高寒干旱區(qū)鄉(xiāng)土植物重金屬富集性的研究

羅少輝 聶秀青 盛海彥 盧素錦 田豐 剛存武

摘要：針對(duì)高寒干旱地區(qū)某有色金屬冶煉區(qū)及周邊地區(qū)可能出現(xiàn)的土壤重金屬污染問(wèn)題，實(shí)施了該研究區(qū)土壤和鄉(xiāng)土植物的取樣、重金屬含量測(cè)定工作，分析評(píng)價(jià)了土壤污染現(xiàn)狀，并篩選出了對(duì)重金屬富集性強(qiáng)的鄉(xiāng)土植物。結(jié)果表明，該有色金屬冶煉區(qū)的土壤存在鋅、鎘的污染。具有富集鋅、鎘能力的鄉(xiāng)土植物有11種，其中對(duì)污染土壤具備修復(fù)能力的鄉(xiāng)土植物為刺兒菜與巴天酸模。

關(guān)鍵詞：鄉(xiāng)土植物；重金屬；富集；高寒干旱地區(qū)

中圖分類號(hào)：X825；X503.23；P941.71 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2013）08-1848-05

植物修復(fù)技術(shù)作為一種對(duì)環(huán)境無(wú)污染且成本較低的綠色生態(tài)保護(hù)技術(shù)，受到世界各國(guó)科學(xué)家的普遍關(guān)注[1]。近年來(lái)，國(guó)外在篩選各類耐性植物的研究工作中，取得了不少成果，Jaffre等[2]首次使用“重金屬富集植物”這一術(shù)語(yǔ)，Brooks等[3]隨后又提出了“超富集植物”的概念。雖然我國(guó)對(duì)自然界現(xiàn)存的富集、超富集植物的發(fā)現(xiàn)和人工篩選起步較晚，但目前也取得了一系列成果[4-6]，尤其是在一些礦區(qū)發(fā)現(xiàn)了對(duì)鉛、鋅、鎘等重金屬具有超富集能力的植物，并在篩選方面取得了一定的成就[7-10]。

青海省多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在位于北緯36°32′02″-36°35′39″、東經(jīng)101°30′42″-101°32′25′的區(qū)域（某有色金屬冶煉工業(yè)園區(qū)，以鉛、鋅、鋁等有色金屬和鎳、銦、金、銀等貴重金屬加工以及化肥、鹽化工產(chǎn)業(yè)為主）存在土壤重金屬元素含量異常情況，土壤重金屬污染程度不容樂(lè)觀。針對(duì)該區(qū)域及周邊地帶可能出現(xiàn)的土壤重金屬污染問(wèn)題，課題組進(jìn)行了實(shí)地土壤和鄉(xiāng)土植物的取樣及重金屬測(cè)定等研究工作，分析評(píng)價(jià)了土壤污染現(xiàn)狀，并篩選重金屬富集性強(qiáng)的鄉(xiāng)土植物；通過(guò)對(duì)該區(qū)域土壤污染現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)價(jià)和主要鄉(xiāng)土植物的重金屬富集性比較，旨在為重金屬富集植物的篩選和污染土壤的修復(fù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 采集地簡(jiǎn)況

該有色金屬冶煉區(qū)位于湟水河支流甘河的河谷內(nèi)，海拔2 576～2 846 m，年平均氣溫1.6～4.3 ℃，全年無(wú)霜期136～150 d，多年平均降水量375 mm，多年平均蒸發(fā)量為1 452 mm，年均日照時(shí)間2 586 h，日照百分率達(dá)59%，屬半干旱內(nèi)陸高原氣候。

1.2 土壤樣品的采集與重金屬測(cè)定方法

在該有色金屬冶煉區(qū)及其周邊地帶采用梅花形布點(diǎn)法實(shí)施野外取樣，取5點(diǎn)混合樣，每個(gè)采樣點(diǎn)分別采集表層或耕作層（0～20 cm）的土壤，共采集土壤樣品20份。樣品帶回青海大學(xué)農(nóng)牧學(xué)院實(shí)驗(yàn)室后，先將土樣風(fēng)干，再用瑪瑙研缽研磨，過(guò)0.25 mm的尼龍篩后保存待測(cè)。測(cè)定時(shí)，先用HCl-HNO3-HClO4消煮土壤樣品，再用OPTIMA 2000-電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（美國(guó)珀金埃爾默有限公司）測(cè)定土壤樣品中的重金屬含量。

1.3 鄉(xiāng)土植物的采集與重金屬測(cè)定方法

鄉(xiāng)土植物采集地位于北緯36°32′58″、東經(jīng)101°32′23″區(qū)域，該地土壤中的pH為7.98，鋅含量平均為758 mg/kg、鎘含量平均為3.60 mg/kg。在植株生長(zhǎng)期內(nèi)進(jìn)行植株樣品的采集，共采集花、果實(shí)、種子齊全的植物32種，每種植物根據(jù)植株的大小分別采集5～10株。將野外采回的植物樣品清洗干凈，分離地上部與地下部，然后分別烘干、稱重、粉碎，制備待測(cè)樣。采用微波消解ICP-AES（Inductively coupled plasma optical emission spectrometer）法[11]測(cè)定植物中的重金屬含量。

1.4 污染程度評(píng)價(jià)

污染程度用單因子污染指數(shù)法[12，13]評(píng)價(jià)，單因子污染指數(shù)的計(jì)算公式為：

Pi=Ci/Si；

式中，Pi為污染指數(shù)，Ci為污染物實(shí)測(cè)值，Si為污染物評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，i表示某種污染物。分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)方面，Pi≤1，為非污染；13，則屬重度污染。

1.5 鄉(xiāng)土植物對(duì)重金屬的富集系數(shù)與轉(zhuǎn)移系數(shù)

富集系數(shù)（Bioconcentration factor，BCF）是指植物體內(nèi)的重金屬含量與土壤中相應(yīng)重金屬含量之比[5]，可表示植物富集、濃縮、積累、放大和吸收重金屬能力與程度的數(shù)量關(guān)系，在一定程度上反映著土壤-植物系統(tǒng)中重金屬遷移的難易程度，說(shuō)明了重金屬在植物體內(nèi)的富集水平，體現(xiàn)了植物對(duì)重金屬富集能力的強(qiáng)弱。對(duì)于轉(zhuǎn)移系數(shù)（Translocation factor，TF）而言，它是植物地上部某元素含量與地下部某元素含量之比，用來(lái)評(píng)價(jià)植物將重金屬?gòu)牡叵虏肯虻厣喜窟\(yùn)輸和富集的程度，顯示了植物將吸收的重金屬?gòu)母缔D(zhuǎn)運(yùn)到地上各器官部位的能力[14]。

富集系數(shù)=植物體內(nèi)重金屬含量/土壤重金屬含量，

轉(zhuǎn)移系數(shù)=地上部重金屬含量/地下部重金屬含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 有色金屬冶煉區(qū)土壤重金屬含量及污染狀況

對(duì)該有色金屬冶煉區(qū)土壤樣品采集地的各樣品鉻、銅、鋅、砷、鎘、鉛等重金屬含量分別進(jìn)行了測(cè)定，其測(cè)定結(jié)果和青海省土壤環(huán)境的背景值[15]對(duì)比情況見表1；污染程度見表2，其中單因子污染指數(shù)在計(jì)算時(shí)采用文獻(xiàn)[16]中評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)二類中的pH>7.5的數(shù)值。由表1、表2可知，樣品的變異系數(shù)分布在26.2%～85.7%，其中鋅、鎘的變異系數(shù)都較大，表明人為的干擾較大。土壤中鋅含量變化范圍為97.2～1 965.6 mg/kg，平均值為540.3 mg/kg，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了青海省土壤環(huán)境背景值88.5 mg/kg的水平；其單因子污染指數(shù)變化范圍是0.324～6.552，部分地區(qū)為重度污染，平均值為1.945，整體表現(xiàn)出中度污染。土壤鎘含量變化范圍為0.2～6.7 mg/kg，平均值為2.2 mg/kg，也是遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了青海省土壤環(huán)境背景值0.2 mg/kg的水平；其單因子污染指數(shù)變化范圍是0.333～11.167，平均值為3.973，整體表現(xiàn)出重度污染。

2.2 有色金屬冶煉區(qū)鄉(xiāng)土植物的重金屬富集情況

將采集回來(lái)的32種鄉(xiāng)土植物處理后，對(duì)每種植物的地上部和地下部分別測(cè)定了重金屬含量，其中生物量相對(duì)較大的17種鄉(xiāng)土植物的鋅、鎘含量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表3。重金屬超富集植物的確認(rèn)應(yīng)滿足植物地上部的重金屬含量高于地下部含量這一條件[17]，同時(shí)植物體內(nèi)的重金屬含量應(yīng)高于土壤的重金屬含量。由表3可見，鋅、鎘富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)均大于1的植物有蒲公英、鵝絨委陵菜、刺兒菜、節(jié)節(jié)草、艾蒿、二裂葉委陵菜、平車前、大車前、黃花蒿、聚頭薊、巴天酸模，共計(jì)11種植物，說(shuō)明這些植物均可作為重金屬土壤修復(fù)的先鋒植物或耐性植物。

2.3 有色金屬冶煉區(qū)鄉(xiāng)土植物的重金屬含量

將富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)均大于1的11種鄉(xiāng)土植物的生物量及重金屬鋅、鎘含量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果列于表4，由表4可知，重金屬鋅在植物體內(nèi)的含量高低順序依次為刺兒菜、巴天酸模、艾蒿、聚頭薊、鵝絨委陵菜、黃花蒿、二裂葉委陵菜、節(jié)節(jié)草、蒲公英、平車前、大車前，其中單株刺兒菜與巴天酸模植株體內(nèi)的重金屬鋅含量分別為83.74、60.32 mg，分別是艾蒿的3.88、2.80倍。重金屬鎘在植物體內(nèi)的含量高低順序依次為刺兒菜、巴天酸模、艾蒿、聚頭薊、黃花蒿、鵝絨委陵菜、二裂葉委陵菜、大車前、節(jié)節(jié)草、平車前、蒲公英，其中單株刺兒菜與巴天酸模植株體內(nèi)的重金屬鎘含量分別為797.51、510.75 μg，分別是艾蒿的3.76、2.41倍。刺兒菜與巴天酸模體內(nèi)的重金屬含量明顯高于其他9種鄉(xiāng)土植物的重金屬含量，這在重金屬污染土壤的修復(fù)過(guò)程中將具有利用價(jià)值。

綜合表3數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)各植物地上部的鋅、鎘絕對(duì)含量均未達(dá)到超富集植物的標(biāo)準(zhǔn)值水平[18]，超富集植物的標(biāo)準(zhǔn)值水平為植物地上部干重的鋅含量為10 000 mg/kg、鎘含量為100 mg/kg；因此嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，這些鄉(xiāng)土植物均沒(méi)滿足超富集植物的要求。究其原因，可能是污染區(qū)土中的鋅、鎘污染程度與其他污染嚴(yán)重的地區(qū)相比仍屬較輕水平，以致植物中的富集量相對(duì)較低[19-21]。不過(guò)這些鄉(xiāng)土植物中的大部分仍表現(xiàn)出了很強(qiáng)的富集能力，與植物體內(nèi)的鋅正常含量1～160 mg/kg、鎘正常含量0.2～0.8 mg/kg相比高出了幾十倍[19]。并且對(duì)于元素鋅而言，刺兒菜的富集系數(shù)為4.03、轉(zhuǎn)移系數(shù)達(dá)3.54，巴天酸模的富集系數(shù)為3.92、轉(zhuǎn)移系數(shù)達(dá)5.31；對(duì)于元素鎘而言，刺兒菜的富集系數(shù)為8.03、轉(zhuǎn)移系數(shù)是2.90，巴天酸模的富集系數(shù)為7.43、轉(zhuǎn)移系數(shù)達(dá)11.34，2種植物對(duì)土壤重金屬的富集與轉(zhuǎn)移能力均遠(yuǎn)大于1的標(biāo)準(zhǔn)，因此刺兒菜與巴天酸模具備將土壤中的重金屬鋅與鎘從土壤里高效地吸收、轉(zhuǎn)移到地上來(lái)的能力。

3 小結(jié)與討論

1）通過(guò)對(duì)青海省某有色金屬冶煉區(qū)土壤重金屬含量的測(cè)定與分析，表明該區(qū)土壤存在重金屬污染，其中重金屬污染元素主要為鋅、鎘，其含量分別為540.3 mg/kg±463.3 mg/kg、2.2 mg/kg±1.7 mg/kg。

2）對(duì)當(dāng)?shù)剜l(xiāng)土植物重金屬富集能力的研究表明，當(dāng)?shù)貙?duì)土壤重金屬鋅、鎘具有較好富集能力的植物有刺兒菜、巴天酸模、鵝絨委陵菜、艾蒿、聚頭薊、黃花蒿、蒲公英、平車前、二裂葉委陵菜、大車前、節(jié)節(jié)草一共11種。已有研究表明，刺兒菜對(duì)鎘單一污染具有較強(qiáng)的污染耐受性與富集特性；蒲公英等植物在沈陽(yáng)市對(duì)土壤重金屬鎘污染有較好的富集效果[5，22]。植物對(duì)重金屬的富集能力可能是本身具有的一種特性，與其遺傳基因存在相應(yīng)的關(guān)系，這對(duì)于研究土壤重金屬富集植物的篩選以及作用機(jī)理探討有著重要的意義[23，24]。

3）綜合考慮青藏高原的氣候具有輻射量大、日溫差大、降雨量小、蒸發(fā)量大、氣候干燥的特點(diǎn)[25]，我們認(rèn)為當(dāng)?shù)夭灰艘N外地植物來(lái)實(shí)施該地區(qū)土壤重金屬污染的修復(fù)，而應(yīng)當(dāng)在鄉(xiāng)土植物中選擇；如在試驗(yàn)里發(fā)現(xiàn)的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)均大于1的11種鄉(xiāng)土植物中，刺兒菜與巴天酸模對(duì)污染土壤中的鋅、鎘的富集系數(shù)與轉(zhuǎn)移系數(shù)均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1，2種植物體內(nèi)積累的從土壤中吸收的重金屬含量遠(yuǎn)高于其余的9種植物；刺兒菜與巴天酸模在青海省各地繁殖容易，生長(zhǎng)期短，抗病能力強(qiáng)等，符合現(xiàn)在幾乎公認(rèn)的超富集植物應(yīng)具備的特征[17，26-28]。因此刺兒菜與巴天酸模是適宜該地區(qū)土壤鋅、鎘污染修復(fù)的鄉(xiāng)土植物。

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