植被參與對煤矸石表生地球化學(xué)過程的影響.pdf

1、煤炭等能源礦產(chǎn)及多種金屬礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用是當(dāng)今世界社會經(jīng)濟發(fā)展的必要支柱，在帶來巨大經(jīng)濟效益的同時，也產(chǎn)生了嚴(yán)重的環(huán)境污染和生態(tài)破壞。值得注意的是，在礦產(chǎn)資源開采、加工、利用過程中會產(chǎn)生大量的尾礦和廢石，它們的堆放會占用大量土地，產(chǎn)生揚塵、有毒氣體、廢水等污染環(huán)境，特別是其中的金屬硫化物氧化后引起污染物的大量釋放。這種在產(chǎn)酸微生物作用下的風(fēng)化過程一旦開始，往往可自行維持幾個世紀(jì)甚至上千年的時間，在地表徑流作用下，由污染物釋放遷移形成的

2、酸性礦山廢水，由于其明顯的酸度、鹽害并富含鐵錳重金屬的典型特征，已成嚴(yán)重制約地區(qū)可持續(xù)發(fā)展及區(qū)域生態(tài)安全的重大問題之一，并受到國際科學(xué)界的廣泛關(guān)注。
　　自然植被作為自然環(huán)境中的關(guān)鍵生物，顯著影響著地表的物質(zhì)演化過程，對元素的生物地球化學(xué)過程發(fā)揮著重要作用。在含硫尾礦自然風(fēng)化過程中，由于形成的酸、鹽及有害重金屬離子等特征風(fēng)化組分有明顯毒性作用，鮮見有自然植被存活，但嗜酸微生物卻表現(xiàn)出更高的生物活性，由此促進了煤矸石的風(fēng)化過程，其相

3、關(guān)的機理目前已有較為全面和深入的研究，而涉及植物參與下對含硫尾礦表生地球化學(xué)過程的影響方面的研究明顯不足?；謴?fù)植被參與下煤矸石風(fēng)化過程如何變化，對煤矸石的風(fēng)化過程是促進還是抑制、恢復(fù)植被參與對煤矸石堆場的特征風(fēng)化組分及原有產(chǎn)酸微生物等有什么影響、以及以上作用與現(xiàn)象的相關(guān)過程及機理尚不明確。因此，開展植被參與對煤矸石風(fēng)化表生地球化學(xué)過程方面影響的研究就顯得十分重要和必要，相關(guān)研究結(jié)果將對含硫尾礦堆場生物地球化學(xué)過程的認(rèn)識提供新的數(shù)據(jù)支撐，

4、補充和豐富植物參與下含硫尾礦表生地球化學(xué)過程的理論，這對于指導(dǎo)含硫尾礦堆場污染原位控制和生態(tài)修復(fù)工作的科學(xué)開展具有重要意義。
　　論文在前人對產(chǎn)酸微生物參與下煤矸石風(fēng)化的表生地球化學(xué)過程研究的基礎(chǔ)上，以貴州貴陽花溪麥坪的高硫（含硫量＞5％）風(fēng)化煤矸石堆場為研究對象，通過分析自然恢復(fù)鱗毛蕨、類蘆、馬尾松等不同類型的植被參與作用下，對煤矸石風(fēng)化過程中煤矸石堆場物理特性（pH、Eh、鹽分、含水率、矸石粒徑、元素組成）、化學(xué)特性（酸、硫酸

5、根、總鐵、亞鐵、Mn、Cu、Zn等特征風(fēng)化組分及特征元素存在形態(tài)）、生物特性（堆場植被，入侵細(xì)菌、真菌、放線菌等微生物類群的豐度，原有產(chǎn)酸微生物的豐度和活性，總微生物量以及恢復(fù)植被對元素的吸收、富集、固定）的影響，并在多年風(fēng)化的煤矸石堆場上開展人工恢復(fù)條件下植被參與對煤矸石表生地球化學(xué)過程影響的實地研究，在分析堆場物理特性、化學(xué)特性和生物特性的同時，進一步分析堆場原生、次生礦物的變化及植被代謝或分泌組分對產(chǎn)酸微生物豐度及活性的影響，系統(tǒng)

6、分析恢復(fù)植被參與對含硫煤矸石風(fēng)化過程的影響；此外，結(jié)合主成分分析和相關(guān)關(guān)系分析，總結(jié)恢復(fù)植被參與影響煤矸石風(fēng)化生物地球化學(xué)過程的共性規(guī)律并對相關(guān)機理作了分析討論，取得了以下幾點認(rèn)識：
　　1.多年風(fēng)化煤矸石堆場具有獨特的物理特征、化學(xué)特征及生物特性。多年風(fēng)化的煤矸石堆場呈現(xiàn)明顯較低的pH、明顯較高電導(dǎo)率和強氧化特性，同時富含酸（H+）、硫酸根及Fe、Mn、Cu、Zn等可溶性金屬離子；堆場上層風(fēng)化后的煤矸石整體呈現(xiàn)較高的黏粒、粉粒含

7、量，相對較低的砂粒含量、較大的比表面積、相對較細(xì)的D50、面積平均徑、體積平均徑等粒徑特征，而堆場深層呈較粗的未風(fēng)化的矸石顆粒的典型特征；整個堆場上黃鉀鐵釩均較豐富，石英在堆場中上層明顯累積，而石膏、斜長石在堆場中上層淋失，在堆場中下層累積；且在堆場中上層幾乎觀察不到含硫尾礦中豐富存在的黃鐵礦，而其在底層60-70 cm處含量顯著增加；整個堆場煤矸石中有明顯較高的產(chǎn)酸微生物豐度和活性，以及整體較高的總微生物量；而自然環(huán)境介質(zhì)中豐富存的細(xì)

8、菌、真菌、放線菌微生物類群極其稀少且主要分布在堆場表層，呈現(xiàn)表生環(huán)境下以產(chǎn)酸微生物為主體的含硫尾礦持續(xù)風(fēng)化的典型特征。
　　2.恢復(fù)植被參與可明顯改變堆場pH、Eh、EC及含水率等環(huán)境特性。幾種恢復(fù)植被的參與均可顯著地提高堆場pH環(huán)境，明顯降低堆場中可溶性鹽的含量，特別是在表層作用越明顯；可有效降低堆場上層強氧化特性，而又一定程度上可增加堆場中下層氧化特性；同時明顯降低堆場中表層的含水率，而又明顯增加堆場中下層水分含量。
　

9、　3.恢復(fù)植被的參與可明顯影響堆場煤矸石的粒徑特征。整體上幾種恢復(fù)植被的參與均可降低堆場風(fēng)化煤矸石的黏粒、粉粒的含量和比例，相應(yīng)增加砂粒的含量，降低煤矸石的比表面積，提高D50、面積平均徑、體積平均徑，進而促進堆場中層以上團聚結(jié)構(gòu)的形成，呈現(xiàn)向壤土質(zhì)地演化的特征，而堆場中下層特別是人工恢復(fù)草本植被堆場上中層以下此種作用不明顯或產(chǎn)生同上層相反的作用，明顯增加了深層煤矸石中黏粒、粉粒的含量，降低煤矸石的粒徑大小促進深層煤矸石的崩解。

10、　　4.恢復(fù)植被明顯改變堆場矸石的礦物學(xué)特征。人工恢復(fù)植被堆場上，恢復(fù)植被的參與可明顯降低堆場中上層中黃鉀鐵釩含量，中下至底層深度梯度上與空白堆場的含量基本相當(dāng)甚至具有更高的含量水平，同時提高了堆場的石膏和斜長石的比例，尤其是中上層表現(xiàn)最為明顯，而明顯降低了石英的累積；且人工恢復(fù)植被處理組的堆場各深度梯度煤矸石中均未觀察到FeS2的明顯的特征峰出現(xiàn)，即使在堆場的60-70 cm的深層上。
　　5.恢復(fù)植被參與顯著降低堆場矸石風(fēng)化組

11、分的浸出?；謴?fù)草本植被的參與可以顯著抑制煤矸石中各特征風(fēng)化組分的溶出，特別是在堆場上層作用更為明顯。恢復(fù)植被的參與整體上可以顯著降低堆場煤矸石中Fe、Mn、Cu、Zn可交換態(tài)的含量和比例，而相應(yīng)增加堆場可氧化態(tài)、殘渣態(tài)的含量和比例；且可有效降低可還原態(tài)鐵的含量，而增加堆場煤矸石可還原態(tài)Mn、Cu、Zn的含量。
　　6.恢復(fù)植被參與極顯著改變矸石堆場微生物學(xué)特性。恢復(fù)植被參與可極顯著地增加煤矸石介質(zhì)中入侵細(xì)菌、真菌、放線菌等常規(guī)微生

12、物類群的豐度，同時明顯地降低堆場中原有產(chǎn)酸微生物的豐度和活性，且整體降低了堆場總微生物量的水平，特別是在堆場中下層。
　　7.產(chǎn)酸微生物、風(fēng)化組分及矸石粒徑是影響矸石風(fēng)化過程的主要因子。相關(guān)關(guān)系分析表明，產(chǎn)酸微生物、矸石粒徑與煤矸石特征風(fēng)化組分之間具有明顯的相關(guān)關(guān)系；主成分分析表明，恢復(fù)植被的參與作用下產(chǎn)酸微生物和主要風(fēng)化組分（酸度、硫酸根、Fe、Mn、Cu、Zn離子含量）及堆場煤矸石粒徑特征（黏粒、粉粒、砂粒、比表面積、平均徑）

13、的變化是植被參與影響煤矸石風(fēng)化過程的最主要的因素，而恢復(fù)植被引進常規(guī)微生物（細(xì)菌、真菌、放線菌）和pH、Eh、含水率、總微生物量等綜合特性指標(biāo)貢獻相對較低，影響作用相對較小。
　　8.植被代謝或分泌組分可明顯影響堆場產(chǎn)酸微生物的豐度及活性。實驗分析表明，植物凋落物和根系分泌物對堆場原有產(chǎn)酸微生物有明顯影響，腐殖酸、黃腐酸等主要的凋落物代謝組分的存在，在較低濃度上影響作用不明顯，而較高濃度上能明顯抑制產(chǎn)酸微生物的生長和活性；乙酸、蘋

14、果酸、檸檬酸等主要的根系分泌物組分在較低濃度水平上可促進產(chǎn)酸微生物的生長和活性，而較高濃度水平上則顯著抑制產(chǎn)酸微生物的生長和活性。
　　綜上，恢復(fù)植被的參與明顯改變了煤矸石原本的表生地球化學(xué)過程?；謴?fù)植被的參與通過改變堆場pH及氧化還原環(huán)境、影響堆場煤矸石的粒徑組成和團粒結(jié)構(gòu)、顯著抑制堆場原有產(chǎn)酸微生物的豐度和活性、以及恢復(fù)植被自身的植物固定與植物提取作用，明顯降低了堆場煤矸石中特征風(fēng)化組分的濃度和浸出量，最終顯著改變了煤矸石堆場