鋁土礦礦區生態環境現狀及植物修復技術研究進展

摘 要：隨著經濟社會的發展，鋁土礦礦山開采活動愈加頻繁，但不合理的開發利用導致生態環境問題日益突出。植物修復技術可以有效改善土壤質地，減少水土流失現象，還能提高生物多樣性和生態系統的整體穩定性，從而為礦區的可持續發展奠定堅實的生態基礎。研究針對鋁土礦礦區生態環境現狀，梳理了當前鋁土礦開采區域植物修復技術的研究進展，以期為鋁土礦礦區生態修復提供新思路，以及為植物修復技術相關研究提供參考與啟發。

關鍵詞：鋁土礦；生態環境；植物修復；聯合修復

中圖分類號：X171.4 文獻標志碼：A 文章編號：1674-7909（2024）18-113-5

DOI：10.19345/j.cnki.1674-7909.2024.18.027

0 引言

鋁土礦是對工業上能利用的，以三水鋁石、一水軟鋁石或一水硬鋁石為主要礦物組成的礦石的統稱，屬于不可再生資源［1］。鋁土礦在工業體系中占據重要地位，是生產金屬礦、磨料及水泥等重要工業產品的原料。我國作為世界工業大國，同時也是世界主要鋁生產國和消費國，鋁土礦資源在我國經濟社會發展中發揮著重要作用。然而，鋁土礦資源的開發與利用在推動經濟發展的同時，也導致了一系列礦山生態環境問題。過度開采礦山破壞了原有的地形地貌和自然景觀，易引發崩塌、滑坡、泥石流等地質災害，同時導致礦區植被破壞、土壤重金屬污染、水資源污染等，對周圍生態環境造成嚴重破壞［2］，從而制約區域經濟的可持續發展。因此，如何有效修復鋁土礦山生態系統，成為亟待解決的問題。

植物修復技術是指利用植物在進行物質運輸、新陳代謝等生命活動時，能夠從土壤中轉移、容納或轉化污染物，實現環境污染修復的一種技術手段。其因投資小、適應范圍廣、不破壞土壤結構和無二次污染等特點，被視為一種極具發展前景的礦區環境修復技術［3-4］。近年來，植物修復技術在鋁土礦生態修復中的應用引起了國內外研究者們的廣泛關注［5］。采用植被修復技術，不僅可以有效改善土壤質地，減少水土流失現象，還能提高生物多樣性和生態系統的整體穩定性，從而為礦區的可持續發展奠定堅實的生態基礎。為踐行“綠水青山就是金山銀山”的綠色發展理念，推動礦業經濟實現全面轉型升級與高質量發展，確保鋁土礦開采活動與生態環境保護實現和諧共生、協調發展。在深入剖析鋁土礦開采區域所面臨的生態環境問題的基礎上，梳理了當前鋁土礦開采區域植物修復技術的研究進展，旨在為鋁土礦礦區植物修復相關研究提供有價值的參考與啟發。

1 鋁土礦礦區生態環境問題

鋁土礦不合理的開發利用會導致土地退化、水土流失、土壤重金屬污染及生物多樣性降低。其中，土地退化是一個逐漸積累且難以逆轉的過程。在鋁土礦開采過程中，大量植被被破壞，導致礦山區域生物多樣性大幅度下降。同時，大面積的土壤和巖石暴露于環境地表，長時間受到風雨的侵蝕，加劇了水土流失和土地退化現象［6］。此外，采礦設備在礦區長時間且頻繁地運行會壓實土壤，打亂土壤層次，破壞土壤結構和孔隙度，進而降低土壤通氣性、透水性和土壤肥力［7-8］。鋁土礦礦渣除了含有大量的鋁、鐵、鈣、鎂、錳、鉀等成分外，還含有鎘、鉻、鉛、汞等重金屬元素［9］。在礦石開采和尾礦處理等過程中，這些金屬元素可能會被活化，以離子形態隨著地表水遷移到土壤中［10］。這些重金屬在土壤中具有較強持久性，難以被降解或者自然去除，長時間積累會導致重金屬含量超過土壤環境的承載力，抑制土壤微生物活性，影響土壤生物化學過程，從而對土壤生態系統造成嚴重破壞。因此，鋁土礦的不合理利用不僅影響了礦區的生態環境，還制約了礦區的可持續發展，降低了土地資源的利用價值，增加了環境治理和生態修復的難度和成本。

2 植物修復技術方式

目前，植物修復技術主要包括植物揮發、植物固定和植物提取3種方式［11］。

①植物揮發技術，是指利用植物根系分泌物將重金屬轉化成氣態物質并揮發到大氣環境中的技術［12］。例如，酢漿草能有效處理汞污染的土壤，其根部能將吸收的汞轉化為易揮發的化合物，從而減少土壤中的汞含量［13］。但植物會將含有重金屬的污染物質揮發到大氣，易對大氣環境造成二次污染［14］。因此，在應用植物揮發技術時，需要對植物揮發出的污染物質進行再處理。

②植物提取技術，是指利用植物根系從土壤中吸收、轉移、富集重金屬元素到植物地上部分（莖、葉等），再對地上部分進行收割處理的技術［15-16］。超積累植物具有發達的根系和對重金屬的強耐性［17］，因此，在礦區常種植此類植物進行環境修復，如龍葵和印度芥菜常用于修復含有鎘的礦區土壤［18］、陸商能富集錳［19］、羽葉鬼針草能富集鉛［20］等。植物提取技術在礦區重金屬污染土壤修復中應用較為廣泛，但大部分超積累植物生物量較小、生長速度較慢，影響礦區土壤修復效率。

③植物固定技術，是指利用植物根系積累、吸附、沉淀、轉化土壤中的重金屬，從而降低重金屬元素的移動性和生物可利用性的植物修復技術［21-22］。利用植物固定技術能夠修復鐵、錳、鎘、鉛、鋅、鉻、銅、砷、鎳等金屬污染的礦區土壤，如PAN等［23］發現牛筋草、劍葉鳳尾蕨對固定鉛起到很大作用。但植物固定技術僅能短時間內固定土壤中的重金屬，無法徹底移除，環境條件的改變可能會導致重金屬離子再次變得活躍并恢復其毒性。因此，當前植物固定修復技術仍有待進一步完善。

3 鋁土礦礦區植物的篩選和配置

植物修復鋁土礦礦區污染土壤的重點在于篩選和培育能在礦區污染環境下正常生長、生物量較大、對污染物有一定吸收和富集能力的植物，以達到提高植物修復效率的目的。植物通過呼吸作用生成的碳酸及根系分泌的檸檬酸等有機酸，能夠促進鋁土礦受污染土壤中磷、鉀、鈣等元素的吸收，并加速堿性礦物的溶解［24］。

綜合當前研究，目前常用于修復礦區污染土壤的植物有豆科、唇形科、十字花科、玄參科、菊科、大戟科等［25］。XUE等［26］研究發現，蕨、大白茅、狗牙根、商陸、土荊芥等能在錳平均質量分數80 000 mg/kg的尾礦廢棄區域正常生長，表明這些植物對錳具有耐受性。豆科植物與根瘤菌在長期生長過程中形成共生固氮體系，不僅能促進植物生長，提高土壤肥力，還能顯著改善土壤微生物環境，有利于礦區土壤向健康方向發展［27］。李浩聞等［28］研究發現，在7種固氮豆科植物中，田菁、紫云英和小冠花對鋁土礦復墾土壤的適應性較強，能顯著提高鋁土礦復墾土壤的pH值、速效K、Al3+、有機質含量及生物固氮量。微量的鋁可以刺激一些植物的生長［29］，但濃度偏高會發生毒害，對植物的光合作用、營養元素的吸收和抗氧化酶活性等都會產生不利影響［30-31］。有研究表明刺槐能夠耐受鋁脅迫，鋁脅迫能顯著增加刺槐葉片和莖中的碳氮比，并能夠引起一系列代謝水平的變化［32］。王麗麗［33］在研究礦區的植被重建與生態恢復過程中，通過在礦區種植刺槐和紫穗槐混合草地，以及沙打旺、苜蓿和長芒草混合草地，發現隨著復墾時間的延長，礦區的土壤養分含量與微生物群落結構均得到了明顯的改善。除了豆科植物外，泡桐、桉樹等植物也具備一定的耐鋁性。杜慶松等［34］研究發現，泡桐能耐受物質的量濃度為0.3 mmol/L的鋁毒，且泡桐生長快，耐干旱瘠薄，可將其作為修復鋁土礦區重金屬污染土壤的植物。桉樹在鋁脅迫的環境下，通過維持較高的可溶性蛋白質和可溶性糖含量，保持較低的質膜透性和膜質過氧化水平，展現出強大的適應性；此外，桉樹體內脯氨酸水平也保持在較高范圍且變化幅度大，各項生理指標的變化均傾向于能夠促進桉樹生長，表明桉樹具備抵御鋁毒害的能力［35］。

綜上研究，不同植物對鋁土礦環境的耐受能力不同。因此，在選擇環境修復植物種類時，應根據具體環境條件和種植需求進行綜合考慮。科學、合理地配置植物種類和種植密度，能夠優化礦區生態系統結構，提高其生態系統的穩定性、抵抗力和可持續性。在采礦平臺、工業場地等坡度較為平緩的區域，可以采用喬木、灌木、草本植物相結合的植物配置方式［36］。在一些土層較薄的區域，可以通過改進種植技術，如采用覆土種植、客土換土等措施，為植物生長提供良好的土壤條件；也可以通過施加有機肥、鈣鎂磷肥等肥料，改善土壤物理性狀和化學養分，為植物生長提供良好營養條件，從而確保植物能夠在礦區的惡劣環境下健康生長，促進礦山生態修復。

4 植物聯合修復技術

4.1 微生物-植物修復技術

土壤中通常棲息著豐富的微生物群落，這些微生物能夠增強植物對重金屬的耐受力，進而提升植物修復污染土壤的效率。鋁離子能誘導植物體內發生過氧化反應，導致植物細胞內的活性氧含量增加、線粒體功能受損，抑制植物根系生長［37］。但也有研究表明，接種叢枝菌根真菌可以提高植物對鋁離子的耐受性，因為接種后叢枝菌根真菌與植物形成的菌根具有龐大的根外菌絲，這些菌絲能夠在一定程度上替代根系的功能，吸收養分和水分供植物體使用，從而緩解了鋁離子的脅迫下植物因養分缺乏而導致的根系受損情況［38］。微生物群落對土壤中金屬的遷移循環具有重要影響，叢枝菌根真菌能夠產生球囊霉素蛋白，這種蛋白能有效螯合封存土壤中的活性鋁，從而有效降低植物受到鋁離子的毒害［39］。鋁土礦采礦區土壤含氮量較低［40］，豆科植物根系分泌的類黃酮能誘導根瘤菌結瘤基因的表達并分泌結瘤因子，促進豆科植物根瘤形成，增加氮素固定，從而緩解土壤缺氮影響［41］。可見，微生物在生態環境植物修復過程中起到重要作用，不僅有助于植物生長和養分吸收，還能提高植物對重金屬的耐受能力。這為鋁土礦礦區生態修復提供了新的思路和方法。

4.2 化學法-植物修復技術

化學調節劑-植物修復組合能有效修復礦區受污染土壤，是因為化學調節劑能與金屬元素發生一系列化學反應，改變土壤性質，提高受污染土壤中重金屬元素的遷移率，促進重金屬元素在植物體內積累，從而降低土壤中的重金屬含量。常見的化學螯合劑有乙二胺四乙酸、氨基三乙酸、檸檬酸、水楊酸等［42］。施加外源檸檬酸、馬來酸、褪黑素等螯合劑，均能提高植物在鋁脅迫條件下的耐受力和抗逆性。例如，在鋁脅迫條件下，添加0.5 mmol/L的水楊酸能顯著提高藍莓葉綠素含量、滲透調節物質含量、抗氧化酶活性 ［43］，添加60 μmol/L的復合有機酸能減輕菊芋在鋁脅迫下的DNA損傷程度［44］，添加復合螯合劑能顯著提高棉花對鎘的吸收［45］。植物激素通過影響植物生理指標，促進植物生長和生物量積累，提高重金屬元素在植物體內形成螯合物的效率，增強植物對重金屬元素的富集能力［46］。例如，在鋁脅迫條件下，添加20 μmol/L褪黑素能夠促進紫花苜蓿生物量積累、根系生長，增強鋁的吸收能力，緩解鋁毒對植物造成的損傷［47］。

4.3 物理法-植物修復技術

物理法-植物修復主要通過在受污染土壤的植物附近設置一定強度的電場，以提高植物對污染物的去除效果。一方面，電場可以驅動更多的金屬離子進入植物根系，促進金屬元素在植物體內的積累，提高植物對金屬元素的去除效率。另一方面，電場可以作用于植物，增加其生物量和增強抗氧化酶活性，進而提高植物對重金屬的吸收和富集能力。有研究發現，直流電場能夠控制重金屬絡合物遷移方向和速率［48］。陳海峰等［49］研究發現，在垂直電場作用下，黑麥草生物量隨著電流強度的增加而增加，且其地上和地下部分的銅含量也顯著增加。交流電場可以促進水電解產生的H+和OH-中和，調節土壤pH，從而提高植物對污染物的去除效果。

5 結論與展望

5.1 結論

①鋁土礦礦區面臨著諸多生態環境挑戰，不僅威脅到生態系統的穩定性，還削弱了礦區的生態服務功能，亟須采取有效的修復與保護措施。植物修復技術作為生態修復的重要手段，具有環保、經濟等優點，同時能夠保持土壤結構和生態功能，促進生物多樣性增加。

②利用植物修復技術修復鋁土礦礦區生態環境時，應根據當地的具體環境條件和種植需求，選擇耐瘠薄、耐干旱、耐鋁脅迫的植物。在坡度平緩的地塊，應采用喬木、灌木和草本植物的復層搭配，以優化生態系統結構，增強生態系統的穩定性和抵抗力。

③為進一步提升植物修復礦區生態環境的效果，可以采用微生物-植物修復、化學法-植物修復、物理法-植物修復等聯合修復技術。

5.2 展望

不同植物對鋁等金屬的耐受性和富集能力存在差異，因此應積極探索發現更多具有較強耐受性和吸附能力的植物，幫助鋁土礦礦區生態環境的修復。此外，還應探索采用基因工程等先進技術，提升植物對重金屬的富集能力。目前，植物聯合修復技術的應用相對單一，應探索綜合多種修復技術，構建復合修復體系，進一步提高植物修復效率。此外，在鋁土礦礦區生態修復后，應建立長期化、常態化生態監測與評估機制，以提高生態維護成效。

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作者簡介：王嫚（1996—），女，碩士，研究方向：森林培育。

通信作者：田鴻（1995—），女，碩士，研究方向：森林培育。