錳化廠土壤重金屬含量及景觀植物吸收特征

熊云武 林曉燕 裴東輝 黃雷 李紅艷 周巍 梁鵬 翟曉峰 許建新

摘要[目的]為Mn污染場地的植物修復(fù)提供理論依據(jù)。[方法]調(diào)查錳化廠污染場地植物，分析場地植被物種組成、土壤和主要優(yōu)勢景觀植物體內(nèi)重金屬含量。[結(jié)果]錳化廠場地所記錄的高等植物共有33種，隸屬22科31屬，優(yōu)勢種共有8種，分別為木薯、銀合歡、類蘆、鬼針草、金葉假連翹、馬纓丹、水茄、杉木；土壤重金屬Cu、Zn、Pb、Cd、Mn均不同程度的污染，與重金屬污染場地土壤修復(fù)標準（DB43-T—1125—2016）相比，類蘆土、金葉假連翹土、杉木土Mn含量均遠超修復(fù)標準值，為標準限值的3.63～40.52倍，污染嚴重；5種景觀優(yōu)勢植物中，杉木對Mn具有超富集能力，為Mn超富集植物，金葉假連翹對強酸性土壤適應(yīng)性強，可應(yīng)用于酸污染土壤修復(fù)。[結(jié)論]在場地植物修復(fù)時，可根據(jù)土壤污染特征，合理配置植物，實現(xiàn)場地“修復(fù)+景觀+經(jīng)濟效益”修復(fù)模式。

關(guān)鍵詞重金屬；錳；土壤；景觀植物；植物修復(fù)

中圖分類號X53文獻標識碼A文章編號0517-6611（2017）11-0063-04

Abstract[Objective]The aim of the study was to provide the theory basis for landscape phytoremediation of heavy metal contaminated site. [Method] The study surveyed plants species composition and growth status and analyzed heavy metal contents in soil and landscape dominant plants of manganese chemical factory， Guangdong. [Result] There were 33 species plants belonging to 31 genera in 22 families， and the dominant species with a total of 8 kinds， were Manihot esculenta Crantz， Leucaena leucocephala （Lam.） de Wit， Neyraudia reynaudiana （kunth.） Keng， Bidens pilosa L.， Duranta erecta Linnaeus cv. Golden Leaves， Lantana camara L.， Solanum torvum Swartz， Cunninghamia lanceolata （Lamb.） Hook， respectively. Soil Cu， Zn， Pb， Cd and Mn were differently degree polluted， and Mn contents of Neyraudia reynaudiana （kunth.） Keng soil， Duranta erecta Linnaeus cv. Golden Leaves soil， and Cunninghamia lanceolata （Lamb.） Hook soil were more than repair standard for contaminated site by heavy metal （DB43-T—1125—2016）， with ratio of 3.63 to 40.52 times， seriously polluted. Five landscape dominant plants， Cunninghamia lanceolata （Lamb.） Hook. could hyperaccumulate Mn， was Mn hyperaccumulation plant. Duranta erecta Linnaeus cv. Golden Leaves was strongly adapted to strongly acidic soil which pH was 2.58， could be applied to acid soil remediation. [Conclusion]Contaminated site phytoremediation could rationally configurate plant according to soil pollution characters， in order to implement repair mode of repair， landscape and economic efficiency.

Key wordsHeavy metals；Manganese；Soil；Landscape plant；Phytoremediation

植物修復(fù)是指利用自然生長的植物或培育植物及其根系微生物群落對污染土壤、沉積物、地下水和地表水中的污染物進行清除，是一種有效的綠色技術(shù)。根據(jù)其作用過程和機理，植物修復(fù)可以分為植物提取[1]、植物穩(wěn)定[2]、植物揮發(fā)[3]、植物過濾[4]。植物修復(fù)技術(shù)成本低、環(huán)保日益受到關(guān)注，但目前主要應(yīng)用于農(nóng)田修復(fù)中，因其修復(fù)周期長、范圍有限，常難以用于時間要求高的城市污染場地修復(fù)。但隨著現(xiàn)代生態(tài)城市建設(shè)的大力推進，越來越多的污染場地將建設(shè)成為城市公園、綠地，因此，篩選和培育出兼具景觀效果的耐重金屬植物至關(guān)重要。耐重金屬植物一般是長期生長在重金屬含量較高的土壤上，在自然選擇的作用下，經(jīng)過不斷地生物進化而形成，對重金屬污染具有較強的耐性[5]。近年來，學(xué)者對重金屬污染場地（含尾礦區(qū)）耐性植物進行篩選并取得了一定成果。葉文玲等[6] 對銅陵銅尾礦庫進行植被調(diào)查發(fā)現(xiàn)，續(xù)斷菊對Cd具有較強的富集能力和轉(zhuǎn)運能力，可用于Cd污染嚴重地區(qū)的生態(tài)修復(fù)。趙甲亭等[7] 通過對萬山梅子溪地區(qū)Hg耐受植物采樣調(diào)查發(fā)現(xiàn)，懸鉤子單株植物生物量較大，且對Hg的富集能力較強，屬于Hg富集植物。何東等[8]對湖南下水灣鉛鋅尾礦庫進行調(diào)查發(fā)現(xiàn)，地枇杷對Pb具有較強的富集能力和轉(zhuǎn)運能力，地上部分Pb含量為正常含量上限值的4.01倍，富集系數(shù)達到14.4，轉(zhuǎn)運系數(shù)達到3.91。楊曉慶等[9]對泰州某電鍍污染區(qū)12種優(yōu)勢植物進行重金屬含量分析測定，結(jié)果表明，香樟對Cd，三葉草、蒲公英對Pb表現(xiàn)出修復(fù)潛力。目前發(fā)現(xiàn)的耐Mn污染的景觀植物種類較少，因而篩選新的耐Mn或富集Mn的景觀植物物種具有很高的理論意義和應(yīng)用價值，可以指導(dǎo)Mn污染場地植物修復(fù)中基質(zhì)改良、植物配置等。筆者對廣東省某錳化廠進行植被組成調(diào)查，分析了主要優(yōu)勢景觀植物體內(nèi)重金屬含量，及其所在區(qū)域土壤重金屬含量和pH，研究了錳化廠生長的景觀植物對重金屬的富集和遷移轉(zhuǎn)化特征，以篩選耐Mn景觀植物，為Mn污染場地生態(tài)修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1調(diào)查區(qū)概況錳化廠位于廣東省境內(nèi)，屬亞熱帶氣候，受東南季風(fēng)影響明顯，且處于低緯度地區(qū)，太陽輻射強，冬短夏長，日照充足，溫和潮濕。年均最高氣溫21.8 ℃，最低氣溫20.5 ℃；年均降雨量1 410 mm，無霜期350 d。工廠歷史悠久，在過去的生產(chǎn)歷史中由于種種原因未能采取有效的環(huán)保措施控制有害廢物的排放，導(dǎo)致了嚴重的重金屬泄露。

1.2樣品采集2016年11月對廣東某錳化廠進行了植被調(diào)查和采樣，記錄場地所有自然生長的植物，植物的豐富度按目測估計[10]，分為優(yōu)勢種、常見種和偶見種3級。同時采集主要優(yōu)勢景觀植物的地上部分和根部及其所在區(qū)域的土壤。每種植物采集3～5株組成混合樣，同步采集3個平行樣。土壤樣品采集每種植物所在區(qū)域0～30 cm的表土，將3～5個采樣點土樣組成1個混合樣，同步采集3個平行樣。所有樣品采集后立即裝入塑料密封袋，做好標記，運回實驗室。

1.3分析測定將采集的土壤樣品室內(nèi)自然風(fēng)干，除去土壤中的石塊、植物根系和凋落物等，并研磨過20目、100目尼龍篩，包裝登記后保存?zhèn)錅y。土壤的Cu、Zn、Pb、Cd、Mn全量均采用HCl-HNO3-HF-HClO4消煮-原子吸收光譜法測定（GB/T 17138—1997），重金屬有效態(tài)含量采用DTPA 浸提法[11]，pH參照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[12]。

將運回實驗室的植物樣品用自來水和去離子水洗凈，吸水紙吸干表面水。將樣品置于烘箱內(nèi)105 ℃殺青30 min，然后65 ℃、48 h烘干。干樣用萬能粉碎機磨細，過0.25 mm尼龍篩，待測重金屬含量。植物重金屬采用HNO3-HClO4聯(lián)合消煮（GB /T 5009.11—15—2003），且用原子吸收光譜法測定Cu、Zn、Pb、Cd、Mn含量。

計算主要景觀優(yōu)勢植物生物富集系數(shù)（BCF）、轉(zhuǎn)位系數(shù)（TF）。草本植物：富集系數(shù)=植物地上部重金屬含量/土壤重金屬含量，轉(zhuǎn)運系數(shù)=植物地上部分重金屬含量/植物根部重金屬含量；木本植物（含喬、灌木）由于葉重金屬的含量大于莖重金屬含量，因此富集系數(shù)=植物葉重金屬含量/土壤重金屬含量，轉(zhuǎn)運系數(shù)=植物葉重金屬含量/植物根部重金屬含量。

1.4數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)用Excel 2007處理。

2結(jié)果與分析

2.1場地植被物種組成及特征對錳化廠進行植被調(diào)查，共記錄高等植物33種，隸屬22科31屬（表1）。從物種組成來看，以豆科為主，共有6種，占總種數(shù)的18.18%，其次為大戟科，占總種數(shù)12.12%。從植物生活型來看，覆蓋喬木、灌木（小喬木）、草本、藤本，且以前3種生活型為主，分別占總種數(shù)的27.27%、30.30%、33.33%。通過對植物的豐富度進行調(diào)查，優(yōu)勢種共有8種，分別為木薯、銀合歡、類蘆、鬼針草、金葉假連翹、馬纓丹、水茄、杉木。

由表3可知，5個采樣點土壤重金屬（Cu、Zn、Pb、Cd、Mn）DTPA提取態(tài)含量與全量類似，變化范圍較大，分別為322～63.22、2.84～58.11、0.15～29.85、0.17～1.29、20.48～703.90 mg/kg，但并不是土壤重金屬全量越高，DTPA提取態(tài)含量就越高，這主要與土壤的pH有關(guān)，pH越低，重金屬越活躍，相同重金屬全量下其DTPA提取態(tài)含量越高。除金葉假連翹土pH為2.58，為強酸性土壤外，其他4種植物生長的土壤呈弱酸性，這表明金葉假連翹除可用于重金屬污染土壤修復(fù)外，還可用于強酸性土壤修復(fù)。

2.3景觀植物重金屬含量一般來說，當土壤中Cu、Zn、Pb、Cd全量分別為150～400、70～400、100～400、3～8 mg/kg時，即認為對植物產(chǎn)生毒性。錳化廠中5種主要景觀優(yōu)勢植物除木薯土、銀合歡土Cu、Zn、Pb、Cd全量超出該范圍外，其他3種植物根際土Cu、Zn、Pb、Cd全量均超該毒性閾值，尤其是類蘆土、金葉假連翹土Zn、Pb、Cd全量遠超該毒性閾值，是毒性閾值的6.13～15.19倍、7.59～13.13倍、2.49～3.61倍，屬急性致死濃度，說明該場地所調(diào)查的5種優(yōu)勢景觀植物對Zn、Pb、Cd均具有較強的耐性。另外，該場地土壤Mn全量高達2 737.35～202 620.00 mg/kg，能在Mn嚴重污染的土壤上生長，證明該錳化廠植物對Mn也均具有較強的耐性。而不同的耐性機制使植物對重金屬的吸收、轉(zhuǎn)運、累積特征表現(xiàn)出較大差異。通過采集5種優(yōu)勢景觀植物植株進行重金屬含量分析（表4、5）可知，木薯、杉木對土壤中的Zn、Mn富集能力及轉(zhuǎn)運能力均較強，BCF和TF均>1000。且杉木葉片中Mn含量達到24 682.00 mg/kg>10 000.00 mg/kg（超富集植物Mn的限值[13]），對Mn具有超富集的能力，在Mn污染土壤植物修復(fù)時可以利用其超富集Mn的能力，提取土壤中的Mn，以達到修復(fù)目的。

另外，杉木是一種常綠喬木，樹高可達30～40 m，胸徑可達2～3 m，除作為園林景觀植物外，還具有較高的經(jīng)濟利用價值，是我國最普遍而重要的商品材，廣泛用于建筑、橋梁、造船、電桿、家具等方面，可用于生產(chǎn)纖維板，膠合板、刨花板、重組木等人造板。因此，場地污染植物修復(fù)時可優(yōu)先使用。

而銀合歡、類蘆、金葉假連翹雖不具有超富集能力，但在污染土壤植物修復(fù)時，可以根據(jù)土壤污染特征，搭配超富集草本植物或灌木或喬木，如與杉木一起進行修復(fù)，利用銀合歡的固氮功能、類蘆和金葉假連翹的觀賞功能，合理配置，打造場地“修復(fù)+景觀+經(jīng)濟效益”修復(fù)模式。

3結(jié)論

（1）通過對錳化廠場地進行植被調(diào)查，共記錄高等植物33種，隸屬22科31屬。以喬木、灌木（小喬木）、草本為主，分別占總種數(shù)的27.27%、30.30%、33.33%。且優(yōu)勢種共有8種，分別為木薯、銀合歡、類蘆、鬼針草、金葉假連翹、馬纓丹、水茄、杉木。

（2）土壤重金屬Cu、Zn、Pb、Cd、Mn均不同程度的污染，與重金屬污染場地土壤修復(fù)標準（DB43-T—1125—2016）相比，類蘆土、金葉假連翹土、杉木土Mn含量均遠超修復(fù)標準值，為標準限值的3.63～40.52倍，污染嚴重。

（3）5種景觀優(yōu)勢植物中，杉木對Mn具有超富集能力，可應(yīng)用于Mn污染土壤修復(fù)，金葉假連翹對強酸性土壤適應(yīng)性強，可應(yīng)用于酸污染土壤修復(fù)。

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