鋅冶煉渣堆場優(yōu)勢植物的重金屬累積特征研究

朱光旭，肖化云，郭慶軍，張忠義，

1. 中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所//環(huán)境地球化學(xué)國家重點實驗室，貴州 貴陽 550081；

2. 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所環(huán)境修復(fù)中心，北京 110011；3. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

鋅冶煉渣堆場優(yōu)勢植物的重金屬累積特征研究

朱光旭1，肖化云1，郭慶軍2，張忠義1，3

1. 中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所//環(huán)境地球化學(xué)國家重點實驗室，貴州 貴陽 550081；

2. 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所環(huán)境修復(fù)中心，北京 110011；3. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

金屬冶煉廢渣未經(jīng)處理露天堆存，經(jīng)降雨和地表水的沖刷及風(fēng)揚擴散，重金屬會進入周圍土壤和地下水，嚴(yán)重威脅周邊自然生態(tài)環(huán)境和人體健康。以黔西北某鋅冶煉廠的廢渣堆場為研究對象，通過實地調(diào)查分析廢渣堆場土壤和18種優(yōu)勢植物的重金屬含量，研究優(yōu)勢植物對重金屬的吸收、轉(zhuǎn)運和富集特征，篩選出適應(yīng)該地區(qū)生態(tài)修復(fù)的先鋒植物。結(jié)果表明，該場地土壤Cd、Pb、Zn、Cu、Cr和Ni存在不同程度超標(biāo)，以Cd、Pb、Zn污染最為嚴(yán)重，三者平均含量分別是貴州省土壤背景值的48、311、141倍。廢渣場土壤受有效態(tài)Cd污染的風(fēng)險較大，其生物有效性系數(shù)為49.12%。調(diào)查的優(yōu)勢植物均能適應(yīng)廢渣堆重金屬元素較高的環(huán)境，對重金屬具有一定的耐性。所有植物對重金屬的吸收雖然都沒有達到超臨界植物規(guī)定的臨界值，但植物體的重金屬含量都遠遠超過了正常范圍，且不同植物對重金屬的吸收和蓄積特征不同。其中，鬼針草Bidens pilosa L.和土荊芥Chenopodium ambrosioides L.對Cd、Pb、Zn的吸收量大、運輸能力強，且覆蓋率高、生物量較大，對復(fù)合重金屬具有一定的耐性，可以作為該地區(qū)生態(tài)恢復(fù)中的先鋒物種。根據(jù)優(yōu)勢植物對重金屬的富集和轉(zhuǎn)運特征，研究區(qū)優(yōu)勢植物可分別富集型（如馬刺薊Cirsium monocephalum、蒲公英Taraxacum mongolicum Hand.-Mazz.和土荊芥Chenopodium ambrosioides L.）、根部囤積型（如牛筋草Eleusine indica （L.） Gaertn.、車前草Plantago asiatica L.和節(jié)節(jié)草Equisetum ramosissimum Desf）和規(guī)避型（如紅花酢漿草Oxalis articulata Savigny）等3種類型。

優(yōu)勢植物；冶煉渣場；重金屬污染；植物修復(fù)；黔西北

ZHU Guangxu， XIAO Huayun， GUO Qingjun， ZHANG Zhongyi. Accumulation of heavy metals by dominant plants in zinc smelting slag field ［J］. Ecology and Environmental Sciences， 2016， 25（8）: 1395-1400.

礦產(chǎn)資源的開發(fā)和利用，在為我國經(jīng)濟建設(shè)做出巨大貢獻的同時，由于生產(chǎn)和治理工藝的落后，金屬礦開采及冶煉生產(chǎn)中留下大量的尾礦和廢渣等礦業(yè)廢棄物帶來的環(huán)境污染和生態(tài)破壞日益嚴(yán)峻，并且影響到人類的健康和生存，其中尤為突出的是重金屬元素對環(huán)境的污染（Li et al.，2005）。大量的礦業(yè)廢棄物未經(jīng)處置，不僅占用土地資源，而且廢棄物中含有的重金屬會通過大氣、水體等途徑廣泛擴散，污染周邊水源和農(nóng)田，導(dǎo)致作物質(zhì)量下降，農(nóng)產(chǎn)品減產(chǎn)或失收（鄧新輝等，2015）。重金屬還會通過食物鏈在生物體內(nèi)蓄積，或以粉塵為載體通過呼吸和體表吸附危及人體健康（仇榮亮等，2009；Sun et al.，2014）。

近年來，隨著重金屬污染土地植被重建和植物修復(fù)研究的興起，植物修復(fù)技術(shù)作為安全可靠、成本低、效果好的生態(tài)修復(fù)方法越來越受到重視（Melo et al.，2009；Ali et al.，2013；韓煜等，2016）。而金屬礦區(qū)廢棄地和冶煉廢渣堆場土壤往往具有土壤結(jié)構(gòu)不良，保水保肥能力差，有機質(zhì)含量及植物必需的氮磷鉀等養(yǎng)分元素嚴(yán)重缺乏，土壤pH值偏極端等特點，再加上重金屬具有很高的植物毒性，植被往往嚴(yán)重退化，生態(tài)恢復(fù)十分困難（Shu et al.，2005）。但自然界植物種類繁多，各有不同的適應(yīng)性，在重金屬異常區(qū)的自然植被中，經(jīng)過長期自然選擇的作用，某些特殊的金屬型植物能夠適應(yīng)這種特殊的環(huán)境條件，對本地逆境條件具有很強的耐性、適應(yīng)性，甚或偏好性（周啟星等，2004；畢德等，2006）。這些植物在重金屬污染土地的植被重建和植物修復(fù)中起到?jīng)Q定性的作用，其前提是尋找和發(fā)現(xiàn)適合當(dāng)?shù)貧夂蚝屯寥罈l件的重金屬耐性和富集植物（張會敏等，2015）。因此，研究重金屬異常區(qū)地上自然生長的優(yōu)勢植物，篩選出具有重金屬富集與耐性的特殊植物，對于金屬礦區(qū)廢棄地的污染治理和生態(tài)恢復(fù)具有重要意義。

黔西北是貴州鉛鋅礦分布的主要地區(qū)，土法煉鋅在該地區(qū)已有300多年歷史。土法煉鋅由于冶煉工藝水平落后，對Zn的回收率低，而對其它元素基本上沒有回收，并缺乏環(huán)保治理設(shè)施，冶煉廢渣長期堆存于未經(jīng)防護的渣場中。本研究以黔西北威寧縣某鋅冶煉廠的廢渣堆場為研究區(qū)域，在調(diào)查當(dāng)?shù)貎?yōu)勢植物的基礎(chǔ)上，對廢渣場土壤及優(yōu)勢植物體內(nèi)重金屬含量進行分析，掌握優(yōu)勢植物對重金屬的耐性及吸收特征，篩選出一些適用當(dāng)?shù)刂参镄迯?fù)的重金屬富集植物，以期為當(dāng)?shù)丶捌渌愃频V業(yè)廢棄地的污染治理和植物生態(tài)重建提供科學(xué)依據(jù)。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)域概況

研究區(qū)位于貴州省威寧縣金鐘鎮(zhèn)冒水村，地處26°46′N，104°23′E，海拔約2140 m，是典型喀斯特地貌地區(qū)。屬亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū)，年平均氣溫11.1 ℃，無霜期178 d，全年平均日照時間1812 h，年降雨量1100 mm。煉鋅礦渣堆場總占地面積10000 m2左右，平均高度約為10 m，堆置時間超過30年。

1.2樣品采集與分析

2015年5月和11月，根據(jù)廢渣堆積點的分布情況，設(shè)置7個30 m×30 m的樣方，采集土壤和植物樣品。在每個樣方地采集5個點的土樣混合為1個土樣，采集深度為0～15 cm，同時隨機選取3株生長旺盛的優(yōu)勢植物。將不同樣方地的同種植物歸為同一個植物樣。植物收獲后，用自來水沖洗去除粘附于植物樣品表面的泥土和污物，再用去離子水漂洗3次，風(fēng)干。將植株分為地上部分（莖葉分開）和地下部分，105 ℃下殺青30 min，60 ℃下烘至恒重，粉碎，放入干燥箱備用。將土壤樣品自然風(fēng)干，剔除明顯的雜物，敲碎后一部分過20目尼龍篩，用于pH值測定，另一部分用瑪瑙研缽碾磨過100目尼龍篩后保存?zhèn)溆谩?/p>

植物樣品重金屬含量測定采用HNO3-HClO4法消解（Zhang et al.，2014），土壤重金屬含量分析采用HNO3-HF-HClO4消解（彭渤等，2011），土壤重金屬元素的有效態(tài)均采用0.1 mol·L-1的HCl浸提制備待測液（鐘曉蘭等，2007）。實驗中所用HNO3、HF、HClO4均為優(yōu)級純，水為二次純化蒸餾水。實驗數(shù)據(jù)可靠性通過全程空白分析、加入國家標(biāo)準(zhǔn)土壤樣品進行準(zhǔn)確度控制以及通過隨機選取樣品做平行測定進行精密度控制。樣品測試在中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所理化分析中心進行，采用PHS-3B型雷磁精密pH計測定土壤pH值；電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS，ELAN-DRC-e）測定樣品中的Cd含量，電感耦合等離子體光譜儀（ICP-OES，Optima 5300DV）測定Cr、Cu、Ni、Pb和Zn含量。

表1　廢渣堆場優(yōu)勢植物種類及其特征Table 1　Dominant plants species and their characteristics in smelting slag field

2　結(jié)果與分析

2.1優(yōu)勢植物組成及特征

經(jīng)過多年的自然演替，礦渣堆的植被已形成以草本植物占絕對優(yōu)勢的自然群落，其種類組成較為豐富（表1）。調(diào)查中共采集植物樣品18個，分屬于12科。其中，菊科5種，十字花科和禾本科各2種。從植物生活型來看，以草本植物為主，共16種，灌木2種，這可能與草本植物具有營養(yǎng)繁殖及耐貧瘠、干旱等特點，相對比較容易形成重金屬耐性有關(guān)（陳紅琳等，2007）。從植物的豐富度來看，優(yōu)勢度較高的植物有鬼針草（Bidens pilosa L.）、醉魚草（Buddleja lindleyana）、金星蕨（Parathelypteris glanduligera）和土荊芥（Chenopodium ambrosioides L.）。這些植物為鄉(xiāng)土植物，能夠適應(yīng)當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件和惡劣的生長環(huán)境，具有較強的重金屬耐性。

2.2廢渣堆場土壤重金屬含量

廢渣堆場土壤pH平均值為7.96，偏堿性。重金屬全量和有效態(tài)平均含量的測定結(jié)果見表2。廢渣堆場土壤中6種重金屬和貴州省土壤背景值相比（劉鳳枝，2001）都有不同程度超標(biāo)，其中Pb、Zn、Cd和Cu的平均含量分別是土壤背景值的311、141、48和10倍，Cr和Ni的含量相對較低，平均值為背景值1.6和2.1倍。參照國家土壤環(huán)境質(zhì)量三級標(biāo)準(zhǔn)（GB15618—1995），Cd、Pb和Zn嚴(yán)重超標(biāo)，最低含量分別是國家三級標(biāo)準(zhǔn)的22.4、15.3和20.6倍。Cd、Pb和Zn的有效態(tài)含量較高，三者的平均重金屬有效性系數(shù)（有效態(tài)含量占總量的比例）分別為49.12%、5.60%和12.81%，表明廢渣堆場中鎘污染可能具有嚴(yán)重的生態(tài)危害性。

表3　優(yōu)勢植物重金屬含量Table 3　Heavy metal concentrations in dominate plants　mg·kg-1

2.3優(yōu)勢植物體內(nèi)重金屬含量

18種優(yōu)勢植物體內(nèi)的Cd、Pb和Zn含量的測定結(jié)果表明（表3），不同植物對重金屬的吸收和蓄積特征存在較大差異，總體來看，植物體內(nèi)Zn含量最高，其次是Pb和Cd。一般認(rèn)為，植物的重金屬正常含量分別為：Cd 0.2～3 mg·kg-1；Pb 0.1～41.7 mg·kg-1；Zn 1～160 mg·kg-1（何東等，2014）。本次調(diào)查的18種優(yōu)勢植物中，無論是地上部分的莖和葉還是地下根部，其Cd、Pb和Zn含量，幾乎都超過植物的重金屬正常含量，但是都沒有達到超富集植物的臨界含量（分別為100、1000和10000 mg·kg-1）標(biāo)準(zhǔn)（Baker et al.，1983）。本研究的18種植物均能在重金屬污染嚴(yán)重的環(huán)境下正常生長，可見這些植物是在長期的自然選擇過程中產(chǎn)生了對重金屬毒害的防衛(wèi)機制，具有較強的抗污染能力（金倩等，2010）。

表4　優(yōu)勢植物的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運系數(shù)Table 4　The bio-accumulating coefficient and biological transfer coefficient of the dominant plants

2.4優(yōu)勢植物對重金屬的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運特征

在植物修復(fù)中，生物富集系數(shù)BEC（biological enrichment coefficient）指植物體內(nèi)某種重金屬元素的含量與土壤中同種重金屬含量的比值，它常被用來反映植物對土壤重金屬元素的富集能力和修復(fù)潛力；生物轉(zhuǎn)移系數(shù)BTC（biological transfer coefficient）等于植物地上部重金屬含量與根部相應(yīng)重金屬的含量的比值，用來表征植物將重金屬從根部向地上部轉(zhuǎn)移的能力（崔爽等，2006）。而土壤的重金屬生物有效性及植物毒性不僅與其總量有關(guān)，更大程度上取決于土壤中重金屬的賦存形態(tài)，尤其是生物有效態(tài)的含量。與全量重金屬相比，土壤中的有效態(tài)重金屬能夠更好地反映植物對土壤中重金屬的吸收和受毒害的可能性，用其進行植物富集特性的研究，更具有科學(xué)性和可比性（李亮亮等，2008）。因此，本研究采用植物體內(nèi)的重金屬含量與相應(yīng)的土壤有效態(tài)重金屬含量的比值來比較植物對土壤重金屬吸收轉(zhuǎn)移能力的強弱。

表4為18種優(yōu)勢植物地上部和根部對Cd、Pb和Zn的富集系數(shù)、綜合富集系數(shù)及轉(zhuǎn)移系數(shù)。（1）地上部富集系數(shù)：小蓬草、鬼針草、蒲公英、狗尾巴草、土荊芥和三花懸鉤子6種植物對Cd的富集系數(shù)大于1，其他植物對Cd的富集系數(shù)小于1；所有植物對Pb的富集系數(shù)均小于1，對Zn的富集系數(shù)均小于0.5，說明各植物吸收土壤Pb和Zn的能力較弱。從綜合富集系數(shù)來看，綜合富集能力較強的有鬼針草、三花懸鉤子、土荊芥、蒲公英和馬刺薊，綜合富集系數(shù)分別為3.38、2.93、2.85、2.51和2.24。在18種調(diào)查植物中，鬼針草對Cd和Pb的富集系數(shù)最高，分別為1.99和0.92，且對Zn的富集系數(shù)也較高。土荊芥具有第二高（1.91）的Cd富集系數(shù)和最高的Zn富集系數(shù)（0.48）。綜合考慮鬼針草和土荊芥對Cd、Pb和Zn具有較強的富集能力，且地上部形態(tài)高大，生物量遠大于一般的草本植物，認(rèn)為這兩種植物可作為Cd、Pb和Zn污染嚴(yán)重地區(qū)生態(tài)恢復(fù)的先鋒植物。（2）根部富集系數(shù)：狗尾巴草、三花懸鉤子、鬼針草、節(jié)節(jié)草和野艾蒿的根部對Cd富集能力較強，富集系數(shù)分別為3.00、2.59、1.78、1.48和1.26；Pb富集系數(shù)大于1的植物包括鬼針草、狗尾巴草、節(jié)節(jié)草和三花懸鉤子；所有調(diào)查植物的根部對Zn的富集系數(shù)均小于1；三花懸鉤子的綜合富集系數(shù)最大（5.20），其次為狗尾巴草（5.01）和鬼針草（4.12）。（3）轉(zhuǎn)移系數(shù)：馬刺薊和芥菜型油菜對Cd、Pb和Zn的轉(zhuǎn)移系數(shù)較高，均大于2，表現(xiàn)出較強的向地上部分轉(zhuǎn)移的能力；而牛筋草、狗尾巴草、車前草、節(jié)節(jié)草和三花懸鉤子對3種金屬的轉(zhuǎn)移系數(shù)較低，基本小于0.5，表明這些植物能夠通過自身的排斥機制，阻止地下部分吸收的重金屬元素向上部運輸以減少毒害（李江遐等，2016）。

根據(jù)植物對重金屬不同的吸收、轉(zhuǎn)移和累積機制，目前公認(rèn)的植物耐受重金屬機制主要有3種策略（Baker，2001；雷梅等，2005）：富集型、根部囤積型和規(guī)避型。富集型是指從土壤中主動吸收并富集金屬元素，并表現(xiàn)出較強的向地上部分轉(zhuǎn)移的能力。根部囤積型植物對土壤中的重金屬具有被動吸收的特征，能將重金屬吸收至體內(nèi)，但金屬元素大量囤積于根部，只有少量向地上部運移，以減少對植物生理系統(tǒng)的傷害，轉(zhuǎn)移系數(shù)小于1。規(guī)避型植物的特點是雖然植物生長在重金屬含量非常高的環(huán)境中，但能通過某些機制抵制植物根系對重金屬的吸收，植物體內(nèi)只吸收少量的重金屬。本研究表明：蒲公英、馬刺薊和土荊芥體內(nèi)3種金屬元素的含量相對較高，且轉(zhuǎn)移系數(shù)均大于1，符合富集型植物特征；牛筋草、車前草和節(jié)節(jié)草的重金屬主要累積在根部，轉(zhuǎn)移系數(shù)基本小于0.5，表現(xiàn)出較弱的向地上轉(zhuǎn)移的能力，可見其屬于根部囤積型植物；紅花酢漿草地上部和根部的3種重金屬含量均較低，地上部和根部的綜合富集系數(shù)均小于1，屬于重金屬規(guī)避型植物。

3　結(jié)論

（1）廢渣堆場土壤受多種重金屬元素的復(fù)合污染，其中Pb、Zn和Cd是主要污染元素，其含量遠高于國家土壤環(huán)境質(zhì)量三級標(biāo)準(zhǔn)和貴州省土壤背景值，尤其是Cd污染具有較高的生態(tài)威脅性。

（2）自然定居于廢渣堆場內(nèi)的優(yōu)勢植物達18種，分屬于12科，并以草本植物為主。醉魚草、土荊芥、鬼針草和金星蕨為豐富度較高的常見植物。

（3）調(diào)查18種優(yōu)勢植物體內(nèi)重金屬含量超過正常植物含量，但未達到超富集植物的臨界標(biāo)準(zhǔn)。鬼針草和土荊芥生長繁殖良好，生物量較高，且地上部Cd、Pb、Zn含量較高，可用于該地區(qū)及同類污染嚴(yán)重地區(qū)的生態(tài)修復(fù)。通過植物對重金屬的富集和轉(zhuǎn)移特征分析，結(jié)果表明馬刺薊、蒲公英和土荊芥體屬于重金屬富集型植物特征，牛筋草、車前草和節(jié)節(jié)草屬于根部囤積型植物，紅花酢漿草地上部和根部的3種重金屬含量均較低，地上部和根部的綜合富集系數(shù)均小于1，屬于重金屬規(guī)避型植物。

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Accumulation of Heavy Metals by Dominant Plants in Zinc Smelting Slag Field

ZHU Guangxu1， XIAO Huayun1， GUO Qingjun2， ZHANG Zhongyi1，3
1. State Key Laboratory of Environmental Geochemistry//Institute of Geochemistry， Chinese Academy of Sciences， Guiyang 550002， China；
2. Center for Environmental Remediation， Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research， Chinese Academy of Sciences，Beijing 100101， China；
3. University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China

Heavy metals from untreated metal smelting slag in the open field can be leached into soils and groundwater by rainfall，runoff and wind blowing， which generates a significant risk to the ecological environment and human health. A field investigation on the content of heavy metals in soils and 18 kinds of dominant plants at one zinc smelting slag site in Northwestern Guizhou Province was carried out. The absorption and accumulation characteristics of heavy metals between plants and soils were compared， and the pioneer plants for ecosystem restoration of the area were selected. The results revealed that the soils of the smelting slag field have been polluted by heavy metals in varying degrees. The average concentration of Zn， Cr， Cd， Pb， Cu and Ni was 14 017.81， 149.00，31.41， 10 948.75， 323.89 and 68.33 mg·kg-1， respectively. The concentration of Cd， Pb， and Zn was 48， 311 and 114 times of their respective background value in Guizhou Province. According to the available heavy metal contents， 49.12% available mass fraction of Cd if of very high risk to the environment. The dominant plants can adapt to the unfavorable edaphic conditions of smelting slag field and were tolerant to heavy metals. The concentrations of Cd， Pb and Zn in all the analyzed plants exceeded the normal ranges，but had not reached the level for hyperaccumulators. There were great variations of metal uptake and accumulation among different plant species. Among the dominant plants， Bidens pilosa L. and Chenopodium ambrosioides L. had large biomass， and had good accumulation of Cd， Pb and Zn. Thus， Bidens pilosa L. and Chenopodium ambrosioides L. can be used as pioneer plants for revegetation and phytoremediation in the study area. There were great variations of metal uptake and accumulation among different plant species. According to the metal accumulation in the plant shoots and roots， the dominant plants were classified into three types: the accumulator， e.g. Cirsium monocephalum， Taraxacum mongolicum Hand.-Mazz. and Chenopodium ambrosioides L.； the root compartment， e.g. Eleusine indica （L.） Gaertn.， Plantago asiatica L. and Equisetum ramosissimum Desf； and the excluder， e.g. Oxalis articulate Savigny.

dominant plants； smelting slag field； heavy metal pollution； phytoremediation； Northwestern Guizhou Province

10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.08.021

X173

A

1674-5906（2016）08-1395-06

國家自然科學(xué)基金項目（41425014）；中國博士后科學(xué)基金項目（2015M582578）；國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃項目（2013AA06A211-2）；國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目（2014CB238906）

朱光旭（1986年生），男，博士，研究方向為重金屬污染評價及修復(fù)。E-mail: zhuguangxu@mail.gyig.ac.cn

2016-06-12

引用格式：朱光旭， 肖化云， 郭慶軍， 張忠義. 鋅冶煉渣堆場優(yōu)勢植物的重金屬累積特征研究［J］. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報， 2016， 25（8）: 1395-1400.