高钙细粒金铜尾矿复垦植被筛选研究_夏令.pdf

收稿日期2020-04-08 基金项目国家自然科学基金项目 （编号 51604207） ； 国土资源部稀土稀有稀散矿产重点实验室开放基金项目 （编号 KLRM-KF201906） 。 作者简介夏令 （1987） ， 女， 副教授， 博士， 硕士研究生导师。 高钙细粒金铜尾矿复垦植被筛选研究 夏令 1， 2， 3 刘旭 1， 2 崔旭 1， 3 朱江 4 胡勇 41 （1. 矿物资源加工与环境湖北省重点实验室， 湖北 武汉 430070； 2. 国土资源部稀土稀有稀散矿产重点实验室， 湖北 武汉 430070； 3. 武汉理工大学资源与环境工程学院， 湖北 武汉 430070； 4. 湖北三鑫金铜股份有限公司， 湖北 黄石 431500） 摘要以湖北省大冶市某金铜高钙细粒尾矿作为研究对象， 研究了原尾矿与改良尾矿作为土壤基质18种不 同植物的发芽和生长情况， 并进一步评估了植物生长后基质重金属赋存状况， 最终筛选出复垦适宜植物组合。研 究结果表明 紫花苜蓿等5种植物发芽率高达95以上， 银合欢等5种植物生物量在15 g以上， 基质改良能促进植 物生长， 且植被对重金属有固化作用， 最终筛选出银合欢、 刺槐、 紫穗槐、 胡枝子、 黄花槐、 紫云英、 早熟禾、 四季青 和紫花苜蓿为适合细粒高钙尾矿复垦的草灌乔植物组合。 关键词植被筛选高钙低硅尾矿复垦 中图分类号X53文献标志码A文章编号1001-1250 （2020） -10-203-06 DOI10.19614/ki.jsks.202010026 Research on Plant Selection for Reclamation of Gold and Copper Tailings with High Calcium Fine Grain XIA Ling1， 2， 3LIU Xu1， 2CUI Xu1， 3ZHU Jiang4HU Yong42 （1. Hubei Key Laboratory of Mineral Resources Processing and Environment， Wuhan 430070， China； 2. Key Laboratory of Rare Mineral， Ministry of Land Resources， Wuhan 430070， China； 3. School of Resources and Environmental Engineering， Wuhan University of Technology， Wuhan 430070， China； 4. Hubei Sanxin Gold and Copper Co.， Ltd.， Huangshi 431500， China） AbstractA kind of fine gold-copper tailings with high-calcium in Daye City，Hubei Province was taken as the re- search object，the germination and growth of 18 different plants in the original and modified tailings as soil substrates were studied． Occurrence of heavy metals of tailings were confirmed and plants suitable for reclamation were selected． The results showed that the germination rate of five plants such as alfalfa was as high as 95 and the biomass of five plants such as Leu- caena was more than 15 g． The substrate improvement could promote plant growth and the vegetation had a solidifying effect on heavy metals． Nine species of plants，including acacia albizzia，were identified as suitable for reclamation in fine gold- copper tailings with high-calcium． Keywordsscreening plant， tailings rich in calcium， reclamation 总第 532 期 2020 年第 10 期 金属矿山 METAL MINE Series No． 532 October2020 矿区的开采活动能够产生大量的矿山废弃物， 废弃物的排放占用了大量的土地资源 ［1］， 截止 2015 年， 我国尾矿累计堆存量已经超过146亿t， 而尾矿的 综合利用率不足18.9 ［2］， 仅2018年新增损毁土地约 4.80万hm2 ［3］。尾矿的大量堆积能够造成大量环境问 题， 例如土壤污染退化、 生态系统破坏、 地下水污染， 进而制约当地经济发展， 危害人类健康 ［4-5］， 因此大宗 尾矿资源规模利用亟待提速。 目前尾矿综合利用方法有尾矿再选、 制备建筑 材料、 矿区回填等多种方法 ［6-7］， 其中尾矿区复垦是目 前尾矿综合利用手段中， 消耗量最大的利用方式 ［8-9］。 矿区复垦工作主要由基质改良和植被筛选两个部分 组成。其中植被筛选环节对于矿区生态恢复结果起 着决定性影响。矿区复垦的植被选择应该遵循生长 快、 适应性强、 以固氮树种或当地优良的乡土树种和 先锋树种为主等原则 ［10-11］。同时， 尾矿地复垦植被也 203 金属矿山2020年第10期总第532期 要对重金属有较高的耐受性、 富集性或超富集性 ［12］。 已有研究证实， 草本 ［13］、 禾本豆科［14］和木本豆科［15］类 先锋植物对矿区复垦有良好效果。 目前我国植物修复的研究主要以铅锌矿和煤矿 较多， 对于其他金属矿的研究报道数量较少 ［16］， 其中 对于高钙低硅型的尾矿复垦的研究也相对较少。因 此本研究针对高钙低硅铜尾矿的特点， 开展尾矿复 垦植被筛选工作。 1材料和方法 1. 1试验材料 本试验所用尾矿取自湖北省黄石大冶市某铜矿 选矿厂中压滤车间排出的滤饼尾矿堆。该尾矿属于 高钙低硅型尾矿， 其成分组成如表1所示。尾矿容重 较大且粒度极细， 容重1.64 g/cm3， 90以上的尾矿粒 度小于38 μm。尾矿主要成分为方解石、 石英和菱铁 矿， 其中方解石占比达到 33.46， 而石英占比仅为 13.9。尾矿pH为7.71， 呈现碱性； 毒性浸出时浸出 液呈中性， 且有Cu、 Pb、 Zn、 As等重金属离子浸出。 复垦的植物首要以当地先锋植物为主， 从耐贫 瘠、 超富集、 可培肥、 景观性等多个方向上选择了18 种供试植物， 如表2所示。 1. 2试验方法 本研究采用盆栽实验进行植物筛选， 利用前期 研究已经筛选出的适合植物生长的改良剂配方与比 例， 在试验组基质施加改良剂质量分数为 0.2、 0.2、 10、 2、 0.6的菌肥、 PAM、 泥炭、 秸秆和复合 肥， 空白组基质不施加改良剂。 准确称量风干研磨后的尾矿样品 2 kg， 装于高 15.9 cm， 直径18.7 cm花盆内， 翻耕熟化， 按比例施加 改良剂； 准确播种处理好的草本植物种子70粒， 乔木 灌木种子50粒于基质1 cm深处， 浇水 （保持最大田间 持水量60） 避光催芽， 记录植被生长发育情况。试 验全程在25 ℃恒温温室内进行。 1. 3样品测定方法 基质、 植物采用硝酸、 高氯酸和硫酸的混合溶液 （体积比为V（HNO3） ∶V（HClO4） ∶V（H2SO4） 4 ∶ 1 ∶ 2） 进 行消解； 重金属形态的划分主要依据不同形态重金 属在化学试剂中的溶解程度， 采用BCR连续提取法 对重金属各形态进行提取； 采用原子吸收光谱法 （AAS） 测定。 1. 4评价方法 富集系数 （bioconcentration factor，BCF） 是生物 体内污染物的平衡浓度与其生存环境中该污染物浓 度的比值， 被用作识别和分类对水生环境有害物质 的生物积累标准 ［17］。 204 夏令等 高钙细粒金铜尾矿复垦植被筛选研究2020年第10期 具体计算方法为 富集系数 （BCF） 植物金属含量 （mg/kg） /土壤重 金属含量（mg/kg） . 2结果和分析 2. 1植物生长状况 试验记录了植物的生长状况， 各植物生长状况 如表3、 表4所示。 从表中可知， 发芽率排在前列的植物为紫花苜 蓿、 四季青、 胡枝子、 紫云英、 紫穗槐， 发芽率分别高 达98.4、 97.5、 96.4、 95.9、 95.8， 75以上的植 物发芽率都在 80 以上， 成活率较高； 对于植物生 物量而言， 银合欢、 紫穗槐、 刺槐、 油菜、 百日草的生 物量较大， 分别达到 29.8 g、 24.5 g、 21.4 g、 15.6 g 和 15.7 g； 这些植物多属于豆科乔木、 豆科灌木， 草本植 物有更多的分蘖数， 为植物长期生长提供光照与水 分的接收区域， 通过豆科植被自身的培肥固氮能力， 在体内形成碳水化合物与无机营养元素的长期积 累 ［18-19］， 更有利于尾矿的复垦。植物的株高和叶绿素 含量也能反映植物的生长状况 ［20］， 其中银合欢、 刺 槐、 金合欢、 紫穗槐和早熟禾的40 d株高在所有植物 中处于前列， 分别为 31.7 cm、 28.2 cm、 18.8 cm、 18.2 cm和18.1 cm， 而红花合欢、 百日草、 紫花苜蓿、 黄花 槐、 银合欢的叶绿素含量较高， 分别为8.4 mg/kg、 7.8 mg/kg、 7.2 mg/kg、 6.9 mg/kg和6.8 mg/kg。由于每种植 物的株高及叶绿素含量本身不同， 但株高较高和叶 绿素含量较高的植物其发芽率和生物量水平也相对 较高。 因此从长势来看， 乔木、 灌木植被中的银合欢、 刺槐、 紫穗槐、 胡枝子、 黄花槐， 草本植物中的紫云 英、 早熟禾、 四季青和紫花苜蓿的植物组合可作为高 钙低硅尾矿的复垦植被组合。同时这些植被景观性 明显， 能在后期为复垦地提供良好的观赏性。 将空白组与试验组中均能生长的13种植物进行 对比， 对比结果如图1所示。相较于原尾矿中植被生 长状况， 施加改良剂的基质下植物的发芽率、 株高、 生物量、 叶绿素含量均大于原尾矿， 说明基质改良对 植被的生长发育有明显的促进效果， 其中波斯菊、 紫 穗槐、 胡枝子的株高提升效果较为显著， 分别达到 222.51、 63.48、 53.75。改良剂复配基质对植物 生物量的提升较为显著的包括红花合欢、 万寿菊、 紫 花 苜 蓿 等 ， 增 长 幅 度 分 别 为 192.66、 89.59、 31.06。同时在原尾矿供试植物栽培时， 未能发芽 成活或出苗后出现枯萎倒伏的植物， 如多花木兰、 黄 花槐、 沙打旺、 红花合欢等植物在改良剂最佳配比基 质下， 能够正常发芽生长， 其中黄花槐、 沙打旺的发 芽率达81.5、 92.5， 黄花槐、 红花合欢的生物量达 9.62 g、 8.57 g。 2. 2基质重金属形态分析 选取空白组中的早熟禾、 紫穗槐、 紫云英、 四季 青、 银合欢、 胡枝子， 在其发芽成活 90 d 后， 对基质 中重金属赋存形式进行测定， 测定结果如图 2、 图 3 所示。有研究表明， 残渣态化学性质稳定，不易被 生物吸收利用 ［21-22］。结果显示， 基质中各类重金属 205 金属矿山2020年第10期总第532期 弱酸态含量占比均较小， 尤其是 Zn 与 As 元素均以 残渣态为主， 说明植物的种植对 Zn 和 As 均有不同 程度的固化作用。在总量上， 尾矿中重金属总量较 之前有所降低， 尤其是Cu、 Pb和As元素总量减少明 显。因此， 紫穗槐、 四季青、 紫云英、 银合欢对 Cu、 Pb、 Zn、 As等重金属元素具有稳定作用和固化能力， 使其向残渣态转化， 能够有效降低重金属的毒性浸 出风险。 2. 3植物对重金属的转移特征 为了研究植物对尾矿的重金属是否具有富集作 用， 以及植物对重金属的富集程度， 计算研究了4种 植物的富集系数 （BCF） ［23］， 见表5。若BCF＜0.5， 说明 植物对重金属的积累能力较弱； BCF＞0.5， 对重金属 具有积累能力； BCF＞1时， 富集能力较强。本实验研 206 ［1］ ［2］ 究中， 早熟禾、 银合欢和四季青对Pb的富集系数均大 于0.5， 说明其对Pb有富集能力， 这是导致尾矿种植 植被后Pb各赋存形态总量减少的原因； 除银合欢对 Zn的富集系数为0.5外， 其余实验植物对Zn、 Cu的富 集系数均小于0.5， 说明Zn、 Cu的富集能力较弱。但2 种金属在植物中含量并不低， 说明植物在生长过程 中对Zn、 Cu具有耐受能力， 能够对重金属的固化起到 积极作用。 3结论 以大冶市某金铜高钙低硅型尾矿作为研究对 象， 分试验组及空白组2组进行盆栽实验， 测定并记 录了本实验中植物生长状况， 基质重金属赋存形态 变化， 计算了植物对重金属Pb、 Zn、 Cu元素的富集系 数， 筛选了适宜高钙低硅型尾矿复垦的植物组合。 研究显示 （1） 75以上的供试植物发芽率都在80以上， 其中紫花苜蓿、 四季青、 胡枝子、 紫云英、 紫穗槐发芽 率分别高达 98.4、 97.5、 96.4、 95.9、 95.8； 银 合欢、 紫穗槐、 刺槐、 油菜、 百日草的生物量大， 分别 达到29.8 g、 24.5 g、 21.4 g、 15.6 g和15.7 g； 发芽率高、 生物量大的植物相较于其他植物， 株高和叶绿素含 量也高。因此， 高钙低硅尾矿的复垦植被组合如下 乔木、 灌木植被为银合欢、 刺槐、 紫穗槐、 胡枝子、 黄 花槐， 草本植物为紫云英、 早熟禾、 四季青和紫花苜 蓿。 （2） 在改良剂作用下， 绝大部分植物都可以较好 地发芽与生长， 植物发芽率、 生物量、 株高、 叶绿素含 量较空白组中均有不同程度改善 波斯菊、 紫穗槐、 胡枝子的株高提升222.51、 63.48、 53.75； 红花合 欢 、 万 寿 菊 、 紫 花 苜 蓿 的 生 物 量 提 升 192.66、 89.59、 31.06； 在原尾矿无法生长或倒苗的黄花 槐、 沙打旺兰在改良剂作用下发芽率达 81.5、 92.5。综合看来， 改良剂对复垦植被起到明显促进 作用。 （3） 紫穗槐、 四季青、 紫云英、 银合欢对 Cu、 Pb、 Zn、 As等重金属元素具有稳定作用和固化能力， 能够 减少重金属总量， 并使其向残渣态转化； 这些植物对 Pb有富集能力， 并对Zn、 Cu有耐受能力， 能够对重金 属的固化起到积极作用。 参 考 文 献 TORDOFF G M， BAKER A J M， WILLIS A J． Current approaches to the revegetation and reclamation of metalliferous mine wastes ［J］ ． Chemosphere， 2000， 41 （1） 219-228． 汪民， 彭齐鸣， 许大纯， 等． 中国矿产资源报告2015 ［R］ ． 北京 地质出版社， 2015． 2020年第10期夏令等 高钙细粒金铜尾矿复垦植被筛选研究 207 ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ ［7］ ［8］ ［9］ ［10］ ［11］ ［12］ ［13］ ［14］ ［15］ ［16］ ［17］ ［18］ ［19］ ［20］ ［21］ ［22］ ［23］ 金属矿山2020年第10期总第532期 WANG Min， PENG Qiming， XU Dachun， et al． China Mineral Re- sources 2015 ［R］ ． Beijing Geological Publishing House， 2015． 凌月明， 鞠建华， 蒋文彪， 等 ． 中国矿产资源报告 2019 ［R］ ． 北 京 地质出版社， 2019． LING Mingyue，JU Jianhua，JIANG Wenbiao，et al． China Miner- al Resources 2019［R］ ． Beijing Geological Publishing House， 2019． 束文圣， 张志权， 蓝崇钰． 中国矿业废弃地的复垦对策研究 （Ⅰ） ［J］ ． 生态科学， 2000， 19 （2） 24-29． SHU Wensheng，ZHANG Zhiquan，LAN 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