鞍钢矿区重金属污染的植物修复技术研究

赵虹，靳秋杰，梅丹娜，李敏，孙立群，曹秀凤

（1.鞍钢集团矿业公司，辽宁鞍山114000；2.山东大学环境科学与工程学院，山东济南250000；3.山东半岛蓝色经济工程研究院，山东济南250000）

鞍钢矿区重金属污染的植物修复技术研究

赵虹1，靳秋杰1，梅丹娜1，李敏2，孙立群2，曹秀凤3

（1.鞍钢集团矿业公司，辽宁鞍山114000；2.山东大学环境科学与工程学院，山东济南250000；3.山东半岛蓝色经济工程研究院，山东济南250000）

在对辽宁省鞍钢矿区土壤性质进行分析的基础上，阐述了矿区生态修复的必要性和植物修复技术的优势，提出了几种较好的可以用于该矿区土壤修复的植物种类，探讨了针对该区土壤特点的生物改良措施。最后，提出关于植物修复的后期处理，尤其是解决从植物体内回收重金属的生产工艺问题将是今后研究的热点之一。

植物修复；超积累植物；土壤改良

1 鞍钢矿区土壤现状及其生态修复的必要性

作为矿产资源开发活动的直接结果之一，矿业废弃地对环境造成了极大的压力与污染，如矿山开采过程中的废弃物（尾矿、剥离岩等）需要大面积的堆置场地，从而导致对土地的过量占用和对堆置场原有生态系统的破坏；矿石、废渣等固体废物中含酸性、碱性、毒性、放射性或重金属成分，通过地表水体径流、大气飘尘，污染周围的土地、水域和大气，其影响面将远远超过废弃物堆置场的地域和空间，污染影响要花费大量人力、物力、财力经过很长时间才能恢复，而且难于恢复到原有的水平。由于近百年的矿山开采活动，在鞍山市城市周边形成了占地791万m2的废弃排土场和252万m2的废弃尾矿库。这些排土场和尾矿库严重破坏了自然生态平衡系统。在春秋两季强风情况下，排土场和尾矿库产生的扬尘对市区造成严重的沙尘污染。因此，如何对排土场及尾矿库进行合理有效的治理，已成为整个世界面临的一个共同难题。

生态破坏问题已成为制约采选矿行业发展的关键问题，很多矿区因为严重的环境污染及生态破坏而被强令关停。矿业活动所形成的排土场、尾矿库及周围污染场地往往污染物成分复杂，含有重金属及多种有机污染物，这些重金属及有机污染物的污染浓度高、污染程度重，造成植物等生物体很难在其中生长，影响生态修复效果。矿产行业始终被认为是高污染、存在很大生态风险的行业，如何在生产的同时兼顾生态环境保护，一直是矿产行业追求的目标，对排土场、尾矿库污染场地生态修复关键技术的研究，对于矿产行业，实现生态效益、资源效益及社会效益的协调统一和可持续发展，实现行业的生态化转型具有至关重要的作用。

重金属污染物不同于有机污染物，其最大的特点就是不能为生物所分解，大多数也不能通过焚烧的方法从土壤中去除，相反地可以在生物体内富集，有些还会转化为毒性更大的甲基化合物。

通过对辽宁省鞍山矿区的铁尾矿理化性质和重金属含量的取样和测定，发现尾矿土壤颗粒组成以砂粒为主，中砂含量19.2%，细砂含量43.5%，黏粒含量仅为3.68%，铁尾矿pH值呈碱性，有机质含量极低，铁尾矿持水能力差，综合肥力状况低，需积极有效地改良措施；重金属污染物中，总镉、总铅、总铜和总镍含量略高。

2 植物修复技术

2.1 修复植物的选择

植物修复是利用植物及其根际圈微生物体系的吸收、挥发和转化，以及降解的作用机理来清除环境中污染物质的一项新兴的污染环境治理技术。广义的植物修复包括利用植物净化空气（如室内空气污染和城市烟雾控制等），利用植物及其根际圈微生物体系净化污水（如污水的湿地处理系统等）和治理污染土壤（包括重金属及有机污染物质等）。狭义的植物修复主要指利用植物及其根际圈微生物体系清洁污染土壤，而通常所说的植物修复主要是指利用重金属超积累植物的提取作用去除污染土壤中的重金属。那些能够达到污染环境治理要求的特殊植物统称为修复植物，如对空气净化效果好的绿化树木和花卉等，能直接吸收、转化有机污染物质的降解植物，利用根际圈生物降解有机污染物质的根际圈降解植物，以及提取重金属的超积累植物、挥发植物和用于污染现场稳定的固化植物等[7]。

选择修复植物时，需要将植物对重金属的耐受富集能力和矿区土壤实际情况相结合，兼顾生物量和重金属的去除率。

目前发现的超富集植物种类较多，但这数百种超富集植物普遍存在生物量小、生长慢，在低浓度重金属污染土壤上生长，与乡土植物相比缺乏竞争力，不利于机械化收获，对重金属的富集具有专一性等缺点，要净化一块污染土地需要很长时间。因此，近来国内外把研究焦点放在利用拥有高生物量或者生长快速的非超富集植物来修复污染土壤。

鞍钢矿区的生态修复中植物的选择初步考虑以下3个方面：（1）现场采集的鞍山地区尾矿土壤上自然分布的耐盐碱且具一定经济价值的植物；（2）引种其他地区或其他盐碱类型地域已有应用的耐盐碱或耐重金属植物；（3）从其他植物资源圃筛选、引种部分适于该地区并有发展潜力的耐盐碱植物。

2.2 主要的修复备选植物

实际操作中，备选植物多为鞍山尾矿区现有自然分布的植物：龙葵、地肤、碱蓬、苍耳、芦苇、萝、香附子、狗尾草、山莴苣、猪毛蒿、合被苋、刺槐、旱柳等。

通过文献调研，在其他地区自然生长或开展过栽培试验的耐盐碱或耐重金属植物有：龙葵、东南景天、小酸浆、长喙婆罗门参、刺儿菜、石防风、狼把草、山莴苣、球果菜[7]。

其中鞍山尾矿区的代表植物有以下几种。

碱蓬（Suaeda glauca（Bunge）Bunge in Bull）：双子叶植物药藜科，一年生草本，株高10～40 cm，广泛分布于东北、华北等地，种子的休眠期很短，条件适宜能迅速发芽生长。碱蓬是一种高耐盐碱、耐贫瘠的野生植物，对养分要求不高，它在生长的过程中能够从盐碱地里吸取盐碱。通过对鞍钢矿区实地采集土样在实验室模拟种植碱蓬，得出碱蓬的最佳生长条件为尾矿土壤和客土进行1∶1混合，发芽温度维持在20～25℃即可。发芽期在一周左右。对重金属Cd的耐受浓度达到50 mg/kg，适宜作为鞍钢矿区生态修复的备选种。

龙葵（Solanumnigrum）：茄科，一年生草本，高30～60 cm，生长周期约为3个月，耐盐碱，全国均有分布，是鞍钢尾矿区现有自然分布的植物种。魏树和等通过盆栽和田间浓度梯度设置实验发现，龙葵对Cd单一污染和Cu-Pb-Zn-Cd复合污染的耐性都较强，当土壤中Cd浓度达到50 mg/kg时，龙葵出现生物量下降的情况[7]。

地肤（Kochia scoparia）：藜科，一年生直立草本花卉，株高50～100 cm，耐盐碱，耐干旱，耐瘠薄，对土壤条件要求不严。分布区域在亚洲、欧洲以及中国大陆的大部分地区，是鞍钢地区自然分布的植物种之一，长势良好，生物量较高。高生物量的牧草，虽然其富集能力比不上很多超富集植物，但是由于它们的生物量大，生长快，能同时吸收多种金属，所以植物体内的重金属总量也较大。地肤根际在土壤中较深，能适应尾矿土粒径小、持水性差的特点，是该地区生态修复较好的植物备选种之一。

苍耳（Xanthium sibiricum Patrin ex Widder）：菊科，一年生草本，高可达1 m，生长周期约120 d，我国各省区均有分布。耐干旱，耐贫瘠，根系较深，是鞍钢地区自然分布的植物种之一，生物量较大。有研究表明，苍耳对重金属的耐性较强[7]，且具有很好的药学和经济价值，适宜矿区的大面积种植。

3 改良措施的应用

单纯依靠植物本身对重金属的富集特性，一般情况下很难达到理想的修复效果。所以人们通过采取改良措施来提高植物的生物量或者富集效率。尾矿库的土壤具有粒径小、透气性差和保水性差的特点，粒径分布状况为细砂含量高。针对其特质，常用的改良措施包括施有机肥、添加客土、移植菌根化植物、添加陶粒、凹凸棒等。

菌根化植物是通过筛选出能固定重金属或者提高植物生物量的菌类，将其与植物相结合，能大大提高重金属去除率和改善土壤性质。这些改良措施主要作用表现为:（1）改善土壤物理性状。土壤总孔隙度增加，容重减小，田间持水量增大，土壤毛管孔隙、非毛管孔隙和通气度都增加[2]。（2）改良土壤化学性状。增加土壤有机质，提高土壤肥力和作物产量，全N、水解N、速效P、速效K都会增加，并调节土壤酸碱度，增强土壤缓冲能力[3]。（3）提高土壤中离子交换率，改良盐碱地，缓冲pH值，吸附重金属。（4）增加土壤微生物数量，提高酶活性。

向土壤添加螯合剂EDTA和DTPA是目前研究较多、相对较为成熟的技术，但由于存在着螯合剂在土壤中的不易降解，残留期，重金属被螯合剂活化后向深层土壤和地下水迁移造成二次污染，以及螯合剂价格较昂贵等缺点，这项技术存在一定的环境风险和推广利用的难度。因此，人们在深入研究提高螯合剂的利用价值的同时，也在努力寻找更加安全、经济、容易得到的，尤其是可以变废为宝的物质作为植物修复剂[1]。

近年来，在大量理论研究的基础上，植物修复技术与工程实践也逐渐结合在一起。例如我国的陈同斌带领重金属污染土壤植物修复团队于2001年在湖南郴州建立了世界上第一个As污染修复基地，随后又在广西和云南建立了As，Pb等重金属污染及酸化土壤修复的示范工程，建立了超富集植物与经济作物间作的修复模式，实现了边修复污染土壤，边开展农业生产[5，6]。植物修复对于鞍钢地区的生态恢复和重金属去除具有很高的可操作性，是其主要途径之一。

4 展望

应用植物技术修复重金属污染土壤或矿区生态修复已经越来越受到人们的关注，有关的研究也越来越多。针对目前的发展以及和工程相结合的情况，总结之后需要加强和完善以下几方面的研究工作。

（1）目前，已被测试和发现的超富集植物仅百余种，因而继续寻找和筛选对重金属耐性强且有较强富集能力的植物新品种，仍是土壤重金属修复技术的研究热点和方向之一。

（2）针对尾矿土壤粒径小、透气性差等缺点，植物想要达到生长快速、生物量大并不容易，需要继续探究各种改良措施改善土壤性质，从而大大促进植物修复技术在土壤中的应用。

（3）关于超积累植物收割后的后期处理技术尚未成熟，有待进一步研究。若植物回收重金属的技术问题得到解决，人们在治理重金属污染土壤的同时，还能从种植的植物中回收一定量的重金属用于其他生产，这方面的研究具有很大的经济价值和应用前景。

（4）菌根化植物由于同时结合了植物和微生物的双重优点，是一项很好的修复技术。关于发掘相应可应用于菌根化的植物微生物种类以及投入生产应用于工程，需要大力投入研究和发展。

[1]张杏锋，夏汉平，李志安，等.牧草对重金属污染土壤的植物修复综述[J].生态学杂志，2009，28(8):1 640-1 646.

[2]Brunetti G，Plaza C，Clapp C E，et al.Compositional and functional features of humic acids from organic amendments and amended soils in Minnesota，USA[J].Soil Biology and Biochemistry，2007(391):1 355-1 365.

[3]Sheppard S K，McCarthy A J，Loughnane J P.et al.The impact of sludge amendment on methanogen community structure in an upland soil[J].Applied Soil Ecology，2005，28 (2):147-162.

[4]陈义群，董元华.土壤改良剂的研究与应用进展[J].生态环境，2008，7(3):1 282-1 289.

[5]廖晓勇，陈同斌，阎秀兰，等.提高植物修复效率的技术途径与强化措施[J].环境科学学报，2007，27(6):881-893.

[6]韦朝阳，陈同斌.重金属超富集植物及植物修复技术研究进展[J].生态学报，2001，21(7):1 196-1 204.

[7]魏树和.超积累植物筛选及污染土壤植物修复过程研究[D].沈阳：中国科学院沈阳应用生态研究所，2004.

Phytoremediation technology of heavy metal pollutionin Anshan Iron and Steel Mine

ZHAO Hong1,JIN Qiujie1,MEI Danna1,LI Min2,SUN Liqun2,CAO Xiufeng3
（1.Ansteel Mining Compony，Ansan 114000,China; 2.College of Environmental Science and Engineering,Shandong University,Jinan 250000,China; 3.Shandong Peninsula Institute of Blue Economy&Engineering,Jinan 250000,China）

The paper summarized the soil properties in Anshan Mine in Liaoning Province and expounded the necessity of mine ecological restoration and advantages of phytoremediation.Several plant species were presented which can be used for soil remediation of the mining area.Biological improvement measure were discussed according to the soil characteristics of the area.Post-processing on phytoremediation,especially the production process of plants recovered from the heavy metal soil,will be one of the main issues in the future research.

phytoremediation;hyperaccumulator;soil improvement

X753

A

1674-0912（2016）12-0039-03

2016-09-01）

赵虹（1969-），女，辽宁鞍山人，工学学士，工程师，专业方向：供热通风与空调。