資興市鉛鋅尾礦庫區(qū)植物資源調(diào)查及 耐性植物篩選

陳福春， 易心鈺， 張路紅

(1.湘南學(xué)院， 湖南 郴州 423000； 2.中南林業(yè)科技大學(xué)， 湖南 長沙 410004)

資興市鉛鋅尾礦庫區(qū)植物資源調(diào)查及 耐性植物篩選

陳福春1， 易心鈺2， 張路紅2

(1.湘南學(xué)院， 湖南 郴州 423000； 2.中南林業(yè)科技大學(xué)， 湖南 長沙 410004)

通過對資興鉛鋅尾礦區(qū)植物季節(jié)變化的調(diào)查，以及對該區(qū)植物重金屬含量與分布特征的分析，初步篩選了適合于Pb、Zn尾礦庫復(fù)合重金屬污染土壤生態(tài)修復(fù)的植物種質(zhì)資源。該區(qū)共記錄高等植物81種，分屬 34科，其中自然定居62種，人工引種木本植物19種。重金屬累積及轉(zhuǎn)運特性分析表明，這些物種均對復(fù)合重金屬污染具有較強(qiáng)的耐受性，其中，優(yōu)勢自然定居植物和人工栽種的木本植物對Pb、Zn富集能力均未達(dá)到超富集植物的臨界閾值，一年蓬和青蒿對Cd的富集量分別達(dá)107 mg/kg和136 mg/kg，具有Cd超富集植物的基本特征，野菊花、酸模、青蒿、女貞和桂花樹均具備超富集植物特征。研究結(jié)果為鉛鋅礦區(qū)及其污染場地生態(tài)修復(fù)提供了先鋒植物和生態(tài)經(jīng)濟(jì)樹種資源。

鉛鋅尾礦庫； 重金屬污染； 超富集植物； 轉(zhuǎn)運系數(shù)； 資興市

采用植物修復(fù)技術(shù)防治土壤重金屬污染是目前研究的熱點，其中，尋找、篩選自然界中存在的對重金屬有較強(qiáng)富集作用的植物，是植物修復(fù)研究的一項重要內(nèi)容，該技術(shù)的首要任務(wù)是篩選超富集植物或者適應(yīng)性強(qiáng)、高生物量強(qiáng)富集植物。雖然目前已報道的超富集植物有400多種，但大多數(shù)是Ni超富集植物，且多數(shù)種類是生物量小，生長緩慢，抵抗力弱，生態(tài)適應(yīng)幅度較小的草本植物，能夠真正應(yīng)用于植物修復(fù)技術(shù)的超富集植物種類極少[1]。近年來人們利用礦區(qū)植物對重金屬的耐受性和富集能力均較未污染區(qū)域的植物高，通過在礦區(qū)大量調(diào)查采樣和室內(nèi)分析的方法，發(fā)現(xiàn)了部分富集和超富集植物[2-5]。但由于研究的時間較短，所以報道的具有修復(fù)潛力的植物種類并不多，此外，植物資源的分布具有區(qū)域性和時間性，因此，為植物修復(fù)技術(shù)篩選更多超富集植物和高生物強(qiáng)富集植物具有重要的現(xiàn)實意義。本文以資興鉛鋅尾礦區(qū)為研究區(qū)域，通過對鉛鋅污染區(qū)植被的調(diào)查及分析，篩選出Pb、Zn耐受性或大生物量富集植物，為鉛鋅礦廢棄區(qū)及其污染土壤的生態(tài)修復(fù)提供理論依據(jù)和先鋒植物資源。

1 研究地概況

研究調(diào)查尾礦庫位于資興市東江上游，東江湖位于湖南省東南角郴州市境內(nèi)，地理位置113°08′—113°44′E，25°34′—26°18′N，東江湖水源地主要溪水岸邊，該溪水在距尾礦庫下游2.5 km處匯入東江湖。該區(qū)屬亞熱帶濕潤性季風(fēng)氣候，雨量充沛，溫度適宜。尾礦庫現(xiàn)已廢棄，庫內(nèi)無積水，其下部為尾砂，上部7年前經(jīng)過覆土，覆土厚度為50 cm。地表春夏季雜草零亂叢生，晚秋和冬季表層裸露，水土流失嚴(yán)重。廢棄地土壤結(jié)構(gòu)差、養(yǎng)分貧瘠、礦質(zhì)石礫多、偏堿性。

2 研究方法

2.1材料與方法

2014年3月—2015年10月對尾礦庫位設(shè)置樣地，進(jìn)行了植被調(diào)查與取樣。選取樣地的總面積3.33 hm2，覆蓋了整個尾礦庫區(qū)(包括污染場地外周邊臨近區(qū)域)，未修復(fù)樣地?zé)o喬木，全被灌草覆蓋，鉛鋅尾礦庫污染場地外周邊臨近區(qū)域自然生長生長喬木。喬木樣地100 m2灌木樣地為25 m2，草本樣地為2 m2。共調(diào)查了喬木樣地3個，其中含灌木樣地10個，含草本樣地30個。首先，記錄大小樣地自然生長或人工栽種的植物種類，并對其豐富度進(jìn)行了統(tǒng)計。對植物(主要是草本)進(jìn)行生物量測定；其次，對樣地內(nèi)植物分地上(莖葉)與地下部分(根)分別進(jìn)行取樣，且在對應(yīng)的取樣植物根部周圍進(jìn)行土壤取樣，以獲取土壤鉛鋅等重金屬背景值，取樣深度分別為0～40 cm，植物與土壤均取3次平行樣。將樣品帶回實驗室，植物樣用水反復(fù)洗凈，風(fēng)干、殺青后，置80 ℃烘干至恒重，粉碎，過1 mm篩，再烘干，放于真空干燥器內(nèi)備用。所采集土樣在室內(nèi)風(fēng)干，剔除動植物殘體，過1 mm篩，再烘干，用于測定Pb、Zn等重金屬含量。植物及土壤Pb、Zn等重金屬含量采用原子吸收光譜儀法進(jìn)行測定。

2.2數(shù)據(jù)處理

采用統(tǒng)計分析軟件SPSS 15.0對土壤、植物地上部位與地下部位重金屬含量進(jìn)行平均數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)差處理，對轉(zhuǎn)移系數(shù)與富集系數(shù)進(jìn)行Duncan式多重比較，α=0.05。

3 結(jié)果與分析

3.1尾礦庫區(qū)地區(qū)土壤重金屬含量

表1為鉛鋅尾礦廢棄地覆土土樣各層土壤重金屬含量，表中數(shù)據(jù)顯示土壤中Cu、Cd、Cr、Pb、Zn、As等6種元素含量均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于我國和湖南省正常土壤的背景值。土壤中Cd、Pb元素含量達(dá)到嚴(yán)重污染等級，Cu、As元素含量為偏重污染級，Zn元素為偏中度污染，Cr元素污染屬于輕度，總體上樣地屬于重金屬重度復(fù)合污染。

表1 表層土壤重金屬總量Tab1 Thetotalamountofheavymetalsinsurfacesoil(mg/kg)土層PbZnCdCuCrAs 0-10cm35177479610104204595252510-20cm17806486923095887407117220-30cm3361449281809141399293430-40cm335394936234527609371709平均300344882186835667331585湖南背景值29794901327364—國家背景值2674201022661112

3.2鉛鋅礦區(qū)自然生長植物資源

鉛鋅尾礦庫廢棄地為復(fù)合重金屬污染土壤，土壤中自然生長的植物種類較少，且以耐貧瘠的草本植物為主，如斑茅、野菊、艾蒿、野大豆等。污染場地外周邊臨近區(qū)域自然生長和人工栽種的本土植物種類較豐富(見表2)。在調(diào)查的所有樣地中共有植物34 科，81 種(分屬蕨類植物、裸子植物和被子植物)為典型的亞熱帶植物類群，以菊科、禾本科、薔薇科、蓼科居多，其中菊科為21種，占26.00%，禾本科為8種，約占總植物種的10.00%，蓼科、薔薇、木犀科均為5 種，各占7%左右。81 種植物中，自然生長定居植物62 種，占76.5%，人工種植植物19 種，占23.5%，這其中又以喬木為主。實地調(diào)查的Pb、Zn耐受植物中，人工栽種為經(jīng)濟(jì)價值較高油料能源和觀賞植物如光皮樹、櫸木、樟樹、構(gòu)樹、欒樹、烏桕、石楠、枇杷和苧麻，自然生長植物具有一定經(jīng)濟(jì)價值的有艾蒿、蘆葦、野葛等。

表2 種類調(diào)查情況表Tab2 Theinvestigationofplantstype科植物名稱豐富度生活類型鳳尾蕨科鳳尾蕨PterismultifidaPoirF蕨類多年生草本木賊科節(jié)節(jié)草EquisetumramosissimumF蕨類多年生草本傘形科水芹OenanthejavanicaF多年水生宿根草本野胡蘿卜DaucuscarotaF二年生草本菊科鼠曲草GnaphaliumaffineF一年或二年生草本野菊ChrysanthemumindicumD多年生草本奇蒿ArtemisiaanomalaF生草本植物白蒿ArtimisiaeSieversianaeF一二年生草本野茼蒿CrassocephalumcrepidioidesF一年生直立草本一年蓬ErigeronannuusF一年生草本艾蒿ArtemisiaargyiD多年生草本黃鵪菜YoungiajaponicaF一年生草本滇苦荬菜IxerisdenticulataF一年或多年生草本白酒草ConyzajaponicaF一年生草本小飛蓬ConyzacanadensisD越年或一年生草本青蒿ArtemisiacarvifoliaD二年生草本魁蒿ArtemisiaprincepsPampF多年生草本紫菀AstertataricusO多年生草本加拿大蓬ErigeroncanadensisF二年或一年生草本霍香薊AgeratumconyzoidesF一年生草本千里光SenecioscandensF多年生攀援草本香絲草ConyzabonariensisF一年生或二年草本白花鬼針草BidentispilosaF一年生或二年生草本赤莖羊耳菊InularubricaulisO多年生亞灌木蒼耳XanthiumsibiricumF一年生草本馬鞭草科牡荊VitexnegundoF灌木或小喬木景天科佛甲草SedumlineareF多年生肉質(zhì)狀草本蕁麻科苧麻BoehmerianiveaF半灌木莧科牛牛膝AchyranthesbidentataF多年生草本皺果莧AmaranthusviridisO一年生草本水花生AlternantheraphiloxeroidesF一年生或多年生草本鴨跖草科鴨跖草CommelinacommunisF一年生草本薔薇科山莓RubuscorchorifoliusLfF落葉小灌木石楠PhotiniaserrulataLindlO多年生常綠灌木或喬木，人工栽種枇杷EriobotryajaponicaO一年或二年生草本，人工栽種山莓RubuscorchorifoliusF落葉灌木湖北薔薇RosahenryiF具匍匐小枝的灌木蓼科水蓼PolygonumhydropiperF一年生草本

續(xù)表2 種類調(diào)查情況表ContinuedTab2 Theinvestigationofplantstype科植物名稱豐富度生活類型酸模RumexacetosaD多年生草本羊蹄RumexjaponicusF多年生草本紅蓼PolygonumorientaleF一年生草本紅足蒿ArtemisiarubripesO多年生高大直立草本茄科龍葵SolanumcarolinenseF一年生草本唇形科紫蘇PerillafrutescensO一年生草本益母草LeonurusartemisiaO一年生草本風(fēng)輪草ClinopodiumchinensisO一年生草本野薄荷MenthahaplocalyxO多年生草本商陸科商陸PhytolaccaacinosaF多年生粗壯草本植物葡萄科烏蘞莓CayratiajaponicaF多年生攀援藤本豆科野葛PuerarialobataD灌木狀纏線藤本野大豆GlycinesojaD一年生緾繞藤本山槐AlbiziakalkoraO落葉小喬木或灌木牻牛兒苗科野老鸛草GeraniumcarolinianumF多年生草本禾本科芒MiscanthussinensisF多年生叢生大型草本狗尾草SetairaviridisF一年生草本冬茅MiscanthusfloridulusF草本球穗藨草ScirpusstrobilinusO多年生草本斑茅SaccharumarundinaceumD多年生草本蘆葦PhragmitesaustralisF多年生草本新小竹NeomicrocalamusprainiiO小型攀援竹類箭竹FargesiaspathaceaO散生竹罌粟科博落回MacleayacordataF一年或兩年生大型草本木通科三葉木通AkebiatrifoliataO多年生落葉藤本桑科構(gòu)樹BroussonetiapapyriferaD落葉灌木或小喬木雞桑MorusaustralisO灌木或小喬木夾竹桃夾竹桃NeriumindicumF常綠灌木或小喬木，人工栽種山茶科山茶CamelliajaponicaF常綠喬木或灌木，人工栽種樟科樟樹CinnamomumcamphoraF常綠大喬木，人工栽種木犀科白蠟FraxinuschinensisF落葉喬木，人工栽種四季桂OsmanthusfragransvarsemperflorensF常綠喬木或灌木，人工栽種桂花OsmanthusfragransF常綠小喬木，人工栽種小酒瓶花JasminumbeesianumF纏繞木質(zhì)藤本小葉女貞LigustrumquihouiF落葉灌木，人工栽種楝科苦楝MeliaazedarachF落葉喬木，人工栽種山茱萸科光皮樹SwidawilsonianaF落葉喬木，人工栽種杜英科杜英ElaeocarpussylvestrisF常綠喬木，人工栽種木蘭科含笑MicheliafigoF常綠灌木，人工栽種無患子科欒樹KoelreuteriapaniculataF落葉喬木或灌木，人工栽種大戟科烏桕SapiumsebiferumF落葉喬木，人工栽種榆科櫸木ZelkovaserrataF落葉喬木，人工栽種松科馬尾松PinusmassonianaF常綠喬木，人工栽種杉科杉木CunninghamialanceolataF常綠喬木，人工栽種 注：D為優(yōu)勢種；F為常見種；O為偶見種。

3.3自然生長優(yōu)勢種與人工栽種植物重金屬富集特征

通過對自然生長的12種優(yōu)勢植物、人工栽種的10種木本植物進(jìn)行重金屬含量及富集特征分析，結(jié)果從表3可以看出：除桂花樹外，優(yōu)勢自然定居植物和人工栽種的木本植物對Pb、Zn富集能力均未達(dá)到超富集植物的臨界閾值(分別是1 000 mg/kg和10 000 mg/kg)，一年蓬和青蒿對Cd的富集量分別達(dá)107 mg/kg和136 mg/kg，超過其臨界值(100 mg/kg)，具有Cd超富集植物的基本特征；野菊、酸模、野葛對Pb的遷移轉(zhuǎn)運系數(shù)大于1，酸模、野大豆對Zn的遷移轉(zhuǎn)運系數(shù)大于1，具備超富集植物的基本特征，其中野菊對Pb、Cd、Cu的轉(zhuǎn)運系數(shù)大于1，對Zn的轉(zhuǎn)移系數(shù)接近1，女貞對Pb、Zn、Cd的遷移轉(zhuǎn)運系數(shù)大于1，表明這兩種植物對多種復(fù)合重金屬污染具有較好的修復(fù)潛力，是優(yōu)良的礦區(qū)及污染場地修復(fù)先鋒景觀植物。

表3 鉛鋅礦區(qū)不同優(yōu)勢植物重金屬富集特性(BCF：富集系數(shù)；TF：轉(zhuǎn)運系數(shù))Tab3 CharacteristicsofheavymetalaccumulationindifferentdominantplantsinPbZnMiningArea(BCF：enrich?mentfactor；TF：transportcoefficient)(mg/kg)植物種類部位PbZnCdCu植物種類部位PbZnCdCu節(jié)節(jié)草地上39233115122612335541地下8365330136827337142162BCF0028061701460399TF0469038202240250野菊地上20429239391420502 147770地下14256343574613668135073BCF0047089300730379TF1433090415001094一年蓬地上1530915121553604 0025地下6627321024301072090078BCF0221075804880004TF0231050005000318小飛蓬地上16095818502839865 3856地下6967893700568742212124BCF0232075804680034TF0231050004560318青蒿地上820636152 7288 2816地下19822966641367426317BCF007198073 074TF041037053011酸模地上308750284621429654952地下1201362587461868082018BCF0040053001000230TF2570110002300670野葛地上183728113170455637511地下97005402740911285447BCF0032082500490240TF1894028105000439野大豆地上21174080553117906285102地下45051073230132628438618BCF0150015007101230TF0470110008890650山莓地上50141815304685025117571地下45051022945495642111972BCF0150047005120314TF1113066708891050烏蘞莓地上226619400007199502108973地下626019772214405493396264BCF0208158221711111TF0362051804920275斑茅地上144151028661594644604地下23249960509345561207460BCF0077123902440582TF0062017003500215苧麻地上204233610249230266559地下240272248982113948231790BCF0080051006100650TF0085145000811150白檀地上1265633859706884729地下21023865419541724249BCF0070013400290068TF0602059001270195烏桕地上228484539955002774地下5376094735563517132BCF0179009700340020TF0425011408660389

續(xù)表3 鉛鋅礦區(qū)不同優(yōu)勢植物重金屬富集特性(BCF：富集系數(shù)；TF：轉(zhuǎn)運系數(shù))Tab3 CharacteristicsofheavymetalaccumulationindifferentdominantplantsinPbZnMiningArea(BCF：enrichmentfactor；TF：transportcoefficient)(mg/kg)植物種類部位PbZnCdCu植物種類部位PbZnCdCu光皮樹地上434226751421727108338地下96709515720012516138717BCF0322032200670389TF0449047801380781石楠地上2210501373796227297245地下6907821025226724896282BCF0230021003600270TF0320134009261010杜英地上2135457037605124123地下270306698131102139939BCF0090014300590112TF0079081705490604桂花地上4050841098012414665101地下623205512449142964199696BCF2075025502300560TF0065088205620326欒樹地上1565612977526388849地下28832652237504413551BCF0096010700270038TF0543057005230653苦楝地上40216532233772226257地下390442888525118384158BCF0130018202740236TF0103059907370312夾竹桃地上2579023506252467434947地下9310549226983175628528BCF0310189001700080TF0277038007771225樟樹地上418972014561089019114地下1351532196901868014264BCF0045045001000040TF0310091705831340含笑地上12042188262983426210地下405459493084053652420BCF0135010102170147TF0297017907360500女貞地上3824233307292255638187地下3213642846212148263118BCF0107058301150177TF1190116210500605馬尾松地上73722337209497720地下22339910375101436760BCF0231006600810265TF0330032509360210杉木地上1180347870130088130地下3934452538613823101631BCF0131005200740285TF0300031009410080櫸木地上996232853191693913422地下3213641235153381147428BCF0107025301810133TF0310231005010283構(gòu)樹地上22675762368338237258地下375425854351587884871BCF0125017500850238TF0604073002130439

4 結(jié)論與討論

一般情況下礦區(qū)土壤中重金屬含量很高，Kabata-Pendias[6]認(rèn)為，土壤中Pb、Zn、Cd含量分別為100～400、70～400、3～8 mg/kg就會對植物產(chǎn)生毒性，該礦區(qū)土壤中Pb、Zn、Cd的平均含量分別為3 003.4、488.2、186.8 mg/kg，因此，鉛鋅廢棄礦區(qū)土壤重金屬污染已經(jīng)影響到當(dāng)?shù)刂参锏恼ＩL。另外，Pb、Zn、Cu、Cd、Cr、As六種重金屬平均含量均超過湖南省土壤背景值和國家土壤背景值。礦區(qū)土壤重金屬含量高，有機(jī)質(zhì)含量及植物必需的養(yǎng)分元素缺乏，很不利于植物生長。但植物種類多，各有不同的適應(yīng)性，部分植物能夠適應(yīng)這種特殊的環(huán)境條件。唐文杰[7]等人研究了廣西全州、板蘇、下雷錳礦區(qū)優(yōu)勢植物，發(fā)現(xiàn)油茶表現(xiàn)出很強(qiáng)的Mn累積特征。路暢[8]等對廣西泗頂鉛鋅礦區(qū)優(yōu)勢植物調(diào)查，發(fā)現(xiàn)蜈蚣、勝紅薊對重金屬有較強(qiáng)的耐受能力。

在修復(fù)被重金屬嚴(yán)重污染的土壤時，植物的耐性是一個關(guān)鍵因素[9]。所調(diào)查的自然定居生長的植物均能在尾礦庫區(qū)Pb、Zn、Cd、Cu 等多種重金屬復(fù)合污染的土壤上正常生長、發(fā)育，且有些成為優(yōu)勢植物，表明這些植物都具有對復(fù)合重金屬污染的耐受性。綜合分析優(yōu)勢植物體內(nèi)的重金屬含量可見，其中優(yōu)勢植物野菊對Pb、Cd、Cu的轉(zhuǎn)運系數(shù)TF均大于1，且對Zn的轉(zhuǎn)運接近1；酸模、野葛、野大豆Pb、Zn、Cu的遷移轉(zhuǎn)運系數(shù)均大于，表明這幾種植物對復(fù)合重金屬污染具有超累積潛力，是復(fù)合重金屬污染植物修復(fù)優(yōu)良的先鋒植物資源；其它植物雖然未達(dá)到超富集，但這些優(yōu)勢植物生物量大，耐重金屬力強(qiáng)，對污染土壤應(yīng)具有較好的生態(tài)修復(fù)效果。

人工種植的觀賞、能源及工業(yè)原料植物均能在高濃度、復(fù)合重金屬污染土壤上生長良好，且地上部分生物量較大，表現(xiàn)為對復(fù)合重金屬具有一定的耐抗性。其中桂花樹Pb的富集量高達(dá)6 000 mg/Kg以上，大于超富集植物的臨界值(1 000 mg/kg)，女貞對Pb、Zn、Cd的遷移轉(zhuǎn)運系數(shù)大于，具備了超累積植物的基本特征，對Pb、Zn等復(fù)合污染土壤景觀生態(tài)修復(fù)具有較大潛力。

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SurveyonplantsresourceandselectionoftolerantspeciesatPb-ZntailingspondareaofZixingCity

CHEN Fuchun1， YI Xinyu2， ZHANG Luhong2

(1.Xiangnan University， Chenzhou 423000， China； 2.Central South University of Forestry and Technology， Changsha 410004， China)

A batch of plants resources，which can tolerate Pb，Zn，Cd，Cu heavy metal pollutants in soil，has been primarily selected through a survey of plant resources in terms of their seasonal changes，heavy metal contents and distributions in plants at Pb-Zn tailings pond area of Zixing City.There are total of 81 species of advanced plants belonging to 34 different families，which had demonstrated relatively strong tolerance to complex heavy metal pollution，and there are 62 native dominant species and 19 introducing species.Moreover，accumulation and transfer index analysis indicated that dominant species mentioned above could not be used as hyperaccumulator，but Cd accumulated inErigeronannuusandArtemisiacarvifoliawas up to 107 mg/kg and 136mg/kg respectively，meanwhile，Hrysanthemumindicum，Rumexacetosa，Artemisiacarvifolia，LigustrumquihouiandOsmanthusfragranshave the potential of hyperaccumulator of heavy metals，and those can be used as pioneer and economic tress species for ecological restoration at Pb-Zn tailings pond area.

Pb-Zn Tailing pond； heavy metal pollution； hyperaccumulator； transfer coefficient； Zixing City

2016-01-04

校青年基金項目“郴州礦區(qū)土壤耐重金屬植物的篩選”(2014XJ42)

陳福春(1973-)，男，湖南省郴州市人，講師，廣州中醫(yī)學(xué)院中藥免疫學(xué)碩士，主要從事病原生物學(xué)教學(xué)。

易心鈺，博士研究生，E-mail：yixinyu1108@163.com

X 173

A

1003 — 5710(2016)02 — 0064 — 07

10. 3969/j. issn. 1003 — 5710. 2016. 02. 012

(文字編校：楊 駿)