桂北锰矿废弃地主要植物种类调查及土壤重金属污染评价桂北锰矿废弃地主要植物种类调查及土壤重金属污染评价

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生态环境2007,16411491153HTTP//WWWJEESCICOMECOLOGYANDENVIRONMENTEMAILEDITORJEESCICOM基金项目国家自然科学基金项目(30560032);广西青年科学基金项目(桂科青06400071)作者简介罗亚平(1971-)男,讲师,博士研究生,研究方向为环境生态学。EMAIYAPINGLUO1999YAHOOCOMCN通讯作者吴晓芙(1935)男,教授,博士生导师。收稿日期20070325桂北锰矿废弃地主要植物种类调查及土壤重金属污染评价罗亚平1,2,吴晓芙1,李明顺3,尹仁湛21中南林业科技大学资源与环境学院,湖南长沙410007;2桂林工学院资源与环境工程系,广西桂林541004;3广西师范大学环境与资源学院,广西桂林541004摘要采用样方法和实地勘查法调查了桂北荔浦锰矿区废弃地自然定居和人工种植的植物,并且对8个区的主要植物及其土壤重金属含量进行了分类、测试。并采用污染指数评价法对矿区废弃地土壤重金属的污染程度进行了评价。结果表明,白茅(IMPERATACYLINDRICA)、马唐(DIGITARIASANGUINALIS)、飞蓬(ERIGERONACER)、苍耳(XANTHIUMSIBIRICUM)、耳草(HEDYOTISAURICULARIA)对重金属有较强的耐性,而且能适应废弃地的不良环境,可作为锰矿废弃地生态恢复的先锋植物;用3种不同的背景值对废弃地土壤重金属污染程度的评价结果是一致的,除PB外,5种重金属元素单项污染指数均大于2,表示被污染,其中以MN、ZN、CD污染最为严重。锰矿废弃地人工复垦采用典型的农业恢复模式,以种植果树和经济作物为主,果实中CR、CD的含量均超过食品卫生限量标准,因此矿山恢复的早期不宜直接种植果树和食用经济作物。以上研究结果可为锰矿废弃地的生态恢复和植被重建提供科学依据。关键词锰矿废弃地;主要植物;重金属;污染评价;桂北中图分类号X173;X825文献标识码A文章编号16722175(2007)04114905矿产资源开采是迄今人类最大规模改变地球表面景观和破坏地表生态系统的有组织的人类活动。矿藏采矿已有3000年以上的历史,而对其进行修复和生态恢复还不足100年。由于我国矿产开发、加工的技术总体上比较落后,加上长期的无序开采、重利润轻保护的掠夺式开发方式,引发了诸多的环境问题。以金属矿山为例,采矿活动引起生态平衡和景观破坏、水土流失、生物多样性丧失、诱发环境地质灾害(如地面塌陷、矿井透水、山体滑坡及泥石流等)13;一般来说,物理结构不良、极端PH值、重金属含量高、营养元素缺乏等是废弃地土壤影响植物定居的主要限制因子4,5。研究采矿废弃地上的植物是寻找适于废弃地生态恢复植物的有效途径之一。广西素有“有色金属之乡”的美誉,在探明储量的89种矿产资源中,有7种(锰矿、锡矿、铟矿、铪矿、磷钇矿、砷矿、压电水晶)占全国第一位6。其中锰矿的开采规模与强度居全国之首,广西有来宾(八一锰矿)、木圭、平乐、荔蒲、全洲、大新和板苏等很多大型的典型锰矿,且各个锰矿的废弃地污染比较严重,并且各个矿区的污染程度和恢复(包括人工恢复和自然恢复)程度很不一样,作为中国典型的岩溶地区和西部地区,其矿产资源的丰富性与生态环境的脆弱性是并存的,广西本身的生态环境十分脆弱,这特别需要在恢复前对矿山废弃地生态系统的脆弱性和生态破坏进行土壤重金属评价和富集植物的调查,建立科学实用的生态系统恢复模式,在广西只有李明顺课题组对锰矿废弃地的植物种类和累积特征做了研究79。本文调查了广西荔浦锰矿区废弃地上的自然定居和人工种植的植物,并对主要优势植物及所在的土壤进行了采样和化学分析,探讨了它们用于锰矿废弃地生态恢复的可行性,以期为我国(尤其广西)金属矿山废弃地的生态恢复和植被重建提供科学依据。1研究地点自然概况荔浦锰矿位于广西荔浦县东北约12KM的马岭镇,北距桂林105KM。地理位置为北纬2433~254,东经110235~110256,属中亚热带季风气候区,高温多雨,降水量变化大,干湿季节明显,地带性植被为中亚热带常绿阔叶林。年平均气温为197℃,年均降雨量为1424MM,多集中在4~8月份;平均年蒸发量为15147MM。年平均相对湿度为79。日均温≥10℃积温为6399℃,气候条件优越。原始植被以亚热带常绿、落叶阔叶混交林为主,具有植物丰富,盖度高的特点。自1958年建成投产以来已有46年的历史,尝试人工植被重建活动亦有20年以上的时间,某些地段已形成较成功人工植物群落。2采样与分析分别于2004年5月、2004年11月和2005年1150生态环境第16卷第4期(2007年7月)10月、11月对荔浦锰矿恢复区进行了植被的实地调查和采样。记录了废弃地上自然定居和人工种植的植物,并采集了大面积种植的恢复植物和自然定居主要优势植物,同时采集植物所在区域的土壤样品(采集深度为020CM),国家土壤样品自然风干后碾碎,过80目尼龙筛其中采集的土壤样品由具计量认证资格的广西分析测试研究中心检测CU,CD,MN,FE,PB,ZN元素含量,检测方法为GB/T107251989(ICP法)和GB/T153371994(原子吸收法)。数据处理分析用SPSS115进行。3结果与分析31广西锰矿废弃地的优势植物与恢复现状根据矿区植物调查共记录到植物32科41属64种,其中自然定居53种,人工种植11种(见表1)。在自然定居的植物中菊科8种,占自然定居物种的15,禾本科11种,占208。人工恢复物种以果树和经济作物为主,并伴有林木。根据表1分析可知从生活型上看自然定居物种多为一年生或多年生草本,人工种植物种则为乔木或小乔木。从生境上看自然定居物种分布范围较广,未开采区、开采区、尾矿坝、恢复区和矿渣堆均有分布,而人工物种多种植在恢复区,禾本科植物白茅、马唐,菊科的飞蓬、苍耳,茜草科的耳草为锰矿废弃地自然定居的植物,它们分布范围较广、适应能力强、生长较快、数量较多并形成局部小群落,且根据已有的研究结果表明7,9且能适应土壤中MN、CR、CD等重金属元素比较高的环境和废弃地的贫瘠、养分不均衡、干旱等不良因子,可考虑作为当地生态恢复的先锋植物。荔浦矿区在上世纪50年代末建矿开采,80年代中后期逐步开始恢复利用废弃地。荔浦矿区的复垦时间较长,矿区植被覆盖率相对较高,达80以上;从恢复模式来看,荔浦矿区采用比较明显的农业利用恢复模式,在复垦区种植了板栗、桃树、梨树、柿子树、甜橙以及园林苗木桂花表1广西荔浦锰矿废弃地上的主要植物种类TABLE1THEMAINPLANTSPECIESINTHEMANGANESEMINEWASTELANDSOFGUANGXI科种丰富度生活型科种丰富度生活型苋科AMARANTHACEAE苋AMARANTHUSTRICOLORF一年生草本蔷薇科ROSACEAE桃PRUNUSPERSICACD乔木菊科ASTERACEAE飞蓬ERIGERONACERD二年生草本沙梨PYRUSPYRIFOLIACD乔木苦荬菜LXERISPDYCEPHALAF一年生草本枇杷ERIOBOTRYAJAPONICACF小乔木苍耳XANTHIUMSIBIRICUM,D一年生草本金樱子ROSALAEVIGATAMF小乔木艾蒿ARTEMISIAARGYIF多年生草本小果蔷薇RCYMOSAFF多年生草本千里光SENECIOSCANDENSF多年生草本茜草科RUBIACEAE耳草HEDYOTISAURICULARIAD多年生草本三叶鬼针草BIDENSPILOSAF一年生草本芸香科RUTACEAE柑橘CITRUSRETICULATACF小乔木柿科EBENACEAE柿DIOSPYROSKAKICF乔木甜橙CITRUSSINENSISCF小乔木乌桕SAPIUMSEBIFERUMF乔木茄科SOLANACEAE龙葵SOLANUMNIGRUMF一年生草本蝶形花科FABACEAE花生ARACHISHYPOGAEACF一年生草本凤尾蕨科PTERIDACEAE井栏边草PTERISMULTIFIDAPF多年生草本壳斗科FAGACEAE板栗CASTANEAMOLLISSIMACD乔木中国蕨科SINOPTERIDACEAE野鸡尾ONYCHIUMJAPONICUMKF多年生草本锦葵科MALVACEAE地桃花URENALOBATAF半灌木蓼科POLYGONACEAE扛板归PPERFOLIATUMLF多年生草本桃金娘科MYRTACEAE大叶桉EUCALYPTUSROBUSTACF乔木败酱科VALERIANACEAE白花败酱PAZRINIAVILLOSAJF多年生草本木犀科OLEACEAE桂花OSMANTHUSFRAGRANSCD乔木豆科LEGUMINOSAE菜豆PHASEOLUSVULGARISLF多年生草本小叶女贞LIGUSTRUMQUIHOUIF半灌木山合欢ALHIZZAKALKORAPF多年生草本紫箕科OSMUNDOCEAE芒箕DICRANOPTERISLINEARISF一年生草本鸡眼草KUMMEROWIASTRIATASF一年生草本商陆科PHYTOLACCACEAE商陆PHYTOLACCAACINOSAF多年生草本杉科TAXODIACEAE杉CUNINGHAMIALANCEOLATAHF乔木松科PINACEAE马尾松PINUSMASSONIANAF乔木樟科LAURACEAE阴香CINNRUNOMUMHURMANNIBF乔木禾本科POACEAE白茅IMPERATACYLINDRICAD多年生草本酢酱草科OXALIDACEAE酢酱草OXALISCORNICULATALF多年生草本狗牙根CYNODONDACTYLONF多年生草本葫芦科CUCURBITACEAE西瓜CITRULLUSVULGARISSO一年生草本马唐DIGITARIASANGUINALISD一年生草本天南星科ARACEAE野芋COLOCASISANTIYUORUMSO多年生草本铺地黍PANICUMREPENSF多年生草本薯蓣科DIOSCOREACEAE薯蓣DIOSCOREAHATAZASDO多年生草本芒草ARTHRAXONBISPIDUSF一年生草本姜科ZINGIBERACEAE郁金RADIXCURCUMAEAO多年生草本甘蔗SACCHARUMSINENSISCD多年生草本藜科CHENOPODIACEAE水蓼POLYGOUUMHYDROPIPERLF多年生草本狗尾草GLYCINESOJAF一年生草本马鞭草科VERBENACEAE牡荆VITEXUEGUUDOLD小乔木芒箕DDICHODOMAD一年生草本紫苏PERILLAFRUTESCEASBF多年生草本荩草ARTHRAXONHISPIDUSMF一年生草本伞形科UMBELLIFERAE雷公根CEUTELLAASIAZICAUF多年生草本狗牙根CYNODONDACTYLONPF多年生草本玄参科SCROPHUHRHCEAE山蚂蝗DESMODIUMCAUDATUMTF多年生草本稗ECHIUOCHIOACRUSGALLIBF多年生草本香青AUAPHALISSIUICAHF多年生草本蔷薇科ROSACEAE空心泡RUBUSROSAEFOLIUSSD乔木苦棘MELIAAZEDRARACHLF多年生草本粗叶悬钩子RUHUSALCEAEFOLIUSPD乔木小栗树KOELREUTERIAMINORHF小乔木火棘PYRACANTHAFORTUNEANANF小乔木芒MICANTHUSSINENESISAD一年生草本丰富度等级D为DOMINANT优势种;F为FREQUENT常见种;O为OCCASIONAL偶见种罗亚平等桂北锰矿废弃地主要植物种类调查及土壤重金属污染评价1151等经济作物。32矿区废弃地土壤环境质量评价土壤污染评价的方法与标准土壤环境污染程度的评价是研究土壤污染及其治理的重要环节,土壤重金属元素污染评价方法很多,目前国内多采用单因子污染指数法和综合污染指数法进行现状分析321评价方法1单因子污染指数式为PICI/SI式中,PI为土壤中I污染物的污染指数;CI为I污染的实测浓度MGKG1;SI为土壤的I污染物的背景值或对照值或标准值MGKG1。2多项综合污染指数式为P综{CI/SI2MAXCI/SI2AVE/2}1/2。式中,CI/SI2MAX为土壤污染指数的最大值;CI/SI2AVE为土壤污染中污染指数的平均值。322评价标准国内对土壤重金属污染评价多为Ⅱ类土壤的评价,主要适用于农田、蔬菜地、果园、牧场等,而对矿区土壤重金属污染评价较少,而且有些重金属元素在中国土壤环境质量标准GB15618199510中未作规定,为了更准确的反映研究区土壤重金属污染状况,所以研究选用邻近非矿区废弃地的林地对照值、广西区背景值和中国土壤背景值3种不同的评价标准进行评价分析(见表2)。323污染指数分级标准目前国内暂时还没有一个关于矿区废弃地土壤污染评价的统一分级标准,所以本研究参照相关资料11,12,给出了单因子污染指数法分级标准和多因子综合污染指数法分级标准(见表3)。324矿区废弃地土壤环境质量评价根据上述单因子污染指数、多因子综合污染指数的计算公式,分别计算出荔浦锰矿废弃地土壤重金属元素的污染指数值,结果见表4、5、6。由表4、5、6可以看出,以邻近非矿区废弃地的林地对照值作为评价标准时,其中4区、5区和3区的土壤重金属的综合污染指数很高,分别达到了29564、9203和651,再根据污染等级划分标准,都属于重污染,且污染指数非常高。另外1、2、6、7和8区的土壤重金属的综合污染指数都较低,为200左右,按照污染等级划分标准都属于中度污染。因为4区、5区为开采区和矿渣堆放的附近,1、2、6、7和8区是自然和人工恢复区。其中3区的综合污染指数达到了651,说明3区农用地的土壤重金属污染严重。从单因子污染指数PI来看,以邻近非矿区废弃地的林地对照值为评价标准,6种元素除PB属于没有污染外,CU和FE属于中污染,其它3种元素均达到了重污染程度,其中最大值为4区的CD,污染指数达到39888,15784。平均污染指数的大小排序为CDMNFECUPB;排除4区、开采区和5区矿渣堆放的附近,其余各区的CD污染较轻。以广西省背景值为评价标准,4区、5区和3区的土壤重金属的综合污染指数依旧很高,大小排序没有变化。PI值有所变化,除PB和FE为轻度污染和中度污染外,其它4种元素为重污染程度,其中以4区的CD和MN污染最为严重,污染指数为57536和56789,大小排序为MNCDZNCUFEPB;以全国平均值为评价标准,2、6、7和8区的土壤重金属的综合污染指数较低,根据污染等级划分标准,都属于中污染。4、5、3和1区的土壤重金属的综合污染指数仍然很高,大小排序与广西背景值差不多。PI值有所变化,PB和CU分别属于轻度和中度污染。其余重金属元素均达到了重污染程度,也是以4区的CD和MN污染最为严重,污染指数达到50714、20332。表3污染等级划分标准TABLE3THECRITERIONOFPOLLUTIONGRADEOFHEAVYMETALSINSOIL分级单因子污染指数分级标准多因子综合污染指数分级标准污染指数污染等级污染指数污染等级1级P<1清洁P综≤07安全2级1≤P<2轻度清洁07<P综≤1警戒3级2≤P<3中度清洁1<P综≤2轻污染4级P≥3重度污染2<P综≤3中污染5级P综>3重污染表2矿区废弃地土壤重金属含量TABLE2THECONTENTSOFSOILHEAVYMETALSINMANGANESEMINEWASTELANDSW/MGKG1统计项目CUFEPBCDMNZN最大值1051390005063550980036589最小值463259025051050073570128620平均值65656103187500253950702310687519765变异系数315315935235167671128327945样本数888888对照样2526035600000856800089620890-广西区背景值207903740000018820006217257046430中国土壤背景值20000240000070482000674001152生态环境第16卷第4期(2007年7月)单因子污染指数平均PI值大小排序为CDMNCUZNPB。研究中不难发现,在以邻近非矿区废弃地的林地对照值、全国平均值和广西区背景值为评价标准时,4、5区CD和MN污染指数非常高,究其原因是主要是因为4、5区为开采区和过渡区(位于矿渣的附近)。4结论(1)通过对桂北荔浦锰矿区废弃地主要优势植物的调查、测试和分析,禾本科植物白茅、马唐,菊科的飞蓬、苍耳,茜草科的耳草为锰矿废弃地自然定居的植物,它们分布范围较广、适应能力强、生长较快、数量较多并形成局部小群落,而且能适应土壤中MN、CR、CD等重金属元素比较高的环境和废弃地的贫瘠、养分不均衡、干旱等不良因子,可考虑作为当地生态恢复的先锋植物;农业利用恢复模式在我国矿山废弃地的恢复中比较常见。因广西耕地资源紧缺,桂北锰矿区人工复垦均采用典型的农业复垦模式。据已有研究结果表明11,12,MN、CD是锰矿区土壤的主要污染因子,荔浦的板栗、柿子和甜橙重金属PB、CR、CD的含量均超过限量标准,这些农产品不符合食品卫生标准,食用存在较大的风险。因此在矿山生态恢复的早期不宜直接种植果树和其它食用经济作物,以免矿区重金属元素通过食物链危害人体健康。(2)桂北荔浦锰矿废弃地土壤中MN、CU、PB、ZN、CD、FE的平均含量(MGKG1)分别为表4矿区重金属污染指数评价(以对照值为评价标准)TABLE4THEPOLLUTIONINDEXOFHEAVYMETALSONTHESLAGWASTELANDBYUSINGDIFFERENTEVALUATIONSTANDARD评价标准单因子污染指数多因子综合污染指数CUFEPBCDMNZN1区2150266903901798269823502区2153288600601910273824633区4157390405918315279465104区3525323002223988815784295645区25492690024466571207992036区2468268302142612197323627区1834253503131067104720348区195825910339081509182058平均2599289902967883500461681区为人工植板栗恢复区,2区为自然恢复区,3区已恢复为农用地(10年以上),4区为露采区,5区为过渡区位于2区和露采区靠近选矿渣堆,6区已恢复成桂花苗圃,7区也种植桂花树,8区为甘蔗种植区表5以广西区土壤背景值的评价标准进行评价TABLE5THESTANDARDOFAPPRAISEMENTBYUSINGGUANGXISOILBACKGROUNDDATA评价标准单因子污染指数多因子综合污染指数CUFEPBCDMNZN12612254017732593970635717370226152747027127559851359274263505137172689119941005472309745442833075101157536567897880434975309825601111960343461294131609629992553097337687099313855727222824131424154037672941315382379246715441175330327702835平均3158275913491137118004425813612表6以中国土壤背景值的评价标准进行评价TABLE6THESTANDARDOFAPPRAISEMENTBYUSINGCHINESESOILBACKGROUNDDATA评价标准单因子污染指数多因子综合污染指数CUFEPBCDMNZN12715139122863475246030132271902132429352724742967352502108105713600498183634445307925071420332542937677532200871846415560202611800631180763332125412162289072316111713571349202620048247312101036118319082068平均3283105810022644629337842罗亚平等桂北锰矿废弃地主要植物种类调查及土壤重金属污染评价1153103187500、3106875、19765、65656、25395、0702和,大小排序为FEMNZNCUPBCD6种重金属元素的单项污染指数除PB在12之间,属于轻度污染、FE、CU在23之间,属于中度污染外,其余的ZN、MN、CD均远大于3,属于严重污染,其中以CD、MN污染最为严重(3)以邻近非矿区废弃地的林地对照值、广西省背景值和全国平均值3种不同的评价标准,8个区的土壤重金属的综合污染指数排列次序一样,其中4、5、3区属于严重污染为5级,最高综合污染指数分别达到了43497、37677和295641、2、6、7、8区属于中度污染为3级。参考文献1束文圣,叶志鸿,张志权,等华南铅锌尾矿生态恢复的理论与实践J生态学报,2003,23816291639SHUWENSHENG,YEZHIHONG,ZHANGZHIQUAN,ETALRESTORATIONOFLEADANDZINCMINETAILINGSINSOUTHCHINAJACTAECOLOGICASINICA,2003,238162916392束文圣,张志权,蓝崇钰中国矿业废弃地的复垦对策研究J生态科学,2000,1922429SHUWENSHENG,ZHANGZHIQUAN,LANCHONGYUSTRATEGIESFORRESTORATIONOFMININGWASTELANDSINCHINAJECOLOGICSCIENCE,2000,19224293刘国华,舒洪岚矿区废弃地生态恢复研究进展J江西林业科技,2003,22125LIUGUOHUA,SHUHONGNANRESEARCHPROGRESSOFECOLOGICALRESTORATIONINMINESPOILSJSCIENCEANDTECHNOLOGYJOURNALOFJIANGXIFOREST,2003,221254SHUWS,YEZH,ZHANGZQ,ETALNATURALCOLONIZATIONOFPLANTSONFIVELEAD/ZINCMINETAILINGSINSOUTHERNCHINAJRESTORATIONECOLOGY,2005,13149605YEZH,SHUWS,ZHANGZQEVALUATIONOFMAJORCONSTRAINTSTOREVEGETATIONOFLEAD/ZINCMINETAILINGSUSINGBIOASSAYTECHNIQUESJCHEMOSPHERE,2002,47110311116中国自然资源丛书编委会中国自然资源丛书广西卷M北京中国环境科学出版社,1995115123THEEDITORIALCOMMITTEEOFSERIESOFCHINANATURALRESOURCESSERIESOFCHINANATURALRESOURCESGUANGXIMBEIJINGCHINAENVIRONMENTALSCIENCEPRESS,19951151237罗亚平,李明顺,张学洪,等广西荔浦锰矿区优势植物重金属累积特征J广西师范大学学报自然科学版,2005,2348993LUOYAPING,LIMINGSHUN,ZHANGXUEHONG,ETALCHARACTERISTICSOFBIOACCUMULATIONOFHEAVYMETALSBYDOMINANTPLANTSINLIPUMANGANESEMINE,GUANGXIJJOURNALOFGUANGXINORMALUNIVERSITY,2005,23489938LIMS,L
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