（土壤学专业论文）土壤重金属污染特征及尾矿地的改良措施研究.pdf

摘要 土壤是人类赖以生存的物质基础和宝贵财富的源泉。但是，随着工农业和城市 化进程的快速发展，污灌、金属冶炼、采矿、农药化肥的不合理施用等造成了土壤 的重金属污染。农田土壤及金属尾矿库重金属污染已成为全球关注的环境问题。土 壤重金属污染调查、重金属生物有效性研究以及改良措施的研究是污染场地植物稳 定化修复的重要内容。本研究对浙江富阳某一废弃的冶炼厂周边的农田进行了调查 采样，分析了代表总吸附态的0 4 3 m o l l h n 0 3 提取态和可交换态的0 1 m o l l n a n 0 3 提取态土壤重金属含量的空间分布特征；以江西德兴铜尾砂及无锡污泥堆肥为例， 观测尾砂+ 污泥体系( 未调节p h 和调节p h ) 对大麦根伸长的毒性响应，并通过淋溶 试验研究了铜尾砂中施入污泥后孔隙水和渗滤液重金属和盐分的变化。这些研究成 果对因冶炼活动引起的农田土壤重金属污染的植物稳定化修复，以及尾矿库重建的 基质改良剂选择具有理论价值和现实指导意义。本研究主要结果如下： ( 1 ) 冶炼活动使浙江富阳某地农田土壤受到c u 、z n 、p b 、c d 等重金属的复合 污染。土壤0 4 3 m o l lh n 0 3 提取态c u 、z n 、p b 、c d 的平均含量就己远远超过了国 家土壤环境质量标准二级标准。硝酸提取态重金属空间分布均体现出受冶炼厂影响 显著，离冶炼厂近的区域重金属含量较高，然后向外围递减，并且c u 、z n 、p b 、c d 的硝酸提取态有比较一致的空间分布规律。0 1 m o l l n a n 0 3 提取态c u 、z n 、p b 、c d 含量与土壤p h 空间分布规律比较一致。但硝酸钠提取态c u 、z i l 、p b 、c d 含量与其 硝酸提取态的空间对应关系较差。 ( 2 ) 江西德兴尾砂为强酸性，无锡污泥的e c 为8 6 4 m s c m 且重金属含量较高。 污泥可以增加尾砂的田间持水量。施加熟石灰可以调节酸性尾砂+ 污泥体系的p h 。 尾矿+ 污泥体系的大麦根伸长随着污泥添加量的增加呈现先增后减的趋势。当污泥添 加量 1 0 时，p h 升高和0 0 1m o l lc a c l 2 提取态c u 含量的迅速降低是尾砂+ 污泥体 系大麦根伸长增加的主导因素；当污泥添加量为1 0 2 0 时，e c 的显著升高是尾砂+ 污泥体系大麦根伸长受到抑制的毒性因素。通过添加熟石灰调节尾砂+ 污泥体系的 p h 值到6 7 后，尾矿+ 污泥体系的大麦根伸长随着污泥添加量的增加呈现递减趋势， 较高的盐分是影响尾砂+ 污泥体系大麦根伸长的毒性因素。 ( 3 ) 尾砂和尾砂+ 污泥处理的孔隙水和渗滤液中的d o c 均随降水量的增加而下 降，降水促进了d o c 的淋溶。2 种处理的渗滤液p h 均在降水量达到3 0 0 m m 后趋于 稳定，但尾砂+ 污泥处理的p h 更接近7 0 。污泥的添加增高了渗滤液的e c ，但2 2 5 m m 的降水量可使e c 显著下降。尾砂+ 污泥处理渗滤液中的重金属c u 、z n 浓度均高于 尾砂处理，尾砂+ 污泥处理渗滤液中的c u 浓度在降水量7 5 m m 时超过了地下水质量 标准i 类水标准，但随着降水量的增加c u 浓度迅速降低，或减小污泥的施入量均可 排除重金属通过淋溶可能对人体健康产生的风险。污泥作为尾矿的基质改良剂用于 尾矿库的复垦具有可行性。 关键词：重金属污染；尾矿；植物毒性评价；改良措施；大麦根伸长；污泥 s t u d yo nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fs o i lh e a v ym e t a lp o l l u t i o na n da m e n d m e n t s t e p s o r m i n et a i l i n g s a u t h o r z h a n gd i a n s h u n m a j o r s o i ls c i e n c e s u p e r v i s o r s ：p r o f l i us h u q i n gp r o f l u oy o n g m i n g a b s t r a c t t h es o i l sa r ei n d i s p e n s a b l ea n dr e u r c eo fp r e c i o u sw e a l t ht oh u m a nb e i n g b u l w i t ht h ef a c tt h a ti n d u s t r ya n da g r i e u l t o r ea n dt h ec o u r s eo fu r b a n i z a t i o nf l e e t n e s s d e v e l o p i n g , t h ed i r ti r r i g a t e s ，m e t a ls m e l t i n g t h em i n i n g , p e s t i c i d ea n dc h e m i c a lf e r t i l i z e r u n r e a s o n a b l ee m p l o y s ，a n ds oo n , c a u s e st h es o i l sh e a v ym e t a lp o l l u t i o n h e a v ym e t a l p o l l u t i o no f t h ef a r m l a n ds o i la n dt h et a i l i n g sh a sb e c o m et h ee n v i r o n m e n t a lq u e s t i o n 也a t t h eg l o b a ls o l i c i t u d ef o r 1 r i l eh e a v ym e t a lp o l l u t i o ni n v e s t i g a t i o no fs o i l t h eh e a v ym e t a l b i o l o g yf e a s i b i l i t ys t u d ya n df i l t r a t i o no fa m e l i o r a t i o n si st h ei m p o r t a n tc o n t e n to f p h y t o s t a b i l i z a t i o nt oc o n t a m i n a t el a n d w js a m p l e dt h es m e l t e rp e r i p h e r a lf a r m l a n do f z b e j i a n gf u y a n g , a n a l y z e d0 4 3m o l lh n 0 3e x t r a c t e da n d0 1 m o l ln a n 0 3e x t r a c t e d s o i lh e a v ym e t a l s t a k i n gj i a n g x id e x i n gc o p p 啊r a i l i n g sa n d 咖s l u d g ec o m p o s ta s e x a m p l e ，w eo b s e r v e dt h et o m er e s p o n s et h a tt h er a i l i n g sa n ds l u d g es y s t e m ( n o ta d j u s tp h a n da d j u s tp h ) t ot h eb a r l e yr o o te l o n g a t i o n a n db yt l l el e a c h i n gt e s t , h e a v ym e t a la n dt h e s a l i n i t yc h a n g eo ff i l t r a t ea n dt h ep o r ew a t e ra d d i n gs l u d g et ot a i l i n gh a ds t u d i e d n 地 r e s u l t sf r o mt h ep r e s e n ts t u d yw i l lb ev a l u a b l ef o rp h y t o s t a b i l i z a t i o nt ot h ef a r m l a n ds o i l h e a v ym e t a lp o l l u t i o na n df i l t r a t i o no fa m e l i o r a t i o n st om i n et a i l i n g sr e m e d i a t i o n 弛e m a i nr e s u l t sw e r es u m m a r i z e da sf o l l o w ： f a r m l a n ds o i l si nr e s e a r c ha r e ai nf u y a n gv a l l e yo fz h e j i a n gh a db e e np o l l u t e db y h e a v ym e t a l ss u c ha sc u , z n , p ba n dc ad u et os m e l t i n ga c t i v i t i e st h e r e 1 1 1 ea v e r a g e c o n t e n t so f c u , z n ，p ba n dc di nr e s e a r c hs o i l se x t r a c t e db y0 4 3 m o f lh n o ，h a da l r e a d y e x c e e d e ds e c o n d a r ys t a n d a r do fn a t i o n a ls o i le n v i r o n m e n t a lq u a l i t ys t a n d a r d t h es p a t i a l d i s t r i b u t i o no fh e a v ym e t a lc o n t e n t se x t r a c t e db y0 4 3 m o l lh n 0 3w a si n f l u e n c e d r e m a r k a b l yt h es m e l t e r sn e a r b y t h a ti s 。t h eh e a v ym e t a lc o n t e n te x t r a c t e db y0 4 3 m o l l h n 0 3w a sh i g h e ri na r e a sn e a rt h es m e l t e r sa n dd e c r e a s e sw h i l ea r e a sf a rf r o mt h e s m e l t e r s 功es p a t i a ld i s t r i b u t i o n so f h e a v ym e t a lc o n t e n t se x t r a c t e db y0 1 m o l ln a n 0 3 w e r ec o m p a r e dw i t ht h a to fs o i lp h h o w e v e r , t h es p a t i a ld i s t r i b u t i o no fh e a v ym e t a l c o n t e n te x t r a c t e db yn a n 0 3h a dap o o rr e l a t i o n s h i pw i 也t h a to fc o n t e n te x t r a c t e db v h n 0 3 t h ed e x i n gr a i l i n g sw e r es t r o n g l ya c i d i c t h ee co fw 戚s l u d g ew a s8 6 4 m s e r a w i t hah i g hm e t a lc o n t e n ta tt h es a m et i m e 1 1 1 es l u d g ec a ni n c r e a s et h ew a t e rh o l d i n g c a p a c i t yo ft a i l i n g s a p p l y i n gw h i t el i m ei n t ot a i l i n g - s l u d g es y s t e m 锄i n c r e a s ei t sp h t h eb a r l e yr o o te l o n g a t i o ne x p e r i m e n t sf o rt h i ss y s t e ms h o w e da l li n c r e a s ea n df u r t h c r d e c r e a s ew i t hi n c r e m e n t a ls l u d g ea p p l i c a t i o n w h e ns l u d g ea p p l i c a t i o n l o t h em a i n f a c t o r sf o rb a r l e yr o o te l o n g a t i o ni ns u c hs y s t e mw a st h ei n c r e a s i n gp ha n d d e c r e a s i n gc u c o n t e n te x t r a c t e db yo o l m o l lc a c h w h e ns l u d g ea p p l i c a t i o nf a l li nl o - 2 0 t h e r e m a r k a b l ei n c r e a s eo f e cw a st h et o x i cf a c t o rf o rs u p p r c s s i o no f b a r l e yr o o te l o n g a t i o ni n t h i ss y s t 锄b ya p p l y i n gw h i t el i m et oe n n t r o lt h ep ho ft h i ss y s t e mt oa r o u n d6 7 t h e b a r l e yr o o te l o n g a t i o ne x p e r i m e n t ss h o w e dd e c r e a s i n gr o o tl e n g t hw h i l ei n c r e a s i n gs l u d g e a p p l i c a t i o n a tt h i st i m e , t h eh i g hs a l i n ei ns y s t e mw a st h et o x i cf a c t o rf o rb a r l e yr o o t e l o n g a t i o n t h ed o ci np o r ew a t e ra n dl c a c h a t eo ft a i l i n ga n dt a i l i n g - s l u d g es y s t e md e c r e a s e d w h i l ep r e c i p i t a t i o ni l l c r e 鹤i i l 辱t h er a i n f a l la c c e l e r a t e st h ed o cl e a c h i n g p ni nt w ok i n d s o f t r e a t m e n t sl e a c h a t ea p p i o a c h c dap l a t e a uw h e np r e c i p i t a t i o nr e a c h e d3 0 0 r m n , b u tp hi n t a i l i n g - s l u d g et r e a t m e n tw a sd o s et o7 a p p l i c a t i o no fs l u d g ei n c r e a s e de co fl e a c h a t e , b u ta f t e r2 2 5 m mp r e c i p i t a t i o n , e cc a nb ed e c r e a s e d r e m a r k a b l d y c u a n dz n c o n c e n t r a t i o ni nl e a c h a t eo ft a i l i n g - s l u d g es y s t e mw e r eh i g h e rt h a nt h a ti nt a i l i n g t r e a t m e n t t h ec uc o n c e n t r a t i o ni nl e a c h a t eo f t a i l i n g - s l u d g et r e a t m e n te x c e e d e dt h et h i f d s t a n d a r do fg r o u n d w a t e rq u a l i t ys t a n d a r d s ，b u tc a nb ed e c r e a s e db yi n c r e a s i n g p r e c i p i t a t i o n , o rd e c r e a s i n gs l u d g ea p p l i c a t i o n s l u d g ec a nb ea p p l i c a b l et or e m e d i a t i o ni n m i n et a i l m ga r c aa sam a t r i xi m p r o v e m e n ta g e n t k e y w o r d s ：h e a v ym e t a lp o l l u t i o n c o p p e rm i n et a i l i n g s ，p l a n tt o x i c i t y , a m e n d m e n ts t e p s ， b a r l e yr o o td o n g a t i o i i ，s l u d g e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逸j b 壅些太堂或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：i 疹彦糊k 签字日期：刁年月他日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解洹j b 壅些太堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅本人授权泗j e 壅些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 凄层孙1 1 女 签字日期：。e _ 7 年月f ，日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址：上j 乜匆篆彳嗟j 兰 铆躲力们掀 签字日期：2 少，7 年多月夕日 电话：3 巧舻宇9 争 自b 编：1 a 7 。) 口； 土壤重金属污染特征及尾矿地的改良措施研究 引言 土壤是人类赖以生存的自然环境和农业生产的重要资源。随着我国工农业生产的 迅猛发展，农田土壤的重金属污染问题已引起普遍关注【l 2 1 。土壤重金属污染导致农 业生态环境恶化，影响生态安全和人类健康。w o o d 3 】曾把包括重金属在内的一些元 素称为“极毒且易侵入的元素”，在一定程度上揭示了重金属元素的危害程度，这其中 就包括了z n , p b ，c u , a s ，c d 等与人类活动十分密切的元素，其中z n , p b ，c u ，c d 被认 为是典型的人类活动源元素1 4 】。 掌握污染农田土壤重金属的污染特征是土壤风险评估和选择修复方法的前提。在 污染农田土壤的风险评估和修复中，需要快速准确地预测土壤重金属的含量及分布特 征。应用各种化学提取方法能够提供重金属移动性、毒性与生物有效性信息，被越来 越多的学者所采用1 5 1 。另外食物链传递风险己经越来越引起关注，因此能够反映植物 有效性的单一提取方法已经成为污染土壤风险评估的重要手段【6 1 土壤重金属污染的 严重性及重金属在土壤中的环境行为并不完全取决于其总量，而取决于其化学形态。 0 4 3 m o l lh n 0 3 提取态重金属可以反映土壤表面对重金属的吸附，被认为是土壤总吸 附态重金属，已用于重金属污染土壤评价 7 1 。中性盐溶液是最常见的化学提取剂，如 n a n 0 3 、c a c l 2 、n i - h n 0 3 可以较好地预测植物吸收污染土壤中的重金属m j 。0 i m o l l n a n 0 3 作为提取剂的方法来自于瑞士【9 】，并且已建立了基于0 1 m o l ln a n 0 3 提取态 的标准，初步应用于土壤重金属风险评价。 农田土壤污染成为全球关注的重要问题。为实施定量准确的污染农田土壤风险评 估，识别优先修复点位，建立可靠的重金属污染土壤的修复决策，需要对土壤污染程 度、形态分布和空间分布问题进行深入研究。浙江省富阳市环山乡自1 9 8 9 年开始发 展小高炉炼铜业，己建成3 4 只小高炉。这些小高炉均无环保设施，生产采用的原料 大都为冶炼厂的下脚料，成分极其复杂，并含有多种重金属元素。生产中释放的大量 烟尘未经任何除尘处理，直接排向空中。通过对浙江富阳某一废弃的铜冶炼厂附近土 壤进行调查采样，分析了代表总吸附态的0 4 3 m o l lh n 0 3 提取态和可交换态的 0 1 m o l ln a n 0 3 提取态土壤重金属含量的空间分布特征，评价其重金属复合污染程 度，旨在为污染农田土壤的修复决策选择提供科学依据。 采矿业作为仅次于农业的人类第二大生产活动，有着悠久的历史。同时，它也在 世界范围内导致了一系列的环境污染问题。矿冶活动所产生的废弃物是世界上最主要 的固体废弃物。我国金属矿山的尾矿已达4 0 多亿t ，并以每年约2 0 0 万t 的速度在增 长f i o 】。矿山废弃地不仅破坏和占用大量的土地资源，而且矿山废弃物往往含有大量的 重金属，这些废弃物简单堆放在陆地表面，给周边地区造成了严重的环境污染。 评价重金属污染的方法很多。利用高等植物的生长状况监测土壤污染程度，是从 生态学角度衡量土壤健康状况，评价土壤质量的重要方法之一【l ”。重金属对植物的毒 性和植物对重金属的吸收，在很大程度上取决于它在土壤中存在的形态，容易被植物 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 吸收的形态也容易对植物的生长产生影响。一般来说，土壤中以有效态形式存在的重 金属容易被植物吸收【l ”。影响植物根生长的因素有土壤类型、土壤理化性质( 如有机 质、p h 、c e c 和土壤粘粒组成) 与污染物的毒性l ”j 。种子萌芽之后，根始终暴露在介 质土壤中，根的伸长能敏感反应根际土壤的急性毒性。该方法已广泛应用于废物倾倒 点、土壤污染现场以及土壤生物修复过程中的生态毒性评价。 近年来，一些学者在矿山废弃地利用方面已经开展了一系列的研究和探讨，尤其 是尾矿库的基质改良和植被恢复方面 1 4 1 5 】。当前我国污水处理厂产后的剩余污泥出路 已经成为令人头痛的问题，污泥的资源化利用有待进一步研究。污水污泥等也被广泛 应用于矿业废弃地植被重建时的基质改良，它们富含养分、有机质，可改善尾矿的物 理结构，提高尾矿的持水保肥能力。污水污泥本身是固体废弃物，这种以废治废的做 法具有很好的综合效益【1 9 1 。对于矿山废弃地等严重扰动而需要复垦而不种植粮食作物 的土地，污水污泥不易造成食物链的污染，从食品安全角度考虑更具有可行性 2 0 l 。 但污泥本身的成分复杂，包括对植物生长有害的盐分、铵、重金属、小分子量有 机酸等【2 1 1 ，因此，选择污泥作为铜尾矿库植物稳定化修复的基质改良剂，也必须先确 定污泥的化学性质和生态毒性。以江西德兴铜尾砂及无锡污泥堆肥为例，通过观测尾 砂+ 污泥体系对大麦根伸长的毒性响应，旨在为铜尾矿库的植物稳定化修复中的基质 改良剂的选择提供科学依据。 尾矿长期堆置不仅破坏和占用大量的土地资源，日益加剧我国人多地少的矛盾， 而且尾矿往往含有多种污染物，如重金属含量过高、极端的p h 和有害的选矿物料等， 污染物通过大气和水体等途径广为扩散，给周边地区带来了严重的环境污染瞄也5 】，因 此尾矿库的治理引起了各部门及有关专家的重视。 污泥中含有很高的有机质和植物营养元素，有明显的培肥效果，可作为肥源和土 壤改良剂 2 62 9 1 污泥土地利用需根据其组成、性质等采取科学、合理、有效的土地施 用措施，尽量降低或避免其负面效应的影响。污泥中的大量有机质与重金属元素的反 应能够增加重金属元素的溶解度和移动性。对于通透性强、吸附性弱的尾砂来说，物 质易于淋溶。尾矿中施入污泥后，在灌水或大雨时，会使污泥中的重金属等污染物向 地下水运移。 无锡污泥作为江西德兴尾矿库植物复垦的基质改良剂的限制因子是较高的盐分 和重金属等有害物质，不但会增加土地中的重金属含量，另一方面重金属也有可能向 地下水淋溶产生污染风险，因此在污泥的土地利用中必须考虑对生态环境和人类健康 的污染风险。通过模拟江西德兴秋冬两季降雨量，观察淋溶对铜尾砂施入污泥后孔隙 水和渗滤液重金属和盐分等的变化，评估污泥施入带来的环境风险，为污泥在尾矿复 垦的安全有效利用方面提供科学依据。 2 土壤重金属污染特征及尾矿地的改良措施研究 1 1 农田土壤重金属污染 1 文献综述 土壤是人类生存与发展的基础。随着工农业的迅速发展，地球上许多土壤都受到 了重金属污染，受重金属污染的土壤范围不断扩大，重金属污染已成为土壤环境质量 下降的重要原因之_ 3 0 - 3 3 1 。重金属是指比重大于5 0 9 c m 3 的金属元素，包括铜、锌、 锰、铅、镉、镍、铬、汞、钻等，砷由于其化学性质和环境行为与重金属有相似之处， 通常也归并于重金属的研究范畴】。尽管铜、锌、锰等重金属是生命活动所需要的微 量元素，但是大部分重金属如汞、铅、镉等并非生命活动所必需。重金属可通过各种 途径进入土壤中，但其不能被微生物所降解，从而造成土壤的重金属污染。重金属等 能在生物放大作用下以千百倍富集，并可通过食物链进入人体，危害人类的健康，并 对生态系统结构和功能产生负效应。 1 1 1 农田土壤重金属污染现状 农田土壤重金属污染已成为全球的环境问题之一。由于重金属在土壤中不能被微 生物降解，具有累积性、滞后性、隐蔽性和不可逆性等特点，使得土壤重金属污染治 理十分困难，因此土壤重金属污染受到人们的普遍关注。据估计，全球每年释放到环 境中的有毒重金属高达数百万吨，其中a s 为1 2 5 万t ，c d 为3 9 万t ，c u 为1 4 7 万t ，h g 为1 2 万t ，p b 为3 4 6 万t ，n i 为3 8 1 万t t - j 。我国1 9 8 8 年普查结果表明， 存在土壤重金属大面积污染的省份有：辽宁、山东、河北、湖南、江苏、安徽等省。 据有关部门统计，我国1 9 9 8 年受c d ，a s ，c r ，p b 等重金属污染的耕地面积近2 0 0 0 万h m 2 ，约占总耕地面积的1 5 ，其中工业“三废”污染耕地1 0 0 0 万h m 2 ，污水灌溉的 农田面积已达3 3 0 多万h m 2 3 6 1 ，由此造成每年粮食减产1 0 0 0 万多t ，被重金属污染 的粮食每年达到1 2 0 0 万t ，每年经济损失至少2 0 0 亿元。目前我国土壤污染的总体形 势相当严峻，已对生态环境、食品安全、人类健康和农业可持续发展构成威胁。 1 1 2 农田土壤重金属来源 土壤重金属污染来源广泛，首先是成土母质本身含有重金属，以及火山喷发等自 然来源。除了自然来源，人为源是最主要的土壤重金属来源，包括农业生产活动中的 污灌、污泥农用、农药和化肥以及生活垃圾堆肥的施用、冶炼、采矿、金属加工、化 工、废电池处理、电子、制革和染料等工业排放的三废及汽车尾气排放等，都造成了 土壤的重金属污染 3 7 - 3 9 。概括起来主要有4 个方面：( 1 ) 随污水灌溉进入土壤；( 2 ) 随固体废弃物进入土壤；( 3 ) 随大气沉降进入土壤；( 4 ) 随农用物资进入土壤。 污水灌溉一般指使用经过一定处理的城市污水灌溉农田、森林和草地。近年来污 3 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 水灌溉已成为我国农业灌溉用水的重要组成部分，导致土壤重金属含量增加。污泥中 含有大量的重金属 4 0 4 1 污泥的农业利用也造成了农田土壤的重金属污染。 采矿和冶炼过程中会产生大量的粉尘和废水，这些废弃物中通常含有较高浓度的 重金属，致使土壤等表生环境产生了严重的重金属污染郭朝辉和朱永刮4 2 】对湖南省 典型矿区周边土壤调查表明，土壤中的p b 、z n 、c d 、c r 、c u 等重金属和a 暑污染严 重，绝大多数土壤样品中的重金属含量超过了国家二级或三级土壤环境质量标准。使 用含有铅、汞、镉、砷等重金属的农药和化肥施用，都可导致农田土壤的重金属污染。 d o e l s c h 等1 对l ar e u n i o n 岛研究表明，土壤镉含量升高与肥料施用有关。施用含有 c u 、h g 等重金属的农药也会使土壤重金属含量升高l 。 1 1 3 农田土壤重金属污染的危害 农田土壤重金属污染会导致农产品重金属含量超标，影响其品质，对食品安全构 成极大的威胁。农田土壤重金属污染不仅影响农作物的生长，造成严重的经济损失， 更为严重的是土壤污染造成有害物质在农作物中积累并通过食物链进入人体，引发各 种疾病，最终危害人体健康。日本由于食用“镉米”造成的“骨痛病”就是典型例证。另 外，受重金属污染的土壤可以经过风蚀和水蚀作用进入到大气和水体中，导致大气污 染、地表水污染、地下水污染和其他生态环境问题。 我国是耕地资源极其匮乏的国家，近年来耕地面积在不断减少，已成为限制农业 可持续发展的重大障碍，并且我国的土壤污染问题仍在不断恶化。因此，消除重金属 污染，净化农田，保护人类健康已刻不容缓。 1 2 尾矿废弃地重金属污染 环境与发展，是当前国际社会普遍关注的重大问题。矿产资源的开发和利用所引 起的一系列生态、社会及经济等问题是环境与发展的焦点之一金属、建筑材料和能 源材料等矿产资源的大量开采，加剧了对周边地表植被的破坏和大气、水体、土壤的 污染，给陆地自然环境带来了相当大的损害。 1 2 1 尾矿废弃地重金属污染现状 尾矿废弃地是指因采矿活动所破坏和占用的，未经治理而无法使用的土地。它主 要包括排土场、尾矿、废石堆、采矿区和塌陷区等州。矿业废弃地，尤其是有色金属 矿业废弃地一般都含有大量的重金属，其中又以尾矿和废弃的低品位矿石的重金属含 量最高。这些重金属含量很高的废弃物露天堆放后，会迅速风化，并通过降雨、风化 等作用向周边地区扩散从而导致重金属污染问题。 据报道，中国受采矿业影响的土地大约有3 0 0 万h m 2 ，其中受乡镇企业影响的占 l 3 ，在上世纪末中国每年因采矿造成的废弃地面积达3 3 万l 】i i 一“。近年来，国内外 4 土壤重金属污染特征及尾矿地的改良措施研究 学者对部分冶炼区重金属污染及生态恢复，包括重金属含量、形态以及对植被的毒害 等已进行了一些研究，并取得了一定的成梨4 6 。引。但从总体上看，全国矿山环境恶化 趋势并没有得到有效的遏制。主要表现在：矿山废水、废气和固体废物污染严重；矿 山植被、土地、水生态破坏问题突出；次生地质灾害加剧等。矿业废弃地的环境影响 具有普遍性、严重性、持久性和区域性等特点，同时污染状况也受其周边环境因素的 影响。 1 2 2 尾矿废弃地重金属来源 矿山尾矿、矿渣是采矿区土壤重金属污染的主要来源之一【4 9 l 。当这些矿山固体垃 圾从地下搬运到地表后，由于所处环境的改变，在自然条件下，极易发生风化作用( 物 理、化学和生物作用) ，使大量有毒有害的重金属元素释放出来进入到土壤和水体中， 给采矿区及其周围环境带来严重的污染。 1 2 3 尾矿废弃地重金属污染的危害 矿产资源开发和利用引起的环境问题较多印l 。尾矿废弃地占用了大量土地，而且 覆盖了原有的植被，同时尾矿因随风飞扬、雨水流失，易造成空气污染、水污染，严 重污染矿山周边地区，受其影响，作物质量下降，严重减产甚至绝收，生态系统极度 退化，污染物直接或通过食物链最终影响人体健康，对周边地区的居民生活环境造成 污染尾矿因其特殊的理化性质，重金属含量特别高，养分贫乏，持水保肥能力较差， 造成植被恢复困难。未经处理的废石堆和尾矿库，因其结构不稳定极易导致严重的水 土流失，引起库塘淤积，河床抬高，农田被毁和环境污染的扩大，并可能导致一系列 的地质灾害等。这些都将最终导致生物多样性、景观资源和经济财富的损失l ”j 。因此， 矿区土壤重金属污染的评价和修复己越来越被世界各国所关注。 1 3 土地重金属污染的植物毒性评价和改良剂筛选 确定环境中重金属元素的生物有效性是环境科学领域里的热点问题。人们通过许 多方法来估测重金属的生物有效性，以期评价重金属对人类健康的危害以及对生态系 统造成的影响。植物指示法是正在迅速发展的，也是前景较为看好的一种方法。 金属矿山开采严重破坏矿区周边生态系统，导致土壤环境质量恶化和野生植物资 源数量减少，使土地丧失利用价值。因此，矿区植被恢复和土地复垦是重要的研究课 题。在金属尾矿污染区进行植被重建工作，对污染土壤基质进行改良尤其重要峰2 5 3 o 土壤改良剂的选择应根据污染土壤的性质决定，质地偏沙则应选择保水保肥好的土壤 改良剂；养分匮乏则应选择有机质含量高的土壤改良剂；重金属含量高则应选择可以 钝化重金属的土壤改良剂，如重金属在土壤中可与有机物如木质素、腐殖质等结合， 或在含铁氢氧化物或铁氧化物表面形成重金属沉淀及多价鳌合物，从而降低了重金属 5 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 的可移动性和生物有效性。 1 3 1 植物毒性评价 如何准确地对土地重金属元素的毒性进行评估，人们采用了许多方法，如总量法、 实验模拟法、环境地球化学法、植物指示法以及化学形态法【删植物指示法【5 5 】与其 他评估方法相比，具有成本低、效果好等优点而备受科研工作者的青睐【1 3 蚓。植物 指示法研究土地重金属污染程度的途径主要是通过：( 1 ) 观察指示植物体受污染影 响后发生的形态变化。生长在污染土壤中的敏感植物受重金属的影响，会引起根、茎、 叶在长度、形状、色泽等方面的症状。有研究发现，锌使印度芥菜( b r a s s i a j u n c e a ) 的根量随处理浓度的升高而显著减5 n 。镉进入植物体内并积累到一定程度，会出现 生长迟缓、植株矮小、退绿、产量下降等现象，大麦受镉污染后，种子的萌发率、根 生长速率降低垆引；( 2 ) 分析指示植物体内重金属的含量；( 3 ) 观测植物根际微生物 数量的变化等植物指示法是一种理想的判断环境中重金属生物有效性的方法，该方 法简便易行，已被广泛应用。 1 3 2 土地重金属污染的改良剂筛选与物化修复 我国有关矿业废弃地生态恢复的理论研究起步于2 0 世纪8 0 年代，在此之前，只 有一些零星的研究工作，9 0 年代后才初具规模。近十年来有关矿业废弃地植被恢复 和土地复垦的研究有了突飞猛进的发展。矿区植被恢复和土地复垦是目前备受关注的 研究领域，也是退化生态系统和恢复生态学研究的重要内容之一。 无机改良剂措施是常用的修复重金属污染土壤的措施之一。在金属尾矿污染区进 行植被重建工作，寻找和发现适合当地土壤条件的基质改良剂非常重要【5 2 椰0 9 】。通 过添加改良剂改变重金属在土壤中的存在形态，使其固定，降低其在环境中的迁移性 和生物可利用性，从而实现污染土壤的修复和尾矿库的植被恢复是一条比较有效的途 径。 尾矿的养分状况不佳，重金属毒性以及酸性的毒害作用都是影响植物定居的主要 因素。通过添加改良剂降低生物有效性是钝化的关键因素。极端的酸性促进了废弃物 中重金属的溶解性，加剧了废弃地的环境污染，石灰等碱性物质被用于中和废弃物的 酸性。胡宏伟等研究发现在乐昌铅锌尾矿废弃地上铺盖厚约2 0 c m 垃圾及2 0 k g m 2 石灰的改良效果最好，不仅提高了尾矿p h 值和降低电导率，而且较有效地防止了下 层尾矿的酸化，2 年后收获的生物量也最高。y e 等1 1 4 】研究发现铅锌尾矿上联合施用 石灰和猪粪可增加p h 值，降低e c 和d t p a 可提取z n ，p b ，c d 浓度，且试验植物 取得了良好的生长表现。添加蒙脱石可使铜尾矿砂的有效态锌含量显著降低，但对有 效态铜的含量影响不明显；而沸石的加入均显著降低了尾矿砂的有效态铜和锌的含量 【6 l 】。i c k c h i u 等用粪肥和污泥作改良剂对香根草在铅锌矿、铜矿上的生长表现进行 了研究，也取得了良好的效果懈j 。 6 土壤重金属污染特征及尾矿地的改良措施研究 污泥来源于各种工业和生活污水，含有大量的有机质和植物所需要的营养成分， 可螯合重金属离子，适宜植物生长，改良土壤的物理性状，作为一种植物的生长介质 常被用于农业生产【6 3 】。污泥也被应用于污染土壤的修复与重建中【删。z a b o w s h 等【6 5 】 研究发现污泥添加在铜矿上，大大增加了植被的覆盖率和成活率。污泥应用于矿业废 弃地可改善尾矿砂的营养状态，提高土壤肥力，改善基质结构。 但污泥中也含有重金属等有害物质，因此，污泥在采用非农业类的土地利用时也 必须考虑对生态环境和人类健康的污染风险。 1 4 重金属污染土地的植物稳定化修复技术 土壤重金属污染具有累积性、滞后性、隐蔽性和不可逆性等特点，如何控制和治 理重金属污染和危害已成为环境污染治理中急需解决的重大课题。虽然长期以来国内 外学者对重金属污染治理进行了大量研究，取得了一定的治理效果，但目前传统的物 理或化学等常规方法投资昂贵，并且导致土壤结构破坏，只适用于小面积污染治理1 6 6 1 。 植物稳定( p h y t o s t a b i l i z a t i o n ) 技术是利用植物的固定作用，并添加一些稳定物质，通过 植物根的吸收和体内富集、在根表面被吸附、在根际区沉淀等形式，使重金属稳定在 土壤环境之中，可以阻止污染物被风或水侵蚀而迁移，还可防止在土壤中渗漏及扩散 【6 7 】，成本低、扰动小，适于大面积污染土壤的修复。 1 4 1 植物修复技术 有关植物修复技术定义的表述很多。c u n n i n g h a m t 6 8 】将植物修复定义为，植物修 复是利用绿色植物来转移、容纳或转化污染物使其对环境无毒、无害。植物修复的对 象是重金属、有机物或放射性元素污染的土壤及水体。h i n c h m a n t 叫定义为利用包括 草本、木本等绿色植物消除、固定和降低土壤或水体中诸如重金属、微量元素、有机 物、放射性物质毒性的工程方法。s m i t h t 7 0 1 认为，植物修复污染土壤是指将某种特定 的植物种植在重金属污染的土壤上，而该种植物对土壤中污染元素具有特殊吸收富集 能力，将植物收获后并妥善处理( 如灰化回收) 后即可将该种重金属移出土体，达到 污染治理与生态修复的目的。美国环保局的定义【n 1 ：广义上的植物修复是指利用植物 吸收、提取、分解、转化或固定土壤、沉积物、污泥或地表、地下水中有毒有害污染 物的技术的总称。而狭义的植物修复技术主要是利用植物清除污染土壤的重金属。植 物修复( p h y t o r e m e d i a t i o n ) 技术是以植物忍耐和超量积累某种或某些化学元素的理论 为基础，利用植物及其共存微生物体系清除环境中的污染物的- - f - j 环境污染治理技 术，它是- - n 新兴的应用技术 7 2 - 7 4 。 植物修复技术主要包括植物提取( p h y t o e x t r a c t i o n ) 、植物挥发( ( p h y t o v o l a t i l i z a t i o n ) 、 植物稳定或固化( p h y t o s t a b i l i z a t i o n ) 、泵吸作用( h y d r a u l i cp u m p i n g ) 、植物根系过滤 ( r h i z o f i l t r a t i o n ) 等。 7 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 植物修复技术处理费用很低，与常规的填埋法等相比具有明显的优势【体嘲。植 物修复属于原位处理技术，具有保护表土、减少侵蚀和水土流失等功效，对环境影响 最小，不破坏场地结构，是目前最清洁的污染处理技术，治理成本仅为常规方法的 l l0 【阳】。植物修复具有技术优势，产生的废物量最小，技术要求低，可操作性强，在 土壤中不会造成新的污染1 7 ”土壤受扰动破坏程度低于物理工程法，不会破坏土壤的 生态环境，对后期植物生长影响小，同时美化环境，易于被人们接型7 鼾捌。植物修 复技术被美国环境保护署作为污染物原位修复的优先推荐方法之_ 删。