铁尾矿废弃地植物修复技术研究进展及展望

杨 辉，侯永莉，郝 喆，陈红丹，延孟孟

(1.辽宁省地矿集团生态修复有限责任公司，辽宁 沈阳 110032；2.辽宁有色勘察研究院有限责任公司，辽宁 沈阳 110013；3.自然资源部老矿山地质灾害防治与生态修复工程技术创新中心，辽宁 沈阳 110013；4.辽宁大学环境学院，辽宁 沈阳 110036；5.东华理工大学地球科学学院，江西 南昌 330013)

0 引 言

金属矿山开采不仅对地形地貌景观产生影响，并造成地质灾害的发生，还可能会对周边环境造成严重的水土污染，而金属矿山的尾矿库就是其中重要的潜在污染源。一般尾矿库的有机质含量较低，重金属含量较高，植物很难生长。当遇到风雨天，裸露的尾矿砂随风飘扬，极易造成周边环境污染和水土流失。因此，对尾矿库的生态修复不仅是国际生态环境研究领域的热点问题，也是我国当前生态环境保护所面临的紧迫任务[1]。

作为一项涉及面广、综合性强的技术，植物修复技术在我国土壤修复中占有较大的比重。由于世界范围内植物种类繁多，资源非常丰富，所以利用植物进行生态修复具有巨大的潜力。近些年来，在工矿废弃地土壤改良及场地污染治理的研究和实践中，植物修复技术相对于以往传统的物理修复及化学修复等方式，是最经济、最环保的解决方式，也逐渐成为我国矿山环境治理和尾矿库生态修复的重要方法。当下，随着矿产资源逐渐枯竭或政策性关停等原因，加之缺乏有效的监管措施与制度，废弃尾矿库带来的矿山环境问题极为严重，大量废弃尾矿库亟需修复治理。本文针对铁尾矿废弃地的植物修复相关问题开展系统综述，为尾矿废弃地环境治理和生态修复提供重要参考。

1 植物修复技术定义及类型

1.1 植物修复技术定义

生物修复指利用动植物或微生物的生命活动来影响和改变土壤的理化性质和结构，生物修复还具有降解、吸收或富集水土中污染物质的能力[2]。生物修复依据参与修复的生物种类，可分为植物修复、动物修复及微生物修复等。在水土污染修复过程中，植物修复投资较小且操作简单，不仅可以改善地形地貌、保持水土、改良水土环境，还可以借此开发旅游景观、发展农林经济，相对于其他物理修复措施和化学修复措施具有成本低、见效快等优势。

美国国家环境保护局(EPA)将植物修复技术定义为利用植物提取、吸收分解、转化或固定土壤沉积物、污泥或地表、地下水中有毒有害物质技术的总称[3]，包括水生植物修复和土壤的植物修复两类。可采用植物根际过滤及生物降解技术、人工湿地构建技术、植物固化技术、植物蒸发技术以及植物收割提取技术等对工矿废弃地土壤进行修复[4]。

综上所述，植物修复技术可以概括为利用不同植物类型对自然环境进行改善和优化，以达到相应目的的有关技术。

1.2 植物修复技术类型

在植物生长的过程中，其对污染物的作用机理不同，修复过程也不同，大体可分为四种类型。①植物降解修复，指通过植物的生长代谢而对污染物进行转化和降解，魏树和[5]的研究表明，这种类型对结构比较单一的有机污染物土壤修复效果显著，这可能因为某些植物可以分泌专一性降解酶。其方式主要有两种：一种是植物将污染物吸收后贮藏在体内进一步转化；另一种是植物根部的分泌物或微生物可直接将有机污染物进行分解。②植物提取修复，指通过植物种植及其生长，在植物根系、茎叶等组织中吸收、积累、富集某种重金属元素，最后通过植物的收割和集中处理来完成重金属污染治理的技术，其重点是对超富集特征植物的筛选和研究。③植物挥发修复，指在一些挥发性污染物治理中，如易挥发性元素汞的土壤污染修复中，利用植物生长将土壤中的挥发物释放和转化的一种方式。如石杰等[6]的研究表明，烟草能将二价汞转化为毒性较小的气态汞。④植物稳定修复，指利用植物来稳定和积累污染物质，使污染物质不会因为物质循环和水土流失而引起迁移和扩散的方式。这一类植物主要针对重金属污染土壤，其对重金属或有机污染物具有很高的耐受性[7]。

2 植物修复技术国内外研究进展

2.1 国外研究进展

在20世纪30年代，美国最早开始利用植物对废弃尾矿库进行土壤改良。20世纪50—70年代，学者们已经开始热衷于植物的耐重金属研究，并初步得知了植物忍耐重金属的机理，也相应提出了如排除机制、重金属进入细胞质机制、渗透调节机制等机制原理[8]。 20世纪70—90年代初，学者们开始重点关注超累积植物的研究[9]。 英国BROOKS博士是提出植物修复概念的首批科学家之一，BROOKS等[10]在1977年首先提出“pyperaccumulator”这一概念，并研究发现了近50种十字花科庭芥属植物对Ni有超富集特征。与此同时，其他金属如Cu、Co、Mn、Pb、Se、Cd、Zn的超富集植物也相继被发现。20世纪90年代后，学者们开始运用分子生物学和遗传学等生物技术手段将转基因技术导入到生物量大的超富集植物中，用以提高植物的修复效率[11]。目前，国际上报道的重金属超富集植物有500多种。

在工矿废弃地生态修复方面，植物修复技术也成为该领域研究的重点。例如，在澳大利亚露天矿生态重建中，研究人员主张要保持植物种质多样性及血统，防止外来物种入侵、提高种子质量，并提出了包括植物物种优选、土壤基底重构、表土覆盖、播种和维护管理等全过程的植被重建技术。阿根廷的研究人员提出了包括物种选择、胚质生产、幼苗抚育、苗木生产、土壤重构、构建群落以及植被养护等干旱矿区植被重建关键技术。植物稳定化和植物辅助提取技术在废弃矿山修复领域有广泛应用，意大利学者ALESSIA等[12]将植物稳定化和辅助植物提取技术应用于矿区废弃地的修复，可在不改变土壤和景观特征的前提下实现矿区废弃地的修复，其研究结果表明，双色堇由于其对金属的耐受性而成为最适合植物修复的植物。美国学者JULIANA等[13]在植物修复大气环境方面也进行了研究，其开展的植物修复田间试验研究结果表明，植物修复技术可有效减少尾矿库粉尘排放和尾矿库风蚀污染物的运输。印度学者KUMAR等[14-15]对聚金属草-豆科植物组合在植物修复矿山废弃物的促进作用方面开展研究，其研究结果表明，草-豆科植物具有富集金属能力，是金属转运的潜在屏障，且有助于植物修复矿山废弃物。另外，LI等[16]在紫外线辐射对南极植物修复的影响方面也有所研究。

综上可知，近年来，在植物修复领域，国外研究热点主要集中在土壤和植物相互作用机理、本土物种保持与特定污染的土壤修复技术以及植被自然恢复和人工修复选择标准及效果评价等方面。

2.2 国内研究进展

目前，国内学者针对植物修复领域进行过许多探索和研究，但总体上，在植物修复方面我国尚处于起步阶段。国内学者自1999年开始，发现蜈蚣草对砷具有富集能力，东南景天对锌具有超富集能力。近年来，中国科学院植物研究所何振艳等[17-19]研究揭示了蜈蚣草砷超富集机理及其调控分子网络。对国内植物修复技术进行系统总结发现，植物修复大体上可分为植物降解修复、植物提取修复、植物挥发修复和植物稳定修复等四种基本类型。在废弃矿山环境治理和生态修复领域的实践中，国内学者在耐性植物修复废弃地、植物对土壤重金属修复、先锋植物选择等方面都有相应的研究进展，推动了国家生态修复技术领域的研究进程。

2.2.1 耐性植物修复废弃地方面

在耐性植物修复废弃地方面，耐瘠薄、耐盐碱的植物研究也较多。众多研究表明[20-24]，在耐干旱、耐瘠薄土壤植被恢复中，较常用的植物种类有沙棘、紫穗槐、桑树、亮叶桦、构树、白茅、狗尾草等。在酸碱地植被恢复中，较常用马尾松、侧柏、云杉、旱柳、银白杨、毛榆、柽柳、沙枣等植物[25]。陈伟等[11]研究发现，选用马尾松、茶树、香根草、五节芒组合的乔灌草复层群落结构可对酸性较强的亚热带高岭土矿区进行矿区生态恢复。

2.2.2 植物修复土壤重金属方面

在尾矿废弃地治理中，植物修复相对于传统的客土复垦、化学固定等修复方式是最经济、最环保的解决方式。无论植物修复采取何种方式，利用何种原理，都要求所选用的植物具有耐瘠薄、抗干旱、耐重金属等生物学特性。而尾矿废弃地植物修复的目标是重建具有丰富物种多样性、保持水土、防风固沙等多功能的生态系统。随着植被群落的建立，植物、动物、微生物种群不断恢复，尾矿废弃地土壤理化性质得到持续改善，土壤的改良又促进了植物群落的良性发展。徐学华等[26]研究表明，通过植被恢复可以改良土壤结构，使尾矿土壤熟化过程加速，植被群落的重建是铁尾矿区土壤修复的重要手段和途径。

在植物修复土壤重金属方面，张波等[27]、李若愚等[28]和王英辉等[29]总结了植物对土壤重金属的超富集作用，筛选出30余种重金属超富集植物。其中，蜈蚣草表现为As的超富集植物，鸭跖草表现为Cu的超富集植物，东南景天表现出对Pb具有富集能力和耐性，商陆科植物商陆和山茶科植物木荷表现出对Mn的超富集特性，宝山堇菜是Cd超富集植物。

在对湖南省湘潭锰矿业废弃地自然定居植物调查中，刘茜等[30]发现，商陆、灯心草、廖科的土荆芥、禾本科的狗牙根、菊科的野茼蒿和一年蓬等草本植物可以很好地稳定和吸收矿业废弃地中的重金属。在福建省三明市典型金属矿区土壤重金属污染调查中，王学礼[31]发现，木贼科的笔管草和禾本科的五节芒等对重金属有较强的稳定富集作用，对修复铅、镉污染的土壤具有潜在的应用价值。

针对工矿废弃地中的尾矿库治理研究，李向敏等[32]对衡阳市某铅锌矿尾矿区进行植被调查研究，发现艾蒿、鸭跖草、野大豆、辣蓼等植物对Zn、Cu、Pb等重金属均表现出较高的富集性。在Pb、Zn含量较高的尾矿区，选用多种类、转移系数和富集系数较高的植物进行土壤改良和生态修复，将会表现出较好的修复效果。

2.2.3 先锋植物选择方面

目前，矿山尾矿库的治理恢复研究较多，关注重点是通过植物种植修复的方式来保持水土、改良土壤、减少重金属污染。在自然界，一些植物种类对尾矿砂具有较强的适应性和抗性，对重金属具有独特的抗性，这些植物可吸收、富集水土中的污染物，成为尾矿库废弃地恢复中的先锋植物。这类植物以降解、提取、固定、挥发等方式去除或降低土壤中的重金属含量，再通过人工收割植物的地上植物体，可有效降低土壤中的重金属含量[33]。

在选择先锋植物进行生态修复方面，豆科植物特别是一些有根瘤和茎瘤的一年生豆科植物，具有较强的耐受性和适应性，是理想的先锋植物。王婧静[34]的研究表明，豆科植物具有固氮作用，可使土壤中的氮积累大幅度提高，以此来适应被污染的土壤。另外，一些非豆科植物如胡颓子科的沙棘和马桑科灌木马桑等也具有固氮能力，可作为先锋植物进行生态修复。在盐碱地土壤改良研究中发现，随着适应性植被种植年限的增长，土壤的理化性质和肥力也相应地稳步改善[35]。此外，杨晓艳等[36]的研究表明，禾本科的白茅、蓼科的水蓼、铁线蕨科的铁线蕨等也可作为先锋植物进行废弃地复垦及生态修复。在浙江省海宁县鼠尾山露采废弃矿山环境治理中，选择豆科的美丽胡枝子、紫穗槐、紫花苜蓿、白三叶、马棘以及禾本科的高羊茅、狗牙根等灌木和草本混合种子进行喷播，产生了较好的修复效果[37]。

何明珠等[38]的研究表明，植被定植后可有效改善尾矿废弃地的土壤理化性质。如刺槐在铁尾矿上定植后，尾矿土壤中的有机质、全氮、全磷含量显著提高；而固氮菌数量、解磷菌数量和土壤脲酶、磷酸酶和过氧化氢酶活性也显著上升。种植花生、大豆、高粱等农作物可以改善铁尾矿的理化性质。此外，紫花苜蓿、三叶草、墨西哥玉米、野燕麦、黑麦草、狗尾草等草本植物可有效提升铁尾矿的养分含量。张俊英等[39]研究表明，豆科的杨柴和柠条以及胡颓子科的沙枣等植物根系能很快适应铁尾矿废弃地环境，而在提升铁尾矿养分及微生物数量方面，杨柴和沙枣效果更好，更有优势。石娟华等[40]的研究表明，沙棘和桑树组成的乔灌混交林，根系交叉分布相互补偿，是尾矿砂上直接植被恢复模式之一，在铁尾矿库区生态修复中也是最经济、最环保，值得推广的模式之一。宋凤敏等[41]研究发现，禾本科的白茅对铁尾矿环境有较强的适应性，其生长的同时为其他物种提供适宜的小环境。野外调查和试验表明，白茅对Mn、Ni和Cd具有较强的耐受性，可作为先锋物种用于铁尾矿库区的污染土壤治理和植被恢复。更有研究表明[42-45]，紫穗槐对尾矿表层结构改良作用明显，因其生长速度快，根系发达，且为豆科固氮植物，所以对尾矿改良效益突出。作为常绿灌木的沙地柏，能够有效增加尾矿库区的绿色景观，其纵深发展的根系也可改良土壤。因此，在尾矿区种植紫穗槐与沙地柏混交林可以更好地起到尾矿土壤生态修复的效果。

3 结 论

1) 植物修复技术作为污染防治和生态修复的重要手段，不仅操作简便，而且兼具美化景观的功能，越来越受到相关方的高度重视，被认为是最具前途的生物修复技术之一。目前，在富集植物筛选、植物修复效果评价、养护管理及后期收集等方面还有待进一步的研究与完善。

2) 针对铁尾矿废弃地的植物修复，首先需要进行当地的生态本底调查，根据不同的立地条件，选择适应性强、耐瘠薄、耐干旱、耐重金属污染的乡土植物来重建尾矿废弃地生态系统。在植物群落建立、先锋物种选择及植物搭配等方面进行如下总结：①在植物群落建立方面，尽可能多地利用乔木、灌木、草本的搭配形成多样的复层结构，从而达到相互补充的效果；②在先锋物种选择方面，选择具有固氮能力的豆科植物具有较好的效果，以实现群落的快速演替；③在植物搭配方面，尽量考虑常绿树种和落叶树种、一年生和多年生、深根性和浅根性等不同的组合模式。

3) 植物修复技术在尾矿废弃地修复中也面临几大难题。第一，绝大多数重金属耐受植物生长周期较长，植物生物量较小，因此如何选择最为适合、更为高效的修复植物需要进一步研究。第二，在尾矿库废弃地生态修复过程中添加有机肥、生物炭、微生物菌剂等会使重金属分布不均，从而降低植物对重金属的吸收效率。第三，修复尾矿废弃地的植物收集和处理主要是借鉴废弃物的处置方法，如何避免二次污染的产生还需更系统、深入地开展植物回收的技术原理研究。第四，修复植物组成的群落如何演替和更新，如何加入正向演替最终形成稳定的生态系统，植物群落对重金属离子和地下水的影响等都需要进一步探讨。因此，如何将植物学、土壤学、生态学、环境工程、地质学等学科相结合，通过学科的交叉来研究建立一种更加高效、稳定、可持续的生态修复模式迫在眉睫。