采礦廢石場(chǎng)重金屬污染評(píng)價(jià)與模擬植物恢復(fù)

采礦廢石場(chǎng)重金屬污染評(píng)價(jià)與模擬植物恢復(fù)*

彭禧柱，李鳳梅，楊勝香

(吉首大學(xué)生物資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，錳鋅礦業(yè)重金屬污染綜合防治技術(shù)

湖南省工程實(shí)驗(yàn)室，湖南 吉首 416000)

摘要：對(duì)湘西自治州礦區(qū)7個(gè)采礦廢石場(chǎng)重金屬進(jìn)行監(jiān)測(cè)，采用污染指數(shù)法對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià).研究結(jié)果表明，湘西自治州采礦廢石場(chǎng)重金屬元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏高，其中Pb，Zn，Cu，Cd的超過(guò)國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，Pb污染水平為清潔─輕度─中度污染，Zn為清潔─輕度污染，Cd為輕─中度污染，總污染程度為清潔─輕度─中度污染.植被恢復(fù)模擬試驗(yàn)結(jié)果表明，黑麥草、紫花苜蓿和野菊在不同的覆蓋厚度上均能萌發(fā)、生長(zhǎng)，且隨著覆蓋厚度的增加植物的發(fā)芽率、株高、生物量均顯著提高，覆蓋厚度為50 mm的處理植物長(zhǎng)勢(shì)最好，發(fā)芽率和株高最高，生物量最大.

關(guān)鍵詞：采礦廢石場(chǎng)；重金屬污染；噴混植生綠化技術(shù)；植被恢復(fù)

文章編號(hào)：1007-2985(2015)06-0079-05

中圖分類號(hào)：X753文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

DOI:10.3969/j.cnki.jdxb.2015.06.018

收稿日期：*2015-07-26

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41561076，41471257)；吉首大學(xué)校級(jí)科研項(xiàng)目(15JDY022)；湖南省研究生培養(yǎng)創(chuàng)新基地項(xiàng)目(201501)

作者簡(jiǎn)介：彭禧柱(1987—)，男，湖南古丈人，吉首大學(xué)生物資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院碩士生，主要從事礦山污染治理及生態(tài)恢復(fù)研究 通信作者：楊勝香(1972—)，女，山東東營(yíng)人，吉首大學(xué)生物資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院副教授，博士，主要從事重金屬污染治理及生態(tài)恢復(fù)研究.

礦產(chǎn)資源開(kāi)采是迄今人類最大規(guī)模改變地球表面景觀和破壞地表生態(tài)系統(tǒng)的有組織的人類活動(dòng).采礦過(guò)程中難免會(huì)產(chǎn)生大量廢石，如露天開(kāi)采時(shí)剝離礦體上方的巖石，地下開(kāi)采井巷中產(chǎn)生的廢石.這些采礦廢石因礦石品位較低達(dá)不到選礦要求而被遺棄，往往堆積在礦區(qū)，形成大大小小的廢石場(chǎng).據(jù)中國(guó)礦業(yè)聯(lián)合會(huì)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)現(xiàn)有礦山約12萬(wàn)個(gè)，每年產(chǎn)出的廢石排放量一直在10億t以上，礦山歷年廢石的堆存量己達(dá)127億t.湖南省湘西自治州礦產(chǎn)資源豐富，現(xiàn)已開(kāi)發(fā)利用的金屬礦產(chǎn)資源以Mn,Pb,Zn,Mg等為主，非金屬礦產(chǎn)以P、石灰?guī)r、陶土、大理石等為主.[4-5]湘西自治州地處武陵山區(qū)，采礦廢石產(chǎn)生量非常大，各類廢石廢渣的堆置不僅對(duì)山體植被和土壤結(jié)構(gòu)造成毀滅性破壞，而且給當(dāng)?shù)貛?lái)重金屬污染的安全隱患，嚴(yán)重影響了礦產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展.

近年來(lái)，環(huán)境與發(fā)展已成為社會(huì)普遍關(guān)注的重大問(wèn)題，加強(qiáng)礦山地質(zhì)環(huán)境治理和生態(tài)恢復(fù)是中國(guó)當(dāng)前所面臨的緊迫任務(wù).植被恢復(fù)是礦山環(huán)境治理的關(guān)鍵，可以促進(jìn)土壤熟化、涵養(yǎng)水源、防風(fēng)固沙、控制污染、美化景觀等.采礦廢石場(chǎng)中廢石塊度大，堆積物中孔隙度大，復(fù)墾技術(shù)難度大，可供借鑒的成功經(jīng)驗(yàn)不多，致使大部分礦區(qū)廢石場(chǎng)復(fù)墾工作進(jìn)展緩慢，生態(tài)恢復(fù)率極低.此外，廢石中殘存相當(dāng)高的重金屬，在露天堆置條件下易被氧化，重金屬的存在很不利于植物生長(zhǎng)和其他生物活動(dòng)，恢復(fù)起來(lái)十分困難.客土噴播植生綠化技術(shù)是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)巖質(zhì)邊坡植被綠化技術(shù)，在采石場(chǎng)邊坡穩(wěn)定、公路、鐵路邊坡植被保護(hù)等方面做過(guò)大量工作并成功應(yīng)用，然而將其用于采礦廢石場(chǎng)環(huán)境修復(fù)的報(bào)道卻很少[10-11].

筆者對(duì)湘西自治州礦區(qū)7個(gè)采礦廢石場(chǎng)進(jìn)行生態(tài)調(diào)查和重金屬污染評(píng)價(jià)，在試驗(yàn)場(chǎng)地模擬客土噴播植生綠化技術(shù)對(duì)采礦廢石進(jìn)行植被恢復(fù)，旨在為采礦廢石場(chǎng)人工生態(tài)修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持.

1材料與方法

1.1 采礦廢石場(chǎng)概況

2011年3月對(duì)湘西自治州花垣縣團(tuán)結(jié)鎮(zhèn)3個(gè)廢石場(chǎng)(編號(hào)為T1，T2，T3)、龍?zhí)舵?zhèn)2個(gè)廢石場(chǎng)(編號(hào)為L(zhǎng)1，L2)、民樂(lè)鎮(zhèn)2個(gè)廢石場(chǎng)(編號(hào)為M1，M2)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和樣品采集.這些廢石場(chǎng)均由粗糙的廢石碎片堆積而成，面積2 000～5 000 m2，碎石間空隙大，缺乏團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，持水能力差，晝夜溫差大，氣候干燥，幾乎無(wú)植被覆蓋.在每個(gè)廢石場(chǎng)隨機(jī)采集廢石樣5～6個(gè)，裝入潔凈的聚乙烯封口袋，運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行重金屬含量檢測(cè).

1.2 植被恢復(fù)實(shí)驗(yàn)方法

在湘西自治州花垣縣團(tuán)結(jié)鎮(zhèn)廣字坳廢石場(chǎng)取廢石約300 kg，對(duì)其進(jìn)行植被恢復(fù)模擬實(shí)驗(yàn).在試驗(yàn)場(chǎng)地，將運(yùn)來(lái)的廢石模擬廢石場(chǎng)堆砌成0.5 m×0.5 m×0.5 m小樣方.采用客土噴播植生綠化法[12]將草種、粘合材料、保水劑、土壤按一定比例充分混合后，將不同厚度的混合層覆蓋在廢石上，覆蓋厚度分別為10，20，30，50 mm，每種處理重復(fù)4次.具體做法是：將粘合材料、保水劑和水按照質(zhì)量比1∶1∶100配成水凝膠，把黑麥草、野菊和紫花苜蓿的種子倒入水凝膠中，每個(gè)草種播種量均為300粒，攪拌使種子沾滿水凝膠，均勻倒入到土壤中，繼續(xù)加水直到成泥狀，按照設(shè)計(jì)的厚度覆蓋在廢石表面.觀察種子的萌發(fā)、生長(zhǎng)狀況，1個(gè)月后測(cè)量株高，剪掉幼苗的地上部分，烘干，測(cè)量植物地上部分的生物產(chǎn)量.

1.3 樣品處理方法

將采集的廢石樣品搗碎、研細(xì)，過(guò)60目尼龍篩，備用.采用國(guó)標(biāo)法測(cè)定廢石pH值.稱取廢石樣4.00 g，加入10 mL的純水，用pH計(jì)(PHS-3C型)測(cè)定.廢石中的重金屬含量采用混合酸消解法.稱取廢石樣品0.2 g，小心倒入消化管中，加入4 mL的王水(V(HCl)∶V(HNO3)=3∶1)，浸泡過(guò)夜，第2天放入消化爐內(nèi)90 ℃加熱30 min，140 ℃加熱30 min，180 ℃加熱1 h，冷卻.加1 mL HClO4，于140 ℃加熱20 min，180 ℃加熱1 h，冷卻，過(guò)濾，定容[13].用等離子體發(fā)射光譜儀(ICAP6300，美國(guó)熱電)測(cè)定消解液中的重金屬元素Mn，Pb，Zn，Cu，Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù).

1.4 重金屬污染評(píng)價(jià)方法

采礦廢石場(chǎng)重金屬污染評(píng)價(jià)采用單因子污染指數(shù)法Pi和綜合污染指數(shù)法P綜進(jìn)行[14-15]：

其中：Pi為廢石中重金屬i的單因子污染指數(shù)；Ci為廢石中重金屬i的實(shí)測(cè)值；Si為重金屬i的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；P綜為重金屬綜合污染指數(shù)；Pave為重金屬單因子污染指數(shù)的平均值；Pmax為重金屬單因子污染指數(shù)中的最大值.重金屬污染指數(shù)范圍及污染等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1.

表1　重金屬污染指數(shù)及其等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

1.5 數(shù)據(jù)分析方法

采用Excel 2003 和SPSS 15.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，單因素方差分析法分析不同處理間的差異，最小顯著差數(shù)法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)(差異顯著水平設(shè)為P< 0.05).

2結(jié)果與討論

2.1 采礦廢石場(chǎng)重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)

采礦廢石場(chǎng)pH值和重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)見(jiàn)表2.

表2　湘西自治州采礦廢石場(chǎng) pH值和重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)(均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差)

從表2可知，湘西自治州采礦廢石場(chǎng)重金屬pH值為5.9～7.3，接近中性.7個(gè)廢石場(chǎng)重金屬元素Mn,Zn,Pb,Cu,Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為591.82～1 340，489.42～1152.28，344.68～671.66，52.74～144.90，0.75～2.58μg·g-1.重金屬元素Mn，Zn，Pb，Cu，Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于湖南省土壤背景值，分別是湖南省背景值的1.3～2.9，5.1～12.1，11.6～22.6，1.9～5.3，5.6～20.5倍.與國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[16]的三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(GB15618—1995III)比較來(lái)看：除團(tuán)結(jié)鎮(zhèn)T1廢石場(chǎng)外，其他6個(gè)廢石場(chǎng)Zn質(zhì)量分?jǐn)?shù)均超過(guò)三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；團(tuán)結(jié)鎮(zhèn)的T1，T2廢石場(chǎng)、龍?zhí)舵?zhèn)的L1廢石場(chǎng)、民樂(lè)鎮(zhèn)的M1廢石場(chǎng)Pb質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；7個(gè)廢石場(chǎng)Cu元素均在三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)；除團(tuán)結(jié)鎮(zhèn)T2廢石場(chǎng)外，其他6個(gè)廢石場(chǎng)Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)均超過(guò)三級(jí)標(biāo)準(zhǔn).

2.2 廢石場(chǎng)重金屬污染評(píng)價(jià)結(jié)果

湘西自治州采礦廢石場(chǎng)重金屬污染指數(shù)及污染程度見(jiàn)表3.為保障農(nóng)林生產(chǎn)和植物正常生長(zhǎng)的土壤臨界值，重金屬單因子污染指數(shù)的計(jì)算采用中國(guó)土壤環(huán)境質(zhì)量三級(jí)標(biāo)準(zhǔn).土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)未對(duì)Mn元素作出規(guī)定，只對(duì)Zn，Pb，Cu，Cd進(jìn)行評(píng)價(jià).

表3　湘西自治州采礦廢石場(chǎng)重金屬污染指數(shù)及污染程度

由表3可知，廢石場(chǎng)Zn，Pb，Cu，Cd單項(xiàng)污染指數(shù)分別為0.98～2.19，0.69～1.34，0.14～0.36，0.75～2.58.從污染程度上看，Pb對(duì)廢石場(chǎng)造成清潔─輕度─中度污染，Zn為清潔─輕度污染，Cu未對(duì)礦區(qū)造成污染，Cd為清潔─輕度─中度污染.綜合污染指數(shù)反映了4種重金屬元素的綜合污染狀況，其范圍為1.11～2.13.龍?zhí)舵?zhèn)L1廢石場(chǎng)總的污染程度為中度污染，其余廢石場(chǎng)均為輕度污染.

2.3 植物恢復(fù)模擬試驗(yàn)結(jié)果

廢石場(chǎng)植物恢復(fù)模擬試驗(yàn)植物生長(zhǎng)狀況見(jiàn)表4.

表4　廢石場(chǎng)植被恢復(fù)模擬試驗(yàn)植被生長(zhǎng)狀況

注表中同列內(nèi)不同的字母表示各處理間差異顯著(P<0.05)，相同的字母表示各處理間差異不顯著(P>0.05).

從表4可知，3種植物在不同的基質(zhì)覆蓋厚度上均能萌發(fā)和生長(zhǎng)，從發(fā)芽情況來(lái)看，黑麥草發(fā)芽率最高(31.2%～58.3%)，其次是紫花苜蓿(6.8%～29.4%)，野菊發(fā)芽率最低(4.6%～19.2%)；從植株高度來(lái)看，黑麥草株高最高(4～10cm)，其次是紫花苜蓿(3～7cm)，野菊株高最低(2～4cm)；從生物量來(lái)看，黑麥草生物量最高(5.5～11.2g)，其次是紫花苜蓿(0.6～3.2g)，野菊株高最低(0.4～0.9g)；從覆蓋厚度來(lái)看，隨著基質(zhì)覆蓋厚度的增加，黑麥草、野菊、紫花苜蓿的發(fā)芽率、株高和生物量呈顯著增長(zhǎng)的趨勢(shì)，覆蓋厚度最高(50mm)；從植物生長(zhǎng)狀況來(lái)看，種子萌發(fā)之后，覆蓋厚度為10，20，30mm的3種植物均出現(xiàn)不同程度的缺水、葉片萎蔫、變枯的現(xiàn)象，覆蓋厚度為50mm中3種植物均能健康地生長(zhǎng)，葉片鮮綠、健壯，在生長(zhǎng)期內(nèi)未發(fā)現(xiàn)缺水癥狀；從總的植被蓋度來(lái)看，覆蓋厚度為10，20，30mm的處理植被蓋度較低(均在50%以下)，覆蓋厚度為50mm的處理植被蓋度最高(80%).

3結(jié)論與分析

本研究結(jié)果顯示，7個(gè)廢石場(chǎng)5種重金屬元素(Mn，Zn，Pb，Cu，Cd)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于湖南省土壤背景值.其中6個(gè)廢石場(chǎng)Zn、4個(gè)廢石場(chǎng)Pb含、6個(gè)廢石場(chǎng)Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)均超過(guò)國(guó)家土壤質(zhì)量三級(jí)標(biāo)準(zhǔn).因此，廢石場(chǎng)中的重金屬殘留可能會(huì)影響植被的自然定居和生長(zhǎng)，而且可能對(duì)周邊的農(nóng)田和水體帶來(lái)重金屬污染.廢石場(chǎng)重金屬污染評(píng)價(jià)表明，Pb為清潔─輕度─中度污染，Zn為清潔─輕度污染，Cd為清潔─輕度─中度污染，總污染程度為輕度─中度污染.為控制來(lái)自采礦廢石場(chǎng)的污染，一般采取覆土的方式進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)，即從廢石場(chǎng)周邊非污染區(qū)域取土覆蓋，然后種植植被使其穩(wěn)定.這種方式雖簡(jiǎn)單有效，但取土給土源供應(yīng)地帶來(lái)嚴(yán)重的生態(tài)破壞，且中國(guó)大部分金屬礦山位于南部山區(qū)，土層較薄，多年采礦后取土越來(lái)越困難，有的礦山甚至花巨資購(gòu)買耕地取土.據(jù)報(bào)道，一個(gè)中等規(guī)模的廢石場(chǎng)覆土約需 20 000m3土方量，相當(dāng)于從約8 000m2耕地挖深2.5m取土[17].這種做法既不能解決礦山長(zhǎng)期使用土源問(wèn)題，又破壞了中國(guó)寶貴的耕地資源，還給礦山帶來(lái)沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān).

客土噴播植生綠化技術(shù)能達(dá)到恢復(fù)植被、改善景觀、保護(hù)環(huán)境的目的[11-12].噴射厚度是今后植物生長(zhǎng)的關(guān)鍵所在，不同廢石場(chǎng)因其成因、坡度、立地條件等不同，其噴播厚度也不一樣.馬萬(wàn)權(quán)等[18]認(rèn)為基材噴射厚度一般為8～10cm，對(duì)于部分土夾石緩坡，噴漿厚度可降低到 5～6cm，對(duì)于陡急的硬巖邊坡，噴漿厚度應(yīng)增大到 10～12cm.章夢(mèng)濤等[19]對(duì)巖質(zhì)坡面快速綠化工程實(shí)踐表明，草本植物生長(zhǎng)的厚度為15～30mm，對(duì)于碎石塊度均勻、緩坡，降雨量較豐富的廢石場(chǎng)客土噴播厚度為30～ 60mm即可.筆者借鑒該技術(shù)，人工模擬廢石場(chǎng)將草種、粘合材料、保水劑、粘土按一定比例充分混合后覆蓋在廢石上，觀察種子的萌發(fā)、生長(zhǎng)狀況.試驗(yàn)結(jié)果顯示，3種植物(黑麥草、紫花苜蓿和野菊)在不同的覆蓋厚度上均能萌發(fā)、生長(zhǎng)，且隨著覆蓋厚度的增加植物的發(fā)芽率、株高、生物量均顯著提高.總體來(lái)看，覆蓋厚度為50mm的處理效果最佳，植物長(zhǎng)勢(shì)最好，發(fā)芽率最高，株高最高，生物量最大，植被覆蓋度達(dá)到了植被恢復(fù)的要求[20].因此，采用客土噴播植生綠化技術(shù)進(jìn)行采礦廢石場(chǎng)植被恢復(fù)是可行的，且噴射厚度至少為50mm.

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HeavyMetalPollutionAssessmentandVegetationRestoration

SimulationatMinedWasteRockYards

PENGXizhu，LIFengmei，YANGShengxiang

(CollegeofBiologicalResourcesandEnvironmentalScience，HunanProvinicalEngineeringLaboratoryofControland

RemediationofHeavyMetalPollutionfromMn-ZnMing,JishouUniversity，Jishou416000，HunanChina)

Abstract:An assessment of heavy metal pollution was conducted at 7 mined waste-rock yards in Xiangxi Autonomous Prefecture.The results obtained from the contamination index method showed high level of heavy metals,among which the levels of Zn，Pb and Cd exceeded the Grade III according to China Environmental Quality Standard for Soils (GB 15618—1995).The contamination index showed clean-mild-moderate contamination by Pb，clean-mile contamination by Zn and clean-moderate contamination by Cd.The general index indicated clean-mild-moderate contamination. The vegetation restoration simulation results showed that three plants (Lolium perenne，Medicago sativa and Chrysanthemum indicum) could germinate and grow in all the cover depths，and the germination rate，plant height and biomass of the three plants significantly increased with the cover depths.Overall，the plants in the treatment of 50 mm grew healthily with the highest germination rate，plant height and biomass.

Keywords:minedwaste-rockyard；heavymetalcontamination;spray-seedingtechnology；vegetationrestoration

(責(zé)任編輯陳炳權(quán))