相思谷尾礦8種定居植物對(duì)重金屬吸收及富集特性

張會(huì)敏，袁藝，焦慧，劉雪艷，蘇閃閃，田勝尼

安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，合肥 安徽 230036

相思谷尾礦8種定居植物對(duì)重金屬吸收及富集特性

張會(huì)敏，袁藝，焦慧，劉雪艷，蘇閃閃，田勝尼*

安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，合肥 安徽 230036

通過野外調(diào)查和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，探討銅陵市相思谷銅尾礦自然定居的芒（Miscanthus sinensis）、羊蹄（Rumex japonicus）、何首烏（Polygonum multiflorum）、苦荬菜（Ixeris denticulata）、藎草（Arthraxon hispidus）、1年蓬（Erigeron annuus）、小飛蓬（Conyza canadensis）、高粱泡（Rubus lambertianus）8種植物對(duì)重金屬Cu、Pb、Zn和Cd吸收與富集特性，為銅尾礦廢棄地植被恢復(fù)和重金屬污染土壤的植物修復(fù)提供理論依據(jù)。結(jié)果表明：銅陵相思谷銅尾礦中全氮、全磷、速效氮、速效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)等營養(yǎng)成分均極顯著低于對(duì)照的土壤（P<0.01）；銅尾礦中的重金屬銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)2 224.167 mg·kg-1，鋅、鎘等重金屬極顯著高于對(duì)照土壤的含量（P<0.01），鉛含量顯著高于對(duì)照土壤的含量（P<0.05）。相思谷銅尾礦營養(yǎng)成份低，重金屬Cu含量過高是抑制植物定居的主要因子。通過對(duì)8種植物體內(nèi)不同部位的重金屬含量分析發(fā)現(xiàn)，8種植物對(duì)重金屬的吸收主要集中在根部。地上部分重金屬含量最高的植物為芒，其Cu、Pb、Zn和Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為314.487、85.710、199.681、2.650 mg·kg-1。通過對(duì)轉(zhuǎn)移系數(shù)和富集系數(shù)分析發(fā)現(xiàn)，芒對(duì)Cu、Pb和Cd的轉(zhuǎn)移能力最強(qiáng)，分別為0.701、1.797和1.432，羊蹄對(duì)Zn的轉(zhuǎn)移能力最強(qiáng)，為1.743。芒的地上部分對(duì)重金屬Cu、Pb、Zn、Cd的富集系數(shù)均最高，分別為0.141、0.408、0.239、0.240；芒的地下部分對(duì)重金屬Cu、Cd的富集系數(shù)最高，分別為0.202、0.168。因此，芒不僅可作為銅尾礦植被恢復(fù)的植物，同時(shí)也用于重金屬污染土壤的修復(fù)植物。

銅尾礦；自然定居植物；重金屬；富集特性

尾礦是礦業(yè)部門在開采過程中，將礦石經(jīng)粉碎、浮選中礦、精選礦后產(chǎn)生的大量固體廢棄物。這些尾礦除少量作為舊礦井的填充料之外，其余絕大多數(shù)被堆放在一起形成尾礦庫，棄置后的尾礦庫形成尾礦廢棄地（田勝尼等，2013）。重金屬尾礦廢棄地具有嚴(yán)重的重金屬污染、營養(yǎng)狀況不良以及土壤生物缺乏等因素，不僅制約著植被的定居，還給周邊環(huán)境和人類帶來污染和危害（張東為和崔建國，2006；Romero等，2005）。目前關(guān)于尾礦廢棄地治理措施主要有3種：物理法、化學(xué)法和植被法。物理法和化學(xué)法的優(yōu)點(diǎn)是快速，但投入大而且并不能改變?cè)械木坝^，而植被重建（復(fù)墾）是尾礦廢棄地治理最好方式之一（孫慶業(yè)等，1999；Tordoff等，2000）。植被重建的關(guān)鍵在于耐性物種的選擇，同時(shí)重金屬污染土壤的植物修復(fù)也需要豐富的植物種質(zhì)資源。因此，篩選和尋找重金屬尾礦廢棄地植被恢復(fù)植物以及具有較強(qiáng)吸收和富集能力的修復(fù)植物，是植被恢復(fù)和植物修復(fù)的首要工作。在重金屬含量高的基質(zhì)生境上，尋找、發(fā)掘?qū)χ亟饘倌托詮?qiáng)和具有重金屬修復(fù)潛力的植物種類，不失為一種較為現(xiàn)實(shí)的方法（崔爽等，2006；Hossain等，2013）。

安徽銅陵是我國重要的銅礦開采和冶煉基地，尾礦排放堆積的尾礦庫（場）就有十幾處，累積占地面積為578.8 hm2（田勝尼等，2005a）。野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，安徽省銅陵市鳳凰山相思谷銅尾礦庫在堆滿停用后，自然堆放過程中，植物一直難以定居和生長。目前只有少量植物定居，其定居植物種類、數(shù)量遠(yuǎn)少于該市銅陵境內(nèi)的其他銅尾礦庫。目前尚未有關(guān)相思谷銅尾礦抑制植物定居的因子，以及自然定居植物對(duì)重金屬吸收和富集的特性的研究報(bào)道。本文針對(duì)相思谷銅尾礦庫的理化性質(zhì)及自然定居幾種優(yōu)勢(shì)植物體內(nèi)重金屬的含量進(jìn)行分析測定，探討影響相思谷銅尾礦植物定居抑制的主要因子及植物對(duì)重金屬吸收和富集的特性差異，為銅尾礦廢棄地植被恢復(fù)和重金屬污染土壤植物修復(fù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究地區(qū)自然概況

銅陵市位于安徽省南部，長江中下游南岸，地處30°56′42″ N，117°43′28″ E，屬亞熱帶濕潤氣候區(qū)，季節(jié)特征分明，春季較短，氣候溫和、雨量充沛；夏季多雨炎熱，伏熱干旱，年均氣溫16.2 ℃，夏季平均氣溫27.4 ℃，年平均太陽輻射總量114.8 kJ·cm-2。無霜期平均為230 d，年均降水量1390 mm，全年平均濕度在 75%～80%之間；城市地面主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|北（冬）、西南（夏）（李影等，2003）。相思谷尾礦庫位于安徽省銅陵市新橋鄉(xiāng)鳳凰村境內(nèi)，三面環(huán)山，一面筑壩，于 1976年開工建設(shè)，1980年建成并正式投入使用，2008年庫容已滿，停止使用，尾礦庫區(qū)總面積1.7909 km2。目前，自然復(fù)墾率極低，植被覆蓋率不及1%。

1.2 樣品采集

2014年5月19日，筆者對(duì)安徽省銅陵市相思谷銅尾礦庫上定居的植物進(jìn)行全面系統(tǒng)調(diào)查及尾礦基質(zhì)理化性質(zhì)，進(jìn)行了采樣分析測定。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，相思谷銅尾礦廢棄地自然定居植物共有 37種。在調(diào)查發(fā)現(xiàn) 37種植物中，大多物種個(gè)體數(shù)量較少。只有菊科的苦荬菜（I. denticulata）、1年蓬（E. annuus）和小飛蓬（C. canadensis）、禾本科的芒（M. sinensis）和藎草（A. hispidus）、蓼科的羊蹄（R. japonicus）和何首烏（P. multiflorum）、薔薇科的高梁泡（R. lambertianus）8種植物數(shù)量較多，個(gè)體數(shù)量達(dá)到5株以上。本研究中，選取這8種植物作為本次分析研究的對(duì)象。每種植物隨機(jī)選取5株，整株挖出，帶入室內(nèi)，將地上部分和地下部分分開，用自來水反復(fù)沖洗干凈后，再用純水洗滌3～4次。自然風(fēng)干表面水后，放入105 ℃烘箱殺青30 min，再于80 ℃烘干24 h，然后研磨、裝袋，供分析測定用。相思谷銅尾礦庫尾礦基質(zhì)樣品，按照梅花點(diǎn)法采集，共采集6個(gè)樣點(diǎn)。各點(diǎn)分別同時(shí)采取0～10、10～20 cm深度尾礦樣品，四分法留樣后，裝入自封袋。對(duì)照的土壤采集于銅尾礦庫東側(cè)附近山體林下土壤。尾礦樣品及對(duì)照土樣帶回室內(nèi)，經(jīng)自然風(fēng)干并過篩后，供理化性質(zhì)和重金屬含量分析測定用。

1.3 測試方法

用電位測定法測定土壤pH值，水土比為2.5∶1（陳政，2010）。溶解法測定土壤電導(dǎo)率，水土比為5∶1（鮑士旦，1999）；用烘干法測定土壤含水率（鮑士旦，1999）。全氮用高氯酸-硫酸消解，全自動(dòng)定氮儀蒸餾滴定（中國科學(xué)院南京土壤研究所，1978）；全磷用高氯酸-硫酸消解，鉬銻抗比色法測定（中國科學(xué)院南京土壤研究所，1978）。堿解氮用堿解擴(kuò)散法測定（鮑士旦，1999）；速效磷用碳酸氫鈉和無磷活性炭振蕩浸提，硫酸鉬銻抗顯色，紫外-可見分光光度計(jì)測定（鮑士旦，1999）；速效鉀用醋酸銨震蕩浸提，火焰分光光度計(jì)測定（鮑士旦，1999）。有機(jī)質(zhì)用重鉻酸鉀-硫酸浸提，紫外可見分光光度計(jì)測定（胡小明和潘自紅，2012）。土壤和尾礦Cu、Pb、Zn和Cd全量用硝酸-高氯酸-氫氟酸消化，原子吸收分光光度計(jì)測定（鮑士旦，1999）。土壤有效態(tài)Cu、Pb、Zn和Cd含量采用DTPA（乙二基三胺五乙酸）—TEA（三乙醇胺）浸提，原子吸收分光光度計(jì)測定（鮑士旦，1999）。植物樣品的Cu、Pb、Zn和Cd含量采用濃HNO3、濃H2SO4、HClO4比為8∶1∶1混合酸浸泡過夜，消煮后定容，用原子吸收分光光度計(jì)進(jìn)行測定（鮑士旦，1999）。

1.4 轉(zhuǎn)移系數(shù)和富集系數(shù)計(jì)算方法

為評(píng)價(jià)8種植物對(duì)不同重金屬轉(zhuǎn)移及吸收的效果，本文采用了轉(zhuǎn)移系數(shù)和富集系數(shù)（徐華偉等，2009；Ye等，2009），公式如下：

轉(zhuǎn)移系數(shù)=植物地上部分的重金屬含量/植物地下部分的重金屬含量

富集系數(shù)=植物各部分的重金屬含量/銅尾礦廢棄地中的重金屬含量

其中，植物地上部分的重金屬含量為植物地上部分的重金屬含量的平均值，植物地下部分的重金屬含量為植物根中重金屬含量的平均值，基質(zhì)中重金屬含量為相思谷銅尾礦廢棄地中重金屬含量的平均值。TF表明重金屬在不同部分中的分布情況，轉(zhuǎn)移系數(shù)越大，表明植物從根部向地上部運(yùn)輸能力越強(qiáng)。EC越高，表明該植物對(duì)重金屬的吸收能力越強(qiáng)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)用Excel和軟件SPSS 17.0進(jìn)行分析。其中方差分析用One-way ANOVA法分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 相思谷銅尾礦廢棄地理化性質(zhì)分析

表1為相思谷銅尾礦廢棄地和對(duì)照土壤的理化性質(zhì)。從表1可知，銅尾礦廢棄地中0～10和10～20 cm深度尾礦的pH均高于7.5。銅尾礦廢棄地電導(dǎo)率比對(duì)照土壤的電導(dǎo)率高，說明銅尾礦中含有的金屬或離子態(tài)化合物比較多。相思谷銅尾礦廢棄地0～10和10～20 cm深度尾礦基質(zhì)的含水率、全氮、全磷、堿解氮、速效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)等理化指標(biāo)均低于對(duì)照土壤，方差分析發(fā)現(xiàn)，尾礦基質(zhì)與對(duì)照土壤之間達(dá)到極顯著水平（P<0.01）。其中對(duì)照土壤中的全氮含量約是銅尾礦廢棄地含量的 65倍，對(duì)照土壤中的全磷含量是銅尾礦廢棄地0～10 cm的1.48倍，是10～20 cm銅尾礦廢棄地的1.30倍；對(duì)照土壤中的堿解氮含量是0～10 cm銅尾礦廢棄地的28.08倍，是10～20 cm銅尾礦廢棄地的17.82倍；對(duì)照土壤中的速效磷含量是銅尾礦廢棄地的 10倍左右；對(duì)照土壤中的速效鉀含量是0～10 cm銅尾礦廢棄地的15.36倍，是10～20 cm銅尾礦廢棄地的5.07倍；對(duì)照土壤中的有機(jī)質(zhì)含量是銅尾礦廢棄地的1.3倍左右。

表1 相思谷銅尾礦廢棄地理化性質(zhì)（n=6）Table 1 The physical and chemical properties of Xiangsigu copper mine tailings wasteland (n=6)

通過0～10 cm（表層）和10～20 cm（下層）深度銅尾礦廢棄地理化指標(biāo)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，只有表層的含水率、pH、速效磷的數(shù)值高于下層，而表層的電導(dǎo)率、全氮、全磷、堿解氮、速效鉀、有機(jī)質(zhì)等理化因子含量指標(biāo)均小于下層的含量，這可能與表層不穩(wěn)定性有關(guān)，特別是全磷的含量與上層存在極顯著的差異。尾礦廢棄地的理化性質(zhì)不僅與礦石中所含的礦物質(zhì)有關(guān)，而且與礦石的粉碎、提取方法、排放的時(shí)間等因素有關(guān)（孫慶業(yè)和劉付程，1998）。不同地區(qū)的尾礦廢棄地其理化性質(zhì)各有不同，即使是同一種金屬尾礦，由于礦石成分及選礦工藝的差異，其理化性質(zhì)也存在著一定差異（田勝尼等，2013）。因此，相思谷銅尾礦廢棄地中的全氮、全磷、堿解氮、速效鉀、有機(jī)質(zhì)營養(yǎng)成分含量低，是限制植物定居和生長的主要因子之一。

2.2 相思谷銅尾礦庫廢棄地的重金屬含量分析

表2為相思谷銅尾礦廢棄地及對(duì)照土壤的重金屬含量。從表2可知，銅尾礦廢棄地中的Cu、Pb、Zn、Cd全量含量顯著或極顯著高于對(duì)照土壤中的含量。表層（0～10 cm）重金屬Cu、Pb、Zn的全量均比下層（10～20 cm）的含量高，表層（0～10 cm）重金屬Cd的全量比下層（10～20 cm）的含量低。

表2 相思谷銅尾礦廢棄地重金屬含量（n=6）Table 2 Heavy metal contents of Xiangsigu copper tailings wasteland (n=6)

相思谷銅尾礦廢棄地中0～10和10～20 cm的尾礦基質(zhì)的全 Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別達(dá)到 2224.17和2117.67 mg·kg-1，是對(duì)照土壤（55.75 mg·kg-1）中的40倍左右，同時(shí)高于銅陵市境內(nèi)的其他銅尾礦廢棄地庫重金屬Cu的含量（田勝尼等，2005b）。相思谷銅尾礦廢棄地全Cu含量過高是抑制植物定居的主要因子。銅尾礦廢棄地中 Pb質(zhì)量分?jǐn)?shù)為209.80～210.00 mg·kg-1時(shí)，是對(duì)照土壤中相應(yīng)元素含量的1.25倍左右；當(dāng)Zn質(zhì)量分?jǐn)?shù)為595.83～836.50 mg·kg-1時(shí)，是對(duì)照土壤中相應(yīng)元素含量的1.29～1.81倍；當(dāng)Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11.03～11.50 mg·kg-1時(shí)，是對(duì)照土壤中相應(yīng)元素含量的6.23～6.49倍。

有效態(tài)重金屬是指以水溶態(tài)和離子交換態(tài)存在，進(jìn)而被植物吸收利用的重金屬。雖然銅尾礦中的有效態(tài)Cu、Pb、Zn顯著或極顯著高于對(duì)照的土壤，但對(duì)照土壤中的有效態(tài)Cd含量卻極顯著高于銅尾礦廢棄地。當(dāng)銅尾礦中0～10 cm層有效態(tài)Cu、Pb含量極顯著或顯著高于10～20 cm層的含量時(shí)，銅尾礦中10～20 cm土層的有效態(tài) Cd含量比0～10 cm的高，呈現(xiàn)極顯著差異，而銅尾礦中0～10 cm土層有效態(tài)Zn含量和10～20 cm接近。銅尾礦中0～10、10～20 cm土層有效態(tài)Cu含量分別是對(duì)照土壤中的28.41、24.23倍；銅尾礦中0～10、10～20 cm的有效態(tài)Pb含量分別是對(duì)照土壤中的1.95、1.55倍；銅尾礦中的有效態(tài)Zn含量是對(duì)照土壤的4.6倍左右；對(duì)照土壤中的有效態(tài)Cd含量是銅尾礦中0～10、10～20 cm的2.92、2.15倍。

根據(jù)GB 15618—1995國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)pH值大于7.5時(shí)，不同重金屬在土壤中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（mg·kg-1）標(biāo)準(zhǔn)是：Cu≤100、Pb≤350、Zn≤300、Cd≤0.6。由對(duì)照國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)可知，除銅尾礦廢棄地中的 Pb含量未超出國家標(biāo)準(zhǔn)外，銅尾礦廢棄地中的Cu、Zn、Cd均已嚴(yán)重超出國家標(biāo)準(zhǔn)。銅尾礦廢棄地中的Cu含量為標(biāo)準(zhǔn)值的21.18～22.24倍，Zn含量為標(biāo)準(zhǔn)值的1.98～2.79倍，Cd含量為標(biāo)準(zhǔn)值的18.38～19.17倍。這說明相思谷銅尾礦廢棄地重金屬含量遠(yuǎn)超出正常土壤基質(zhì)環(huán)境的重金屬標(biāo)準(zhǔn)。芒等8種植物能在相思谷銅尾礦廢棄地上自然定居，且種的個(gè)體數(shù)達(dá)到一定的數(shù)量，并能在銅尾礦的基質(zhì)環(huán)境中完成個(gè)體生活史，表明這8種植物對(duì)銅尾礦廢棄地具有較強(qiáng)的耐性和適應(yīng)能力。

2.3 相思谷銅尾礦庫 8種自然定居植物體內(nèi)重金屬含量差異分析

從表3可知，同一重金屬在不同植物體內(nèi)不同部位的積累程度不同，這可能與植物對(duì)重金屬吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)及富集能力存在差異有關(guān)。8種植物中，植物體內(nèi)地上部分的含量大多低于地下部分的含量，這表明自然定居的8種植物對(duì)重金屬吸收主要集中在根部。從地上部分來看，8種植物中重金屬Cu在植物體內(nèi)質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高的植物為芒，達(dá)到314.487 mg·kg-1，而在何首烏中質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低，為54.478 mg·kg-1；Pb在植物體內(nèi)含量最高的植物依然為芒，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為85.710 mg·kg-1，在藎草中質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低，為19.120 mg·kg-1；Zn在芒中質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到199.681 mg·kg-1，在供測的8種植物中含量最高，在高梁泡中質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低，為112.578 mg·kg-1；Cd在芒中質(zhì)量分?jǐn)?shù)依然最高，達(dá)到2.650 mg·kg-1，在小飛蓬中質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低，為0.041 mg·kg-1。從地上部分來看，8種植物中重金屬Cu、Pb、Zn、Cd在芒體內(nèi)含量均為最高，表明芒對(duì)Cu、Pb、Zn、Cd具有較強(qiáng)的吸收和富集能力。

表3 相思谷銅尾礦廢棄地自然定居8種植物體中重金屬含量（n=5）Table 3 Heavy metals contents of 8 plants species settled naturally in Xiangsigu copper tailings wasteland (n=5) mg·kg-1

對(duì)于供測的8種植物地下部分重金屬含量分析比較發(fā)現(xiàn)，Cu在芒中根部質(zhì)量分?jǐn)?shù)依然最高，達(dá)到448.939 mg·kg-1，在何首烏中質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低，為119.409 mg·kg-1。Pb在1年蓬中質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，為75.950 mg·kg-1，在羊蹄中質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低，為16.056 mg·kg-1；Zn在高梁泡中質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，達(dá)到259.714 mg·kg-1，其次為芒中的含量，在羊蹄中質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低，為70.758 mg·kg-1；Cd在芒中質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，達(dá)到1.850 mg·kg-1，而在小飛蓬根部質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低，為0.217 mg·kg-1。從地下部分來看，重金屬Cu和Cd在芒中含量最高，重金屬Zn在芒中含量僅低于高梁泡中含量。結(jié)果表明，8種植物中芒的地下部分對(duì)重金屬Cu、Pb、Zn、Cd有較強(qiáng)的吸收和富集能力。

表4 相思谷銅尾礦廢棄地8種自然定居植物中重金屬轉(zhuǎn)移系數(shù)Table 4 Heavy metal transfer coefficient of 8 plants species settled naturally for heavy metals in Xiangsigu copper tailings wastelands

2.4 鳳凰山相思谷尾礦庫 8種自然定居植物對(duì)重金屬的轉(zhuǎn)移系數(shù)差異分析

植物對(duì)重金屬的轉(zhuǎn)移系數(shù)（TF）表征植物對(duì)重金屬的轉(zhuǎn)運(yùn)能力，與植物的生理、生化和遺傳等因素關(guān)系密切。表4為8種植物對(duì)4種不同的重金屬元素的轉(zhuǎn)移系數(shù)。從表4可知，8種植物對(duì)不同重金屬轉(zhuǎn)移能力存在一定的差異。8種植物對(duì)Cu的轉(zhuǎn)移系數(shù)均小于 1，其中芒的轉(zhuǎn)移系數(shù)最高，TF為0.701。芒和羊蹄對(duì)Pb的轉(zhuǎn)移系數(shù)大于1，分別為1.797，1.362，其他植物均低于1。對(duì)于Zn而言，其羊蹄的轉(zhuǎn)移系數(shù)最高，為 1.743，其次為芒，轉(zhuǎn)移系數(shù)為0.895，其他植物的轉(zhuǎn)移系數(shù)均小于1。芒對(duì)Cd的轉(zhuǎn)移系數(shù)為1.432，而其他7種植物對(duì)Cd的轉(zhuǎn)移系數(shù)在0.172～0.400，遠(yuǎn)低于芒的轉(zhuǎn)移能力。因此，在分析研究的8種植物中，芒對(duì)Cu、Pb、Cd的轉(zhuǎn)移能力最高，羊蹄Zn的轉(zhuǎn)移能力最高。

2.5 鳳凰山相思谷銅尾礦 8種自然定居植物對(duì)重金屬富集系數(shù)的差異分析

富集系數(shù)（EC）是植物各組織中的含量和基質(zhì)中的重金屬含量比值，是評(píng)價(jià)植物對(duì)重金屬富集能力的指標(biāo)之一。表5為8種植物地上及根部對(duì)基質(zhì)中重金屬含量的富集系數(shù)。由表5可知，8種植物對(duì)Cu、Pb、Zn和Cd的富集系數(shù)大小各不相同，但對(duì)4種重金屬的富集系數(shù)均小于1，這表明自然定居的植物對(duì)銅尾礦廢棄地只具有一定的適應(yīng)能力，但對(duì)基質(zhì)中的重金屬吸收和富集能力沒有呈現(xiàn)很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。8種不同植物對(duì)重金屬的富集系數(shù)比較發(fā)現(xiàn)，芒的地上部分對(duì)Cu、Pb、Zn和Cd的富集系數(shù)最高，分別為0.141、0.408、0.239和0.240；芒的地下部分對(duì)Cu、Cd的富集系數(shù)最高，分別為0.202、0.168。1年蓬的地下部分對(duì)Pb的富集系數(shù)最高，為0.362。高粱泡地下部分對(duì)Zn的富集系數(shù)最高，為 0.310。從同種植物對(duì) 4種不同重金屬的富集系數(shù)比較發(fā)現(xiàn)，8種植物中大多植物對(duì)Zn的富集系數(shù)最高，而對(duì)Cd或Cu的富集系數(shù)較低。這表明同一植物對(duì)基質(zhì)中各種重金屬的富集能力存在差異的，供測定的8種植物對(duì)Zn富集和修復(fù)能力比其他3種重金屬強(qiáng)。

表5 相思谷銅尾礦廢棄地自然定居植物不同部位對(duì)重金屬富集系數(shù)Table 5 The concentration coefficients of 8 plants species settled naturally in the Xiangsigu copper tailings wasteland

綜合各植物對(duì)重金屬富集系數(shù)的結(jié)果，8種植物中植物芒對(duì)重金屬Cu、Pb、Zn、Cd的富集能力較強(qiáng)。因此，芒可以作為重金屬污染地區(qū)的修復(fù)植物。

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

銅陵相思谷銅尾礦庫，屬于山谷型的尾礦庫，三邊環(huán)山，周邊山體植被良好，種子庫資源豐富。但在經(jīng)歷多年自然堆放過程中，該尾礦庫植物一定難以定居。截至2015年的統(tǒng)計(jì)，只有37種植物入侵定居，而且自然復(fù)墾率極低。而銅陵市境內(nèi)其他尾礦庫，在銅尾礦自然堆放過程中，一些耐性較強(qiáng)的植物如狗牙根（Cynodon dactylon）、結(jié)縷草（ Zoysia japonica）、 節(jié) 節(jié) 草 （ Hippochaete ramosissimum）、芒、五節(jié)芒（Miscanthus floridulus）等物種很快定居生長，并相繼形成一定面積的小群落。而同為銅尾礦的相思谷尾礦庫，植物一直難以定居生長，表明其存在著對(duì)植物定居的抑制因子。本研究中的銅尾礦廢棄地中養(yǎng)分含量低，重金屬含量高（特別是重金屬Cu含量很高），是抑制植物定居、正常生長的重要因子之一。

在本研究中，8種自然定居的植物對(duì)不同重金屬的吸收和富集量存在一定的差異，各植物對(duì)各種重金屬均沒有達(dá)到超富集植物的標(biāo)準(zhǔn)，這可能與植物體自身的生物學(xué)特性有關(guān)。從植物體對(duì)重金屬富集部位來看，大部分植物根系中重金屬含量大于地上部分，可能植物通過根部一定的結(jié)構(gòu)或生理特性，限制重金屬離子由根部向地上部轉(zhuǎn)移，使得地上部保持較低的重金屬含量，或者通過落葉同時(shí)將重金屬排出體外，以減輕重金屬對(duì)地上部的毒害有關(guān)。從富集系數(shù)來看，8種植物對(duì)重金屬的富集能力參差不齊。影響植物對(duì)重金屬富集能力的因素有很多，外界因素如 pH、溫度、光照、重金屬離子間的影響、絡(luò)合劑EDTA的影響、氮磷的影響和植物本身對(duì)重金屬的富集、轉(zhuǎn)移機(jī)理等。富集系數(shù)反映了植物對(duì)某種重金屬元素的富集能力。富集系數(shù)越大，其富集能力越強(qiáng)，地上部富集系數(shù)大于1是超富集植物區(qū)別于普通植物對(duì)重金屬積累的一個(gè)重要特征。從富集系數(shù)來看，8種植物地上部分對(duì)Cu、Pb、Zn和 Cd的富集系數(shù)為 0.024～0.141、0.091～0.408、0.135～0.239、0.004～0.240，富集系數(shù)均小于1，說明這些植物對(duì)重金屬的富集能力一般，沒有達(dá)到超富集植物的標(biāo)準(zhǔn)，但對(duì)土壤中重金屬的吸收和富集起到了一定清除作用。這些植物能在重金屬污染嚴(yán)重的條件下平衡重金屬的吸收和轉(zhuǎn)移過程，其適應(yīng)機(jī)理有待進(jìn)一步研究。

3.2 結(jié)論

通過對(duì)安徽省銅陵市相思谷銅尾礦的理化性質(zhì)、重金屬含量以及8種優(yōu)勢(shì)植物中重金屬含量的測定，以及各植物對(duì)不同重金屬轉(zhuǎn)移、富集能力大小的差異分析發(fā)現(xiàn)：銅陵鳳凰山相思谷銅尾礦營養(yǎng)成分較低，重金屬Cu含量過高，是抑制植物定居和生長的主要因子。植物芒對(duì)重金屬Cu、Pb、Zn、Cd吸收和富集量較高，沒有達(dá)到超富集植物的標(biāo)準(zhǔn)，可用作銅尾礦廢棄地植被恢復(fù)優(yōu)先選擇的植物材料。同時(shí)，芒具年植株高，單株生物量大、根部分蘗能力強(qiáng)、生長快、總生物量大的生物學(xué)特性，對(duì)重金屬污染地具有很強(qiáng)的修復(fù)潛力，可作為重金屬污染土壤的修復(fù)植物。

HOSSAIN M, ANAWAR N, CANHA I, et al. 2013. Adaptation, tolerance, and evolution of plant species in a pyrite mine in response to contamination level and properties of mine tailings: sustainable rehabilitation[J]. J Soils Sediments, 13(4): 730-741.

ROMERO E, BENíTEZ E, NOGALES R. 2005. Suitability of wastes from olive-oil industry for initial reclamation of a pb/zn mine tailing[J]. Water, air and soil pollution, 165(1-4): 153-165.

TORDOFF G M, BAKER A J M, WILLS A J. 2000. Current approaches to the revegetation and reclamation of metalliferous mine wastes[J]. Chemosephere, 41(1-2): 219-228.

YE M, LI J T, TIAN S N, et al. 2009. Biogeochemical studies of metallophytes from four copper-enriched sites along the Yangtze River, China[J]. Environmental Geology, 56(7): 1313-1322.

鮑士旦. 1999. 土壤農(nóng)化分析[M]. 3版. 北京:中國農(nóng)業(yè)出版社: 22-24, 56-58, 81-83, 106-109, 129-132, 132-135, 183-187, 279-281.

陳政. 2010. 銅尾礦廢棄地廢棄地生態(tài)恢復(fù)過程中植物群落與基質(zhì)性質(zhì)變化研究[D]. 合肥: 安徽大學(xué).

崔爽, 周啟星, 晁蓋. 2006. 某冶煉廠周圍8種植物對(duì)重金屬的吸收與富集作用[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 17(3): 512-515.

胡小明, 潘自紅. 2012. 分光光度法測定土壤有機(jī)質(zhì)的含量[J]. 應(yīng)用化工, 41(4): 708-709.

李影, 王友保, 劉登義. 2003. 安徽銅陵獅子山銅尾礦廢棄地場植被調(diào)查[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 14(11): 1981-1984.

孫慶業(yè), 藍(lán)崇玨, 廖文波. 1999. 尾礦植被法治理初探[J]. 國土與自然資源研究, (3): 58-60.

孫慶業(yè), 劉付程. 1998. 銅陵銅尾礦廢棄地理化性質(zhì)的變化對(duì)植被重建的影響[J]. 農(nóng)村生態(tài)環(huán)境, 8(1): 21-23, 60.

田勝尼, 孫慶業(yè), 王崢峰, 等. 2005a. 銅陵銅尾礦廢棄地定居植物及基質(zhì)理化性質(zhì)的變化[J]. 長江流域資源與環(huán)境, 14(1): 88-93.

田勝尼, 劉登義, 王崢峰, 等. 2005b. 銅尾礦對(duì) 5種豆科植物根系生長的影響[J]. 生態(tài)環(huán)境, 14(2): 199-203.

田勝尼, 張靜, 孫慶業(yè), 等. 2013. 銅尾礦廢棄地自然定居腺柳對(duì)重金屬吸收及分布的研究[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 32(9): 1771-1777.

徐華偉, 張仁陟, 謝永. 2009. 鉛鋅礦區(qū)先鋒植物野艾蒿對(duì)重金屬的吸收與富集特征[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 28(6): 1136-1141.

張東為, 崔建國. 2006. 金屬礦山尾礦廢棄地植物修復(fù)措施探[J]. 中國水土保持, (3): 40-42.

中國科學(xué)院南京土壤研究所. 1977. 土壤理化分析[M]. 上海: 上海科學(xué)技術(shù)出版社: 67-68, 103-104.

Study on Heavy Metal Absorption and Enrichment Characteristics by 8 Plants Species Settled Naturally in Xiangsigu Copper Tailings

ZHANG Huimin, YUAN Yi, JIAO Hui, LIU Xueyan, SU Shanshan, TIAN Shengni
School of Life Sciences, Anhui Agricultural University, Hefei 230036, China

Through field investigation and laboratory experiments, heavy metals absorption and enrichment characteristics of 8 plants species settled naturally in Xiangsigu copper tailings were analyzed in Tongling city, Anhui province, which provided theoretical basis for the revegetation of copper tailings and phytoremediation plant of heavy metal contaminated soil. The eight plant species were M. sinensis, R. japonicas, P. multiflorum, I. denticulate, A. hispidus, E. annuus, C. canadensis, R. lambertianus. The results showed that the contents of total nitrogen, total phosphorus, available nitrogen, available phosphorus, available potassium, organic and other nutrients were lower than that of control soil significantly(P<0.01). The Cu concentrations of Xiangsigu copper tailings reached up to 2 224.17 mg·kg-1. Zn and Cd concentrations were significantly higher than that of control soil(P<0.01). Pb concentrations were significantly higher than control soil(P<0.05). Low nutrients, excessive concentrations of heavy metal Cu were major factors inhibiting plant settled on the copper tailings. Through analysis for heavy metal contents of 8 plants species different parts, heavy metals absorption of 8 plants species mainly concentrated in the roots. Among 8 plant species, the contents above the ground for heavy metals in M. sinensis were the highest, and contents of Cu, Pb, Zn and Cd were 314.487, 85.710, 199.681, 2.650 mg·kg-1respectively. By Analyzing of transfer coefficient and enrichment coefficient, Cu, Pb and Cd transfer coefficient in the body of M. sinensis were highest, being 0.701, 1.797 and 1.432 respectively. Transfer coefficient of R. japonicus for Zn is the strongest, being 1.743. Enrichment coefficient of M. sinensis above the ground for Cu, Pb, Zn and Cd were the highest, being 0.141, 0.408, 0.239, 0.240 respectively. Enrichment coefficient of M. sinensis on the under ground parts for Cu, Cd were the highest, being 0.202, 0.168. Therefore, M. sinensis could be used not only as a pioneer plant in the revegetation of copper tailings but also as a phytoremediation plant of heavy metal contaminated soils.

copper mine tailings; plants settled naturally; heavy metal; enrichment characteristics

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.05.025

X173

A

1674-5906（2015）05-0886-06

張會(huì)敏，袁藝，焦慧，劉雪艷，蘇閃閃，田勝尼. 相思谷尾礦8種定居植物對(duì)重金屬吸收及富集特性[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2015, 24(5): 886-891.

ZHANG Huimin, YUAN Yi, JIAO Hui, LIU Xueyan, SU Shanshan, TIAN Shengni. Heavy Metal Absorption and Enrichment Characteristics by 8 Plants Species Settled Naturally in Xiangsigu Copper Tailings [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(5): 886-891.

安徽省國土資源廳項(xiàng)目（2013～K～06）；安徽省生物學(xué)重點(diǎn)學(xué)科項(xiàng)目（2014QJSK015）

張會(huì)敏（1989年生），女，碩士研究生，主要從事分子生物學(xué)和植物生態(tài)學(xué)研究。E-mail: ahauzhm202@163.com *通信作者：田勝尼（1971年生），男，副教授，主要從事植物生態(tài)學(xué)研究。E-mail: tiansn@ahau.edu.cn

2015-01-29