麻阳铜矿废弃地土壤重金属污染现状及修复研究

叶 漪，刘 浩，梁 娟，

(1.民族药用植物资源研究与利用湖南省重点实验室;2.怀化学院 生命科学系，湖南 怀化 418008)

矿山开采过程中所产生的尾砂、废矿石等大量固体废弃物不仅需要大面积的堆置场地，而且对原有生态环境造成了严重破坏.它们一方面直接侵占并破坏土地，影响植被生长，另一方面尾砂、废矿石的长期堆放导致重金属元素通过地表径流、大气飘尘等污染土壤，并通过食物链影响人体健康[1-4].因此，开展矿区废弃地土壤重金属污染及修复研究，既是缓解人地矛盾和矿区环境建设的需要，同时又是促进矿区可持续发展的有效途径[5].但矿区废弃地土壤结构性差，有机质含量及植物必需的养分元素(尤其是氮、磷、钾)缺乏，同时重金属含量高，不利于植物生长及其它生物活动，恢复起来十分困难[6].

麻阳铜矿为湖南省最大的铜矿，开采历史久远，产生了大量的废弃地，如尾砂库和废石场，对当地土壤和植物产生了不同程度的影响[7].本研究通过调查麻阳铜矿废弃地土壤重金属污染现状，对比分析人工修复区和非人工修复区土壤及植被状况，探索其土壤修复的方法，以期为麻阳铜矿废弃地的生态修复提供一定的基础资料.

1 研究方法

1.1 研究区概况

麻阳铜矿位于湖南西部麻阳县和辰溪县交界处(27°56'N，110°04'E)，平均海拔160 m.含铜矿物以自然铜为主，占85%以上，其次为辉铜矿，氧化矿物以赤铜矿、孔雀石为主.麻阳铜矿具有日采选铜矿石600 吨，年产电解铜3 000 吨生产能力，系湖南省最大的铜矿[8].麻阳铜矿开采历史久远，现已形成两个大的尾砂库(旧尾砂库、新尾砂库)以及多个废石场，曾对尾砂库与废石场进行过人工修复，其中旧尾砂库部分区域进行过客土覆盖，废石场部分区域进行了植物种植.

1.2 采样点设置

共调查了旧尾砂库、新尾砂库、废石场、旧尾砂库人工修复区以及废石场人工修复区等5个地类，其中，旧尾砂库人工修复区是在尾砂上覆盖了一层土壤(约5 cm 厚)，废石场人工修复区是在废石场上直接进行植物的栽植.每一地类采用对角线法进行表层土壤的多点混合采样及重金属含量测定，所采集土壤均带回实验室进行后续分析.

1.3 土壤重金属含量测定

采用INNOV-X 便携式重金属分析仪对各地类土壤重金属元素(如Cr、Cu、Zn 等)进行测定.

1.4 土壤重金属污染评价

采用《土壤环境标准质量(GB15612—1995)》中的3级评价标准[9]，对土壤重金属污染进行评价，如表1.

表1 土壤环境质量3级标准值(mg/kg)

评价方法采用中国绿色食品发展中心1994年编制的《绿色食品产地环境质量现状评价纲要 (试行)》中推荐的单项污染指数法[10].

单项污染指数法:Pi=Ci/Si

式中:Pi为污染指数;Ci为污染物实测值;Si为污染物的标准值;i代表某种污染物.

根据P值变幅，将土壤质量划分等级，具体土壤质量分级标准见表2.

表2 土壤中各元素污染程度分级标准

1.5 土壤理化性质的分析

对所采集回来的土壤进行土壤pH值、有机质含量的测定，其中土壤pH值测定采用水土比2.5:1 酸度计法，土壤有机质采用重铬酸钾容量法[11].

1.6 各地类植被调查

对比调查旧尾砂库及其人工修复区的植被组成情况.

2 结果与分析

2.1 各地类土壤重金属含量及评价

各地类土壤重金属含量见表3，由此可以看出，旧尾砂库、新尾砂库、废石场Cu 含量极高，均超过了标准值，其中含量最高的是新尾砂库，Cu 含量为1 605.8 mg/kg，是标准值的4倍，其次是旧尾砂库.而尾砂库人工修复区和废石场人工修复区的Cu 含量均未超出三级标准.其它重金属元素Zn、As、Pb、Cr 等含量在各地类均比较低，均未超出三级标准.

表3 麻阳铜矿废弃地各地类土壤重金属含量

分析各元素的单项污染指数(表4)，发现大部分地类存在不同程度的Cu 污染，其中新尾砂库Cu元素单项污染指数大于3，表现为重度污染，旧尾砂库表现为中度污染，废石场表现为轻度污染，但尾砂库人工修复区和废石场人工修复区Cu元素单项污染指数均小于1，表现为非污染.其他重金属元素Zn、As、Pb、Cr的污染指数均小于1，表现为非污染.

综合可知，矿区各地类污染程度表现为:新尾砂库＞旧尾砂库＞废石场＞废石场人工修复区＞尾砂库人工修复区.

表4 麻阳铜矿废弃地各地类土壤重金属污染指数

图1 麻阳铜矿废弃地各地类土壤pH值

2.2 各地类土壤肥力状况

麻阳铜矿废弃地各地类土壤肥力状况(pH值、有机质)如图1、2.从图1可以看出，各地类土壤pH值在8.19～9.43之间，其中废石场、旧尾砂库、新尾砂库土壤pH值大于8.5，碱性较强，而尾砂库人工修复区、废石场人工修复区相对于尾砂库、废石场而言pH值都有明显的降低.

从图2可以看出，各地类有机质含量在0.12%～0.86%之间，均比较低，尤其是尾砂库、废石场以及矿脉地表露头区.但尾砂库人工修复区以及废石场人工修复区土壤有机质含量分别为0.86%、0.65%，两者均要显著高于尾砂库以及废石场.

表5 麻阳铜矿废弃地尾砂库人工修复区植被组成情况

图2 麻阳铜矿废弃地各地类土壤有机质含量

综合可知，矿区废弃地土壤肥力状况表现为:尾砂库人工修复区＞旧尾砂库，废石场人工修复区＞废石场.

2.3 尾砂库及其人工修复区植被组成特征

调查发现，新尾砂库中没有任何植物的分布，旧尾砂库只有在库区边缘地带有少量白茅、节节草、头花蓼的分布.而尾砂库人工修复区植物种类较丰富，共调查到植物44种，隶属20 科，其中菊科8种、禾本科7种、蔷薇科5种、豆科4种、蓼科2种(表5).从生态型来看，以多年生草本(27种)和1年生草本(4种)植物为主，木本植物为13种，主要以低矮的灌木和藤本为主.头花蓼、野胡萝卜、地枇杷、酸模、白茅、荩草、牡蒿、猪毛蒿分布较多，为主要的优势植物.

3 结论与讨论

麻阳铜矿废弃地气候条件优越，有利于植物生长发育，废弃地生态修复的主要障碍是土壤因子.尾砂库中基本上都是纯尾砂，保水保肥性差，易干旱，缺乏植物生长所需要的有机质和营养元素，而且尾砂中残存的重金属离子对植物造成毒害，这些都是生态修复的不利因素.因此，麻阳铜矿废弃地生态修复的关键是土壤的改良以及植物种类的选择.

土壤改良在矿山废弃地的生态修复中占有举足轻重的地位，而土壤改良最快速、最直接的方法是客土法，即在废弃地上覆盖一定厚度的有生产能力的土壤，然后通过种植植物进行土壤的改良[12].我国不少矿山采用这一方法均取得了比较好的效果.例如，中条山的篦子沟铜矿废弃地[13]、攀枝花矿区废弃地[14]等，通过表土覆盖，种植高粱、小麦等农作物，均取得了良好的经济与环境效益.麻阳铜矿废弃地旧尾砂库、新尾砂库、废石场等均存在不同程度的Cu 污染，且土壤呈强碱性，有机质含量低，基本没有植物覆盖或植物种类稀少.麻阳铜矿旧尾砂库堆积时间已超过30年，但仍无植物的分布，这显然与其土壤重金属含量过高、养分贫乏等因素有关，而尾砂库人工修复区通过客土覆盖后，植物种类增加，土壤的肥力状况有所改善，土壤中Cu元素的含量低于环境质量标准，表现为非污染，说明客土覆盖是铜矿废弃地土壤修复的有效途径，即麻阳铜矿废弃地可通过客土覆盖的方式首先进行土壤的改良.

植物种类选择的适当与否也是矿山废弃地生态修复成败的关键之一[15].尾砂库人工修复区植物主要以菊科、蓼科、禾本科、豆科为主，相似现象也多见于其他的铜矿区以及部分铅锌矿区[16-17]，原因可能是这4 科植物多为一年生或多年生草本植物，种子数量多且容易传播，营养生长期以及繁殖期较短，对环境的适应能力比较强.头花蓼、野胡萝卜、酸模、地枇杷为人工修复区的优势植物，其中，头花蓼和酸模是两种已知的Cu 指示植物，这两种植物在Cu 含量较高的矿脉地表露头区有大量分布.因此，头花蓼、野胡萝卜、酸模、地枇杷等优势植物可以作为麻阳铜矿废弃地生态修复的优选物种.

麻阳铜矿废弃地存在不同程度的铜污染，对于尾砂库，可以采取客土覆盖，种植头花蓼、野胡萝卜、酸模、地枇杷等耐铜能力强的植物进行生态修复.对于废石场，因其只受到了轻度污染，可采取直接种植对Cu元素有一定耐受能力的木本、草本植物.

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