摘要
随着对矿产资源需求的日益增长，矿山开发规模不断扩大，废弃物的排放不断增加，伴随而来的是一系列影响深远的环境问题。矿业开发过程中环境污染的预防和治理，废弃地的生态恢复已经受到人们的广泛关注，成为急需解决的环境问题之一。本研究对辽宁中部铁矿区土壤和岩矿石中重金属的分布及其在矿山开采过程中的迁移机制进行了分析;同时从重金属污染和土壤肥力两方面着手，对铁矿区开发过程中的土壤环境质量进行了详细的评价与预测;在此基础上，从研究区的优势植物中筛选出重金属修复的先锋植物，进一步考察了先锋植物对重金属污染的修复效能及机制。主要获得以下研究结果: (1)结合前期调查和采样分析，考察了研究区岩石、矿石种类及地球化学特征，分析了岩石和矿石中重金属元素的分布。结果表明，研究区斜长角闪岩类、黑云变粒岩类、硅质岩类、蚀变岩类以及磁铁石英岩和磁铁富矿等主要岩石和矿石中Cu的含量范围为7～55mg/kg、Cd的含量小于0.76mg/kg、Cr的含量范围为12～83mg/kg、As的含量均小于5mg/kg、Zn的含量范围为15～164mg/kg、Pb的含量范围为2～73mg/kg、Hg的含量均小于0.6mg/kg、Ni的含量范围为1～61mg/kg。其中Cd超过了《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618-2018)的风险筛选值，其余重金属均低于风险筛选值，但大部分重金属的含量高于区域的背景值。在开采的过程中，很有可能因长期累积造成重金属污染。因此，有必要对研究区重金属污染状况进行评价及预测。 (2)对研究区各区域土壤中重金属含量及赋存形态进行测定分析。结果表明，Cd和Cu在矿区土壤中普遍存在且含量较高，大部分位点的含量超过了风险筛选值，且在采矿区及尾矿区等土壤中呈上升趋势。重金属含量最高的土壤采样区是采矿区和尾矿区，且具有向外扩散的趋势。同时，各类型土壤中，非残渣态Cd和Pb比例高于残渣态，表明Cd和Pb在研究区土壤中的活性较强，对环境的影响较大。Ni和Cr主要以残渣态为主，活性较低，易在土壤中积累，危害较小。Cu、As、Zn和Hg在矿区不同类型土壤中的形态分配形式差异明显。 (3)采用地累积指数法、潜在生态危害指数法、富集因子法和模糊数学综合评价法四种方法综合评价了矿区土壤重金属污染状况。采矿区、尾矿区、采场周边区、河流底泥区、水库周边区以及农田区土壤均存在中度污染风险，且主要污染因子为Cd、Cu、As。并且由预测结果可知，未来几年内，矿区土壤重金属污染风险程度趋于稳定，一直呈中度污染水平。因此，有必要对研究区土壤进行生态修复，且需以Cd、Cu、As污染治理为主。 (4)分析了矿区土壤肥力状况，同时预测了其发展趋势。结果表明，研究区土壤养分含量分布不均衡，并且呈现轻微的逐年降低趋势，其中以采矿区和尾矿区较为严重。采矿区和尾矿区的综合养分中，P和K的含量较高，但是N和有机质含量较低，不适合植物生长。距离采矿区和尾矿区较远的农田和水库周边的土壤养分分布基本正常。预测结果表明，若保持现有环境条件不发生明显改变，未来几年内矿区土壤养分变化较小，为研究区生态环境修复提供良好基础。 (5)对铁矿区植物分布进行详细调查，确定了12种优势植物，并且利用各类植物对主要污染因子Cd、Cu、As三种重金属的富集及转移能力，从中筛选出适于研究区生态修复的先锋植物。结果发现，采矿区桃叶蓼对除Ni以外的其它几种重金属具有优良的富集转运能力及耐受性;尾矿区中，狗尾草和桃叶蓼对8种重金属的富集能力与其它类型植物相比均较强，尤其是对Cu、Cd和As的富集系数较高;河流底泥区和农田区中，狗尾草和鬼针草对重金属的综合富集能力也均表现较强。最终通过综合比较，发现各个区域中，狗尾草和鬼针草均对多种重金属具有良好的富集和转移特性。说明狗尾草和鬼针草是具有潜在研究价值的生态修复先锋植物，有必要对其修复性能加以细致研究。 (6)采用盆栽试验研究了狗尾草和鬼针草对土壤重金属污染的修复效能及修复机制。结果表明，狗尾草和鬼针草具有优良的重金属耐受性，在实验设置的各个重金属污染浓度下，两种植物均能正常生长。同时，两种植物对8种重金属均具有较好的富集和转运效能。但是两种植物的性能之间也存在一定的区别，狗尾草对重金属Cr、Cd、Hg和Zn的富集效果突出，对Ni转移性能较好，而鬼针草对Cd和Zn的富集效果较好，对Cd和Hg的转移特性较好。从生理指标上看，随着重金属浓度的提高，狗尾草和鬼针草的叶绿素含量、CAT、MDA、POD、SOD及可溶性蛋白含量的变化不大，说明两种植物对重金属污染的耐受性均较好。综合对比，建议在研究区土壤生态修复时，将两种植物联用，互为补充，以达到更好的效果。 本研究对矿区土壤环境治理和生态恢复提供了一定的理论基础，大大提高了矿区污染修复和生态恢复的成功率，对矿区的可持续发展具有重要的现实意义。
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