植物修復(fù)鈾尾礦庫退役后流出的鈾離子污染因素分析

孟祥鵬 劉 永

(1.南華大學(xué)核資源與核燃料工程學(xué)院；2.南華大學(xué))

植物修復(fù)鈾尾礦庫退役后流出的鈾離子污染因素分析

孟祥鵬1劉 永2

(1.南華大學(xué)核資源與核燃料工程學(xué)院；2.南華大學(xué))

根據(jù)植物修復(fù)技術(shù)研究應(yīng)用的發(fā)展，結(jié)合鈾礦冶尾礦庫實際情況，從鈾尾礦庫污染區(qū)域概況、植物選擇、農(nóng)藝措施、管理措施4個方面，探討了運用植物修復(fù)技術(shù)應(yīng)考慮的因素，為植物修復(fù)鈾尾礦庫退役后流出的鈾離子污染提供參考借鑒。

鈾尾礦庫 污染 植物修復(fù) 因素分析

近年來，越來越多的鈾尾礦庫將退役或已經(jīng)退役后的鈾尾礦庫對環(huán)境產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響，盡管有關(guān)部門采取了一定的措施，也取得了一定的成效，但我國已經(jīng)退役的鈾礦冶尾礦庫存在的問題依然嚴(yán)峻。鈾礦冶廢石由于含有一定量的鈾，鈾離子通過懸浮、風(fēng)化、剝蝕、滲濾和地表水、暴雨的沖刷等作用而遷移流動，使污染進(jìn)一步擴大，對生態(tài)環(huán)境造成更大的危害。特別是近年來很多鈾礦山實施堆浸工藝，其尾礦中鈾品位普遍高于0.02%，這樣的尾礦將使污染問題變得更加嚴(yán)重。

植物修復(fù)是指利用植物固定、提取、降解或轉(zhuǎn)化土壤中的污染物[1-2]。與物理法和化學(xué)法相比，植物修復(fù)方法具有成本低廉，對土壤的擾動小，二次污染小的特點。經(jīng)過多年發(fā)展，鈾污染植物修復(fù)技術(shù)已經(jīng)取得了一定的成就。然而，鈾尾礦庫污染問題的復(fù)雜性，植物修復(fù)技術(shù)的局限性，使得合理運用植物修復(fù)技術(shù)需要結(jié)合鈾尾礦庫的實際情況，考慮多方面的因素?；诖?，從以下4個方面討論了植物修復(fù)鈾尾礦庫退役后流出的鈾離子污染應(yīng)考慮的因素，為使用植物修復(fù)技術(shù)治理鈾尾礦庫退役后流出的鈾離子污染提供了參考借鑒。

1 鈾尾礦庫鈾離子污染區(qū)域情況

利用植物修復(fù)鈾尾礦庫退役后的鈾離子污染首先需要調(diào)查鈾尾礦庫鈾離子的污染情況，及對鈾尾礦庫進(jìn)行全面考察，考察內(nèi)容主要包括氣候條件，土壤理化性質(zhì)。

1.1 氣候條件

氣候條件是影響植物生長的重要因素之一。植物的蒸騰作用對鈾離子在植物體內(nèi)的遷移提供驅(qū)動力，而植物的蒸騰作用的效率取決于光照、溫度等氣候條件。光照對植物蒸騰作用的影響是能引起氣孔的開放，減少內(nèi)部阻力，當(dāng)溫度升高時，大氣與葉片溫度升高，增加葉內(nèi)外蒸汽壓差，二者都會加快蒸騰速率，而霜降會影響植物修復(fù)周期長短。我國鈾尾礦庫分布在十幾個省，數(shù)十個縣，所跨地域面積大，氣候變化較大。以湖南和新疆為例，湖南境內(nèi)多年平均降水量在1 200～1 700 mm，屬于雨水充沛地區(qū)，日照時數(shù)為1 300～1 800 h，全年無霜期長達(dá)260～310 d，新疆境內(nèi)年平均降水量在50～200 mm，日照時數(shù)為2 550～3 500 h，新疆北部全年無霜期為100～150 d。因此，合理運用植物修復(fù)技術(shù)應(yīng)充分考慮各地氣候差異，結(jié)合歷史氣象數(shù)據(jù)，對當(dāng)?shù)貧夂蜻M(jìn)行具體分析。

1.2 土壤理化性質(zhì)

土壤是植物生活的基質(zhì)，為植物生長提供必要的礦物質(zhì)和水分。土壤成分、肥力、土壤結(jié)構(gòu)、酸堿性等因素都會影響植物的生長發(fā)育情況。鈾污染土壤的類型會影響植物富集鈾的效率，Shahandeh等[3]的研究表明，只有在酸性土壤和碳酸鹽礦物的堿性土壤，鈾富集才有一定的效果。

鈾尾礦庫污染土壤是高濃度的復(fù)合污染，因為鈾尾礦庫流出物不僅有鈾離子，還含有伴生的重金屬離子，如鉛、銅、鎘，這些重金屬離子的超標(biāo)排放會造成鈾尾礦庫土壤重金屬離子污染。例如某鈾尾礦庫周圍土壤鉛含量為224 mg/kg、銅含量為 225 mg/kg，遠(yuǎn)超國家標(biāo)準(zhǔn)土壤鉛含量26.9 mg/kg、銅含量22.6 mg/kg。部分鈾富集植物對含量較高的重金屬離子會表現(xiàn)出中毒癥狀，因此選擇修復(fù)植物時，還應(yīng)充分考慮修復(fù)植物對濃度超標(biāo)的重金屬離子的耐受性。部分重金屬離子的存在也會影響鈾富集效果，Viehweger等[4]的研究表明，擬南芥屬植物的根和芽在缺鐵的營養(yǎng)液中會大幅增加對鈾的富集效果。所以在應(yīng)用植物修復(fù)技術(shù)前，應(yīng)對鈾污染土壤中重金屬離子的含量做全面的調(diào)查，為合理選擇修復(fù)植物奠定基礎(chǔ)。

鈾尾礦庫滲水可能造成土壤pH值的改變，不同的土壤pH值會改變鈾離子的化學(xué)存在形態(tài)，當(dāng)土壤pH值為4.5時，鈾主要以鈾酰離子形式存在；當(dāng)土壤pH值為5.2時，鈾以羥基絡(luò)合物的形式存在；當(dāng)土壤pH值為6時，鈾以碳酸鹽形式存在，鈾不同的存在形式會影響植物富集效果。李躍等[5]研究表明，小球藻在pH值為6時，達(dá)到最大吸附量1.92 mg/g，而在pH值為2時，吸附量只有0.33 mg/g。因此，在選擇修復(fù)植物后，應(yīng)在試驗室確定該植物最佳富集效果的pH值，在以不影響修復(fù)植物生長限度的情況下，通過施用石灰、石膏或有機肥使土壤達(dá)到最佳效果的pH值。

2 植物選擇

選擇合適的修復(fù)植物至關(guān)重要，近年來，越來越多的植物已被發(fā)現(xiàn)適宜作為鈾富集植物。徐俊等[6]采用營養(yǎng)液結(jié)合土壤培養(yǎng)的方法，在 100 mg/kg 土鈾條件下，研究了菠菜、小白菜和冬莧菜對鈾的耐性及土壤中鈾吸收積累差異。實驗表明，與小白菜和冬莧菜相比，菠菜對土壤中的鈾具有更高的吸收和積累能力，其地上部分鈾含量為232 mg/kg，地下部分達(dá)到433 mg/kg。唐麗等[7]采用土壤盆栽實驗，研究了十字花科、錦葵科、菊科共十種植物在100 mg/kg鈾濃度土壤中對鈾的吸收積累能力，其中特選榨菜富集鈾能力最高，其地上部分鈾含量為1 115 mg/kg，富集系數(shù)達(dá)到11.15。一般來說，選擇修復(fù)植物應(yīng)從以下幾方面考慮：

(1)修復(fù)植物應(yīng)選擇已被證實對鈾有富集作用的植物，不宜選擇尚未證實對鈾有富集作用的植物。

(2)修復(fù)植物應(yīng)有發(fā)達(dá)的根系，鈾尾礦庫鈾土壤污染深度較深，植物的主根應(yīng)達(dá)到鈾污染區(qū)域，保證在修復(fù)過程中，植物根系必須和污染物接觸，部分鈾富集植物根系較淺，不適用于鈾尾礦庫鈾污染土壤的修復(fù)。

(3)選擇植物還應(yīng)避免造成外來物種入侵當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，以降低生態(tài)風(fēng)險，因此最好選擇本地物種，避免使用外來物種。同時植物選擇還應(yīng)兼顧生長周期短，生物量大等特點。

3 農(nóng)藝措施

作為植物修復(fù)強化技術(shù)，農(nóng)藝措施可以有效地提高土壤鈾污染的修復(fù)效率，主要包括作物的栽培、育種、土壤管理、改良劑的添加、病蟲害防治等。草本植物一般選擇直播或移栽，木本植物選擇移植或扦插進(jìn)行種植。種植時間應(yīng)依據(jù)以往歷史氣象數(shù)據(jù)，確定最佳種植時間。

改良劑包括土壤改良劑和螯合劑兩類。土壤改良劑包括綠肥、糞肥、作物秸稈、尿素等。土壤改良劑會改變土壤理化性質(zhì)，促進(jìn)植物生長，提高生物量，進(jìn)而提高植物體內(nèi)鈾含量，降低土壤內(nèi)鈾含量；螯合劑包括蘋果酸、檸檬酸等。Duequene等[8]用可以降解的螯合劑(檸檬酸，檸檬酸銨和檸檬酸混合物，EDDS和NTA)強化印度芥菜和黑麥草對鈾的提取，發(fā)現(xiàn)加入螯合劑可以增加鈾在土壤水溶液中的濃度，相比于空白組，鈾的濃度增加18倍。添加EDDS使印度芥菜上部鈾富集濃度增加了19倍。Chang等[9]施加檸檬酸后發(fā)現(xiàn)印度芥菜葉部累積的鈾可達(dá)2 000 mg/kg，油菜根部則高達(dá)3 500 mg/kg。萬芹芳等研究發(fā)現(xiàn)，有機肥會降低植物上部對鈾的富集，而檸檬酸會促進(jìn)植物上部對鈾的富集。因此，為達(dá)到植物富集鈾含量最大化應(yīng)合理選擇改良劑的添加量及比例。

植物的病蟲害防治是農(nóng)藝措施中的重要工作，對植物的正常生長有重要影響。以現(xiàn)有技術(shù)水平，施用化學(xué)農(nóng)藥仍然是防治植物病蟲害的重要手段。在施用化學(xué)農(nóng)藥的過程中，應(yīng)選擇一些降解快、殘毒小的農(nóng)藥，避免造成二次污染。

目前，多種植物混合種植已經(jīng)成為植物修復(fù)技術(shù)的新趨勢。多種植物的混合種植抵御外來物種入侵、抗蟲病、修復(fù)效果均好于單一植物種植。選擇植物混合種植修復(fù)時，在使鈾離子去除率最大的前提下，應(yīng)通過試驗室或田間實驗確定植物混合種植密度、灌溉周期、改良劑添加量等的最佳比例組合。

4 管理措施

植物修復(fù)周期相對物理法和化學(xué)法比較漫長，所以在植物修復(fù)過程中應(yīng)進(jìn)行必要的管理措施，以保證植物修復(fù)效果。管理措施應(yīng)當(dāng)貫穿植物修復(fù)的全過程，包括植物的選擇、種植、灌溉、施肥、除草、噴藥、病蟲害防治、植物收割與植物處理。

管理部門應(yīng)考慮對突發(fā)重大自然災(zāi)害，如霜降、冰雹、特大暴雨等給修復(fù)植物造成的災(zāi)害，建立突發(fā)事件應(yīng)急預(yù)案，健全突發(fā)事件應(yīng)急體系。鈾尾礦庫不是封閉的生態(tài)系統(tǒng)，還應(yīng)避免鈾污染通過其他途徑傳播，如鈾通過植物的花粉傳播，耕地所產(chǎn)生的粉塵，動物通過食用修復(fù)植物造成體內(nèi)鈾含量超標(biāo)。由于鈾污染的特殊性，在修復(fù)植物生長期間，對植物的碎葉、死亡的植物應(yīng)當(dāng)做到及時處理，避免二次污染。植物收獲后的處理方式，如焚燒、填埋等做到全程監(jiān)控，避免污染物流出。

植物修復(fù)過程中需要定期檢測鈾污染土壤內(nèi)鈾濃度的變化，植物體內(nèi)鈾濃度變化，隨時觀察植物的生長情況，采取適當(dāng)方法提高植物的根系長度。對植物修復(fù)過程中發(fā)現(xiàn)的新情況、新問題應(yīng)及時妥善處理。

5 結(jié) 語

植物修復(fù)技術(shù)盡管自20世紀(jì)80年代興起以來，取得了長足的進(jìn)步，但在實際運用過程中還有一定的限制性，通過從鈾尾礦庫污染區(qū)域概況、植物選擇、農(nóng)藝措施、管理措施4個方面探討了利用植物修復(fù)鈾尾礦庫退役后流出的鈾離子污染問題所需考慮的因素。隨植物修復(fù)技術(shù)研究的不斷深入，越來越多的因素被發(fā)現(xiàn)可以影響植物修復(fù)效果，而鈾尾礦庫本身是一個復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，所以合理選擇植物修復(fù)技術(shù)還需考慮諸多因素，如鈾尾礦庫土壤內(nèi)微生物生長及分布情況，對某些污染嚴(yán)重的鈾尾礦庫可以考慮運用多種修復(fù)技術(shù)的聯(lián)合運用，如植物-微生物聯(lián)合修復(fù)，電壓-植物聯(lián)合修復(fù)等。總之，只有充分掌握鈾尾礦庫的污染情況，了解應(yīng)用植物修復(fù)所應(yīng)考慮的因素，才能使植物修復(fù)技術(shù)更成功的應(yīng)用到鈾尾礦庫退役后流出的鈾離子污染修復(fù)中去。

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2015-03-23)

孟祥鵬(1992—)，男，碩士研究生，421001 湖南省衡陽市常勝西路28號。