六種木本植物對鉛鋅尾礦庫重金屬富集力的研究

張 軒， 趙俊程， 吳子劍， 黃忠良， 劉 健，徐佳孌， 覃曉莉， 李 輝

(1.湖南省林業(yè)科學(xué)院生物與環(huán)境工程研究所，湖南 長沙 410004； 2.湖南大學(xué)生物學(xué)院，湖南 長沙 410082;3.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)，湖南 長沙 410128)

六種木本植物對鉛鋅尾礦庫重金屬富集力的研究

張 軒1,2， 趙俊程3， 吳子劍1*， 黃忠良1， 劉 健1，徐佳孌1， 覃曉莉1， 李 輝1

(1.湖南省林業(yè)科學(xué)院生物與環(huán)境工程研究所，湖南 長沙 410004； 2.湖南大學(xué)生物學(xué)院，湖南 長沙 410082;3.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)，湖南 長沙 410128)

通過對湖南省資興市某已閉庫并實施生態(tài)修復(fù)的鉛鋅尾礦庫及周邊受污染土壤和植物的采樣分析，以ICP — ASE電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測定了杉木、楊樹、欒樹、泡桐、香樟和烏桕等6種木本植物中Pb、Zn、Cu和Cd等重金屬元素的含量，并運用轉(zhuǎn)運系數(shù)和富集系數(shù)分析了植物相應(yīng)的富集能力與轉(zhuǎn)運特征。結(jié)果表明：6種植物中，對Pb富集系數(shù)最大的為烏桕，達(dá)到0.029；對Zn富集系數(shù)最大的為泡桐，達(dá)到0.374；欒樹對Pb的轉(zhuǎn)運系數(shù)達(dá)到1.314；泡桐對于Zn的轉(zhuǎn)運系數(shù)達(dá)到1.452。6種植物均能適應(yīng)鉛鋅重度污染的生長環(huán)境，其中烏桕、泡桐、欒樹富集和轉(zhuǎn)運Pb、Zn能力突出，適宜作為鉛鋅礦區(qū)植物修復(fù)的主要木本樹種。

鉛鋅礦； 植物修復(fù)； 木本植物； 富集能力； 轉(zhuǎn)運特征

湖南省礦產(chǎn)資源豐富，鉛鋅礦保有儲量一直居全國前列[1]。礦產(chǎn)資源的開發(fā)為湖南社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供有力資源保證的同時，也使礦區(qū)周邊植被與景觀受到破壞，水土流失加劇。隨著重金屬污染不斷擴散，造成區(qū)域生物多樣性遞減、農(nóng)林漁業(yè)減產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降，人體健康遭到破壞等諸多危害。

植物修復(fù)(phytoremediation)是重金屬污染環(huán)境治理的重要手段之一，具有成本低、無二次污染、保持水土及恢復(fù)景觀等優(yōu)勢，適宜大面積應(yīng)用于礦山的復(fù)墾、重金屬污染場地的植被與景觀修復(fù)[2-5]。目前，植物修復(fù)研究的重點集中在超富集植物的篩選及應(yīng)用，其中又以草本和灌木居多[6-7]。本研究通過對郴州某鉛鋅尾礦庫植物及土壤進(jìn)行測定與分析，選取杉樹、楊樹、欒樹、泡桐、香樟和烏桕等6種鄉(xiāng)土木本植物為研究對象，對其重金屬含量及富集能力進(jìn)行比較分析，以期為鉛鋅礦區(qū)生態(tài)修復(fù)中木本植物群落配置提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于湖南省郴州市下轄的資興市(縣級)，是郴州市的11個縣(市、區(qū))之一。資興市地處湘江流域耒水的上游，在羅霄山脈西麓、茶永盆地南端，為湘、粵、贛、三省交匯處，總面積2746.79 km2。資興市地貌形態(tài)多山地，地勢東南高、西北低，東部最高點為八面山，海拔2042 m；西北部最低點為程江口，海拔僅為106 m。資興市屬亞熱帶區(qū)域，四季分明，夏秋多旱，冬無嚴(yán)寒，夏無酷暑，雨水充沛，年均氣溫17.7 ℃，年均降雨量1487.6 mm，多集中在春夏3—6月和8月。項目區(qū)域內(nèi)主要木本樹種有松木、杉木、油茶、楠竹等，植被總類繁多、生長茂盛。至2014年，森林覆蓋率66%，森林蓄積量4800萬m3[8]。

2 研究方法

2.1野外調(diào)查與采樣

植物材料采自湖南省資興市某鉛鋅礦區(qū)尾礦庫，該尾礦庫6年前進(jìn)行過客土和植物恢復(fù)，客土層厚度50 cm。本研究在實驗樣地隨機設(shè)置20 m×20 m的A、B、C和D 4個樣方，每個樣方選擇生長情況良好的目標(biāo)植物(避開路邊、溝邊或林緣的非典型個體)作為4個樣點，采集植物樣品和土壤樣品。土壤的采集用環(huán)刀法分層采集，并將4個樣點相同土層深度的土壤樣混合均勻約500 g為一個樣品。植物樣本分別采集地上和地下部分，其中地上部分包括葉和莖，進(jìn)行適當(dāng)剪切處理后裝入密封袋保存。每種植物樣采集3個重復(fù)。

2.2樣品測定與分析

植物樣用蒸餾水洗凈，105 ℃殺青1 h，80 ℃烘干24 h，連續(xù)兩次稱重值變化在0.1 g內(nèi)后粉碎，過100目尼龍篩；土壤樣通過除雜、風(fēng)干、搗碎、研磨成粉末過100尼龍目篩。植物與土壤樣品均采用微波消解儀消解。消解后的植物土壤樣品以ICP — ASE電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測定樣品中各元素的含量[9]，每個樣本重復(fù)測定3次。

2.3數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)分析與處理采用SPSS 19.0和Excel 2007程序。以湖南省土壤背景值(平均值)、中國土壤背景值(平均值)[10-11]作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，分析實驗區(qū)重金屬元素污染程度。

其中：

富集系數(shù)BCF=C1/CS

(1)

轉(zhuǎn)運系數(shù)TF=C1/C2

(2)

3 結(jié)果與分析

3.1鉛鋅尾礦庫土壤污染狀況

3.1.1 土壤pH值 表1給出了資興鉛鋅尾礦庫A、B、C和D 4個樣方及剖面點的pH值，數(shù)據(jù)顯示該尾礦庫土壤偏酸性，在剖面中土壤樣本pH值有呈自上而下遞減趨勢。其中，廢棄地土壤偏酸性是其重金屬含量高于普通土壤所致。

表1 不同樣方及不同土層土壤pH值Tab 1 pHoftopsoilandprofilesoilsamples樣方pH值土壤剖面(cm)pH值A(chǔ)6 72 0～207 04B6 6520～406 83C6 5840～606 52D6 4960～806 55平均值6 616 73

3.1.2 土壤重金屬含量 表2列出了不同樣點0～40 cm土壤混合樣本重金屬含量的平均值?？傮w上，樣地所有測試元素的含量平均值都超過湖南省和國家的平均值。其中，Pb和Cd分別超過《國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》GB 15618 — 1995規(guī)定的10倍和311倍，而Zn和Cu分別超過國家土壤環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的1.9倍和3.5倍。

表2 不同樣方表層土壤重金屬含量Tab 2 Concentrationdistributionofheavymetalsintopsoilandbackgroundvalues(mg/kg)樣方PbZnCuCdA3517 70479 60420 40101 00B1780 60486 90588 70230 90C3361 40492 80141 30180 90D3353 90493 60276 00234 50平均值3003 40488 20356 60186 80湖南地區(qū)平均值29 7094 9027 300 13國家土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)3002501000 6

3.2植物體重金屬含量

表3為植物體Pb、Zn、Cu、Cd含量的測定，6種植物對于不同重金屬吸收存在較大差異，但總體上與土壤重金屬特征呈一致性，并體現(xiàn)出與土壤中重金屬含量呈正相關(guān)關(guān)系。6種植物在礦區(qū)內(nèi)生長情況良好，表明它們對環(huán)境具有較強的適應(yīng)能力，具備一定的重金屬耐受性。

表3 植物體重金屬含量Tab 3 Concentrationdistributionofheavymetalsinplants(mg/kg)植物部位PbZnCuCd杉樹地上22 0959 241 503 75地下98 88440 306 1545 45楊樹地上41 9078 026 5034 09地下398 35470 7022 9342 66欒樹地上80 4851 973 8910 93地下61 2567 907 9523 25泡桐地上32 49182 4815 9357 50地下64 60125 7016 7557 60香樟地上20 1595 751 975 19地下157 63574 2526 2846 88烏桕地上15 7184 439 4919．23地下86 54116 3571 3527 35

3.3植物對重金的富集及轉(zhuǎn)運能力

在篩選生態(tài)修復(fù)植物時，除了植物體內(nèi)重金屬濃度外，還涉及2個關(guān)鍵指標(biāo)，轉(zhuǎn)運系數(shù)(Transfer Factor, TF)和富集系數(shù)(生物積累系數(shù)Bioaccumulation Factor, BCF)。TF為植物地上與地下部分重金屬濃度的比值，代表從地下部轉(zhuǎn)移重金屬到地上部的能力。BCF為植物地上部重金屬累積量與土壤重金屬含量的比值，代表植物地上部分積累重金屬的能力[12-14]。

表4為6種植物的富集系數(shù)，其中Pb富集系數(shù)最大的為烏桕和欒樹，達(dá)到0.029和0.027，香樟和杉樹最小，為0.007；Zn富集系數(shù)最大的為泡桐和烏桕，達(dá)到0.374和0.238，其次分別為香樟0.196、楊樹0.160、杉樹0.121和欒樹0.106；Cu富集系數(shù)最大的為烏桕0.200，最小的為香樟0.060；Cd富集系數(shù)最高的為泡桐0.308，最小的為杉木0.020。

表4 植物對重金屬元素的富集系數(shù)Tab 4 BCFofheavymetalsinplants樹種PbZnCuCd杉樹0 0070 1210 0040 020楊樹0 0140 1600 0180 182欒樹0 0270 1060 0110 059泡桐0 0110 3740 0450 308香樟0 0070 1960 0060 028烏桕0 0290 2380 2000 146

表5為6種植物對于不同重金屬的的轉(zhuǎn)運系數(shù)。其中，欒樹對于Pb的轉(zhuǎn)運系數(shù)最高，達(dá)到1.314，其次是泡桐，達(dá)到0.503；對于Zn轉(zhuǎn)運系數(shù)最高的為泡桐，達(dá)到1.452，其次是欒樹和烏桕，分別達(dá)到0.765和0.726；Cu轉(zhuǎn)運系數(shù)最高的為泡桐和欒樹，達(dá)到0.951和0.489，最低為香樟0.075；Cd轉(zhuǎn)運系數(shù)最高為泡桐和楊樹，分別為0.998和0.799，最低為烏桕0.070。

表5 植物對重金屬元素的轉(zhuǎn)運系數(shù)Tab 5 TFofheavymetalsinplants樹種PbZnCuCd杉樹0 2230 1350 2440 083楊樹0 1050 1660 2830 799欒樹1 3140 7650 4890 470泡桐0 5031 4520 9510 998香樟0 1280 1670 0750 111烏桕0 1820 7260 1330 070

根據(jù)圖1和圖2綜合得出，泡桐和欒樹對于Pb和Zn具有較好的轉(zhuǎn)運能力；欒樹和烏桕對于Pb具有較好的富集能力，泡桐、烏桕和香樟對于Zn具有較強的富集能力。這些樹種適宜作為修復(fù)植物在鉛鋅礦區(qū)開展生態(tài)恢復(fù)。

圖1 不同植物對重金屬的轉(zhuǎn)運能力Fig.1 Transfer capability of heavy metals in different plants

圖2 不同植物對重金屬的富集能力Fig.2 Bioaccumulation capability of heavy metals in different plants

4 結(jié)論與討論

有關(guān)植物富集特定重金屬物質(zhì)的研究至今已經(jīng)發(fā)展了20多年，且大部分研究的重點放在了超富集植物修復(fù)污染土壤方面。然而，針對時間跨度大的田間自然環(huán)境下的某種植物修復(fù)效果和機制的研究還比較缺乏。即使植物的生理生化系統(tǒng)基本相同，單一種類植物修復(fù)也不可能適用于所有土壤和自然立地條件[15-17]。因此，長時間觀測自然條件下的群落植物修復(fù)效應(yīng)對于特定礦種的重金屬植物修復(fù)意義重要。本研究實驗地是湖南省典型的鉛鋅礦尾礦庫廢棄地，其重金屬含量超嚴(yán)重超標(biāo)，地質(zhì)條件惡劣，水土流失嚴(yán)重，在此生長的植物能夠正常生存繁衍，說明其自身已具備較強的重金屬耐受性。

植物地上部分重金屬的累積量在某種程度上代表了植物能從土壤中所吸收和提取重金屬量的能力。選取的6種植物中，地上部分重金屬吸附能力由高到低分別為：

Pb：欒樹>楊樹>泡桐>杉樹>香樟>烏桕

Zn：泡桐>香樟>烏桕>楊樹>杉樹>欒樹

Cu：泡桐>烏桕>楊樹>欒樹>香樟>杉樹

Cd：泡桐>楊樹>欒樹>香樟>杉樹>烏桕

雖然檢測的幾種植物體內(nèi)重金屬濃度偏低，但其生物量較大，相應(yīng)增大了重金屬累積總量。在植物體內(nèi)重金屬濃度相同情況下，植物生物量越大，植物去除重金屬的能力越強，這是篩選高生物量植物作為修復(fù)潛力植物的理論基礎(chǔ)。

在植物轉(zhuǎn)運系數(shù)方面，欒樹對于Pb的轉(zhuǎn)運系數(shù)達(dá)到1.314，泡桐對于Zn的轉(zhuǎn)運系數(shù)達(dá)到1.452。說明這兩種植物對分別對于Pb和Zn具有較強的轉(zhuǎn)運能力。

在植物富集系數(shù)方面，所有植物均沒有超過1，這一方面由于尾礦庫土壤中重金屬含量極高；另一方面說明，木本植物的重金屬吸附能力要低于某些超富集草本植物。在礦區(qū)生態(tài)修復(fù)中，必須結(jié)合一定數(shù)量的草本和灌木開展聯(lián)合修復(fù)。

通過對6種鄉(xiāng)土木本植物重金屬富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運系數(shù)的對比分析，發(fā)現(xiàn)杉樹、楊樹、欒樹、泡桐、香樟和烏桕對重金屬Pb、Zn、Cu和Cd都具有較強的耐受性，特別是欒樹、烏桕、泡桐的富集和轉(zhuǎn)運Pb和Zn能力突出。同時，該6種木本植物作為湖南地區(qū)優(yōu)勢用材、能源樹種，在修復(fù)污染的同時兼具經(jīng)濟(jì)效益高、生物量大和易于大面積人工栽培等優(yōu)勢，可在鉛鋅礦廢棄地林業(yè)生態(tài)修復(fù)工程中發(fā)揮重要作用。因此，通過進(jìn)一步研究，用材及能源木本植物修復(fù)技術(shù)可以在“喬-灌-草”相結(jié)合的多層植物群落修復(fù)重金屬污染中發(fā)揮更大的潛力。

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Heavymetaltransfercapabilityofsixwoodyplantsin
lead-zincminearea

ZHANG Xuan1,2, ZHAO Juncheng3, WU Zijian1*, HUANG Zongliang1LIU Jian1, XU Jialuan1, QIN Xiaoli1, LI Hui1

(1.Hunan Academy of Forestry，Changsha 410004, China;2.College of Biology, Hunan University, Changsha 410082, China;3.Hunan Agricultural University, Changsha, 410128, China)

The bioaccumulation capability and transfer characteristics of Pb, Zn, Cu and Cd in soil and 6 different woody plants collected from a typical lead-zinc mine wasteland of Zixing City, Hunan province were investigated, includingCunninghamialanceolata(Lamb.) Hook.,PopulusL.,Koelreuteriapaniculata,Paulownia.,Cinnamomumcamphora(L.) Presl., andSapiumsebiferum(L.) Roxb. The results showed that the 6 plants could adapt to the heavy metal polluted environment, and there was a positive correlation between the heavy metal content in plants and soil.S.sebiferum(L.) Roxb. had the largest Pb bioaccumulation factor of 0.029；Paulownia. had the highest Zn bioaccumulation factor of 0.374；the largest Pb transfer factor of 1.314 were found inK.paniculata；and Zn transfer factor ofPaulownia. reached 1.452. These 3 woody plants are suitable for phytoremediation of lead-zinc mine.

lead-zinc mine； phytoremediation； woody plants ； bioaccumulation capability； transfer characteristics

2016-09-30

湖南林業(yè)科技計劃(XLK201553)；湖南省林業(yè)科技計劃(XLB201503)； 湖南林業(yè)科技計劃(XLK201552)。

張 軒(1990-)女，湖南省長沙市人，碩士，主要從事生物與環(huán)境工程研究。

吳子劍，助理研究員，在讀博士，E-mial:18684927135@163.com。

Q 945.12

A

1003 — 5710(2016)06 — 0064 — 05

10. 3969/j. issn. 1003 — 5710. 2016. 06. 014

(文字編校：楊 駿)