黃石廢棄采石場人工植被修復后重金屬含量特征及污染評價

尹曉蛟 唐利君 曾慶春 白琳 趙玉清 楊旭

摘 要： 對黃石市黃荊山北麓廢棄采石場因不同修復模式形成的各植被群落中土壤的重金屬進行比較研究，并應用內梅羅污染指數法和哈坎松潛在生態危害法評價土壤重金屬污染程度。結果表明：（1）試驗中的七種復墾模式對于改善采石場廢棄地土壤重金屬污染狀況有一定的效果，且效果因植被修復模式而異；（2） 刺槐對降低超標重金屬Cd 的效果好，而在降低重金屬Cu的效果上，多花木藍優于小葉女貞；（3）內梅羅污染指數法評價結果中，刺槐純林綜合污染指數最小，在各樣地超標重金屬中Cd的貢獻率最大，而以Ni貢獻率最?。还菜蓾撛谏鷳B危害評價結果中僅以客土噴播刺槐純林和客土噴播鹽膚木+刺槐混交林的土壤污染危害較小，為輕微級別。

關鍵詞： 廢棄采石場；人工植被修復；重金屬；污染評價 ；黃石市

中圖分類號：X53 文獻標識碼：A 文章編號：1004-3020（2018）01-0034-06

Distribution and Pollution Assessment of Heavy Metals

in Soils After Artificial Vegetation Restoration in Abandoned Quarries in Huangshi

Yin Xiaojiao（1） Tang Lijun（2） Zeng Qingchun（3） Bai Lin（1） Zhao Yuqing（1） Yang xu（1）

（1.Hubei Ecology Vacational College Wuhan 430200； 2.Hubei Provincial Peoples Government Wuhan 430071；3.Hubei Hydrographic and Water Resources Survey Bureau Wuhan 430071）

Abstract： Based on the comparison of vegetation communities developed from various restoration models on abandoned quarry in mount Huangjing， the characteristics and pollution level of heavy metal in soil are studied and evaluated with the methods of Nemerow Pollution Index and Hakanson potential ecological risks. The results indicate that： （1） the seven recovery models in the abandoned quarries are proved to be effective to reduce heavy metals content， varying from different vegetation restoration models； （2） Robinia pseudoacacia has the best result to reduce excessive heavy metals Cd， while Indigofera amblyantha Craib produces a better record than Ligustrum quihoui of decreasing heavy metal Cu in the soil； （3） with regards to Nemerow Pollution Index， pure Robinia pseudoacacia stands are reported with the lowest comprehensive pollution. Cd is the biggest contributor to the heavy metals pollution， while Ni is the slightest one in all the heavy metals studied； From the results of evaluating Hakanson potential ecological risks， only the pure Robinia pseudoacacia stands and their mixed plantations with Rhus chinensis by soil spray-sowing register the mild level of soil pollution risks.

Key words： abandoned quarry； artificial vegetation restoration； heavy metals； pollution assessment；Huangshi

礦產資源的開發利用自古以來在中國國民經濟及社會發展中起著關鍵作用。特別是建國以來開山采礦呈現日益繁榮的景象，然而，礦石開采造成的負面影響同樣不可小覷。隨采礦工業產生的污水、塵土以及高濃度的重金屬或非金屬元素將對當地以及周邊地區的生物感受器和生態系統造成不利影響。而在尾礦區及采石場廢棄地，因歷經一番無節制的開采卻不采取任何保護措施，終致邊坡裸露，水土流失，環境污染，生態景觀破壞[1]。因此，對廢棄采石場及時進行生態修復，重建礦區生態系統已成為當前工作焦點[2]。植被重建法因其優良顯著的穩定邊坡，控制污染，恢復景觀，保持水土，耗資合理等優勢倍受矚目[3]。

重金屬污染是采石場廢棄地最普遍最為嚴重的環境問題之一，礦區中重金屬污染物將通過水流和大氣散播至周邊地區，致使周邊地區土壤污染，其污染程度及污染物的空間分布由重金屬散播方式決定。污染地區因重金屬濃度過高，嚴重阻礙了當地植被生長[4]。少數植物可耐受土壤中高濃度的重金屬元素而得以在污染區自然生長，并不斷吸收和積累土壤中的重金屬元素。目前國內外利用重金屬的超富集植物改良土壤已卓見成效[5]。

近年來，關于礦地土壤重金屬的研究內容多集中在其污染評價和環境修復方面，但關于采石場廢棄地植被修復后土壤中重金屬元素的含量特征及變化趨勢的研究相對較少[6-8]。本文調查研究了黃石地區黃荊山北麓廢棄采石場經植被重建后，形成的七種人工植被群落中的土壤重金屬含量分布特征，旨在探索植被修復模式與廢棄地重金屬分布狀況間的內在關聯，另一方面評價植被重建后的重金屬污染狀況，以期為采石礦廢棄地植被修復工程的實施提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 樣地設置

研究地位于湖北省黃石市黃荊山北麓上窯至下陸沿線采石場廢棄地，屬于亞熱帶氣候類型，年均降雨量1 3826 mm，年均溫19 ℃。該區地質成分以石灰巖為主，兼有泥質灰巖、白云巖等裸巖，巖石堅硬且保水性差，植被再生困難。廢棄地邊坡平均高為80 m，坡度較陡，多為70°以上斜坡。基于以上因素，斜坡幾無植被覆蓋。針對采石場廢棄地資源裸露現狀，黃石市政府實行了生態復綠工程，廢棄地不同的立地類型采用不同的修復模式進行植被修復[9]，修復期5年。本次立地修復表征與評價，根據黃荊山北麓塘口不同修復措施的立地條件和可達性，采用標準樣地調查法，選擇坡向、海拔基本一致的樣地，對恢復后的植被種類進行調查統計，結果見表1。

1.2 采樣方法

對黃荊山北麓不同修復模式植被恢復后的采石場選擇坡向、海拔、經緯度等立地條件基本一致的七處代表性樣地作為采樣點。每處采樣地點選取喬木生長群落樣地20 m×20 m或灌木生長群落樣地10 m×10 m，每塊樣地隨機布置1 m2采樣樣方3個，以S形法采集5個點0～20 cm的垂直土層，同一樣方5個點的土樣均勻混合，經四分法處理后再次收集，風干研磨，過100目篩，保存備用。

1.3 樣品測定方法

備用樣品經HF-HNO3-HClO4消解，Cu、Zn、Cr、Cd、Pb、Ni含量采用原子吸收分光光度法測定，As含量采用氫化物發生原子吸收法測定[10]。

1.4 土壤重金屬污染評價方法

本文主要采用內梅羅綜合污染指數法及Hakanson潛在生態危害指數法對黃荊山北麓采石場廢棄地植被修復后的土壤環境質量進行評價。

1.4.1 污染指數法

本次土壤環境質量評價以湖北省土壤背景值作為參比值[11]（表2）。首先計算單因子污染指數，計算公式為Pi=Ci/Si，式中Pi表示土壤中污染物i的單項污染指數；Ci為污染物i的實測值（mg/kg），Si表示污染物i的評價標準（mg/kg）。計算得到的單項污染指數，采用內梅羅（N.L.Nemerow）綜合污染指數法評價該地區土壤重金屬綜合污染程度，內梅羅綜合污染指數計算公式為：

其中I為內梅羅綜合污染指數；Pi為土壤污染物單項污染指數；Pi max表示所有單因子污染指數中的最大值。

根據內梅羅污染指數值I，參照表3土壤綜合污染指數評價標準[12]確定土壤污染程度。

1.4.2 潛在生態危害指數法

以單種重金屬潛在生態危害系數和多種重金屬潛在生態危害指數評價黃荊山北麓采石場廢棄地植被重建后的土壤重金屬潛在的生態風險。

單種重金屬潛在生態危害系數計算公式為：

2 結果與分析

2.1 不同修復模式下土壤重金屬含量

采石場廢棄地經過不同模式的植被修復后，土壤表層重金屬元素含量測得值見表3。各樣地土壤中以元素Zn含量最高，Cd含量最低。表3結果顯示C4、C5、對照組三處Zn元素平均含量已超過土壤環境質量標準Ⅲ級值；C1、C2和對照組中As元素含量超出土壤環境質量標準Ⅲ級值；除C6和C7外，其余修復模式下的樣地土壤中Cd元素的含量均超過土壤環境質量標準Ⅲ級值。Cr（除C1、C2、C7三種修復模式外）平均含量明顯低于當地背景值，Ni在各樣地土壤中的平均含量均低于當地背景值，而Cu、Zn、Cd、Pb、As平均含量均高于當地背景值2倍以上，為強烈富集。檢測的七種重金屬元素中，變異系數差異最大為Cd（16.82%～65.63%），其次為Cr>Zn>As>Cu>Pb，最小為Ni（7.57%～47.75%），說明Cd、Cr在空間分布不均勻，而Ni、Pb、Cu等元素在空間分布較均勻。

方差分析表明， Cu、Pb、Ni、As四種重金屬元素在不同修復模式下的土壤中含量均表現為極顯著性差異（P<0.01）。而Zn、Cr、Cd元素在不同修復模式下的含量均表現為顯著性差異（P<0.05）。七種修復模式下土壤中各重金屬元素含量均低于CK，表明本試驗研究的七種復墾模式對于改善采石場廢棄地土壤重金屬污染狀況有一定的效果，且效果因植被修復模式不同而異。

2.2 廢棄地經不同模式的植被修復后土壤重金屬污染評價

2.2.1 內梅羅綜合污染指數法評價結果

為客觀評價不同修復模式對廢棄地土壤污染程度的影響，本實驗采用內梅羅綜合污染指數法對各采樣點土壤重金屬污染程度進行綜合評價（表5）。結果表明，對照樣地土壤污染最為嚴重，綜合污染指數高達6.43，為重度污染；C1～C5樣地土壤污染程度相近，綜合污染指數在5.01～5.77之間，也達重度污染標準；C7修復模式下的土壤污染程度略低，綜合污染指數為3.62，仍為重污染；C6修復模式下土壤綜合污染指數為2.72，為中度污染。比較同一樣地的土壤單因子污染指數，以Cd的指數最高，Ni的指數最低。說明在各區域七種重金屬污染物中Cd的貢獻率最大，而以Ni貢獻率最小。根據土壤污染分級標準分析，在試驗介紹的七種不同的修復模式下土壤中Ni污染屬安全級別；C1、C2、C3、C5修復模式下土壤中Zn、Cd、Pb、As單因子污染指數均達到重污染標準； C4模式中僅Zn和Cd屬重污染，C6模式Pb屬重污染，C7模式Cu、Zn、Pb屬重污染；而對照組除Cr、Ni污染指數值在警戒線范圍內，Cu、Zn、Cd、Pb、As五種元素均為重污染。綜合污染程度CK（6.43）>C5（5.77）>C1（5.36）>C4（5.25）>C3（5.07）>C2（5.01）>C7（3.62）>C6（2.72）。

2.2.2 潛在生態危害指數法評價結果

本研究選用湖北省土壤背景值作為潛在生態危害評價參比值。各研究區土壤重金屬潛在生態危害系數和潛在生態危害指數結果見表6。由表6可知本文研究的所有修復模式土壤中的Cu、Zn、Cr、Pb、Ni潛在生態危害僅為輕微級別；而Cd除在C6和C7兩種修復模式下生態危害程度為中等外，其余修復模式下均表現為很強的生態危害程度；土壤中的As元素只在C2和CK兩種修復模式下為中等危害程度，其余研究模式下As的生態危害程度為輕微程度?？偟臐撛谏鷳B危害指數僅CK組達到強危害級別，C1～C5修復模式土壤重金屬存在中等生態危害，而C6和C7土壤重金屬僅為輕微生態危害。以上數據說明采礦廢棄地經復墾后，重金屬污染程度減輕。尤以C6和C7兩種修復模式效果最優。

3 討論

C4樣地植被群落多花木藍和C5樣地的多花木藍+小葉女貞群落均是通過客土噴播模式實現植被復綠，C4和C5兩地的綜合污染指數相近，C5樣地的Cu含量顯著高于C4 樣地，其它六種重金屬含量在C4和C5樣地無顯著差異，推測多花木藍較之小葉女貞固定、吸收和轉運Cu的效果更佳。多篇文獻中已報導小葉女貞和多花木藍均為對銅蓄積能力較強的灌木[15-16]，然而關于這兩種植物吸收和富集銅元素的能力之比較并未見報導。

C1、C6和C7樣地分別以客土噴播的方式向坡地噴灑香樟+刺槐種子，刺槐種子以及鹽膚木+刺槐種子。在5 a生長恢復期后，三塊樣地的植被郁閉度接近一致。比較三者的綜合污染指數，刺槐林綜合污染指數最低，鹽膚木+刺槐混交林次之，香樟+刺槐混交林較高，主要因Cd元素的含量差異較大，C1樣地綜合污染指數顯著高于C6，表明刺槐將比香樟有更強的富集Cd元素的能力，此現象已獲得相關文獻證實[17-18]。

在改善土壤重金屬污染方面，豆科植物與其根系的根瘤菌形成的共生體系比其它植物表現出更為可觀的效果。根瘤菌不僅可以憑借各種重金屬抗性機制維持自身細胞內重金屬穩定濃度，更可以利用生物固氮活動促進宿主植物生長，保證較高的植物生物量和地表覆蓋率，間接促進植物修復的發展[19]。根瘤菌自身也可吸附、固定、富集重金屬，為宿主緩沖重金屬壓力脅迫[20]。同時，根瘤菌分泌的某些代謝產物如有機酸、螯合劑等可改變重金屬價態，或將其溶解，水溶態及交換態的重金屬易被植物吸收和富集[21]。豆科植物-根瘤菌共生體系將顯著增強污染土壤的肥力，加速周圍微生物、草本或灌木植物的生長，從而達到更好的植被修復效果。本研究中豆科植物對重金屬污染的良好的改良效果為植被修復工程先鋒植物的選擇提供了依據和借鑒。

內梅羅綜合污染指數評價法和潛在生態危害指數評價法皆證明：經過植被修復的采石場廢棄地重金屬污染有不同程度的減輕。兩種評價結果顯示，Cd元素污染程度較其他重金屬元素更為嚴重，同時其潛在危害性亦最嚴重。某些樣地Zn元素污染程度為單因子污染指數中最大值，其潛在生態危害性卻僅為輕微危害級別，這是因為Zn元素是生態環境中一種重要元素，植物與動物正常的生長與發育與之密切相關，其在土壤中的累積對于生態環境的潛在危害較小，因此盡管在內梅羅綜合污染指數中Zn的數值高，潛在生態危害系數卻較低。

參 考 文 獻

[1]E. Remon， J. L. Bouchardon. Soil characteristics， heavy metal availability and vegetation recovery at a former metallurgical landfill： Implications in risk assessment and site restoration[J]. Environmental Pollution， 2005， 137（2）： 316-323.

[2]楊冰冰，夏漢平，黃娟.采石場石壁生態恢復研究進展[J].生態學雜志， 2005， 24（2）：181-186.

[3]M.H.Wong. Ecological restoration of mine degraded soils， with emphasis on metal contaminated soils[J]. Chemosphere， 2003， 50： 775-780.（下轉第44頁）