湘西錳礦區(qū)土壤重金屬含量及優(yōu)勢植物吸收特征

熊云武， 唐 彪， 林曉燕， 裴東輝， 任 重， 龔亞龍*， 楊勝香， 許建新， 趙 亮

(1.深圳市鐵漢生態(tài)環(huán)境股份有限公司，廣東深圳 518040；2.吉首大學(xué)生物資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖南吉首 416000)

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湘西錳礦區(qū)土壤重金屬含量及優(yōu)勢植物吸收特征

熊云武1， 唐 彪1， 林曉燕1， 裴東輝1， 任 重1， 龔亞龍1*， 楊勝香2， 許建新1， 趙 亮1

(1.深圳市鐵漢生態(tài)環(huán)境股份有限公司，廣東深圳 518040；2.吉首大學(xué)生物資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖南吉首 416000)

摘要[目的]研究湘西錳礦區(qū)土壤重金屬含量及優(yōu)勢植物吸收特征，為錳礦廢棄地植被恢復(fù)和重金屬污染土壤的植物修復(fù)提供理論依據(jù)。[方法]調(diào)查湘西花垣縣響水村錳礦區(qū)廢棄地植被物種組成，測定優(yōu)勢種根際土壤及植物根部和地上部分的Cu、Zn、Pb、Cd、Mn、Ni含量。[結(jié)果]響水村錳礦區(qū)所記錄的高等植物共有20種，隸屬15科18屬，且優(yōu)勢種以草本植物為主；土壤重金屬主要為Cd、Mn污染，且Cd含量超過國家土壤環(huán)境質(zhì)量3級標(biāo)準(zhǔn)(GB 15618—1995)，超標(biāo)倍數(shù)達(dá)6.12～13.61倍，Mn含量為湖南省土壤背景值的57.93～244.40倍，污染嚴(yán)重；11種優(yōu)勢植物，萹蓄(Polygonum aviculare L.)、醉魚草(Buddleja lindleyana Fort.)植物體內(nèi)Mn含量較低，為Mn規(guī)避型植物，五節(jié)芒[(Miscanthus floridulus (Lab.) Warb.ex Schum et Laut.]根部Mn含量遠(yuǎn)大于地上部，為Mn根部囤積型植物，飛蓬(Erigeron acris L.)、鬼針草(Bidens pilosa L.)、千里光(Senecio scandens Buch.-Ham.ex D.Don)、土荊芥[Dysphania ambrosioides (Linnaeus) Mosyakin & Clemants]、酸模葉蓼(Polygonum lapathifolium L.)、愉悅蓼(Polygonum jucundum Meisn.)、商陸(Phytolacca acinosa Roxb.)、博落回[Macleaya cordata (Willd.) R.Br.]均表現(xiàn)出對Mn具有一定的吸收，其中，愉悅蓼對Mn的吸收富集能力較強(qiáng)，為Mn富集型植物。[結(jié)論]錳礦區(qū)重金屬植物修復(fù)中，采用植物穩(wěn)定技術(shù)時可以選擇萹蓄、醉魚草、五節(jié)芒作為先鋒植物進(jìn)行修復(fù)，采用植物提取技術(shù)時，可以選擇愉悅蓼進(jìn)行修復(fù)。

關(guān)鍵詞重金屬；錳礦；土壤；優(yōu)勢植物；湘西

尾礦廢棄地不僅占用大量土地，而且易造成物種消失，生物多樣性銳減，生態(tài)系統(tǒng)退化[1]。尾礦廢棄地生態(tài)恢復(fù)以植物恢復(fù)為關(guān)鍵，但由于尾礦廢棄地重金屬含量高、營養(yǎng)元素缺乏、土質(zhì)結(jié)構(gòu)較差，限制了植物在尾礦廢棄地的生長[2-6]。耐重金屬植物經(jīng)過不斷的生物進(jìn)化而形成，對重金屬污染具有較強(qiáng)的耐性[7-8]。近年來，學(xué)者對金屬尾礦區(qū)耐重金屬植物進(jìn)行了篩選，并取得了一定成果。葉文玲等[9]對銅陵銅尾礦庫進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)續(xù)斷菊對Cd具有較強(qiáng)的轉(zhuǎn)運(yùn)能力和富集能力，可用于Cd污染嚴(yán)重地區(qū)的生態(tài)修復(fù)；何東等[10]對湖南下水灣鉛鋅尾礦庫進(jìn)行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)地枇杷對Pb具有很強(qiáng)的轉(zhuǎn)運(yùn)能力與富集能力；劉惠娜等[11]研究表明，粵東梅縣丙村鉛鋅尾礦區(qū)3種優(yōu)勢植物類蘆、黃荊、鹽膚木對重金屬有一定的耐性；劉月莉等[12]對甘洛鉛鋅尾礦區(qū)進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)桔梗、狗尾草和千里光等對Pb、Zn、Cd具有較強(qiáng)的耐性。目前已發(fā)現(xiàn)的耐Mn污染植物種類較少，因而篩選新的耐Mn或富集Mn的植物物種具有重要意義。筆者對湖南湘西花垣縣響水村錳礦區(qū)進(jìn)行了植被組成調(diào)查，分析了土壤和主要優(yōu)勢植物的重金屬含量，以及錳礦區(qū)植物對重金屬的富集和遷移轉(zhuǎn)化特征，旨在為錳礦廢棄地重金屬污染生態(tài)修復(fù)提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1調(diào)查區(qū)概況花垣縣位于湖南省湘西自治州中部、西部和西北部，分別與貴州省和重慶市接壤，地理坐標(biāo)為109°11′～110°55′ E，27°44′～29°47′ N，境內(nèi)具有豐富的礦產(chǎn)資源和植物資源，目前已探明礦產(chǎn)20余種，其中，錳礦儲量居全國第2位，有“東方錳都”“有色金屬之鄉(xiāng)”的美稱。響水村隸屬民樂鎮(zhèn)，民樂錳礦是我國南方著名的大型沉積錳礦床之一。原始植被為亞熱帶典型山區(qū)植被，針葉樹、闊葉樹、灌木、草本植物豐富。屬中亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，年均氣溫16.7 ℃，年均降水量1 421 mm，無霜期270 d。該區(qū)域光、熱、水資源豐富，利于植物生長。

1.2樣品采集2015年6月對花垣縣響水村錳礦區(qū)進(jìn)行了植被調(diào)查和采樣，記錄礦區(qū)所有自然生長的植物，植物的豐富度按目測估計[13]，分為優(yōu)勢種、常見種和偶見種3級。采集主要優(yōu)勢植物的地上部分和根部及其所在區(qū)域的土壤。每種植物采集3～5株組成混合樣，同步采集3個平行樣。采集每種植物所在區(qū)域0～30 cm的表土作為供試土壤樣品，將3～5個采樣點(diǎn)土樣組成1個混合樣，同步采集3個平行樣。所有樣品采集后立即裝入塑料密封袋，做好標(biāo)記，運(yùn)回實驗室。

1.3測定項目與方法將土壤樣品置于室內(nèi)自然風(fēng)干，去除石塊、植物根系和凋落物等，并研磨過100目尼龍篩，包裝登記后保存，待測Cu、Zn、Pb、Cd、Mn、Ni全量均采用HCl - HNO3-HF-HClO4消煮-原子吸收光譜法測定(GB/T 17138—1997)。

將運(yùn)回實驗室的植物樣品用自來水和去離子水洗凈，吸干表面水分。將樣品置于烘箱內(nèi)105 ℃殺青30 min，然后于65 ℃烘干。干樣用萬能粉碎機(jī)磨細(xì)，過0.25 mm尼龍篩，待測。植物重金屬采用HNO3-HClO4聯(lián)合消煮(GB /T 5009.11-15—2003)，用原子吸收光譜法測定Cu、Zn、Pb、Cd、Mn、Ni濃度。

計算優(yōu)勢植物的生物富集系數(shù)(BCF)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(TF)。生物富集系數(shù)(BCF)=植物地上部分重金屬含量/土壤重金屬含量，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(TF)=植物地上部分重金屬含量/植物根部重金屬含量。

2結(jié)果與分析

2.1礦區(qū)植被物種組成及特征由表1可知，響水村錳礦區(qū)有高等植物20種，隸屬15科18屬。從物種組成來看，菊科、蓼科各有3種，分別占總種數(shù)的15%，其次為藜科2種，占總種數(shù)10%；從植物生活型來看，有草本植物、灌木(或小喬木)、喬木、藤本植物4種，且主要以草本植物為主，共13種，占該礦區(qū)植物種類的65%；從豐富度來看，優(yōu)勢種以草本植物為主，共有11種，分別為五節(jié)芒、飛蓬、鬼針草、千里光、土荊芥、萹蓄、酸模葉蓼、愉悅蓼、商陸、博落回、醉魚草。

2.2土壤重金屬污染特征由表2可知，所測定的6種重金屬元素中，主要是Cd、Mn污染，含量分別為6.12～13.61、25 546.00～107 780.00 mg/kg(DW)，與國家土壤環(huán)境質(zhì)量3級標(biāo)準(zhǔn)(保障農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)和植物正常生長的土壤臨界值)相比，Cd的超標(biāo)6.12～13.61倍，由于3級標(biāo)準(zhǔn)未對土壤Mn含量進(jìn)行限制，與湖南省土壤背景值相比，Mn含量為背景值的57.93～244.40倍，污染嚴(yán)重。

表1　礦區(qū)主要植物種類

注：D為優(yōu)勢種；F為常見種；O為偶見種。

Note: D.Dominant species; F.Common species; O.Rare species.

表2　礦區(qū)植物根際土壤重金屬含量

2.3優(yōu)勢植物體內(nèi)重金屬含量分布特征由表3可知，該礦區(qū)優(yōu)勢植物體內(nèi)含量較高的重金屬為Mn，地上部、根部Mn的含量分別為481.53～1 442.34、394.67～1 831.59 mg/kg(DW)，且除五節(jié)芒地上部、萹蓄地上部和根部、醉魚草地上部和根部的Mn含量在植物體屬正常范圍，其他優(yōu)勢植物地上部和根部Mn含量均高于植物正常含量范圍高值；而地上部和根部Cu、Zn、Pb的含量均較低，均在正常含量范圍內(nèi)，Cd含量稍高于正常含量范圍高值，這與土壤中的重金屬含量特征基本一致，反映了植物重金屬的生物蓄積特征與土壤重金屬的相關(guān)性。

由表4可知，各優(yōu)勢植物的BCF<1.00，說明該礦區(qū)的主要優(yōu)勢植物均對重金屬有一定的耐受能力。從TF看，不同植物對同一重金屬的TF相差較大，即使是同一種植物對不同重金屬的TF也相差較大，表現(xiàn)出不同的轉(zhuǎn)運(yùn)能力。

表3　優(yōu)勢植物體內(nèi)重金屬含量

注：“-”表示低于檢出限。

Note: “-” stands for lower than detection limit.

3討論

一般來說，土壤中的Cu、Zn、Pb、Cd含量分別為150～400、70～400、100～400、3～8 mg/kg時，會對植物產(chǎn)生毒性。響水村錳礦區(qū)的11種優(yōu)勢植物根際土壤除Cu、Pb含量普遍較該毒性閾值低外，Zn、Cd含量普遍處于該閾值范圍內(nèi)，其中，飛蓬根際土壤Cd含量高于該毒性范圍高值，說明該礦區(qū)所調(diào)查的優(yōu)勢植物對Zn、Cd均具有一定耐性，尤其是飛蓬對Cd的耐性較強(qiáng)。另外，該礦區(qū)土壤Mn含量高達(dá)25 546.00～107 780.00 mg/kg，能在Mn嚴(yán)重污染的土壤生長，證明該礦區(qū)植物對Mn具有較強(qiáng)的耐性。而不同的耐性機(jī)制使植物對重金屬的吸收、轉(zhuǎn)移和累積特征表現(xiàn)出較大差異。通過計算礦區(qū)優(yōu)勢植物的生物富集系數(shù)(BCF)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(TF)可知，該礦區(qū)優(yōu)勢植物對重金屬的吸收機(jī)制大致可分為富集型(Accumulators)、根部囤積型(Root Compartments)和規(guī)避型(Excluders)3類。響水村錳礦區(qū)11種優(yōu)勢植物，除萹蓄、醉魚草相對于其他植物對土壤Mn的吸收能力低外，其余均為Mn規(guī)避型植物，五節(jié)芒根部Mn含量遠(yuǎn)大于地上部，為Mn根部囤積型植物外，其他8種植物也表現(xiàn)出對Mn具有一定的吸收性，其中，愉悅蓼對Mn的吸收富集能力較強(qiáng)，為Mn富集型植物，在礦區(qū)植物修復(fù)時可以利用其富集Mn的能力，提取土壤中的Mn，以達(dá)到修復(fù)目的。

商陸是公開的Mn超富集植物，該調(diào)查結(jié)果顯示，商陸對Mn的富集能力未達(dá)到超富集水平。這可能是由于礦區(qū)土壤的Mn含量較高，而所采集植物比較幼嫩，植物富集重金屬的含量遠(yuǎn)低于與生長到一定階段的同種植物的Mn含量，這與前人研究結(jié)果基本一致[17]。

表4　優(yōu)勢植物的生物富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)

注：“-”表示低于檢出限，未計算出系數(shù)。

Note: “-” stands for lower than detection limit,unable to calculate the coefficient.

4結(jié)論

(1)通過對響水村錳礦區(qū)植被調(diào)查，共記錄高等植物20種，隸屬15科18屬，且優(yōu)勢種以草本植物為主，共有11種，分別為五節(jié)芒、飛蓬、鬼針草、千里光、土荊芥、萹蓄、酸模葉蓼、愉悅蓼、商陸、博落回、醉魚草。

(2)土壤重金屬主要是Cd、Mn污染，且Cd含量超過國家土壤環(huán)境質(zhì)量3級標(biāo)準(zhǔn)(GB 15618—1995)，超標(biāo)倍數(shù)達(dá)6.12～13.61倍，Mn含量為湖南省土壤背景值的57.93～244.40倍，污染嚴(yán)重。

(3)11種優(yōu)勢植物，萹蓄、醉魚草相對于其他植物對土壤重金屬的吸收能力低，植物體內(nèi)Mn含量較低，均為Mn規(guī)避型植物，五節(jié)芒根部Mn含量遠(yuǎn)大于地上部，為Mn根部囤積型植物，其余8種植物表現(xiàn)出對Mn具有一定的吸收，其中，愉悅蓼對Mn的吸收富集能力較強(qiáng)，為Mn富集型植物。

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Soil Heavy Metals Content and Dominant Plants Absorption Characteristics in Xiangxi Manganese Mining Area

XIONG Yun-wu,TANG Biao,LIN Xiao-yan,GONG Ya-long*et al

(Shenzhen Techand Ecology & Environment Co.,Ltd,Shenzhen,Guangdong 518040)

Abstract[Objective] The aim was to study soil heavy metals content and dominant plants absorption characteristics in Xiangxi manganese mining area,and to provide theoretical basis for revegetation of abandoned land and phytoremediation of heavy metal contaminated soil.[Method] The vegetation species of abandoned land and Cu,Zn,Pb,Cd,Mn,Ni content in rhizosphere soil and plant roots and aboveground parts of dominant species in manganese mining area in Xiangshui Village,Huayuan County,Xiangxi were determined.[Result] The results showed that there were 20 species plants belonging to 18 genera in 15 families,and the dominant species were given priority to herbs.Soil Cd and Mn pollution were serious.And Cd content was more than national standards for environment quality of grade three soil (GB 15618-1995),with excessive ratio of 6.12 to 13.61 times.And Mn content was more than background value of soil of Hunan Province,with ratio of 57.93 to 244.40 times,seriously polluted.Eleven dominant plants,Erigeron acris L.,Bidens pilosa L.,Senecio scandens Buch.-Ham.ex D.Don,Dysphania ambrosioides (Linnaeus) Mosyakin & Clemants,Polygonum lapathifolium L.,Polygonum jucundum Meisn.,Phytolacca acinosa Roxb.,Macleaya cordata (Willd.) R.Br.absorbed a large amount of Mn by the roots and transported to the shoots,especial Polygonum jucundum Meisn.which absorbed larger Mn than the others,and could be used to clean up the soils containing light to moderate toxic metal concentration and with high-value,could be Mn accumulator.Miscanthus floridulus (Lab.) Warb.ex Schum et Laut.also absorbed a large amount of Mn but mainly held in the roots,could be the root compartment.While Polygonum aviculare L.and Buddleja lindleyana Fort.absorbed less Mn than the other eight plants,with the accumulation coefficients of Mn just was 0.01,could be Mn excluder.[Conclusion] In revegetation of manganese mining area,Polygonum aviculare L.,Buddleja lindleyana Fort.,Miscanthus floridulus can be cultivated when plant stable technology is used,while Polygonum jucundum Meisn.can be planted when plant extraction technology is adopted.

Key wordsHeavy metals; Manganese mine; Soil; Dominant plants; Xiangxi

基金項目廣東省軟科學(xué)研究計劃項目鐵漢生態(tài)研究院建設(shè)(2014B090903

作者簡介熊云武(1987- )，男，江西南昌人，助理工程師，從事土壤污染與修復(fù)研究。*通訊作者，工程師，碩士，從事土壤污染與修復(fù)研究。

收稿日期2016-02-09

中圖分類號S 181

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號0517-6611(2016)08-084-04

015);深圳市科技計劃項目(CXZZ20140418105252027);深圳市戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項資金(發(fā)改辦高技[2013]2556號)。