CN110653254A - 一种矿区-绿洲交错带重金属污染土壤的风险管控方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种矿区‑绿洲交错带重金属污染土壤的风险管控方法，该方法是指首先调查交错带土壤的重金属污染特征与土壤理化属性，摸清重金属生物有效性的主控因子体系；然后平整土地，并依据有效态重金属的含量对土壤进行调理；接着在每年的初春时节按照条距30 cm，每床3行，拨幅5 cm的规格种植一年生的榆树幼苗；植物生长期间按照城市绿化带或者苗圃生产的方式进行管理。本发明可靠性高、环境风险低，同时可取得经济、社会以及环境等多方面的效益，具有很强的区域推广价值。

Description

一种矿区-绿洲交错带重金属污染土壤的风险管控方法

技术领域

本发明涉及西北特殊生境有色金属污染场地土壤的修复技术，尤其涉及一种矿区-绿洲交错带重金属污染土壤的风险管控方法。

背景技术

西北地区位于亚欧大陆的腹地，占我国陆地总面积的1/3，有色金属矿产资源丰富，开采的矿山数以千计。然而，由于矿物仅占采矿原料中极小的部分，加之早期粗放的采矿方式，因而一些和原生矿物伴生的金属通常会以副产物的形式被输出，然后通过粉尘沉降、工业废弃物和尾矿的堆积以及废水的排放等形式污染矿区及周边土壤，导致重金属在土壤中的不断积累。因此，西北地区是我国矿山重金属污染场地修复的热点区域之一。

干旱、土地盐渍化以及高风蚀是西北地区的典型生境特征。在此生境条件下，呈带状或斑块状分布的绿洲是该区域工农业生产的主要基地。尽管绿洲面积不足西北干旱区总面积的5%，但却养育了干旱区90%以上的人口，创造了95%以上的工农业产值。同时，绿洲更是预防沙尘暴和阻止沙漠前进的“桥头堡”。一旦绿洲土壤环境因重金属污染产生不可逆的灾难性变化，将导致大面积绿洲区土地被弃耕，绿洲区人民为寻求更加适宜的生存环境将被迫外迁，最终必然会造成“人退沙进”的景观演替态势。

交错带作为矿区与绿洲的过渡带，其是矿区来源重金属污染物的重要缓冲带和净化带。在矿产资源长期开采过程中，交错带土壤积累的重金属会不断增加，土壤环境质量将会持续恶化，生物一旦难以存活，生物多样性也会随之降低，最终会造成大面积地表的裸露。因此，在西北地区特殊的生境条件下，加之极端降水事件的不断增多，受污染交错带土壤存在极大的风蚀、水蚀风险。土壤侵蚀的加强必将会造成土壤颗粒的扩散，进而诱发重金属的迁移，对下风向和下游绿洲区土壤的安全构成严重的威胁，并最终影响到绿洲区人民的身体健康和区域生态环境安全。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种工艺可靠性高、环境风险低的矿区-绿洲交错带重金属污染土壤的风险管控方法。

为解决上述问题，本发明所述的一种矿区-绿洲交错带重金属污染土壤的风险管控方法，其特征在于：该方法是指首先调查交错带土壤的重金属污染特征与土壤理化属性，摸清重金属生物有效性的主控因子体系；然后平整土地，并依据有效态重金属的含量对土壤进行调理；接着在每年的初春时节按照条距30 cm，每床3行，拨幅5 cm的规格种植一年生的榆树幼苗；植物生长期间按照城市绿化带或者苗圃生产的方式进行管理。

所述重金属是指镉和/或铅。

所述城市绿化带的管理方式是指需要定期对榆树进行修枝和短截，同时定期监测重金属生物有效性的变化，调理土壤进而降低重金属的生物有效性。

所述苗圃生产的管理方式是指通过调理土壤将榆树树叶中重金属的含量控制在自然界落叶乔木的正常含量范围内，然后将受污染交错带土壤上生产的榆树幼苗按照正常绿化苗木进行出售。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明所选用的矿区-绿洲交错带重金属污染土壤风险管控的植物在我国西北地区广泛种植，其幼苗容易获取。更为重要的是，该植物还能在重金属极端重度污染土壤上正常生长，这极大提高了交错带受污染土壤风险管控的可行性。

2、本发明重金属二次释放的风险较低，若同时根据重金属的生物有效性对土壤进行调理，可最大限度地降低环境风险。

3、本发明既美化了交错带的环境，又使得生产榆树绿化苗木不用挤占基本农田，其同时实现了经济、社会以及环境等多方面的收益。

4、本发明工艺可靠性高、环境风险低，同时可取得经济、社会以及环境等多方面的效益，具有很强的区域推广价值。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为本发明大田示范条件下榆树的生长情况。

具体实施方式

一种矿区-绿洲交错带重金属污染土壤的风险管控方法，该方法是指首先调查交错带土壤的重金属污染特征（重金属类型、总量、赋存形态以及有效态含量）与土壤理化属性（土壤pH、粘粒、碳酸钙、有机质、溶解性有机质、总磷以及有效磷等的含量），摸清重金属生物有效性的主控因子体系。主控因子体系通过与交错带未受污染土壤进行比对，再结合植物的吸收特征来确定。然后平整土地，并依据有效态重金属的含量对土壤进行调理。对土壤进行调理具体包括提高土壤pH、增加土壤粘粒和有机质的含量、恢复土壤碳酸钙含量至原始水平以及同时提高土壤中磷素的含量等。接着在每年的初春时节按照条距30 cm，每床3行，拨幅5 cm的规格种植一年生的榆树幼苗；植物生长期间按照城市绿化带或者苗圃生产的方式进行管理。

其中：重金属是指镉和/或铅。

城市绿化带的管理方式是指需要定期对榆树进行修枝和短截，同时定期监测重金属生物有效性的变化，调理土壤进而降低重金属的生物有效性。

苗圃生产的管理方式是指通过调理土壤将榆树树叶中重金属的含量控制在自然界落叶乔木的正常含量范围内，然后将受污染交错带土壤上生产的榆树幼苗按照正常绿化苗木进行出售。

应用实例1 试验类型采用盆栽模拟实验，试验地点设在兰州大学的植物生长室。采用重度污染土壤逐步稀释的方法构建不同浓度梯度的重金属污染土壤。供试重度污染土壤和清洁土壤均采自工矿型绿洲甘肃省白银市。具体处理如表1所示，土壤中镉（Cd）和铅（Pb）的含量均为实测值。

表1 不同处理下土壤中Cd和Pb的实测含量

每个处理重复3次，每盆（H = 30 cm, D = 15 cm）装土2.5 kg，同时施入0.375 g尿素和0.125 g磷酸二氢钙作为底肥。土壤平衡5个月后，每盆种植一棵生长一致的一年生榆树幼苗，按照常规方法进行植物生长管理，生长5个月后按照根、树干和树叶3部分分别加以收集。

⑴不同污染程度下榆树体内重金属含量的变化：

落叶乔木树叶中Cd的正常含量为0.1~2.4 mg/kg。本研究中，榆树树叶中Cd的含量为0.08~1.26 mg/kg（表2），即不同污染程度下榆树树叶中Cd的含量均在正常范围内，即使是T5处理下土壤中Cd的含量高达60 mg/kg。另外，随着污染程度的增加，榆树根部、树干以及树叶中Cd的含量均是随着处理水平的增大而增大，且始终表现为根部 >> 树干 > 树叶的趋势。

表2 不同处理下榆树体内Cd的含量

表3 不同处理下榆树体内Pb的含量

通常，植物地上部Pb的含量为1.5~18 mg/kg。从表3中可以看出，本研究中榆树树叶中Pb的含量为3.38~5.77 mg/kg，树干中Pb的含量为1.68~5.50 mg/kg，其值均在正常含量范围内。与Cd类似，榆树不同器官中Pb的含量整体上亦是随着污染水平的增加而增大，且表现为根部 >> 树叶 > 树干的趋势。

⑵不同污染程度下榆树对重金属的富集特性：

表4 不同处理下榆树对Cd、Pb的富集特性

榆树作为多年生的落叶乔木，其树叶凋落分解是造成重金属二次污染的重要途径之一。从表4来看，在CK处理下，榆树树叶对Cd和Pb的生物富集系数（BCF）和转移系数（TF）在所有处理下均是最大的，但此处理下土壤中Cd、Pb的含量较低，仅为0.4和14 mg/kg，此时榆树树叶中重金属的含量在正常范围内，因而重金属二次释放的风险极低。随着污染程度的加剧，榆树对Cd、Pb的BCF和TF值均是远小于1的，说明榆树具有极强的重金属排异能力。换言之，尽管土壤中重金属的含量是不断增大的，但榆树始终能将其地上部器官中重金属的含量维持在正常范围内。因此，优良的排异能力既保障了榆树在重金属污染尤其是极端重度污染土壤上的正常生长，又使得其用于矿区-绿洲交错带重金属污染土壤的风险管控时带来的重金属的二次释放风险较低。

应用实例2 试验类型采用野外大田定位观测实验，试验地点设在工矿型绿洲甘肃省白银市东大沟的上游地区。供试交错带样地紧邻矿区，土壤Cd的含量为84 mg/kg，Pb的含量为858 mg/kg。首先将土地平整，然后按照条距30 cm，每床3行，拨幅5 cm的规格在3月中、下旬种植一年生的榆树幼苗，植物生长期间按照常规方法进行管理，当植物生长至当年9月中旬时进行大田采样调查。

⑴大田条件下榆树对重金属的富集特性：

表5 大田条件下榆树的Cd、Pb富集特征

在大田条件下，土壤中Cd的含量为盆栽试验T5处理下的1.4倍。然而，此时榆树根中Cd的含量仅为T5处理下的65.56%。与盆栽试验的结果相似，大田条件下Cd在榆树体内的分布依然是根部最多，树干和树叶其次。但是，大田条件下榆树地上部器官中Cd的含量显著高于盆栽试验，且也超过了植物体内Cd的正常含量。

与Cd类似，大田条件下Pb在榆树体内的分布也表现为根部 > 树干 > 树叶的趋势，其各器官Pb的含量分别是盆栽试验T5处理下的1.35、16.79和10.63倍。这表明大田条件下Cd、Pb均具有很强的从根部向树叶中转移的能力，尽管此时它们的BCF值均小于0.1。大田条件下榆树对Cd、Pb的吸收和富集特性也反映出重金属在交错带土壤中具有较高的生物有效性；换言之，此情形下榆树用于矿区-绿洲交错带重金属污染土壤的风险管控时可能存在重金属的二次释放风险。

⑵大田条件下榆树的生长表现和植被覆盖特征：

从图1中可以看出，一年生的榆树幼苗分枝较多、树枝舒展、树叶浓密，移栽当年就能快速形成良好的植被覆盖，现场估算其植被覆盖度可以达到85%以上。这表明，按照本应用实例中所采用的种植方式，榆树可以有效地降低交错带土壤发生风蚀、水蚀的风险。

从图1中也可以看出，在土壤中Cd、Pb的含量为84和858 mg/kg（其值分别是GB15618-2018中限值的280和7倍）的极端重度污染情形下，同时重金属也具有较强的向地上部迁移的能力时，榆树的生长并未受到明显的抑制，其树叶未出现发黄、脱落的现象。经现场采样分析，榆树树叶的叶绿素、脯氨酸以及还原型谷胱甘肽的含量分别高达1.44 mg/g、564 μg/g和1922 nmol/g鲜重。正是由于脯氨酸与还原型谷胱甘肽的螯合解毒作用以及还原型谷胱甘肽的氧化还原过程对超氧自由基的清除作用，才使得重金属极端污染胁迫下榆树的生长并未受到明显的抑制作用。

⑶大田与盆栽条件下榆树金属富集特性的关键影响因素对比分析：

表6 不同试验类型下土壤中金属的有效性

应用实例2与应用实例1相比，榆树生长在大田条件下其地上部吸收了更多的Cd和Pb，这可能与大田条件下交错带土壤中重金属的生物有效性较高有关。从表6中可以看出，大田条件下Cd、Pb有效态的含量分别是盆栽试验条件下的1.72和13.5倍。由于土壤中有效态金属的含量可能与其总量有直接的关系，若采用金属有效态含量与其总量的比例来衡量，可以消除这种影响。但是，表6中大田条件下Cd、Pb的有效态占比依然是盆栽试验条件下的1.23和10倍，说明应用实例2交错带土壤的属性十分有利于重金属的释放。当榆树的吸收速率赶不上土壤的释放速率时，尽管榆树植物修复体系能够有效降低交错带土壤的水蚀、风蚀风险，但有效态金属的占比过高仍会带来重金属的溶迁风险。

表7不同试验类型下土壤的关键理化属性

土壤理化属性是调控重金属生物有效性的重要环境因子，表7的数据反映出应用实例1、2所选用交错带土壤的理化属性有很大的差别。土壤pH是金属生物有效性的主控环境因子，大田条件下土壤pH要比盆栽试验条件下低0.55个单位，且其值也低于7，呈弱酸性。这主要是由于应用实例2的样地紧邻矿区，长期的酸性废水灌溉降低了钙质土壤原本弱碱性的土壤pH，其进而会造成重金属的释放增加。此外，应用实例2交错带土壤的碳酸钙和总磷的含量分别仅为应用实例1相应交错带土壤的80%和58%。由于它们对重金属Cd、Pb具有很强的吸附和沉淀作用，因此大田条件下低的碳酸钙和磷素含量也是造成其金属有效性高的重要原因。

溶解性有机质会和金属络合，进而促进金属的溶迁。应用实例2中溶解性有机质的含量是应用实例1的1.83倍，加之其较高的金属有效性，因而榆树用于应用实例2所在矿区-绿洲交错带重金属污染土壤的风险管控时存在一定的金属迁移风险。尽管在应用实例2的情景下榆树能有效降低交错带土壤因风蚀、水蚀作用诱发的土壤扩散造成的重金属的迁移风险，但其仍存在金属的溶迁风险，在未来的推广过程中应加强对土壤属性的调控，进一步降低风险管控体系的环境风险。

Claims (4)

1.一种矿区-绿洲交错带重金属污染土壤的风险管控方法，其特征在于：该方法是指首先调查交错带土壤的重金属污染特征与土壤理化属性，摸清重金属生物有效性的主控因子体系；然后平整土地，并依据有效态重金属的含量对土壤进行调理；接着在每年的初春时节按照条距30 cm，每床3行，拨幅5 cm的规格种植一年生的榆树幼苗；植物生长期间按照城市绿化带或者苗圃生产的方式进行管理。

2.如权利要求1所述的一种矿区-绿洲交错带重金属污染土壤的风险管控方法，其特征在于：所述重金属是指镉和/或铅。

3.如权利要求1所述的一种矿区-绿洲交错带重金属污染土壤的风险管控方法，其特征在于：所述城市绿化带的管理方式是指需要定期对榆树进行修枝和短截，同时定期监测重金属生物有效性的变化，调理土壤进而降低重金属的生物有效性。

4.如权利要求1所述的一种矿区-绿洲交错带重金属污染土壤的风险管控方法，其特征在于：所述苗圃生产的管理方式是指通过调理土壤将榆树树叶中重金属的含量控制在自然界落叶乔木的正常含量范围内，然后将受污染交错带土壤上生产的榆树幼苗按照正常绿化苗木进行出售。

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