采矿废石场重金属污染评价与模拟植物恢复

采矿废石场重金属污染评价与模拟植物恢复*

彭禧柱，李凤梅，杨胜香

(吉首大学生物资源与环境科学学院，锰锌矿业重金属污染综合防治技术

湖南省工程实验室，湖南 吉首 416000)

摘要：对湘西自治州矿区7个采矿废石场重金属进行监测，采用污染指数法对其进行评价.研究结果表明，湘西自治州采矿废石场重金属元素质量分数偏高，其中Pb，Zn，Cu，Cd的超过国家土壤环境质量三级标准，Pb污染水平为清洁─轻度─中度污染，Zn为清洁─轻度污染，Cd为轻─中度污染，总污染程度为清洁─轻度─中度污染.植被恢复模拟试验结果表明，黑麦草、紫花苜蓿和野菊在不同的覆盖厚度上均能萌发、生长，且随着覆盖厚度的增加植物的发芽率、株高、生物量均显著提高，覆盖厚度为50 mm的处理植物长势最好，发芽率和株高最高，生物量最大.

关键词：采矿废石场；重金属污染；喷混植生绿化技术；植被恢复

文章编号：1007-2985(2015)06-0079-05

中图分类号：X753文献标志码：B

DOI:10.3969/j.cnki.jdxb.2015.06.018

收稿日期：*2015-07-26

基金项目：国家自然科学基金资助项目(41561076，41471257)；吉首大学校级科研项目(15JDY022)；湖南省研究生培养创新基地项目(201501)

作者简介：彭禧柱(1987—)，男，湖南古丈人，吉首大学生物资源与环境科学学院硕士生，主要从事矿山污染治理及生态恢复研究 通信作者：杨胜香(1972—)，女，山东东营人，吉首大学生物资源与环境科学学院副教授，博士，主要从事重金属污染治理及生态恢复研究.

矿产资源开采是迄今人类最大规模改变地球表面景观和破坏地表生态系统的有组织的人类活动.采矿过程中难免会产生大量废石，如露天开采时剥离矿体上方的岩石，地下开采井巷中产生的废石.这些采矿废石因矿石品位较低达不到选矿要求而被遗弃，往往堆积在矿区，形成大大小小的废石场.据中国矿业联合会统计，中国现有矿山约12万个，每年产出的废石排放量一直在10亿t以上，矿山历年废石的堆存量己达127亿t.湖南省湘西自治州矿产资源丰富，现已开发利用的金属矿产资源以Mn,Pb,Zn,Mg等为主，非金属矿产以P、石灰岩、陶土、大理石等为主.[4-5]湘西自治州地处武陵山区，采矿废石产生量非常大，各类废石废渣的堆置不仅对山体植被和土壤结构造成毁灭性破坏，而且给当地带来重金属污染的安全隐患，严重影响了矿产业的可持续发展.

近年来，环境与发展已成为社会普遍关注的重大问题，加强矿山地质环境治理和生态恢复是中国当前所面临的紧迫任务.植被恢复是矿山环境治理的关键，可以促进土壤熟化、涵养水源、防风固沙、控制污染、美化景观等.采矿废石场中废石块度大，堆积物中孔隙度大，复垦技术难度大，可供借鉴的成功经验不多，致使大部分矿区废石场复垦工作进展缓慢，生态恢复率极低.此外，废石中残存相当高的重金属，在露天堆置条件下易被氧化，重金属的存在很不利于植物生长和其他生物活动，恢复起来十分困难.客土喷播植生绿化技术是近年来国内外发展起来的一项岩质边坡植被绿化技术，在采石场边坡稳定、公路、铁路边坡植被保护等方面做过大量工作并成功应用，然而将其用于采矿废石场环境修复的报道却很少[10-11].

笔者对湘西自治州矿区7个采矿废石场进行生态调查和重金属污染评价，在试验场地模拟客土喷播植生绿化技术对采矿废石进行植被恢复，旨在为采矿废石场人工生态修复提供科学依据和技术支持.

1材料与方法

1.1 采矿废石场概况

2011年3月对湘西自治州花垣县团结镇3个废石场(编号为T1，T2，T3)、龙潭镇2个废石场(编号为L1，L2)、民乐镇2个废石场(编号为M1，M2)进行现场调查和样品采集.这些废石场均由粗糙的废石碎片堆积而成，面积2 000～5 000 m2，碎石间空隙大，缺乏团粒结构，持水能力差，昼夜温差大，气候干燥，几乎无植被覆盖.在每个废石场随机采集废石样5～6个，装入洁净的聚乙烯封口袋，运回实验室进行重金属含量检测.

1.2 植被恢复实验方法

在湘西自治州花垣县团结镇广字坳废石场取废石约300 kg，对其进行植被恢复模拟实验.在试验场地，将运来的废石模拟废石场堆砌成0.5 m×0.5 m×0.5 m小样方.采用客土喷播植生绿化法[12]将草种、粘合材料、保水剂、土壤按一定比例充分混合后，将不同厚度的混合层覆盖在废石上，覆盖厚度分别为10，20，30，50 mm，每种处理重复4次.具体做法是：将粘合材料、保水剂和水按照质量比1∶1∶100配成水凝胶，把黑麦草、野菊和紫花苜蓿的种子倒入水凝胶中，每个草种播种量均为300粒，搅拌使种子沾满水凝胶，均匀倒入到土壤中，继续加水直到成泥状，按照设计的厚度覆盖在废石表面.观察种子的萌发、生长状况，1个月后测量株高，剪掉幼苗的地上部分，烘干，测量植物地上部分的生物产量.

1.3 样品处理方法

将采集的废石样品捣碎、研细，过60目尼龙筛，备用.采用国标法测定废石pH值.称取废石样4.00 g，加入10 mL的纯水，用pH计(PHS-3C型)测定.废石中的重金属含量采用混合酸消解法.称取废石样品0.2 g，小心倒入消化管中，加入4 mL的王水(V(HCl)∶V(HNO3)=3∶1)，浸泡过夜，第2天放入消化炉内90 ℃加热30 min，140 ℃加热30 min，180 ℃加热1 h，冷却.加1 mL HClO4，于140 ℃加热20 min，180 ℃加热1 h，冷却，过滤，定容[13].用等离子体发射光谱仪(ICAP6300，美国热电)测定消解液中的重金属元素Mn，Pb，Zn，Cu，Cd质量分数.

1.4 重金属污染评价方法

采矿废石场重金属污染评价采用单因子污染指数法Pi和综合污染指数法P综进行[14-15]：

其中：Pi为废石中重金属i的单因子污染指数；Ci为废石中重金属i的实测值；Si为重金属i的评价标准；P综为重金属综合污染指数；Pave为重金属单因子污染指数的平均值；Pmax为重金属单因子污染指数中的最大值.重金属污染指数范围及污染等级划分标准见表1.

表1　重金属污染指数及其等级划分标准

1.5 数据分析方法

采用Excel 2003 和SPSS 15.0对数据进行分析，单因素方差分析法分析不同处理间的差异，最小显著差数法进行显著性检验(差异显著水平设为P< 0.05).

2结果与讨论

2.1 采矿废石场重金属质量分数

采矿废石场pH值和重金属质量分数见表2.

表2　湘西自治州采矿废石场 pH值和重金属质量分数(均值±标准误差)

从表2可知，湘西自治州采矿废石场重金属pH值为5.9～7.3，接近中性.7个废石场重金属元素Mn,Zn,Pb,Cu,Cd质量分数分别为591.82～1 340，489.42～1152.28，344.68～671.66，52.74～144.90，0.75～2.58μg·g-1.重金属元素Mn，Zn，Pb，Cu，Cd质量分数均高于湖南省土壤背景值，分别是湖南省背景值的1.3～2.9，5.1～12.1，11.6～22.6，1.9～5.3，5.6～20.5倍.与国家土壤环境质量标准[16]的三级标准(GB15618—1995III)比较来看：除团结镇T1废石场外，其他6个废石场Zn质量分数均超过三级标准；团结镇的T1，T2废石场、龙潭镇的L1废石场、民乐镇的M1废石场Pb质量分数超过三级标准；7个废石场Cu元素均在三级标准范围内；除团结镇T2废石场外，其他6个废石场Cd质量分数均超过三级标准.

2.2 废石场重金属污染评价结果

湘西自治州采矿废石场重金属污染指数及污染程度见表3.为保障农林生产和植物正常生长的土壤临界值，重金属单因子污染指数的计算采用中国土壤环境质量三级标准.土壤环境质量标准未对Mn元素作出规定，只对Zn，Pb，Cu，Cd进行评价.

表3　湘西自治州采矿废石场重金属污染指数及污染程度

由表3可知，废石场Zn，Pb，Cu，Cd单项污染指数分别为0.98～2.19，0.69～1.34，0.14～0.36，0.75～2.58.从污染程度上看，Pb对废石场造成清洁─轻度─中度污染，Zn为清洁─轻度污染，Cu未对矿区造成污染，Cd为清洁─轻度─中度污染.综合污染指数反映了4种重金属元素的综合污染状况，其范围为1.11～2.13.龙潭镇L1废石场总的污染程度为中度污染，其余废石场均为轻度污染.

2.3 植物恢复模拟试验结果

废石场植物恢复模拟试验植物生长状况见表4.

表4　废石场植被恢复模拟试验植被生长状况

注表中同列内不同的字母表示各处理间差异显著(P<0.05)，相同的字母表示各处理间差异不显著(P>0.05).

从表4可知，3种植物在不同的基质覆盖厚度上均能萌发和生长，从发芽情况来看，黑麦草发芽率最高(31.2%～58.3%)，其次是紫花苜蓿(6.8%～29.4%)，野菊发芽率最低(4.6%～19.2%)；从植株高度来看，黑麦草株高最高(4～10cm)，其次是紫花苜蓿(3～7cm)，野菊株高最低(2～4cm)；从生物量来看，黑麦草生物量最高(5.5～11.2g)，其次是紫花苜蓿(0.6～3.2g)，野菊株高最低(0.4～0.9g)；从覆盖厚度来看，随着基质覆盖厚度的增加，黑麦草、野菊、紫花苜蓿的发芽率、株高和生物量呈显著增长的趋势，覆盖厚度最高(50mm)；从植物生长状况来看，种子萌发之后，覆盖厚度为10，20，30mm的3种植物均出现不同程度的缺水、叶片萎蔫、变枯的现象，覆盖厚度为50mm中3种植物均能健康地生长，叶片鲜绿、健壮，在生长期内未发现缺水症状；从总的植被盖度来看，覆盖厚度为10，20，30mm的处理植被盖度较低(均在50%以下)，覆盖厚度为50mm的处理植被盖度最高(80%).

3结论与分析

本研究结果显示，7个废石场5种重金属元素(Mn，Zn，Pb，Cu，Cd)的质量分数均高于湖南省土壤背景值.其中6个废石场Zn、4个废石场Pb含、6个废石场Cd质量分数均超过国家土壤质量三级标准.因此，废石场中的重金属残留可能会影响植被的自然定居和生长，而且可能对周边的农田和水体带来重金属污染.废石场重金属污染评价表明，Pb为清洁─轻度─中度污染，Zn为清洁─轻度污染，Cd为清洁─轻度─中度污染，总污染程度为轻度─中度污染.为控制来自采矿废石场的污染，一般采取覆土的方式进行生态恢复，即从废石场周边非污染区域取土覆盖，然后种植植被使其稳定.这种方式虽简单有效，但取土给土源供应地带来严重的生态破坏，且中国大部分金属矿山位于南部山区，土层较薄，多年采矿后取土越来越困难，有的矿山甚至花巨资购买耕地取土.据报道，一个中等规模的废石场覆土约需 20 000m3土方量，相当于从约8 000m2耕地挖深2.5m取土[17].这种做法既不能解决矿山长期使用土源问题，又破坏了中国宝贵的耕地资源，还给矿山带来沉重的经济负担.

客土喷播植生绿化技术能达到恢复植被、改善景观、保护环境的目的[11-12].喷射厚度是今后植物生长的关键所在，不同废石场因其成因、坡度、立地条件等不同，其喷播厚度也不一样.马万权等[18]认为基材喷射厚度一般为8～10cm，对于部分土夹石缓坡，喷浆厚度可降低到 5～6cm，对于陡急的硬岩边坡，喷浆厚度应增大到 10～12cm.章梦涛等[19]对岩质坡面快速绿化工程实践表明，草本植物生长的厚度为15～30mm，对于碎石块度均匀、缓坡，降雨量较丰富的废石场客土喷播厚度为30～ 60mm即可.笔者借鉴该技术，人工模拟废石场将草种、粘合材料、保水剂、粘土按一定比例充分混合后覆盖在废石上，观察种子的萌发、生长状况.试验结果显示，3种植物(黑麦草、紫花苜蓿和野菊)在不同的覆盖厚度上均能萌发、生长，且随着覆盖厚度的增加植物的发芽率、株高、生物量均显著提高.总体来看，覆盖厚度为50mm的处理效果最佳，植物长势最好，发芽率最高，株高最高，生物量最大，植被覆盖度达到了植被恢复的要求[20].因此，采用客土喷播植生绿化技术进行采矿废石场植被恢复是可行的，且喷射厚度至少为50mm.

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HeavyMetalPollutionAssessmentandVegetationRestoration

SimulationatMinedWasteRockYards

PENGXizhu，LIFengmei，YANGShengxiang

(CollegeofBiologicalResourcesandEnvironmentalScience，HunanProvinicalEngineeringLaboratoryofControland

RemediationofHeavyMetalPollutionfromMn-ZnMing,JishouUniversity，Jishou416000，HunanChina)

Abstract:An assessment of heavy metal pollution was conducted at 7 mined waste-rock yards in Xiangxi Autonomous Prefecture.The results obtained from the contamination index method showed high level of heavy metals,among which the levels of Zn，Pb and Cd exceeded the Grade III according to China Environmental Quality Standard for Soils (GB 15618—1995).The contamination index showed clean-mild-moderate contamination by Pb，clean-mile contamination by Zn and clean-moderate contamination by Cd.The general index indicated clean-mild-moderate contamination. The vegetation restoration simulation results showed that three plants (Lolium perenne，Medicago sativa and Chrysanthemum indicum) could germinate and grow in all the cover depths，and the germination rate，plant height and biomass of the three plants significantly increased with the cover depths.Overall，the plants in the treatment of 50 mm grew healthily with the highest germination rate，plant height and biomass.

Keywords:minedwaste-rockyard；heavymetalcontamination;spray-seedingtechnology；vegetationrestoration

(责任编辑陈炳权)