植物修复铀尾矿库退役后流出的铀离子污染因素分析

孟祥鹏 刘 永

(1.南华大学核资源与核燃料工程学院；2.南华大学)

植物修复铀尾矿库退役后流出的铀离子污染因素分析

孟祥鹏1刘 永2

(1.南华大学核资源与核燃料工程学院；2.南华大学)

根据植物修复技术研究应用的发展，结合铀矿冶尾矿库实际情况，从铀尾矿库污染区域概况、植物选择、农艺措施、管理措施4个方面，探讨了运用植物修复技术应考虑的因素，为植物修复铀尾矿库退役后流出的铀离子污染提供参考借鉴。

铀尾矿库 污染 植物修复 因素分析

近年来，越来越多的铀尾矿库将退役或已经退役后的铀尾矿库对环境产生了严重的影响，尽管有关部门采取了一定的措施，也取得了一定的成效，但我国已经退役的铀矿冶尾矿库存在的问题依然严峻。铀矿冶废石由于含有一定量的铀，铀离子通过悬浮、风化、剥蚀、渗滤和地表水、暴雨的冲刷等作用而迁移流动，使污染进一步扩大，对生态环境造成更大的危害。特别是近年来很多铀矿山实施堆浸工艺，其尾矿中铀品位普遍高于0.02%，这样的尾矿将使污染问题变得更加严重。

植物修复是指利用植物固定、提取、降解或转化土壤中的污染物[1-2]。与物理法和化学法相比，植物修复方法具有成本低廉，对土壤的扰动小，二次污染小的特点。经过多年发展，铀污染植物修复技术已经取得了一定的成就。然而，铀尾矿库污染问题的复杂性，植物修复技术的局限性，使得合理运用植物修复技术需要结合铀尾矿库的实际情况，考虑多方面的因素。基于此，从以下4个方面讨论了植物修复铀尾矿库退役后流出的铀离子污染应考虑的因素，为使用植物修复技术治理铀尾矿库退役后流出的铀离子污染提供了参考借鉴。

1 铀尾矿库铀离子污染区域情况

利用植物修复铀尾矿库退役后的铀离子污染首先需要调查铀尾矿库铀离子的污染情况，及对铀尾矿库进行全面考察，考察内容主要包括气候条件，土壤理化性质。

1.1 气候条件

气候条件是影响植物生长的重要因素之一。植物的蒸腾作用对铀离子在植物体内的迁移提供驱动力，而植物的蒸腾作用的效率取决于光照、温度等气候条件。光照对植物蒸腾作用的影响是能引起气孔的开放，减少内部阻力，当温度升高时，大气与叶片温度升高，增加叶内外蒸汽压差，二者都会加快蒸腾速率，而霜降会影响植物修复周期长短。我国铀尾矿库分布在十几个省，数十个县，所跨地域面积大，气候变化较大。以湖南和新疆为例，湖南境内多年平均降水量在1 200～1 700 mm，属于雨水充沛地区，日照时数为1 300～1 800 h，全年无霜期长达260～310 d，新疆境内年平均降水量在50～200 mm，日照时数为2 550～3 500 h，新疆北部全年无霜期为100～150 d。因此，合理运用植物修复技术应充分考虑各地气候差异，结合历史气象数据，对当地气候进行具体分析。

1.2 土壤理化性质

土壤是植物生活的基质，为植物生长提供必要的矿物质和水分。土壤成分、肥力、土壤结构、酸碱性等因素都会影响植物的生长发育情况。铀污染土壤的类型会影响植物富集铀的效率，Shahandeh等[3]的研究表明，只有在酸性土壤和碳酸盐矿物的碱性土壤，铀富集才有一定的效果。

铀尾矿库污染土壤是高浓度的复合污染，因为铀尾矿库流出物不仅有铀离子，还含有伴生的重金属离子，如铅、铜、镉，这些重金属离子的超标排放会造成铀尾矿库土壤重金属离子污染。例如某铀尾矿库周围土壤铅含量为224 mg/kg、铜含量为 225 mg/kg，远超国家标准土壤铅含量26.9 mg/kg、铜含量22.6 mg/kg。部分铀富集植物对含量较高的重金属离子会表现出中毒症状，因此选择修复植物时，还应充分考虑修复植物对浓度超标的重金属离子的耐受性。部分重金属离子的存在也会影响铀富集效果，Viehweger等[4]的研究表明，拟南芥属植物的根和芽在缺铁的营养液中会大幅增加对铀的富集效果。所以在应用植物修复技术前，应对铀污染土壤中重金属离子的含量做全面的调查，为合理选择修复植物奠定基础。

铀尾矿库渗水可能造成土壤pH值的改变，不同的土壤pH值会改变铀离子的化学存在形态，当土壤pH值为4.5时，铀主要以铀酰离子形式存在；当土壤pH值为5.2时，铀以羟基络合物的形式存在；当土壤pH值为6时，铀以碳酸盐形式存在，铀不同的存在形式会影响植物富集效果。李跃等[5]研究表明，小球藻在pH值为6时，达到最大吸附量1.92 mg/g，而在pH值为2时，吸附量只有0.33 mg/g。因此，在选择修复植物后，应在试验室确定该植物最佳富集效果的pH值，在以不影响修复植物生长限度的情况下，通过施用石灰、石膏或有机肥使土壤达到最佳效果的pH值。

2 植物选择

选择合适的修复植物至关重要，近年来，越来越多的植物已被发现适宜作为铀富集植物。徐俊等[6]采用营养液结合土壤培养的方法，在 100 mg/kg 土铀条件下，研究了菠菜、小白菜和冬苋菜对铀的耐性及土壤中铀吸收积累差异。实验表明，与小白菜和冬苋菜相比，菠菜对土壤中的铀具有更高的吸收和积累能力，其地上部分铀含量为232 mg/kg，地下部分达到433 mg/kg。唐丽等[7]采用土壤盆栽实验，研究了十字花科、锦葵科、菊科共十种植物在100 mg/kg铀浓度土壤中对铀的吸收积累能力，其中特选榨菜富集铀能力最高，其地上部分铀含量为1 115 mg/kg，富集系数达到11.15。一般来说，选择修复植物应从以下几方面考虑：

(1)修复植物应选择已被证实对铀有富集作用的植物，不宜选择尚未证实对铀有富集作用的植物。

(2)修复植物应有发达的根系，铀尾矿库铀土壤污染深度较深，植物的主根应达到铀污染区域，保证在修复过程中，植物根系必须和污染物接触，部分铀富集植物根系较浅，不适用于铀尾矿库铀污染土壤的修复。

(3)选择植物还应避免造成外来物种入侵当地生态环境，以降低生态风险，因此最好选择本地物种，避免使用外来物种。同时植物选择还应兼顾生长周期短，生物量大等特点。

3 农艺措施

作为植物修复强化技术，农艺措施可以有效地提高土壤铀污染的修复效率，主要包括作物的栽培、育种、土壤管理、改良剂的添加、病虫害防治等。草本植物一般选择直播或移栽，木本植物选择移植或扦插进行种植。种植时间应依据以往历史气象数据，确定最佳种植时间。

改良剂包括土壤改良剂和螯合剂两类。土壤改良剂包括绿肥、粪肥、作物秸秆、尿素等。土壤改良剂会改变土壤理化性质，促进植物生长，提高生物量，进而提高植物体内铀含量，降低土壤内铀含量；螯合剂包括苹果酸、柠檬酸等。Duequene等[8]用可以降解的螯合剂(柠檬酸，柠檬酸铵和柠檬酸混合物，EDDS和NTA)强化印度芥菜和黑麦草对铀的提取，发现加入螯合剂可以增加铀在土壤水溶液中的浓度，相比于空白组，铀的浓度增加18倍。添加EDDS使印度芥菜上部铀富集浓度增加了19倍。Chang等[9]施加柠檬酸后发现印度芥菜叶部累积的铀可达2 000 mg/kg，油菜根部则高达3 500 mg/kg。万芹芳等研究发现，有机肥会降低植物上部对铀的富集，而柠檬酸会促进植物上部对铀的富集。因此，为达到植物富集铀含量最大化应合理选择改良剂的添加量及比例。

植物的病虫害防治是农艺措施中的重要工作，对植物的正常生长有重要影响。以现有技术水平，施用化学农药仍然是防治植物病虫害的重要手段。在施用化学农药的过程中，应选择一些降解快、残毒小的农药，避免造成二次污染。

目前，多种植物混合种植已经成为植物修复技术的新趋势。多种植物的混合种植抵御外来物种入侵、抗虫病、修复效果均好于单一植物种植。选择植物混合种植修复时，在使铀离子去除率最大的前提下，应通过试验室或田间实验确定植物混合种植密度、灌溉周期、改良剂添加量等的最佳比例组合。

4 管理措施

植物修复周期相对物理法和化学法比较漫长，所以在植物修复过程中应进行必要的管理措施，以保证植物修复效果。管理措施应当贯穿植物修复的全过程，包括植物的选择、种植、灌溉、施肥、除草、喷药、病虫害防治、植物收割与植物处理。

管理部门应考虑对突发重大自然灾害，如霜降、冰雹、特大暴雨等给修复植物造成的灾害，建立突发事件应急预案，健全突发事件应急体系。铀尾矿库不是封闭的生态系统，还应避免铀污染通过其他途径传播，如铀通过植物的花粉传播，耕地所产生的粉尘，动物通过食用修复植物造成体内铀含量超标。由于铀污染的特殊性，在修复植物生长期间，对植物的碎叶、死亡的植物应当做到及时处理，避免二次污染。植物收获后的处理方式，如焚烧、填埋等做到全程监控，避免污染物流出。

植物修复过程中需要定期检测铀污染土壤内铀浓度的变化，植物体内铀浓度变化，随时观察植物的生长情况，采取适当方法提高植物的根系长度。对植物修复过程中发现的新情况、新问题应及时妥善处理。

5 结 语

植物修复技术尽管自20世纪80年代兴起以来，取得了长足的进步，但在实际运用过程中还有一定的限制性，通过从铀尾矿库污染区域概况、植物选择、农艺措施、管理措施4个方面探讨了利用植物修复铀尾矿库退役后流出的铀离子污染问题所需考虑的因素。随植物修复技术研究的不断深入，越来越多的因素被发现可以影响植物修复效果，而铀尾矿库本身是一个复杂的生态系统，所以合理选择植物修复技术还需考虑诸多因素，如铀尾矿库土壤内微生物生长及分布情况，对某些污染严重的铀尾矿库可以考虑运用多种修复技术的联合运用，如植物-微生物联合修复，电压-植物联合修复等。总之，只有充分掌握铀尾矿库的污染情况，了解应用植物修复所应考虑的因素，才能使植物修复技术更成功的应用到铀尾矿库退役后流出的铀离子污染修复中去。

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2015-03-23)

孟祥鹏(1992—)，男，硕士研究生，421001 湖南省衡阳市常胜西路28号。