, 谢金鑫1, 赵筠康2, 路停1 1. 重庆大学 资源与安全学院，重庆 400044;
2. 中路黄河(山西)交通科技集团有限公司，山西 太原 030000
收稿日期：2021-10-12
基金项目：国家重点研发计划项目(2017YFC0804609)。
作者简介：魏作安(1965-), 男, 江西南昌人, 重庆大学教授, 博士生导师。
摘要：为研究铜尾矿库中喷洒化学抑尘剂是否会影响库区复绿植物生长，选择三种复绿植物，种植于铜尾矿中，定期喷洒水和两种化学抑尘剂溶液，通过考察植物发芽率、生长状态、根-土复合体抗剪强度等指标，探究抑尘剂对铜尾矿复绿植物适生性的影响.结果表明，三种植物适生性从高到低为黑麦草、沙打旺、狗牙根.喷洒氯化钙溶液的植物均未发芽.相较于喷洒水，喷洒聚丙烯酰胺溶液更能促进植物生长.喷洒聚丙烯酰胺溶液的黑麦草适生性最优.因此，可以确定黑麦草适合用于铜尾矿库复绿，喷洒聚丙烯酰胺溶液，既能固土抑尘，又能促进植物生长.
关键词：铜尾矿化学抑尘剂草本植物环境适生性固土抑尘
Effect of Chemical Dust Suppressants on Suitability of Herbaceous Plants in Copper Tailings Ponds
WEI Zuo-an1
, XIE Jin-xin1, ZHAO Jun-kang2, LU Ting1 1. School of Resources and Safety Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China;
2. China-Road Huanghe (Shanxi) Transportation Sci. & Tech Group Co., Ltd., Taiyuan 030000, China
Corresponding author: WEI Zuo-an, E-mail: weiza@cqu.edu.cn.
Abstract: To study whether spraying chemical dust suppressants in the copper tailings pond will affect plants, three kinds of plants were selected and planted in copper tailings. Water or two chemical dust suppressant solutions were sprayed regularly. The germination rate of grass seeds, the growth status of plant and root, the shear strength of root-soil complex were used as evaluation indexes to study the effects of chemical dust suppressor on the adaptability of plants. The results showed that the adaptability of the three plants to copper tailings from high to low was Ryegrass, Astragalus adsurgens and Cynodon dactylon. The plants sprayed with calcium chloride solution did not germinate. Spraying polyacrylamide can improve the adaptability of plants, and its growth is even better than the plants sprayed with water. Ryegrass sprayed with polyacrylamide solution grew the best. Therefore, it can be determined that Ryegrass is suitable for regreening of copper tailings ponds. The polyacrylamide solution can be sprayed regularly in the tailings ponds, which can not only fix soil and suppress dust, but also improve the adaptability of plants.
Key words: copper tailingschemical dust suppressantherbaceous plantenvironmental adaptabilitysolid soil and dust suppression
尾矿是矿石经过破碎、磨细等处理后选出有用矿物而剩余的固体废弃物，通常以矿浆的方式被排放到尾矿库内堆存起来[1].尾矿库不仅占用大量土地，还存在高污染、高安全风险等问题，如何预防尾矿库发生污染事故，修复尾矿库区的生态环境，逐渐成为亟待解决的重点问题.由于尾矿颗粒较细，颗粒间缺少黏性，在风蚀作用下，尾矿颗粒极易被扬起，从而造成库区大面积扬尘等一系列环境问题.传统的岩土工程防尘措施，主要为覆盖土壤、铺设防尘网以及洒水防尘等，不仅防尘效率低而且成本高，不适合大规模使用[2].近年来，化学抑尘剂由于具有环保经济、防尘效率高、结壳快等优点，广泛应用于道路扬尘、煤炭运输、沙漠固沙等重大的生产、生活领域[3-5].化学抑尘被认为是解决开放性尘源扬尘污染的最佳方法，也逐步应用于尾矿库的扬尘防治工程中[6].
尾矿库的扬尘危害会持续发生于尾矿库运营的各阶段.在尾矿库的日常使用中，可以通过喷洒化学抑尘剂改善库区的扬尘污染.而尾矿库闭库后，需要种植植物，除了防尘作用外，还可以修复尾矿库区的生态环境.植物抑尘的方法不仅人工成本较低，而且能够保持或改善土壤肥力，植物可利用根系吸收、聚集土壤中的有机和无机污染物，其枯落物还可以加速土壤形成过程，提高土壤的黏结性，促进结皮形成，根系也能起到固沙和抗风蚀的作用[7].植物不断地生长繁殖，尾矿库生态环境才能逐步恢复.已有研究人员对复绿植物修复矿山生态的应用、机理和优化等作了大量研究[8-9].
目前，尾矿库复绿与扬尘防治已成为环境科学与工程领域的一个关键问题[10].尾矿库使用期间为防尘目的而施用的化学抑尘剂会残留在尾矿中，闭库后，植物尚未长成前也需要辅以喷洒化学抑尘剂防尘.因此，在植物生长的各个阶段都伴有化学抑尘剂，但是有关各类化学抑尘剂对尾矿库复绿植物的生长有何影响还有必要深入研究.
本次试验选择狗牙根、沙打旺、黑麦草3种高耐性草本植物作为研究对象，铜尾矿为试验尾矿，以前期试验结果为基础[6]，在植物生长过程中定时喷洒聚丙烯酰胺和氯化钙抑尘剂，喷洒清水作为对照组展开试验.以草籽的发芽率、植株及其根系的生长状况、根系与表土的根-土复合抗剪强度等作为评价指标，探究化学抑尘剂对铜尾矿复绿草本植物适生性的影响.试验结果可为植物-化学抑尘剂联合抑尘以及铜尾矿库区环境修复等工程提供理论支撑.
1 材料与方法1.1 土壤材料试验用铜尾矿取自四川凉山矿业股份有限公司下属小打鹅尾矿库，粒径级配曲线如图 1所示，铜尾矿的平均粒径d50为78.64 μm，不均匀系数Cu为6.577，曲率系数Cc为1.193，级配良好.取自然土与铜尾矿土样进行XRF测试，铜尾矿和自然土的化学成分对比见表 1.
图 1(Fig. 1)
 | 图 1 铜尾矿粒径分布曲线Fig.1 Grain size distribution curve of copper tailings |
表 1(Table 1)
 表 1 铜尾矿及自然土中元素种类和相对含量(质量分数)Table 1 Elements and relative contents of copper tailings and natural soil(mass fraction) ?
| 表 1 铜尾矿及自然土中元素种类和相对含量(质量分数) Table 1 Elements and relative contents of copper tailings and natural soil(mass fraction) ? | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
铜尾矿中二氧化硅含量很高，缺乏黏性，保水性差，更容易扬尘，且金属元素含量很高，植物生长所需的氮元素等含量却远低于自然土，较为贫瘠.
1.2 试种的草本植物试验选取的草本植物为狗牙根、沙打旺和黑麦草，为常用于边坡固土、表土复绿的草本植物，其植株生长状况见图 2，生长环境条件见表 2.
图 2(Fig. 2)
 | 图 2 自然环境下三种植物的状态Fig.2 States of three plants in the natural environment (a)—狗牙根；(b)—沙打旺；(c)—黑麦草. |
表 2(Table 2)
表 2 三种植物的基本特性Table 2 Basic characteristics of three plants
| 表 2 三种植物的基本特性 Table 2 Basic characteristics of three plants |
1.3 化学抑尘剂选用根据前期的研究结果[6]，喷洒氯化钙(CaCl2)和聚丙烯酰胺(PAM)两类抑尘剂后，铜尾矿具有良好的抑尘效果和结壳抗破坏性.因此，本研究依然选择质量浓度50 g·L-1的氯化钙(CaCl2)溶液和0.5 g·L-1的聚丙烯酰胺(PAM)溶液为化学抑尘剂，同时将喷洒清水的尾矿作为对照组展开试验研究.
1.4 试验方法首先，将试验用铜尾矿在烘箱内烘干，为防止高温对尾矿中有机质产生影响，设置烘箱温度为60 ℃，时长48 h.将烘干后的尾矿过2 mm筛后，配制为初始含水率为15%的铜尾矿.然后，将配置好的铜尾矿装袋放置2 h后取出，将大的颗粒碾碎，称取相同质量的铜尾矿置于试样盒(试样盒为一次性塑料餐盒，容积约为500 mL)中.在每个试样中播撒颗粒饱满的草种各100粒，播撒完毕后，再在草种上覆0.5 cm厚的铜尾矿，制备完成后，每个试样盒承装铜尾矿(350±5) g，足够100粒草籽的正常生长所需.最后，将制备好的铜尾矿试样置于22 ℃的恒温室内，保证充足的日光灯照射.试验过程中，每天喷洒清水一次，水量为50 mL.为了考察化学抑尘剂对植物生长的影响，每隔3天喷洒一次抑尘剂溶液50 mL(喷洒抑尘剂时不再喷洒清水).每天按时观察植物一次，记录好植物发芽和生长情况.15 d后，对试种的植物进行取样分析.
设置9组试样，按3×3的方式摆放，3个纵列依次喷洒清水、CaCl2和PAM溶液，3个横排依次播种狗牙根、沙打旺和黑麦草草种，见图 3.
图 3(Fig. 3)
 | 图 3 制备好的土样盒Fig.3 Prepared soil sample boxes |
2 结果与讨论植物种植15 d后的结果见图 4.从图中可以看出，狗牙根在铜尾矿中没有发芽，是因为狗牙根种子发芽要求相对于其他两种植物较为苛刻，使得狗牙根在铜尾矿中无法正常发芽.也有研究发现，狗牙根在自然土条件下，其发芽率并不高[11].可以得出，狗牙根不适应铜尾矿库的环境条件.
图 4(Fig. 4)
 | 图 4 植物生长状况Fig.4 Growth status of plants (a)—喷洒清水，狗牙根；(b)—喷洒CaCl2溶液，狗牙根；(c)—喷洒PAM溶液，狗牙根；(d)—喷洒清水，沙打旺；(e)—喷洒CaCl2溶液，沙打旺；(f)—喷洒PAM溶液，沙打旺；(g)—喷洒清水，黑麦草；(h)—喷洒CaCl2溶液，黑麦草；(i)—喷洒PAM溶液，黑麦草. |
从图中还可以看到三种植物在喷洒氯化钙溶液后的铜尾矿中未能正常发芽、生长.究其原因，是因为氯化钙溶液具有酸性，其pH为4.0~5.0，喷洒氯化钙后的铜尾矿，不是三种植物正常生长的pH环境，且长期喷洒氯化钙溶液造成氯离子大量积累，产生毒性从而抑制植物的发芽和生长.
2.1 植物种子发芽情况沙打旺和黑麦草种子萌发进程见图 5.从图中可以看出，两种植物均在第3 d时发芽、破土，黑麦草的发芽率明显高于沙打旺.黑麦草植株在第6 d后开始大幅生长，并在第11 d时发芽率达到90%以上，沙打旺的发芽率不到70%.对于同种植物，可以看出喷洒PAM溶液的植物种子发芽率高于只喷洒清水的，这是因为PAM具有良好的水溶性，使得颗粒间水分不易散失，起到了良好的持水作用，从而为植株生长提供充足的水分.
图 5(Fig. 5)
 | 图 5 生长周期内两种植物的发芽率Fig.5 Germination rate of two plants in growth period |
2.2 植株生长情况沙打旺和黑麦草在15 d后的生长状态见图 6.从图中可以看出，由于试样盒承装的铜尾矿厚度较小，致使草种根部穿过尾矿层后吸收不到充足的养分，黑麦草植株细长，出现倒伏现象.对比喷洒清水和PAM的试样，可以明显看出喷洒清水的试样失水严重，植物叶面逐渐变黄，铜尾矿表面干燥，水分散失严重；而喷洒PAM的铜尾矿表面湿润，保水较好，植株较为粗壮.对比相同草种，可以看出，喷洒清水的试样结壳被植株生长破坏严重，尾矿颗粒形成大的颗粒团被植株带出，而喷洒PAM的铜尾矿结壳相对完整.
图 6(Fig. 6)
 | 图 6 植物在生长周期结束后的生长状态Fig.6 Growth state of plants after the growth period (a)—喷洒清水，沙打旺；(b)—喷洒PAM溶液，沙打旺；(c)—喷洒清水，黑麦草；(d)—喷洒PAM溶液，黑麦草. |
由于植株长短不一，采用平均值的方法对植株生长状态进行描述.测定随机10株植株的高度取均值后，作为当天该种植物的平均株高.沙打旺和黑麦草在观察周期内的平均株高见图 7.从图中可以看到，黑麦草的植株均高在观察周期结束后达到110 mm以上，而沙打旺植株均高要小很多.对于同种植物，喷洒PAM的植株均高略大于喷洒清水的，喷洒PAM对植株的生长具有促进作用.
图 7(Fig. 7)
 | 图 7 植物平均高度的变化规律Fig.7 Variation of the average height of plants |
2.3 植物根系情况植物根系从土壤吸收养分供给植物茎叶生长，根系的生长状况也能反映植物的生长发育情况.植株根系生长状态见图 8，从图中看出，两种植株在铜尾矿中根系生长比较好，根部穿透了尾矿层.观测周期结束后，清洗植物根部，测量其长度.根部的平均长度见图 9.对于同种植物，在喷洒PAM的铜尾矿中根部生长情况优于只喷洒清水的.沙打旺植株的根茎在喷洒PAM的铜尾矿中比喷洒清水的铜尾矿更加粗壮、叶片更加舒展.沙打旺有比较粗的实根，黑麦草有细长的须根.
图 8(Fig. 8)
 | 图 8 沙打旺和黑麦草的根系生长状态Fig.8 Root growth status of Astragalus adsurgens and Ryegrass (a)—沙打旺，喷洒水；(b)—沙打旺，喷洒PAM溶液；(c)—黑麦草，喷洒水；(d)—黑麦草，喷洒PAM溶液. |
图 9(Fig. 9)
 | 图 9 两种植物根部平均长度Fig.9 Average root length of two plants |
2.4 强度特征植物根部有助于提高土壤的抗剪强度.许桐等[11]研究发现根-土复合体的抗剪强度显著大于素土.抗剪强度可以反映植物根部的生长情况.
本次试验采用微型十字板剪切仪对铜尾矿和植株形成的根-土复合体的抗剪强度进行测定，剪切仪参数见表 3.微型十字板剪切仪有3个板头，分别对应不同的量程，考虑到精确性以及试样盒的可测量面积，本次试验选用A板头(换算系数为1)进行试验.
表 3(Table 3)
表 3 微型十字板剪切仪参数Table 3 Parameters of miniature cross plate shears
| 表 3 微型十字板剪切仪参数 Table 3 Parameters of miniature cross plate shears |
为了更加明确种植植物对喷撒化学抑尘剂后铜尾矿抗剪强度的增强效果，同时测试了只喷洒化学抑尘剂后的铜尾矿抗剪强度，喷洒量与植物种植期间的抑尘剂喷洒量相同，结果见表 4.
表 4(Table 4)
表 4 植物对试验土样抗剪强度的影响结果Table 4 Effect of plants on the shear strength of test soil samples
| 表 4 植物对试验土样抗剪强度的影响结果 Table 4 Effect of plants on the shear strength of test soil samples |
从表 4可以看出，喷洒CaCl2和PAM溶液均可以提高铜尾矿的抗剪强度，且PAM效果优于CaCl2.究其原因，喷洒CaCl2后虽然能够形成结晶，加强颗粒间的连接，但是其连接作用只是点对点的，难以抵抗剪切作用，而PAM的长链结构可以将尾矿颗粒连接、包裹，形成颗粒团，起到一定的抗剪作用[12].植物种植可明显提高铜尾矿的抗剪强度，黑麦草发芽率高、根部细密，而沙打旺虽然根系粗壮，但发芽率较低，种植黑麦草的铜尾矿抗剪强度优于种植沙打旺的.对于同种植物，喷洒PAM溶液的试样抗剪强度提高显著.其原因，一是喷洒PAM后，铜尾矿保水率提高，有助于植株根系吸收水分，促进生长；二是PAM本身就能对尾矿颗粒起到良好的连接、包裹作用，与植物根系联合施用后，形成更大的尾矿颗粒团聚体，使得团聚体的抗剪强度进一步提高.
3 结论1) 长期喷洒氯化钙溶液，铜尾矿内会积累大量对植物有害的氯离子，且会降低尾矿pH，使草种难以正常发芽生长.因此，氯化钙溶液会严重降低植物的适生性，应尽量避免过度使用氯化钙，以免影响尾矿库的复绿.
2) 相比于沙打旺和黑麦草，狗牙根对环境的要求更高，不适合种植在尾矿库中.而三种植物中黑麦草长势最好，优于沙打旺，可以更快达到固土、抑尘、复绿的效果.
3) 喷洒PAM溶液的植物的适生性优于喷洒清水的，PAM溶液的喷洒减少了颗粒间水分的蒸发，增强铜尾矿的持水性，为植株生长提供充足的水分，有助于植株生长.因此，尾矿库使用期间建议选择使用PAM溶液作为抑尘剂，闭库后还能促进植物的生长.
4) 化学抑尘剂-植物组合中，聚丙烯酰胺-黑麦草模式下的植株长势最好，形成的根-土复合体结构的抗剪强度最高，适生性最优.
值得注意的是，本文的试验、测试均在室内完成，植物的生长条件与现场会有所差别，因此，在后续的研究中，可以进行现场的规模化种植.
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