礦區(qū)土壤重金屬污染評價及植物修復能力的對比研究

摘 要：為準確評價礦區(qū)土壤重金屬污染狀況和篩選適合礦區(qū)重金屬污染土壤的修復植物，采集礦區(qū)周邊土壤并調查其重金屬含量，應用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)、潛在生態(tài)危害指數(shù)評價礦區(qū)污染現(xiàn)狀，選擇礦區(qū)常見植物模擬種植，并分析植物的修復能力。結果表明：銅礦區(qū)重金屬樣土內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)為27.2，屬于嚴重污染；綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)為803.6，存在很強生態(tài)危害。鉛鋅礦區(qū)樣土內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)為51.3，存在重度污染，綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)為835.5，存在很強生態(tài)危害。蒼耳在重金屬污染土壤中具有極強的富集能力和良好的轉運能力，有利于土壤修復，可以作為重金屬污染土壤修復的首選植物。

關鍵詞：重金屬；植物修復；礦區(qū)；土壤；污染

中圖分類號：X173 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）05–00-03

當前，土壤重金屬污染是世界性問題，我國土壤受到不同程度的重金屬污染，且受污染面積增大。植物修復是解決土壤重金屬污染問題的有效方法之一。植物修復是指植物吸收、運輸、富集、轉移重金屬污染土壤中的重金屬，從而達到土壤中重金屬含量及部分貴金屬回收的目的。曾春陽等[1]在研究中發(fā)現(xiàn)油葵和苦荬菜可以活化土壤中的鎘和鋅，在重金屬污染土壤修復中具有良好表現(xiàn)。肖乃川等[2]發(fā)現(xiàn)藿香薊可以促進富鎘污染土壤的修復。通過重點分析銅礦區(qū)、鉛鋅礦區(qū)土壤重金屬污染情況，篩選適合這兩類礦區(qū)重金屬污染土壤的修復植物，以期為礦區(qū)土壤重金屬污染治理工作的優(yōu)化提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 試驗用土處理

依據(jù)《環(huán)境影響評價技術導則 土壤環(huán)境（試行）》（HJ 964—2018）中的相關要求，分別在銅礦區(qū)、鉛鋅礦區(qū)2個典型礦區(qū)采集和保存試驗土，并去除石塊和植物殘骸等雜質，待室內(nèi)自然風干之后，對樣品研磨過100目篩處理備用。

1.2 試驗設計

將提前培養(yǎng)好的蒼耳、小白菜和高羊茅幼苗分隔種植于銅礦區(qū)樣土，蒼耳、油葵、苦荬菜幼苗分隔種植于鉛鋅礦區(qū)樣土中，每隔3 d觀察植物生長情況，80 d后陸續(xù)采收成熟的植株，測試植物生長情況、各部位生物量及體內(nèi)重金屬含量。同時采集土壤樣品，測定其理化性質和重金屬含量。

1.3 土壤重金屬污染、生物積累能力評價方法

應用內(nèi)梅羅污染指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法對兩類礦區(qū)土壤重金屬污染情況進行評價。其中，單因子污染指數(shù)分為4個評價等級：Ⅰ清潔（＜1）、Ⅱ輕度污染（1～2）、Ⅲ中度污染（2～3）、Ⅳ重度污染（≥3）；內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)分為5個評價等級：Ⅰ清潔（≤0.7）、Ⅱ尚清潔（0.7 ～1）、Ⅲ輕度污染（1～2）、Ⅳ中度污染（2～3）和Ⅴ重度污染（＞3）。計算公式為：

Pi=（1）

PN=（2）

式（1）、（2）中，Pi代表i污染物的污染指數(shù)；Ci代表i污染物實際測量濃度（mg/kg）；Si代表i污染物的評價標準；PN代表綜合污染指數(shù)；Pave代表平均單項污染指數(shù)；Pmax代表最大單項污染指數(shù)。

單因子潛在生態(tài)危害指數(shù)分為5個評價等級：Ⅰ輕微（＜40）、Ⅱ中等（40～80）、Ⅲ強（80～160）、Ⅳ很強（160～320）、Ⅴ極強（≥320）；潛在生態(tài)危害指數(shù)法分為4個評價等級：Ⅰ輕微（＜150）、Ⅱ中等（150～300）、Ⅲ強（300～600）、Ⅳ很強（≥600）。計算公式為：

Eri=Tri（3）

RI=Eri（4）

式（3）、（4）中，Eri代表單因子潛在生態(tài)危害指數(shù)；Tri代表單個污染物毒性響應系數(shù)；Si代表i污染物背景值；RI代表綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)。

生物積累能力與生物富集系數(shù)（BCF）和轉運系數(shù)（BTF）具有密切聯(lián)系，計算公式為：

BCF=C植物/C土壤（5）

BTF=C地上部/C地下部（6）

式（5）、（6）中，C植物代表植物各部位重金屬含量（mg/kg）；

C土壤代表土壤重金屬含量（mg/kg）；C地上部和C地下部分別代表植物地上部和地下部重金屬含量（mg/kg）。

1.4 數(shù)據(jù)分析

應用Excel 2013軟件進行整理和統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

2 結果與分析

2.1 礦區(qū)土壤重金屬污染評價

由表1可知，在銅礦區(qū)，銅的單因子污染指數(shù)最高（15.2），大于Ⅳ級評價標準，存在重度污染；內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)為27.2，大于Ⅴ級評價標準，存在重度污染；銅的單因子潛在危害指數(shù)最高（625.6），遠超Ⅳ級評價標準，存在極強的生態(tài)危害；綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)為803.6，存在很強的生態(tài)危害。

由表2可知，在鉛鋅礦區(qū)，鉛的單因子污染指數(shù)最高（28.9），大于Ⅳ級評價標準，存在重度污染；內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)為51.3，明顯大于Ⅴ級評價標準，存在重度污染；鉛的單因子潛在危害指數(shù)最高（523.1），存在極強生態(tài)危害；綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)為835.5，存在很強生態(tài)危害。

2.2 植物修復前后土壤重金屬含量對比

由表3可知，在銅礦區(qū)，鉛含量的下降幅度為0.33%

～1.28%，其中種植小白菜區(qū)域內(nèi)鉛的下降幅度最大；銅含量的下降幅度為0.18%～0.58%，其中種植蒼耳區(qū)域內(nèi)銅的下降幅度最大；鋅含量的下降幅度為0.76%～1.36%，其中，種植蒼耳下降幅度最大；鉻含量的下降幅度為0.81%～2.78%，其中種植蒼耳區(qū)域內(nèi)鉻的下降幅度最大；鎘含量的下降幅度為1.90%～4.81%，其中種植蒼耳區(qū)域內(nèi)鎘的下降幅度最大。

由表4可知，在鉛鋅礦區(qū)，鉛含量的下降幅度為0.06%～0.42%，其中種植蒼耳區(qū)域內(nèi)鉛的下降幅度最大；銅含量的下降幅度為0.56%～1.00%，其中種植蒼耳區(qū)域內(nèi)銅的下降幅度最大；鋅含量的下降幅度為0.04%～0.29%，其中種植蒼耳區(qū)域內(nèi)鋅的下降幅度最大；砷含量的下降幅度為0.36%～0.87%，其中種植蒼耳區(qū)域內(nèi)砷的下降幅度最大；鎘含量的下降幅度為0.42%～2.03%，其中種植蒼耳區(qū)域內(nèi)鎘的下降幅度最大。

2.3 植物對重金屬富集、轉運能力

如表5所示，從生物富集系數(shù)來看，蒼耳相較于小白菜和高羊茅表現(xiàn)出極強的富集能力，其對鋅、鉻、鎘的總生物富集系數(shù)分別為1.998、3.059和3.388，其中地下部富集系數(shù)大于地上部。從轉運能力來看，小白菜相較于蒼耳和高羊茅表現(xiàn)出極強的轉運能力，其對于鉛和鉻的轉運系數(shù)均超過1。

如表6所示，從生物富集系數(shù)來看，苦荬菜相較于蒼耳和油葵表現(xiàn)出極強的富集能力，其對鋅、銅和砷的富集系數(shù)分別為1.494、1.293和0.979，其中地下部富集系數(shù)高于地上部。從轉運能力來看，蒼耳的轉運能力優(yōu)于油葵和苦荬菜，對于砷、銅、鋅的轉運系數(shù)分別為0.815、0.772、0.689。

3 結論

礦區(qū)土壤存在重金屬污染情況可能與土壤和植物相互作用、土壤和水體交互影響，以及礦業(yè)活動釋放重金屬有關。其中，植物和重金屬的相互作用是礦區(qū)土壤生態(tài)系統(tǒng)受損的主要原因。部分植物可以有效吸收土壤中的重金屬，并富集到體內(nèi)，不利于植物的正常生長代謝[3]。礦業(yè)活動會釋放毒性較高的鉛、鎘、汞、鉻等重金屬元素，嚴重威脅土壤環(huán)境、水體、空氣以及生態(tài)系統(tǒng)等。

本研究結果表明：鉛鋅礦區(qū)重金屬污染程度高于銅礦區(qū)，以重金屬鉛、鋅污染為主；銅礦區(qū)以重金屬銅、鉛污染為主。試驗中的蒼耳、小白菜、高羊茅、油葵、苦荬菜對礦區(qū)重金屬污染土壤均有一定的修復能力。在銅礦區(qū)樣土中，蒼耳在對鋅、鉻、鎘表現(xiàn)出極強的富集能力，轉運系數(shù)小于1，屬于根部囤積型植物；小白菜表現(xiàn)出較強的轉運能力和良好的富集能力。在修復銅礦區(qū)重金屬污染土壤時，推薦種植蒼耳和小白菜，但小白菜不適合早期種植，避免重金屬通過食物鏈的累積對人體健康等產(chǎn)生危害。在鉛鋅礦區(qū)樣土中，苦荬菜對于鋅、銅和砷表現(xiàn)出較強的富集能力，轉運系數(shù)在1以內(nèi)，屬于根部囤積型植物；蒼耳同樣表現(xiàn)出較強的富集能力和轉運能力[4]。在修復礦區(qū)重金屬污染土壤時，可以將蒼耳作為首選植物品種。

參考文獻

[1] 曾春陽，曾馨怡，鄧昭贊，等.油葵和苦荬菜根際土壤中鎘和鋅的活化機制及修復潛力比較[J].土壤通報，2023，54（2）： 441-453.

[2] 肖乃川，張云霞，宋波，等.廣東省典型富鎘鉛鋅礦區(qū)中優(yōu)勢植物重金屬富集特性與應用潛力[J].環(huán)境污染與防治， 2021，43（3）：343-347，387.

[3] 趙云峰，張濤，田志君，等.礦區(qū)周邊重金屬污染土壤植物修復技術研究進展[J].城市地質，2020，15（1）：22-33.

[4] 馬營澤，楊海波，孟慶偉，等.內(nèi)蒙古某鉛鋅礦區(qū)根際土壤重金屬污染現(xiàn)狀及植物富集特征研究[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學學報（自然科學版），2023，44（6）：29-38.

作者簡介：陳曉輝（1989—），男，浙江湖州人，工程師，研究方向為礦山生態(tài)環(huán)境治理與修復。#通信作者：王瓊（198—），男，正高級工程師，主要從事礦山修復、污染場地治理及固廢處理處置等技術的開發(fā)與推廣應用，E-mail：wangqiong426@126.com。