遼寧省典型有色金屬礦區(qū)土壤重金屬污染評價(jià)及植物修復(fù)研究.pdf

1、有色金屬礦山開發(fā)活動(dòng)給礦區(qū)及其周邊地區(qū)造成了嚴(yán)重的土壤重金屬污染，成為礦區(qū)環(huán)境污染的主要來源，恢復(fù)難度很大。然而價(jià)格低廉、環(huán)境擾動(dòng)小、沒有二次污染的植物修復(fù)技術(shù)是金屬礦區(qū)土壤重金屬污染治理及牛態(tài)環(huán)境恢復(fù)的極為有效的措施。本文選取遼寧省撫順紅透山銅礦區(qū)、丹東青城子鉛鋅礦區(qū)、葫蘆島楊家杖子鉬礦區(qū)作為研究區(qū)域，開展野外實(shí)地植被調(diào)查，并采集植物樣品及根際土壤樣品。通過對植物與土壤重金屬含量和土壤理化性質(zhì)的測定分析，并對礦區(qū)的土壤營養(yǎng)狀況及重金屬

2、污染情況進(jìn)行評價(jià)，以便弄清礦區(qū)土壤重金屬污染程度和確定土壤改良措施;通過對土壤重金屬的賦存形態(tài)進(jìn)行分析并探討各形態(tài)對植物的效應(yīng)，以便確定土壤重金屬的生物毒害性;通過對植物進(jìn)行野外調(diào)查，并測定礦區(qū)的優(yōu)勢植物對重金屬的富集與轉(zhuǎn)移能力，以便篩選出適合本研究區(qū)域土壤狀況的重金屬忍耐型植物或具有（潛在）超累積特性的植物，然后優(yōu)選植被配置模式，并加強(qiáng)后期維護(hù)管理，完成植物修復(fù)工程。研究結(jié)果表明:
　　(1)有色金屬礦區(qū)存在Cu、Cd、Zn、P

3、b等重金屬的復(fù)合污染，而且它們之間可能具有同源關(guān)系。
　　紅透山銅礦區(qū)土壤中重金屬Cu、Cd、Zn、Pb的含量嚴(yán)重超標(biāo)，尤其Cu、Cd、Zn在土壤中的積累程度更為強(qiáng)烈。全量Cu與Zn、Cd，全量Zn與Cu、Cd，全量Pb與Hg，全量Cr與As，全量Cd與Cu、Zn、As之間都有著極顯著的正相關(guān)關(guān)系;全量Cu與全量As呈顯著正相關(guān)關(guān)系。青城子鉛鋅礦區(qū)土壤中Pb、Cd、Zn、Cu含量嚴(yán)重超標(biāo)，尤其Pb、Cd的含量均超出100多倍，可見

4、二者在土壤中的積累程度非常強(qiáng)烈。土壤中多數(shù)重金屬的含量間有著極顯著的相關(guān)性，說明各種重金屬的污染具有同源性，都可能與礦區(qū)頻繁的采礦活動(dòng)密不可分。楊家杖子鉬礦區(qū)土壤中Pb、Zn、Cd、Cu含量輕微超標(biāo)。土壤中Cu和Pb、Cr，Zn和As，Pb和Cu、Cr，Cd和Hg的總量間呈極顯著正相關(guān)性，表明這些重金屬元素間可能具有同源關(guān)系。
　　(2)有色金屬礦區(qū)土壤重金屬污染嚴(yán)重，主要污染因子為Cu、Cd、Zn、Pb等。
　　采用模糊綜

5、合-加權(quán)平均模型以及模糊綜合指數(shù)法評價(jià)紅透山銅礦區(qū)的重金屬污染程度:排土場主要重金屬污染因子為Cu、Cd、Zn，尾礦庫主要重金屬污染因子為Cu、Zn、Pb，周邊耕地主要重金屬污染因子為Cd、Zn、As、Cu。采用地積累指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法評價(jià)青城子鉛鋅礦區(qū)的重金屬污染程度:重金屬Pb、Cd污染極其嚴(yán)重，Zn偏重污染，Cu、As皆為中度污染，Cr污染較輕。通過比較RI和Igeo兩種評價(jià)方式，評價(jià)結(jié)果基本一致，說明這兩種方法的結(jié)合使用

6、，既互相補(bǔ)充又互相印證。重金屬污染程度排序?yàn)?Cd＞Pb＞Hg＞Zn＞Cu＞As＞Cr。其中，排土場Pb、Cd污染嚴(yán)重，尾礦庫Cd、Pb污染極為嚴(yán)重，周邊農(nóng)田Hg、 Cd污染嚴(yán)重。采用單項(xiàng)污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法評價(jià)楊家杖子鉬礦區(qū)的重金屬污染程度:排土場、尾礦庫及其附近耕地的綜合污染指數(shù)Pj均大于3，土壤重金屬污染程度很嚴(yán)重。
　　(3)楊家杖子鉬礦區(qū)可交換態(tài)Zn，Mo，Cu，Cd含量高，對植物的有效性和毒性大，并且大多數(shù)

7、重金屬的有機(jī)物結(jié)合態(tài)與土壤養(yǎng)分含量之間相關(guān)性顯著。
　　采用Tessier連續(xù)提取法進(jìn)行樣品分析:采場周邊山地可交換態(tài)Cd，Cu，Zn含量最高，排土場周邊耕地可交換態(tài)Zn，Mo，Cu含量最高，尾礦庫周邊耕地可交換態(tài)Cd，Zn，Mo含量最高，對植物的有效性和毒性最大。
　　通過對土壤中重金屬可利用態(tài)與作物體內(nèi)重金屬含量的相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn):土壤中Zn、Cd的有效態(tài)含量和作物籽粒內(nèi)的五種重金屬含量間有著極顯著的或弱的負(fù)相關(guān)關(guān)系，其余

8、元素間的相關(guān)性都不顯著。通過對土壤樣品的重金屬的各個(gè)形態(tài)含量與土壤養(yǎng)分含量之間進(jìn)行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn):Cu的有機(jī)物結(jié)合態(tài)與全N、速效N、速效P、全K、速效K之間具有極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系;Zn的全量與可交換態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)之間有著極顯著正相關(guān)性，與有機(jī)質(zhì)、全P間具有極顯著正相關(guān)性;Pb的全量、可交換態(tài)含量、有機(jī)物結(jié)合態(tài)含量與土壤養(yǎng)分含量之間多呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)性;全P與Cd的全量、其它各種形態(tài)的含量之間大多數(shù)具有極顯著正相關(guān)關(guān)系;Hg的有機(jī)

9、物結(jié)合態(tài)與土壤養(yǎng)分含量之間多呈極顯著負(fù)相關(guān)性。
　　(4)有色金屬礦區(qū)土壤養(yǎng)分含量很低，尤其速效N和速效K等營養(yǎng)元素非常貧乏。
　　采用模糊綜合評價(jià)法和主成分分析法對礦區(qū)的土壤肥力狀況進(jìn)行綜合評價(jià):紅透山銅礦區(qū)的排土場和尾礦庫巖土的養(yǎng)分狀況為2級——“貧乏”，周邊耕地的土壤養(yǎng)分狀況為5級——“豐富”。排土場最缺乏的土壤營養(yǎng)元素為氮和鉀，尾礦庫最缺乏有機(jī)質(zhì)、磷和鉀。青城子鉛鋅礦區(qū)的排土場中除了速效磷外，其余營養(yǎng)元素都很貧乏;尾

10、礦庫中有機(jī)質(zhì)、全N、速效N、速效K極度貧乏，全K貧乏;附近耕地中只有全N和速效N貧乏，其余較豐富。土壤綜合肥力狀況排序?yàn)?附近耕地＞排土場＞尾礦庫。楊家杖子鉬礦區(qū)的土壤pH值與土壤養(yǎng)分含量間絕大多數(shù)存在極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，廢棄地的土壤呈堿性，養(yǎng)分含量極低。土壤綜合肥力狀況排名依次為:附近山坡榛樹林下、附近耕地、尾礦庫內(nèi)沙棘地、排土場、尾礦庫。
　　(5)通過調(diào)整土壤pH值、Eh值、有機(jī)質(zhì)、質(zhì)地等措施來改變重金屬在土壤中的活性，從而改

11、變其生物有效性以及植物的利用率，提高植物的成活率。采取向酸性土壤中施加石灰，增大土壤堿性的辦法來降低重金屬的生物有效性;采用灌溉或淹水的措施創(chuàng)造還原性的環(huán)境條件，降低土壤Eh值，減少土壤中重金屬離子的數(shù)量;增施污水污泥、生活垃圾、動(dòng)物糞便及植物秸桿等有機(jī)肥，提高土壤中養(yǎng)分及有機(jī)質(zhì)的官能團(tuán)含量;選擇對植物無危害或危害較輕且濃度低時(shí)對植物生長有利的微量元素來拮抗含量過高的重金屬元素。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這些改良措施在研究區(qū)域中的應(yīng)用是切實(shí)可行的。

12、
　　(6)分析比較有色金屬礦區(qū)優(yōu)勢植物對重金屬的富集、轉(zhuǎn)移能力，挑選出山刺玫、薹草、地榆等對重金屬累積能力強(qiáng)的植物，為植物修復(fù)的先鋒種的確定提供科學(xué)依據(jù)。
　　實(shí)地調(diào)查了礦區(qū)廢棄地的自然植物群落，分析測定了主要優(yōu)勢植物及其根際土壤中的重金屬含量并作了相關(guān)分析:紅透山銅礦區(qū)優(yōu)勢植物地上部的Cu、Zn、Cd分別與土壤中的Cu、Zn、Cd的含量具有極顯著的正相關(guān)關(guān)系;青城子鉛鋅礦區(qū)優(yōu)勢植物中的Zn、Pb、Cd分別與土壤中的Zn、

13、Pb、Cd的含量具有極顯著的正相關(guān)關(guān)系;楊家杖子鉬礦區(qū)土壤與玉米中的Hg，大豆中的Pb、Hg，谷子中的Zn達(dá)到顯著性相關(guān)。
　　植物富集重金屬能力比較:紅透山銅礦區(qū)對Cu富集能力較強(qiáng)的分別是野艾蒿、薹草、假酸漿，對Zn富集能力較強(qiáng)的分別是山刺玫、薹草、假酸漿，對Pb富集能力較強(qiáng)的分別是蘆葦、落葉松、假酸漿，對Cd富集能力較強(qiáng)的分別是旱柳、大籽蒿、假酸漿。青城子鉛鋅礦區(qū)對Cu富集能力較強(qiáng)的分別是羊胡子薹草和辣蓼鐵線蓮、野艾蒿和白花敗

14、醬、大籽蒿，對Zn富集能力較強(qiáng)的分別是羊胡子薹草和煙管頭草、苦荬菜和興安毛連菜、白樺，對Pb富集能力較強(qiáng)的分別是煙管頭草和辣蓼鐵線蓮、興安毛連菜和白花敗醬、野山楂，對Cd富集能力較強(qiáng)的分別是地榆和煙管頭草、苦荬菜和白花敗醬、白樺。楊家杖子鉬礦區(qū)三種農(nóng)作物對重金屬的富集能力排序是:玉米和谷子:Cu＞Zn＞Cd＞Hg＞Pb;大豆:Cu＞Cd＞Zn＞Hg＞Pb。
　　植物轉(zhuǎn)移重金屬能力比較:紅透山銅礦區(qū)尾礦庫、排土場、垃圾場中對Cu轉(zhuǎn)移

15、能力較強(qiáng)的分別是山刺玫、薹草、假酸漿，對Zn轉(zhuǎn)移能力較強(qiáng)的分別是山刺玫、薹草、假酸漿，對Pb轉(zhuǎn)移能力較強(qiáng)的分別是珍珠梅、薹草、假酸漿，對Cd轉(zhuǎn)移能力較強(qiáng)的分別是山刺玫、薹草、假酸漿。青城子鉛鋅礦區(qū)對Cu轉(zhuǎn)移能力最強(qiáng)的分別是地榆、興安毛連菜、龍牙草，對Zn轉(zhuǎn)移能力最強(qiáng)的分別是煙管頭草、苦荬菜、大籽蒿，對Pb轉(zhuǎn)移能力最強(qiáng)的分別是煙管頭草、興安毛連菜、繡線菊，對Cd轉(zhuǎn)移能力最強(qiáng)的分別是地榆、興安毛連菜、繡線菊。
　　(7)篩選出珍珠梅、

16、假酸漿、苦荬菜等重金屬忍耐型或超累積植物，經(jīng)過栽植試驗(yàn)確定最佳植物配置模式并應(yīng)用于有色金屬礦區(qū)的植物修復(fù)工程中。
　　根據(jù)群落演替理論，礦山廢棄地植被恢復(fù)過程是從先鋒植物的引入開始，經(jīng)過一系列演替階段，最終達(dá)到中生性的頂極群落。研究區(qū)域的地帶性植被是針闊葉混交林，從裸地開始的進(jìn)展演替大致經(jīng)過裸地→草叢→灌叢→針葉林→針闊葉混交林階段。
　　篩選重金屬忍耐型或（潛在）超累積植物:在紅透山銅礦區(qū)的原始尾礦庫中選取野艾蒿、山刺玫和

17、珍珠梅，排土場中選取薹草、落葉松和大籽蒿，覆蓋生活垃圾的尾礦庫中選取假酸漿和灰綠藜等;在青城子鉛鋅礦區(qū)的排土場中選取煙管頭草、地榆、羊胡子薹草，尾礦庫中選取興安毛連菜、苦荬菜、白花敗醬，周邊山地中選取白樺、繡線菊、大籽蒿等;在楊家杖子鉬礦區(qū)選取高羊茅、早熟禾、黑麥草三種草坪草和沙棘等對重金屬忍耐能力強(qiáng)的植物品種作為研究區(qū)域廢棄地植物恢復(fù)的先鋒物種。
　　確定最佳植物配置模式:紅透山銅礦區(qū)尾礦庫的恢復(fù)方向以保護(hù)為主，采用灌木與草本植

18、物相結(jié)合的植物恢復(fù)措施，最佳植物配置模式:山刺玫×珍珠梅×（假酸漿、灰綠藜、莧菜）;排土場的恢復(fù)方向以保護(hù)為主，兼顧利用，采用喬木與草本相結(jié)合的植物恢復(fù)措施，最佳植物配置模式:落葉松×（山楊、刺槐）×（大籽蒿、薹草）。青城子鉛鋅礦區(qū)尾礦庫的恢復(fù)方向以保護(hù)為主，利用草本植物群落迅速覆蓋尾砂裸地，逐漸改良土質(zhì)，為喬、灌木的生長創(chuàng)造條件，最佳植物配置模式:水淹地:蘆葦×藺草×水蓼，其它:興安毛連菜×苦荬菜×白花敗醬;排土場的恢復(fù)方向以保護(hù)為主

19、，兼顧利用，植物恢復(fù)措施采用喬木、灌木與草本植物相結(jié)合的方式，最佳植物配置模式:油松×白樺×（胡枝子、地榆）×（鐵桿蒿、升麻、羊胡子薹草、煙管頭草）。楊家杖子鉬礦區(qū)尾礦庫的恢復(fù)方向以保護(hù)為主，兼顧利用，采用灌木與草本植物相結(jié)合的植物恢復(fù)措施，最佳植物配置模式:沙棘×檸條×（高羊茅、早熟禾、黑麥草）。
　　以上研究結(jié)論對于受到重金屬嚴(yán)重污染的金屬礦山的環(huán)境治理和生態(tài)恢復(fù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，大大提高了植被重建效果和牛態(tài)恢復(fù)成功率，有利