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、銅礦開采和浮選過程所產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，導致尾礦的酸化，從而對周圍環(huán)境造成污染。植被重建被廣泛地應用于廢棄地的生態(tài)修復。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沖尾礦廢棄地為研究對象，通過分析銅尾礦中鐵和硫的形態(tài)與含量、尾礦產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氧化作用，植物地上凋落物以及植物根系對銅尾礦中金屬硫化物氧化過

2、程的影響以及不同修復方式下植物的發(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，凈產酸量和金屬硫化物的氧化速率逐漸降低。水木沖尾礦庫裸地表層30 cm呈現(xiàn)較強的酸化作用，植物群落下廢棄地酸化主要在表層10 cm，金屬硫化物氧化過程均以化學氧化為主。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氧化作用的進行。然而，尾礦裸地產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。水木沖銅尾礦的產酸潛力和氧化速率顯著高于低硫化物含量的楊山沖銅尾礦，植物群落建立對楊山沖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鍵因子。
　　3.水木沖銅尾礦廢棄地四種優(yōu)勢植物白茅、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酸、NAG-pH差異顯著。優(yōu)勢植物根際和非根際尾礦為近中性(pH6.13～7.38)，以化學氧化為主;根際高的有機質和養(yǎng)分含量促進了尾礦的生物和化學耗氧;狗牙根根際尾礦的生物和化學氧化速率顯著高于其他三種優(yōu)勢植物。植物根系通過影

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)出高的相關性。以狗牙根與其他植物根際尾礦相關性最低，具有最高的凈產酸。植物根系在尾礦層的分布特征對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)達根系的優(yōu)勢植物香根草，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。
　　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氧化過程。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，而對照處理以表層(0-10 cm)酸化程度最強，存在硬盤層的形成;其氧化過程以生物氧化為主。
　　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氧化;同時，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程，植物凋落物類型對尾礦總氧化速率影響不顯著。多元回歸分析表明，所加凋落物中過量陽離子總量（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質以及有效氮、磷等養(yǎng)分含量，其游離氧化鐵含量、凈產酸量以及生物和化學氧化速率顯著低于未覆土表層尾礦。粉砂質壤土的覆蓋能夠有效地減少尾礦層的礦物風化，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，促進植被的生長。

10、對于呈微酸性（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、生物和化學氧化速率顯著提高，凈產酸量顯著降低;對于近中性(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化過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、尾礦游離氧化鐵、速效養(yǎng)分（氮和磷）和有機質含量、生物和化學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A.pullulans生長和代謝的抑制作用有關。
　　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）能夠有效地應用于廢棄地的生態(tài)修復;人工輔助修復（施肥、覆土）對