矿区土壤重金属污染植物修复探讨——以新余市仰天岗为例

叶生晶，何 见，但新球

(国家林业局中南林业调查规划设计院，长沙 410014)

矿区土壤重金属污染植物修复探讨
——以新余市仰天岗为例

叶生晶，何 见，但新球

(国家林业局中南林业调查规划设计院，长沙 410014)

植物修复是矿区重金属污染常用的一种生物修复方法，将植物修复应用于矿区土壤重金属污染治理已成为环境科学和土壤学的研究热点之一。在分析矿区土壤重金属污染现状的基础上，对植物修复土壤重金属进行了综述，并以新余市仰天岗矿山生态环境保护与治理为例，探讨植物修复在矿区污染治理方面的规划应用，以期为矿区污染及其修复的研究提供科学依据。

矿区；土壤；重金属污染；植物修复

近年来随着人口的不断增长，工业化和城市化的快速发展，资源和能源的大量消耗和不合理利用，土壤重金属污染问题日益突出。矿产资源的开发和利用是造成土壤重金属污染的主要原因之一，严重破坏原有土壤生态系统，造成植被退化，减少土壤生物及微生物多样性，危害当地生存环境。土壤重金属污染长期影响作物生长，降低农产品产量及品质，通过食物链对人体造成伤害。

目前，矿区土壤重金属污染修复方法很多，主要包括：工程物理化学法、农业化学调控法、生物法等。80年代美国就开始了应用生态学原理和技术修复污染土壤，即生物修复(Bioremediation)方面的研究[1]。近年来的研究结果证明，生物修复是既安全又经济的方法。植物修复(Phytoremediation)是修复污染土壤常用的一种生物修复方法，主要通过植物—微生物复合系统的降解、吸收与转化。矿区土壤污染中重金属含量较高，使得大多数植物无法生存，但有一些富集或超富集植物能够正常生长，并对污染土壤中重金属进行吸收或吸附，进而减轻污染土壤重金属危害，提升土壤健康状况，有利于矿区污染土壤的质量恢复。因此，将植物修复应用于矿区土壤重金属污染治理已成为环境科学和土壤学的研究热点之一[2-4]。本文介绍了矿区土壤重金属污染现状，并对植物修复土壤重金属进行了综述，以期为矿区污染及其修复的研究提供科学依据。

1 矿区土壤重金属污染现状

1.1 矿区土壤重金属来源及危害

矿区资源的开发，尤其是金属矿产资源，在开矿、选矿、冶炼的过程中，伴随着矿产开发中的废石、尾砂、矿尘、废水、废气等的产生，大量重金属元素直接进入矿区及其周边地区的土壤中，造成严重的土壤重金属污染。有色和贵金属矿石由于品位很低，且提取工艺复条，使得其开发过程产生大量固体废弃物，破坏和压占大量土地，造成的环境污染现象更为严重。每开采1t矿石，有用资源仅仅为0.02 t，伴随着产生0.42 t废石、0.52 t尾矿及0.04 t冶炼废渣[5]。尾矿、废渣及废石中的重金属含量极高，在降雨、风化等作用下，向矿区及毗邻农田土壤中扩散，造成农田土壤质量下降，危害粮食、蔬菜等农作物生长，通过食物链对人体造成威胁[6-7]。更为严重的是土壤重金属污染具有隐蔽性、长期性和不可逆性等特点，毒性大，众多重金属具有致癌或致突变性，如锌、铅、镉、砷、铬等，因此土壤一旦被污染，便很难被清除干净，并造成恶性循环，长期对生态系统造成威胁。

1.2 矿区土壤重金属污染国内外研究现状

一些西方国家对矿区生态环境保护研究开展得较早，积累了丰富的防治经验，在处理可能的环境问题时，强调“预防优于治理”[8-11]，以把被破坏的矿区生态环境修复到原有状态为目的。印度的Prasad B等对Himalayas地区石灰石矿区的地表水体中的重金属含量展开调查研究，发现水体已经受到钴、铜、和镍等重金属污染；Teieira E.C等对巴西的RS Baixo Jacui地区的煤矿区进行研究，发现河流底部沉积物受到铅、锌、铜、铁和镍等重金属污染，这一状态是由于煤矿开采引起；Dinelli E等对意大利北部的Vigonzano区的铜矿进行研究，发现矿区尾矿渣铬、镍、铜和钴等重金属的富集现象，原因是堆放的尾渣可能对水体中锌、铁和镉含量的升高造成影响[12]。

我国对于矿区土壤重金属污染的研究开始的相对较晚，矿山生态系统的恢复重建工程发展比较缓慢[13]。曾经由于资金、技术、管理等方面的措施不能及时到位，我国矿区土壤污染严重，治理修复技术落后，相较于发达国家对于矿区废弃地复垦率高达5%而言[14]。我国金属矿产资源丰富，以铜矿和铅锌矿为主，共有9000多座大中型矿山及26 万座小型矿山，已存在近4 万km2被侵占，造成330km2/ a废弃土地[12]。目前对于重金属污染的研究大多集中于矿产开发的重金属污染状况及重金属生物有效性方面。周建民等研究了广东大宝山矿区污染情况，研究发现矿区土壤污染重金属主要有铜、锌、砷、镉、铅，复合综合污染指数为0.89～32.34[15]。杨振等[16]研究了程潮铁矿区的废水和固体废弃物污染情况，分析得到土壤中存在不同程度的重金属积累。宋书巧等[17]对广西大厂矿区沿江金洞村农田的研究发现，农田土壤中砷、铅、镉、锌复合污染情况严重。

1.3 矿区土壤重金属污染治理方法

目前土壤重金属污染治理方法主要有三类：工程物理化学法、农业化学调控法、生物修复法[7,18-19]。治理机理主要是通过改变土壤中重金属存在形式，降低其迁移性和生物可用性，或是直接从土壤中去除重金属，或是改变种植方式，避免重金属流入食物链。工程物理化学法包括客土法、物理固化法、络合法、电化学法、热处理法等，通过物理和化学的原理对土壤重金属进行治理，具有彻底治理及效果稳定的优点，但是往往操作复杂、成本高，易遗留二次污染等问题；农业化学调控法是通过添加改良剂、抑制剂或农业措施，调节土壤理化性质，抑制土壤重金属迁移，具有成本低、易实施等优点，也具有修复效果不明显、高风险等缺点；生物修复法只要利用生物的新陈代谢活动，对土壤中重金属进行吸收、转移，从而缓解土壤重金属污染，该方法的优点有无污染、低成本等，往往此方法可同时治理多种重金属复合污染[19-20]。

2 植物修复技术研究进展

植物修复(Phytoremediation)技术修复污染土壤常用的一种生物修复方法，主要是利用绿色植物的新陈代谢活动来固定、降解、提取和挥发土壤或水体中的重金属。由于其较其它土壤修复方法更具低成本、无污染转移或二次污染、环境扰动小、能够对受污染的地下水进行修复，同时具有矿藏指示作用，是目前土壤修复技术与工程学科公认的研究热点和前沿领域之一[20-21]。

2.1 植物修复土壤重金属的机制

植物修复技术根据其作用过程及机制，可分为4种类型：一是植物稳定(Phytostabilization)，是指植物种植在一定浓度重金属污染的土壤中，通过自身吸收、分解、氧化还原和沉淀固定等过程，使污染土壤中重金属有效性降低，防止重金属的扩散和渗滤，一般适用于矿区废石、废渣的处理[22]；二是植物挥发(Phytovolatilization)，是指植物在吸收和积累污染土壤重金属后，通过自身体内转化及挥发作用，去除土壤中一些挥发性重金属污染物，如汞、硒和砷，释放到大气中的挥发重金属，往往对环境造成伤害，对人畜具有一定风险；三是根际过滤(Rhizofiltration)，是指植物通过根际环境，对重金属进行的过滤作用，例如水浮莲、浮萍、水葫卢等水生植物利用自身的吸附能力，减轻重金属对水体的污染程度[23]，一般应用于人工湿地或生物塘；四是植物提取(Phytoextraction)，指具有富集或超富集能力的植物，从污染土壤中将重金属从地下部分转移至地上部分，最终达到去除土壤重金属的效果[22，24]。

2.2 植物修复技术研究进展

矿区土壤重金属污染植物修复的理想对象是重金属耐性植物(Metaltolerant Plants)、重金属富集植物(Hyperaccuimilator)和指示性植物(Indicator)，这些植物在自然演化和自然选择作用下，分布在矿区土壤重金属污染土壤区域[21]。早期对于矿产开发指示性植物的调查研究为超累积植物的发现奠定了基础。早在20世纪40年代Minguzzi等就发现意大利Tuscany地区庭芥属的A.bortolonti植物叶组织中已含超过1%的镍。在已发现的超过400种重金属超级累植物中，一些植物能同时对两种或多种重金属进行超量吸收和积累。目前，矿区土壤重金属污染的植物修复技术主要集中在试验和尝试性阶段。矿区废弃地的复垦，主要目的是将土壤恢复至农业生产水平[5]。植物修复作为绿色环保、高效低成本的修复技术，在矿区复垦领域具有无法比拟的优势，是相关领域的前沿研究热点之一。杨修等[25]对江西德兴铜矿1号尾矿库内纯尾砂立地的修复采用了植被恢复演替、土壤生物改良和客土复垦三种模式；丁佳红等[26]对狮子山铜矿区的修复研究，发现节节草、一年蓬、小飞蓬等植物能够很好地生长在铜含量较高的土壤中。

3 应用实例：仰天岗植物修复技术

3.1 工程地概况

仰天岗位于新余市城区西北面，有新余“城市绿肺”的美誉，总面积21.7893 km2，属中亚热带湿润性气候，年均气温17.7 ℃，平均日照时数为1655.4 h，平均无霜期281 d，年平均相对湿度为80%。仰天岗山岭属于罗霄山脉，主要以丘陵地貌形态为主，其母岩以变质岩系、花岗岩、石灰岩、砂质岩为主。仰天岗植物资源以木荷(SchimasuperbaGardn.etChamp.)、油茶(CamelliaoleiferaAbel.)、山合欢(Albizziakalkora(Roxb.)Prain)、樟树(Cinnamomumcamphora(Linn.)Presl)、马尾松(PinusmassonianaLamb.)、檵木(Loropetalumchinense(R. Br) Oliv)、杜鹃(RhododendronsimsiiPlanch.)等为主。

3.2 修复方案

目前，仰天岗矿区共有5个矿山开采区，占地总面积为267.29 hm2。生态恢复治理以矿区植被恢复为目标，充分考虑矿地综合利用的价值，按科技型、环保型、生态型的要求建设矿山，做到边开采、边治理，积极推行“绿色矿山”生产模式。以乡土树种为主，乔、灌、草、藤相结合，针阔、常绿落叶混交的模式进行植被恢复。在原有土地面貌基础上，平整废矿石，栽种已筛选植物，开展不同造林模式，通过后期营林管护措施，来达到矿区修复目标。具体操作方案如下：

1) 平整废矿石 。为改善土壤的理化性质，提高造林成活率，将条件成熟的地段对废矿石进行清运。通过整地、挖土、覆土及切花坛等工程措施，将矿区土地进行整理规划。

2) 植物筛选。根据造林立地条件和林木培育目的，在乡土树种中选择适应性强、抗逆性强的植物品种。筛选得到的本土植物品种，增加土壤肥力，可有效地阻止风蚀和水蚀，节省种植费用。根据仰天岗实际情况，我们筛选得出：常绿乔木有湿地松、红叶石楠、桂花、大叶女贞、香樟；落叶乔木有枫香、樱桃；灌木：钩骨、杜鹃、火棘；藤本：地枇杷、葛藤、紫藤、爬山虎；草本有野菊花、狗尾草、五节芒、三叶草、紫云英、黑麦草。

3) 造林模式。根据修复地坡度及地质不同，开展不同造林模式，主要有：陡坡废矿石造林模式、缓坡废矿石造林模式、混交平缓坡废矿石模式、景观苗木平缓坡废地造林模式、耐湿抗污染植物尾矿库造林模式。

4) 管护措施。为巩固矿山造林绿化工程的工作成果，必须加强苗木栽植后的管护。管护措施主要包括：浇水、施肥、病虫害防治、抗旱和冬季保暖措施。养护质量标准是保证栽植后年生长量应达到0.8～1.5 m；无缺株，无损坏，无病虫害，生长良好；绿化施工保养期两年。

通过植物修复治理措施对矿区植被进行保护和恢复，从根本上改善矿区及其影响区域的生态环境，维护生态平衡，建立矿区生态环境治理恢复长效机制，改善矿区周边地区人居环境，保障矿区植被恢复建设的有序进行。

4 展望

综上所述，矿区土壤重金属污染的植物修复过程是非常复杂的，容易受多方面因素的影响，比如植物本身的特性，土壤环境和气候条件等等。因此，要想使植物修复在矿区土壤重金属的修复方面得到理想的效果，还需更加深入的探讨和研究。从个体、微观、局部到宏观和整个生态系统的多层次多角度的研究，将使土壤重金属污染的植物修复技术在实际应用上更具科学性，更容易实现。因此，矿区土壤重金属污染修复技术的研究还可以从以下几方面进行完善：一是创建相关数据库，通过互联网手段，共享有关矿区植物修复数据，避免重复研究，节约资源；二是完善矿区土壤重金属污染预警和防治系统，使矿区污染土壤重金属的修复技术更加规范化；三是加强矿区土壤重金属污染修复技术的合作开发，统筹不同治理方法，优化治理手段。

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ResearchonPhytoremediationofHeavyMetalContaminatedSoilinMiningArea:A Case Study of Yangtiangang in Xinyu City

YE Shengjing，HE Jian，DAN Xinqiu

(Central South Forest Inventory and Planning Institute of State Forestry Administration, Changsha 410014, Hunan, China)

Phytoremediation is one of the commonly methods used in repairing contaminated soil. Application of phytoremediation to the soil heavy metal pollution in mining area has become one of the hotspots in the environmental science and soil science. This paper introduced the present situation of heavy metal pollution in mining area, summarized the heavy metal pollution in soil, and took ecological environmental protection and governance of Yangtiangang mining area in Xinyu city for example, discussed the phytoremediation in mining area pollution control planning applications, in order to provide the scientific basis for the study of mining pollution and remediation.

mining area；soil；heavy metal pollution；phytoremediation

2015-12-11

叶生晶(1986-)，男，甘肃武威人，助理工程师，主要从事石漠化监测与研究工作。

S 731.6；X 321

A

1003-6075(2015)04-0041-04

10.16166/j.cnki.cn43-1095.2015.04.011