铅锌矿区生态环境现状及其绿化修复研究进展

姚丰平，李贺鹏，吴益庆，张飞英，柏明娥，倪荣新，徐高福，张建和

（1.浙江省庆元县永青国有林场，浙江 庆元 323800；2.浙江省林业科学研究院，浙江 杭州 310023；3.丽水市林业技术推广总站，浙江 丽水 323000；4.浙江省淳安县新安江开发总公司，浙江 淳安 311700；5.浙江元成园林集团股份有限公司，浙江 杭州 310016）

我国是铅锌矿生产大国，2013 年，铅、锌总产量共计987 万t，铅、锌产量分别占世界总产量的42.2%和40.3%[1]。全国有2 347 处铅锌矿产地，主要分布在河南、湖南、云南、湖北和江西5 省[2]，浙江、福建、海南、广东、广西、贵州、四川、辽宁、甘肃等省也产，几乎遍及全国。铅锌矿产的开采利用给国民经济和社会发展提供了大量的物质财富，同时也给生态环境带来了负面影响，不仅森林植被遭到破坏，景观破碎[3]，还会诱发塌陷等地质灾害及环境重金属污染等问题[4-7]。许多研究表明植物对重金属具有良好的富集和修复作用[8-10]，在铅锌矿区重金属耐性和富集植物筛选及植物修复研究也取得了一定的进展[11-12]。因此，利用绿色植物对铅锌矿区进行生态治理，不仅有利于恢复矿区森林植被和改善矿区绿化环境，而且也是实现对矿区重金属污染进行修复的一条有效路径。但是过量重金属污染的立地条件会引起植物生长不良或毒害作用[13-14]，这给铅锌矿区的绿化增加了很大的技术难度，甚至面临新的挑战。

为实现铅锌矿山开发利用与生态环境保护相协调发展，本文在分析铅锌矿山地质环境和重金属污染问题基础上，着重综述近20 年来有关铅锌矿山绿化与生态修复的研究进展，以期为铅锌矿区重金属污染生态治理提供技术支持。

1 铅锌矿山主要生态环境问题

铅锌矿山开采及加工冶炼过程往往导致矿区地质环境恶化、土壤环境污染、水资源污染与破坏等，这一系列矿山环境问题已经成为制约矿区可持续发展、威胁人民生命财产安全的重大问题。

1.1 地质环境恶化

矿山地质环境问题是采矿活动对地质环境产生的破坏现象，主要包括矿区地面塌陷、地裂缝、崩塌、滑坡、泥石流、含水层破坏、地形地貌景观破坏等[15]。我国铅锌矿的开采多为硐采，也有露采。硐采的生产工艺一般为表土剥离、巷道掘进、钻孔、爆破、采掘及运输（包括井下运输和提升）、矿石堆场、外运至选矿厂；有些矿山为采选联合体，将矿石直接运送至选矿厂，并将尾矿排放于专门设置的尾矿库。由此带来一系列的地质环境问题，诸如采空区可能引发的地裂缝和地面塌陷，道路开拓和办公生活区等临时构筑物引起的表土剥离和植被破坏及地形地貌景观破坏，大量的废石堆场压占土地并破坏植被引起的水土流失，固体废矿渣堆放可能引发的滑坡和泥石流等地质灾害，开采时对地下水进行疏干排水引发地下水含水量和结构变化而导致地下水资源均衡失调，选矿生产加工产生的大量尾矿渣堆置在尾矿库中可能引发尾矿坝破损坍塌而影响下游农田和水利设施甚至威胁居民的生命财产安全等[16-19]；此外，还包括露天开采矿山导致边坡的崩塌、滑坡等地质灾害隐患和稳定性问题，以及采矿活动引发的水土体环境污染等生态问题[20-21]。

亢亢等[22]采用层次分析法（AHP）对位于云南省昭通市彝良县毛坪镇境内矿区面积为14.41 km2的毛坪铅锌矿山进行地质环境质量的模糊评判，根据地质背景、地质灾害、水土环境破坏、矿产开发、水文植被五个因素的23 个指标，将整个矿区的地质环境质量划分为好、较好、较差和差4 个等级。刘玥等[23]以陕南铅锌矿为例，根据地质环境、地质灾害、环境污染、矿产开发、水文植被五个因素的18 个指标进行地质环境质量的模糊评判，将陕南铅锌矿的8 个矿点的地质环境质量分别划定5 个优、1 个良和2 个差。邓锟[24]利用遥感技术和人机交互式解译方法，对陕西省宝鸡市凤县铅锌矿区33 处矿山的地质环境提取废渣和废石堆及尾矿库等固体废弃物堆场、泥石流和塌陷坑及滑坡等地质灾害点、挡墙和拦坝及排水沟渠治理三个方面的信息，进行了地质环境问题的调查研究。这些研究均为铅锌矿山地质环境保护和恢复治理规划提供了依据。

1.2 土壤污染

随着铅锌工业的高速发展，矿产资源的开采与加工往往使其周边土壤遭受Pb、Zn、Cd 等重金属的严重污染[25-26]。黄顺红等[27]测得湖南某铅锌冶炼厂周边土壤Pb、Cd、As 的平均含量分别达到2 908.27、434.78、320.48 mg·kg-1，远超国家标准限值，污染程度为废渣堆场＞住宅区＞闲置区＞菜地。孙建德[28]对湖南郴州某铅锌矿区94 个表层土样的重金属含量进行分析，发现Pb、Zn、Cd、As 的平均含量分别为876.83、1 018.83、7.69、89.73 mg·kg-1，均存在较大的安全风险。张振磊等[29]测得海南省昌化铅锌矿56 个废弃地土壤样品的Pb、Zn、Cd 含量 分别达3 222.50、1 849.02、18.17 mg·kg-1，均超过国家三级标准值。覃朝科等[30]测得广西某废弃铅锌矿区73 个采样点的土壤Pb、Zn、Cd、Hg、As 平均含量分别为232.92、1 967.71、10.27、0.86、11.56 mg·kg-1，最大值分别达3 099.6、19 093、100.7、5.76、68.2 mg·kg-1，污染非常严重。谢永等[31]在甘肃徽洛坝铅锌矿测得坑口废渣台地废弃3 a 的土壤Pb、Zn、Cd 含量分别达6 298、13 420、2.078 mg·kg-1。王志国[32]对浙江省庆元县废弃铅锌矿地质环境综合治理前的10 份土壤样品分析表明，废土场和尾矿库土壤均有不同程度的Pb、Zn、Cd 含量超标，其中，Pb 含量平均超标750%，Zn 含量平均超标550%，Cd 含量平均超标18 倍，矿区泥石流流通区的Pb 和Cd 含量分别超标6 倍和10 倍，污染十分严重。

1.3 水体污染

铅锌矿大规模开采会使周边水环境遭受不同程度的重金属污染。李永华等[33]从铅锌矿厂部开始沿小溪顺流而下采集了3 个饮用和9 个非饮用的地表水样进行重金属含量测定，结果显示水样中的Pb 含量为严重污染，Zn 含量为轻度污染，Hg 含量为中度污染。刘玥等[34]分别对铅锌矿区上游、中游和下游地表水中的Pb、Zn、Cd、Cu、Cr 含量进行测定，结果表明这5 种重金属在上游地表水中的平均含量分别为0.027、0.284 5、0、0.016 5、0.072 mg·L-1，在中游地表水中的平均含量分别为0.043、1.016、0.068、0.01、0.071 mg·L-1，在下游地表水中的平均含量分别为1.291、2.345 5、0.88、0.014、0.103 5 mg·L-1，除Cu 外，其余重金属已严重污染下游地表水。王志国[32]在浙江省庆元县废弃铅锌矿区进行地质环境综合治理前对治理区9 组地表水样的水化学分析表明，仅两组水样为Ⅴ类水质，其他水样均有不同程度的Pb、Zn、Cu、Cr 含量超标。铅锌矿山的开发不仅会引起周边水体中Pb 和Zn 含量超标，而且还会导致其他重金属（如Cd、Cu、Cr 等）污染。由于铅锌矿山的开采会不同程度地造成矿山周边水环境的重金属复合污染，因此，需要加大治理力度，尤其是位于饮用水源地周边的矿区更亟需进行综合整治。

2 重金属的富集植物筛选与绿化植物修复研究

目前，由铅锌矿山开采或加工冶炼等所造成的环境介质污染除了导致Pb、Zn 含量超标外，还会产生Cd、Cu、Cr、As 等复合污染。为了减少重金属污染对生态系统的影响，对重金属污染区进行生态治理显得尤为必要。目前，有关环境（土壤、沉积物、地表水和地下水）重金属污染的修复技术主要包括化学法、物理法和生物法。传统的重金属修复方法包括化学淋洗、溶剂浸提、化学氧化/还原、原位玻璃化、改土法、冲洗络合法、物理分离、离子交换、土壤清洗、土壤冲洗、电动修复等[35-36]，但是这些物理和化学方法往往投资昂贵、修复成本极高，改变土壤性质和干扰土壤微生物区系等，而且化学法也会造成二次污染等问题[37]。

广义的生物修复主要包括动物修复、植物修复和微生物修复，而狭义的生物修复是指微生物修复。其中，微生物修复包括原位修复（包括投菌法、生物培养法和生物通气法等）和异位修复（包括预制床技术、生物反应器技术、厌氧处理和常规堆肥法）[38]；动物修复主要是利用动物富集重金属，相关研究证实蚯蚓Lumbricussp.对As[39]、Cu 和Se[40]有较强的富集能力；植物修复基本上是应用植物和相关的土壤微生物来减少环境中污染物的浓度或毒性[41]，这是一种新兴、高效、环境和生态友好、就地适用、太阳能驱动的绿色生物技术，通过植物根系直接吸收环境中大量重金属元素，结合收获植物地上部分进而达到修复被污染环境的目的[37,42-43]。因此，自20 世纪90 年代以来，国内外学者在利用绿色植物修复环境重金属污染方面进行了大量研究，植物修复已成为目前国际环境研究领域的热点。

2.1 重金属元素的富集植物筛选研究

植物具有积累或富集重金属的作用。许多研究通过对铅锌矿区自然生长植物的调查以寻找修复矿区污染的植物种类。植物地上部重金属含量的高低可作为鉴别植物是否具有植物修复最大潜力的重要标准[44]。超富集植物是指能超量吸收环境中的重金属并将其转运到地上部（茎、叶），而地上部能够较普通植物多累积10～ 500倍某种重金属元素的植物，即植物叶片或地上部（干质量）Cd、Se 含量达到100 mg·kg-1以上，Cu、Pb、Ni、Co、Cr、Fe 含量达到1 000 mg·kg-1以上，Mn 和Zn 含量达到10 000 mg·kg-1以上的植物为超富集植物（或超积累植物）；同时，这些植物的转运系数（TF：地上部与地下部重金属含量的比值）>1.0[35,45-46]。针对铅锌矿带来的环境重金属污染问题，国内外学者从数千种植物中筛选出具有富集重金属潜力的115 种植物[47-87]，隶属于47 科，其中，菊科Asteraceae 植物最多，达24 种，禾本科Poaceae 植物次之，有12 种，杨柳科Salicaceae 和豆科Fabaceae 植物各有5 种，景天科Crassulaceae、十字花科Brassicaceae、石竹科Caryophyllaceae 各有4 种（详见表1 至表5）。

铅锌矿或尾矿环境中能够生长且对Pb 有超富集潜力的植物有30 种（表1），其中作为Pb 超富集植物的分别是Scrophularia s coparia[50]、长毛香薷Elsholtzia p ilosa[51]、水蓼Polygonum hy dropiper[54]、两面刺Cirsium chlorolepis[51]、接骨草Sambucus javanica[59]等。对Zn 有超富集潜力的植物有14 种，如鬼针草Bidens pilosa[54]、滇紫草Onosma paniculatum[55]、Echinophora platyloba[68]、雀苣Lactuca orientalis[68]等。对Pb、Zn 两种重金属同时具有超富集潜力的植物有23 种（表3）。有14 种植物对3 种及以上重金属元素有超富集潜力，其中同时对Pb、Zn、Cd 3 种元素具有超富集潜力的植物有10 种，而蜈蚣凤尾蕨Pteris vittata对Pb、Cr、As 均有较强的富集和转运能力[50,57,77]，苘麻Abutilon theophrasti[79]和野艾蒿Artemisia lavandulifolia[64,81]同时对Pb、Zn、Cd、Cu 有较强的富集和转运能力，大戟科的Euphorbia macroclada[78]对Pb、Zn、Fe、Mn 等具有较强的富集能力（表4）。对其他重金属（含Pb 或Zn）有超富集潜力的植物有34 种，其中同时对Pb、Cd 和Zn、Cd 均有较好富集和转运能力的植物各有4 种；而对Cd 有超富集潜力的植物种类较多，有18 种（表5）。

表1 铅锌矿或尾矿环境中对Pb 有超富集潜力的植物种类Table 1 Hyper accumulation of Pb in plants grown on lead-zinc mining or mine tailing area

表2 铅锌矿或尾矿环境中对Zn 有超富集潜力的植物种类Table 2 Hyper accumulation of Zn in plants grown on lead-zinc mining or mine tailing area

表3 铅锌矿或尾矿环境中对Pb 和Zn 有超富集潜力的植物种类Table 3 Hyper accumulation of Pb and Zn in plants grown on lead-zinc mining or mine tailing area

表4 铅锌矿或尾矿环境中对3 种及以上重金属有超富集潜力的植物种类Table 4 Hyper accumulation of 3 kinds of heavy metal in plants grown on lead-zinc mining or mine tailing area

表5 （续）

表5 铅锌矿或尾矿环境中对其他重金属（含铅或锌）有超富集潜力的植物种类Table 5 Hyper accumulation of other heavy metal (including Pb or Zn) in plants grown on lead-zinc mining or mine tailing area

2.2 铅锌矿山绿化和植物生态修复研究

铅锌矿山的生态修复主要是在消除矿区可能产生的地面塌陷、崩塌滑坡及泥石流等地质灾害隐患基础上进行地貌景观修复，主要包括矿区绿化及其水体、土壤污染治理。受有效营养（N、P、K 等）和有机质含量低以及多种重金属污染等特殊立地条件的制约，废弃铅锌矿山的地质环境往往不利于植物生长，这给矿区绿化带来了很大的难度。尽管有关铅锌矿区重金属富集植物的调查研究较多，但在铅锌矿区成功应用的案例仍然较少，大多数局限于调查、试验分析及设计探讨等方面。如谢永等[88]对甘肃省徽县洛坝铅锌矿废弃3 a、6 a 和11 a 坑口弃渣台地自然植被演替进行了调查，发现3 a 弃渣台地有物种12 种，盖度为5.5%～ 10.5%，优势种为北艾Artemisia v ulgaris；6 a 弃渣台地有物种17 种，盖度为18.5%～ 20.0%，优势种为北艾、碱菀Tripolium v ulgare和商陆Phytolacca acinosa等；11 a 弃渣台地有物种40 种，盖度为25.0%～ 30.0%，优势种为北艾、碱菀和一年蓬等，还有灌木茅莓Rubus par vifolius及乔木臭椿Ailanthus a ltissima等树种。齐丹卉等[89]对云南兰坪铅锌矿区植被恢复期土壤种子库和植被进行了调查，结果表明，在恢复初期魁蒿Artemisia princeps群落和草地早熟禾Poa pratensis人工草地群落的土壤种子库较地上植被多样性高，优势种主要是由易于风播、种子繁殖的菊科、禾本科为主的植物组成，这些植物在尾矿区植被恢复初期起重要作用。施祥等[90]对浙江富阳的废弃铅锌尾矿库进行了人工植被恢复试验，发现紫穗槐Amorpha f ruticosa、截叶铁扫帚Lespedeza c uneata、紫苜蓿Medicago s ativa和桤木Alnus cremastogyne等固氮植物在尾矿库区生长良好，盐肤木、旱柳等对Pb、Zn 积累能力较强的树种可以用于废弃铅锌尾矿库的治理。原海燕等[91]利用4 种鸢尾属Iris植物对南京市栖霞山铅锌矿区工业污水地表排污口1 km 处的排污渠底泥进行了重金属修复试验，发现马蔺Iris lacteavar.chinensis、黄菖蒲I.pseudacorus、花菖蒲I.ensata和溪荪I.sanguinea能明显降低土壤重金属质量分数，其中，马蔺对Pb、Cd 的吸收能力最强，其茎叶中的Pb 质量分数达983 mg·kg-1，转运系数大于1.0，是一种潜在的Pb 积累植物；黄菖蒲、花菖蒲和溪荪对Zn 的吸收能力较强，但主要积累在根系。

Yang 等[92]在广东乐昌铅锌尾矿利用香根草、长喙田菁Sesbania rostrata、印度田菁S.sesban进行5 个月的野外恢复研究，结果表明，添加单独生活垃圾或同时添加生活垃圾和人工肥料的方法可以促进植物成活率和生长速率，但单独添加人工肥料不能促进植物成活率和生长速率；长喙田菁和印度田菁的茎部对Pb、Zn、Cu、Zn 的富集量明显高于香根草的茎部，而香根草对重金属元素主要积累在根部。高喜等[93]利用盆栽方法研究了香根草在不同环境（铅锌尾矿、尾矿+复合肥、尾矿+腐殖质+复合肥和广西阳朔地带性红壤）的生长及光合生理特点，发现复合肥和腐殖质的综合使用可提高香根草对铅锌矿尾矿的适应性。李正强等[94]以云南省某铅锌矿开采区的尾矿砂为基质并掺入不同数量的红壤、猪粪进行盆栽试验，发现尾砂对银合欢Leucaena l eucocephala的生长具有明显的抑制作用，重金属含量过高显著降低株高、根长和生物量。Titshall 等[95]利用营养含量低、含碱性和高Zn 含量的尾砂（铅锌矿）进行5 种草本植物的种植试验，发现施肥促进了植物生长，其中Cenchrus ciliaris在足量肥料下产量最高，Digitaria eriantha次之；Cenchrus ciliaris、D.eriantha、Eragrostis superba、Fingeruthia africana对Zn 有一定的去除效果，但对Pb 的去除有限。

李贵等[96]采用多种植物栽培和径流小区收集水样的方法研究了铅锌矿区植物原位阻截土壤废渣重金属效果，发现3 a 后构树等可降低地表径流水中Pb、Cd 和Cu 负荷输出分别为9.04%～ 9.64%、67.0%～ 75.86%和52.64%～ 70.97%，女贞Ligustrum lucidum等可降低地表水中Zn 负荷输出74.99%～ 78.35%；女贞还可使铅锌尾矿区尾沙中Pb、Zn、Cd 和As 分别降低27.31%、27.59%、39.52%和33.47%，构树则分别降低31.87%、38.45%、41.28%和29.48%。林庆富[97]采用一年生东京银背藤（葛藤）袋苗在具有成片土壤堆积或较宽的石缝处的铅锌矿弃渣场上部及边坡进行种植试验，发现3 a 后主蔓长为14.18 m、单株覆盖面积达14.27 m2。

此外，王志国[32]、罗刚[98]、刘欢欢等[99]分别对浙江庆元铅锌矿废弃矿山、内蒙古自治区科尔沁右翼前旗巴根黑格其尔铅锌矿区、湖南宁远九嶷山铅锌矿区固废堆坡封场进行绿化设计研究，主要绿化内容包括撒播草籽、种植绿化、喷播绿化等方法；郭维君等[100]、陆东辉[101]、张月峰等[102]分别针对铅锌矿山地质和生态环境恢复治理及土地复垦方法等提出相应的对策措施。

3 铅锌矿山绿化修复研究展望

我国铅锌矿山资源量大，开采点多、面广，环境影响面也大，因此，针对铅锌矿山的地质环境问题深入开展矿山绿化与生态修复相结合的植被恢复研究，实现矿山开发利用与自然生态环境保护相协调发展，对于建设绿色矿山、发展绿色矿业、促进现代生态文明建设等具有非常重要的意义，一些研究[88-102]初步证实对铅锌矿山实施生态绿化是有效可行的。鉴于有关研究进展，提出以下关于铅锌矿山绿化修复的四点展望：

（1）分类指导铅锌矿山绿化。铅锌矿山可绿化的区域通常包括露天开采的岩质边坡、硐采的硐口区域、废弃矿石堆场及其形成的堆场边坡、选矿厂废弃的尾矿堆场（尾矿库）和尾矿坝及其坝体坡面、运输道路两侧及其受损的山体边坡，另外，办公生活区和选厂、炸药库和配电房及机修车间旁、沉淀池周边、排污沟渠旁等可绿化区，以及其他可绿化的区域。由于生产功能和立地条件及环境污染程度的不同，应该实行分类指导，特别是针对重金属污染程度的不同，选择适宜的绿化树种（包括草本、藤本植物）、配置方法和种植技术，实现矿山可绿化区域系统性地全面绿化，努力建设绿色矿山。

（2）广泛选择生态绿化树种。铅锌矿区通常受到重金属的污染，特别是废渣堆场和尾矿库，在雨水淋滤和尘埃飘浮影响下可引发面源污染，需要选择耐重金属和富集重金属的适宜绿化树种。综合上述耐重金属和富集重金属的115 种植物[47-87]，但多数为草本，而木本植物种类偏少，目前仅发现密蒙花、白背叶、新樟、加拿大杨、某种柳Salixsp.、旱柳、S.atrocinerea、中华柳、垂枝桦、构树、盐肤木、桃叶杜鹃、Vitex ambigua、大乌泡、加拿大紫荆等。修复研究中大多也为草本植物，如香根草[92,93]、草地早熟禾[89]、紫苜蓿[90]等，木本植物构树等，但这些树种通常与周边自然植被不够一致，葛藤虽然长得快，但被认定为有害植物[97]。因此广泛选择适宜铅锌矿山生态绿化树种，特别是地带性建群树种，是铅锌矿山生态绿化研究的重要任务。

（3）注重乔灌草的有效配置。研究表明[88-89]，在废弃铅锌矿渣堆场和尾矿库上，植被自然恢复的10 a 内仍然是以草本植物为主，10 a 后可能会偶见臭椿、茅莓等落叶木本植物，但植被的覆盖度仍然较低，绿化效果差。为提升铅锌矿山的绿化质量，特别是堆渣边坡等特殊困难立地条件下的生态绿化，可遵循自然植被的演替规律，根据绿化植物的生理生态特性，结合当地自然地理和周边自然植被的群落结构特征，采取人工促进自然演替的方法，合理配置乔、灌、草立体结构，实现以草养灌、以灌促乔，短时间构建乔灌草复合的绿化群落结构，多层次地改良并修复重金属对环境的污染，不断降低矿山重金属的负荷输出。

（4）注意客土改良配套种植。盆栽试验表明[92-95]，植物生长辅助材料的综合使用可促进植物生长，促进铅锌矿山地质环境的改善，从而有效缩短矿山植被群落演替时间。但直接撒播草籽[27]、直接挖穴种植[60]和间接覆土种植[61]等绿化设计，可能对铅锌矿山的污染土壤治理效果有限，然而废弃矿渣堆场及其边坡进行客土回填可避免根系与矿渣直接接触，是值得采纳的一项配套种植技术，在客土中混合一定数量的腐化秸秆或枯草等有机物对于促进植物生长具有积极的作用，这些铅锌矿山客土改良配套种植技术值得进一步地深入研究，以开创铅锌矿山生态绿化新局面。