高钙细粒金铜尾矿复垦植被筛选研究

夏 令 刘 旭 崔 旭 朱 江 胡 勇1

（1.矿物资源加工与环境湖北省重点实验室，湖北武汉430070；2.国土资源部稀土稀有稀散矿产重点实验室，湖北武汉430070；3.武汉理工大学资源与环境工程学院，湖北武汉430070；4.湖北三鑫金铜股份有限公司，湖北黄石431500）

矿区的开采活动能够产生大量的矿山废弃物，废弃物的排放占用了大量的土地资源［1］，截止2015年，我国尾矿累计堆存量已经超过146亿t，而尾矿的综合利用率不足18.9%［2］，仅2018年新增损毁土地约4.80万hm2［3］。尾矿的大量堆积能够造成大量环境问题，例如土壤污染退化、生态系统破坏、地下水污染，进而制约当地经济发展，危害人类健康［4-5］，因此大宗尾矿资源规模利用亟待提速。

目前尾矿综合利用方法有尾矿再选、制备建筑材料、矿区回填等多种方法［6-7］，其中尾矿区复垦是目前尾矿综合利用手段中，消耗量最大的利用方式［8-9］。矿区复垦工作主要由基质改良和植被筛选两个部分组成。其中植被筛选环节对于矿区生态恢复结果起着决定性影响。矿区复垦的植被选择应该遵循生长快、适应性强、以固氮树种或当地优良的乡土树种和先锋树种为主等原则［10-11］。同时，尾矿地复垦植被也要对重金属有较高的耐受性、富集性或超富集性［12］。已有研究证实，草本［13］、禾本豆科［14］和木本豆科［15］类先锋植物对矿区复垦有良好效果。

目前我国植物修复的研究主要以铅锌矿和煤矿较多，对于其他金属矿的研究报道数量较少［16］，其中对于高钙低硅型的尾矿复垦的研究也相对较少。因此本研究针对高钙低硅铜尾矿的特点，开展尾矿复垦植被筛选工作。

1 材料和方法

1.1 试验材料

本试验所用尾矿取自湖北省黄石大冶市某铜矿选矿厂中压滤车间排出的滤饼尾矿堆。该尾矿属于高钙低硅型尾矿，其成分组成如表1所示。尾矿容重较大且粒度极细，容重1.64 g/cm3，90%以上的尾矿粒度小于38 μm。尾矿主要成分为方解石、石英和菱铁矿，其中方解石占比达到33.46%，而石英占比仅为13.9%。尾矿pH为7.71，呈现碱性；毒性浸出时浸出液呈中性，且有Cu、Pb、Zn、As等重金属离子浸出。

复垦的植物首要以当地先锋植物为主，从耐贫瘠、超富集、可培肥、景观性等多个方向上选择了18种供试植物，如表2所示。

1.2 试验方法

本研究采用盆栽实验进行植物筛选，利用前期研究已经筛选出的适合植物生长的改良剂配方与比例，在试验组基质施加改良剂质量分数为0.2%、0.2%、10%、2%、0.6%的菌肥、PAM、泥炭、秸秆和复合肥，空白组基质不施加改良剂。

准确称量风干研磨后的尾矿样品2 kg，装于高15.9 cm，直径18.7 cm花盆内，翻耕熟化，按比例施加改良剂；准确播种处理好的草本植物种子70粒，乔木灌木种子50粒于基质1 cm深处，浇水（保持最大田间持水量60%）避光催芽，记录植被生长发育情况。试验全程在25℃恒温温室内进行。

1.3 样品测定方法

基质、植物采用硝酸、高氯酸和硫酸的混合溶液（体积比为V（HNO3）∶V（HClO4）∶V（H2SO4）=4∶1∶2）进行消解；重金属形态的划分主要依据不同形态重金属在化学试剂中的溶解程度，采用BCR连续提取法对重金属各形态进行提取；采用原子吸收光谱法（AAS）测定。

1.4 评价方法

富集系数（bioconcentration factor，BCF）是生物体内污染物的平衡浓度与其生存环境中该污染物浓度的比值，被用作识别和分类对水生环境有害物质的生物积累标准［17］。

具体计算方法为

富集系数（BCF）=植物金属含量（mg/kg）/土壤重金属含量（mg/kg）.

2 结果和分析

2.1 植物生长状况

试验记录了植物的生长状况，各植物生长状况如表3、表4所示。

从表中可知，发芽率排在前列的植物为紫花苜蓿、四季青、胡枝子、紫云英、紫穗槐，发芽率分别高达98.4%、97.5%、96.4%、95.9%、95.8%，75%以上的植物发芽率都在80%以上，成活率较高；对于植物生物量而言，银合欢、紫穗槐、刺槐、油菜、百日草的生物量较大，分别达到 29.8 g、24.5 g、21.4 g、15.6 g和15.7 g；这些植物多属于豆科乔木、豆科灌木，草本植物有更多的分蘖数，为植物长期生长提供光照与水分的接收区域，通过豆科植被自身的培肥固氮能力，在体内形成碳水化合物与无机营养元素的长期积累［18-19］，更有利于尾矿的复垦。植物的株高和叶绿素含量也能反映植物的生长状况［20］，其中银合欢、刺槐、金合欢、紫穗槐和早熟禾的40 d株高在所有植物中处于前列，分别为31.7 cm、28.2 cm、18.8 cm、18.2 cm和18.1 cm，而红花合欢、百日草、紫花苜蓿、黄花槐、银合欢的叶绿素含量较高，分别为8.4 mg/kg、7.8 mg/kg、7.2 mg/kg、6.9 mg/kg和6.8 mg/kg。由于每种植物的株高及叶绿素含量本身不同，但株高较高和叶绿素含量较高的植物其发芽率和生物量水平也相对较高。

因此从长势来看，乔木、灌木植被中的银合欢、刺槐、紫穗槐、胡枝子、黄花槐，草本植物中的紫云英、早熟禾、四季青和紫花苜蓿的植物组合可作为高钙低硅尾矿的复垦植被组合。同时这些植被景观性明显，能在后期为复垦地提供良好的观赏性。

将空白组与试验组中均能生长的13种植物进行对比，对比结果如图1所示。相较于原尾矿中植被生长状况，施加改良剂的基质下植物的发芽率、株高、生物量、叶绿素含量均大于原尾矿，说明基质改良对植被的生长发育有明显的促进效果，其中波斯菊、紫穗槐、胡枝子的株高提升效果较为显著，分别达到222.51%、63.48%、53.75%。改良剂复配基质对植物生物量的提升较为显著的包括红花合欢、万寿菊、紫花苜蓿等，增长幅度分别为192.66%、89.59%、31.06%。同时在原尾矿供试植物栽培时，未能发芽成活或出苗后出现枯萎倒伏的植物，如多花木兰、黄花槐、沙打旺、红花合欢等植物在改良剂最佳配比基质下，能够正常发芽生长，其中黄花槐、沙打旺的发芽率达81.5%、92.5%，黄花槐、红花合欢的生物量达9.62 g、8.57 g。

2.2 基质重金属形态分析

选取空白组中的早熟禾、紫穗槐、紫云英、四季青、银合欢、胡枝子，在其发芽成活90 d后，对基质中重金属赋存形式进行测定，测定结果如图2、图3所示。有研究表明，残渣态化学性质稳定，不易被生物吸收利用［21-22］。结果显示，基质中各类重金属弱酸态含量占比均较小，尤其是Zn与As元素均以残渣态为主，说明植物的种植对Zn和As均有不同程度的固化作用。在总量上，尾矿中重金属总量较之前有所降低，尤其是Cu、Pb和As元素总量减少明显。因此，紫穗槐、四季青、紫云英、银合欢对Cu、Pb、Zn、As等重金属元素具有稳定作用和固化能力，使其向残渣态转化，能够有效降低重金属的毒性浸出风险。

2.3 植物对重金属的转移特征

为了研究植物对尾矿的重金属是否具有富集作用，以及植物对重金属的富集程度，计算研究了4种植物的富集系数（BCF）［23］，见表5。若BCF＜0.5，说明植物对重金属的积累能力较弱；BCF＞0.5，对重金属具有积累能力；BCF＞1时，富集能力较强。本实验研究中，早熟禾、银合欢和四季青对Pb的富集系数均大于0.5，说明其对Pb有富集能力，这是导致尾矿种植植被后Pb各赋存形态总量减少的原因；除银合欢对Zn的富集系数为0.5外，其余实验植物对Zn、Cu的富集系数均小于0.5，说明Zn、Cu的富集能力较弱。但2种金属在植物中含量并不低，说明植物在生长过程中对Zn、Cu具有耐受能力，能够对重金属的固化起到积极作用。

3 结 论

以大冶市某金铜高钙低硅型尾矿作为研究对象，分试验组及空白组2组进行盆栽实验，测定并记录了本实验中植物生长状况，基质重金属赋存形态变化，计算了植物对重金属Pb、Zn、Cu元素的富集系数，筛选了适宜高钙低硅型尾矿复垦的植物组合。研究显示：

（1）75%以上的供试植物发芽率都在80%以上，其中紫花苜蓿、四季青、胡枝子、紫云英、紫穗槐发芽率分别高达98.4%、97.5%、96.4%、95.9%、95.8%；银合欢、紫穗槐、刺槐、油菜、百日草的生物量大，分别达到29.8 g、24.5 g、21.4 g、15.6 g和15.7 g；发芽率高、生物量大的植物相较于其他植物，株高和叶绿素含量也高。因此，高钙低硅尾矿的复垦植被组合如下：乔木、灌木植被为银合欢、刺槐、紫穗槐、胡枝子、黄花槐，草本植物为紫云英、早熟禾、四季青和紫花苜蓿。

（2）在改良剂作用下，绝大部分植物都可以较好地发芽与生长，植物发芽率、生物量、株高、叶绿素含量较空白组中均有不同程度改善：波斯菊、紫穗槐、胡枝子的株高提升222.51%、63.48%、53.75%；红花合欢、万寿菊、紫花苜蓿的生物量提升192.66%、89.59%、31.06%；在原尾矿无法生长或倒苗的黄花槐、沙打旺兰在改良剂作用下发芽率达81.5%、92.5%。综合看来，改良剂对复垦植被起到明显促进作用。

（3）紫穗槐、四季青、紫云英、银合欢对Cu、Pb、Zn、As等重金属元素具有稳定作用和固化能力，能够减少重金属总量，并使其向残渣态转化；这些植物对Pb有富集能力，并对Zn、Cu有耐受能力，能够对重金属的固化起到积极作用。