尾礦庫植物生長與重金屬含量的相互關(guān)系研究

鄧 焱，郝 喆，曹明杰，王芳研

(遼寧大學 環(huán)境學院，遼寧 沈陽 110036)

0 引言

我國礦產(chǎn)資源豐富，帶來巨大經(jīng)濟效益的同時也對環(huán)境造成了嚴重的影響。尾礦庫作為礦山的重要組成部分[1-3]，是指在山谷口部、河道或洼地的周圍筑壩，將金屬和非金屬礦山進行礦石選別后的尾礦或其他工業(yè)廢渣排入其內(nèi)進行堆存和沉淀的貯存場所[4]。尾礦庫中重金屬等有害物質(zhì)含量過高，營養(yǎng)物質(zhì)缺乏，不利于水土保持，故表面很難直接生長植物，裸露的尾礦庫中的砂石會在大風天氣下造成揚塵等污染，對周圍環(huán)境和居民的生命安全等造成傷害[5-6]，因此尾礦庫的治理工作一直是人們關(guān)注的焦點。本次試驗主要采取現(xiàn)場采樣和室內(nèi)試驗相結(jié)合的方式[7]，依據(jù)試驗數(shù)據(jù)對尾礦庫修復植物的生長發(fā)育狀況與植物根際尾礦土的重金屬的相關(guān)關(guān)系進行研究[8-9]，以達到一定的經(jīng)濟、社會和生態(tài)效益[10]。

1 研究方法

1.1 現(xiàn)場概況

歪頭山鐵礦是本鋼主要原料基地之一，是集采、選、運為一體的大型聯(lián)合企業(yè)。尾礦庫占地面積1.62 km2，水域面積15 m2，匯水面積56 km2，調(diào)洪庫容56萬m3，總設計庫容10 598萬m3，尾礦庫壩體堆積標高294 m，且相對標高114 m。主壩基礎壩為透水堆石壩，壩的相對高度為11.9 m，壩底的絕對標高為180 m，壩頂寬4 m，最大寬度76 m，壩長410 m，外坡比1∶2.5，內(nèi)坡比1∶2。

1.2 現(xiàn)場采樣

本次采樣現(xiàn)場在本鋼集團歪頭山鐵礦尾礦庫進行。通過現(xiàn)場調(diào)查、植物樣本采集、拍照、調(diào)查咨詢、文獻調(diào)研等方式收集植物信息[11]，確定沙棘作為該區(qū)域的優(yōu)勢物種[12]，故本次實驗以沙棘為修復植物代表進行采樣及研究分析。本實驗取樣包括植被、土壤。根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)方案[13-14]，進行了現(xiàn)場的樣品選取、編號和采集。具體的采樣位置見圖1。

歪頭山鐵礦小西溝尾礦庫壩坡不同樹齡的沙棘分A、B、C三個樹齡臺階，A臺階樹齡1年，B臺階樹齡4年，C臺階樹齡10年，每個臺階每隔100 m取8棵沙棘，共24顆樹。每級臺階對應采樣點從左到右分別命名為1-a～8-a、1-b～8-b、1-c～8-c，同時在尾礦庫庫區(qū)采集純尾礦土采樣點3處。

1.3 指標檢測

采樣點深度分別為0-120 mm、120-240 mm、240-360 mm，清除石塊、動物殘骸和植物根系，采出后混合均勻，密封包裝編號后送實驗室對樣品植物的生物量、根冠比、根幅、冠幅、葉綠素含量植物相關(guān)指標[15]和土壤中鉛、鎘、銅、砷、鎳、鉻重金屬含量進行檢測。

采用Excel 2007及Origin 9.1軟件進行分析。

2 結(jié)果分析

2.1 尾礦土重金屬含量與植物生長指標的相關(guān)性分析

取不同樹齡沙棘的植物生長指標與相對應的植物根系尾礦土壤中的重金屬含量的數(shù)據(jù)，利用Excel軟件進行相關(guān)性分析，結(jié)果見表1。

表1 重金屬含量與植物生長指標相關(guān)性分析

由表1中的分析數(shù)據(jù)可以看出，植物生長指標與土壤中重金屬含量總體呈負相關(guān)性，但葉綠素含量與重金屬正相關(guān)性比較明顯：

(1)生物量、根冠比、根幅、冠幅與重金屬Cu、Pb、Cr、Ni和As均有顯著負相關(guān)性；

(2)葉綠素含量與重金屬Cu、Pb、Cr、Ni和As有顯著的正相關(guān)；

(3)尾礦土中重金屬Cd與各個植物生長指標均沒有太大的相關(guān)性。

2.2 植物生長指標與土壤重金屬的關(guān)系

以第二層平臺上栽植的4年生沙棘為研究對象，忽略時間的影響，分析同齡植物生長指標與尾礦土重金屬的相關(guān)性。植物生長指標與重金屬含量的關(guān)系散點圖見圖2。

由圖2可見，隨著各項植物指標的增大，土壤中重金屬Cu、As、Cd的含量基本保持不變，即不同生長狀況的植物對這三種重金屬的含量影響不大，植物對這三種重金屬的吸附作用不強；除葉綠素含量的變化對重金屬的含量無明顯變化以外，其他四種植物指標對重金屬Ni、Pb、Cr的含量均有很大影響，特別是對Cr的吸附作用最強。

2.3 植物生長與土壤重金屬含量的相互關(guān)系

2.3.1 植物生長對土壤重金屬含量的影響

依據(jù)不同生長時間(1 a、4 a、10 a)的植物生長指標和重金屬含量的檢測結(jié)果，繪制相互關(guān)系曲線，見圖3。

由圖3看出，隨著沙棘的生物量的增加，植物根際尾礦土中的Cu、Ni、Pb、As和Cr的含量呈總體下降趨勢，且生物量較小時，重金屬含量快速變化。隨著植物的生長，生物量的增加，重金屬含量下降速度減慢。隨著植物的生長根冠比的增大，植物根際尾礦土中的重金屬Cu、Ni、Pb、As和Cr含量減少，且對Cr的影響最大減少37.5%。隨著沙棘的根幅的增大，植物根際尾礦土中的Cu、Ni、Pb、As和Cr的含量呈總體下降趨勢，且根幅較小時，重金屬含量快速下降，隨著植物的生長，根幅的增大，重金屬含量下降速度減慢。隨著沙棘的冠幅的增大，植物根際尾礦土中的Cu、Ni、Pb、As和Cr的含量呈總體下降趨勢，且冠幅較小時，重金屬含量快速下降。隨著植物的生長，冠幅的增大，重金屬含量下降速度減慢。隨著植物的生長葉齡的增大，植物葉片中的葉綠素含量會出現(xiàn)先增大后減小的情況。植物根際尾礦土中的重金屬含量隨著植物體內(nèi)葉綠素含量的減小還是有一定程度的降低，呈現(xiàn)正相關(guān)性。

2.3.2 土壤重金屬含量對植物生長的影響

根據(jù)植物根際尾礦土部分重金屬含量和植物生長指標生物量(kg)、根冠比、葉綠素含量(mg/g)、根幅(cm)和冠幅(cm)變化繪制圖4。

由圖4看出，由于外界等環(huán)境因素導致植物根際尾礦土中Cu的含量減少時，生物量、根冠比變化不大，根幅、冠幅的變化量很大，葉綠素含量出現(xiàn)下降趨勢。隨著植物根際尾礦土中的Pb含量減小，植物的生物量、根冠比、根幅、冠幅變大，冠幅增長比根幅快，生物量隨著Pb的含量減小增速加快。由于外界等環(huán)境因素導致植物根際尾礦土中Cr的含量減少時，生物量、根冠比變化不大，根幅、冠幅的變化量很大，葉綠素含量出現(xiàn)下降趨勢。隨著Ni含量的減小，植物的根幅和冠幅有明顯的增長，且冠幅增長幅度比冠幅大，生物量和根冠比也有小幅度的增長，生物量隨著重金屬含量的不斷減少，增幅變大，根冠比的增速趨向平緩。葉綠素含量出現(xiàn)先增大后減小的趨勢。植物根際尾礦土中重金屬As含量減少，根幅、冠幅增長得很快，生物量有增長，葉綠素含量由于其植物本身的性質(zhì)，出現(xiàn)先增長，后降低的趨勢。

2.4 植物修復前后尾礦土重金屬含量對比分析

由圖5可見，對比未修復時純尾礦砂中重金屬含量，除重金屬Cd含量基本保持不變外(圖中未列出)，其余五種重金屬在植物修復作用下含量都有不同程度的降低，10年修復后，重金屬Cu含量為36 mg/kg，下降27.1%，重金屬Pb含量為44 mg/kg，下降24.1%，重金屬Cr含量為26 mg/kg，下降49%，重金屬Ni含量為48 mg/kg，下降32.4%，重金屬As含量為4 mg/kg，下降83.3%。說明植物對尾礦土中的重金屬進行吸附，對尾礦庫中重金屬含量起到修復作用。

3 結(jié)論

本文通過對現(xiàn)場尾礦庫的不同樹齡修復植物生長指標和根際土中重金屬含量檢測，從而探究尾礦庫植物修復與重金屬含量之間的相互關(guān)系，掌握植物修復對重金屬含量的修復作用效果，為尾礦庫植物修復提供依據(jù)，得出以下結(jié)論：

(1)植物生長指標與土壤中重金屬含量總體呈負相關(guān)性，但葉綠素含量與重金屬正相關(guān)性比較明顯。

(2)分析同一樹齡不同生長狀況的植物與其根際尾礦土中重金屬的關(guān)系表明：隨著植物生物量、根冠比、根幅、冠幅增大，重金屬Cu、As、Cd的含量基本保持不變，即不同生長狀況同齡植物對這3種重金屬的含量影響不大，重金屬Ni、Pb、Cr的含量變小；葉綠素含量的變化對重金屬的含量無明顯影響。

(3)隨著植物的生長，植物生物量、根冠比、根幅、冠幅的增大，植物根際尾礦土中的各個重金屬含量都有不同程度的降低。

① 隨著沙棘的生物量、根幅和冠幅的增加，植物根際尾礦土中的Cu、Ni、Pb、As和Cr的含量呈總體下降趨勢，且生物量、根幅和冠幅較小時，重金屬含量減小很快，隨著植物的生長，生物量的增加，重金屬含量下降速度減慢。重金屬Cu的含量隨生物量、根幅和冠幅的增大變化最小，Cr的變化最大。

② 隨著植物根冠比的增大，植物根際尾礦土中的重金屬Cu、Ni、Pb、As和Cr含量減少，且根冠比對重金屬的影響出現(xiàn)先緩慢減小后快速減小的趨勢。

③ 葉綠素的含量減少，植物根際土中重金屬含量減少。

(4)隨著植物根際尾礦土中重金屬含量的降低，生物量和冠幅增速持續(xù)上升，根幅增速較慢，根冠比隨著重金屬含量的增加增速逐漸趨于平緩，葉綠素含量先增大后減小。隨著重金屬含量的降低，重金屬對植物的脅迫作用減弱。

(5)對比未修復時純尾礦土中重金屬含量，除重金屬Cd含量基本保持不變外，其余五種重金屬在植物修復作用下含量都有不同程度的降低，10年修復后，重金屬Cu含量為36 mg/kg，下降27.1%，重金屬Pb含量為44 mg/kg，下降24.1%，重金屬Cr含量為26 mg/kg，下降49%，重金屬Ni含量為48 mg/kg，下降32.4%，重金屬As含量為4 mg/kg，下降83.3%。說明植物對尾礦土中的重金屬進行吸附，對尾礦庫中重金屬含量有修復作用。