植被建立下銅尾礦廢棄地中金屬硫化物氧化特征研究.pdf

1、銅礦開采和浮選過(guò)程所產(chǎn)生的廢棄物堆積而形成銅尾礦廢棄地，其中的金屬硫化物易于發(fā)生氧化，導(dǎo)致尾礦的酸化，從而對(duì)周圍環(huán)境造成污染。植被重建被廣泛地應(yīng)用于廢棄地的生態(tài)修復(fù)。本研究以銅陵礦區(qū)不同金屬硫化物含量的水木沖尾礦廢棄地和楊山?jīng)_尾礦廢棄地為研究對(duì)象，通過(guò)分析銅尾礦中鐵和硫的形態(tài)與含量、尾礦產(chǎn)酸潛力以及氧化速率，探討自然和人工植物群落建立下銅尾礦廢棄地中金屬硫化物的生物氧化和化學(xué)氧化作用，植物地上凋落物以及植物根系對(duì)銅尾礦中金屬硫化物氧化過(guò)

2、程的影響以及不同修復(fù)方式下植物的發(fā)育及引起的尾礦中金屬硫化物氧化作用的變化。主要研究結(jié)果如下:
　　1.銅尾礦廢棄地剖面(0-60 cm)自上而下，pH和酸中和能力增加，凈產(chǎn)酸量和金屬硫化物的氧化速率逐漸降低。水木沖尾礦庫(kù)裸地表層30 cm呈現(xiàn)較強(qiáng)的酸化作用，植物群落下廢棄地酸化主要在表層10 cm，金屬硫化物氧化過(guò)程均以化學(xué)氧化為主。尾礦裸地表層極端酸性環(huán)境有利于嗜酸鐵硫氧化微生物的代謝，具有較高的生物氧化速率。植物群落的建立促

3、進(jìn)了廢棄地水分的積累和孔隙度的提高，有利于尾礦中金屬硫化物生物和化學(xué)氧化作用的進(jìn)行。然而，尾礦裸地產(chǎn)酸潛力和氧化速率顯著高于植物群落下廢棄地，植被建立引起的廢棄地表面光照、溫度和氧氣濃度的降低可能是導(dǎo)致尾礦中金屬硫化物氧化減弱的主要原因。
　　2.木本植物鹽膚木（Rhus chinensis）群落下尾礦中金屬硫化物氧化作用強(qiáng)于草本植物白茅（Imperata cylindrica）和香根草（Vetiveriazizanioides）

4、;主成分分析(PCA)表明植物群落對(duì)廢棄地剖面40-60 cm尾礦層影響不顯著。植物群落的建立和發(fā)育有利于減緩尾礦的酸化，同時(shí)能夠有效抑制尾礦氧化前鋒的深層遷移。水木沖銅尾礦的產(chǎn)酸潛力和氧化速率顯著高于低硫化物含量的楊山?jīng)_銅尾礦，植物群落建立對(duì)楊山?jīng)_銅尾礦酸化影響不顯著。銅尾礦中金屬硫化物含量是決定尾礦酸化與否的關(guān)鍵因子。
　　3.水木沖銅尾礦廢棄地四種優(yōu)勢(shì)植物白茅、香根草、狗牙根（Cynodondactylon）和芒（Misca

5、nthus sinensis）根際尾礦pH和NAG-pH低于非根際尾礦，根際尾礦凈產(chǎn)酸量分別高于其非根際尾礦，不同植物根際pH和NAG-pH由低到高依次為狗牙根、芒、白茅和香根草，但僅以狗牙根根際和非根際之間凈產(chǎn)酸、NAG-pH差異顯著。優(yōu)勢(shì)植物根際和非根際尾礦為近中性(pH6.13～7.38)，以化學(xué)氧化為主;根際高的有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量促進(jìn)了尾礦的生物和化學(xué)耗氧;狗牙根根際尾礦的生物和化學(xué)氧化速率顯著高于其他三種優(yōu)勢(shì)植物。植物根系通過(guò)影

6、響根際氧氣含量和鐵硫氧化微生物活性一定程度上抑制了根際尾礦中金屬硫化物的氧化，有利于減緩根際pH的降低。
　　4.聚類分析表明，各植物根際尾礦和非根際尾礦的氧化特征表現(xiàn)出高的相關(guān)性。以狗牙根與其他植物根際尾礦相關(guān)性最低，具有最高的凈產(chǎn)酸。植物根系在尾礦層的分布特征對(duì)根際尾礦中金屬硫化物的氧化具有重要影響，以淺根系植物狗牙根根際尾礦酸化程度最高，具有發(fā)達(dá)根系的優(yōu)勢(shì)植物香根草，其根際尾礦低的酸化作用可能與深根系植物根際環(huán)境中低的氧氣濃

7、度有關(guān)。
　　5.不同厚度(5 cm、10 cm和20 cm)植物（白茅和香根草）凋落物覆蓋下，銅尾礦剖面的氧氣濃度顯著降低，各尾礦層水分含量提高。受凋落物影響，水木沖近中性正常銅尾礦pH顯著降低，隨凋落物厚度增加，其pH降幅增大，各處理組均以表層銅尾礦(0-10 cm)酸化程度最高，主要為金屬硫化物的化學(xué)氧化過(guò)程。然而，凋落物覆蓋引起水木沖酸化銅尾礦pH的升高，pH增幅隨凋落物厚度增加而增大;0-30 cm尾礦層中，以中間層(1

8、0-20 cm) pH最低，具有高的離子濃度，而對(duì)照處理以表層(0-10 cm)酸化程度最強(qiáng)，存在硬盤層的形成;其氧化過(guò)程以生物氧化為主。
　　6.白茅和香根草凋落物覆蓋處理能夠抑制尾礦中金屬硫化物的化學(xué)氧化;同時(shí)，引起近中性銅尾礦的生物氧化速率的降低和酸化尾礦鐵硫氧化微生物活性的提高?？傮w上凋落物的覆蓋有利于減緩銅尾礦的氧化進(jìn)程，植物凋落物類型對(duì)尾礦總氧化速率影響不顯著。多元回歸分析表明，所加凋落物中過(guò)量陽(yáng)離子總量（總灰分堿）和

9、尾礦起始pH是影響尾礦pH變化的主要因子。
　　7.對(duì)于水木沖銅尾礦廢棄地，覆土(30-40 cm)處理下的表層銅尾礦具有低的有機(jī)質(zhì)以及有效氮、磷等養(yǎng)分含量，其游離氧化鐵含量、凈產(chǎn)酸量以及生物和化學(xué)氧化速率顯著低于未覆土表層尾礦。粉砂質(zhì)壤土的覆蓋能夠有效地減少尾礦層的礦物風(fēng)化，低的氧氣和養(yǎng)分含量抑制了尾礦中金屬硫化物的化學(xué)和生物氧化作用。
　　8.尿素在水木沖銅尾礦廢棄地的施用能夠顯著提高尾礦中的速效氮含量，促進(jìn)植被的生長(zhǎng)。

10、對(duì)于呈微酸性（pH4.4～5.3）的近期植物（白茅和香根草）群落下銅尾礦廢棄地，尿素作用下，尾礦的游離氧化鐵含量、生物和化學(xué)氧化速率顯著提高，凈產(chǎn)酸量顯著降低;對(duì)于近中性(pH6.9～7.1)的早期植物群落下銅尾礦廢棄地，尿素對(duì)尾礦中金屬硫化物氧化作用的影響并不顯著，然而，尾礦凈產(chǎn)酸量顯著提高。銅尾礦廢棄地pH的變化取決于尿素中氮的轉(zhuǎn)化過(guò)程以及尾礦自身酸堿性。
　　9.解磷真菌出芽短梗霉（Aureobasidium pullula

11、ns）直接施用于銅尾礦廢棄地，植被的生長(zhǎng)、尾礦游離氧化鐵、速效養(yǎng)分（氮和磷）和有機(jī)質(zhì)含量、生物和化學(xué)氧化速率均有所提高，但影響并不顯著，可能與廢棄地不良環(huán)境對(duì)A.pullulans生長(zhǎng)和代謝的抑制作用有關(guān)。
　　總而言之，植被的建立有利于尾礦廢棄地的酸化控制，植物凋落物和根系對(duì)尾礦中金屬硫化物氧化的影響因尾礦和植物類型而異;具有高近地面蓋度和深根系的耐性植物（如香根草）能夠有效地應(yīng)用于廢棄地的生態(tài)修復(fù);人工輔助修復(fù)（施肥、覆土）對(duì)