3种草本植物结合改良剂对铅锌尾砂库的修复效果

林晓燕， 熊云武， 裴东辉， 任 重，唐 彪，黄 雷，张时伟，许建新，赵 亮

(深圳市铁汉生态环境股份有限公司，广东深圳 518040)



3种草本植物结合改良剂对铅锌尾砂库的修复效果

林晓燕， 熊云武， 裴东辉， 任 重*，唐 彪，黄 雷，张时伟，许建新，赵 亮

(深圳市铁汉生态环境股份有限公司，广东深圳 518040)

摘要[目的]研究种植植物结合土壤改良剂对铅锌尾砂库的修复效果，为尾砂库无土复垦及实现生态修复提供理论依据。[方法]开展野外田间试验，在铅锌尾砂中添加改良剂TH-LZ01，反季节种植耐重金属草本植物紫斑白三叶、金鸡菊、紫花苜蓿，同时以不添加改良剂不种植植物作为对照，研究添加改良剂后植被恢复情况以及对尾砂重金属含量和pH的影响。[结果]反季节种植植物半年后，即使是粗放式管理，3个添加改良剂种植植物的处理植被覆盖度均达70%以上，尤其是紫斑白三叶处理，植被覆盖度高达99.76%，远高于对照(6.13%)；添加改良剂TH-LZ01，种植植物可以显著降低尾砂Cu、Zn、Pb、Cd的DTPA 提取态含量，降低率分别达83.00%、78.00%、31.00%、24.00%，效果显著；金鸡菊处理和紫花苜蓿处理的pH较紫斑白三叶处理高，且DTPA-Cu、DTPA-Zn显著低于紫斑白三叶处理。[结论]粗放式管理模式下，紫斑白三叶、金鸡菊、紫花苜蓿均可作为尾砂库生态修复的先锋草种，工程应用时可以优先考虑使用。

关键词尾砂；生态修复；重金属；改良剂

尾砂库作为矿山开采后遗留的废弃地之一，不仅占用了大量土地，还破坏了矿山原有的植被和景观，大量裸露尾砂的堆放，易诱发地质灾害和水土流失。同时，尾砂中含有大量有毒有害物质，如重金属等，易在水蚀、淋洗、径流等作用下污染周边土壤、水体，且尾砂易受风蚀，造成扬尘污染[1]。因此，对尾砂库进行生态修复，控制其对周边环境的污染成为研究热点。尾砂库生态修复以植被重建为关键，但由于尾砂重金属含量高、大量营养元素(如 N、P)缺乏等，限制了植物在尾砂库的生长[2-5]。因此，有学者提出采用人工辅助措施，在尾砂中添加改良剂，同时种植耐重金属植物，建立无土复垦植被恢复技术，以稳定尾砂库，改善景观，控制污染[1,6-7]。张凯等[8]通过盆栽试验表明，将污泥有机肥作为尾砂改良剂可促进黑麦草、白三叶、草木樨、沙打旺的生长。卢倩倩[9]利用绿肥对铅锌尾矿进行改良，通过盆栽试验表明，绿肥可以有效降低尾砂中的重金属有效态含量，提高尾砂的营养成分含量，将黑麦草绿肥施于尾砂中，可以促进黑麦草的生长，且能降低其对重金属的吸收。朱佳文[10]通过盆栽试验表明，赤泥、石灰作为尾砂改良剂，能显著降低尾砂中Zn、Pb、Cd的有效态含量，当添加量为1%时，能显著增加黑麦草的生物量，促进黑麦草生长。结合改良剂和耐重金属植物进行修复，实现无土复垦，这种原位修复方法具有成本低，不破坏场地结构，不引起二次污染，相对可靠，环境友好等优点，具有广阔的应用前景。然而，目前该技术仍停留在实验室研究阶段，野外田间应用试验较少。笔者通过田间试验，研究添加自主研发的尾砂改良剂TH-LZ01和种植耐重金属草本植物(紫斑白三叶、金鸡菊、紫花苜蓿)，对植被恢复及尾砂重金属含量和pH的影响，旨在为尾砂库生态修复提供理论依据。

1材料与方法

1.1研究区概况试验尾砂库位于湖南省郴州柿竹园尾砂库(113°9′ E，25°47′ N)，北临大浪江桥，西近白露塘村，南临将军石，东靠东河。该地区属中亚热带季风性湿润气候，四季分明，春早多变，夏热期长，秋晴多旱，冬寒期短，年均气温15.4～18.3 ℃，年均降雨量125～1 700 mm，无霜期长。该区域光、热、水资源丰富，有利于植物生长。试验尾砂库尾砂基本理化性质见表1。由表1可知，除Pb、Cd含量均超过国家土壤环境质量标准3级标准限值(为保障农林生产和植物正常生长的土壤临界值)外，其余重金属指标均符合3级标准。

1.2供试材料供试植物：紫斑白三叶种苗，来源于深圳市铁汉生态环境股份有限公司，为公司自主研发的产品。金鸡菊、紫花苜蓿，均采用种子撒播的方式进行种植。

供试改良剂和肥料：改良剂TH-LZ01来源于深圳市铁汉生态环境股份有限公司，为公司自主研发，主要成分为氧化钙、海泡石、硫酸亚铁。NPK复合肥为嘉安磷复合肥，硫酸钾型。

表1　供试尾砂基本理化性质

注：*表示数据为平均值±标准差，n=12；**为土壤环境质量标准GB 15618—1995。

Note：* indicated data were mean value ± standard deviation,n=12; ** was soil environmental quality standard GB 15618-1995.

1.3试验设计田间试验设4个处理，分别为T1：对照(CK)；T2：紫斑白三叶；T3：金鸡菊；T4：紫花苜蓿。每处理3个重复，共12个小区，每个小区面积为3.0 m× 3.0 m，随机排列。小区间间距0.7 m，并在每个小区周边外侧开挖深、宽度均为0.3～0.5 m的排水沟。在种植前1周，除CK外，每个小区均采用改良剂TH-LZ01进行改良，添加量为0.5%(V/V)，撒播NPK复合肥作为基肥，添加量为25 g/m2，与表层尾砂混匀。种植时，CK不种植植物，紫斑白三叶采用种苗进行扦插种植，株行距为15 cm × 15 cm，金鸡菊、紫花苜蓿均采用撒播种子的方式进行种植，种植密度分别为1.0、1.5 g/m2，播种后，均覆盖1层稻草保持土壤湿润。试验时间为2015年10月至2016年3月，种植时浇定根水，同时采取粗放式管理，仅在长期不下雨时浇水。

1.4样品采集与分析测定1.4.1植物样品采集与测定。反季节种植半年后，调查各处理植物盖度和生物量。其中，植物盖度采用目测判断法，通过计算植物在样方中的分盖度即植物在一个样方中的投影面积占样方面积的比例，然后取所有分盖度的平均值作为植物盖度。植物盖度=植物在所有样方中的分盖度总和/总样方数[11]。生物量调查方法为建立0.5 m×0.5 m的样方，收集样方内所有植物的地上部分，称重。同时，采集各小区所种植植物的地上部分及根部，每种植物采集5个混合样，采集量约0.5 kg，装入塑料密封袋，标记。在实验室用自来水和去离子水洗净，吸干表面水分。样品于105 ℃杀青30 min，然后于65 ℃ 48 h烘干，称重。植物样品用万能粉碎机磨细，过0.25 mm尼龙筛，备测重金属含量。植物重金属采用HNO3-HClO4联合消煮(GB/T 5009.11-15—2003)，并采用原子吸收光谱法测定Cu、Zn、Pb、Cd浓度。1.4.2尾砂样品采集与测定。种植植物前和种植半年后，采集尾砂样品，各小区按“S”形线路采集3个尾砂样品，并将其混合成1个混合样，采集深度0～30 cm，采集量约0.5 kg，采集后立即将样品装入塑料密封袋，标记。在实验室自然风干，除去土壤中的石块、植物根系和凋落物等，并研磨过20、100目尼龙筛，包装登记后保存备测。尾砂的有机质、全N、全P、pH测定均参照《土壤农业化学分析方法》[12]，全K、全Cu、全Zn、全Pb、全Cd均采用HCl-HNO3-HF-HClO4消煮-原子吸收光谱法测定(GB/T 17138—1997)，重金属有效态含量采用DTPA 浸提法[13]。

1.5数据统计数据用EXCEL 2010处理，采用SAS 8.1软件对数据进行多重比较。

2结果与分析

2.1尾砂植被恢复情况通过对植物的生长状况进行跟踪监测可知(表2)，反季节种植植物半年后，T2、T3、T4处理植被覆盖度最低达70.00%，远高于CK(6.13%)，初步实现了裸露尾砂快速植物恢复，有效抑制了水土流失和扬尘。3个种植植物处理中，T2处理植被覆盖度达到99.76%，明显高于T3处理(70.00%)和T4处理(75.00%)，这可能与紫斑白三叶采用种苗进行种植，其他2个处理采用种子进行种植有关。从生物量和优势植物及其盖度来看，除CK外，各处理优势植物均为种植的植物，且优势植物盖度最低达69.33%，生物量达29.11 g/m2(DW)，远高于CK。这表明通过向尾砂中添加改良剂TH-LZ01，反季节种植植物，即使是粗放式管理也是可行的。

表2　不同处理植物种类、盖度及生物量比较

2.2植物体重金属含量通过测定各处理种植植物的地上部和根部重金属含量可知(表3)，植物组织中重金属含量相对较低，地上部分重金属Cu、Zn、Pb、Cd的浓度范围分别为2.11～12.98、20.65～98.76、81.00～100.10、2.66～6.48 mg/kg，根部重金属Cu、Zn、Pb、Cd的浓度分别为1.86～26.27、13.51～51.46、35.38～166.30、1.35～2.19 mg/kg，变化范围相对较大。3种植物中Cu、Zn含量和紫花苜蓿根部Pb含量均在正常含量范围内，3种植物体内Pb、Cd含量均高于正常含量范围高值(Cu、Zn、Pb、Cd的正常范围分别为0.40～45.80、1.00～160、0.10～41.70、0.08～0.15[14-15])。

表3　植物体不同部位重金属含量

通过计算植物对重金属的富集系数和转运系数可知(表4)，3种植物对Cu、Zn、Pb的富集系数均小于1.00，尤其是Cu、Pb更低，富集系数分别为0.03～0.16、0.10～0.13，说明3种植物地上部分富集土壤中Cu、Pb的能力较低，而Cd的富集系数均大于1.00，这可能是由于尾砂中Cd的含量相对较低。而除紫斑白三叶Cu和金鸡菊Cu、Pb的转运系数小于1.00外，其余均大于1.00，这说明植物从土壤中吸收的重金属通过根部转运到地上部的能力较强。

表4　植物体重金属生物富集系数及运转系数

注：富集系数=植物地上部分重金属含量/土壤重金属含量;转运系数=植物地上部分重金属含量/植物根部重金属含量。

Note：Concentration coefficient = Heavy metal content of plant aboveground part / soil heavy metal content; transfer coefficient =Heavy metal content of plant aboveground part / Heavy metal content of plant roots.

重金属污染的尾砂上生长的植物对重金属污染均具有一定耐性，结合其覆盖度和生物量可知，紫斑白三叶、金鸡菊、紫花苜蓿均可作为尾砂库生态修复的先锋草种，可以利用草本植物迅速生长蔓延的能力，快速实现尾砂库植被覆盖，使土壤逐渐改良。同时，紫斑白三叶、紫花苜蓿具有固氮作用，随着时间的延长，即使不施肥，植物也能实现自我恢复，从而实现尾砂库稳定的植被恢复，最终实现尾砂库生态修复，工程应用时可以优先考虑使用。

2.3植被恢复后尾砂pH和重金属含量比较植被恢复后各处理的pH可知(表5)，3个植物处理尾砂pH无明显区别，为8.41～8.46,但均显著低于CK(8.68)，这表明尾砂中添加改良剂及种植植物可降低尾砂的pH。通过对尾砂重金属全量进行分析测定可知(表5)，CK的尾砂重金属全量Cu、Zn、Pb、Cd均显著低于3个植物处理，而T3、T4处理的Cu、Zn、Pb、Cd含量均较T2处理低，且除了T3处理的Cd含量显著低于T2处理外，3个处理间Cu、Zn、Pb、Cd含量的差异不显著。这表明尾砂中添加改良剂，可以利用改良剂稳定重金属，促进植物生长，从而利用植物根系有效抑制重金属随水土流失。

对尾砂重金属Cu、Zn、Pb、Cd的DTPA 提取态含量进行测定可知(表6)，3个植物处理的DTPA-Cu、DTPA-Zn、DTPA-Pb、DTPA-Cd 含量显著低于CK，且与种植前相比，3个植物处理植被恢复后DTPA-Cu、DTPA-Zn、DTPA-Pb、DTPA-Cd 含量均较种植前明显降低，降低率分别达83.00%、78.00%、31.00%、24.00%，而CK的DTPA-Cu、DTPA-Zn、DTPA-Pb、DTPA-Cd 含量比种植前虽有降低，但不明显，降低率分别为2.55%、5.57%、10.84%、12.67%。这表明在尾砂中添加改良剂TH-LZ01，可有效降低尾砂重金属的有效态含量，从而降低尾砂重金属的毒性。而3个种植植物的处理，T3、T4处理DTPA-Cu、DTPA-Zn、DTPA-Pb、DTPA-Cd 含量均较T2处理低，尤其是DTPA-Cu、DTPA-Zn含量与T2处理差异显著，这可能是由于紫斑白三叶的根系可以分泌有机酸等酸性物质，且紫斑白三叶生长较好，覆盖度较大，植物根系较发达，造成尾砂的pH较T3、T4处理低，从而T2处理尾砂的重金属活性较T3、T4处理高，重金属有效态含量较T3、T4处理高。

表5不同处理植被恢复后尾砂pH和重金属含量

Table 5Tailings pH and heavy metal contents after vegetation recovery in different treatments

处理TreatmentpH重金属全量(DW)Heavymetalcontent∥mg/kg(DW)CuZnPbCdT1(CK)8.68±0.07a73.33±4.16b137.50±7.00b758.00±10.6b2.27±0.05cT28.41±0.05b82.57±2.37a152.10±3.60a794.00±5.91a2.41±0.02aT38.44±0.09b79.47±1.62a149.40±4.16a781.40±5.51a2.34±0.02bT48.46±0.06b78.67±1.42a148.70±4.04a786.70±7.77a2.35±0.03ab

注：同列不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。

Note：Different lowercases in the same row indicated significant differences among treatments (P< 0.05).

表6　不同处理植被恢复后尾砂重金属DTPA提取态含量

注：同列不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。

Note：Different lowercases in the same row indicated significant differences among treatments (P< 0.05).

3结论

(1) 反季节种植植物半年后，即使是粗放式管理，3个添加改良剂种植植物处理的植被覆盖度均达70.00%及以上，尤其是紫斑白三叶处理，植被覆盖度高达99.76%，远高于对照处理(6.13%)，初步实现了裸露尾砂快速植被恢复，有效抑制了水土流失和扬尘。

(2) 反季节种植紫斑白三叶、金鸡菊、紫花苜蓿，即使是粗放式管理也是可行的，且3种植物均可作为矿区植被恢复的先锋草种，工程应用时可以优先考虑使用。

(3) 尾砂中添加改良剂TH-LZ01及种植植物可以显著降低尾砂Cu、Zn、Pb、Cd DTPA 提取态含量，降低率分别达83.00%、78.00%、31.00%、24.00%，尾砂重金属的毒性降低明显，修复效果显著。

(4) 金鸡菊处理和紫花苜蓿处理的pH较紫斑白三叶处理高，且DTPA-Cu、DTPA-Zn含量显著低于紫斑白三叶处理。

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基金项目广东省科技计划项目(2015B090904008);广东省软科学研究计划项目(2014B090903015)；深圳市科技计划项目(CXZZ20140418105252027)；深圳市战略性新兴产业发展专项资金(发改办高技[2013]2556号)；广东省工程技术研究开发中心入库项目(粤科函政字 [2013] 1589号)。

作者简介林晓燕(1988- )，女，广东汕头人，助理工程师，硕士，从事土壤污染与修复研究。*通讯作者，工程师，博士，从事土壤污染与修复研究。

收稿日期2016-04-13

中图分类号S 181

文献标识码A

文章编号0517-6611(2016)13-115-04

Repairing Effect of Three Herbs Combined with Modifier on Lead-zinc Tailings

LIN Xiao-yan,XIONG Yun-wu,PEI Dong-hui,REN Zhong*et al

(Shenzhen Techand Ecology & Environment Co.,Ltd.,Shenzhen,Guangdong 518040)

Abstract[Objective] To realize soiless reclamation,and to provide the theory basis for ecological restoration of lead-zinc tailings.[Method] A field experiment was conducted; and modifier (TH-LZ01) was added in lead-zinc tailings.Anti-season cultivation of heavy metal tolerance herbs was carried out,such as white clover (Trifolium repens L.),coreopsis (Coreopsis drummondii Torr.et Gray) and alfalfa (Medicago sativa L.).With treatment of no adding modifier and no plant cultivation as the control,we analyzed the vegetation recovery after adding modifier,and the effects on pH and heavy metal contents in tailings.[Result] After the anti-season plant was cultivated for six months,vegetation coverage of three treatments of adding modifier all reached 70%,even under extensive management.Especially that the vegetation coverage of white clover treatment was up to 99.76%,which was far higher than the control (6.13%). Adding modifier TH-LZ01 significantly reduced DTPA extraction contents of Cu,Zn,Pb,and Cd,and the reduction rates were 83%,78%,31% and 24%,respectively.Coreopsis treatment and alfalfa treatment had higher pH than white clover treatment,and DTPA-Cu and DTPA-Zn contents were significantly lower than those of white clover treatment.[Conclusion] Under extensive management,white clover,coreopsis and alfalfa can be used as the pioneer herbs of tailing ecological restoration,and should give priority in engineering application.

Key wordsTailings; Ecological restoration; Heavy metal; Modifier