高As煤礦區(qū)燈心草重金屬累積特性研究

劉桂華，胡 崗，秦 松，付天嶺，范成五，劉小倩

（1.貴州省土壤肥料研究所，貴州貴陽550006；2.貴州省農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，貴州貴陽550006；3.貴州省農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境工程技術(shù)研發(fā)中心，貴州貴陽550006；4.貴州大學(xué)新農(nóng)村發(fā)展研究院，貴州貴陽550025；5.貴州恒鼎源農(nóng)業(yè)環(huán)境科技有限公司，貴州貴陽550025）

高As煤礦區(qū)燈心草重金屬累積特性研究

劉桂華1，2，3，胡 崗1，2，3，秦 松1，2，3，付天嶺4，范成五1，2，3，劉小倩5

（1.貴州省土壤肥料研究所，貴州貴陽550006；2.貴州省農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，貴州貴陽550006；3.貴州省農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境工程技術(shù)研發(fā)中心，貴州貴陽550006；4.貴州大學(xué)新農(nóng)村發(fā)展研究院，貴州貴陽550025；5.貴州恒鼎源農(nóng)業(yè)環(huán)境科技有限公司，貴州貴陽550025）

在實地調(diào)查的基礎(chǔ)上，采用野外采樣與實驗室分析相結(jié)合的方法，就黔西南州高As煤礦區(qū)周邊的優(yōu)勢植物物種——燈心草對重金屬（Fe，Mn，Cu，As）的累積特征進(jìn)行了初步研究，旨在探明燈心草對煤礦區(qū)重金屬污染修復(fù)的潛力。結(jié)果顯示，煤礦區(qū)受到了Fe，Cu，As的污染，累積指數(shù)分別達(dá)1.77，4.53和52.94，綜合累積指數(shù)達(dá)755.98，屬于重度累積，表明煤礦區(qū)已受到了嚴(yán)重污染。通過富集系數(shù)、轉(zhuǎn)移系數(shù)、滯留率分析發(fā)現(xiàn)，燈心草對Fe，Mn元素屬于富集型植物，對As元素屬于根部囤積型植物，而對于Cu元素則屬于規(guī)避型植物。

煤礦區(qū)；重金屬元素；燈心草；累積指數(shù)；富集特征

礦山在開采過程中產(chǎn)生的廢水、廢氣及固體廢物所導(dǎo)致的重金屬污染對周邊生態(tài)系統(tǒng)造成了嚴(yán)重威脅，其所產(chǎn)生的污染能夠長時間殘留在土壤中，難以被微生物降解，因此，通過食物鏈會直接為害人體的健康[1]，最終引起土壤環(huán)境惡化、野生植物種類及數(shù)量的銳減，導(dǎo)致土壤失去使用價值。減輕礦區(qū)重金屬對生態(tài)環(huán)境的為害，植被的重建就成為礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)的最佳途徑和急需解決的關(guān)鍵問題[2-4]。迄今為止，所研究的重金屬超富集植物通常植株矮小，生物量較低，生長速度緩慢，生育周期長，同時，極易受土壤理化性質(zhì)如水分、鹽度、酸堿度等的影響，因此不能得到廣泛的實際應(yīng)用[5-6]。

通過對煤礦區(qū)周邊土壤重金屬污染現(xiàn)狀的調(diào)查，以篩選出能夠適應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂?、土壤環(huán)境的重金屬耐性物種，已成為礦區(qū)植被恢復(fù)、土壤修復(fù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。燈心草（Juncus effusus）又稱野席草、燈草、水燈心，是席草類莎草科蒲草屬，多年生草本作物，分布范圍較廣。燈心草具有較高的經(jīng)濟(jì)、藥用價值，在醫(yī)藥和民用工業(yè)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，常見其在處理城市污水[7-8]、土壤重金屬污染修復(fù)[9]等方面的報道。

筆者實地調(diào)查了煤礦區(qū)周圍的優(yōu)勢物種，并對復(fù)合重金屬富集特征進(jìn)行了對比分析，篩選耐受性強、金屬含量高、生物量大的植物，以便選出適應(yīng)性較強的重金屬耐性和超累積原生植物，進(jìn)而對礦區(qū)周邊污染土壤的修復(fù)和生態(tài)植被恢復(fù)具有一定的指導(dǎo)意義。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

興仁縣（東經(jīng)105.18°，北緯25.43°）位于貴州省黔西南州中部。地勢西高東低，地形起伏較大，屬于典型的碳酸鹽巖區(qū)，生態(tài)環(huán)境非常脆弱，石漠化較為嚴(yán)重。興仁境內(nèi)礦產(chǎn)資源豐富，主要有煤、金、銻、汞、大理石、石灰石等，其中，煤的遠(yuǎn)景儲量超過45億t，是國家地質(zhì)儲量機構(gòu)認(rèn)定的“興仁煤田”。煤炭在開采和冶煉過程中留下了大量的廢棄煤礦井及圍巖，排放的礦山酸性廢水和廢渣，嚴(yán)重破壞了周邊植物的多樣性。

1.2 研究方法

1.2.1 土壤和植物樣品采集 首先對煤礦區(qū)優(yōu)勢植物進(jìn)行調(diào)查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，污染的礦區(qū)周邊仍有燈心草生長，之后隨機選取一個10 m×10 m的大樣方，再在這個大樣方中采用梅花布點法選取0.5 m× 0.5 m的5個小樣方，然后在小樣方內(nèi)依次選取代表性強、生長旺盛的燈心草，采集完整植株，分別收集地上、地下部分，做好標(biāo)記。同時，采集燈心草對應(yīng)根部的表層土壤樣品（0～20 cm），混勻，并做好標(biāo)記。

1.2.2 樣品測定與分析方法 植物樣品采回后，先用自來水沖洗干凈，然后用純凈水沖洗3次，于干燥箱中105℃殺青30 min，最后60℃烘干至恒質(zhì)量，分別將地上部分和地下部分磨碎，過0.149 mm尼龍篩，再采用硝酸-長管消解法濕法消解，定容過濾待測。土壤樣品帶回實驗室后，去除石塊、植物根系殘體，于室內(nèi)自然風(fēng)干，過0.149 mm尼龍篩，用王水回流-長管消解法濕法消解（SCP science Digi-pert HT，美國熱電），定容過濾后待測。采用火焰原子吸收分光光度計（美國熱電，ICE 3500）測定燈心草及土壤樣品消解液中Fe，Mn，Cu等特征重金屬元素含量，樣品中As含量采用原子熒光光度計（北京瑞利，AFS-810）測定。

1.2.3 污染評價的方法與標(biāo)準(zhǔn) 污染指數(shù)法是較為普遍的污染評價方法，有單因子污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法[10]。土壤由于地區(qū)背景差異較大，用土壤污染累積指數(shù)更能反映土壤的人為污染程度。土壤金屬的累積狀況可通過土壤金屬全量測定值與累積性評價指標(biāo)值相比較而獲得[11]。

土壤單項累積指數(shù)計算公式如下。

式中，Pi全量為土壤中重金屬i的單項累積指數(shù)；Ci為土壤中重金屬i全量的實測質(zhì)量分?jǐn)?shù)（mg/kg）；Si為土壤中重金屬i的累積性評價指標(biāo)值（mg/kg）。當(dāng)Pi全量≤1.0時，表示該土壤沒有累積，仍在背景水平；當(dāng)1.0＜Pi全量≤2.0時，屬于輕度累積，表示該土壤中某種重金屬已出現(xiàn)累積現(xiàn)象；當(dāng)2.0＜Pi全量≤3.0時，屬于中度累積，表明土壤中某種重金屬已有一定程度的累積；當(dāng)Pi全量＞3.0時，屬于重度累積，表明土壤中某種重金屬嚴(yán)重累積。

綜合累積指數(shù)是污染物對土壤作用的較好反映，同時能顯示高濃度污染物對土壤環(huán)境質(zhì)量的影響。該評價體系特別考慮了污染最嚴(yán)重的因素，有效地規(guī)避了主觀因素的影響，是目前應(yīng)用較多的一種環(huán)境質(zhì)量指數(shù)?？砂淳C合累積指數(shù)劃定污染等級。綜合累積指數(shù)計算公式如下。

式中，P綜合表示土壤重金屬綜合累計指數(shù)；maxPi全量表示土壤重金屬中單項累積指數(shù)的最大值；avePi全量表示土壤重金屬中單項累積指數(shù)的平均值。綜合累積指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)列于表1。

表1 土壤重金屬綜合累積指數(shù)等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)分析、處理采用Excel進(jìn)行。

富集系數(shù)＝植物體內(nèi)重金屬含量/土壤中重金屬含量[12]；轉(zhuǎn)運系數(shù)＝植物地上部重金屬含量/地下部重金屬含量；滯留率＝（地下部重金屬元素的濃度－地上部重金屬元素的濃度）/地下部重金屬元素的濃度×100%[13]。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤中重金屬含量與評價

2.1.1 土壤重金屬的含量 興仁高砷煤礦區(qū)內(nèi)優(yōu)勢植物——燈心草根部pH值及相應(yīng)土壤重金屬含量列于表2。由表2可知，高As煤礦區(qū)燈心草根部的pH值平均在3.95±0.01，屬于強酸性；4種金屬在土壤中含量大小依次為Fe＞As＞Mn＞Cu，但相對于貴州省土壤背景值[14]，F(xiàn)e，As，Cu均有不同程度的超標(biāo)，分別是貴州省土壤背景值的4.53，52.94，1.77倍。

表2 高砷煤礦區(qū)優(yōu)勢植物燈心草根部土壤pH值及相應(yīng)重金屬含量

2.1.2 重金屬污染指數(shù)及等級 煤礦區(qū)土壤重金屬的單項累積指數(shù)和綜合累積指數(shù)以及等級劃分列于表3。由表3可知，在高As煤礦區(qū)中，Mn元素的單項累積指數(shù)小于1，僅為0.26，屬于未累積；Cu元素的累積指數(shù)為1.77，屬于輕度累積；而Fe和 As元素的累積指數(shù)分別為4.53和52.94，屬于重度累積，說明該煤礦區(qū)已受到了Fe，As的嚴(yán)重污染，其中，As污染較為嚴(yán)重。從綜合累積指數(shù)來看，P綜合達(dá)到755.98，表明礦區(qū)的重金屬綜合累積已達(dá)重度累積水平。

表3 煤礦區(qū)土壤重金屬污染指數(shù)及污染等級

2.2 燈心草對幾種金屬元素的累積特性

2.2.1 燈心草體內(nèi)重金屬含量 由表4可知，重金屬在燈心草體內(nèi)的含量大小表現(xiàn)為Fe＞Mn＞As＞Cu；而土壤中重金屬含量大小為：Fe＞As＞Mn＞Cu。除As，Mn之外，植物體內(nèi)與土壤中重金屬含量基本保持一致，這在一定程度上反映了植物對重金屬的富集作用與土壤中重金屬本底含量之間存在一定的正相關(guān)性。燈心草體內(nèi)4種重金屬元素Fe， Mn，Cu，As中，除地上部分和地下部分的Cu元素含量的差異性不顯著外（P＞0.05），其他3種元素含量在燈心草的地上部分和地下部分之間均達(dá)到了顯著或極顯著差異水平。此外，在燈心草體內(nèi)的重金屬含量與正常植物體內(nèi)含量[15-16]相比，只有重金屬Cu元素在植物正常生長范圍內(nèi)，而Fe，Mn，As這3種重金屬均超標(biāo)，說明燈心草對這幾種重金屬具有一定的富集能力。

表4 燈心草體內(nèi)重金屬含量 mg/kg

2.2.2 燈心草體內(nèi)重金屬富集、轉(zhuǎn)移能力及滯留率

富集系數(shù)能夠反映植物對土壤中重金屬元素吸收轉(zhuǎn)移能力的強弱，富集系數(shù)越大，說明植物對該金屬富集能力越強[17]。其也是反映植物對重金屬吸收潛力的重要指標(biāo)，從而推斷植物的修復(fù)潛力[18]。轉(zhuǎn)移系數(shù)即植物地上部分的重金屬含量與根部重金屬的含量的比值，表示的是重金屬在植物體內(nèi)由根部向地上部轉(zhuǎn)移的能力[19]。滯留率即根部重金屬含量和地上部重金屬含量之差與根部重金屬含量的比值，可顯示出植物對重金屬耐性能力的強弱，這也是植物根部對重金屬污染的一種保護(hù)性反應(yīng)[13]。

從表5可以看出，燈心草對Mn元素的富集系數(shù)為6.04，而對Fe，Cu，As的富集系數(shù)均小于1，說明燈心草地上部分中的Mn含量大于其所生長的土壤環(huán)境中的Mn含量，因此，燈心草適應(yīng)受Mn污染土壤的修復(fù)治理。燈心草對Fe，Mn的轉(zhuǎn)運系數(shù)分別為2.48，3.03，而Cu和As則小于1。滯留率則表現(xiàn)出與轉(zhuǎn)運系數(shù)相反的變化規(guī)律，即Cu，As的滯留率較大，特別是對有毒元素As的滯留率可達(dá)到96.59%，這是植物的一種自我保護(hù)機制，由于莖葉部分比根系更容易受到逆境的毒害，這樣就有效避免了植物根部有毒元素進(jìn)入莖葉中[19]。

表5 煤礦區(qū)燈心草富集、轉(zhuǎn)移系數(shù)及滯留率

3 討論

煤礦區(qū)燈心草根部土壤是呈強酸性的，土壤3種重金屬（Fe，Cu，As）與貴州省土壤背景值相比，都有不同程度的超標(biāo)，尤其As是背景值的50余倍。煤礦區(qū)土壤中Cu屬于輕度累積，F(xiàn)e和As則為重度累積。從綜合累積指數(shù)來看，煤礦區(qū)重金屬累積指數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于2.1，已經(jīng)達(dá)到了重度累積的水平，可見，該煤礦區(qū)主要是由As污染引起的，說明礦山在開采后產(chǎn)生的As污染最為嚴(yán)重。

煤礦區(qū)周邊土壤被重金屬污染后，會對植物的生長發(fā)育造成嚴(yán)重的損害，但燈心草卻能存活下來，且生長良好，這或許是由于長期的自然選擇使植物產(chǎn)生了對重金屬毒害的防衛(wèi)機制，從而對污染產(chǎn)生了一定的抵抗能力[20]。有學(xué)者研究指出[21]，植物對重金屬的吸收類型：第1類為富集型（Accumulators），能將重金屬元素從土壤中主動吸收并富集[22]，轉(zhuǎn)運系數(shù)大于1，能使重金屬元素向地上部轉(zhuǎn)移，燈心草地上部Fe，Mn含量分別達(dá)3029.97，944.17mg/kg，地下部分含量分別為1 223.58，311.66 mg/kg，說明燈心草是Fe，Mn的富集植物，具有修復(fù)Fe，Mn污染土壤的能力；此外，燈心草對Cu和As也具有一定的耐性，即使在高濃度Cu和As污染的土壤中也能生長良好。第2類是根部囤積型（Root Compartments），指植物吸收重金屬后，很大一部分累積在根部，極少量會向地上部轉(zhuǎn)移，從而減輕了其對光合、呼吸作用的毒害[21]，轉(zhuǎn)移系數(shù)小于1。燈心草地下部As含量為134.63 mg/kg，而地上部As含量僅為4.59mg/kg。由此可見，燈心草對于重金屬元素As，屬于根部囤積型植物。第3類是規(guī)避型（Excluders），指將土壤重金屬主要集中在根系表面，只有少量重金屬被植物吸收，富集、轉(zhuǎn)運系數(shù)均小于1，且植物體內(nèi)重金屬含量都屬于正常水平。在本次煤礦區(qū)調(diào)查中，燈心草對于Cu的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運系數(shù)均為0.76，且燈心草體內(nèi)銅含量也在植物正常含量范圍內(nèi)。故對于重金屬Cu，燈心草屬于規(guī)避型植物。

綜上所述，燈心草可作為修復(fù)高As煤礦區(qū)污染土壤的先鋒物種，從而提高煤礦區(qū)植被覆蓋率、改善礦區(qū)生態(tài)環(huán)境以及修復(fù)礦區(qū)重金屬污染土壤。

4 結(jié)論

煤礦區(qū)周邊土壤在一定程度上受到了Fe，Cu，As等重金屬元素的污染，重金屬的單項累積指數(shù)表明，除了Cu是輕度累積外，其他2種金屬元素均達(dá)到了重度累積水平，且綜合累積指數(shù)為755.98，屬于重度累積。

燈心草中重金屬含量除了Cu元素符合植物體內(nèi)正常含量外，其他幾種重金屬元素（Fe，Mn，As）均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了植物的正常生長含量范圍。

燈心草對Fe，Mn的轉(zhuǎn)運系數(shù)均是大于1，其中，Mn的富集系數(shù)也大于1，且滯留率均小于0；而對Cu和As的富集與轉(zhuǎn)運系數(shù)均小于1，滯留率達(dá)到20%以上，尤其對As的滯留率高達(dá)96.59%。

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Study on Heavy Metal Accumulation Characteristics ofJuncus effususin High Arsenic Coal Mining Area

LIUGuihua1，2，3，HUGang1，2，3，QINSong1，2，3，F(xiàn)UTianling4，F(xiàn)ANChengwu1，2，3，LIUXiaoqian5
（1.Guizhou Institute ofSoil and Fertilizer，Guiyang550006，China；2.Guizhou Institute ofAgricultural Resources and Environment，Guiyang550006，China；3.Guizhou Province Agricultural Resources and Environmental EngineeringTechnologyResearch and Development Center，Guiyang550006，China；4.Institute ofNewRural Development Research，Guizhou University，Guiyang550025，China；5.Guizhou Hengdingyuan Agricultural Environment TechnologyCo.,Ltd.，Guiyang550025，China）

Combined with the field survey,Juncus effusus was the dominant species around the coal mining area,then the heavy metal（Fe,Mn,Cu,As）accumulation characteristics of Juncus effusus was researched preliminarily by field sampling combining with laboratoryanalysis,aimed at exploringits potential ofrepairingheavy metal.The results showed that the coal mining area was polluted by Fe,Cu and As,the accumulation indexwas 1.77,4.53 and 52.94,respectively,the comprehensive accumulation indexwas 755.98.These indicated the coal miningarea was severe contamination.The analysis ofaccumulation index,transfer ratio and retention rate showed that Juncus effusus was accumulation type plant toFe,Mn and roots hoardingtype toAs,but was evasive type toCu.

coal miningarea;heavymetallic element;Juncus effusus;accumulation index;enrichment characteristics

X171.5

A

1002-2481（2016）08-1161-05

10.3969/j.issn.1002-2481.2016.08.25

2016-03-29

貴州省科研機構(gòu)服務(wù)企業(yè)行動計劃項目（黔科合服企（2015）4007）；貴州省科技廳科技計劃項目（黔科合NY（2013）3077號）；貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技成果培育與人才培養(yǎng)項目（黔農(nóng)科院CR合字（2014）12）

劉桂華（1989-），女，貴州銅仁人，研究實習(xí)員，碩士，主要從事農(nóng)業(yè)環(huán)境重金屬污染治理研究工作。范成五為通信作者。