礦區廢棄地修復樹種和年限對生態修復的效果

尹建波，魏月

（山東省地礦工程勘察院（山東省地質礦產勘查開發局八〇一水文地質工程地質大隊），濟南 250014）

1 引言

鐵礦資源的開采和加工過程對生態環境造成了嚴重的影響，礦區廢棄地存在大量礦渣。鐵礦排土場土壤貧瘠、保水和保肥能力較弱、酸化現象嚴重，砷等非重金屬和鋅、鉛等重金屬直接抑制排土場植物的生長。土壤中殘留的重金屬會造成植物因氧化應激反應出現細胞損傷，進而表現出呼吸作用和光合作用受到影響，嚴重情況下可能會導致植物死亡。礦區廢棄地殘留的廢渣導致土壤呈酸性，導致鋅、鎳、銅等元素的活化，進而會直接導致植物死亡。植物修復作為可持續發展且綠色經濟的污染場地修復方式，部分植被在較低重金屬濃度時具有一定的耐受能力，進而可實現去除環境中的重金屬的目的[1]。松科植物海南五針松、松科植物馬尾松等礦區廢棄地修復樹種具備快速積累生物量、生長周期快等特點，是貴州、廣西等區域修復生態的優勢物種。本文以松科植物海南五針松、松科植物馬尾松為樹種對象，通過測定非重金屬和重金屬有害元素的含量，以及土壤的pH、土壤酶活性等指標，分析不同修復樹種和年限對生態修復的作用。

2 材料和方法

2.1 研究區域概況

張家洼鐵礦工業遺址，位于山東省濟南市萊蕪區張家洼，是目前我國已發現的唯一一個規模最大、開采時間最長的鐵礦工業遺址，也是我國乃至世界上保存最完整的大規模礦冶遺址之一，同時也保留著規模龐大且完整的工業建筑，包括老礦井、老煙囪、生產車間、儲存倉庫等。張家洼鐵礦工業遺址因距今已有百余年的歷史。張家洼鐵礦工程中小官莊礦年產量250 萬t，包括5 口豎井和4 個水平巷道。礦山工程帶給區域經濟振興的同時，也給環境造成了不可逆的影響。

2.2 樣品采集

研究選取張家洼鐵礦工業遺址種植植物具備較好的長勢、數量較多、種植面積較大的植物作為研究對象，即松科植物海南五針松、松科植物馬尾松為研究對象。2022 年12 月，在張家洼鐵礦工業遺址選取研究區域1 和研究區域2 兩塊樣地，每塊樣地選擇2 個檢測點位，修復年限分別為21 年和13 年。樣地中選擇海南五針松和馬尾松樹林，選取樹徑適中、樹高的樹木。每個樹種將選擇3 株進行重復試驗，樣本為樹種的健康成熟葉片、凋落葉、0～10 cm 和10～20 cm 土壤，記錄樹木的樹高和直徑。

2.3 研究方法

測量土壤的基本理化性質、非重金屬或重金屬有害元素含量。土壤水分含量通過烘干法測得，pH 可通過電位法測定，土壤和植物有機質含量可利用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測得。土壤和植物全氮含量通過靛酚藍比色法測定，土壤和植物全磷含量通過鉬銻抗比色法測定，土壤質地可利用冷凍干燥法測定。土壤和植物中的Mn、Zn、As、Cd、Pb、Al 元素的含量通過微波消解法測定。

2.4 數據統計方法

通過Eviews11 數據分析軟件對相關數據進行分析，利用獨立樣本檢驗分析樹種的差異，顯著性檢驗水平為0.05。定量數據的表述方式為平均值±標準誤差。計量資料符合正態分布，則采用平均值±標準差的方式進行表示，兩組間對比通過檢驗進行組間比較，假如不符合正態分布則使用四分位數表示，組間差異性分析方法為非參數檢測。

3 結果和分析

3.1 土壤的基本理化性質

張家洼鐵礦工業遺址土壤部分基本理化性質如圖1 所示。

圖1 張家洼鐵礦工業遺址土壤部分基本理化性質

可以看出，該區域土壤的磷、氮、有機質含量較低，pH 較低，土壤含水量也很低，這說明該區域的土壤保水能力較弱。研究區域2 則表現出相反的情況，其土壤含水量、土壤中N 和P 含量、pH 和土壤有機質含量都比研究區域1 更低，且這些指標都比研究區域2 更低。此外，研究區域1 海南五針松的pH、N、砂土含量顯著高于研究區域2 海南五針松；而研究區域1馬尾松的pH、砂土含量也顯著高于研究區域2 馬尾松。從這一結果來看，研究區域2 的生態修復時間雖然低于研究區域1，但其土壤肥力水平和基本理化性質均優于卻更高，可能是因為20 年的植物生長和凋落物碳等養分元素周期性循環改善了土壤的肥力水平[2]。

此外，研究結果還顯示，在種植兩種植物的情況下，張家洼鐵礦工業遺址的土壤pH 顯著更高，而研究區1 砂土百分比、P 含量和pH 都比研究區域2 更高。這些結果也表明，張家洼鐵礦工業遺址土壤具有較低的保水能力。另外，從土壤基本理性化性質來看，種植兩種植物的情況下的土壤基本理性化性質并沒有顯著的差異。但是，從土壤養分元素含量來看，馬尾松土壤的養分元素含量略高于海南五針松，這表明馬尾松在改善土壤肥力方面更具優勢。

3.2 土壤重金屬和非重金屬元素含量

相較于研究區域1，研究區域2 的土壤重金屬元素含量更高，內梅羅污染指數高達12.33，而研究區域1 的污染指數為8，污染程度較輕。從土壤重金屬含量來看，研究區域1 裸地的重金屬含量顯著低于研究區域2，這表明在修復前研究區域1的土壤污染程度可能較研究區域2 輕；研究區域2 林下土壤重金屬含量與裸地間的差異不顯著，可能是研究區2 植物對重金屬的吸收效果較裸地更明顯所致[3]。此外，根據林分與土壤質量比的關系可以推測，在修復前林分更多吸收了土壤中更多的As 和Al；而海南五針松與馬尾松林下土壤元素含量差異較小，馬尾松可能吸收了土壤中更多的As 和Al，而海南五針松可能吸收了更多的Pb，可見植物對土壤污染的修復不僅與樹種有關，而且依賴于特定元素。在所有測定的Cd、Pb、As、Al 等重金屬元素中，研究區域1 和研究區域2 土壤Al 含量均最高；而在所有測定的重金屬元素中，研究區域1 的Al含量均高于研究區域2 土壤。圖2 是指整個礦區重金屬元素的污染指數。

圖2 整個礦區重金屬元素的污染指數

3.3 植物重金屬和非重金屬含量

在研究區域1，兩個樹種的葉片Mn、Zn、Cd 含量均顯著高于研究區域2，而與其林下土壤元素含量低于研究區域2 的結果相反，這表明兩個樹種在對這些元素的富集能力上具有明顯差異。同樣地，在兩個地區的馬尾松和海南五針松對Mn元素的吸收都顯著多于對Zn、Cd 的吸收；總體而言，馬尾松對重金屬元素的富集效果要優于海南五針松。圖3 是指植物重金屬和非重金屬含量。

圖3 植物重金屬和非重金屬含量

在這一研究中，海南五針松和馬尾松在兩個地區種植廣泛且長勢良好。同時，在兩個地區，研究區域1 植物對Mn 元素的吸收均顯著高于研究區域2，而研究區域1 土壤中Mn 含量顯著低于研究區域2；可見隨著修復年限的增加，兩樹種對重金屬元素的富集效果均優于研究區域2。這是因為植物通過吸收環境中的重金屬從而對礦的土壤起到了很好的改良效果。海南五針松和馬尾松是我國南方常見的樹種之一，同時也是應用最為廣泛的兩個林木品種。通過對這兩種樹種葉片中Mn、Zn、Cd 含量進行測定和分析，發現它們對Mn 元素的吸收效果要優于對Zn 和Cd 元素；但在兩個地區，由于受到土壤和林下環境條件等因素影響，研究區域1 植物對Mn 元素的吸收要明顯優于研究區域2；而研究區域1 土壤中Mn 含量顯著低于研究區域2，這表明在兩個地區，隨著修復年限的增加，植物對Mn 元素的吸收效果都要優于土壤中Mn 含量。經過一系列分析可以發現，兩種植物對重金屬污染的治理都具有一定的針對性。海南五針松以對Mn 元素吸收效果突出而著稱；馬尾松則以對Zn、Cd 元素吸收能力較強而聞名；馬尾松則以比海南五針松能富集更多的重金屬而聞名。與未修復的13 年研究區域2 礦地相比，除海南五針松葉片富集更多的Mn 外，馬尾松有更高的葉片碳含量以及Zn、Cd 含量，表明在多種污染元素并存的鐵礦修復中種植馬尾松比海南五針松能收獲更好的生態效果。無論從植物修復還是從鐵礦修復效果上看，馬尾松都優于海南五針松。

4 結論

數十年的植被修復后，研究區域1 和研究區域2 礦地的土壤中Al、As 的含量仍較高，表明這兩種金屬元素具有一定的污染風險，應作為重點治理對象納入監測和重點治理。相比裸地土壤，植被恢復區土壤中Al、As 含量都有所降低，且土壤理化性質得到明顯改善。這說明植被恢復對礦區土壤的改良效果明顯。與裸地土壤相比，在修復13 年后，研究區域1 植物的Al、As 含量都有所降低；在修復21 年后，研究區域1 植物的Al、As 含量均有所升高。這表明與裸地土壤相比，植物對重金屬的吸收能力增強。這也為研究區域1 深層土壤中是否還存在重金屬污染提供了重要線索。此外，與修復13 年的研究區域2 相比，修復21 年的研究區域1 植物Al、As 含量更高，表明植物修復的時間越長越好。