尾礦庫(kù)植物生長(zhǎng)與重金屬含量的相互關(guān)系研究

鄧 焱，郝 喆，曹明杰，王芳研

(遼寧大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110036)

0 引言

我國(guó)礦產(chǎn)資源豐富，帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)也對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重的影響。尾礦庫(kù)作為礦山的重要組成部分[1-3]，是指在山谷口部、河道或洼地的周?chē)危瑢⒔饘俸头墙饘俚V山進(jìn)行礦石選別后的尾礦或其他工業(yè)廢渣排入其內(nèi)進(jìn)行堆存和沉淀的貯存場(chǎng)所[4]。尾礦庫(kù)中重金屬等有害物質(zhì)含量過(guò)高，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)缺乏，不利于水土保持，故表面很難直接生長(zhǎng)植物，裸露的尾礦庫(kù)中的砂石會(huì)在大風(fēng)天氣下造成揚(yáng)塵等污染，對(duì)周?chē)h(huán)境和居民的生命安全等造成傷害[5-6]，因此尾礦庫(kù)的治理工作一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。本次試驗(yàn)主要采取現(xiàn)場(chǎng)采樣和室內(nèi)試驗(yàn)相結(jié)合的方式[7]，依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)尾礦庫(kù)修復(fù)植物的生長(zhǎng)發(fā)育狀況與植物根際尾礦土的重金屬的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行研究[8-9]，以達(dá)到一定的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)效益[10]。

1 研究方法

1.1 現(xiàn)場(chǎng)概況

歪頭山鐵礦是本鋼主要原料基地之一，是集采、選、運(yùn)為一體的大型聯(lián)合企業(yè)。尾礦庫(kù)占地面積1.62 km2，水域面積15 m2，匯水面積56 km2，調(diào)洪庫(kù)容56萬(wàn)m3，總設(shè)計(jì)庫(kù)容10 598萬(wàn)m3，尾礦庫(kù)壩體堆積標(biāo)高294 m，且相對(duì)標(biāo)高114 m。主壩基礎(chǔ)壩為透水堆石壩，壩的相對(duì)高度為11.9 m，壩底的絕對(duì)標(biāo)高為180 m，壩頂寬4 m，最大寬度76 m，壩長(zhǎng)410 m，外坡比1∶2.5，內(nèi)坡比1∶2。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)采樣

本次采樣現(xiàn)場(chǎng)在本鋼集團(tuán)歪頭山鐵礦尾礦庫(kù)進(jìn)行。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、植物樣本采集、拍照、調(diào)查咨詢(xún)、文獻(xiàn)調(diào)研等方式收集植物信息[11]，確定沙棘作為該區(qū)域的優(yōu)勢(shì)物種[12]，故本次實(shí)驗(yàn)以沙棘為修復(fù)植物代表進(jìn)行采樣及研究分析。本實(shí)驗(yàn)取樣包括植被、土壤。根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)方案[13-14]，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)的樣品選取、編號(hào)和采集。具體的采樣位置見(jiàn)圖1。

歪頭山鐵礦小西溝尾礦庫(kù)壩坡不同樹(shù)齡的沙棘分A、B、C三個(gè)樹(shù)齡臺(tái)階，A臺(tái)階樹(shù)齡1年，B臺(tái)階樹(shù)齡4年，C臺(tái)階樹(shù)齡10年，每個(gè)臺(tái)階每隔100 m取8棵沙棘，共24顆樹(shù)。每級(jí)臺(tái)階對(duì)應(yīng)采樣點(diǎn)從左到右分別命名為1-a～8-a、1-b～8-b、1-c～8-c，同時(shí)在尾礦庫(kù)庫(kù)區(qū)采集純尾礦土采樣點(diǎn)3處。

1.3 指標(biāo)檢測(cè)

采樣點(diǎn)深度分別為0-120 mm、120-240 mm、240-360 mm，清除石塊、動(dòng)物殘骸和植物根系，采出后混合均勻，密封包裝編號(hào)后送實(shí)驗(yàn)室對(duì)樣品植物的生物量、根冠比、根幅、冠幅、葉綠素含量植物相關(guān)指標(biāo)[15]和土壤中鉛、鎘、銅、砷、鎳、鉻重金屬含量進(jìn)行檢測(cè)。

采用Excel 2007及Origin 9.1軟件進(jìn)行分析。

2 結(jié)果分析

2.1 尾礦土重金屬含量與植物生長(zhǎng)指標(biāo)的相關(guān)性分析

取不同樹(shù)齡沙棘的植物生長(zhǎng)指標(biāo)與相對(duì)應(yīng)的植物根系尾礦土壤中的重金屬含量的數(shù)據(jù)，利用Excel軟件進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 重金屬含量與植物生長(zhǎng)指標(biāo)相關(guān)性分析

由表1中的分析數(shù)據(jù)可以看出，植物生長(zhǎng)指標(biāo)與土壤中重金屬含量總體呈負(fù)相關(guān)性，但葉綠素含量與重金屬正相關(guān)性比較明顯：

(1)生物量、根冠比、根幅、冠幅與重金屬Cu、Pb、Cr、Ni和As均有顯著負(fù)相關(guān)性；

(2)葉綠素含量與重金屬Cu、Pb、Cr、Ni和As有顯著的正相關(guān)；

(3)尾礦土中重金屬Cd與各個(gè)植物生長(zhǎng)指標(biāo)均沒(méi)有太大的相關(guān)性。

2.2 植物生長(zhǎng)指標(biāo)與土壤重金屬的關(guān)系

以第二層平臺(tái)上栽植的4年生沙棘為研究對(duì)象，忽略時(shí)間的影響，分析同齡植物生長(zhǎng)指標(biāo)與尾礦土重金屬的相關(guān)性。植物生長(zhǎng)指標(biāo)與重金屬含量的關(guān)系散點(diǎn)圖見(jiàn)圖2。

由圖2可見(jiàn)，隨著各項(xiàng)植物指標(biāo)的增大，土壤中重金屬Cu、As、Cd的含量基本保持不變，即不同生長(zhǎng)狀況的植物對(duì)這三種重金屬的含量影響不大，植物對(duì)這三種重金屬的吸附作用不強(qiáng)；除葉綠素含量的變化對(duì)重金屬的含量無(wú)明顯變化以外，其他四種植物指標(biāo)對(duì)重金屬Ni、Pb、Cr的含量均有很大影響，特別是對(duì)Cr的吸附作用最強(qiáng)。

2.3 植物生長(zhǎng)與土壤重金屬含量的相互關(guān)系

2.3.1 植物生長(zhǎng)對(duì)土壤重金屬含量的影響

依據(jù)不同生長(zhǎng)時(shí)間(1 a、4 a、10 a)的植物生長(zhǎng)指標(biāo)和重金屬含量的檢測(cè)結(jié)果，繪制相互關(guān)系曲線，見(jiàn)圖3。

由圖3看出，隨著沙棘的生物量的增加，植物根際尾礦土中的Cu、Ni、Pb、As和Cr的含量呈總體下降趨勢(shì)，且生物量較小時(shí)，重金屬含量快速變化。隨著植物的生長(zhǎng)，生物量的增加，重金屬含量下降速度減慢。隨著植物的生長(zhǎng)根冠比的增大，植物根際尾礦土中的重金屬Cu、Ni、Pb、As和Cr含量減少，且對(duì)Cr的影響最大減少37.5%。隨著沙棘的根幅的增大，植物根際尾礦土中的Cu、Ni、Pb、As和Cr的含量呈總體下降趨勢(shì)，且根幅較小時(shí)，重金屬含量快速下降，隨著植物的生長(zhǎng)，根幅的增大，重金屬含量下降速度減慢。隨著沙棘的冠幅的增大，植物根際尾礦土中的Cu、Ni、Pb、As和Cr的含量呈總體下降趨勢(shì)，且冠幅較小時(shí)，重金屬含量快速下降。隨著植物的生長(zhǎng)，冠幅的增大，重金屬含量下降速度減慢。隨著植物的生長(zhǎng)葉齡的增大，植物葉片中的葉綠素含量會(huì)出現(xiàn)先增大后減小的情況。植物根際尾礦土中的重金屬含量隨著植物體內(nèi)葉綠素含量的減小還是有一定程度的降低，呈現(xiàn)正相關(guān)性。

2.3.2 土壤重金屬含量對(duì)植物生長(zhǎng)的影響

根據(jù)植物根際尾礦土部分重金屬含量和植物生長(zhǎng)指標(biāo)生物量(kg)、根冠比、葉綠素含量(mg/g)、根幅(cm)和冠幅(cm)變化繪制圖4。

由圖4看出，由于外界等環(huán)境因素導(dǎo)致植物根際尾礦土中Cu的含量減少時(shí)，生物量、根冠比變化不大，根幅、冠幅的變化量很大，葉綠素含量出現(xiàn)下降趨勢(shì)。隨著植物根際尾礦土中的Pb含量減小，植物的生物量、根冠比、根幅、冠幅變大，冠幅增長(zhǎng)比根幅快，生物量隨著Pb的含量減小增速加快。由于外界等環(huán)境因素導(dǎo)致植物根際尾礦土中Cr的含量減少時(shí)，生物量、根冠比變化不大，根幅、冠幅的變化量很大，葉綠素含量出現(xiàn)下降趨勢(shì)。隨著Ni含量的減小，植物的根幅和冠幅有明顯的增長(zhǎng)，且冠幅增長(zhǎng)幅度比冠幅大，生物量和根冠比也有小幅度的增長(zhǎng)，生物量隨著重金屬含量的不斷減少，增幅變大，根冠比的增速趨向平緩。葉綠素含量出現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。植物根際尾礦土中重金屬As含量減少，根幅、冠幅增長(zhǎng)得很快，生物量有增長(zhǎng)，葉綠素含量由于其植物本身的性質(zhì)，出現(xiàn)先增長(zhǎng)，后降低的趨勢(shì)。

2.4 植物修復(fù)前后尾礦土重金屬含量對(duì)比分析

由圖5可見(jiàn)，對(duì)比未修復(fù)時(shí)純尾礦砂中重金屬含量，除重金屬Cd含量基本保持不變外(圖中未列出)，其余五種重金屬在植物修復(fù)作用下含量都有不同程度的降低，10年修復(fù)后，重金屬Cu含量為36 mg/kg，下降27.1%，重金屬Pb含量為44 mg/kg，下降24.1%，重金屬Cr含量為26 mg/kg，下降49%，重金屬Ni含量為48 mg/kg，下降32.4%，重金屬As含量為4 mg/kg，下降83.3%。說(shuō)明植物對(duì)尾礦土中的重金屬進(jìn)行吸附，對(duì)尾礦庫(kù)中重金屬含量起到修復(fù)作用。

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)尾礦庫(kù)的不同樹(shù)齡修復(fù)植物生長(zhǎng)指標(biāo)和根際土中重金屬含量檢測(cè)，從而探究尾礦庫(kù)植物修復(fù)與重金屬含量之間的相互關(guān)系，掌握植物修復(fù)對(duì)重金屬含量的修復(fù)作用效果，為尾礦庫(kù)植物修復(fù)提供依據(jù)，得出以下結(jié)論：

(1)植物生長(zhǎng)指標(biāo)與土壤中重金屬含量總體呈負(fù)相關(guān)性，但葉綠素含量與重金屬正相關(guān)性比較明顯。

(2)分析同一樹(shù)齡不同生長(zhǎng)狀況的植物與其根際尾礦土中重金屬的關(guān)系表明：隨著植物生物量、根冠比、根幅、冠幅增大，重金屬Cu、As、Cd的含量基本保持不變，即不同生長(zhǎng)狀況同齡植物對(duì)這3種重金屬的含量影響不大，重金屬Ni、Pb、Cr的含量變小；葉綠素含量的變化對(duì)重金屬的含量無(wú)明顯影響。

(3)隨著植物的生長(zhǎng)，植物生物量、根冠比、根幅、冠幅的增大，植物根際尾礦土中的各個(gè)重金屬含量都有不同程度的降低。

① 隨著沙棘的生物量、根幅和冠幅的增加，植物根際尾礦土中的Cu、Ni、Pb、As和Cr的含量呈總體下降趨勢(shì)，且生物量、根幅和冠幅較小時(shí)，重金屬含量減小很快，隨著植物的生長(zhǎng)，生物量的增加，重金屬含量下降速度減慢。重金屬Cu的含量隨生物量、根幅和冠幅的增大變化最小，Cr的變化最大。

② 隨著植物根冠比的增大，植物根際尾礦土中的重金屬Cu、Ni、Pb、As和Cr含量減少，且根冠比對(duì)重金屬的影響出現(xiàn)先緩慢減小后快速減小的趨勢(shì)。

③ 葉綠素的含量減少，植物根際土中重金屬含量減少。

(4)隨著植物根際尾礦土中重金屬含量的降低，生物量和冠幅增速持續(xù)上升，根幅增速較慢，根冠比隨著重金屬含量的增加增速逐漸趨于平緩，葉綠素含量先增大后減小。隨著重金屬含量的降低，重金屬對(duì)植物的脅迫作用減弱。

(5)對(duì)比未修復(fù)時(shí)純尾礦土中重金屬含量，除重金屬Cd含量基本保持不變外，其余五種重金屬在植物修復(fù)作用下含量都有不同程度的降低，10年修復(fù)后，重金屬Cu含量為36 mg/kg，下降27.1%，重金屬Pb含量為44 mg/kg，下降24.1%，重金屬Cr含量為26 mg/kg，下降49%，重金屬Ni含量為48 mg/kg，下降32.4%，重金屬As含量為4 mg/kg，下降83.3%。說(shuō)明植物對(duì)尾礦土中的重金屬進(jìn)行吸附，對(duì)尾礦庫(kù)中重金屬含量有修復(fù)作用。