分宜县松山铁矿酸性铁矿底泥植物修复技术研究

杨森林

（江西省新余市分宜县水利局，江西 新余 336600）

1 研究背景

分宜县松山铁矿位于江西省新余市分宜县钤山镇古家村，主要从事磁性铁矿石开采、铁精粉加工。 受到产品特点和生产工艺技术等因素的影响，其环境污染问题一直比较突出。 在磁铁矿开采以及选矿的过程中， 会产生大量影响生态环境的固体废弃物。 该硫铁矿区的废水池用水泥和砖块修砌而成， 主要目的是沉积洗矿和选矿过程产生的矿物颗粒， 废水池在使用过程中会产生底泥沉积层。 在沉积层厚度超过0.8m 时，需要将其挖出在露天环境堆放。 由于底泥中含有大量的酸性物质和重金属，底泥堆积体在遭受暴雨侵袭的情况下，其中的有害物质还会通过地表径流进入河湖水体，造成水体环境污染。 开采的硫铁矿经分选和清洗， 特别是选矿和冶炼过程中的废水处理会产生大量的酸性底泥， 不仅会造成大量的土地资源浪费，还会造成比较严重的环境污染[1]。 在当地土地资源日趋紧缺、 生态环境亟待进行整治和改善的背景下，对底泥等固体废弃物进行合理处置，实现矿山环境的生态修复就成为亟待解决的问题[2]。 目前，矿山生态修复技术主要包括工程修复、物理化学修复以及生物修复技术[3]。 其中，生物修复技术具有经济性和环保性优势， 日渐受到广大学者的关注。 生物修复中的植物修复技术可以重塑污染土壤的物理性质、化学性质以及微生物环境条件，具有广阔的发展前景[4]。 西方发达国家在生态修复领域的研究起步相对较早，早在上世纪30 年代就开始该领域的相关研究， 如Emma Sandell Festin等以非洲赞比亚铜矿矿区为例进行植物影响研究，结果显示，像大叶漆树这类植物在铜尾矿坝早期演替环境中可以良好生长， 可以用于相关工程的生态修复工程。 受到环保观念等诸多因素的影响，我国的矿区生态修复领域的研究起步较晚，在上世纪80 年代开始才进行相关研究。 近年来，随着生态理念不断深入， 国内理论界以及企业开始大量引进生态修复领域的新技术， 结合我国的实际情况展开研究。 目前，我国的矿山复垦往往需要使用大量的客土， 造成矿山复垦的成本投入居高不下， 在引入地大量取土也不可避免地造成二次环境破坏。 针对矿山生产中的固体废弃物资源化利用手段较多，主要有再选回收、混凝土制备、采空区充填以及建筑材料生产等。 虽然上述方式可以消耗大量的固体废弃物， 但是并没有从根本上实现综合利用。 此次研究通过现场试验的方式，选择9 种草本植物、 灌木植物和乔木植物进行底泥种植试验， 根据试验结果进行种植植物的初步筛选，以便为修复工程的设计和建设提供必要支持。

2 试验材料和方法

2.1 试验材料

由于植物种类数量繁多， 因此在试验过程中首先需要对植物进行初步筛选[5]。 国内学者比较重视生态修复领域的植物筛选工作， 并在污染土壤的耐性植物的筛选方面取得了一系列重要的研究成果。 但是，在耐受植物的筛选和使用方面仍旧存在诸多亟待解决的问题： 选择的修复植物主要为草本植物，灌、乔木选择较少，特别是缺乏针对草本植物、灌木和乔木修复效果的对比研究；在植物选择方面比较侧重于乡土植物， 引种培育方面的研究不多； 在修复植物的选择上仅考虑其生态修复效果， 对基于资源化利用的经济和社会价值关注不足。 由此，在筛选过程中，应该充分考虑植物对地理和气候特征的适应性、 抗逆性以及外来和乡土植物相结合的原则， 同时照顾到植物本身的经济性价值。 基于上述原则和当地的实际情况，初步筛选出3 种草本植物、3 种灌木植物和3 种乔木植物，共9 种。 其中，草本植物分别是金钱草、平车前和玉米草；灌木植物为小叶黄杨、观音竹以及大叶女贞；乔木植物分别为湿地松、马尾松和泡桐。

试验中所使用的植物基质选择的是分宜县松山铁矿生产过程中所产生的底泥。 对选择的样本进行理化性质测定，其结果如表1 所示。

表1 底泥样本理化性质测定结果

2.2 试验方法

研究中选择的是室外现场试验的方式进行，试验地点选择在分宜县松山铁矿矿山下的公路旁，试验区的面积为330m2，其中草本和灌木植物的试验区面积为20m2， 乔木植物的试验区面积为50m2。 在试验中将铁矿的原始底泥作为对照组，将添加20%客土的混合基质作为试验组[6]。 在按照试验要求将底泥搅拌堆积完成之后， 分别种植选择的3 组9 种植物，其中，草本植物种植150 棵，灌木植物和乔木植物种植15 棵。 种植时间设计为60d，试验从2018 年5 月1 日开始，至当年的6 月30 日结束。在种植结束之后，对各组不同植物的生长情况进行测量、记录和分析，通过对比，获得最佳植物种类。

在研究中按照《国际种子发芽规程》的相关规定和计算公式， 计算获取三种草本植物的发芽势和发芽率。 在试验60d 之后，对种植的草本植物进行成活率统计，统计方法采用五点取样法[7]。 乔木和灌木则利用成活株数计算获取成活率。 对各种试验植物利用卷尺测量其株高[8]。 草本植物采用随机抽样的方式测量20 株， 灌木和乔木全部测量，并将测量结果的均值作为最终试验结果。

3 试验结果与分析

3.1 草本植物试验结果

根据草本植物的试验数据， 统计计算其发芽率和发芽势，结果如表2 所示。 由试验结果可知，采用混合底泥与原状底泥相比， 三种草本植物的发芽势和发芽率均有一定程度的提高， 但是除了平车前的发芽势之外，提高幅度并不大，所以添加一定量的客土可以提高种子的萌发效果， 但是效果并不是特别明显。 从不同草本植物的种类对比来看， 玉米草的发芽势和发芽率均有十分明显的对比优势，其次是平车前，发芽势和发芽率水平最低的是金钱草。

表2 不同草本植物萌发情况试验结果

根据试验中获取的数据， 对三种草本植物的成活率进行计算， 根据计算结果绘制出如图1 所示的成活率分布图。 两种不同底泥的草本植物成活率存在十分显著的差别，采用原状底泥时，三种草本植物的成活率均较低，都在20%左右，而采用混合底泥的情况下，成活率达到了80%左右。 由此可见，在原状底泥中掺加一定量的客土，虽然不能明显提升草本植物的萌发效果， 但是可以大幅提升成活率，具有一定的工程意义。 从不同草本植物的对比来看， 玉米草的成活率最高， 其次是金钱草，成活率最低的是平车前。

图1 三种草本植物成活率试验结果

对试验中结束之后的株高数据进行整理和计算， 绘制出如图2 所示的三种草本植物株高分布图。 由图可以看出，与成活率类似，采用混合底泥的情况下，三种草本植物的株高也有明显的增加。因此，建议在工程建设中掺加一定量的客土，以利于草本植物的生长。 从不同草本植物的对比来看，玉米草的株高存在十分明显的优势，建议选用。

图2 三种草本植物株高试验结果

3.2 乔、灌木试验结果

鉴于乔木和灌木试验条件基本相同， 因此对试验结果进行统一分析。 首先，根据试验数据计算出不同底泥条件、不同植物种类的成活率数据，绘制出如如图3 所示的成活率柱状图。 由图可以看出，与草本植物类似，采用混合底泥时，灌木和乔木的成活率均有大幅提升， 说明在原状底泥中加入一定量的客土可以显著提高植物的成活率，对工程建设十分有利。 从不同植物种类的对比结果来看，灌木植物中成活率最高的是小叶黄杨，其次是大叶女贞，成活率最低的为观音竹；乔木中成活率最高的为马尾松，其次是湿地松，泡桐的成活率最低。 从成活率的视角来看，小叶黄杨为最佳灌木植物，马尾松为最佳乔木植物。

图3 灌木和乔木成活率试验结果

鉴于不同灌木和乔木种类以及个体之间的原始高度相差较多， 因此根据试验数据计算获取不同种类灌木和乔木的株高增量， 并计算获取其平均值。 根据计算结果，绘制出如图4 所示的不同底泥条件、不同植物种类的株高增量柱状图。 图4 可以看出， 原始底泥和混合底泥条件下的株高增量存在比较显著的差异， 且混合底泥条件下的株高增量明显偏大。 由此可见，采用混合底泥更有利于植被的生长。 另一方面，从不同种类乔木和灌木的株高增量对比结果来看， 灌木植物中的小叶黄杨株高增量最大，观音竹次之，大叶女贞最小；乔木植物中的马尾松株高增量最大，湿地松次之，泡桐最小。 从株高增量的视角来看，小叶黄杨为最佳灌木植物，马尾松为最佳乔木植物，该结果与成活率的试验结果一致。

图4 灌木和乔木株高增量试验结果

4 工程效果评价

根据试验结果， 在生态项目整治工程中选择玉米草、 小叶黄杨以及马尾松对底泥沉积区进行生态修复， 在修复过程中按照20%的比例添加客土，并与表层30cm 厚的底泥进行充分搅拌，然后栽植玉米草、小叶黄杨和马尾松。 生态工程整治工程从2019 年春季开始， 在2021 年夏季对各类植物的长势进行现场测定。 结果发现，玉米草由于是一年生草本植物， 已经被小叶黄杨和马尾松两种优势物种所替代， 因此主要测定了小叶黄杨和马尾松的长势情况。 测定工作采用抽样方式进行并求其均值，结果如表3 所示。 由表中的结果可以看出，两种植物的长势良好。 整个工程区的灌木基本成片，乔木基本成林，生态环境显著改善。

表3 植被长势现场统计结果

5 结语

植物修复技术在矿山修复领域具有十分重要的作用和价值。 此次研究以具体工程为背景，利用种植试验的方式，对初选的9 种草本植物、灌木植物和乔木植物进行筛选分析， 最终选择出优势植物种类，并进行工程应用。 结果显示，选择的植物具有良好的长势， 可以发挥出重要的生态改善价值。 研究结果本身对相关类似工程的设计和建设具有一定的指导和借鉴意义。 当然，此次研究结果还显示，在底泥中加入一定量的客土，有利于提高植物的成活率和生长量， 但是并没有结合工程的经济性对最佳掺量进行分析和试验， 在今后的研究中需要在该方面进行进一步的分析和试验，以便为工程建设提供更有利的支持。 □