徐州北郊煤礦區(qū)優(yōu)勢植物調(diào)查及重金屬富集特征研究

張浩嘉，劉漢湖，肖 昕，孫曉菲，蔡成哲

(1.中國礦業(yè)大學 環(huán)境與測繪學院，江蘇 徐州 221116； 2.烏魯木齊鐵路局，新疆 庫爾勒 841001)

徐州北郊煤礦區(qū)優(yōu)勢植物調(diào)查及重金屬富集特征研究

張浩嘉1，劉漢湖1，肖 昕1，孫曉菲1，蔡成哲2

(1.中國礦業(yè)大學 環(huán)境與測繪學院，江蘇 徐州 221116； 2.烏魯木齊鐵路局，新疆 庫爾勒 841001)

以徐州北郊煤礦區(qū)本土植物為研究對象，通過測定植物及土壤中的Pb、Cu和Zn 3種重金屬含量，研究優(yōu)勢植物對不同重金屬的富集能力.調(diào)查發(fā)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)共有草本植物24種，分屬24屬12科，其中優(yōu)勢植物8種.結(jié)果表明，礦區(qū)土壤中的Pb、Cu和Zn的平均含量分別為徐州市背景值的1.56、1.10和2.70倍.其中小飛蓬(Erigeronannuus)對Pb、Cu和Zn的轉(zhuǎn)運系數(shù)分別為1.01、1.42和1.12；野艾蒿(Artemisialavandulaefolia)中Zn的含量超出正常范圍，高達164.16 mg/kg，且對Zn的轉(zhuǎn)移和富集系數(shù)分別達到2.08和1.13.兩種植物均具有一定的重金屬富集潛力，可考慮作為本土煤礦區(qū)生態(tài)修復的修復植物.

重金屬；優(yōu)勢植物；富集系數(shù)；轉(zhuǎn)運系數(shù)

0 引言

中國經(jīng)濟幾十年來的持續(xù)快速增長，工業(yè)擴張、城市化和采礦作業(yè)的速度和規(guī)模驚人，這給人均耕地面積不足世界平均水平40%的中國帶來了巨大的農(nóng)業(yè)負擔[1].其中礦業(yè)用地侵占了大約40 000 km2的土地，并且還在以每年330 km2的速度增長，對所在區(qū)域及周邊的耕作土壤產(chǎn)生持久性的重金屬污染[2].這種影響可能會造成嚴重的生態(tài)危機，引發(fā)人類的健康風險.因此，迫切需要一種經(jīng)濟有效的技術用于修復礦山尾礦，這些問題已經(jīng)引起了公眾的廣泛關注[3].

化學法與物理法可以修復受重金屬污染的土壤，但成本過于昂貴，且會對土壤的理化性質(zhì)造成不可逆的影響.植物修復作為一種經(jīng)濟環(huán)保的技術，迅速成為世界各國在環(huán)境修復領域的研究熱點[4]，截至目前全世界大約發(fā)現(xiàn)了400種超富集植物[5].植物修復應首先考慮本土物種作為修復植物，不僅因為其可以更好地適應當?shù)丨h(huán)境，同時可以避免引進潛在的外來入侵物種，降低區(qū)域植物多樣性.本研究對徐州北郊煤礦區(qū)周邊的植被和土壤進行采樣調(diào)查，分析植物對重金屬Pb、Cu和Zn的吸收與富集能力，以期發(fā)現(xiàn)適用于徐州本土的超累積植物或耐性植物，并對其凈化土壤的潛力作初步探討.

1 材料與方法

1.1 調(diào)查區(qū)概況

徐州市北郊煤礦區(qū)位于徐州市西北部， 北緯34°20′， 東經(jīng)117°06′，屬暖溫帶季風氣候，年平均氣溫14.2 ℃，年平均降水量834.7 mm[6].研究區(qū)域內(nèi)有龐莊礦、張小樓礦、夾河礦和王莊礦等若干個煤礦，還有包括徐州地區(qū)最大電廠在內(nèi)的大小十數(shù)個火電廠.區(qū)域內(nèi)近三分之二的面積為農(nóng)田土壤，主要種植水稻和小麥，是徐州市礦業(yè)、火電、建材、冶金等多種行業(yè)的工業(yè)基地和重要的糧食種植區(qū)[7].

1.2 野外調(diào)查與采樣

根據(jù)煤礦區(qū)污染源的分布情況，采用蛇形布點法由礦區(qū)東南側(cè)向北向西一圈設置8個10 m×10 m的樣方，采集當中的草本植物樣本與土壤樣本，并記錄樣方內(nèi)的優(yōu)勢植物[8].植物采集全株，每個樣本采集3個重復.土壤樣本為附著在根系上的0～15 cm表層土壤，約400 g混合土壤為1個樣品[9].

1.3 樣品處理

土壤樣品先除雜、風干、搗碎、四分法棄取，然后用研缽磨成粉末，過0.149 mm孔徑的尼龍篩后裝入自封袋中密封保存[10].植物樣品用去離子水洗凈，分為地上部分和地下部分，放入烘箱在105 ℃下殺青30 min，再于80 ℃下烘干至恒重，然后用不銹鋼植物粉碎機粉碎之后裝入自封袋密封保存[11].土壤樣品采用鹽酸∶硝酸∶氫氟酸∶高氯酸為3 mL∶1 mL∶3 mL∶1 mL的比例進行消解，植物樣品采用硝酸：高氯酸為1 mL∶1 mL的方法消解[12].

1.4 樣品測定與分析

消解后的植物、土壤樣品采用ICP-OES測定Pb、Cu和Zn 3種重金屬元素的含量.為保證數(shù)據(jù)可信度，全程采用土壤國標GSS-13和植物國標GSB-24作為質(zhì)控樣.實驗數(shù)據(jù)用SPSS進行相關分析(CA)[13]，并計算相應的富集系數(shù)與轉(zhuǎn)移系數(shù)[14]：富集系數(shù)=植物地上部分重金屬含量/土壤中同種重金屬含量；轉(zhuǎn)移系數(shù)=植物地上部分重金屬含量/植物地下部分同種重金屬含量.

2 結(jié)果與討論

2.1 植物科屬組成

經(jīng)調(diào)查在樣方所在區(qū)域內(nèi)共有草本植物24種，分屬24屬，12科.其中菊科8種(占33.3%)；十字花科3種(占12.5%)；禾本科3種(占12.5%)；豆科2種(占8.3%)，錦葵科、玄參科、茜草科、唇形科、牻牛兒苗科、蓼科、酢漿草科、?？聘?種，分別占4.2%.徐州北郊煤礦區(qū)優(yōu)勢草本植物種類介紹見表1.

由表1提供的信息，選擇樣方內(nèi)出現(xiàn)頻度較高且多度較大的優(yōu)勢草本植物8種：蜀葵(Alcearosealinnaeus)、苦苣(CichoriumendiviaL)、荔枝草(SaluiaplebeiaR.Br)、泥胡菜(Hemisteptalyrata)、酸模(RumexacetosaLinn)、野艾蒿(Artemisialavandulaefolia)、小飛蓬(Erigeronannuus)、刺兒菜(Cirsiumsetosum)等.其中菊科5種，占62.5%，由于菊科植物具有耐旱、耐貧瘠的特點，因此在徐州北郊的植物群落中占有明顯優(yōu)勢，具有更強的適應環(huán)境的能力.

表1 徐州北郊煤礦區(qū)優(yōu)勢草本植物種類介紹

2.2 煤礦區(qū)土壤重金屬元素污染狀況

對于土壤是否受到了重金屬的污染，一般有以下幾種判定方法：①土壤中重金屬的含量高于當?shù)赝寥辣尘爸档纳舷拗?，則判定為土壤受到了重金屬污染；②土壤中重金屬對水體、大氣、生物甚至人體的健康產(chǎn)生了危害，即稱為土壤重金屬污染；③土壤中重金屬的含量高于土壤環(huán)境質(zhì)量標準(GB15618—1995)二級標準上限值，稱為土壤重金屬污染[15].筆者選用上述第一種觀點進行分析評價.

徐州北郊煤礦區(qū)土壤的重金屬元素含量(表2)表明，不同重金屬的平均含量由高到低依次是Zn(105.22±23.5 mg/kg)，Cu(34.91±10.81 mg/kg)和Pb(25.52±5.21 mg/kg)，分別為徐州市背景值[16]的1.56、1.10和2.70倍.可見北郊土壤受到一定程度重金屬Pb、Zn、Cd的污染.

表2 礦區(qū)土壤重金屬含量的描述性統(tǒng)計分析

2.3 優(yōu)勢植物各部位重金屬含量

常規(guī)植物體內(nèi)對不同重金屬的富集量為：Pb 0.1～41.7 mg/kg；Cu 0.4～45.8 mg/kg；Zn 11～160 mg/kg[17].對8種優(yōu)勢植物體內(nèi)的Cu、Pb、Zn的含量進行的測定，如表3所示.結(jié)果表明8種植物中，僅野艾蒿一種植物地上部分Zn的含量超出正常范圍，其他植物體內(nèi)重金屬均在正常范圍.且各部分的含量大小關系是：土壤>地下>地上，符合常規(guī)植物性質(zhì).通過SPSS做植物體內(nèi)與土壤中重金屬含量相關性分析發(fā)現(xiàn)，Zn在植物地上部分的含量與所處土壤中的重金屬含量之間存在較顯著的正相關性，Pb與Cu在植物體內(nèi)和土壤中含量之間均無相關性，與徐華偉[18]、王顯煒[19]及王彬[20]得出結(jié)論不一致，與張麗[21]的結(jié)果相似.植物吸收的重金屬大部分分布在地上部分，通常情況下，植物的轉(zhuǎn)移系數(shù)(TF)僅為0.1左右[22]，而在本次研究中，所有8種植物的TF均大于0.1，推測該地區(qū)土壤并非植物體內(nèi)重金屬的唯一來源.考慮到研究區(qū)域空氣中顆粒物污染較嚴重，不排除一部分重金屬是以大氣中含重金屬的微塵通過植物葉片的方式進入植物體內(nèi).

2.4 植物對重金屬元素的富集特征

富集特征主要指標有轉(zhuǎn)移系數(shù)和富集系數(shù)，相同地區(qū)不同植物對重金屬的富集能力有較大的差異，即使是同種植物，其不同部位的表現(xiàn)也不同，基本都是地下部分高于地上部分[23].

轉(zhuǎn)移系數(shù)(transfer factor，TF)指植物地上部分與地下部分某種重金屬含量的比值，用來衡量植物對某種重金屬的運輸遷移能力[24].當TF大于1時，說明植物能夠大量吸收某種重金屬并將其從地下部分轉(zhuǎn)移到地上部分，故可以在后續(xù)過程中通過不斷收割地上部分到專門的地方進行處理后達到對受污染地區(qū)土壤的生態(tài)修復.從表3可知：荔枝草和小飛蓬兩種植物對Pb的轉(zhuǎn)移系數(shù)大于1，分別為1.73和1.01；小飛蓬對Cu的轉(zhuǎn)移系數(shù)大于1，達到1.42；苦苣、野艾蒿和小飛蓬對Zn的轉(zhuǎn)移系數(shù)也都大于1，分別為2.08和1.42.故在受到一定程度重金屬污染的礦區(qū)小飛蓬和野艾蒿兩種植物具有一定的修復潛力.

富集系數(shù)(bioaccumulation factor，BCF)指植物地上部分與土壤中相應重金屬含量的比值，用來衡量其地上部分對土壤中重金屬的吸收與累積能力[24].當BCF大于1時說明植物地上部分重金屬含量大于其所生長的土壤環(huán)境的含量[25]，具有作為重金屬污染土壤的植物修復物種的潛力.從表3可知僅野艾蒿一種植物對Zn的富集系數(shù)與轉(zhuǎn)移系數(shù)均大于1，達到1.13，說明野艾蒿Zn具有較強的富集與轉(zhuǎn)移能力，可用于受到一定程度Zn污染的土壤的植物修復.

3 結(jié)論

(1)通過對徐州北郊礦區(qū)的調(diào)查，確定了樣方區(qū)域內(nèi)的24種草本植物，分屬24個屬，12個科.其中菊科8種(占33.3%)；十字花科3種(占12.5%)；禾本科3種(占12.5%).采集其中的8種優(yōu)勢植物作為研究對象，其中以菊科植物為主，菊科植物有5種占62.5%.

(2)徐州北郊礦區(qū)土壤的重金屬元素Pb、Cu和Zn的平均含量由高到低依次是Zn(105.22±23.5 mg/kg)，Cu(34.91±10.81 mg/kg)和Pb(25.52±5.21 mg/kg).分別為徐州市背景值的1.56、1.10和2.70倍，受到一定程度的污染.

(3)在8種優(yōu)勢植物中，小飛蓬對Pb、Cu和Zn的轉(zhuǎn)移系數(shù)分別達到1.01、1.42和1.12，具有較強的將土壤中重金屬轉(zhuǎn)移到地上部分的潛力；野艾蒿地上部分Zn含量超出正常水平的上限，達到164.16 mg/kg，且轉(zhuǎn)移系數(shù)和富集系數(shù)分別達到2.08和1.13，對Zn具有較強的轉(zhuǎn)移與富集潛力，可考慮作為本地區(qū)生態(tài)修復的物種.

表3 礦區(qū)優(yōu)勢植物和土壤中重金屬含量(mg·kg-1)及富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)

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Study on Dominant Plants and Enrichment Characteristics of Heavy Metal from a Coal Mine Area in Northern Xuzhou

ZHANG Haojia1, LIU Hanhu1, XIAO Xin1, SUN Xiaofei1, CAI Chengzhe2

(1.College of Environment and Surveying,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116;2. Urumqi Railway Administration, Korla 841001)

In this paper, the contents of Pb, Cu and Zn in the plants and soil from a coal mine area in northern Xuzhou were examined, to study the enrichment ability of the dominant plants for different heavy metals. 24 species (24 genera, 12 families) of herbaceous plants in the region were found, including the 8 dominant plants. The results indicated that the average contents of Pb, Cu and Zn in the soil were 1.56, 1.10 and 2.70 times to the background values of Xuzhou, and the content of Pb was positively correlated with Cu and Zn (P<0.01). The transfer coefficient of Erigeron annuus was more than 1.00，being 1.01 for Pb, being 1.42 for Cu and being 1.12 for Zn. The content of Zn in Artemisia lavandulaefolia was higher than the normal range, which reached 164.16 mg/kg. even, the plant’s transfer coefficient and enrichment factor of Zn were 2.08 and 1.13. This two plants had the ability to enrichment the heavy metal, which can be used as a remediation for the ecological restoration of the local coal mine area.

heavy metal; dominant plant; enrichment factor; transfer coefficient

2016-04-16；

2016-06-28

國家自然科學基金資助項目(51374208)

肖昕(1972— )，女，湖南人，中國礦業(yè)大學副教授，博士，主要從事土壤環(huán)境化學、環(huán)境影響評價、環(huán)境分析、水處理等研究，E-mail：passerxx@163.com.

1671-6833(2017)02-0092-05

X53

A

10.13705/j.issn.1671-6833.2017.02.020