貴州山區(qū)煤礦廢棄地重金屬污染評價及優(yōu)勢植物修復效應研究.pdf

1、隨著我國社會經濟的發(fā)展，環(huán)境污染和生態(tài)破壞問題日益突出，能源結構調整勢在必行。近年來，貴州省加大煤礦關閉整合力度，然而由于對煤礦廢棄地缺乏必要的環(huán)境修復措施，區(qū)域內大量農田受酸性廢水和重金屬污染而棄耕拋荒，嚴重影響糧食安全和農業(yè)基礎的穩(wěn)定。因此，開展煤礦廢棄地重金屬污染評價及生態(tài)修復措施研究，具有重要的應用價值和實踐意義。
　　本文以礦區(qū)生態(tài)環(huán)境健康發(fā)展為前提，以生態(tài)修復理論為指導，結合貴州省煤礦廢棄地生態(tài)恢復的實際情況，選取貴陽

2、市花溪區(qū)楓香樹煤礦、金田煤礦、銀洞煤礦、貴安煤礦廢棄地作為研究對象，探討了采用蜈蚣草和苧麻兩種礦區(qū)廢棄地優(yōu)勢植物進行重金屬污染修復的效果，同時探索了在天然表面活性劑茶皂素的作用下，苧麻在重金屬Cd污染土壤中的生長發(fā)育、生理特性以及苧麻對重金屬Cd的富集效應和轉運能力，旨在為煤礦廢棄地植物修復提供材料選擇和技術參考。
　　主要研究結果如下:
　　(1)對貴州省貴陽市花溪區(qū)楓香樹煤礦、金田煤礦廢棄地農田復墾區(qū)、矸石山復墾區(qū)的土壤

3、化學性質進行了分析測試。結果表明，煤礦排污口排放的酸性廢水和矸石中伴生的硫鐵礦與空氣中的氧氣發(fā)生氧化反應產生的酸性物質，在雨水沖刷和地表徑流的作用下，導致煤礦廢棄地土壤pH值普遍較低，甚至有部分區(qū)域土壤呈強酸性狀態(tài)。煤礦廢棄地保肥能力差異較大，農田復墾區(qū)保肥能力為中等水平，陽離子交換量介于10～20cmol/kg之間;矸石山復墾區(qū)土壤保肥能力較弱，除個別區(qū)域外，大部分區(qū)域陽離子交換量低于10cmol/kg。農田復墾區(qū)較矸石山復墾區(qū)土壤熟

4、化程度好，土壤有機質含量高于矸石山復墾區(qū)。煤礦廢棄地土壤N、P、K全量處于中等偏下水平。由于研究區(qū)土壤呈酸性，有效態(tài)N、P、K含量普遍較低，尤其是有效態(tài)P嚴重匱乏，其形態(tài)以難溶性鋁磷和鐵磷為主。
　　(2)對楓香樹煤礦廢棄地農田復墾區(qū)、矸石山復墾區(qū)和金田煤礦廢棄地占壓地、荒地、農田的重金屬含量及形態(tài)進行了分析。結果表明，研究區(qū)土壤中重金屬Cu、Zn、Pb、Cd含量均超過貴州省土壤背景值。其中，重金屬Cu的含量超過了我國《土壤環(huán)境質

5、量標準》(GB15618-1995)中的二級標準(50mg/kg);農田復墾區(qū)土壤中的Cd含量達到了《土壤環(huán)境質量標準》中的一級標準(0.20mg/kg)的2倍，超過了二級標準(0.30mg/kg);煤礦廢棄地重金屬Pb的含量雖有一定程度的積累，超過了貴州省土壤背景值，部分區(qū)域超過《土壤環(huán)境質量標準》中的一級標準（35mg/kg），但遠低于二級標準（250mg/kg）;Zn和Cr的含量均低于二級標準，處于清潔水平。
　　(3)對楓

6、香樹煤礦廢棄地重金屬污染水平進行了評價。結果表明，農田復墾區(qū)土壤重金屬單因子污染指數(shù)（Pi）表現(xiàn)為:Cd＞Cu＞Pb＞Zn＞Cr，可見農田復墾區(qū)土壤中重金屬Cd的積累是最嚴重的，單因子污染指數(shù)最高為3.38;內梅羅綜合污染指數(shù)（P綜）評價結表明，農田復墾區(qū)五塊樣地的綜合污染指數(shù)為2.11～2.81，污染程度為Ⅳ等級，呈中度污染水平。矸石山復墾區(qū)土壤重金屬單因子污染指數(shù)(Pi)表現(xiàn)為:Cd＞Cu＞Pb＞Zn＞Cr;矸石山復墾區(qū)土壤中重金屬

7、Cd的積累明顯，其單因子污染指數(shù)最大值為3.75;從內梅羅綜合污染指數(shù)（P綜）評價結果來看，五塊樣地的綜合污染指數(shù)為2.41～3.07，整體處于中度污染水平。金田煤礦廢棄地占壓地、荒地、農田土壤重金屬單因子污染指數(shù)(Pi)從大到小的排列順序為:Cd＞Pb＞Cu＞Zn＞Cr，均處于中污染和輕污染水平;內梅羅綜合污染指數(shù)(P綜)評價結果顯示:占壓地＞農田＞荒地，分別2.13、1.83、1.58，處于中污染和輕污染狀態(tài)。研究區(qū)重金屬Cd積累較

8、為明顯，單因子污染指數(shù)較高，存在潛在生態(tài)風險，從環(huán)境風險和食品安全方面考慮，應將Cd作為煤礦廢棄地重點防治對象。
　　(4)研究了蜈蚣草對強酸性土壤的耐性和對重金屬污染環(huán)境的修復能力。結果表明，煤礦廢棄地土壤均為酸性土壤，生物多樣性較差，植被單一。其中，優(yōu)勢植物蜈蚣草具有較強的耐酸性，在研究區(qū)這種酸性程度較高的土壤中，蜈蚣草仍能正常生長。蜈蚣草的蓋度隨土壤pH值變化而變化，土壤pH值越小，區(qū)域內生物多樣性減少，蜈蚣草蓋度越低。金田

9、、銀洞、貴安煤礦廢棄地Cd、Pb、Cr、Cu、Zn存在不同程度的超標，其中重金屬Cd含量比貴州省土壤背景值高出3倍之多。有效去除煤礦廢棄地重金屬污染是礦區(qū)生態(tài)修復和復墾工作的先決條件，盲目地在礦區(qū)廢棄地種植農作物存在較大的食品安全風險。
　　蜈蚣草對不同重金屬元素的富集能力存在較大的差異。富集系數(shù)大小順序為:Cd＞Pb＞Cr＞Cu＞Zn，對Cd、Pb的富集系數(shù)均大于1，其中對Cd的富集系數(shù)達4.3，因此可以考慮把蜈蚣草作為煤礦廢棄

10、地植物修復的首選植物。蜈蚣草對重金屬的轉移系數(shù)大小順序為:Cu＞Zn＞Pb＞Cd＞Cr。三個試驗區(qū)域除了金田煤礦由于土壤酸化嚴重，對Cu的轉移系數(shù)小于1，其余兩個區(qū)域蜈蚣草對Cu的轉移系數(shù)均大于1，其中貴安煤礦廢棄地達到了3.3。因此，蜈蚣草對重金屬Cu污染土壤修復有一定的應用價值。
　　(5)通過盆栽試驗研究了不同濃度茶皂素溶液對苧麻生長的影響以及苧麻對重金屬Cd的富集效應和轉運能力。結果表明，在Cd污染土壤中，茶皂素對苧麻株高

11、和莖粗的影響存在劑量效應。0.1 mmol/L濃度的茶皂素會加劇重金屬Cd對苧麻的毒害作用。0.5～5.0mmol/L濃度的茶皂素能減輕重金屬Cd對苧麻的毒害作用。當茶皂素濃度達到2.5mmol/L時，莖粗達到最大值。低茶皂素濃度（0.1mmol/L）和高茶皂素濃度(5.0mmol/L)處理苧麻的葉片、籽粒和原麻干重均顯著下降;在0.5～2.5 mmol/L茶皂素濃度范圍內，隨著濃度的增加，苧麻的葉片、籽粒和原麻干重呈上升趨勢。在2.5

12、mmol/L濃度時苧麻的葉片、籽粒和原麻干重顯著增加，說明該濃度茶皂素能有效淋洗土壤中重金屬Cd，對苧麻干物質積累有一定促進作用。在0.5～2.5 mmol/L茶皂素濃度范圍內，苧麻根、莖、葉中重金屬Cd的含量依次呈上升趨勢;茶皂素的濃度介于2.5～5.0 mmol/L之間時，苧麻根、莖、葉的重金屬Cd含量依次呈下降趨勢。因此，在實際礦區(qū)廢棄地Cd污染土壤的治理中，2.5 mmol/L的茶皂素溶液是最理想的濃度選擇。
　　低茶皂素

13、濃度(0.1 mmol/L)抑制苧麻的葉綠素a的合成;在0.5～2.5 mmol/L茶皂素濃度范圍，隨著處理濃度的增加，苧麻的葉綠素a和葉綠素b含量增加，并在茶皂素濃度為2.5 mmol/L時達到最大值。不同濃度茶皂素處理的葉綠素總量變化趨勢與葉綠素a含量的變化趨勢基本一致。在重金屬Cd污染土壤中加入2.5mmol/L茶皂素溶液，可顯著增加苧麻的葉綠素總量，提升苧麻光合性能。
　　苧麻根、莖、葉對重金屬Cd的富集系數(shù)隨茶皂素濃度的