集尾礦土壤盆栽小白菜試驗(yàn)分析

重金屬在土壤中大量存在，會(huì)造成在植物根、莖、葉及籽粒中的富集，影響種子發(fā)芽，抑制植物的生長發(fā)育。不同作物、作物的不同部位、不同生長時(shí)期對(duì)重金屬的富集程度不同。一般認(rèn)為，蔬菜是重金屬富集能力最強(qiáng)的植物[廖自基，1992]。小白菜作為最常見的蔬菜之一，具有生長期短、盆栽方法簡(jiǎn)單、富集作用明顯等特點(diǎn)，在設(shè)施條件下研究蔬菜對(duì)重金屬富集作用有著廣泛的應(yīng)用。該金礦開采引起尾礦土壤Cd含量增加，濃度超過國家標(biāo)準(zhǔn)，因此筆者設(shè)計(jì)盆栽小白菜試驗(yàn)，選取Cd為研究對(duì)象，研究小白菜對(duì)Cd元素的富集作用。小白菜發(fā)芽情況與生物量如圖1、2所示。

圖1 小白菜發(fā)芽情況統(tǒng)計(jì)

圖2 盆栽小白菜生物量

由圖可知，從T09到T06，發(fā)芽率增加。經(jīng)計(jì)算，盆栽小白菜的發(fā)芽率在33.3%～66.7%之間。尾礦土壤的發(fā)芽時(shí)間總體較晚，生長較慢，這是由重金屬對(duì)種子萌發(fā)的抑制作用所致。觀測(cè)小白菜生長過程得知，T09上小白菜生長狀況嚴(yán)重不良，植株矮小且發(fā)生了病變；不同年限尾礦土壤小白菜的生物量差距較大，并從T09到T06呈明顯的增加趨勢(shì)。對(duì)照土壤的生物量最高，為69.58 g，T09系列的生物量最低，僅為19.94 g，前者約為后者的3.5倍。

測(cè)定小白菜地上部分對(duì)Cd的富集結(jié)果見表6。

表6 小白菜Cd的含量與積累量 mg/kg

結(jié)果顯示，各尾礦土壤類型盆栽小白菜地上部分均能較明顯地富集Cd，且葉片中Cd的含量與積累量大于葉柄，葉片對(duì)Cd平均重金屬富集系數(shù)為0.88，葉柄的富集系數(shù)為0.60。Cd在尾礦土壤T09上生長的小白菜生物體內(nèi)含量與積累量最高，可達(dá)1.65 mg/kg，相比國家食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的臨界濃度0.4 mg/kg，超標(biāo)4.12倍，對(duì)照土CK上小白菜葉片和葉柄中Cd的含量與積累量低于國標(biāo)的臨界值。小白菜地上部分Cd的含量與積累量隨尾礦土壤中Cd含量的增加而顯著增加，且尾礦土樣中的Cd含量﹥小白菜葉片中Cd含量﹥小白菜葉柄中的Cd含量。

在同一硝化條件下還測(cè)定了小白菜對(duì)Pb、Cu、Ni、Zn四種重金屬的積累情況，結(jié)果表明，葉柄的重金屬含量與積累量均略低于葉片部位，對(duì)Pb、Zn富集作用明顯，Cu、Ni的含量和積累量較低。

3 結(jié)論與討論

金礦開采對(duì)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的損害。本研究基于小白菜對(duì)重金屬Cd富集作用的盆栽試驗(yàn)，進(jìn)行了尾礦土壤農(nóng)業(yè)再利用的可行性分析與評(píng)價(jià)。

(1)金礦開采后導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)不良，土壤持水、保水、透水能力和肥力狀況發(fā)生變化，土壤容重值、砂粒含量增大，pH值顯著升高，飽和含水量、飽和入滲率、有機(jī)質(zhì)和營養(yǎng)元素含量降低。

(2)重金屬和氰化物在尾礦土壤中均有殘留，Cd、Ni兩種重金屬超過了國家標(biāo)準(zhǔn)；T09到T06，重金屬與氰化物的含量降低，且兩者之間有著較為顯著的正相關(guān)關(guān)系。

(3)基于小白菜對(duì)超標(biāo)強(qiáng)毒性重金屬元素Cd富集作用的盆栽試驗(yàn)得知，尾礦土壤在設(shè)施條件下能滿足植物的生長，但生物產(chǎn)量低，有毒重金屬含量和積累量超標(biāo)，因此尾礦土壤不宜或短期不宜作為農(nóng)業(yè)用地進(jìn)行復(fù)墾。

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