趙虹，靳秋杰，梅丹娜，李敏，孫立群，曹秀鳳

（1.鞍鋼集團礦業(yè)公司，遼寧鞍山114000；2.山東大學環(huán)境科學與工程學院，山東濟南250000；3.山東半島藍色經(jīng)濟工程研究院，山東濟南250000）

鞍鋼礦區(qū)重金屬污染的植物修復技術(shù)研究

趙虹1，靳秋杰1，梅丹娜1，李敏2，孫立群2，曹秀鳳3

（1.鞍鋼集團礦業(yè)公司，遼寧鞍山114000；2.山東大學環(huán)境科學與工程學院，山東濟南250000；3.山東半島藍色經(jīng)濟工程研究院，山東濟南250000）

在對遼寧省鞍鋼礦區(qū)土壤性質(zhì)進行分析的基礎上，闡述了礦區(qū)生態(tài)修復的必要性和植物修復技術(shù)的優(yōu)勢，提出了幾種較好的可以用于該礦區(qū)土壤修復的植物種類，探討了針對該區(qū)土壤特點的生物改良措施。最后，提出關(guān)于植物修復的后期處理，尤其是解決從植物體內(nèi)回收重金屬的生產(chǎn)工藝問題將是今后研究的熱點之一。

植物修復；超積累植物；土壤改良

1 鞍鋼礦區(qū)土壤現(xiàn)狀及其生態(tài)修復的必要性

作為礦產(chǎn)資源開發(fā)活動的直接結(jié)果之一，礦業(yè)廢棄地對環(huán)境造成了極大的壓力與污染，如礦山開采過程中的廢棄物（尾礦、剝離巖等）需要大面積的堆置場地，從而導致對土地的過量占用和對堆置場原有生態(tài)系統(tǒng)的破壞；礦石、廢渣等固體廢物中含酸性、堿性、毒性、放射性或重金屬成分，通過地表水體徑流、大氣飄塵，污染周圍的土地、水域和大氣，其影響面將遠遠超過廢棄物堆置場的地域和空間，污染影響要花費大量人力、物力、財力經(jīng)過很長時間才能恢復，而且難于恢復到原有的水平。由于近百年的礦山開采活動，在鞍山市城市周邊形成了占地791萬m2的廢棄排土場和252萬m2的廢棄尾礦庫。這些排土場和尾礦庫嚴重破壞了自然生態(tài)平衡系統(tǒng)。在春秋兩季強風情況下，排土場和尾礦庫產(chǎn)生的揚塵對市區(qū)造成嚴重的沙塵污染。因此，如何對排土場及尾礦庫進行合理有效的治理，已成為整個世界面臨的一個共同難題。

生態(tài)破壞問題已成為制約采選礦行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵問題，很多礦區(qū)因為嚴重的環(huán)境污染及生態(tài)破壞而被強令關(guān)停。礦業(yè)活動所形成的排土場、尾礦庫及周圍污染場地往往污染物成分復雜，含有重金屬及多種有機污染物，這些重金屬及有機污染物的污染濃度高、污染程度重，造成植物等生物體很難在其中生長，影響生態(tài)修復效果。礦產(chǎn)行業(yè)始終被認為是高污染、存在很大生態(tài)風險的行業(yè)，如何在生產(chǎn)的同時兼顧生態(tài)環(huán)境保護，一直是礦產(chǎn)行業(yè)追求的目標，對排土場、尾礦庫污染場地生態(tài)修復關(guān)鍵技術(shù)的研究，對于礦產(chǎn)行業(yè)，實現(xiàn)生態(tài)效益、資源效益及社會效益的協(xié)調(diào)統(tǒng)一和可持續(xù)發(fā)展，實現(xiàn)行業(yè)的生態(tài)化轉(zhuǎn)型具有至關(guān)重要的作用。

重金屬污染物不同于有機污染物，其最大的特點就是不能為生物所分解，大多數(shù)也不能通過焚燒的方法從土壤中去除，相反地可以在生物體內(nèi)富集，有些還會轉(zhuǎn)化為毒性更大的甲基化合物。

通過對遼寧省鞍山礦區(qū)的鐵尾礦理化性質(zhì)和重金屬含量的取樣和測定，發(fā)現(xiàn)尾礦土壤顆粒組成以砂粒為主，中砂含量19.2%，細砂含量43.5%，黏粒含量僅為3.68%，鐵尾礦pH值呈堿性，有機質(zhì)含量極低，鐵尾礦持水能力差，綜合肥力狀況低，需積極有效地改良措施；重金屬污染物中，總鎘、總鉛、總銅和總鎳含量略高。

2 植物修復技術(shù)

2.1 修復植物的選擇

植物修復是利用植物及其根際圈微生物體系的吸收、揮發(fā)和轉(zhuǎn)化，以及降解的作用機理來清除環(huán)境中污染物質(zhì)的一項新興的污染環(huán)境治理技術(shù)。廣義的植物修復包括利用植物凈化空氣（如室內(nèi)空氣污染和城市煙霧控制等），利用植物及其根際圈微生物體系凈化污水（如污水的濕地處理系統(tǒng)等）和治理污染土壤（包括重金屬及有機污染物質(zhì)等）。狹義的植物修復主要指利用植物及其根際圈微生物體系清潔污染土壤，而通常所說的植物修復主要是指利用重金屬超積累植物的提取作用去除污染土壤中的重金屬。那些能夠達到污染環(huán)境治理要求的特殊植物統(tǒng)稱為修復植物，如對空氣凈化效果好的綠化樹木和花卉等，能直接吸收、轉(zhuǎn)化有機污染物質(zhì)的降解植物，利用根際圈生物降解有機污染物質(zhì)的根際圈降解植物，以及提取重金屬的超積累植物、揮發(fā)植物和用于污染現(xiàn)場穩(wěn)定的固化植物等[7]。

選擇修復植物時，需要將植物對重金屬的耐受富集能力和礦區(qū)土壤實際情況相結(jié)合，兼顧生物量和重金屬的去除率。

目前發(fā)現(xiàn)的超富集植物種類較多，但這數(shù)百種超富集植物普遍存在生物量小、生長慢，在低濃度重金屬污染土壤上生長，與鄉(xiāng)土植物相比缺乏競爭力，不利于機械化收獲，對重金屬的富集具有專一性等缺點，要凈化一塊污染土地需要很長時間。因此，近來國內(nèi)外把研究焦點放在利用擁有高生物量或者生長快速的非超富集植物來修復污染土壤。

鞍鋼礦區(qū)的生態(tài)修復中植物的選擇初步考慮以下3個方面：（1）現(xiàn)場采集的鞍山地區(qū)尾礦土壤上自然分布的耐鹽堿且具一定經(jīng)濟價值的植物；（2）引種其他地區(qū)或其他鹽堿類型地域已有應用的耐鹽堿或耐重金屬植物；（3）從其他植物資源圃篩選、引種部分適于該地區(qū)并有發(fā)展?jié)摿Φ哪望}堿植物。

2.2 主要的修復備選植物

實際操作中，備選植物多為鞍山尾礦區(qū)現(xiàn)有自然分布的植物：龍葵、地膚、堿蓬、蒼耳、蘆葦、蘿、香附子、狗尾草、山萵苣、豬毛蒿、合被莧、刺槐、旱柳等。

通過文獻調(diào)研，在其他地區(qū)自然生長或開展過栽培試驗的耐鹽堿或耐重金屬植物有：龍葵、東南景天、小酸漿、長喙婆羅門參、刺兒菜、石防風、狼把草、山萵苣、球果菜[7]。

其中鞍山尾礦區(qū)的代表植物有以下幾種。

堿蓬（Suaeda glauca（Bunge）Bunge in Bull）：雙子葉植物藥藜科，一年生草本，株高10～40 cm，廣泛分布于東北、華北等地，種子的休眠期很短，條件適宜能迅速發(fā)芽生長。堿蓬是一種高耐鹽堿、耐貧瘠的野生植物，對養(yǎng)分要求不高，它在生長的過程中能夠從鹽堿地里吸取鹽堿。通過對鞍鋼礦區(qū)實地采集土樣在實驗室模擬種植堿蓬，得出堿蓬的最佳生長條件為尾礦土壤和客土進行1∶1混合，發(fā)芽溫度維持在20～25℃即可。發(fā)芽期在一周左右。對重金屬Cd的耐受濃度達到50 mg/kg，適宜作為鞍鋼礦區(qū)生態(tài)修復的備選種。

龍葵（Solanumnigrum）：茄科，一年生草本，高30～60 cm，生長周期約為3個月，耐鹽堿，全國均有分布，是鞍鋼尾礦區(qū)現(xiàn)有自然分布的植物種。魏樹和等通過盆栽和田間濃度梯度設置實驗發(fā)現(xiàn)，龍葵對Cd單一污染和Cu-Pb-Zn-Cd復合污染的耐性都較強，當土壤中Cd濃度達到50 mg/kg時，龍葵出現(xiàn)生物量下降的情況[7]。

地膚（Kochia scoparia）：藜科，一年生直立草本花卉，株高50～100 cm，耐鹽堿，耐干旱，耐瘠薄，對土壤條件要求不嚴。分布區(qū)域在亞洲、歐洲以及中國大陸的大部分地區(qū)，是鞍鋼地區(qū)自然分布的植物種之一，長勢良好，生物量較高。高生物量的牧草，雖然其富集能力比不上很多超富集植物，但是由于它們的生物量大，生長快，能同時吸收多種金屬，所以植物體內(nèi)的重金屬總量也較大。地膚根際在土壤中較深，能適應尾礦土粒徑小、持水性差的特點，是該地區(qū)生態(tài)修復較好的植物備選種之一。

蒼耳（Xanthium sibiricum Patrin ex Widder）：菊科，一年生草本，高可達1 m，生長周期約120 d，我國各省區(qū)均有分布。耐干旱，耐貧瘠，根系較深，是鞍鋼地區(qū)自然分布的植物種之一，生物量較大。有研究表明，蒼耳對重金屬的耐性較強[7]，且具有很好的藥學和經(jīng)濟價值，適宜礦區(qū)的大面積種植。

3 改良措施的應用

單純依靠植物本身對重金屬的富集特性，一般情況下很難達到理想的修復效果。所以人們通過采取改良措施來提高植物的生物量或者富集效率。尾礦庫的土壤具有粒徑小、透氣性差和保水性差的特點，粒徑分布狀況為細砂含量高。針對其特質(zhì)，常用的改良措施包括施有機肥、添加客土、移植菌根化植物、添加陶粒、凹凸棒等。

菌根化植物是通過篩選出能固定重金屬或者提高植物生物量的菌類，將其與植物相結(jié)合，能大大提高重金屬去除率和改善土壤性質(zhì)。這些改良措施主要作用表現(xiàn)為:（1）改善土壤物理性狀。土壤總孔隙度增加，容重減小，田間持水量增大，土壤毛管孔隙、非毛管孔隙和通氣度都增加[2]。（2）改良土壤化學性狀。增加土壤有機質(zhì)，提高土壤肥力和作物產(chǎn)量，全N、水解N、速效P、速效K都會增加，并調(diào)節(jié)土壤酸堿度，增強土壤緩沖能力[3]。（3）提高土壤中離子交換率，改良鹽堿地，緩沖pH值，吸附重金屬。（4）增加土壤微生物數(shù)量，提高酶活性。

向土壤添加螯合劑EDTA和DTPA是目前研究較多、相對較為成熟的技術(shù)，但由于存在著螯合劑在土壤中的不易降解，殘留期，重金屬被螯合劑活化后向深層土壤和地下水遷移造成二次污染，以及螯合劑價格較昂貴等缺點，這項技術(shù)存在一定的環(huán)境風險和推廣利用的難度。因此，人們在深入研究提高螯合劑的利用價值的同時，也在努力尋找更加安全、經(jīng)濟、容易得到的，尤其是可以變廢為寶的物質(zhì)作為植物修復劑[1]。

近年來，在大量理論研究的基礎上，植物修復技術(shù)與工程實踐也逐漸結(jié)合在一起。例如我國的陳同斌帶領重金屬污染土壤植物修復團隊于2001年在湖南郴州建立了世界上第一個As污染修復基地，隨后又在廣西和云南建立了As，Pb等重金屬污染及酸化土壤修復的示范工程，建立了超富集植物與經(jīng)濟作物間作的修復模式，實現(xiàn)了邊修復污染土壤，邊開展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[5，6]。植物修復對于鞍鋼地區(qū)的生態(tài)恢復和重金屬去除具有很高的可操作性，是其主要途徑之一。

4 展望

應用植物技術(shù)修復重金屬污染土壤或礦區(qū)生態(tài)修復已經(jīng)越來越受到人們的關(guān)注，有關(guān)的研究也越來越多。針對目前的發(fā)展以及和工程相結(jié)合的情況，總結(jié)之后需要加強和完善以下幾方面的研究工作。

（1）目前，已被測試和發(fā)現(xiàn)的超富集植物僅百余種，因而繼續(xù)尋找和篩選對重金屬耐性強且有較強富集能力的植物新品種，仍是土壤重金屬修復技術(shù)的研究熱點和方向之一。

（2）針對尾礦土壤粒徑小、透氣性差等缺點，植物想要達到生長快速、生物量大并不容易，需要繼續(xù)探究各種改良措施改善土壤性質(zhì)，從而大大促進植物修復技術(shù)在土壤中的應用。

（3）關(guān)于超積累植物收割后的后期處理技術(shù)尚未成熟，有待進一步研究。若植物回收重金屬的技術(shù)問題得到解決，人們在治理重金屬污染土壤的同時，還能從種植的植物中回收一定量的重金屬用于其他生產(chǎn)，這方面的研究具有很大的經(jīng)濟價值和應用前景。

（4）菌根化植物由于同時結(jié)合了植物和微生物的雙重優(yōu)點，是一項很好的修復技術(shù)。關(guān)于發(fā)掘相應可應用于菌根化的植物微生物種類以及投入生產(chǎn)應用于工程，需要大力投入研究和發(fā)展。

[1]張杏鋒，夏漢平，李志安，等.牧草對重金屬污染土壤的植物修復綜述[J].生態(tài)學雜志，2009，28(8):1 640-1 646.

[2]Brunetti G，Plaza C，Clapp C E，et al.Compositional and functional features of humic acids from organic amendments and amended soils in Minnesota，USA[J].Soil Biology and Biochemistry，2007(391):1 355-1 365.

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[4]陳義群，董元華.土壤改良劑的研究與應用進展[J].生態(tài)環(huán)境，2008，7(3):1 282-1 289.

[5]廖曉勇，陳同斌，閻秀蘭，等.提高植物修復效率的技術(shù)途徑與強化措施[J].環(huán)境科學學報，2007，27(6):881-893.

[6]韋朝陽，陳同斌.重金屬超富集植物及植物修復技術(shù)研究進展[J].生態(tài)學報，2001，21(7):1 196-1 204.

[7]魏樹和.超積累植物篩選及污染土壤植物修復過程研究[D].沈陽：中國科學院沈陽應用生態(tài)研究所，2004.

Phytoremediation technology of heavy metal pollutionin Anshan Iron and Steel Mine

ZHAO Hong1,JIN Qiujie1,MEI Danna1,LI Min2,SUN Liqun2,CAO Xiufeng3
（1.Ansteel Mining Compony，Ansan 114000,China; 2.College of Environmental Science and Engineering,Shandong University,Jinan 250000,China; 3.Shandong Peninsula Institute of Blue Economy&Engineering,Jinan 250000,China）

The paper summarized the soil properties in Anshan Mine in Liaoning Province and expounded the necessity of mine ecological restoration and advantages of phytoremediation.Several plant species were presented which can be used for soil remediation of the mining area.Biological improvement measure were discussed according to the soil characteristics of the area.Post-processing on phytoremediation,especially the production process of plants recovered from the heavy metal soil,will be one of the main issues in the future research.

phytoremediation;hyperaccumulator;soil improvement

X753

A

1674-0912（2016）12-0039-03

2016-09-01）

趙虹（1969-），女，遼寧鞍山人，工學學士，工程師，專業(yè)方向：供熱通風與空調(diào)。