礦區(qū)廢棄地修復(fù)樹(shù)種和年限對(duì)生態(tài)修復(fù)的效果

尹建波，魏月

（山東省地礦工程勘察院（山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局八〇一水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)），濟(jì)南 250014）

1 引言

鐵礦資源的開(kāi)采和加工過(guò)程對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的影響，礦區(qū)廢棄地存在大量礦渣。鐵礦排土場(chǎng)土壤貧瘠、保水和保肥能力較弱、酸化現(xiàn)象嚴(yán)重，砷等非重金屬和鋅、鉛等重金屬直接抑制排土場(chǎng)植物的生長(zhǎng)。土壤中殘留的重金屬會(huì)造成植物因氧化應(yīng)激反應(yīng)出現(xiàn)細(xì)胞損傷，進(jìn)而表現(xiàn)出呼吸作用和光合作用受到影響，嚴(yán)重情況下可能會(huì)導(dǎo)致植物死亡。礦區(qū)廢棄地殘留的廢渣導(dǎo)致土壤呈酸性，導(dǎo)致鋅、鎳、銅等元素的活化，進(jìn)而會(huì)直接導(dǎo)致植物死亡。植物修復(fù)作為可持續(xù)發(fā)展且綠色經(jīng)濟(jì)的污染場(chǎng)地修復(fù)方式，部分植被在較低重金屬濃度時(shí)具有一定的耐受能力，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)去除環(huán)境中的重金屬的目的[1]。松科植物海南五針?biāo)?、松科植物馬尾松等礦區(qū)廢棄地修復(fù)樹(shù)種具備快速積累生物量、生長(zhǎng)周期快等特點(diǎn)，是貴州、廣西等區(qū)域修復(fù)生態(tài)的優(yōu)勢(shì)物種。本文以松科植物海南五針?biāo)?、松科植物馬尾松為樹(shù)種對(duì)象，通過(guò)測(cè)定非重金屬和重金屬有害元素的含量，以及土壤的pH、土壤酶活性等指標(biāo)，分析不同修復(fù)樹(shù)種和年限對(duì)生態(tài)修復(fù)的作用。

2 材料和方法

2.1 研究區(qū)域概況

張家洼鐵礦工業(yè)遺址，位于山東省濟(jì)南市萊蕪區(qū)張家洼，是目前我國(guó)已發(fā)現(xiàn)的唯一一個(gè)規(guī)模最大、開(kāi)采時(shí)間最長(zhǎng)的鐵礦工業(yè)遺址，也是我國(guó)乃至世界上保存最完整的大規(guī)模礦冶遺址之一，同時(shí)也保留著規(guī)模龐大且完整的工業(yè)建筑，包括老礦井、老煙囪、生產(chǎn)車(chē)間、儲(chǔ)存?zhèn)}庫(kù)等。張家洼鐵礦工業(yè)遺址因距今已有百余年的歷史。張家洼鐵礦工程中小官莊礦年產(chǎn)量250 萬(wàn)t，包括5 口豎井和4 個(gè)水平巷道。礦山工程帶給區(qū)域經(jīng)濟(jì)振興的同時(shí)，也給環(huán)境造成了不可逆的影響。

2.2 樣品采集

研究選取張家洼鐵礦工業(yè)遺址種植植物具備較好的長(zhǎng)勢(shì)、數(shù)量較多、種植面積較大的植物作為研究對(duì)象，即松科植物海南五針?biāo)?、松科植物馬尾松為研究對(duì)象。2022 年12 月，在張家洼鐵礦工業(yè)遺址選取研究區(qū)域1 和研究區(qū)域2 兩塊樣地，每塊樣地選擇2 個(gè)檢測(cè)點(diǎn)位，修復(fù)年限分別為21 年和13 年。樣地中選擇海南五針?biāo)珊婉R尾松樹(shù)林，選取樹(shù)徑適中、樹(shù)高的樹(shù)木。每個(gè)樹(shù)種將選擇3 株進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)，樣本為樹(shù)種的健康成熟葉片、凋落葉、0～10 cm 和10～20 cm 土壤，記錄樹(shù)木的樹(shù)高和直徑。

2.3 研究方法

測(cè)量土壤的基本理化性質(zhì)、非重金屬或重金屬有害元素含量。土壤水分含量通過(guò)烘干法測(cè)得，pH 可通過(guò)電位法測(cè)定，土壤和植物有機(jī)質(zhì)含量可利用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測(cè)得。土壤和植物全氮含量通過(guò)靛酚藍(lán)比色法測(cè)定，土壤和植物全磷含量通過(guò)鉬銻抗比色法測(cè)定，土壤質(zhì)地可利用冷凍干燥法測(cè)定。土壤和植物中的Mn、Zn、As、Cd、Pb、Al 元素的含量通過(guò)微波消解法測(cè)定。

2.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法

通過(guò)Eviews11 數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，利用獨(dú)立樣本檢驗(yàn)分析樹(shù)種的差異，顯著性檢驗(yàn)水平為0.05。定量數(shù)據(jù)的表述方式為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差。計(jì)量資料符合正態(tài)分布，則采用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差的方式進(jìn)行表示，兩組間對(duì)比通過(guò)檢驗(yàn)進(jìn)行組間比較，假如不符合正態(tài)分布則使用四分位數(shù)表示，組間差異性分析方法為非參數(shù)檢測(cè)。

3 結(jié)果和分析

3.1 土壤的基本理化性質(zhì)

張家洼鐵礦工業(yè)遺址土壤部分基本理化性質(zhì)如圖1 所示。

圖1 張家洼鐵礦工業(yè)遺址土壤部分基本理化性質(zhì)

可以看出，該區(qū)域土壤的磷、氮、有機(jī)質(zhì)含量較低，pH 較低，土壤含水量也很低，這說(shuō)明該區(qū)域的土壤保水能力較弱。研究區(qū)域2 則表現(xiàn)出相反的情況，其土壤含水量、土壤中N 和P 含量、pH 和土壤有機(jī)質(zhì)含量都比研究區(qū)域1 更低，且這些指標(biāo)都比研究區(qū)域2 更低。此外，研究區(qū)域1 海南五針?biāo)傻膒H、N、砂土含量顯著高于研究區(qū)域2 海南五針?biāo)?；而研究區(qū)域1馬尾松的pH、砂土含量也顯著高于研究區(qū)域2 馬尾松。從這一結(jié)果來(lái)看，研究區(qū)域2 的生態(tài)修復(fù)時(shí)間雖然低于研究區(qū)域1，但其土壤肥力水平和基本理化性質(zhì)均優(yōu)于卻更高，可能是因?yàn)?0 年的植物生長(zhǎng)和凋落物碳等養(yǎng)分元素周期性循環(huán)改善了土壤的肥力水平[2]。

此外，研究結(jié)果還顯示，在種植兩種植物的情況下，張家洼鐵礦工業(yè)遺址的土壤pH 顯著更高，而研究區(qū)1 砂土百分比、P 含量和pH 都比研究區(qū)域2 更高。這些結(jié)果也表明，張家洼鐵礦工業(yè)遺址土壤具有較低的保水能力。另外，從土壤基本理性化性質(zhì)來(lái)看，種植兩種植物的情況下的土壤基本理性化性質(zhì)并沒(méi)有顯著的差異。但是，從土壤養(yǎng)分元素含量來(lái)看，馬尾松土壤的養(yǎng)分元素含量略高于海南五針?biāo)?，這表明馬尾松在改善土壤肥力方面更具優(yōu)勢(shì)。

3.2 土壤重金屬和非重金屬元素含量

相較于研究區(qū)域1，研究區(qū)域2 的土壤重金屬元素含量更高，內(nèi)梅羅污染指數(shù)高達(dá)12.33，而研究區(qū)域1 的污染指數(shù)為8，污染程度較輕。從土壤重金屬含量來(lái)看，研究區(qū)域1 裸地的重金屬含量顯著低于研究區(qū)域2，這表明在修復(fù)前研究區(qū)域1的土壤污染程度可能較研究區(qū)域2 輕；研究區(qū)域2 林下土壤重金屬含量與裸地間的差異不顯著，可能是研究區(qū)2 植物對(duì)重金屬的吸收效果較裸地更明顯所致[3]。此外，根據(jù)林分與土壤質(zhì)量比的關(guān)系可以推測(cè)，在修復(fù)前林分更多吸收了土壤中更多的As 和Al；而海南五針?biāo)膳c馬尾松林下土壤元素含量差異較小，馬尾松可能吸收了土壤中更多的As 和Al，而海南五針?biāo)煽赡芪樟烁嗟腜b，可見(jiàn)植物對(duì)土壤污染的修復(fù)不僅與樹(shù)種有關(guān)，而且依賴(lài)于特定元素。在所有測(cè)定的Cd、Pb、As、Al 等重金屬元素中，研究區(qū)域1 和研究區(qū)域2 土壤Al 含量均最高；而在所有測(cè)定的重金屬元素中，研究區(qū)域1 的Al含量均高于研究區(qū)域2 土壤。圖2 是指整個(gè)礦區(qū)重金屬元素的污染指數(shù)。

圖2 整個(gè)礦區(qū)重金屬元素的污染指數(shù)

3.3 植物重金屬和非重金屬含量

在研究區(qū)域1，兩個(gè)樹(shù)種的葉片Mn、Zn、Cd 含量均顯著高于研究區(qū)域2，而與其林下土壤元素含量低于研究區(qū)域2 的結(jié)果相反，這表明兩個(gè)樹(shù)種在對(duì)這些元素的富集能力上具有明顯差異。同樣地，在兩個(gè)地區(qū)的馬尾松和海南五針?biāo)蓪?duì)Mn元素的吸收都顯著多于對(duì)Zn、Cd 的吸收；總體而言，馬尾松對(duì)重金屬元素的富集效果要優(yōu)于海南五針?biāo)?。圖3 是指植物重金屬和非重金屬含量。

圖3 植物重金屬和非重金屬含量

在這一研究中，海南五針?biāo)珊婉R尾松在兩個(gè)地區(qū)種植廣泛且長(zhǎng)勢(shì)良好。同時(shí)，在兩個(gè)地區(qū)，研究區(qū)域1 植物對(duì)Mn 元素的吸收均顯著高于研究區(qū)域2，而研究區(qū)域1 土壤中Mn 含量顯著低于研究區(qū)域2；可見(jiàn)隨著修復(fù)年限的增加，兩樹(shù)種對(duì)重金屬元素的富集效果均優(yōu)于研究區(qū)域2。這是因?yàn)橹参锿ㄟ^(guò)吸收環(huán)境中的重金屬?gòu)亩鴮?duì)礦的土壤起到了很好的改良效果。海南五針?biāo)珊婉R尾松是我國(guó)南方常見(jiàn)的樹(shù)種之一，同時(shí)也是應(yīng)用最為廣泛的兩個(gè)林木品種。通過(guò)對(duì)這兩種樹(shù)種葉片中Mn、Zn、Cd 含量進(jìn)行測(cè)定和分析，發(fā)現(xiàn)它們對(duì)Mn 元素的吸收效果要優(yōu)于對(duì)Zn 和Cd 元素；但在兩個(gè)地區(qū)，由于受到土壤和林下環(huán)境條件等因素影響，研究區(qū)域1 植物對(duì)Mn 元素的吸收要明顯優(yōu)于研究區(qū)域2；而研究區(qū)域1 土壤中Mn 含量顯著低于研究區(qū)域2，這表明在兩個(gè)地區(qū)，隨著修復(fù)年限的增加，植物對(duì)Mn 元素的吸收效果都要優(yōu)于土壤中Mn 含量。經(jīng)過(guò)一系列分析可以發(fā)現(xiàn)，兩種植物對(duì)重金屬污染的治理都具有一定的針對(duì)性。海南五針?biāo)梢詫?duì)Mn 元素吸收效果突出而著稱(chēng)；馬尾松則以對(duì)Zn、Cd 元素吸收能力較強(qiáng)而聞名；馬尾松則以比海南五針?biāo)赡芨患嗟闹亟饘俣劽?。與未修復(fù)的13 年研究區(qū)域2 礦地相比，除海南五針?biāo)扇~片富集更多的Mn 外，馬尾松有更高的葉片碳含量以及Zn、Cd 含量，表明在多種污染元素并存的鐵礦修復(fù)中種植馬尾松比海南五針?biāo)赡苁斋@更好的生態(tài)效果。無(wú)論從植物修復(fù)還是從鐵礦修復(fù)效果上看，馬尾松都優(yōu)于海南五針?biāo)伞?/p>

4 結(jié)論

數(shù)十年的植被修復(fù)后，研究區(qū)域1 和研究區(qū)域2 礦地的土壤中Al、As 的含量仍較高，表明這兩種金屬元素具有一定的污染風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)作為重點(diǎn)治理對(duì)象納入監(jiān)測(cè)和重點(diǎn)治理。相比裸地土壤，植被恢復(fù)區(qū)土壤中Al、As 含量都有所降低，且土壤理化性質(zhì)得到明顯改善。這說(shuō)明植被恢復(fù)對(duì)礦區(qū)土壤的改良效果明顯。與裸地土壤相比，在修復(fù)13 年后，研究區(qū)域1 植物的Al、As 含量都有所降低；在修復(fù)21 年后，研究區(qū)域1 植物的Al、As 含量均有所升高。這表明與裸地土壤相比，植物對(duì)重金屬的吸收能力增強(qiáng)。這也為研究區(qū)域1 深層土壤中是否還存在重金屬污染提供了重要線索。此外，與修復(fù)13 年的研究區(qū)域2 相比，修復(fù)21 年的研究區(qū)域1 植物Al、As 含量更高，表明植物修復(fù)的時(shí)間越長(zhǎng)越好。