水土保持植物對礦區污水污染物削減效果的試驗研究

摘要：礦區污水通常含有多種污染物，對水生態安全及人體健康構成巨大威脅。生物凈化技術具有成本低、環境友好等優勢，水土保持植物可用于凈化礦區污水。試驗采用3種水土保持植物處理礦區污水，評估不同植物對特定污染物的削減效果，分析植物生長與污染物去除率的相關性，對比不同植物的生態效應，從而更好地將生物凈化技術應用在礦區污水處理中。

關鍵詞：水土保持植物；礦區污水；污染物；削減效果；生物凈化技術

中圖分類號：X703 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2025）02-00-03

Experimental study on the reduction effect of soil and water conservation plants on wastewater pollutants in mining areas

LI Yaru

（Beijing Zhongshe Fanhua Engineering Consulting Co.， Ltd.， Beijing 102400， China）

Abstract： Mining wastewater usually contains various pollutants， posing a huge threat to water ecological safety and human health. Biological purification technology has the advantages of low cost and environmental friendliness， and soil and water conservation plants can be used to purify wastewater in mining areas. The experiment uses three types of soil and water conservation plants to treat wastewater in mining areas， evaluates the reduction effect of different plants on specific pollutants， analyzes the correlation between plant growth and pollutant removal rate， and compares the ecological effects of different plants， so as to better apply biological purification technology in wastewater treatment in mining areas.

Keywords： soil and water conservation plants; mining wastewater; pollutants; reduction effect; biological purification technology

礦區污水一般含有重金屬、硫化物及有機污染物，其對水生態安全及人體健康構成嚴重威脅。傳統的物理和化學處理技術能有效去除部分污染物，但往往伴隨高昂的運行成本和潛在的二次污染風險。生物凈化技術因其低成本和環境友好性，成為研究的重點。在眾多生物凈化技術中，利用水土保持植物凈化礦區污水顯示出良好的前景。這些植物不僅可以通過根際吸收作用去除溶解性污染物，還能通過植物體內的代謝過程轉化和積累重金屬，通過根系結構穩定土壤，防止水土流失。某礦區年均降水量為350 mm，年平均氣溫為14 ℃。試驗采用3種水土保持植物處理礦區污水，考察不同水土保持植物對礦區污水污染物的削減效果。試驗地點位于礦區廢水排放口下游500 m處，以便捕捉礦區活動對周邊環境的直接影響。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗場地的土壤類型為砂質黏土，土壤pH值為6.8，有機質含量為1.80%，總氮含量為0.30%，磷含量為0.15%。土壤含有多種重金屬，如鉛、鎘和鉻，其含量均超過《土壤環境質量 建設用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB 36600—2018）的二級標準，污染特征明顯。選擇3種水土保持植物，即狗牙根、蘆葦和蒲公英。狗牙根的根系深度為30～40 cm，根系密度為1 500 g/m2；蘆葦的根系深度為50 cm，蒲公英的根系深度為20～30 cm。

1.2 試驗方法

試驗場地設置3個不同的處理區，每個區域面積為100 m2，每個區域內部分為3個重復塊，以確保數據的可靠性。試驗區域平均海拔為980 m，地勢相對平坦，便于植物生長。為模擬礦區污水條件，所有試驗區的灌溉系統均使用經過預處理的礦區污水。污水中，鉛含量為0.8 mg/L，鎘含量為0.5 mg/L，鉻含量為1.2 mg/L。這些污染物含量約為當地環境水體的3倍，以加大處理難度，明顯區分不同植物的處理效果。為保持試驗條件的一致性，灌溉系統設計為滴灌，每天灌溉量保持在5 L/m2，以模擬礦區污水的連續輸入。試驗區的每個處理區都裝有自動監測系統，能實時記錄土壤濕度、溫度和pH值，監測數據每30 min自動更新一次，并通過無線傳感網絡傳輸到主數據庫進行存儲和分析[1]。

1.2.1 試驗操作步驟

首先對試驗區進行徹底清理，除去所有雜草和前期植被，保證植物種植的一致性和可控性。隨后，按照預定的設計布局在每個處理區均勻地種植狗牙根、蘆葦和蒲公英，植物間距保持在15 cm，以免根系相互干擾，確保各自生長空間的最大化。種植完成后，開始定期灌溉，使用經過預處理且符合試驗要求的礦區污水。灌溉系統每日自動啟動2次，每次持續15 min，以確保植物根區的水分和污染物充分接觸。試驗期間，每周記錄植物生長狀況，包括生物量、葉片顏色和根系發育，以監測植物的健康狀態及其對環境的適應性。

在試驗的第1個月和第3個月，從每個處理區收集植物樣本和土壤樣本，用于分析污染物含量和植物對污染物的吸收率。每兩周測定一次出水的污染物含量，以評估植物對污水的凈化效果。所有數據收集和分析工作均嚴格執行實驗室的標準操作程序。試驗結束后，對所有植物進行收割，分離根、莖和葉進行獨立的污染物含量分析，以評估植物各部分對污染物的積累效果。最終，對收集的數據進行統計分析，以確定不同植物在礦區污水處理中的凈化效能。

1.2.2 數據采集與記錄

為了確保數據的精確度，所有數據采集均使用高精度的儀器。污染物含量的測定采用便攜式光譜分析儀，其檢出限為0.01 mg/L，能夠對礦區污水中的鉛、鎘、鉻等重金屬進行精確測量。試驗期間，每周對礦區污水進行3次采樣，每次采樣量為500 mL，采樣點設定在灌溉系統的入口和出口、植物根部周圍。所有采樣都在同一時間段（09：00—11：00）進行，以減少環境因素對樣品的影響。采樣后，樣品立即冷藏并運送至實驗室，采用原子吸收光譜法分析樣品的重金屬含量[2]。植物生長數據包括植物高度、生物量和葉綠素含量，這些數據每兩周測量一次。植物高度使用標尺測量，精確到0.1 cm；生物量則通過剪切植物地上部分，并在105 ℃溫度下烘干至恒重來測定；葉綠素含量通過葉綠素測定儀進行非破壞性測量，確保數據的一致性和可比性。所有數據均輸入至專門設計的數據庫，數據庫支持實時數據更新與存儲，并具備高級數據分析功能，能夠自動計算污染物的平均削減率和植物吸收率。數據庫還設置數據完整性檢查模塊，確保輸入數據準確無誤。

1.2.3 試驗后處理

在試驗的最后一天，使用不銹鋼剪刀在植物根莖處剪斷，確保植物的地上部分完整。收集的植物樣本隨即被帶回實驗室，分別測量并記錄其濕重。隨后，樣本在溫度105 ℃的烘箱中烘烤24 h，直至達到恒重，以便計算植物的干重。為了評估植物對重金屬的吸收和積累效果，將烘干后的植物樣本進行粉碎，利用酸消化法提取植物組織中的重金屬。具體方法為將粉碎后的樣本置于含有硝酸和高氯酸混合溶液的消化管中，在160 ℃溫度下加熱消化4 h，消化后的溶液經過冷卻和稀釋，用原子吸收光譜法測定鉛、鎘、鉻等重金屬的含量。試驗場地也進行徹底的清理和恢復，確保場地對環境無進一步影響。首先移除所有灌溉設備，然后對土壤進行翻耕，深度達到30 cm，以稀釋和分散土壤中殘留的重金屬。隨后，在試驗區域撒播草籽，促進土地的自然恢復[3]。

2 試驗結果與分析

2.1 污染物削減效果評估

試驗開始前，礦區污水的初始測定結果顯示，鉛含量為0.82 mg/L，鎘含量為0.47 mg/L，鉻含量為1.25 mg/L。通過精確測定試驗結束時的污水樣本，評估各種植物對污染物的去除率。試驗期間，狗牙根表現出顯著的污染物去除能力，最終水樣中，鉛、鎘和鉻的含量分別降至0.33、0.24、0.44 mg/L，去除率分別為59.76%、48.94%和64.80%。蘆葦的去除率更為突出，試驗結束時，鉛、鎘和鉻的含量分別降至0.21、0.14、0.25 mg/L，去除率分別為74.39%、70.21%和80.00%。蒲公英也表現良好，最終鉛、鎘和鉻的含量分別降至0.37、0.19、0.63 mg/L，去除率分別為54.88%、59.57%和49.60%。

2.2 植物生長與污染物去除率的相關性分析

試驗期間，狗牙根的生物量從初始的15 g增加至55 g，蘆葦從20 g增加至85 g，蒲公英從10 g增至40 g。同時，與這些生物量增加相對應，鉛、鎘和鉻的含量顯著降低。具體而言，狗牙根的生物量增長與鉛去除率的相關系數為0.89，鎘為0.85，鉻為0.82，顯示出極強的正相關。蘆葦的生物量增長與鉛、鎘和鉻的去除率的相關系數分別為0.92、0.90和0.95，其生物量的增加對污染物削減有極其重要的影響。蒲公英生物量增長較少，但其與鉛、鎘和鉻去除率的相關系數也分別達到0.75、0.78和0.70。數據表明，生物量的增加與污染物的去除率存在顯著的正相關，植物吸收和累積更多污染物的能力隨著其生物量的增加而提高[4]。

2.3 不同植物的生態效應對比

狗牙根因其對土壤侵蝕控制的高效能而被廣泛應用于水土保持。其根系結構能有效固土防風，減少徑流，這對修復土地破壞嚴重的礦區環境尤為重要。狗牙根的稠密根系還能提高土壤的孔隙度，改善土壤結構，從而增加污染物在土壤中的過濾和降解速率。蘆葦是常見的濕地植物，其強大的根莖系統提高水體中污染物的沉積和吸附能力，獨特的根際作用可以改善周圍的微生物環境。這種微生物促進作用使得蘆葦能在重金屬污染的水體中恢復生物多樣性，有助于重建礦區受損的生態系統。蒲公英在生態修復項目中應用較少，但其對逆境的強適應能力使其能在貧瘠的土壤中生存。蒲公英的根系可以釋放有機酸，增加土壤中重金屬的生物可用性，其可通過生物轉化機制將這些重金屬安全地積累在地上部分，減輕土壤污染。每種植物污染物去除率有所不同，其生態效應和對環境的貢獻也具有一定差異，如表1所示。

2.4 討論

從污染物削減效果評估來看，蘆葦在去除鉛、鎘和鉻方面的效率最高，分別達到74.39%、70.21%和80.00%。蘆葦具有非常強的污染物處理能力，在處理含鉻污水方面表現出色。狗牙根和蒲公英的污染物去除率稍低，但仍表現出可觀的凈化潛力。經植物生長與污染物去除率的相關性分析，生物量增加與污染物去除能力存在顯著的正相關。植物的快速生長不僅能夠增加生物量，還能有效提升其污染物去除率。蘆葦具有快速且茂盛的生長特性，能夠提供更大的表面積進行污染物的吸收和固定。考慮不同植物的生態效應，蘆葦污染物去除效果顯著，可以改善微生物環境，促進生態系統恢復。蘆葦的根際效應能夠促進周圍微生物的多樣性和活性，有助于生態系統的整體恢復。狗牙根在土壤保持和防止水土流失方面表現優異，尤其適用于土壤侵蝕嚴重的礦區。

3 結論

在礦區污水處理中，水土保持植物顯示出顯著的污染物削減能力，生態恢復潛力巨大。蘆葦不僅在重金屬去除率上表現優異，還在促進生態系統功能恢復方面發揮重要作用。根據獨特的生理和生態特性，不同植物在不同環境條件下展現出不同的凈化效果。因此，要科學選擇水土保持植物，提高污水處理效率，促進受損生態系統的恢復。總之，不同植物的詳細比較和評估可以為礦區污水處理提供科學有效的生物凈化策略。

參考文獻

1 史中奇，王 猛，譚 軍，等.植被緩沖帶對烏梁素海區域農業面源污染的削減效果[J].水土保持學報，2022（3）：51-56.

2 王帥兵，王克勤，李秋芳，等.植草帶對紅壤坡耕地面源污染物輸出的削減效果[J].水土保持通報，2013（1）：1-7.

3 常翠英.基于水土保持和面源污染調控的小流域植被結構優化研究[D].武漢：華中農業大學，2020.

4 張 楠.紅壤柑橘園不同生草模式的水土保持和污染物削減效應研究[D].武漢：華中農業大學，2019.

收稿日期：2024-12-11

作者簡介：李雅茹（1986—），女，天津人，工程師。研究方向：生態、水利。