尾矿库植物生长与重金属含量的相互关系研究

邓 焱，郝 喆，曹明杰，王芳研

(辽宁大学 环境学院，辽宁 沈阳 110036)

0 引言

我国矿产资源丰富，带来巨大经济效益的同时也对环境造成了严重的影响。尾矿库作为矿山的重要组成部分[1-3]，是指在山谷口部、河道或洼地的周围筑坝，将金属和非金属矿山进行矿石选别后的尾矿或其他工业废渣排入其内进行堆存和沉淀的贮存场所[4]。尾矿库中重金属等有害物质含量过高，营养物质缺乏，不利于水土保持，故表面很难直接生长植物，裸露的尾矿库中的砂石会在大风天气下造成扬尘等污染，对周围环境和居民的生命安全等造成伤害[5-6]，因此尾矿库的治理工作一直是人们关注的焦点。本次试验主要采取现场采样和室内试验相结合的方式[7]，依据试验数据对尾矿库修复植物的生长发育状况与植物根际尾矿土的重金属的相关关系进行研究[8-9]，以达到一定的经济、社会和生态效益[10]。

1 研究方法

1.1 现场概况

歪头山铁矿是本钢主要原料基地之一，是集采、选、运为一体的大型联合企业。尾矿库占地面积1.62 km2，水域面积15 m2，汇水面积56 km2，调洪库容56万m3，总设计库容10 598万m3，尾矿库坝体堆积标高294 m，且相对标高114 m。主坝基础坝为透水堆石坝，坝的相对高度为11.9 m，坝底的绝对标高为180 m，坝顶宽4 m，最大宽度76 m，坝长410 m，外坡比1∶2.5，内坡比1∶2。

1.2 现场采样

本次采样现场在本钢集团歪头山铁矿尾矿库进行。通过现场调查、植物样本采集、拍照、调查咨询、文献调研等方式收集植物信息[11]，确定沙棘作为该区域的优势物种[12]，故本次实验以沙棘为修复植物代表进行采样及研究分析。本实验取样包括植被、土壤。根据现有的技术方案[13-14]，进行了现场的样品选取、编号和采集。具体的采样位置见图1。

歪头山铁矿小西沟尾矿库坝坡不同树龄的沙棘分A、B、C三个树龄台阶，A台阶树龄1年，B台阶树龄4年，C台阶树龄10年，每个台阶每隔100 m取8棵沙棘，共24颗树。每级台阶对应采样点从左到右分别命名为1-a～8-a、1-b～8-b、1-c～8-c，同时在尾矿库库区采集纯尾矿土采样点3处。

1.3 指标检测

采样点深度分别为0-120 mm、120-240 mm、240-360 mm，清除石块、动物残骸和植物根系，采出后混合均匀，密封包装编号后送实验室对样品植物的生物量、根冠比、根幅、冠幅、叶绿素含量植物相关指标[15]和土壤中铅、镉、铜、砷、镍、铬重金属含量进行检测。

采用Excel 2007及Origin 9.1软件进行分析。

2 结果分析

2.1 尾矿土重金属含量与植物生长指标的相关性分析

取不同树龄沙棘的植物生长指标与相对应的植物根系尾矿土壤中的重金属含量的数据，利用Excel软件进行相关性分析，结果见表1。

表1 重金属含量与植物生长指标相关性分析

由表1中的分析数据可以看出，植物生长指标与土壤中重金属含量总体呈负相关性，但叶绿素含量与重金属正相关性比较明显：

(1)生物量、根冠比、根幅、冠幅与重金属Cu、Pb、Cr、Ni和As均有显著负相关性；

(2)叶绿素含量与重金属Cu、Pb、Cr、Ni和As有显著的正相关；

(3)尾矿土中重金属Cd与各个植物生长指标均没有太大的相关性。

2.2 植物生长指标与土壤重金属的关系

以第二层平台上栽植的4年生沙棘为研究对象，忽略时间的影响，分析同龄植物生长指标与尾矿土重金属的相关性。植物生长指标与重金属含量的关系散点图见图2。

由图2可见，随着各项植物指标的增大，土壤中重金属Cu、As、Cd的含量基本保持不变，即不同生长状况的植物对这三种重金属的含量影响不大，植物对这三种重金属的吸附作用不强；除叶绿素含量的变化对重金属的含量无明显变化以外，其他四种植物指标对重金属Ni、Pb、Cr的含量均有很大影响，特别是对Cr的吸附作用最强。

2.3 植物生长与土壤重金属含量的相互关系

2.3.1 植物生长对土壤重金属含量的影响

依据不同生长时间(1 a、4 a、10 a)的植物生长指标和重金属含量的检测结果，绘制相互关系曲线，见图3。

由图3看出，随着沙棘的生物量的增加，植物根际尾矿土中的Cu、Ni、Pb、As和Cr的含量呈总体下降趋势，且生物量较小时，重金属含量快速变化。随着植物的生长，生物量的增加，重金属含量下降速度减慢。随着植物的生长根冠比的增大，植物根际尾矿土中的重金属Cu、Ni、Pb、As和Cr含量减少，且对Cr的影响最大减少37.5%。随着沙棘的根幅的增大，植物根际尾矿土中的Cu、Ni、Pb、As和Cr的含量呈总体下降趋势，且根幅较小时，重金属含量快速下降，随着植物的生长，根幅的增大，重金属含量下降速度减慢。随着沙棘的冠幅的增大，植物根际尾矿土中的Cu、Ni、Pb、As和Cr的含量呈总体下降趋势，且冠幅较小时，重金属含量快速下降。随着植物的生长，冠幅的增大，重金属含量下降速度减慢。随着植物的生长叶龄的增大，植物叶片中的叶绿素含量会出现先增大后减小的情况。植物根际尾矿土中的重金属含量随着植物体内叶绿素含量的减小还是有一定程度的降低，呈现正相关性。

2.3.2 土壤重金属含量对植物生长的影响

根据植物根际尾矿土部分重金属含量和植物生长指标生物量(kg)、根冠比、叶绿素含量(mg/g)、根幅(cm)和冠幅(cm)变化绘制图4。

由图4看出，由于外界等环境因素导致植物根际尾矿土中Cu的含量减少时，生物量、根冠比变化不大，根幅、冠幅的变化量很大，叶绿素含量出现下降趋势。随着植物根际尾矿土中的Pb含量减小，植物的生物量、根冠比、根幅、冠幅变大，冠幅增长比根幅快，生物量随着Pb的含量减小增速加快。由于外界等环境因素导致植物根际尾矿土中Cr的含量减少时，生物量、根冠比变化不大，根幅、冠幅的变化量很大，叶绿素含量出现下降趋势。随着Ni含量的减小，植物的根幅和冠幅有明显的增长，且冠幅增长幅度比冠幅大，生物量和根冠比也有小幅度的增长，生物量随着重金属含量的不断减少，增幅变大，根冠比的增速趋向平缓。叶绿素含量出现先增大后减小的趋势。植物根际尾矿土中重金属As含量减少，根幅、冠幅增长得很快，生物量有增长，叶绿素含量由于其植物本身的性质，出现先增长，后降低的趋势。

2.4 植物修复前后尾矿土重金属含量对比分析

由图5可见，对比未修复时纯尾矿砂中重金属含量，除重金属Cd含量基本保持不变外(图中未列出)，其余五种重金属在植物修复作用下含量都有不同程度的降低，10年修复后，重金属Cu含量为36 mg/kg，下降27.1%，重金属Pb含量为44 mg/kg，下降24.1%，重金属Cr含量为26 mg/kg，下降49%，重金属Ni含量为48 mg/kg，下降32.4%，重金属As含量为4 mg/kg，下降83.3%。说明植物对尾矿土中的重金属进行吸附，对尾矿库中重金属含量起到修复作用。

3 结论

本文通过对现场尾矿库的不同树龄修复植物生长指标和根际土中重金属含量检测，从而探究尾矿库植物修复与重金属含量之间的相互关系，掌握植物修复对重金属含量的修复作用效果，为尾矿库植物修复提供依据，得出以下结论：

(1)植物生长指标与土壤中重金属含量总体呈负相关性，但叶绿素含量与重金属正相关性比较明显。

(2)分析同一树龄不同生长状况的植物与其根际尾矿土中重金属的关系表明：随着植物生物量、根冠比、根幅、冠幅增大，重金属Cu、As、Cd的含量基本保持不变，即不同生长状况同龄植物对这3种重金属的含量影响不大，重金属Ni、Pb、Cr的含量变小；叶绿素含量的变化对重金属的含量无明显影响。

(3)随着植物的生长，植物生物量、根冠比、根幅、冠幅的增大，植物根际尾矿土中的各个重金属含量都有不同程度的降低。

① 随着沙棘的生物量、根幅和冠幅的增加，植物根际尾矿土中的Cu、Ni、Pb、As和Cr的含量呈总体下降趋势，且生物量、根幅和冠幅较小时，重金属含量减小很快，随着植物的生长，生物量的增加，重金属含量下降速度减慢。重金属Cu的含量随生物量、根幅和冠幅的增大变化最小，Cr的变化最大。

② 随着植物根冠比的增大，植物根际尾矿土中的重金属Cu、Ni、Pb、As和Cr含量减少，且根冠比对重金属的影响出现先缓慢减小后快速减小的趋势。

③ 叶绿素的含量减少，植物根际土中重金属含量减少。

(4)随着植物根际尾矿土中重金属含量的降低，生物量和冠幅增速持续上升，根幅增速较慢，根冠比随着重金属含量的增加增速逐渐趋于平缓，叶绿素含量先增大后减小。随着重金属含量的降低，重金属对植物的胁迫作用减弱。

(5)对比未修复时纯尾矿土中重金属含量，除重金属Cd含量基本保持不变外，其余五种重金属在植物修复作用下含量都有不同程度的降低，10年修复后，重金属Cu含量为36 mg/kg，下降27.1%，重金属Pb含量为44 mg/kg，下降24.1%，重金属Cr含量为26 mg/kg，下降49%，重金属Ni含量为48 mg/kg，下降32.4%，重金属As含量为4 mg/kg，下降83.3%。说明植物对尾矿土中的重金属进行吸附，对尾矿库中重金属含量有修复作用。