矿山地质生态环境修复技术研究

王 毅,常光锋

(1.陕西能源职业技术学院,陕西 咸阳 712000; 2.陕西天地地质有限责任公司,陕西 西安 710000)

矿山的开采对周边生态系统造成了严重破坏,对土壤和植被的影响最为严重,使土地失去了原本的使用价值[1]。露天的矿山开采,对矿区的地表土层造成了严重的破坏,从而影响到矿区地面植被的正常生长,而地下深挖矿山开采,则会造成地面凹陷等诸多问题,对矿区的土地和植被造成非常严重的破坏[2]。在矿山开发过程中,开采废弃物需要大面积的储存场地,从而导致大量土地被占用和破坏。储存场地原有生态系统遭到破坏,会导致生态环境的变化,限制植被的正常生长。废弃的矿山对当地的生态环境造成了严重影响,它不仅会占用大量的土地使用面积,还会对当地的经济发展产生巨大的负面影响[3]。因此,对废弃矿山地质环境进行生态修复,增加土地资源,既可缓解矿山开采过程中的土地利用问题,也可满足矿山区域生态环境建设的需要,促进矿山经济与环境保护的协调发展。

在国内的研究中,部分研究者提出了一种基于动态监测的矿山环境影响特征提取方法,并以2019年和2020年的卫星影像数据为研究基础,对浙江省某区域内的矿山资源进行动态监测[4]。根据对监测结果的分析和总结,实现对矿山生态环境的归纳和划分,并将矿山环境影响特征分为生态修复模式、工业园区模式、农田复垦模式等三大模式,通过对矿山环境特征的提取,实现对矿山环境的治理。还有部分研究者以2010年和2021年湖南省某地区获得的SPOT-5数据为研究基础,结合国内GF-2卫星影像监测数据对该地区的矿山遥感标志进行研究[5]。该篇文章分析了该研究区内矿山地质环境现状及矿山特征变化趋势。研究结果表明,2010年研究区矿山开发面积为33.360 hm2,占整个研究区开采面积的1.56%。在国外的研究中,有部分研究者通过测量了不同地表土层位移深度下植物群落结构,对地表植物生长和土壤性质进行分析,得出了植物生长频率与土壤形状之间的关系,并根据研究数据进行了统计分析[6]。结果表明,不同土体深度的物种,其多样性和均匀度受多种因素影响,且差异在(P>0.05)范围内不明显。随着土壤深度的增加,植物的密度和地上生物量显著增加(P<0.05)。土壤性质随表土深度的增加而变化,当植被深度为40～45 cm时,土壤有机质显著高于其他两个深度(P<0.05)。

基于以上研究背景,本文针对废弃矿山的地质环境,提出一种生态修复技术,从而实现矿山地质环境的可持续发展。

1 实验部分

1.1 研究区概况

本文为了对废弃矿山地质环境进行生态恢复,以A矿山为研究对象。该研究区东部和西部为平原地区,南部和北部为丘陵地区,平均海拔+1 825 m左右,最高海拔+2 001 m[7]。该研究矿区的气候常年以干燥为主,但各个季节的温差较大,冬季和夏季的最高温差可达到60 ℃,冬季较为漫长,高达7个月之久,最低温度达到-40 ℃左右,年平均温度3 ℃左右[8],且常年扬沙,风速也均在6到7级,春冬两季以东北风为主,夏季以南风为主,年平均风速在4.5 m/s,常年干旱少雨,降雨量较少,且几乎都在夏季[9],年平均光照时间为3 125 h。A矿山研究区的实景如图1所示。

图1 A矿山实景Fig.1 A actual view of mine A

1.2 实验试剂与土壤

实验土壤来自A矿区的自然清洁土壤,经过人工方式染毒后作为实验土壤[10]。染毒试剂为优级的氯化汞3.24 g、氯化铬5.26 g。实验土壤来自A矿区深度为0～30 cm的土壤,土壤基本的理化性质见表1。

表1 实验土壤的理化性质Tab.1 Physical and chemical properties of experimental soil

实验土壤中Hg含量约为0.18 mg/kg,Cd的含量小于0.05 mg/kg,都满足国家土壤环境质量Ⅱ级标准(pH值>7.5)[11-12],土壤类型呈现为轻—中砂壤土。

1.3 实验植物

对于废弃的矿山,对生态地质环境造成影响的主要是土壤中的Hg和Cd,将苔藓、芥菜和剪股颖作为Hg污染的生态环境修复植物,将菊苣、籽粒苋和鬼针草作为Cd污染的生态环境修复植物。

1.4 实验方案

本文设计的实验共分为土壤染毒和植物种植2个部分。

选取A矿区地质环境中的土壤,先对样品土壤进行测定。样品土壤pH值为4.57,有机质为18.78 mg/kg,初始Hg含量0.139 mg/kg,Cd含量0.45 mg/kg。取适量土壤加入外源Hg、Cd(形态分别为HgCl2和CdCl2)作为模拟污染土壤备用,其染毒过程处理如下。

(1)Hg染毒。取适量A矿区地质环境中的土壤,先将其平均分为2份,一份标注为低浓度Hg土壤,另一份标注为高浓度Hg土壤,然后取氯化汞试剂对离子水进行稀释,分别配置浓度为7.5、1.5 mg/L的氯化汞溶液,利用浓度为7.5 mg/L的氯化汞溶液对高浓度Hg土壤染毒,利用浓度1.5 mg/L的氯化汞溶液对低浓度Hg土壤染毒,以喷雾形式均匀地喷洒到实验土壤中,边喷洒边搅拌,使其可得到均匀染毒[13-14]。染毒后采用F732-G测汞仪对Hg含量进行测定,其中Hg的全量用H2SO4-HNO3-V2O5消化,测定染毒后高浓度土壤Hg浓度为12.0 mg/kg,低浓度土壤内Hg浓度为1.0 mg/kg[15-16]。最后将2组实验土壤放在温室中进行土培,实验用的塑料盆栽应保证30 cm深,且其盆土均重为4 kg。

(2)Cd染毒。该过程与Hg染毒相似。先将土壤平均分为2份,利用氯化铬试剂对离子水进行稀释,使其浓度分别为3.0、0.5 mg/kg,利用该两种试剂分别对高低Cd浓度土壤染毒,将稀释过后的氯化铬试剂喷洒到土壤内,边喷洒边搅拌,使其染毒均匀。然后利用王水和高氯酸消化后再用光谱仪进行元素浓度测定。测定后,其高、低浓度土壤内Cd浓度分别为0.8、8.0 mg/kg,最后在温室中分别放入两个与上面试验相同的塑料盆中进行土培[17-18]。

(3)植物种植。针对土壤中Hg的吸收,分别选取苔藓、芥菜、剪股颖3种植物进行试验[19-20];针对土壤中Cd的吸收,分别选取菊苣、籽粒苋、鬼针草3种植物进行试验,并在高、低浓度的土壤中进行植株种植。分别在温室培养3、5、7、9、11 d后取样称取植物鲜重,测定土壤中的Hg或Cd元素浓度,观察各类植物的生态修复效果。部分试验植物实物如图2所示。

图2 部分试验植物实物Fig.2 Physical of some experimental plants

1.5 修复精度指标

修复精度(UA)是指某一植物占总修复总数的百分比,其可反映总修复精度结果的正确度,计算公式为:

(1)

Kappa系数是最能准确反映整体的修复精度的量,其是基于修复的每个数据获得的,公式为:

(2)

Kappa指数<0、0～0.20、0.21～0.40、0.41～0.60、0.61～0.80、0.81～1.00时,对应的质量为很差、差、一般、好、很好、极好。

2 结果分析

2.1 不同植物对Hg的吸收效果

2.1.1 生物量对比

苔藓、芥菜和剪股颖在实验室条件下生长时,苔藓的生长态势最旺盛,最大株高在48.6～57.2 cm之间,芥菜的最大株高大约为28 cm,剪股颖是一种生长在本土草坪的植物[20],地面以上的生长高度大约为9 cm。当浓度水平为1 mg/kg时,不同植物吸收Hg的地上部分鲜重与变化趋势见表2。

表2 低浓度水平下3种植物的地上部分鲜重Tab.2 Aboveground fresh weight of three plants at low concentration levels g/pot

根据表2的结果可知,3种植物在1 mg/kg的浓度下,随着采样次数的增加,地上部分的生物量都呈现出先增大后减小的趋势,苔藓和芥菜的地上部分生物量在第3次采样时就达到了最大值,分别为31.24、28.48 g/pot,只有剪股颖的地上部分生物量在第4次采样时达到最大值,为8.26 g/pot,而且剪股颖在5次采样中的地上部分生物量都没有太大变化幅度,3种植物在1 mg/kg的浓度下地上部分生物量排序为苔藓>芥菜>剪股颖。

当浓度水平为12 mg/kg时,不同植物吸收Hg的地上部分鲜重与变化趋势见表3。

表3 高浓度水平下3种植物的地上部分鲜重Tab.3 Aboveground fresh weight of three plants at high concentration levels g/pot

从表3可以看出,3种植物在12 mg/kg浓度下的地上部分鲜重变化规律与浓度为1 mg/kg时基本一致,也就是说随着采样次数的增加,地上部分鲜重仍然是先增大后减小,苔藓和芥菜的地上部分生物量在第3次采样时就达到了最大值,分别为32.07、29.67 g/pot,剪股颖的地上部分鲜重没有明显的变化,当采样第4次时,生物量最大,为9.13 g/pot。3种植物在12 mg/kg的浓度下地上部分生物量排序为苔藓>芥菜>剪股颖。

综合以上结果,3种植物在不同浓度水平下的生长情况基本一致,说明植物的生长并没有受到高浓度水平的抑制作用,对废弃矿山地质环境中土壤Hg污染的耐性很好。

2.1.2 不同植物对Hg的吸收效果

当浓度水平为1 mg/kg时,3种植物地上部分Hg的浓度测试结果如图3所示。

图3 低浓度水平下3种植物的 Hg 浓度Fig.3 Hg concentration of three plants at low concentration levels

根据图3结果可知,随着采样次数的增加,3种植物地上部分Hg的浓度呈现出先增大后减小的趋势,并且都是在第4次采样时达到最大值,分别为0.45、0.22、0.54 μg/g。

当浓度水平为1 mg/kg时,3种植物地上部分的Hg吸收量见表4。

表4 低浓度水平下植物地上部分的 Hg 吸收量Tab.4 Hg absorption of aboveground parts of plants at low concentration levels μg/pot

表4的结果显示,3种植物地上部分的Hg吸收量都是在第4次采样时达到最大值,吸收量分别为3.24、1.46、1.13 μg/pot。对于苔藓和芥菜而言,Hg吸收量最大值出现的时间比地上部分鲜重最大值出现的时间晚,3种植物对废弃矿山地质环境土壤中Hg的修复效果排序为苔藓>芥菜>剪股颖。

当浓度水平为12 mg/kg时,3种植物地上部分Hg的浓度测试结果如图4所示。

图4 高浓度水平下3种植物的 Hg 浓度Fig.4 Hg concentration of three plants at high concentration levels

图4中,随着采样次数的增加,3种植物地上部分Hg的浓度在第4次采样时达到最大值,分别为1.32、0.56、0.85 μg/g。

当浓度水平为12 mg/kg时,3种植物地上部分的Hg吸收量见表5。

表5 高浓度水平下植物地上部分的 Hg 吸收量Tab.5 Hg absorption of aboveground parts of plants at high concentration levels μg/pot

根据表5的结果可知,在高浓度水平下,3种植物地上部分的Hg吸收量与低浓度水平比较接近,都是在第4次采样时达到最大值,吸收量分别为9.83、3.98、1.78 μg/pot。对于苔藓和芥菜而言,Hg吸收量最大值出现的时间比地上部分鲜重最大值出现的时间晚,3种植物对废弃矿山地质环境土壤中Hg的吸收效果排序为苔藓>芥菜>剪股颖。

2.2 不同植物对Cd的吸收

2.2.1 生物量对比

菊苣、籽粒苋和鬼针草在实验室条件下生长时,鬼针草的生长态势最为旺盛,最大株高可以达到85 cm,其次是菊苣,株高最低的是籽粒苋。当浓度水平为0.8 mg/kg时,不同植物吸收Cd的地上部分鲜重与变化趋势见表6。

表6 低浓度水平下3种植物的地上部分鲜重Tab.6 Aboveground fresh weight of three plants at low concentration levels g/pot

表6中,在0.8 mg/kg的浓度下,随着采样次数的增加,3种植物地上部分的生物量都呈现出先增大后减小的趋势,菊苣和鬼针草的地上部分生物量在第3次采样时就达到了最大值,分别为32.04、85.24 g/pot,只有籽粒苋的地上部分生物量在第4次采样时达到最大值,为65.24 g/pot,3种植物在1 mg/kg的浓度下地上部分生物量排序为鬼针草>籽粒苋>菊苣。

当浓度水平为8.0 mg/kg时,不同植物吸收Cd的地上部分鲜重与变化趋势见表7。

表7 高浓度水平下3种植物的地上部分鲜重Tab.7 Aboveground fresh weight of three plants at high concentration levels g/pot

表7的结果显示,随着采样次数的增加,3种植物的地上部分鲜重先增大后减小,其中菊苣和鬼针草的地上部分鲜重在第3次采样时达到最大,分别为30.23、89.67 g/pot,只有籽粒苋在第4次采样时达到最大,为68.36 g/pot。3种植物在8.0 mg/kg的浓度下地上部分鲜重排序为鬼针草>籽粒苋>菊苣。

根据以上结果可见,3种植物对废弃矿山地质环境中土壤Cd污染的耐性同样很好。

2.2.2 不同植物对Cd的吸收效果

当浓度水平为0.8 mg/kg时,3种植物地上部分Cd的浓度测试结果如图5所示。

图5 低浓度水平下3种植物的 Cd 浓度Fig.5 Cd concentration of three plants at low concentration levels

根据图5结果可知,随着采样次数的增加,3种植物地上部分Cd的浓度出现先增大后减小的趋势,并且都是在第4次采样时达到最大值,分别为2.56、1.24、10.36 μg/g。

当浓度水平为0.8 mg/kg时,3种植物地上部分的Cd吸收量见表8。

表8 低浓度水平下植物地上部分的 Cd 吸收量Tab.8 Cd absorption of aboveground parts of plants at low concentration levels μg/pot

表8的结果显示,3种植物地上部分的Cd吸收量都是在第4次采样时达到最大值,吸收量分别为18.32、18.74、196.52 μg/pot。其中,菊苣和籽粒苋对Cd的吸收效果比较差。3种植物对Cd吸收量最大值出现的时间比地上部分鲜重最大值出现的时间晚,吸收效果排序为鬼针草>籽粒苋>菊苣。

当浓度水平为8.0 mg/kg时,3种植物地上部分Cd的浓度测试结果如图6所示。由图6可知,随着采样次数的增加,3种植物地上部分Cd的浓度在第4次采样时达到最大值,分别为13.96、8.37、32.59 μg/g。

图6 高浓度水平下3种植物的 Cd 浓度Fig.6 Cd concentration of three plants at high concentration levels

当浓度水平为8.0 mg/kg时,3种植物地上部分的Cd吸收量见表9。

表9 高浓度水平下植物地上部分的 Cd 吸收量Tab.9 Cd absorption of aboveground parts of plants at high concentration levels μg/pot

根据表9的结果可知,在高浓度水平下,3种植物地上部分的Cd吸收量与低浓度水平比较接近,都是在第4次采样时达到最大值,吸收量分别为96.21、133.26、611.24 μg/pot。对于鬼针草和菊苣而言,Cd吸收量最大值出现的时间比地上部分鲜重最大值出现的时间晚,3种植物对废弃矿山地质环境土壤中Cd的吸收效果排序为鬼针草>籽粒苋>菊苣。

2.3 修复精度评价

选用eCognition软件的矿山地质生态环境修复精度,结合矿山实际验证点和无人机遥感影像图辅助参与,对矿山地质生态环境修复结果按照地类随机布点抽取样本并保存,最后根据软件自带的精度评价模块进行修复精度结果与实际地物之间的精度验证。修复精度评价见表10。

表10 修复精度Tab.10 Repair accuracy

3 结论

本文针对废弃矿山的地质环境提出了生态修复技术研究。结果显示,通过土壤中Hg吸收实验可知,苔藓对土壤中Hg的吸收效果最好,无论是面对高浓度土壤还是低浓度土壤,均可在第3次采样时达到吸收的最大值,高浓度时吸收量为9.83 μg/pot,低浓度时吸收量为3.24 μg/pot;通过土壤中Cd吸收实验可知,无论是面对高浓度土壤还是低浓度土壤,鬼针草对土壤中Cd的吸收效果最好,均在第4次采样时达到最大值,高浓度时吸收量为611.24 μg/pot,低浓度时吸收量为196.52 μg/pot。由此可针对该土质种植大量苔藓与鬼针草,以达到修复生态的目的。本文研究虽然可以成功修复废弃矿山地质环境,但是还存在很多不足,在今后的研究中,会考虑到不同植物的生长周期,深入研究不同植物对废弃矿山地质环境土壤中Hg和Cd的吸收效果。