湖南省有色金属矿区重金属污染土壤的植物修复.pdf

第26卷 第1期中 南 林 学 院 学 报Vol . 26 No. 1 2006年2月JOURNAL OF CEN TRAL SOU TH FORESTRY UN I V ERSITYFeb. 2006 Ξ [文章编号]1000- 2502200601- 0125- 04 湖南省有色金属矿区重金属污染土壤的植物修复 孙 健,铁柏清,钱 湛,毛晓茜 杨佘维 赵 婷 湖南农业大学 资源环境学院,湖南 长沙410128 [摘 要] 随着湖南有色金属矿产的大规模开采,越来越多的重金属随尾矿砂进入矿区周边土壤,造成大面积的面源污染,由此导 致的环境污染公害事件时有发生.在综合评价湖南省主要有色金属矿区土壤重金属污染现状的基础上,通过对矿区周边优势植物物 种进行现场实地筛选和研究,论述了利用累积和超累积植物修复矿区重金属污染土壤的可行性,从而为矿区土壤重金属污染治理、 土 地复垦和生态植被恢复提供了科学依据. [关键词] 环境科学;重金属;超累积植物;植物修复;土地复垦;植被恢复;湖南省 [中图分类号] X758; X53 [文献标识码] A Analysis of the Feasibility of Utilizing Plants to Repair Heavy M etal-contam inated Soils of Non-ferrousM etalM ine Area in Hunan Province SUN Jian, T IE Bo2qing, Q I AN Zhan, MAO Xiao2qian, YAN G She2w ei, ZHAO T ing College of Resources and Environment, Hunan AgriculturalU niversity, Changsha 410128, Hunan, China AbstractW ith the large scale exploitation of the Non2ferrousM etalM ine in Hunan Province, a large amount of heavy metal entered m ining area soil w ith the tailing.The problem of soil’s heavy metal pollution has become more and more severe. Through investigation in the pollution scene, the current situation of heavy metal- contam inated soils of the Non2ferrous M etal M ine was comprehensively appraised.Then many advantage plant species around the m ining area were screened and studied. Alot of approaches have achieved in the investigation and cultivation of hyperaccumulator plants rhizosphere processes and manipulation, the mechanism s of hyperaccumulation, tolerance and detoxification to heavymetals. On thewhole, the paper has proved the feasibility of using accumulator plants or hyperaccumulators to repair heavymetal2contam inated soils and offered a scientific basisw ith the removal of heavy metals from heavy metal2contam inated soils, reclai mation and eco2restoration of the Non2ferrousM etalM ine area. Key words environmental science; heavy metal; hyperaccumulator; phytoremediation; soil’s reclai mation; eco2restoration; Hunan province 1 有色金属矿区重金属污染对周边生态环境的破坏效应 湖南省有色金属矿藏十分丰富,素有 “有色金属之乡” 之称.迄今为止,在湖南境内已发现有色金属含贵金 属矿产17种,已探明有色金属矿床340多处[1, 2].有色金属矿产的大规模开发一方面给湖南省带来巨大经济 效益,另一方面又加重了对矿区周围生态环境的污染和破坏.有色金属矿由于品位低、 提取工艺复杂,固体废弃 物产量大,破坏和压占了大量土地.多年积累下来,面临的土地复垦与生态恢复问题十分严重.有色金属矿产的 开采会导致大量尾矿的产生.据统计,平均每开采 1 t 矿石将产生0. 92 t尾矿砂,其中包含的高浓度重金属对 绝大多数植物的生长发育都将产生严重抑制和毒害作用.矿区周边地区的生态环境破坏几乎都是直接或间接 的由矿山开采所排放的大量酸性矿井水和尾矿砂中所包含的高浓度重金属造成的,其中尤以土壤重金属污染 危害最大[3 ～5]. 土壤重金属污染主要通过以下途径对环境产生危害 1 土壤中的重金属通过雨水淋溶作用向 Ξ[收稿日期]2005208210 [基金项目]中日合作丰田基金项目资助Toyota Fund D012B32 010 、 湖南农业大学科技创新基金040PT02资助. [作者简介]孙 健1980- ,男,侗族,湖南怀化人,硕士研究生,主要从事环境污染治理和修复等方面的研究工作. 1995-2007 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 下渗透,可能导致地下水的污染 . 2 受污染的土壤直接暴露在环境中,通过土壤颗粒物等形式直接或间接地为 人或动物所吸收 . 3 外界环境条件的变化如酸雨、 施加某些土壤添加剂等因素提高了土壤中重金属的生物可 利用性,使得重金属较容易为植物吸收利用而进入食物链,对食物链级上的生物产生毒害 . 4 有毒重金属进人 土壤后不易分解而转化或富集,所以它所产生的污染过程具有隐蔽性,长期性和不可逆性的特点,对环境和生 物的潜在危害极大.在湖南省境内土壤重金属污染表现为以Pb、Zn 2种重金属为主,同时伴生着Cd、Cu、A s 3 种重金属复合污染为主要特征,极大地增加了重金属污染土壤治理和土地复垦的难度. 2 湖南省近年来由于重金属污染造成的环境公害事件 近年来,随着湖南省有色金属采矿业规模的不断扩大和众多以个人和集体为单位的小型矿藏的非法开采、 违规作业以及废水、 废渣随意排放,使得矿区周围土壤和水域重金属污染的程度日益加重,由此而导致的环境 污染公害事件也时有发生.自上世纪70年代开始,湘江流域开矿冶金企业不断增加,使湘江一些河段水质出现 重金属超标现象.有关调查表明,凡湘江河段靠近重要厂矿的区域,重金属污染都很严重,如株洲渌口河段、 株 洲霞湾段、 长沙暮云镇河段等.在郴州市骑田岭南麓,北湖区、 临武县、 宜章县交界处的香花岭锡矿安源工区,近 年来由于乱采滥挖,选锡洗砂过程中产生的A s、Pb、Cu、Cd等重金属已污染了当地的杨家河及武水河,沿河20 万人受到污染水的影响.由于有色金属矿山和铀矿开采引起的Pb、Cd、Hg、A s等重金属污染及放射性污染已 相当严重,受污染面积达2. 8万km 2, 占全省总面积的13.部分地区土壤中Pb、Cd、Hg、A s高出正常值数倍 至数百倍,从而出现了地方病,严重影响了当地的工农业生产和人民生命财产安全.湖南省郴州市苏仙区东河 流域的农业土壤由于长期受上游有色金属矿的矿毒水污染,特别是1985年特大山洪将东坡120万t的尾砂坝 冲垮,尾矿砂覆盖于该区域的农田上,造成农田土壤被重金属严重污染,其上生长的粮食作物和其它作物的产 量明显下降,并不同程度地存在品质问题.当地群众由于长期食用受重金属污染的粮食、 蔬菜、 瓜果和饮用受重 金属污染的地下水和河水,致使地方病流行,包括由多种重金属在人体中积累所导致的各类病症,且当地癌症 发病率要明显高于其他地区[6].因此,有效地治理有色金属矿区土壤重金属污染、 促进矿区土地复垦及其生态 植被恢复以实现湖南省矿业可持续发展和矿区生态系统的良性循环已成为了当务之急. 3 湖南省境内累积和超累积植物的调查与筛选 3. 1 重金属污染土壤的植物修复技术 植物修复phytoremediation技术是以植物忍耐和超量积累某种或某些化学元素的理论为基础,利用植物 及其共存微生物体系清除环境中的污染物的一门环境污染治理技术,它是一门新兴起的应用技术,已被当今世 界迅速而广泛接受,正在全球应用和发展[7].该项技术根据其作用过程和机理可分为植物提取 Phytoextraction、 植物挥发Phytovolatilization、 植物稳定或固化Phytostabilization、 植物根系过滤 Rhizofiltration等.与传统方法相比,植物修复具有治理效果的永久性、 治理过程的原位性、 治理成本的低廉 性、 环境美学的兼容性、 后期处理的简易性等优点,在一定程度上弥补了传统修复方法的不足,但其自身亦表现 出诸多不足之处,如植株矮小、 生物量低、 生长缓慢、 生长周期长等.针对以上各种修复技术的利弊,不少科学家 将植物修复与传统的修复方法相结合形成的植物组合修复技术克服了上述各种修复技术的不足,为最大限度 地去除土壤中的重金属、 短期内进入实际应用推广提供了可能. 3. 2 湖南省境内具有修复潜力植物物种的筛选及其重金属积累特性研究 利用植物吸收并通过收割以去除重金属元素,是治理土壤中这类污染物的根本途径.不管是植物提取、 挥 发还是植物稳定、 植物根滤作用,植物本身的特性是决定污染治理效率的关键.因而,累积、 超累积植物对于土 壤金属污染修复具有异乎寻常的意义,寻找与筛选适宜的植物始终是植物修复研究的一项重要任务.湖南有色 金属丰富,矿区众多,对野外矿山开采或冶炼区进行调查研究,有望寻找到原生的重金属超积累生态型植物.在 最近几年中,通过对湖南省部分有色金属矿区周边优势植物物种的筛选和其对重金属复合及单一污染抗性的 研究,取得了一些突破性研究成果现已在湖南省某铅锌矿区发现雀稗Paspalumthunberg ii、 双穗雀稗P. d istichum、 黄花穗S ida rhom bif olia、 银合欢L eucaena leucocephala4个优势种植物能够成功地在铅锌尾矿上定 居.研究结果表明在这4种植物的组织中Cu和Zn的浓度,在雀稗和双穗雀稗根中Zn的浓度分别为344. 2 mgkg和331. 9 mgkg,达到了较高浓度水平.雀稗所吸收的Pb大部分被滞留在根部,使之较少影响到地上部 茎叶的光合作用功能及生长,从而使植物对重金属Pb环境更具耐性.相反,双穗雀稗和黄花穗所吸收的Pb则 621中 南 林 学 院 学 报第26卷 1995-2007 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 较多地被转移到便于收获移走的地上部分,因而具有较大的植物修复潜力.木本植物银合欢所吸收的重金属 Pb总量的80以上是积累在根、 茎的皮和木质部及枝条部分,只有15左右分布在叶片中.这表明,随着植物 的生长,有越来越多的Pb被吸收和累积在更新周期较长的器官中,只有很小的比例会随着落叶而归还到环境 中去.这就意味着等到植物收割后植物体内富集的大部分重金属会从污染土壤中除去,经过多次种植和收割就 可以使土壤中重金属浓度逐渐降低,从而达到土壤修复的目的.湖南农业大学农业环境保护研究所的研究人员 通过盆栽实验和大田试验,对高羊毛Festuca arund inacea L. 、 早熟禾Poa p ratensis L. 、 黑麦草L olium perenne L. 、 紫花苜蓿M ed icago S ativa L. 等4种有色金属矿区周边优势植物物种在原始状态和在施加土壤改良剂2 种情况下对重金属元素的抗性及其富集效果的研究结果表明高羊毛、 早熟禾、 黑麦草、 紫花苜蓿在纯尾矿污染 土壤或处理的尾矿污染土壤上都能生长.加入改良剂CaCO3和有机肥菜枯使生长在铅锌尾矿污染土壤上 的4种草坪草生物量显著增加,虽然植物体中的Cd、Pb、Zn元素浓度下降,但Cu元素浓度反而上升,结果为单 位面积上草坪草吸收各重金属元素的量均有所增加,从而证明了利用改良措施与草坪草相结合的方法来修复 重金属污染土壤的可行性.其次,通过对龙须草对重金属耐性机制的研究发现,龙须草在高浓度重金属复合污 染土壤也能生长,在与实际污染农田土壤重金属浓度相当条件下生长正常.说明该植物的根系对重金属污染具 有极强的抗性,因而可用于尾矿砂的固定和矿区植被重建.另外,在超累积植物的发掘方面也取得了一些进展, 例如薛生国等人在湖南省发现了一种锰超累积植物商陆Phy tolacca acinosaRoxb[8];陈同斌等在湖南常 德发现了超富集砷的风尾蕨植物蜈蚣草[9];中科院韦朝阳等人在湖南发现砷超累积植物大叶井口边 草P teris cretica L. [10]; 湖南农业大学曾清如等人在湖南郴州东坡铅锌尾矿砂的严重污染区发现并种植了对重 金属有明显抗性的杨树[6]. 4 利用植物修复技术复垦矿区重金属污染土壤的可行性分析 利用累积或超累积植物修复矿区重金属污染土壤具有物理、 化学和其他生物修复方法无可比拟的优势.具体 表现在以下几个方面 1 利用植物的吸收、 富集、 提取和挥发可以永久地解决土壤重金属污染问题 . 2 修复植物 的稳定作用可以绿化污染土壤,使地表稳定,防止污染土壤因风蚀或水土流失而带来的污染扩散问题 . 3 可以尽 可能减少由于土壤清洁造成的场地破坏,对环境扰动少,减少来自公众的关注和担心 . 4 经植物修复过的土壤, 其有机质含量和土壤肥力都会增加,一般适用于农作物种植,符合可持续发展战略 . 5 修复植物的蒸腾作用可以 防止污染物质对地下水的二次污染 . 6 重金属超累积植物所累积的重金属在技术成熟时可进行回收,从而也能 创造一些经济效益 . 7 植物修复的过程也是绿化环境的过程,易被社会所接受 . 8 植物修复成本低,可以在大面 积污染土壤上使用.植物修复的以上众多优点证明了利用超累积植物修复重金属污染土壤在实际应用中的可行 性.利用超累积植物修复重金属污染土壤在技术上是否可行,首先在于土壤中重金属元素与修复植物之间的相互 作用是否有效,其先决条件是土壤重金属的生物有效性和重金属从根向上部分转移的能力[11].重金属在土壤中一 般以多种形态赋存,不同的化学形态对植物的有效性不同.重金属生物有效态是指能被该土地上生存的生物通 常为植物所吸收的那部分重金属[12].植物提取的首要目标应是减少土壤有效态重金属浓度,而不是土壤重金属 总量,所以植物提取技术的效率在很大程度上取决于对重金属生物有效态的吸收.对此,可以通过采取一定的农 艺调控措施或向土壤中添加改良剂、 螯合剂等方法来改善土壤理化性质,活化和促进土壤中重金属各种存在形态 向生物有效态转化,从而提高植物对重金属的吸收率.除此之外,人们还在日常实践中总结出了一套成熟的植物 修复技术的强化措施和行之有效的栽培技术及其他辅助措施加以实施和强化.有了技术支持并证明其实践可行 性后,具体如何实施便成了主要任务.针对有色金属尾矿污染区土壤条件恶劣,在矿区进行土壤污染治理和植被 恢复,首先必须筛选出对重金属具有抗性的先锋优势植物物种.当这些植物在尾矿废弃地成功定居后,通过对矿 渣这种恶劣生境进行有目的地改造,植被可望在矿渣上得以恢复,再通过种植累积或超累积植物的提取作用就可 以最大限度地除去土壤中大部分重金属元素.对此,笔者提出以下几条设想 1 在矿渣上覆盖表土和增施有机 肥.束文圣等[13]认为,尾矿的重金属毒性,尤其是有效态Zn和Cd的毒性是影响植物定居的限制因子,极端贫瘠 是影响植物定居的另一重要因素.所以,应在局部地区覆盖表土使具较强生长扩散能力的草本植物恢复起来,然 后逐渐扩展,加快植被的恢复重建.矿渣中重金属含量较高,其毒性使植物对无机养分的利用率降低,增施某些有 机肥后,可抑制一些重金属进入植物体内,从而抑制了重金属对植物的毒害[14, 15].肥料本身也为植物的生长提供 了丰富有机质,为植被的恢复重建创造了有利的生境条件 . 2 施加酸碱改良剂,调节矿渣的pH值.植物的生长 发育需要一定范围的酸碱度,而尾矿污染区土壤pH值一般偏低.如尾砂微生物如硫杆菌氧化产生的酸性环境 导致土壤pH值降低是影响植物定居的最大限制性因子之一.王新等通过实验证明,石灰加Ca、M g、P肥处理后, 重金属元素形态发生了变化,表现为交换态含量减少而碳酸盐态含量增加,从而降低了重金属在土壤植物系统 721第1期孙 健等湖南省有色金属矿区重金属污染土壤的植物修复 1995-2007 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 中的迁移.尽管利用植物修复和复垦矿区污染土壤存在众多优势并具有实践可行性,然而目前仍然存在一些技术 上的难点.例如,尾砂库的一般堆积高度大于5 m ,而目前所发现具有修复潜力的植物基本上是草本植物,草本植 物的根系较浅,它对于表层污染土壤具有一定的处理效果,而对深层污染的处理效果较差.对此,有人提出采用诱 导性植物提取技术.就是通过添加化学螯合剂来改变植物根际土壤化学环境等来提高植物对重金属的提取能力, 或通过细菌、 真菌作用提高污染物根系的库容[7, 16].植物修复是以植物为载体的修复过程,无论修复植物是一年生 草本植物还是多年生草本或木本植物,最终都需要将植物累积的干物质从修复过的污染土壤上移走.而目前修复 植物的生物量的处理方法还仅仅处于研究阶段,众多处理方法还存在二次污染、 经济、 社会认可等问题,还需要不 断的探索和创新.除此之外,尾矿砂污染土壤的理化性质、 尾砂透气性能、 根系微生物种类和环境也均会不同程度 对植物生长造成直接或间接的不利影响.这些问题的解决仍需作进一步深入研究. 5 讨论 利用累积或超累积植物修复有色金属矿区重金属污染的土壤,无论从技术上还是从实践应用方面都是切 实可行的,尽管目前这种技术还不十分成熟和完善,然而其以其它修复方法无可比拟的优势逐渐引起了人们的 重视,成为了当今国内外学术界相关领域研究的热点.目前在湖南省用累积或超累积植物治理和复垦重金属污 染土壤虽然还主要集中在试验和尝试性阶段,但不乏也有一些成功的工程应用实例.例如王凯荣等人在湖南安 化镉污染严重的铀矿区调整农田种植制度,建立新的生产经营模式,应用种桑养蚕、 种植纤维作物,达到了镉污 染土地的安全高效利用,农民、 政府、 矿区三满意的效果[17];曾清如等人在湖南郴州东坡铅锌尾矿砂的严重污 染区种植对重金属有明显抗性的杨树,利用该种树生长快、 富集土壤中的重金属和净化土壤的特点,不仅美化 了环境,净化了土壤,且利用该树材质来生产火柴,可产生明显的经济效益等[6].在对矿业废弃地复垦中,往往 不但要求在废弃地上重新种上植物,而且还要使废弃地可以重新利用来进行农业生产.这就需要逐渐将基质中 的重金属浓度减少到可接受的水平,这时候累积或超累积植物就可以极大地发挥其富集高浓度重金属的修复 潜力了.为了在有毒金属矿区的土地上建立一个可自我维持的植被,可以先选择一些能够同时耐受特定金属、 干旱和低营养水平胁迫的先锋植物.在这些耐性先锋种生长过一段时间或经一定程度修复后的金属污染地上 种累积或超累积植物将更有助于把重金属从污染地中清除、 加快矿区土地的复垦、 生态植被恢复和减少地下水 的污染,从而将重金属对环境和生物的危害减小到最低限度. 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