植物改良矿山废弃地的研究进展

陈明， 徐慧， 蔡忠萍， 蔡青云

（江西理工大学江西省矿冶环境污染控制重点实验室，江西赣州341000）

0 引 言

随着经济的发展，矿山的大量开采，严重地破坏了原生景观生态系统，导致了矿区生态系统的退化和环境深度污染.它主要表现为地表景观破坏，土地资源破坏，诱发泥石流等地质灾害，影响水资源、大气环境，生物多样性损失和其他的一些污染物问题，还日益加剧了其他方面的矛盾，矿山废弃物的排放和堆存也日益带来一系列的环境问题.这些问题通常会导致多种污染，如多种重金属[1]和其他有毒的选矿材料等污染物可通过水体，土壤，大气迁移转化，严重污染周边环境[2]，并可能造成一系列的危害.

1 矿山废弃地的主要特点及危害

矿山开采过程中，矸石山、尾矿场、露天采矿场、排土场、塌陷区及因重金属污染而失去经济利用价值的土地称为矿山废弃地[3].根据其产生原因大致可以分为4种类型[4]：一是由剥离表土、开采的岩石块及低品位矿石堆积成的废石堆；二是矿物的大量开采而形成的采空区；三是开采出来的矿石经选出精矿物后的剩余排放形成的尾矿废弃地；四是采矿作业面、机械设施、矿山辅助设施和道路交通等占用后废弃的土地.

废弃地对人类和自然环境存在很大潜在危害，开采矿山的过程中，废石堆长时间堆放对土壤和大气造成严重污染，采空区域过大造成地面塌陷，造成地下水流失严重.尾矿粉尘飞扬进入土壤，经雨水冲刷、淋溶，极易将其中的有毒有害成分渗入土壤中，造成土壤的强酸污染、有机毒物污染与重金属污染[5].因此，对于矿山废弃地的复垦已经成为亟待解决的问题.

2 土壤基质改良对矿山土地复垦的重要性

矿山开采造成生态破坏的关键是土地退化，也就是土壤因子的改变，即废弃地土壤理化性质变坏、养分丢失及土壤中有毒有害物质的增加.因此，土壤改良是矿山废弃地生态恢复最重要的环节之一[6].土壤改良最主要的环节就是土壤基质改良.

3 土壤基质改良的方法

土壤基质改良的方法主要可以分为3种方法：物理改良、化学改良、生物改良.

物理改良方法大致可分为表土保护利用技术、客土覆盖、施用有机改良物质.表土利用保护技术是在地表扰动破坏之前把表层土取走，减少其养分和水分的流失，以便工程结束后再运回原处.客土覆盖则是采用异土覆盖，对本身土壤的理化性质进行改良，施用有机改良物质是通过添加外源有机肥料来保持土壤的肥力，改善土壤的理化性质.

化学改良的方法比较常见的方法可分为通过添加化学肥料来提高土壤肥力、添加某种化学物质来抑制另外一种物质的吸收、添加化学物质调节土壤pH值.总的来说，是通过向土壤中添加一定的化学物质，以固定有毒离子、调节土壤酸碱值、增加营养物质来改善土壤化学组分.

生物改良的方法主要有植物改良法、微生物改良、植物－微生物联合改良法.植物本身具有独特的功能，它还可以与微生物协同发挥作用，从而发挥更大的作用，植物对土壤改良的原理大致可归纳为：通过植物的吸收、挥发、根滤、降解、稳定等作用，从而达到清除环境中的污染物的效果.微生物改良是指利用微生物的各种代谢活动从而减少土壤中的有毒有害的物质或使有毒有害的物质完全无害化，从而达到未受污染前的状态.而植物－微生物联合是利用微生物、植物、土壤动物的生命代谢活动，降低有毒有害物质的浓度或使其完全无害化，从而使受污染的土壤环境能够部分或完全地恢复到原始状态的过程[7].

物理、化学方法都是常见方法，成效快，但不可忽视的是对环境扰动大，容易造成二次污染，造成污染物迁移或者是转变成其它有毒有害物质.辛海成等[8]从物理化学生物等方面综述了不同技术的优缺点，阐述了物理化学修复技术容易造成二次污染，难以大面积推广.黄益宗等[9]总结了物理化学修复方法和生物修复方法的缺点和优点，提出物理化学方法可能成本偏高，工程量大，修复不彻底，生物方法绿色环保，还可以提高土壤有机质含量和肥力.所以生物方法有很大的优势，它可以利用生物本身的性质将污染物在体内转化，降低污染物的毒性，或者是变成无毒的物质.尤其是植物修复，它是一种绿色无污染修复技术，不破坏土壤生态环境，是一种有效和廉价处理某些有害废物的新方法.

4 土壤基质改良中植物的种类分类

植物作为生态系统中的很重要的组成部分，在矿山土壤基质改良中起到了很重要的作用，主要包括利用植物固定或修复重金属污染土壤、利用植物改善土壤基质理化性质，提高土壤肥力、清除土壤里的有机污染物等.下面主要综述几种改良矿山废弃地优选植物及效果.

4.1 绿肥

绿肥是一种绿色植物肥料，它多数是豆科植物，也有非豆科植物，它是一种纯天然绿色土壤改良剂，对改良土壤环境有很好效果.

Parmjit S.Randhawa等[10]研究表明，绿肥对于土壤中的有机磷矿化有重要作用.通过对有机磷的矿化，提高磷的利用价值.降低土壤毒性.还有研究表明，豆科植物可以与根瘤菌形成固氮根瘤，从而将空气中的氮气转化为氨固定下来.陈益泰等[11]对铅锌尾矿区筛选出综合性能比较强的植物，其中固氮植物应用潜力较大.许丽等[12]研究表明，对于煤矸石废弃地的植物复垦，宜选用豆科植物，且能快速地适应条件和改善土壤肥力.张志全等[13]研究发现豆科植物的枯枝落叶为废弃地土壤提供大量的土壤有机物质，分解后产生大量的N素，同时还对其他植物起到了促进作用.不仅是在废弃地种植绿肥，也可以当作肥料破碎之后用于矿山处理上，M.A.Harris[14]研究表明，用绿肥和污泥联合处理矿山酸性尾矿，固定污染物效果较好.

因此，种植豆科植物改良矿山废弃地，可以提高氮肥的利用率，还可以改善土壤的理化性质，经济与生态效益俱佳[15].在未来技术不断发展下，绿肥能不能既固氮，又能够富集重金属，这在未来是一个可研究的课题，所以绿肥是一种很有潜力的矿山土壤改良植物肥料.

4.2 超富集植物

根据Brooks对超富集植物的定义，如果植物地上部分（干重）能富集100 mg/kg的Cd，1 000 mg/kg的 Pb、Cu、Co、Ni和 10 000 mg/kg 的 Zn 和 Mn，则可以被称为超富集植物.它们不但对重金属环境具有很强的适应能力，而且在体内所富集的重金属浓度是通常植物的几十乃至上百倍，它的原理是利用各种不同类型的植物，通过提取、降解和固定等过程清除环境中的污染物，或消除污染物的毒性，可以用于原位土壤修复.也可以用于吸附土壤中的重金属，从而减少土壤的毒性.有研究表明，紫花苜蓿属于一种超富集重金属的植物，王新等[16]开展了在重金属复合污染条件下苜蓿田间小区试验研究，分析了重金属复合污染物对紫花苜蓿生长的影响及植株体中重金属吸收特性及紫花苜蓿对重金属污染土壤修复的能力.结果表明，低浓度的重金属对紫花苜蓿的生长有促进作用，紫花苜蓿对Cd污染土壤具有一定的修复能力，苜蓿修复重金属污染土壤具有良好的发展应用前景.Shu he wei等[17]研究表明龙葵对镉也有超富集能力，对污染土壤修复的效果很好.

另外，陈同斌等[18]研究表明蜈蚣草对砷具有超富集能力，在含砷量正常的情况下，蜈蚣草地上部分和地下部分对砷的生物富集系数高达71和80，而且它具有生长快、分布广等特点，具有很大的应用前景.杨肖娥等[19]早年通过调查发现东南景天对锌有超富集作用，对土壤中高含量的锌有很强的忍耐、吸收和积累能力，地上部Zn含量为4 134～5 000mg/kg，平均为4 515mg/kg.近年来，熊愈辉[20]研究表明矿山生态型东南景天也是一种Cd超富集植物.

4.3 先锋植物

先锋植物是指能够在某种恶劣环境下正常生长的植物.在矿山废弃地中，树种的选择是植被恢复当中的关键环节，应该选择生长快、适应性强、抗逆性好的树种，以达到最好的效果[15].所以要根据废弃地污染物不同的类型选择先锋植物.在重金属含量较多的废弃地中，可种植抗重金属较强的植物.束文圣等[21]发现鸭跖草可以作为铜矿尾矿植被恢复的先锋植物.朱佳文等[22]研究先锋植物对铅锌尾矿库的作用，研究表明，先锋植物可以提高土壤含水率、土壤有机质含量，从而提高土壤肥力.并且发现先锋植物在废弃地的生长可以促进残留态Pb、Zn、Cd向弱结合态转化，从而改变 Pb、Zn、Cd 的形态分布，影响 Pb、Zn、Cd 在土壤中的生物有效性.五节芒、截叶铁扫帚等植物，可以作为修复铅锌尾矿的先锋植物.详细见表1.

表1 不同矿山废弃地及其植物修复种类

对于主要进行土壤改良的废弃地，应该选择耐性较强的植物，如假俭草、苇状羊茅、芒草、弯叶画眉草、狗牙根、百喜草、香根草等，使裸地迅速被植物所覆盖，形成草地群落，从而改良土壤环境.等到草本群落发展到一定阶段情况下，要及时引进灌木等一些大型植物，如沙棘、柽柳、柠条等阳性、喜光灌木.灌木群落之后，生境开始适宜阳性先锋乔木树种生长，逐渐形成针叶林、针阔混交林[26].所以在先锋植物的选择上也很重要，不同的植物对生态重建的效果也不同[27].

有研究表明[28]，棕叶芦（Thysanolaena maxima）和香根草（Vetiveria zizanioides）种植在铅污染的土壤上，对固定和稳定污染物效果显著，说明这是很适合用来改良土壤的植物.植物可以和微生物协同往往会有更好的效果.YendiE.Navarro-Noya等[29]研究表明Bahia xylopoda、Viguiera linearis这2种先锋植物和微生物协同作用对于受重金属污染的矿区有很好的效果.

5 植物修复土壤的影响因素

5.1 植物富集重金属的影响因素

植物修复过程中，植物对污染物的累积量的多少与许多因素有关，比如说土壤的酸碱度、污染物的浓度、电导率等，有时候还与土壤中微量元素的含量有关.所以在植物修复污染中，为了使植物能够更有效地吸收或降解有毒物质，应该采取适当的措施来控制这些可控因素，使修复效果和经济效益达到最优.

1）植物因素.不同的植物累积重金属的量和种类都会有所不同，吴双桃等[30]对株洲市铅锌冶炼厂生产区进行了一系列的植被和土壤环境调查，发现土荆芥（Chenopdiumambrosioides）体内 Pb质量分数高达3 888 mg/kg，富集铅的能力超强，是一种铅超富集植物.侯晓龙等[31]实验表明，金丝草和柳叶箬为 Pb的超富集植物，在Pb胁迫浓度为5 000 mg/kg的情况下，金丝草和柳叶箬对 Pb的转运系数均大于 1，而且其地上部分Pb富集量超过1 000 mg/kg的水平.

2）土壤因素.重金属进入土壤后，通过物理、化学和生物方法与有机物结合，便在土壤中沉淀下来.不同的土壤条件会影响植物对重金属的吸收.

土壤有机质：有机质通过物理作用改善土壤的环境，还可以通过对重金属的络合、吸附和一系列反应降低污染物的毒性或消除污染物的毒性.

土壤pH值：不同的植物在修复污染的土壤过程中，都有其适宜的pH值，如果控制在最优范围内，修复效果往往会达到最好.有些重金属在酸度比较高的土壤环境下更容易浸出，从而更利于植物吸收.郭朝晖等[32]研究模拟酸雨连续浸泡下重金属释放及形态转化，研究表明，随着pH值下降，污染土壤中释放重金属强度增加，Zn、Cd、Cu随着pH值降低，释放量明显提高，特别是Cu受影响更大.说明当pH值偏低时，植物可能会吸收更多的重金属，或者改变重金属的形态，从而降低毒性.

5.2 植物修复有机污染物的影响因素

矿山废弃地植物改良过程中，不同的条件会对土壤理化性质的改善有不同的影响.首先植物本身对于改善土壤性质是一个极为关键的因素，某些植物种植在受污染的土壤上，受到污染物的抑制影响其本身的功能.

不同的植物对同一种污染物修复的效果也会有不同，蔡三山等[33]研究表明，利用植物刺槐（Robinia pseudoacacia）和西葫芦（Cucurbita pepo ssp.pepo）同时修复受多氯联苯污染的土壤，结果表明，植物种植18 d后，刺槐根际对多氯联苯的降解率达到39.7%，而西葫芦的总降解率为33.6%，种植35 d后，发现刺槐根际对多氯联苯的吸收率为58.1%，西葫芦的总吸收率为40.9%.同时可能还会受到气候、温度和土壤（酸碱度、有机质等）外部因素的相互影响.

6 提高植物修复效率的方法

植物修复效率的提高，可以从2个方面入手，一个是根据外部环境选择适合的植物，还有一个是调节植物内部环境，提高植物修复效率.

矿山是一个复杂的环境，每个矿山中的污染物和土壤的理化性质都有很大的差别，所以在种植植物的时候都要考虑这些因素，什么植物最合适，能否存活下来.同时应考虑不同阶段应该采用什么方式去种植，能够达到最佳效果，对于出现的不可抗力因素，应怎样解决，这些都是应该思考的问题.还应根据土壤条件、污染的程度、预期的修复目标、时间限制、成本、修复技术的适用范围等因素加以综合考虑[34].

今天，改革开放站在了四十而不惑的历史节点上，回望来路，一代又一代的自然资源人怀着“摸着石头过河”的胆识，成就了一场场伟大的改革。国有土地有偿使用、土地用途管制、土地整治、不动产最多跑一次……从贫瘠到富裕，从禁锢到自由，从崩溃到奇迹重生，40年，一个个瞬间书写完成的这部改革开放史，让我们有太多的理由为之击节赞叹。

王文英等[35]总结了安太堡露天煤矿十余年来植被重建技术，具体包括种植密度与林草混交、直播与移栽、扦插与管理、植物的优化配置，对于矿区不同的时期采用不同的模式，这也是未来矿区植物重建技术的一个发展方向.

6.1 重金属修复效率提高方法

对于植物内部来说，比如一些超富集植物虽然可以富集高浓度的重金属，但由于其生长缓慢、植株矮小、而且会受周围环境的影响，进一步影响修复效率.以下简述几种提高修复效率的方法：

1）添加螯合剂.常用的螯合剂可分为天然螯合剂和合成螯合剂2类，天然螯合剂主要像柠檬酸、酒石酸、草酸这类天然低分子有机酸.合成螯合剂包括EDTA、HEDTA、DTPA等.螯合剂的作用就在于它可以与金属离子形成可溶性的络合物，从而提高植物修复的效率.丁竹红等[36]研究3种螯合剂EDTA、[S，S]-EDDS、DTPA对小麦幼苗吸收土壤中重金属及其它微量元素的效应，结果表明，螯合剂的添加明显增加了Pb和Mn在幼苗体内的富集，提高了修复效率.熊国焕等[37]研究表明，添加EDTA能有效增加土壤中Pb、Cd的含量，从而促进龙葵地上部分对 Pb吸收，同时也能促进大叶井口边草地上部对Pb、Cd吸收.

2）调节土壤pH值.重金属在土壤中迁移的过程中，pH值是重要影响因子之一，它可以影响金属离子在土壤中的浓度，还可以影响植物对金属离子的吸附.高彬等[38]研究表明，不同土壤pH值对莴苣、芹菜的生长及其对Cd、Zn的吸收均不同.随着土壤pH值的升高，芹菜吸收Cd、Zn的总量降低.因此，可以通过改变土壤的酸碱度来提高植物富集重金属的浓度.

3）植物激素.植物激素是由植物自身代谢所产生的产物.植物激素通过促进植物生长、调剂植物的生理代谢过程或与重金属发生螯合，提高吸收重金属的效率或降低重金属的毒性从而提高植物修复的效率.还有就是对于目前超富集植物植株矮小的问题，通过添加植物激素（生长素，赤霉素，乙烯，细胞分裂素，多胺，脱落素等），可以提高植物的生长率，从而提高修复效率.

4）基因工程技术.基因工程技术是通过基因转移等技术手段，把有毒物质转化成低毒性的或者是无毒的，提高植物对重金属的耐受性或富集能力.比如干旱地和重金属污染严重的地方严重制约植物的生长，张玉秀等[39]研究表明，通过转基因技术，发现某些蛋白基因具有抗旱和耐重金属的作用，很有应用价值.刘毅等[40]研究表明，利用植物基因工程技术治理重金属污染是一项很有前景的技术，目前已取得很重大的突破，在未来也是一个很重要的发展方向.

5）其他措施.对于受重金属污染比较严重的地方，可以通过客土覆盖，改善土壤的毒性，再种植一些抗性较强的植物，吸附重金属.有机或者化学污染物，可以先通过物理化学方法改良土壤的理化性质及其毒性，再结合实际情况种植植物，以达到最好的效果.

通过植物和微生物联合修复来提高效率，杨卓等[41]研究表明，用印度荠菜作为超富集植物，通过盆栽对比实验，巨大芽胞杆菌和胶质芽胞杆菌的混合微生物制剂、黑曲霉30177发酵液分别加入到受Cd、Pb、Zn污染的土壤，结果表明，喷洒了巨大芽胞杆菌和胶质芽胞杆菌的盆栽，生长的比其他没有喷洒的好，而且富集金属的含量更多，大大地提高了修复的效率.

6.2 有机污染物修复效率提高方法

有机污染物对土壤来说也是一种潜在危险物质，运用植物修复有机污染也会受到土壤以及其他因素的影响，从而影响修复效率.

有研究表明，有机污染物与环境介质长期作用会产生老化现象，这时通过吸附剂就可以清除干净土壤中污染物.生物碳和黑炭就是很强的吸附剂.环境矿物材料是一种新型的修复污染物的材料，包括天然矿物和人工矿物合成材料.有天然改性硅酸盐材料和金属矿物等材料，对去除有机污染物有较好的效果.潘声旺等[42]研究表明，在紫花苜蓿修复有机污染物菲过程中，通过添加蚯蚓，植物根冠有显著增大，种植紫花苜蓿土壤菲的去除率达到58.60%～81.82%，平均去除率相对无蚯蚓系统提高9.4%，说明蚯蚓活动促进了土壤中修复植物的生长.

7 结束语

7.1 存在的问题

在植物修复过程中，可能最终效果很好，但是在过程中也会面临一些问题：首先，植物的修复周期长，效率和速率不高，导致资源耗费严重.在植物修复过程中会受到气候、地质条件、温度、土壤类型等条件限制，还在一定程度上有可能影响存活率；其次，如果不在植物成熟期之前收割植物的话，吸收到植物内的污染物会随着落叶再次释放到环境中去，有可能存在二次污染的风险，还有可能会迁移到其他的物体中去；最后，植物修复的过程中往往没有考虑能否带来经济效益，种植的很多作物虽然可以富集重金属或降解其他污染物，但是可利用性低，这就加大了修复过程中的难度.这将是在未来植物修复过程中应当考虑的重要问题.

7.2 发展方向

矿山废弃地复垦是一件艰巨而有意义的事情，对于人类和社会都有很重大的影响，植物修复作为一种新兴的、有潜力的绿色技术，在全世界有很大的影响力，相比于物理和化学修复，有着无法比拟的优势，它对于恢复和保护生态系统起着至关重要的作用.同时也是具有商业化和潜力化的修复方法，未来可以在几个方面着重发展：①在超富集植物的筛选方面深入研究，从而获得能够耐受更多重金属或能够吸收更多重金属的植物；②分子生物学和基因工程，充分了解作用植物的生理机制和分子机理，以便能够提高植物的吸收效率；③深入研究富集重金属的植物，能从其体内回收重金属的方法；④植物吸收重金属能够转化成无毒的物质，使植物能够利用或者食用，这样既会降低成本，又会降低二次污染风险，也会提高民众对矿山复垦的积极性，使植物修复技术普遍化，从而达到保护环境的目的.

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