某铀矿周边土壤典型重金属污染特征及植物筛选

薛清泼，魏 浩，张国瑞，张有军，李 霄，汪敬忠，刘 卓

(1.天津华北地质勘查总院，天津 300170；2.河北地质大学地质测试中心，河北 石家庄 050031)

矿山土壤重金属污染对矿山环境造成了巨大的破坏，严重威胁当地人类的健康发展。铀矿因其具有放射性元素，对土壤、植物等生态环境的破坏更为严重。目前，我国生态文明建设已经提升到了一个新的高度，所以针对矿山土壤重金属污染的评价、治理研究成为热点。而矿山土壤重金属修复方法中因植物修复具有成本低、二次污染小等优势，受到世界各国学者的广泛重视和青睐[1]，成为目前矿区普遍采用的土壤修复技术之一[2-4]。植物修复的关键技术是筛选到一些生物量大且对超标的重金属具有很强耐受能力和富集能力的植物，以便推广种植进行土壤的植物修复[5-6]。

学者对众多植物进行了重金属富集特征的研究，已发现400余种超累积植物[7]，比如遏蓝菜、伴矿景天是公认的Cd累积植物之一[6,8-10]；酸模、甘薯属高山薯、异叶柔花等是常见的Cu元素超累积植物[11-13]；高山漆姑草属、九节属套哇九节及尼菊科分别是Pb、Ni、Cr元素的超累积植物[14]。已发现的重金属超累积植物主要是针对Cd、Cu、Pb、Ni、Cr、Zn元素的超累积植物。由于铀矿山放射性及重金属污染会使当地植物群落结构简单化，而在这种特殊条件下对放射性核素能较好吸收的植物自然较少。已有的研究表明，块根茎、水马齿、莫丝草三种植物可以作为治理水体铀污染的水生植物[15]。另外，ENTRY等[16]经过试验发现向日葵是处理水体铀污染的首选植物。针对铀矿山附近土壤，一些学者通过实验发现了对铀具有较好吸收特性的植物，如野棉花、印度芥菜、狗牙根、假俭草、商陆、辣廖等[17-19]，还有一些具有潜在利用价值的植物，如黄秋葵、红油菜、白掌、吊竹梅、雪莲果[20-23]，前人研究的这些植物中，许多不具备移植条件，适应性差，离开了本土可能修复重金属的能力会减弱，不适合移植。所以在铀矿山周边筛选当地适应性强的重金属富集植物对土壤修复研究具有重要意义。本文选择某铀矿山，对其周边土壤重金属污染特征及植物的重金属吸附能力进行调研，筛选出对超标重金属具有修复潜力的优势植物，旨在进一步为铀矿山周边重金属污染的土壤修复研究提供科学的依据。

1 研究区概况

本文涉及的铀矿区内总体地势相对平坦，北部较高，南部较低。地处高寒地带，夏季较短，冬季较长。冬季寒冷，年最低气温-34 ℃，多年平均气温1.97 ℃。气候干燥，一年降水量集中在6月、7月、8月三个月，多年平均降水量399.7 mm。

2 材料与方法

2.1 植物资源调查方法

矿区及周边植物调研主要调查生物量较高的优势植物。首先采用目测法找到植物群落较发育的植被区，在区内对植物进行全面统计。矿区内植物较发育的区域为采场东部400 m处。

2.2 样品采集与处理

本次土壤样品在尾矿库、废石场及采场下游布置了43个采样点，其中尾矿库下游附近采样密度较大。靠近尾矿库取样间距约100 m，远离尾矿库及废石场、采场下游取样间距约200 m，最外围(距尾矿库1 000～1 500 m)采样间距为300～500 m。另外在远离矿区近30 km土壤中随机布置了5个采样点作为当地背景值。每一个采样点在其周围10 m内根据梅花布点法采样5个，采集0～20 cm表层土壤，混合均匀，采用4分法取样1 kg，并剔除土壤中异块及腐质物，随后将样品装入样品袋，贴上标签带回。

在采场东南部400 m以外，植物较发育处，随机采取典型的优势植物3～5颗混为一个样品。采到的标本主要为草本植物，要求体态正常，全株采集。同步采集植物的根际土，采集深度0～20 cm，同样将3～5个点土样混为一个样，然后用样品袋装好封口，贴上标签。共采集植物样及根际土壤样各15个。

植物样品及土壤样品的前处理参照文献[24]和文献[25]进行处理，最后用ICP-MS进行测试。

3 结果与讨论

3.1 矿区周边土壤重金属分布特征

土壤样品的重金属测试结果见表1，将土壤样品中各重金属含量测定结果分别与国家土壤背景值进行比较，可得出各重金属元素超标状况。总体来看，土壤中Cd和U超出国家背景值，均值分别为国家背景值的2.50倍和2.77倍。另外Cu均值与国家背景值相当，其他元素均未超出国家背景值。同时，Cd和U含量也高于当地背景值，均值为当地背景值的1.80倍和2.22倍，而其他元素与当地背景值相当。表2显示Cd和U表现出极显著相关特征，说明二者可能来自同一污染源，而且其迁移性也相近。由重金属含量分布特征(图1)可知，Cd和U污染中心比较吻合，主要在距尾矿库200 m以内的下游区域及采场东南部，污染较重区域大致呈北西-南东向分布。远离尾矿库或采场区域，污染程度具有下降趋势(图2(b)和图2(c))。利用聚类分析对这8中元素进行分类(图2)，当8种重金属分为4类时，Cd、U为一类，Ni、Cu、Co为一类，Pb、Zn为一类，Cr为一类。除Cd、U污染较重，并且与尾矿库、采场空间分布有关外，其他类元素基本没有受到人为活动的影响，其相关性可能与该区背景值的分布有关。

表1 土壤中重金属元素含量Table 1 Heavy metal elements in soil

图1 重金属元素含量空间分布特征Fig.1 Spatial distribution characteristics of heavy metal elements

表2 土壤重金属元素相关系数Table 2 Correlation of heavy metal elements in soil

CrCoNiCuZnCdPbUCr10.1650.1440.352*-0.116-0.118-0.1150.014Co0.16510.703**0.381*0.309*0.490**0.1930.525**Ni0.1440.703**10.488**0.449**0.552**0.476**0.522**Cu-0.352*0.381*0.488**10.482**0.537**0.452**0.441**Zn-0.1160.309*0.449**0.482**10.523**0.663**0.604**Cd-0.1180.490**0.552**0.537**0.523**10.347*0.819**Pb-0.1150.1930.476**0.452**0.663**0.347*10.347*U0.0140.525**0.522**0.441**0.604**0.819**0.347*1

注：**在0.01水平(双侧)上显著相关；*在0.05水平(双侧)上显著相关

图2 重金属元素聚类分析图Fig.2 Cluster analysis of heavy metal elements

以上说明铀矿生产是周边土壤Cd和U超标的主要原因。结合铀矿生产工艺流程，尾矿库周边污染可能和尾砂水沙漏及尾砂水溢流有关。而采场东南部可能主要和爆破、凿岩时粉尘飞扬有关，该区常年盛行西北风，这也是污染趋势呈北西-南东向分布的因素之一。

对于防范措施，针对尾砂水沙漏，可以在尾矿库坝基和库底铺设一层复合土工膜，切断渗透水和地下水的联系，避免地下水受到污染；针对尾砂水溢流，可以在尾矿坝下游设置合理的导水沟、集水池和污水泵房，将溢流水输送至水冶厂回收利用；采场附近的污染主要是凿岩、爆破、矿山汽车运输时矿石洒落或扬尘引起，可以增加洒水降尘频次和铺设洒水管路，在关键地段设置自动喷水设施，定期喷洒检修汽车，防止货载漏撒，车箱加罩，防止精矿粉吹扬，在矿石出口处，或矿仓附近设置汽车自动冲洗装置，保证汽车驶入矿区公路之前，车身无积土和积尘，及时修复损坏的路面，定期清扫，经常保持路面整洁。

3.2 植物资源调查

经调查，矿区周边植物群落较为简单，大多为自然生长的经济价值低的草本植物(表3)，调查的植物共计17种，7个科。以禾本科、菊科、豆科为主，其中，禾本科5种，占29.42%；菊科、豆科各4种，占23.53%(图3)。优势植物以野生草本植物为主，如艾草、披碱草、牛筋草、棒头草、白茅、苜蓿、蒲公英等。矿区下游多为当地百姓农田，农作物以豆角、大豆、莜麦为主。灌木或乔木多为人工种植的松树、杨树、榆树。

表3 矿区周边植物主要种类及其特征Table 3 Main species and characteristics of plants around the mining area

续表3

拉丁名科种习性L.apetalum十字花科独行菜一年生或二年生草本Sedumlineare Thunb.景天科佛甲草多年生草本Pinus松科松树乔木Ulmus pumila L.榆科榆树乔木

图3 尾矿库及采场周边常见植物(科)所占比例Fig.3 Proportion of common plants around the tailings pond and stope

3.3 优势植物U、Cd含量及富集系数

在尾矿库、采场东南部周边采集了艾草、披碱草、牛筋草、棒头草、白茅、苜蓿、蒲公英、苣买菜、莜麦、毛连菜10种优势植物，用ICP-MS分析法对采集的根际土和植物进行重金属U和Cd含量测试。测试结果见表4和5。

矿区内生长的优势植物对当地土壤中的重金属有较好的耐性，不同耐性的植物吸收、转运重金属的能力也是不同的，这种能力的体现可以用富集系数和转运系数来表征[26]。富集系数可以反映植物对重金属富集程度的高低或吸附能力的强弱，而转运系数是表征植物将重金属从植物地下部分运移到地上部分的能力大小[27-28]。转运系数越大表明植物地上部分重金属的富集量越大，越有利于植物吸取技术的应用。表4和表5列出了研究区内采集的优势植物的富集系数(BCF)和转移系数(TF)。由表4可知，所有植物对重金属元素U的富集能力均较弱，BCF<1，对铀富集系数最强的植物是苜蓿，富集系数为0.18。主要优势植物富集系数较低说明矿区周边自然生长的植物可能进化出某些机制尽量减少对铀的吸收或者将体内过量的铀排出体外[29]，这些物种可以作为铀矿区生态修复的先锋植物。另外，这些植物的转运系数也比较低，苜蓿最高，为0.19，其次是白茅，为0.15。由表5可知，所有植物对重金属元素Cd的富集系数BCF<1，转运系数<1。结果表明，这些植物对Cd的吸收能力也较弱，但苜蓿对Cd的富集系数达到了0.21，转运系数达到了0.31。

表4 矿区植物U含量及植物富集系数、转运系数和根系滞留率Table 4 U content of plant and plant enrichment coefficient,transport coefficient and root retention coefficient

注：富集系数=植物体内重金属含量均值/根际土壤中重金属含量；转运系数=植物地上部分重金属含量/根部重金属含量；根滞留系数=1-转运系数

表5 矿区植物Cd含量及植物富集系数、转运系数和根系滞留率Table 5 Cd content of plant and plant enrichment coefficient,transport coefficient and root retention coefficient

注：富集系数=植物体内重金属含量均值/根际土壤中重金属含量；转运系数=植物地上部分重金属含量/根部重金属含量；根滞留系数=1-转运系数

整体来看，矿区内这些优势植物富集转运U、Cd的能力较弱，没有对U、Cd理想的超累积植物，不能直接利用它们对污染土壤进行修复。这些植物对土壤中U、Cd的耐性及吸收能力各不相同，苜蓿对Cd和U的富集及转运能力较其他植物要高，可以针对苜蓿及前人研究的对U、Cd吸收、转运效果比较好的植物进行室内栽培实验，添加螯合剂、改良剂或植物激素来提升植物对土壤U、Cd的修复能力[30]。另外，还可通过研究育种及相关农艺管控技术来种植对Cd、U低吸收、低转运并且耐性强的农作物，以减少土壤Cd、U向食物链的迁移。

4 结 语

矿区附近土壤显示一定程度U、Cd超标，最严重的区域为距尾矿库200 m以内的下游区域及采场东南部，超标较重区域大致呈北西-南东向分布。远离尾矿库或采场区域，超标程度具有下降趋势。矿区内优势植物富集转运U、Cd元素的能力较弱，苜蓿可以作为潜在的修复土壤中U、Cd污染的植物，并通过进行室内栽培实验，添加螯合剂、改良剂来提升植物对土壤U、Cd的修复能力。