铝土矿矿区生态环境现状及植物修复技术研究进展

摘 要：随着经济社会的发展，铝土矿矿山开采活动愈加频繁，但不合理的开发利用导致生态环境问题日益突出。植物修复技术可以有效改善土壤质地，减少水土流失现象，还能提高生物多样性和生态系统的整体稳定性，从而为矿区的可持续发展奠定坚实的生态基础。研究针对铝土矿矿区生态环境现状，梳理了当前铝土矿开采区域植物修复技术的研究进展，以期为铝土矿矿区生态修复提供新思路，以及为植物修复技术相关研究提供参考与启发。

关键词：铝土矿；生态环境；植物修复；联合修复

中图分类号：X171.4 文献标志码：A 文章编号：1674-7909（2024）18-113-5

DOI：10.19345/j.cnki.1674-7909.2024.18.027

0 引言

铝土矿是对工业上能利用的，以三水铝石、一水软铝石或一水硬铝石为主要矿物组成的矿石的统称，属于不可再生资源［1］。铝土矿在工业体系中占据重要地位，是生产金属矿、磨料及水泥等重要工业产品的原料。我国作为世界工业大国，同时也是世界主要铝生产国和消费国，铝土矿资源在我国经济社会发展中发挥着重要作用。然而，铝土矿资源的开发与利用在推动经济发展的同时，也导致了一系列矿山生态环境问题。过度开采矿山破坏了原有的地形地貌和自然景观，易引发崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害，同时导致矿区植被破坏、土壤重金属污染、水资源污染等，对周围生态环境造成严重破坏［2］，从而制约区域经济的可持续发展。因此，如何有效修复铝土矿山生态系统，成为亟待解决的问题。

植物修复技术是指利用植物在进行物质运输、新陈代谢等生命活动时，能够从土壤中转移、容纳或转化污染物，实现环境污染修复的一种技术手段。其因投资小、适应范围广、不破坏土壤结构和无二次污染等特点，被视为一种极具发展前景的矿区环境修复技术［3-4］。近年来，植物修复技术在铝土矿生态修复中的应用引起了国内外研究者们的广泛关注［5］。采用植被修复技术，不仅可以有效改善土壤质地，减少水土流失现象，还能提高生物多样性和生态系统的整体稳定性，从而为矿区的可持续发展奠定坚实的生态基础。为践行“绿水青山就是金山银山”的绿色发展理念，推动矿业经济实现全面转型升级与高质量发展，确保铝土矿开采活动与生态环境保护实现和谐共生、协调发展。在深入剖析铝土矿开采区域所面临的生态环境问题的基础上，梳理了当前铝土矿开采区域植物修复技术的研究进展，旨在为铝土矿矿区植物修复相关研究提供有价值的参考与启发。

1 铝土矿矿区生态环境问题

铝土矿不合理的开发利用会导致土地退化、水土流失、土壤重金属污染及生物多样性降低。其中，土地退化是一个逐渐积累且难以逆转的过程。在铝土矿开采过程中，大量植被被破坏，导致矿山区域生物多样性大幅度下降。同时，大面积的土壤和岩石暴露于环境地表，长时间受到风雨的侵蚀，加剧了水土流失和土地退化现象［6］。此外，采矿设备在矿区长时间且频繁地运行会压实土壤，打乱土壤层次，破坏土壤结构和孔隙度，进而降低土壤通气性、透水性和土壤肥力［7-8］。铝土矿矿渣除了含有大量的铝、铁、钙、镁、锰、钾等成分外，还含有镉、铬、铅、汞等重金属元素［9］。在矿石开采和尾矿处理等过程中，这些金属元素可能会被活化，以离子形态随着地表水迁移到土壤中［10］。这些重金属在土壤中具有较强持久性，难以被降解或者自然去除，长时间积累会导致重金属含量超过土壤环境的承载力，抑制土壤微生物活性，影响土壤生物化学过程，从而对土壤生态系统造成严重破坏。因此，铝土矿的不合理利用不仅影响了矿区的生态环境，还制约了矿区的可持续发展，降低了土地资源的利用价值，增加了环境治理和生态修复的难度和成本。

2 植物修复技术方式

目前，植物修复技术主要包括植物挥发、植物固定和植物提取3种方式［11］。

①植物挥发技术，是指利用植物根系分泌物将重金属转化成气态物质并挥发到大气环境中的技术［12］。例如，酢浆草能有效处理汞污染的土壤，其根部能将吸收的汞转化为易挥发的化合物，从而减少土壤中的汞含量［13］。但植物会将含有重金属的污染物质挥发到大气，易对大气环境造成二次污染［14］。因此，在应用植物挥发技术时，需要对植物挥发出的污染物质进行再处理。

②植物提取技术，是指利用植物根系从土壤中吸收、转移、富集重金属元素到植物地上部分（茎、叶等），再对地上部分进行收割处理的技术［15-16］。超积累植物具有发达的根系和对重金属的强耐性［17］，因此，在矿区常种植此类植物进行环境修复，如龙葵和印度芥菜常用于修复含有镉的矿区土壤［18］、陆商能富集锰［19］、羽叶鬼针草能富集铅［20］等。植物提取技术在矿区重金属污染土壤修复中应用较为广泛，但大部分超积累植物生物量较小、生长速度较慢，影响矿区土壤修复效率。

③植物固定技术，是指利用植物根系积累、吸附、沉淀、转化土壤中的重金属，从而降低重金属元素的移动性和生物可利用性的植物修复技术［21-22］。利用植物固定技术能够修复铁、锰、镉、铅、锌、铬、铜、砷、镍等金属污染的矿区土壤，如PAN等［23］发现牛筋草、剑叶凤尾蕨对固定铅起到很大作用。但植物固定技术仅能短时间内固定土壤中的重金属，无法彻底移除，环境条件的改变可能会导致重金属离子再次变得活跃并恢复其毒性。因此，当前植物固定修复技术仍有待进一步完善。

3 铝土矿矿区植物的筛选和配置

植物修复铝土矿矿区污染土壤的重点在于筛选和培育能在矿区污染环境下正常生长、生物量较大、对污染物有一定吸收和富集能力的植物，以达到提高植物修复效率的目的。植物通过呼吸作用生成的碳酸及根系分泌的柠檬酸等有机酸，能够促进铝土矿受污染土壤中磷、钾、钙等元素的吸收，并加速碱性矿物的溶解［24］。

综合当前研究，目前常用于修复矿区污染土壤的植物有豆科、唇形科、十字花科、玄参科、菊科、大戟科等［25］。XUE等［26］研究发现，蕨、大白茅、狗牙根、商陆、土荆芥等能在锰平均质量分数80 000 mg/kg的尾矿废弃区域正常生长，表明这些植物对锰具有耐受性。豆科植物与根瘤菌在长期生长过程中形成共生固氮体系，不仅能促进植物生长，提高土壤肥力，还能显著改善土壤微生物环境，有利于矿区土壤向健康方向发展［27］。李浩闻等［28］研究发现，在7种固氮豆科植物中，田菁、紫云英和小冠花对铝土矿复垦土壤的适应性较强，能显著提高铝土矿复垦土壤的pH值、速效K、Al3+、有机质含量及生物固氮量。微量的铝可以刺激一些植物的生长［29］，但浓度偏高会发生毒害，对植物的光合作用、营养元素的吸收和抗氧化酶活性等都会产生不利影响［30-31］。有研究表明刺槐能够耐受铝胁迫，铝胁迫能显著增加刺槐叶片和茎中的碳氮比，并能够引起一系列代谢水平的变化［32］。王丽丽［33］在研究矿区的植被重建与生态恢复过程中，通过在矿区种植刺槐和紫穗槐混合草地，以及沙打旺、苜蓿和长芒草混合草地，发现随着复垦时间的延长，矿区的土壤养分含量与微生物群落结构均得到了明显的改善。除了豆科植物外，泡桐、桉树等植物也具备一定的耐铝性。杜庆松等［34］研究发现，泡桐能耐受物质的量浓度为0.3 mmol/L的铝毒，且泡桐生长快，耐干旱瘠薄，可将其作为修复铝土矿区重金属污染土壤的植物。桉树在铝胁迫的环境下，通过维持较高的可溶性蛋白质和可溶性糖含量，保持较低的质膜透性和膜质过氧化水平，展现出强大的适应性；此外，桉树体内脯氨酸水平也保持在较高范围且变化幅度大，各项生理指标的变化均倾向于能够促进桉树生长，表明桉树具备抵御铝毒害的能力［35］。

综上研究，不同植物对铝土矿环境的耐受能力不同。因此，在选择环境修复植物种类时，应根据具体环境条件和种植需求进行综合考虑。科学、合理地配置植物种类和种植密度，能够优化矿区生态系统结构，提高其生态系统的稳定性、抵抗力和可持续性。在采矿平台、工业场地等坡度较为平缓的区域，可以采用乔木、灌木、草本植物相结合的植物配置方式［36］。在一些土层较薄的区域，可以通过改进种植技术，如采用覆土种植、客土换土等措施，为植物生长提供良好的土壤条件；也可以通过施加有机肥、钙镁磷肥等肥料，改善土壤物理性状和化学养分，为植物生长提供良好营养条件，从而确保植物能够在矿区的恶劣环境下健康生长，促进矿山生态修复。

4 植物联合修复技术

4.1 微生物-植物修复技术

土壤中通常栖息着丰富的微生物群落，这些微生物能够增强植物对重金属的耐受力，进而提升植物修复污染土壤的效率。铝离子能诱导植物体内发生过氧化反应，导致植物细胞内的活性氧含量增加、线粒体功能受损，抑制植物根系生长［37］。但也有研究表明，接种丛枝菌根真菌可以提高植物对铝离子的耐受性，因为接种后丛枝菌根真菌与植物形成的菌根具有庞大的根外菌丝，这些菌丝能够在一定程度上替代根系的功能，吸收养分和水分供植物体使用，从而缓解了铝离子的胁迫下植物因养分缺乏而导致的根系受损情况［38］。微生物群落对土壤中金属的迁移循环具有重要影响，丛枝菌根真菌能够产生球囊霉素蛋白，这种蛋白能有效螯合封存土壤中的活性铝，从而有效降低植物受到铝离子的毒害［39］。铝土矿采矿区土壤含氮量较低［40］，豆科植物根系分泌的类黄酮能诱导根瘤菌结瘤基因的表达并分泌结瘤因子，促进豆科植物根瘤形成，增加氮素固定，从而缓解土壤缺氮影响［41］。可见，微生物在生态环境植物修复过程中起到重要作用，不仅有助于植物生长和养分吸收，还能提高植物对重金属的耐受能力。这为铝土矿矿区生态修复提供了新的思路和方法。

4.2 化学法-植物修复技术

化学调节剂-植物修复组合能有效修复矿区受污染土壤，是因为化学调节剂能与金属元素发生一系列化学反应，改变土壤性质，提高受污染土壤中重金属元素的迁移率，促进重金属元素在植物体内积累，从而降低土壤中的重金属含量。常见的化学螯合剂有乙二胺四乙酸、氨基三乙酸、柠檬酸、水杨酸等［42］。施加外源柠檬酸、马来酸、褪黑素等螯合剂，均能提高植物在铝胁迫条件下的耐受力和抗逆性。例如，在铝胁迫条件下，添加0.5 mmol/L的水杨酸能显著提高蓝莓叶绿素含量、渗透调节物质含量、抗氧化酶活性 ［43］，添加60 μmol/L的复合有机酸能减轻菊芋在铝胁迫下的DNA损伤程度［44］，添加复合螯合剂能显著提高棉花对镉的吸收［45］。植物激素通过影响植物生理指标，促进植物生长和生物量积累，提高重金属元素在植物体内形成螯合物的效率，增强植物对重金属元素的富集能力［46］。例如，在铝胁迫条件下，添加20 μmol/L褪黑素能够促进紫花苜蓿生物量积累、根系生长，增强铝的吸收能力，缓解铝毒对植物造成的损伤［47］。

4.3 物理法-植物修复技术

物理法-植物修复主要通过在受污染土壤的植物附近设置一定强度的电场，以提高植物对污染物的去除效果。一方面，电场可以驱动更多的金属离子进入植物根系，促进金属元素在植物体内的积累，提高植物对金属元素的去除效率。另一方面，电场可以作用于植物，增加其生物量和增强抗氧化酶活性，进而提高植物对重金属的吸收和富集能力。有研究发现，直流电场能够控制重金属络合物迁移方向和速率［48］。陈海峰等［49］研究发现，在垂直电场作用下，黑麦草生物量随着电流强度的增加而增加，且其地上和地下部分的铜含量也显著增加。交流电场可以促进水电解产生的H+和OH-中和，调节土壤pH，从而提高植物对污染物的去除效果。

5 结论与展望

5.1 结论

①铝土矿矿区面临着诸多生态环境挑战，不仅威胁到生态系统的稳定性，还削弱了矿区的生态服务功能，亟须采取有效的修复与保护措施。植物修复技术作为生态修复的重要手段，具有环保、经济等优点，同时能够保持土壤结构和生态功能，促进生物多样性增加。

②利用植物修复技术修复铝土矿矿区生态环境时，应根据当地的具体环境条件和种植需求，选择耐瘠薄、耐干旱、耐铝胁迫的植物。在坡度平缓的地块，应采用乔木、灌木和草本植物的复层搭配，以优化生态系统结构，增强生态系统的稳定性和抵抗力。

③为进一步提升植物修复矿区生态环境的效果，可以采用微生物-植物修复、化学法-植物修复、物理法-植物修复等联合修复技术。

5.2 展望

不同植物对铝等金属的耐受性和富集能力存在差异，因此应积极探索发现更多具有较强耐受性和吸附能力的植物，帮助铝土矿矿区生态环境的修复。此外，还应探索采用基因工程等先进技术，提升植物对重金属的富集能力。目前，植物联合修复技术的应用相对单一，应探索综合多种修复技术，构建复合修复体系，进一步提高植物修复效率。此外，在铝土矿矿区生态修复后，应建立长期化、常态化生态监测与评估机制，以提高生态维护成效。

参考文献：

［1］张彦平，王林俊，倪文，等.我国铝矾土资源利用现状及发展建议［J］.矿物学报，2012，32（S1）：210-211.

［2］史莉，郭苛，陈尹，等.贵阳市铝土矿开采的生态环境问题及保护对策［J］.现代矿业，2021，37（10）：200-202.

［3］黄益宗，郝晓伟，雷鸣，等.重金属污染土壤修复技术及其修复实践［J］.农业环境科学学报，2013，32（3）：409-417.

［4］敬路淮，陈晓明，肖伟，等.黑麦草修复重金属污染土壤与废水及富集植物的微生物降解［J］.环境工程学报，2019，13（6）：1449-1456.