煤礦區(qū)土壤污染植物修復(fù)技術(shù)研究與應(yīng)用

徐曉軍

（忻州市生態(tài)環(huán)境局西部區(qū)域監(jiān)測(cè)技術(shù)保障中心，山西 忻州 034000）

煤炭能源作為重要的基礎(chǔ)能源，為我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了非常重要的貢獻(xiàn)。我國每年都需要開采大量的煤炭資源，以供居民生活和工業(yè)發(fā)展的基本需要[1]。煤礦開采過程不可避免的會(huì)對(duì)周圍生態(tài)環(huán)境造成不同程度的污染，尤其是土壤的污染問題最為嚴(yán)重[2-3]。已有的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，煤礦區(qū)土壤中會(huì)包含有大量的重金屬物質(zhì)，不僅會(huì)對(duì)附近各類植物造成損傷，還會(huì)威脅到居民的身體健康[4-5]。在我國大力倡導(dǎo)生態(tài)文明建設(shè)的背景下，有必要利用先進(jìn)的技術(shù)對(duì)煤礦區(qū)土壤重金屬污染進(jìn)行治理。其中植物修復(fù)技術(shù)作為非常安全的手段，在很多煤礦區(qū)土壤污染治理工作中得到了廣泛應(yīng)用[6]。本文主要研究了植物修復(fù)技術(shù)在煤礦區(qū)土壤重金屬污染中的實(shí)踐應(yīng)用效果，對(duì)于提升煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境具有重要的實(shí)踐意義和理論意義。

1 煤礦區(qū)土壤污染情況概述

此次研究的煤礦區(qū)煤層埋深相對(duì)較深，主要通過井下開采方式來實(shí)現(xiàn)煤礦資源的開采，煤礦生產(chǎn)巔峰時(shí)期的每年產(chǎn)煤量可達(dá)200萬t左右。由于煤礦開采過程中存在過度開采的問題，且沒有嚴(yán)格應(yīng)用科學(xué)方法進(jìn)行回填和支護(hù)，使得該煤礦區(qū)地表出現(xiàn)了不同程度的沉陷。此外，在長時(shí)間的煤礦開采和運(yùn)輸過程中，煤礦區(qū)附近土壤出現(xiàn)了嚴(yán)重的重金屬污染問題。為改善相關(guān)區(qū)域的生態(tài)環(huán)境，現(xiàn)需要對(duì)土壤重金屬污染問題進(jìn)行綜合治理。在對(duì)煤礦區(qū)土壤進(jìn)行取樣并初步處理的基礎(chǔ)上，利用原子吸收光譜儀對(duì)土壤樣品進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)土壤中的重金屬元素主要包含鋅、鉛、銅、鎘、鎳。為了得出土壤污染區(qū)重金屬的污染嚴(yán)重程度，除了對(duì)污染區(qū)土壤進(jìn)行取樣外，還對(duì)本地區(qū)未受到煤礦開采影響的土壤進(jìn)行取樣并分析。基于檢測(cè)結(jié)果，并結(jié)合內(nèi)梅羅污染指數(shù)對(duì)重金屬元素的綜合污染程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，圖1為基于內(nèi)梅羅污染指數(shù)的重金屬污染等級(jí)評(píng)定方法。

圖1 基于內(nèi)梅羅污染指數(shù)的污染等級(jí)評(píng)定方法

表1所示為土壤中五種重金屬元素的內(nèi)梅羅污染指數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果。將表中的內(nèi)梅羅污染指數(shù)與圖1中的污染等級(jí)進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，鎘元素的指數(shù)達(dá)到了15.836 4，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過3，屬于強(qiáng)度污染等級(jí)；鎳元素的指數(shù)為0.838 6，屬于第Ⅱ級(jí)別，即處于警戒區(qū)間，已經(jīng)達(dá)到了危險(xiǎn)的狀態(tài)；其他三種元素的指數(shù)均沒有超過0.7，表明這三種重金屬元素沒有對(duì)煤礦區(qū)土壤造成污染。另外，五種重金屬元素的綜合指數(shù)達(dá)到了15.536 7，屬于強(qiáng)度污染等級(jí)。

表1 土壤中重金屬元素的內(nèi)梅羅污染指數(shù)

2 煤礦區(qū)土壤污染植物修復(fù)技術(shù)

在對(duì)煤礦區(qū)土壤重金屬污染進(jìn)行治理時(shí)，有很多方法可供選擇，其中就包括植物修復(fù)技術(shù)。所謂植物修復(fù)技術(shù)就是在煤礦區(qū)土壤中種植相應(yīng)的植物，通過植物對(duì)土壤中重金屬元素的吸收來改善土壤中的營養(yǎng)成分，以達(dá)到修復(fù)污染的目的。植物修復(fù)技術(shù)在實(shí)踐中雖然有速度較慢的缺點(diǎn)，但是可以取得較好的應(yīng)用效果，不僅能夠?qū)ν寥乐械闹亟饘龠M(jìn)行吸收治理，同時(shí)還有利于附近區(qū)域生態(tài)環(huán)境的修復(fù)。基于此，本煤礦區(qū)決定采用植物修復(fù)技術(shù)對(duì)土壤的污染情況進(jìn)行治理。在選用種植植物種類時(shí)，需要充分考慮土壤中的重金屬元素特征。結(jié)合本地區(qū)實(shí)際情況最終選用的植物有三種，分別為黃花草木樨、紫花苜蓿、白花三葉草。將上述三種植物在煤礦區(qū)土壤中進(jìn)行大面積種植，需要說明的是三種植物應(yīng)該分開種植，以便能夠單獨(dú)研究不同植物的治理效果。為了研究植物修復(fù)技術(shù)對(duì)土壤污染情況的治理效果，在種植前將每種植物隨機(jī)挑選50株，對(duì)它們的根長、株高、質(zhì)量三個(gè)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，并將各種植物的三個(gè)指標(biāo)取平均值，結(jié)果見表2。

表2 三種植物經(jīng)過兩年時(shí)間生長前后的指標(biāo)統(tǒng)計(jì)情況

3 植物改良土壤生態(tài)效應(yīng)結(jié)果分析

為了檢驗(yàn)三種植物對(duì)煤礦區(qū)土壤重金屬的治理效果，需要對(duì)種植后的植物指標(biāo)以及土壤中的重金屬含量進(jìn)行再次測(cè)量，并與種植前的情況進(jìn)行對(duì)比。

3.1 植物的生長情況

考慮到植物的生長速度較慢，此次種植時(shí)間為兩年，即將三種植物種植到土壤中兩年后再次開展相關(guān)的檢測(cè)工作。同樣的，每種植物隨機(jī)選擇50株，測(cè)量其根長、株高和質(zhì)量，然后取平均值，結(jié)果見表2。

由表中數(shù)據(jù)可以看出，三種植物在重金屬土壤中的生長情況均相對(duì)較好，說明選擇的植物能夠很好地適應(yīng)重金屬土壤環(huán)境，具有很好的環(huán)境適應(yīng)性。經(jīng)過兩年時(shí)間的生長，黃花草木樨的根長、株高和質(zhì)量分別增長了64.85%、39.85%和48.56%，根部的生長速度最快；紫花苜蓿的根長、株高和質(zhì)量分別增長了13.68%、25.63%和41.68%，質(zhì)量的生長速度最快；白花三葉草的根長、株高和質(zhì)量分別增長了2.56%、11.20%和16.21%，同樣是質(zhì)量的生長速度最快。進(jìn)一步對(duì)比三種植物的綜合生長情況，可以明顯發(fā)現(xiàn)黃花草木樨的生長情況最好，紫花苜蓿次之，最差的是白花三葉草。說明黃花草木樨這種植物能夠更好地適應(yīng)煤礦區(qū)土壤的重金屬污染情況，白花三葉草雖然可以適應(yīng)這種生長環(huán)境，但是適應(yīng)性相對(duì)較差。

3.2 土壤重金屬含量變化情況

經(jīng)過兩年時(shí)間的種植后，在三種植物對(duì)應(yīng)的種植區(qū)域中再次進(jìn)行土壤取樣，對(duì)土壤中的五種重金屬元素含量進(jìn)行檢測(cè)，并基于內(nèi)梅羅污染指數(shù)對(duì)其污染等級(jí)進(jìn)行評(píng)價(jià)，所得結(jié)果如表3所示。由表中數(shù)據(jù)可以看出，經(jīng)過兩年時(shí)間的植物修復(fù)后，煤礦區(qū)土壤中的重金屬污染程度有了明顯的降低。除了鎘元素的污染指數(shù)仍然大于3，屬于強(qiáng)度污染外，其他四種重金屬元素的污染等級(jí)全部降低到了Ⅰ級(jí)，即沒有污染。但是鎘元素的污染指數(shù)已經(jīng)非常接近3，與治理前相比較而言已經(jīng)有了顯著的降低。

表3 植物修復(fù)后土壤中重金屬元素的內(nèi)梅羅污染指數(shù)

從表3中數(shù)據(jù)還可以發(fā)現(xiàn)，黃花草木樨對(duì)鉛元素的治理效果最佳，治理前后鉛元素的污染指數(shù)變化情況達(dá)到了78.27%；紫花苜蓿對(duì)鋅、鉛、鎘元素的治理效果非常好，治理前后鋅、鉛、鎘元素的污染指數(shù)變化情況達(dá)到了81.04%、99.53%、80.54%；白花三葉草同樣對(duì)鉛元素的治理效果最佳。經(jīng)過治理修復(fù)后，三種植物對(duì)應(yīng)區(qū)域土壤的綜合污染指數(shù)分別降低到了2.674 2、2.234 9、3.876 6，對(duì)應(yīng)的污染等級(jí)分別為中度污染、中度污染和強(qiáng)度無染。雖然還存在嚴(yán)重的重金屬污染問題，但是與原始的污染情況相比較而言，已經(jīng)有了很大的改善。

基于以上分析可以看出，在煤礦區(qū)存在重金屬污染的土壤中種植植物可以達(dá)到很好的治理效果。由于該研究時(shí)間為2年，所以并沒有將對(duì)應(yīng)區(qū)域土壤的污染程度降低到理想狀態(tài)。但是，相信經(jīng)過更長時(shí)間的修復(fù)治理，可以將重金屬污染問題得到徹底解決。

4 結(jié)論

煤礦開采和運(yùn)輸過程會(huì)對(duì)附近土壤造成嚴(yán)重的重金屬污染，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成惡劣影響，還會(huì)威脅附近居民的身體健康。基于植物修復(fù)技術(shù)可以對(duì)土壤中的重金屬污染問題進(jìn)行很好的修復(fù)，通過在煤礦區(qū)重金屬污染土壤中種植植物，對(duì)種植前后植物的根長、株高和質(zhì)量3個(gè)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)植物可以在重金屬污染土壤中很好地生長。又對(duì)植物修復(fù)前后對(duì)應(yīng)土壤中的重金屬污染程度進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)植物修復(fù)技術(shù)對(duì)重金屬污染的治理具有很好的修復(fù)效果，顯著降低了土壤中的重金屬污染程度，取得了顯著的生態(tài)效益。