明山煤矿废弃地土壤重金属污染特征及植物富集能力研究

明山煤矿废弃地土壤重金属污染特征及植物富集能力研究

岩墙是煤炭开采、洗脱和加工过程中产生的固体残渣，长期以来，对人类构成了不可忽视的危害。大量煤矸石的堆积,侵占了大量耕地、林地、居民地和工矿用地,破坏地质、地貌景观;煤矸石自燃时,排放的大量有害气体污染环境;刮风时,大量粉尘漂浮空中引起大气污染;雨淋时,矸石山的淋滤液污染物随雨水径流和地下水的渗透污染农田和江河湖泊;矸石山塌崩时,滚石、渣石流危及人类安全。因此,煤矸石成为固、液、气三害俱全的污染源,亟待治理。为了消除煤矿区的环境负面效应,加速土壤复垦,缓解人地矛盾,在过去10~20年里,我国煤矿区的土地复垦和生态恢复研究取得了一些阶段性的理论和应用成果,但受矿区土壤固体废弃物极端贫瘠、重金属含量高、生态环境脆弱等特殊地下环境条件的制约,植被重建的生态效应不明显,甚至出现一些生态治理的短期行为,没有真正发挥生态系统的稳定性和可持续性。因此,一种取各项技术之长,致力于矿区整体生态系统(包括矿区地下和地上生态系统)健康的综合治理、协同修复技术体系正日益为人们所关注,其中包括重金属矿区土壤的植物修复、微生物修复、动物修复及其联合协同修复等多项环境与生物新技术得以逐渐应用。植物修复是矿区土地复垦的一项新兴的有潜力的绿色植物技术,煤矸石的植物修复就是在煤矸石山表面建立植被,利用植被固定表层矸石。与传统的化学和物理治理技术相比,植物修复技术具有多方面的优点,即治理效果的永久性、治理过程的原位性(对土壤环境扰动小)、治理成本的低廉性、环境美学的兼容性、后期处理的简易性、修复过程无二次污染性、金属元素可回收利用性,具有广阔的应用前景。目前,植物修复研究工作主要集中在(超)富积植物的筛选、基因工程技术加强植物修复能力以及植物修复机理的研究3个方面。鉴于耐性植物的筛选与生长介质的改良是矿区土地复垦和生态重建的基础,本研究在前人研究的基础上,试图通过对梅州明山煤矿废弃地土壤及3种土著先锋植物体内的重金属含量的初步分析,寻找和发现适合当地气候条件与土壤条件的重金属耐性植物,以便为尾矿土地复垦与生态重建提供参考。1材料和方法1.1自然治矿植物种类组成明山煤矿位于广东省东北部梅县境内,地理坐标为N23°23′~24°56′、W115°18′~116°56′,地处南亚热带北缘,是南亚热带和中亚热带气候区的过渡地带,受海洋暖湿气流影响,形成了亚热带季风性湿润气候。其气候特点是夏长冬短、日照充足、气温高、雨水充沛且集中,光、热、水气候条件优越。年平均气温为20.6~21.4℃,7月气温最高为28.3~28.6℃,1月最低为11.1~11.3℃;日照平均年值为1714.6~2010.5h,年日照百分率为41%~47%;年平均降雨日为150d左右,多年平均年降雨量在1483.4~1798.4mm之间,75%以上的降雨量集中在4~9月份,无霜期309d。据廖富林等调查,明山煤矿废弃地的自然定居植物共64种,隶属于30科59属,主要包括禾本科(10种)、菊科(7种)、豆科(5种)。其中,1~2年生草本植物29种,多年生草本植物13种,木本植物18种,藤本植物4种。我们于2010年11月实地调查发现,废弃地植物形成了一些相对稳定的单种斑块和小群落,如五节芒(Miscanthusfloridulus)、小飞蓬(Comnyzacanadensis)、胜红蓟(Ageratumconyzoides)、猪屎豆(Crotalarismucronata)、艾蒿等土著先锋植物已在煤矿废弃地上成功定居,可作为废弃地植被恢复治理的优先选用物种。1.2采样线的布设能发矿堆积场位于明山煤矿总厂附近,南北两坡坡度约为45°,东坡坡度约60°且靠近一条大水沟,西坡较平缓,废弃1~5年,煤矿废弃地周围为低山,山坡的土壤为红壤。2010年11月7日,考虑到能发矿堆积场的具体地形、煤矸石堆积的不同年限、水文条件等,以矸石堆为中心,沿地下水流向布设采样线(东南)按距离进行采样,分别在样线上10、50、100、200、500m处各设1个采样点,分别为采样点1、采样点2、采样点3、采样点4、采样点5。采集各样点1m2内优势植物物种及植物根系周围0~30cm土层的土壤,采样点1、4处无植物分布,只采集样点中心0~30cm土层的土壤。1.3测试方法1.3.1土壤重金属含量的测定土壤在室内风干,除去石块、植物根系和凋落物等,用玛瑙研钵研磨过0.15mm筛用于测定土壤重金属含量。植物分成根、茎、叶3部分,用自来水清净植物,再用去离子水淋洗3遍,烘箱烘干(80℃、48h;95℃、24h)称量得植物重,480℃灰化4h称量得灰化全重,坩埚洗净后105℃烘干12h称量得坩埚重,用于重金属含量测定。1.3.2测定条件及方法土壤重金属(镍、镉、铜、铅、锌、锰、铬)全量测定参照王燕等,采用HCl-HNO3-HF-HClO4混酸消解法,每个样品3次重复;植物重金属测定参照王喜全与隋方功等,采用灰化法处理植物样品并进行测定。用原子吸收-光谱法测定镍、镉、铜、铅、锌、锰、铬等重金属浓度(岛津原子吸收分光光度计AA-6300;土壤pH值采用玻璃电极法(土∶水=1.0∶2.5)测定。1.3.3对重金属积累规律的影响在矿区重金属污染土壤上生长的植物对重金属污染均具有一定的耐性。不同的耐性机制使植物对重金属的吸收、转移和积累特征表现出较大的差异。为此,采用富集系数、转移系数、浓缩系数3个指标评价植物对重金属的富集能力。2结果与分析2.1土壤环境污染对照土壤环境质量标准值(GB15618-1995),从表1可以看出,调查区域内重金属含量变化范围较大,其中,镉含量的变化在0.759~3.109mg/kg之间,土壤中镉含量最高的样点4、5均超出GB15618-1995土壤环境质量标准规定的二级标准(为保障农业生产,维护人体健康的土壤限制值)10倍,样点1镉含量接近土壤环境质量标准规定的二级标准的9倍,采样点2、3镉含量较低,但镉含量也均超过土壤环境质量二级标准,说明明山矿煤矿废弃地镉含量超标严重;且pH值是控制镉等重金属元素地球化学行为的重要因素,明山煤矿废弃地的酸性土壤加剧了镉等有害元素离子交换态含量的增加,从而产生了严重生态风险。铜含量的变化在39.522~270.308mg/kg之间,采样点2的铜含量高于土壤环境质量二级标准5倍,其余各采样点铜含量均在土壤环境质量二级标准附近,说明存在一定程度的铜污染,但污染不严重;镍、铅、锌、铬含量分别在34.351~46.065、45.120~78.901、77.704~104.502、64.710~154.701mg/kg之间,除采样点2的镍含量超出土壤环境质量二级标准外(超出6.065mg/kg),其余均不超过土壤环境质量标准规定的二级标准,说明该地区基本不受镍、铅、锌、铬污染影响;锰含量的变化在387.057~488.660mg/kg之间,但目前尚无国家参照衡量标准。臧小平研究结果表明锰可能是酸性土壤的第二重要限制因素(我国南方砖红壤和红壤中,红壤活性锰含量一般为120mg/kg,砖红壤、赤红壤为136mg/kg)。以此为参照,本试验结果说明明山矿煤矿废弃地受锰污染严重。由表1可知,土壤pH值范围在2.87~6.16之间,呈酸性,pH均低于土壤环境质量三级标准,特别是采样点1土壤的pH仅2.87,属强酸性,不能够满足植物最基本的生长要求;煤矸石堆积而引起的土壤污染,一般都呈表面富集,并且重金属污染程度由近及远呈逐渐降低的趋势。但是地形地貌、地质条件也是影响土壤重金属污染的重要因素,本研究中各样点土壤7种重金属含量呈现出的波动性而非红性递减也证明了这一点,究其原因,主要是采样点4位于矿坑地形的下坡,而采样点5为1个洼坑,煤矸石在自然条件作用下发生淋滤,大量的淋滤液和矿坑排水都在此沉积,造成重金属元素从煤矸石中析出,重金属的淋出、运移和沉淀作用会使土壤中重金属不断富集,所以采样点5重金属含量很高。2.2土壤重金属含量从5个采样点3种土著先锋植物样品的重金属(镍、镉、铜、铅、锌、锰、铬)的含量(表2)可以看出,五节芒体内重金属含量最低,胜红蓟体内重金属含量最高,小飞蓬介于两者之间,说明胜红蓟吸收、囤积土壤重金属元素的能/潜力比小飞蓬、五节芒要强/大。分析3种植物根、茎、叶各部位所富集的重金属元素含量发现,虽然各元素在植物体地上、地下部分的吸收、囤积各有差异,但总体上看,除锰元素外,五节芒根部吸收、囤积的重金属元素最多,而其转移、输送至地上部分的重金属元素相对较少,特别是茎吸收、囤积的重金属元素最少;除铬元素外,胜红蓟、小飞蓬叶片吸收、囤积的重金属元素最多,而其根、茎部吸收囤积的重金属元素相对较小,这有利于通过对植物的大面积收割、治理回收利用重金属。从3种植物体内吸收重金属含量的算术平均值看,锰和锌在3种土著先锋植物体内的含量均较大,镉、铬的含量相对较小,这是因为土壤中锰的可给性与pH值间存在相反关系,明山煤矿废弃地土壤呈酸性,土壤的交换态锰多,易还原态锰少,因此该地植物体内锰含量普遍偏高。7种元素在植物体内吸收、囤积量(mg/kg)的顺序是:胜红蓟体内各元素含量从大到小依次是锰(1053.167)、锌(466.923)、铜(330.807)、铅(143.841)、镍(122.387)、镉(53.308)和铬(40.637);五节芒体内各元素含量从大到小依次是锰(432.896)、锌(244.324)、铜(191.508)、镍(99.040)、铅(83.953)、铬(30.211)和镉(3.164);在小飞蓬体内,各元素含量从大到小依次是锰(554.243)、锌(370.010)、铜(242.831)、镍(209.227)、铅(103.352)、铬(30.347)和镉(28.486)。究其原因,我们认为,一方面取决于土壤重金属含量的高低,另一方面也取决于不同植物对不同重金属元素的吸收和富集能力的大小,是两者共同作用的结果。2.3植物对重金属污染的抗性评价2.3.1小飞蓬、胜红蓟土壤镉污染的超富集植物筛选由表3可知,3种先锋植物间及植物根茎叶不同部位间对土壤重金属的吸收、富集能力是不同的,其中五节芒的富集能力相对较弱而小飞蓬、胜红蓟的富集能力相对较强,特别地小飞蓬、胜红蓟2种植物,无论是地下根系还是地上的茎叶部,对镉的富集能力特别强。根据Baker等对超富集植物的定义,一般把植物叶片或地上部(干重)中含镉达到100mg/kg,含铜、镍、铅达到l000mg/kg,锰、锌达到10000mg/kg以上的植物称为超富集植物,同时这些植物还应满足植物地上部重金属的含量/根部重金属的含量>1,以此为标准,我们认为小飞蓬(植物地上部镉含量/根部镉含量为4.29)、胜红蓟(植物地上部镉的含量/根部镉含量为7.43)是明山煤矿废弃地土壤镉的超富集植物,而明山煤矿废弃地土壤镉污染严重。此外,胜红蓟的叶对镍、铅、锌、铜,小飞蓬的叶对锌、镍以及五节芒的茎对铜等均具有较强的富集能力。由于明山煤矿废弃地土壤受镉、铜、锰等重金属污染较严重,小飞蓬、胜红蓟作为镉的超富集植物,对明山镉污染土壤修复具有极大的应用价值。虽然胜红蓟、小飞蓬、五节芒的铜、锰富集能力有限,但由于这些植物生长迅速、生物量大,在明山煤矿废弃地种植仍具有一定的应用价值,这与吴明文的研究结果是一致的。目前,超富集植物或富集能力强的植物对高浓度重金属的耐受和富集机理尚有争议,但它们通过根系吸收固定重金属,并转移到地面部分,最终通过收割植物的方式去除土壤中重金属的修复策略,在很大程度上减少或避免了高浓度重金属对植物的毒害。2.3.3重金属的生物浓缩系数由表5可知,小飞蓬对镉的生物浓缩系数最大、高达3750.36%,其次是胜红蓟对镉、铬的生物浓缩系数均达1664.54%,此外,胜红蓟对锌(553.32%)、对铜(498.75%),五节芒对铜(479.60%),小飞蓬对镍(454.20%)等,均具有较大的生物浓缩系数,说明它们从环境中吸收吸收、富集重金属的能力较强。3不同土壤元素吸收、富集及生物利用的能力对其土(1)明山煤矿废弃地土壤pH值在2.87~6.16之间,低于土壤环境质量三级标准(为保障农业生产,维护人体健康的土壤限制值);土壤重金属含量变化范围较大,土壤污染是镉—铜—锰复合型污染,其中,镉含量为0.759~3.109mg/kg、超标严重,说明土壤镉含量污染严重,铜含量为39.522~270.308mg/kg,存在一定程度的铜污染,但污染不严重;锰含量为387.057~488.660mg/kg,污染严重镍、铅、锌、铬污染较轻或基本没有污染。镉在pH值较高,尤其是含有较多CaCO3的碱性土壤中活性低,不易移动;而在酸性条件下则易迁移,毒性增强。因此,提高土壤pH值成为降低土壤镉含量的有效措施之一。在土壤中拌石灰,能提高土壤的pH值,使土壤污染状况得到一定改善。(2)分析3种土著先锋植物体内重金属(镍、镉、铜、铅、锌、锰、铬)的含量发现,五节芒体内重金属含量最低,胜红蓟体内重金属含量最高,小飞蓬介于两者之间,说明胜红蓟吸收、囤积土壤重金属元素的能/潜力比小飞蓬、五节芒要强/大。从3种植物体内吸收重金属含量的算术平均值看,所测定的7种元素中,锰和锌在3种土著先锋植物体内的含量均较大,镉、铬的含量相对较小。7种元素在植物体内吸收、囤积量的顺序是:在胜红蓟体内,各元素从大到小依次是锰、锌、铜、铅、镍、镉和铬;在五节芒体内,各元素从大到小依次是锰、锌、铜、镍、铅、铬和镉;在小飞蓬体内,各元素从大到小依次是锰、锌、铜、镍、铅、铬和镉。(3)3种先锋植物间及植物根茎叶不同部位间对土壤重金属的吸收、富集能力是不同的,其中,五节芒的富集能力相对较弱而小飞蓬、胜红蓟的富集能力相对较强。从富集系数看,小飞蓬、胜红蓟是土壤镉的超富集植物,种植这两种植物有利于改良明山煤矿废弃地土壤的镉污染。此外,胜红蓟的叶对镍、铅、锌、铜,小飞蓬的叶对锌、镍以及五节芒的茎部对铜等均具有较强的富集能力。从转移系数看,胜红蓟和小飞蓬的转