貴州廢棄鉛鋅礦區(qū)優(yōu)勢植物中鉛、鋅、鉻含量及富集特征

吳迪 鄧琴 耿丹 秦樊鑫 李存雄 楊珍 賈亞琪

摘要：以貴州廢棄DW鉛鋅礦區(qū)27種優(yōu)勢植物為研究對象，利用原子吸收、原子熒光測定植物體內(nèi)Zn、Cr、Pb的含量，研究了礦區(qū)植物中的Zn、Cr、Pb的含量積累特征及植物對它們富集能力。結(jié)果表明，大多數(shù)植物中的重金屬積累量由大到小的順序?yàn)閆n、Pb、Cr，但富集系數(shù)由大到小的順序?yàn)镃r、Zn、Pb。受礦區(qū)環(huán)境及Zn適應(yīng)的影響，植物對Zn富集系數(shù)較小，Zn在百合科萱草中的積累量為1 650.27 mg/kg；地筍對Cr的富集系數(shù)為0.591，可作土壤重金屬Cr污染修復(fù)植物；所研究的植物均不適合作重金屬Pb的土壤環(huán)境修復(fù)植物。

關(guān)鍵詞：鉛鋅礦區(qū)；優(yōu)勢植物；重金屬；富集

中圖分類號：X173 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）10-2363-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.10.014

隨著礦業(yè)開發(fā)的發(fā)展，礦石冶煉、尾礦、礦渣堆放、填埋等使重金屬向周邊土壤滲透，導(dǎo)致土壤重金屬污染，嚴(yán)重破壞了生態(tài)環(huán)境的平衡[1，2]。土壤是重金屬生物地球化學(xué)營養(yǎng)鏈的重要媒介，隨著人類活動(dòng)的影響，重金屬對土壤環(huán)境以及植物的污染進(jìn)一步加劇，重金屬Cr、Pb、Zn等可以通過植物吸收，經(jīng)食物鏈進(jìn)入人體和動(dòng)物體內(nèi)，造成對動(dòng)物和人體直接或潛在危害。同時(shí)，利用植物對重金屬的吸收，采用植物修復(fù)土壤重金屬復(fù)合污染是很多從事環(huán)境污染治理的同仁共同研究的問題。龍新憲等[3]發(fā)現(xiàn)東南景天是Zn的超富集植物，錢海燕等[4]發(fā)現(xiàn)黑麥草對土壤中Cu、Zn污染的忍耐和積累能力都較好，適合這2種元素的修復(fù)，目前，重金屬鋅污染治理已成為國際研究的熱點(diǎn)問題[5，6]。陳同斌等[7]、韋朝陽等[8，9]通過野外調(diào)查和栽培試驗(yàn)，分別發(fā)現(xiàn)蜈蚣草、大葉井口邊草是As的超富集植物。對Pb有較強(qiáng)修復(fù)能力的植物較多，劉秀梅等[10]、柯文山等[11]、聶俊華等[12]在溫室試驗(yàn)條件下，分別發(fā)現(xiàn)了羽葉鬼針草、酸模、魯白、芥菜等對重金屬Pb能夠有較強(qiáng)的富集能力。吳雙桃等[13]首次報(bào)道了土荊芥葉是一種Pb超富集植物。國內(nèi)外大量的研究報(bào)告表明不同農(nóng)作物對重金屬的富集能力有很大差異，且同一品種的農(nóng)作物對不同重金屬元素的富集能力也有所不同[14]，Cr富集系數(shù)越小，則表明其吸收Cr的能力越差，抗土壤Cr污染的能力較強(qiáng)[15]。本研究以貴州廢棄鉛鋅礦區(qū)土地上生長且生物量較大的優(yōu)勢植物為對象，通過其地上部分植株中重金屬Pb、Zn、Cr的含量分析植物對重金屬的富集特征，為植物修復(fù)土壤環(huán)境中的重金屬污染提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

貴州作為西南礦產(chǎn)資源大省，且礦種眾多，按照貴州省鉛鋅礦資源勘查與開發(fā)規(guī)劃，全省鉛精礦現(xiàn)已勘測量將達(dá)到1.2萬t，鋅精礦將達(dá)到35萬t，全省鉛鋅礦的分布遍及30多個(gè)縣市。由于資金、技術(shù)、管理等因素的限制，造成礦產(chǎn)資源的開發(fā)與利用程度較低，礦物加工程度和綜合回收率也相對較低，大部分礦產(chǎn)殘留在廢渣中，造成礦區(qū)周邊土壤污染嚴(yán)重[16]。DW礦區(qū)屬于山地礦床，且尾礦、礦渣露天堆積，任其風(fēng)吹日曬雨淋，水沖洗釋放或受雨水浸泡淋出的一些有毒有害元素，如Pb、Zn、Cr、As等。這些元素的析出和遷移會直接或間接對礦區(qū)周圍土壤、地表水和地下水造成重金屬復(fù)合污染。

1.2 樣品采集及測定

試驗(yàn)植物樣品采自貴州廢棄DW礦區(qū)土地上生長的并且生物量相對較大的物種，共27種，其中3種為農(nóng)作物。所采集的植物樣品有蕁麻科糯米藤（Herba Gonoslegiae Hirtae），菊科大吳風(fēng)草（Lycopus lucidus）、鬼針草（Bidens pilosa）、米蒿（Artemisiadalai-lamae Krasch）、苦蒿（Conyzablinii levl）、飛篷（Erigeron acer）、腺梗豨薟（Sigesbeckia pubescens）、白蒿（Herba Artimisiae Sieversianae）、橐吾（Ligularia sibirica）、野菊花（Dendranthema indicum），腎蕨科蜈蚣草（Nephrolepiscordifolia Presl），茄科番茄（Solanum ycopersicum），木賊科木賊（Herba Hiemali）、節(jié)節(jié)草（Equisetum ramosissimum），蕁麻科水麻（Debregeasia orientalis），豆科大豆（Glycine max）、葛（Pueraria lobata）、三葉草（Trifolium），報(bào)春花科過路黃（Lysimachia christinae Hance），百合科萱草（Hemerocallis fulva），禾本科蘆葦（Phragmites australis）、巴茅（Rhizoma Miscanthi Sacchrifloris）、水稻（Oryza glaberrima），薔薇科枇杷（Ficustikoua Bur），唇形科地筍（Ligularia sibirica）、風(fēng)輪草（Clinopodium chinensis）、薄荷（Mentha haplocalyx）。

植物樣品洗凈后，自然晾干，105 ℃殺青30 min后，50 ℃烘至恒重，碾碎過60目尼龍篩。土壤樣品除雜質(zhì)，自然風(fēng)干，碾碎過100目尼龍篩。樣品經(jīng)HNO3∶HClO4=4∶1的混酸處理，用原子吸收分光光度法測定Pb、Zn、Cr的含量，進(jìn)行平行雙樣測定，同時(shí)測土壤及植物標(biāo)樣。采用玻璃電極法測定土壤pH。

1.3 評價(jià)方法

生物富集系數(shù)（BCF）[17]也叫吸收系數(shù)，是指植物中某元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)與土壤中元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)之比，它被用來反映土壤-植物體系中元素遷移的難易程度，是植物將重金屬吸收轉(zhuǎn)移到體內(nèi)能力大小的評價(jià)指標(biāo)，生物富集系數(shù)高，表明地上部分植物體內(nèi)重金屬富集質(zhì)量分?jǐn)?shù)大，計(jì)算公式為：B=Xi/Yi。式中B表示生物富集系數(shù)（BCF），Xi為植物中某重金屬的實(shí)測含量，Yi為土壤中某重金屬的含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 礦區(qū)土壤、植物中重金屬的含量分析

植物樣品采樣點(diǎn)中土壤的重金屬的含量測定結(jié)果見表1。植物樣品重金屬的含量測定結(jié)果見表2。

由表2可知，所研究的植物中Zn累積含量變化范圍為28.07～1 650.27 mg/kg，其中過路黃、大吳風(fēng)草、萱草累積量較高，分別為758.02、836.14、1 650.27 mg/kg；植物中Pb累積含量變化范圍為0.84～37.81 mg/kg，蜈蚣草、節(jié)節(jié)草、腺梗豨薟、大吳風(fēng)草的累積量較高，分別為33.00、37.81、28.60、28.71 mg/kg；植物中Cr累積含量變化范圍為0.19～37.78 mg/kg，地筍的累積量較高，含量為37.78 mg/kg。

2.2 優(yōu)勢植物的分類及富集特征分析

2.2.1 優(yōu)勢植物富集特征分析 為方便研究，將表2中每種重金屬含量由高到低排列，重金屬含量相對較高的8種優(yōu)勢植物及其生物富集系數(shù)見表3。

由表3可知，大多數(shù)植物中重金屬的富集系數(shù)由大到小的順序?yàn)镃r、Zn、Pb。Zn是植物必需的營養(yǎng)元素，同時(shí)也是一種常見的有毒重金屬元素，本研究的優(yōu)勢植物是鉛鋅礦區(qū)生長的，土壤中Zn的含量很高，但植物對Zn富集系數(shù)都較小，在0.052～0.205之間，這與龔紅梅等[18]研究結(jié)果一致，由于長期的環(huán)境選擇和適應(yīng)進(jìn)化，植物相應(yīng)對Zn產(chǎn)生了耐性，從而減輕或避免Zn的毒害。富集能力較強(qiáng)的是菊科大吳風(fēng)草和百合科萱草，富集系數(shù)為0.104、0.205，富集系數(shù)雖不大，但這兩種植物中鋅的含量都是接近或超1 000 mg/kg，說明可考慮用大吳風(fēng)草、萱草修復(fù)土壤中鋅污染。Pb不是植物必需的營養(yǎng)元素，但在一定程度上能被不同種類的植物吸收、累積，Pb污染仍是威脅自然環(huán)境、人類健康的全球環(huán)境污染問題之一。因優(yōu)勢植物采取的是地上部分，由表3可知，研究所選的植物對Pb富集系數(shù)較小，最大值為0.076，這與徐劼等[19]研究相符，相對植物體地上部分而言，根系作為直接與土壤接觸的器官對Pb具有很強(qiáng)的吸收能力，因此根系是植物Pb吸收的主要器官組織。另外，因植物采自鉛鋅礦區(qū)，土壤環(huán)境體系中的Pb濃度很高，這時(shí)根系對Pb的吸附量較大，而采集的優(yōu)勢植物株體內(nèi)Pb的含量都不高，最大值為37.81 mg/kg，說明Pb不易從土壤中遷移到植物地上植株體內(nèi)。Cr及其化合物是環(huán)境中重要的污染物之一，由于其化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，能長期存在于環(huán)境和生物體中并通過食物鏈進(jìn)人人體，Cr一旦進(jìn)入并積累于土壤環(huán)境，就會毒化土壤，引起土壤板結(jié)和貧瘠，影響作物生長，在土壤-植物系統(tǒng)中成為長期無法改變的公害。由于Cr在土壤與植物體內(nèi)的移動(dòng)能力很小，因此對土壤-植物系統(tǒng)及間接對人類的危害遠(yuǎn)不及Pb、Hg等其他金屬那樣嚴(yán)重[20]。對Cr富集能力較強(qiáng)的是唇形科的地筍，富集系數(shù)0.591，可以選用地筍作為土壤環(huán)境中Cr污染的修復(fù)植物。

2.2.2 重金屬元素在不同植物中的積累特征分析 從圖1和圖2知，大多數(shù)植物中重金屬的積累量由大到小順序?yàn)閆n、Pb、Cr。植物中Pb的正常含量通常為5.00 mg/kg[21]，由表2可知，Pb含量的范圍為0.84～37.81 mg/kg，平均值為12.46 mg/kg，植物中Pb含量最大的是木賊科的節(jié)節(jié)草，含量最小的是蕁麻科的水麻。除橐吾、巴茅、飛篷、白蒿、鬼針草、水麻、薄荷、風(fēng)輪草等8種植物外，其他植物均超5.00 mg/kg，占總量的70.37%，Pb含量相對較高的4種植物為節(jié)節(jié)草、蜈蚣草、大吳風(fēng)草、腺梗豨薟，分別為木賊科、腎蕨科、菊科，它們都具有較大的生物量，因此，節(jié)節(jié)草、蜈蚣草、腺梗豨薟和大吳風(fēng)草均可視為Pb的耐性植物，但這些植物都未達(dá)到超富集植物的臨界值。

植物中Cr含量通常小于1.00 mg/kg，很少會大于5.00 mg/kg [22]。由表2、3可知，Cr含量變化范圍為0.19～37.78 mg/kg，平均值為7.56 mg/kg，植物中Cr含量最大的是唇形科的地筍，含量最小的是菊科的苦蒿，除巴茅和苦蒿2種植物外，其他植物均超過1.00 mg/kg，占總量的92.59%，地筍中Cr的含量是苦蒿中Cr含量的198.84倍。因此，地筍可作為Cr的耐性植物，但遠(yuǎn)未達(dá)到超富集植物的臨界值。

植物中Zn的含量約為1.00～160.00 mg/kg，非礦化土壤上植物體內(nèi)Zn含量達(dá)到1 000.00 mg/kg，是普遍現(xiàn)象，屬正常含量[22]。由表2可知，植物中Zn含量變化范圍為28.07～1 650.27 mg/kg ，平均值為401.37 mg/kg。從圖2可知，植物中Zn含量最大的是百合科的萱草，含量最小的是禾本科的巴茅。除巴茅、蘆葦、水麻、葛和野菊花等5種植物外，其他植物均超過160.00 mg/kg，占總量的81.48%。Zn含量相對較高的3種植物為過路黃、大吳風(fēng)草、萱草，分別為報(bào)春花科、菊科、百合科。因此，過路黃、大吳風(fēng)草、萱草均可視為較理想的Zn的耐性植物，但也未達(dá)到超富集植物的臨界值。

3 小結(jié)

本研究有針對性地選擇了貴州DW廢棄鉛鋅礦區(qū)生長的優(yōu)勢植物為調(diào)查對象，研究了礦區(qū)植物中的重金屬元素Pb、Zn、Cr的含量積累特征及植物對重金屬的富集能力。結(jié)果表明，大多數(shù)植物中，Zn的積累量最大、Cr的積累量最小，但植物對Cr的富集能力相對較強(qiáng)。受礦區(qū)環(huán)境及Zn適應(yīng)的影響，植物對其富集系數(shù)較小，但鋅在過路黃、大吳風(fēng)草中的積累量在800 mg/kg左右，在萱草中的積累量達(dá)1 650.27 mg/kg，它們也可作為植物修復(fù)土壤重金屬Zn污染修復(fù)植物。地筍對Cr的富集系數(shù)為0.591，可作為植物修復(fù)土壤重金屬Cr污染修復(fù)植物。植物對Pb的吸收主要在根系，所研究的植物均不適合作重金屬Pb的土壤修復(fù)植物。

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