某鈾礦周邊土壤典型重金屬污染特征及植物篩選

薛清潑，魏 浩，張國瑞，張有軍，李 霄，汪敬忠，劉 卓

(1.天津華北地質勘查總院，天津 300170；2.河北地質大學地質測試中心，河北 石家莊 050031)

礦山土壤重金屬污染對礦山環境造成了巨大的破壞，嚴重威脅當地人類的健康發展。鈾礦因其具有放射性元素，對土壤、植物等生態環境的破壞更為嚴重。目前，我國生態文明建設已經提升到了一個新的高度，所以針對礦山土壤重金屬污染的評價、治理研究成為熱點。而礦山土壤重金屬修復方法中因植物修復具有成本低、二次污染小等優勢，受到世界各國學者的廣泛重視和青睞[1]，成為目前礦區普遍采用的土壤修復技術之一[2-4]。植物修復的關鍵技術是篩選到一些生物量大且對超標的重金屬具有很強耐受能力和富集能力的植物，以便推廣種植進行土壤的植物修復[5-6]。

學者對眾多植物進行了重金屬富集特征的研究，已發現400余種超累積植物[7]，比如遏藍菜、伴礦景天是公認的Cd累積植物之一[6,8-10]；酸模、甘薯屬高山薯、異葉柔花等是常見的Cu元素超累積植物[11-13]；高山漆姑草屬、九節屬套哇九節及尼菊科分別是Pb、Ni、Cr元素的超累積植物[14]。已發現的重金屬超累積植物主要是針對Cd、Cu、Pb、Ni、Cr、Zn元素的超累積植物。由于鈾礦山放射性及重金屬污染會使當地植物群落結構簡單化，而在這種特殊條件下對放射性核素能較好吸收的植物自然較少。已有的研究表明，塊根莖、水馬齒、莫絲草三種植物可以作為治理水體鈾污染的水生植物[15]。另外，ENTRY等[16]經過試驗發現向日葵是處理水體鈾污染的首選植物。針對鈾礦山附近土壤，一些學者通過實驗發現了對鈾具有較好吸收特性的植物，如野棉花、印度芥菜、狗牙根、假儉草、商陸、辣廖等[17-19]，還有一些具有潛在利用價值的植物，如黃秋葵、紅油菜、白掌、吊竹梅、雪蓮果[20-23]，前人研究的這些植物中，許多不具備移植條件，適應性差，離開了本土可能修復重金屬的能力會減弱，不適合移植。所以在鈾礦山周邊篩選當地適應性強的重金屬富集植物對土壤修復研究具有重要意義。本文選擇某鈾礦山，對其周邊土壤重金屬污染特征及植物的重金屬吸附能力進行調研，篩選出對超標重金屬具有修復潛力的優勢植物，旨在進一步為鈾礦山周邊重金屬污染的土壤修復研究提供科學的依據。

1 研究區概況

本文涉及的鈾礦區內總體地勢相對平坦，北部較高，南部較低。地處高寒地帶，夏季較短，冬季較長。冬季寒冷，年最低氣溫-34 ℃，多年平均氣溫1.97 ℃。氣候干燥，一年降水量集中在6月、7月、8月三個月，多年平均降水量399.7 mm。

2 材料與方法

2.1 植物資源調查方法

礦區及周邊植物調研主要調查生物量較高的優勢植物。首先采用目測法找到植物群落較發育的植被區，在區內對植物進行全面統計。礦區內植物較發育的區域為采場東部400 m處。

2.2 樣品采集與處理

本次土壤樣品在尾礦庫、廢石場及采場下游布置了43個采樣點，其中尾礦庫下游附近采樣密度較大。靠近尾礦庫取樣間距約100 m，遠離尾礦庫及廢石場、采場下游取樣間距約200 m，最外圍(距尾礦庫1 000～1 500 m)采樣間距為300～500 m。另外在遠離礦區近30 km土壤中隨機布置了5個采樣點作為當地背景值。每一個采樣點在其周圍10 m內根據梅花布點法采樣5個，采集0～20 cm表層土壤，混合均勻，采用4分法取樣1 kg，并剔除土壤中異塊及腐質物，隨后將樣品裝入樣品袋，貼上標簽帶回。

在采場東南部400 m以外，植物較發育處，隨機采取典型的優勢植物3～5顆混為一個樣品。采到的標本主要為草本植物，要求體態正常，全株采集。同步采集植物的根際土，采集深度0～20 cm，同樣將3～5個點土樣混為一個樣，然后用樣品袋裝好封口，貼上標簽。共采集植物樣及根際土壤樣各15個。

植物樣品及土壤樣品的前處理參照文獻[24]和文獻[25]進行處理，最后用ICP-MS進行測試。

3 結果與討論

3.1 礦區周邊土壤重金屬分布特征

土壤樣品的重金屬測試結果見表1，將土壤樣品中各重金屬含量測定結果分別與國家土壤背景值進行比較，可得出各重金屬元素超標狀況。總體來看，土壤中Cd和U超出國家背景值，均值分別為國家背景值的2.50倍和2.77倍。另外Cu均值與國家背景值相當，其他元素均未超出國家背景值。同時，Cd和U含量也高于當地背景值，均值為當地背景值的1.80倍和2.22倍，而其他元素與當地背景值相當。表2顯示Cd和U表現出極顯著相關特征，說明二者可能來自同一污染源，而且其遷移性也相近。由重金屬含量分布特征(圖1)可知，Cd和U污染中心比較吻合，主要在距尾礦庫200 m以內的下游區域及采場東南部，污染較重區域大致呈北西-南東向分布。遠離尾礦庫或采場區域，污染程度具有下降趨勢(圖2(b)和圖2(c))。利用聚類分析對這8中元素進行分類(圖2)，當8種重金屬分為4類時，Cd、U為一類，Ni、Cu、Co為一類，Pb、Zn為一類，Cr為一類。除Cd、U污染較重，并且與尾礦庫、采場空間分布有關外，其他類元素基本沒有受到人為活動的影響，其相關性可能與該區背景值的分布有關。

表1 土壤中重金屬元素含量Table 1 Heavy metal elements in soil

圖1 重金屬元素含量空間分布特征Fig.1 Spatial distribution characteristics of heavy metal elements

表2 土壤重金屬元素相關系數Table 2 Correlation of heavy metal elements in soil

CrCoNiCuZnCdPbUCr10.1650.1440.352*-0.116-0.118-0.1150.014Co0.16510.703**0.381*0.309*0.490**0.1930.525**Ni0.1440.703**10.488**0.449**0.552**0.476**0.522**Cu-0.352*0.381*0.488**10.482**0.537**0.452**0.441**Zn-0.1160.309*0.449**0.482**10.523**0.663**0.604**Cd-0.1180.490**0.552**0.537**0.523**10.347*0.819**Pb-0.1150.1930.476**0.452**0.663**0.347*10.347*U0.0140.525**0.522**0.441**0.604**0.819**0.347*1

注：**在0.01水平(雙側)上顯著相關；*在0.05水平(雙側)上顯著相關

圖2 重金屬元素聚類分析圖Fig.2 Cluster analysis of heavy metal elements

以上說明鈾礦生產是周邊土壤Cd和U超標的主要原因。結合鈾礦生產工藝流程，尾礦庫周邊污染可能和尾砂水沙漏及尾砂水溢流有關。而采場東南部可能主要和爆破、鑿巖時粉塵飛揚有關，該區常年盛行西北風，這也是污染趨勢呈北西-南東向分布的因素之一。

對于防范措施，針對尾砂水沙漏，可以在尾礦庫壩基和庫底鋪設一層復合土工膜，切斷滲透水和地下水的聯系，避免地下水受到污染；針對尾砂水溢流，可以在尾礦壩下游設置合理的導水溝、集水池和污水泵房，將溢流水輸送至水冶廠回收利用；采場附近的污染主要是鑿巖、爆破、礦山汽車運輸時礦石灑落或揚塵引起，可以增加灑水降塵頻次和鋪設灑水管路，在關鍵地段設置自動噴水設施，定期噴灑檢修汽車，防止貨載漏撒，車箱加罩，防止精礦粉吹揚，在礦石出口處，或礦倉附近設置汽車自動沖洗裝置，保證汽車駛入礦區公路之前，車身無積土和積塵，及時修復損壞的路面，定期清掃，經常保持路面整潔。

3.2 植物資源調查

經調查，礦區周邊植物群落較為簡單，大多為自然生長的經濟價值低的草本植物(表3)，調查的植物共計17種，7個科。以禾本科、菊科、豆科為主，其中，禾本科5種，占29.42%；菊科、豆科各4種，占23.53%(圖3)。優勢植物以野生草本植物為主，如艾草、披堿草、牛筋草、棒頭草、白茅、苜蓿、蒲公英等。礦區下游多為當地百姓農田，農作物以豆角、大豆、莜麥為主。灌木或喬木多為人工種植的松樹、楊樹、榆樹。

表3 礦區周邊植物主要種類及其特征Table 3 Main species and characteristics of plants around the mining area

續表3

拉丁名科種習性L.apetalum十字花科獨行菜一年生或二年生草本Sedumlineare Thunb.景天科佛甲草多年生草本Pinus松科松樹喬木Ulmus pumila L.榆科榆樹喬木

圖3 尾礦庫及采場周邊常見植物(科)所占比例Fig.3 Proportion of common plants around the tailings pond and stope

3.3 優勢植物U、Cd含量及富集系數

在尾礦庫、采場東南部周邊采集了艾草、披堿草、牛筋草、棒頭草、白茅、苜蓿、蒲公英、苣買菜、莜麥、毛連菜10種優勢植物，用ICP-MS分析法對采集的根際土和植物進行重金屬U和Cd含量測試。測試結果見表4和5。

礦區內生長的優勢植物對當地土壤中的重金屬有較好的耐性，不同耐性的植物吸收、轉運重金屬的能力也是不同的，這種能力的體現可以用富集系數和轉運系數來表征[26]。富集系數可以反映植物對重金屬富集程度的高低或吸附能力的強弱，而轉運系數是表征植物將重金屬從植物地下部分運移到地上部分的能力大小[27-28]。轉運系數越大表明植物地上部分重金屬的富集量越大，越有利于植物吸取技術的應用。表4和表5列出了研究區內采集的優勢植物的富集系數(BCF)和轉移系數(TF)。由表4可知，所有植物對重金屬元素U的富集能力均較弱，BCF<1，對鈾富集系數最強的植物是苜蓿，富集系數為0.18。主要優勢植物富集系數較低說明礦區周邊自然生長的植物可能進化出某些機制盡量減少對鈾的吸收或者將體內過量的鈾排出體外[29]，這些物種可以作為鈾礦區生態修復的先鋒植物。另外，這些植物的轉運系數也比較低，苜蓿最高，為0.19，其次是白茅，為0.15。由表5可知，所有植物對重金屬元素Cd的富集系數BCF<1，轉運系數<1。結果表明，這些植物對Cd的吸收能力也較弱，但苜蓿對Cd的富集系數達到了0.21，轉運系數達到了0.31。

表4 礦區植物U含量及植物富集系數、轉運系數和根系滯留率Table 4 U content of plant and plant enrichment coefficient,transport coefficient and root retention coefficient

注：富集系數=植物體內重金屬含量均值/根際土壤中重金屬含量；轉運系數=植物地上部分重金屬含量/根部重金屬含量；根滯留系數=1-轉運系數

表5 礦區植物Cd含量及植物富集系數、轉運系數和根系滯留率Table 5 Cd content of plant and plant enrichment coefficient,transport coefficient and root retention coefficient

注：富集系數=植物體內重金屬含量均值/根際土壤中重金屬含量；轉運系數=植物地上部分重金屬含量/根部重金屬含量；根滯留系數=1-轉運系數

整體來看，礦區內這些優勢植物富集轉運U、Cd的能力較弱，沒有對U、Cd理想的超累積植物，不能直接利用它們對污染土壤進行修復。這些植物對土壤中U、Cd的耐性及吸收能力各不相同，苜蓿對Cd和U的富集及轉運能力較其他植物要高，可以針對苜蓿及前人研究的對U、Cd吸收、轉運效果比較好的植物進行室內栽培實驗，添加螯合劑、改良劑或植物激素來提升植物對土壤U、Cd的修復能力[30]。另外，還可通過研究育種及相關農藝管控技術來種植對Cd、U低吸收、低轉運并且耐性強的農作物，以減少土壤Cd、U向食物鏈的遷移。

4 結 語

礦區附近土壤顯示一定程度U、Cd超標，最嚴重的區域為距尾礦庫200 m以內的下游區域及采場東南部，超標較重區域大致呈北西-南東向分布。遠離尾礦庫或采場區域，超標程度具有下降趨勢。礦區內優勢植物富集轉運U、Cd元素的能力較弱，苜蓿可以作為潛在的修復土壤中U、Cd污染的植物，并通過進行室內栽培實驗，添加螯合劑、改良劑來提升植物對土壤U、Cd的修復能力。