2013, Vol. 4引用本文 |
| 矿山废弃地分析及植物修复重金属污染土壤技术探讨 |  [PDF全文] |
矿山废弃地系指在采矿活动中污染或破坏的，未经治理而难以利用的土地[1].其相应的生态系统受到人类的干扰程度大、极难恢复，且对周边的生态系统产生一定的负面影响，是一种极度退化的生态系统[2].然而，由于在矿山开采及选矿过程中大量化学药剂的使用，致使矿山废弃地的土壤结构和质地均遭到不同程度的破坏，化学污染和水土流失情况严重.尤其是矿山废弃地重金属污染具有隐蔽性、不可逆性和长期性，现已引起社会各界的高度重视.由于矿山废弃地生态系统的修复重建相对其他脆弱生态系统而言更为特殊、复杂，因此，全面剖析矿山废弃地的危害及其特征，采取有效可行的技术方法对其生态环境进行恢复和重建至关重要.
1 矿山废弃地的特征及危害矿山废弃地通常具有生态景观受破坏、水土流失严重、地表结构发生形变、土壤及水质污染严重和生物群落被破坏等特征[3].矿山废弃地对生态环境的危害主要表现在以下几个方面：
（1）占用及破坏土地资源.据不完全统计，截至2005年底，我国因采矿活动产生的废弃地达400万hm2[4].我国虽地大物博，但人均资源占有量极少，随着矿山废弃地面积的日益扩张，无疑对人类生存构成了潜在的威胁.
（2）破坏地表景观及土壤结构.采矿过程中尤其是露天开采，植被被大面积去除造成地表裸露，改变了原有的地形地貌，从环境景观学的角度上，其对人类产生了视觉上的冲击[5].此外，当地下矿层采出后，采空区顶板岩层在自重力及其上覆岩层的作用下还可能产生下沉和弯曲，引起地表移动和变形[6]，如图 1.
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| 图 1 采空区上覆岩层和地表移动变形示意 |
（3）危害相邻生态系统.以赣南稀土矿区为例，该区域是酸雨的多发地带，也是酸雨的重灾区，尽管废弃的稀土矿区关闭多年，但由于废弃的稀土矿区地表裸露、土壤结构破坏严重，在酸雨的侵蚀作用下，矿区残余的重金属持续释出，易以毒性最大的水溶态形式通过地表径流等途径迁移转化，进而对周边群众的健康造成潜在的威胁[7-8].
（4）影响生态系统的整体.以煤矿为例，中国的大型露天煤矿大多处于干旱、半干旱的生态脆弱区，如霍林河矿区、伊敏河矿区位于草原风沙区，神府东盛矿区位于毛乌素沙漠和西北黄土高原过渡带的沙化区，平朔矿区、准噶尔矿区位于黄土高原水土流失严重区，此类矿区废弃地产生的影响不仅对中国西北生态脆弱区将造成灾难性的破坏，对全国生态环境的质量也将造成整体性的负面影响[9].
2 矿山废弃地修复的重点及修复方法矿山废弃地生态脆弱区土壤的质地和结构破坏严重，水源涵养力差，养分流失大且营养供应不均衡，尤其是往往还受矿物重金属的污染，导致复垦困难.显然，对矿山废弃地土壤的基础性理化性质进行改良，既是恢复其土壤功能的前提，也是最终实现复垦的关键所在.重金属因其特殊的化学性质，是矿山废弃地土壤污染治理的首要任务.
现行的重金属土壤治理途径有去污染（Decontamination）和稳定化（Stabilization）两种[10].基于此，衍生出诸多重金属修复技术，其中，生物修复技术包括了微生物修复技术（Microbial remediation）和植物修复技术（Hytoremediation technologies），与其它传统的物理和化学修复技术相比，具有成本低、处理效果好、操作简易和无二次污染等无可比拟的优越性，是一种环境友好型修复技术[11-12].虽然微生物修复技术中的微生物具有：个体微小，比表面积大；繁殖快，代谢能力强；种类多，分布广；适应性强；容易培养等优点.但同时，微生物存在遗传稳定性差、易变异等问题，致使在实地应用时，存在不能将重金属清除完全以及在与当地土著菌种的竞争中失利而被替代的风险[13].较微生物修复技术而言，植物修复技术具有更好的稳定性，实用性强，可大面积实施，因此，是一种低投入、可持续的绿色修复(Green remediation)技术[5, 14-16].
3 植物修复技术 3.1 植物修复技术概念植物修复技术是指用植物来清除、转化、稳定从而降低土壤重金属残留水平且逐步改善土壤养分状况并同时恢复土壤原有地貌，促使局部气候的改善、微环境得以优化的修复方法[17].
重金属污染土壤的植物修复技术主要包括：植物提取(Phytoextraction)、根际过滤(Rhizoflltration)和植物钝化(Phytostabilization)3种[18].
（1）植物提取是利用重金属超累积植物（Hyperaccumulator）从土壤中提取有毒金属，并通过收获地上部分以削减土壤中重金属的含量.连续的种植和收割，土壤中重金属污染物的含量可以逐步降低[19].
（2）根际过滤是利用植物根系吸附污染土壤或水体中的重金属.其优点是无论陆生或水生植物都可以作为根际过滤的材料，且目标污染物不会转移至地上部[20].特别是陆生植物由于其具有较长的纤维状根际系统，根际比表面积更大，因此常常作为根际过滤材料的首选[21].
（3）植物钝化是利用植物根系分泌物固定、钝化土壤中的重金属，使其从有毒形态转化成低毒或无毒形态，限制其在土壤中的流动性，但土壤中的重金属含量不变，当土壤环境发生改变，钝化的重金属很有可能被活化，再次以有毒形态在土壤中迁移转化[20, 22].
除此以外，植物还可把土壤中的可挥发性重金属污染物（如二价汞）转化为可挥发的气态形式（即单质汞），再通过植物的蒸腾作用挥发去除（图 2）.有研究表明，部分植物可将土壤中的硒转化为可挥发态从而去除，尤其是在根际细菌的作用下，不仅能增强对硒的吸收率亦能提高对硒的挥发率[23-24].
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| 图 2 植物修复重金属污染土壤示意图 |
3.2 植物筛选的原则
植物修复技术的关键是植物物种的筛选.通常，生态修复植物种类的选择应遵循以下原则：①矿山废弃地含有毒有害物质，特别是高含量的重金属污染物，局部环境条件恶劣，因此首先选择抗逆性强、耐性范围广的植物；②根据矿山废弃地的实地情况，选择根系发达，能有效固定土壤并利用其中养分快速生长，多枝叶，能长时间覆盖地面、有效阻止土壤风蚀和水蚀的植物；③首选落叶繁多且枯枝落叶易于分解，能提高土壤保水保肥能力的植物；④选择易播种，出芽力强，苗期抗逆性强、易成活的植物；⑤首选当地的乡土植物为先锋植物，同时也可引进外来速生物种；⑥同时兼顾环境效益和经济效益，环境效益得以保证的前提下，尽可能的使得经济效益最大化[3].
3.3 研究及应用现状目前，约450种被子植物物种已鉴定为重金属（As, Cd, Co, Cu, Mn, Ni, Pb, Sb, Se, Ti, Zn）的超累积植物，所占比例低于所有已知物种的0.2 %[25]，累积特征呈物种多样性.有研究表明，十字花科（Brassicaceae）菥蓂属(Thlaspi)植物，可在其芽部累积超过3 %的Zn、0.5 %的Pb和0.1 %的Cd[26-27].而同属十字花科的部分香荠属(Alyssum)植物则显示出对Ni的累积特性[28].
就国内而言，对重金属镉（Cd）的超富集植物研究较多，现已发现狼把草(Bidens tripartite)、龙葵(Solanum nigrum)、鬼针草(Bidens bipinnata)等对重金属镉的富集效果较佳[29].狼把草地上部分Cd的富集系数大于1，同时对Zn的累积也表现出超累积植物的基本特征，且其生物量较高，单株干重可达23.32 g，有利于植物提取修复效率的提高[30].三叶鬼针草对Cd单一污染源及Cd、Pb、Cu、Zn复合污染源土壤的耐性较强，盆栽浓度梯度试验也表明三叶鬼针草是Cd的超累积植物[31].
除此之外，国内对其他重金属超富集植物也有相应研究.有研究表明，香根草和百喜草的根系对Zn、Cu及Pb的滞留效应较强，滞留率均超过50 %，且香根草的作用效果优于百喜草[32].也有研究表明，高羊茅地上部对Zn、Cd、Pb的平均富集量分别为418.18 mg/kg、5.76 mg/kg及19.77 mg/kg，地下部分别为354.66 mg/kg、129.82 mg/kg及256.66 mg/kg；黑麦草地上部对Zn、Cd及Pb的平均富集量分别为467.18 mg/kg、5.57 mg/kg及26.13 mg/kg，地下部分别为513.48 mg/kg、114.53 mg/kg及155.98 mg/kg；两种草在Zn、Cd、Pb复合污染的土壤中均未产生复合效应[33].通过田间试验研究磷肥施用量对As超富集植物蜈蚣草(Pterisvittata L.)的生长和As污染土壤修复效率的影响，结果表明，适量施用磷肥促进蜈蚣草的生长，显著提高其生物量；反之，过量的磷肥用量不仅不利于蜈蚣草增产，而且会降低对As的累积效率[34].
利用超累积植物修复重金属污染土壤并成功实现工程应用的案例很多.其中，最为经典的是1991年艺术家Mel Chin与另外3位环境科学家，利用遏蓝菜属(Thlaspi caerulescens)、长叶莴苣(Lactuca sativa L.var.Longifolia)、麦瓶草属(Silene vulgaris)、Cd累积型玉米(Zea may L.)近交系FR-37和Zn、Cd抗性紫洋茅(Festuca rubra)修复明尼苏达州圣保罗地区被Cd污染的土地，最终使得一片死寂的土地生机盎然[35].众所周知，澳大利亚也是世界重要的矿业大国之一，为澳大利亚的经济做出了巨大贡献.与此同时，澳大利亚的矿山修复技术也位于该领域世界前列.澳大利亚的Alcoa矿区经过长年的复垦修复，该区域物种丰富程度于1992年达到了一般林区正常水平的96.8 %，已基本达到西澳大利亚的标准[3, 36].
4 结束语植物修复技术是一种新兴的矿山废弃地修复技术，具有成本低、效果好等诸多优点，最适合发展中国家[37]，但存在实施周期长的不足.此外，尽管目前已发现的重金属累积植物种类不少，但由于该领域的研究，特别是在国内大多还处于实验室阶段，并不能完全反映矿山废弃地的真实环境条件，使得在具体的工程应用中存在修复效果不稳定的情况.在此形势下，应更加注重理论研究与工程实践应用的结合，同时着力于利用相关领域（如基因工程）的最新研究成果，探索将植物修复技术与其他修复技术（如微生物修复技术）联合应用，以克服现有修复技术的不足，实现技术上新的突破.
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