湖南南部鉛鋅礦區(qū)鉛鋅富集植物篩選研究

任秀娟，朱東海，吳大付，吳海卿*

1. 河南科技學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003；2. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所，河南 新鄉(xiāng) 453003

我國礦山生態(tài)環(huán)境破壞和污染十分嚴(yán)重，有色金屬礦山具有金屬元素排放量大、濃度高、流失多、成分復(fù)雜多樣、環(huán)境污染較嚴(yán)重的特點，容易造成生態(tài)環(huán)境的惡化（陶家元，1997；白中科等，2006）。近年來礦區(qū)生態(tài)環(huán)境問題引起廣泛關(guān)注，貴州晴隆銻礦礦區(qū)周圍土壤綜合污染指數(shù)為 23.32，周邊土壤已受嚴(yán)重污染（單曉燕和胥思勤，2011）。常青山等（2007）對福建礦區(qū)的調(diào)查表明，礦區(qū)Zn、Pb、Cd均達(dá)到重度污染標(biāo)準(zhǔn)；郭朝暉等（2007）調(diào)查湖南有色金屬礦區(qū)蔬菜中Cd、Pb、As、Cu、Zn、Cr含量，大米中Cd、Pb和Zn的含量均超過我國食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)；LI等（2006）在甘肅白銀有色礦區(qū)的研究結(jié)果也表明，礦區(qū)蔬菜中重金屬的含量超過國家食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。湖南省素有“有色金屬之鄉(xiāng)”的稱號（謝文安等，1991；謝炳庚等，1996），有色金屬礦產(chǎn)為當(dāng)?shù)貛砹司薮蟮慕?jīng)濟效益，但卻嚴(yán)重污染了礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境（孫健等，2006；王秋衡等，2007）。因此，急需在綜合評價湖南省主要有色金屬礦區(qū)土壤重金屬污染現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對礦區(qū)周邊優(yōu)勢植物物種進(jìn)行篩選和研究，選擇優(yōu)勢本土植物種群，研究利用本土累積和超累積植物修復(fù)礦區(qū)重金屬污染土壤的可行性。

孫健等（2006）在湖南郴州竹園鉛鋅礦區(qū)調(diào)查了礦區(qū)9種優(yōu)勢植物對Pb、Zn、Cu、Cd對重金屬復(fù)合污染的耐抗性較強，但對4種重金屬的富集量均沒有達(dá)到超累積植物的臨界含量，野菊花（Dendranthema indicum）、莎草（Cyperus rotundusL.）、五節(jié)芒（Miscanthus floridulus(Lab.)Warb. ex Schum. et Laut.）3種植物遷移轉(zhuǎn)運系數(shù)大于1，可認(rèn)為具備了超累積植物的某些基本特征（孫健等，2006）。貴州鉛鋅礦區(qū)的桑科植物對Pb、Cd具有顯著的富集效應(yīng)（毛海立等，2011），胡學(xué)玉等（2008）在湖北銅綠山礦區(qū)發(fā)現(xiàn)了鴨跖草等5種礦區(qū)植物對Cu、Pb、Zn、Cd、Cr具有一定的富集能力，可作為礦區(qū)土地污染修復(fù)和礦區(qū)植被修復(fù)的備選植物。張富運等（2012）總結(jié)了國內(nèi)外鉛鋅富集植物，其植物共有的科屬為景天科、莧科、十字花科、禾本科、木賊科、莎草科、楊柳科、樺木科，認(rèn)為在2種元素伴生的條件下，篩選和培育超富集、耐鉛鋅植物可以首先從這些植物科屬入手，尋找能同時抵抗2種甚至多種重金屬的植物，接著可再將篩選和培育范圍擴大。彼德等（2006）從植物生態(tài)學(xué)、遺傳學(xué)、植物分類學(xué)的角度出發(fā)，分析礦區(qū)植物對重金屬的耐性和吸收性，認(rèn)為礦區(qū)植物在礦山及污染環(huán)境修復(fù)中有著重要的功能和作用。因此，礦區(qū)植物的開發(fā)和應(yīng)用成為了礦區(qū)生態(tài)環(huán)境恢復(fù)的重要資源，礦區(qū)發(fā)現(xiàn)的重金屬超積累植物也是重金屬農(nóng)田土壤植物修復(fù)的重要資源，因此對礦區(qū)特殊植物的保護(hù)和深入研究，對于環(huán)境恢復(fù)具有重要意義（彼德等，2006；孫健等，2006；毛海立等，2011；胡學(xué)玉等，2008）。

1 試驗設(shè)計方法

1.1 礦區(qū)概況

湖南省桂陽縣位于湖南省南部，與永州、衡陽、郴州的3個縣接壤，桂陽縣屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，年平均氣溫17.2 ℃，平均降雨量1385.2 mm。截至2012年，桂陽縣境內(nèi)已查明的礦種有60余種，其中有色金屬礦有鉛、鋅、銅、錫、鉬、鉍、銻、鎢、鎂等，黑色金屬有鐵、錳等，貴金屬有金、銀。2013年桂陽縣鐵礦石產(chǎn)量92.5萬t，鉛精礦5.3萬t，鋅精礦4萬t，該研究區(qū)域位于桂陽縣黃沙坪、寶山、雷坪、五里山礦區(qū)，調(diào)查主要集中在露頭礦、尾砂庫、礦區(qū)排水溝、礦口區(qū)。

1.2 研究方法

1.2.1 土壤和植物樣品的采集

2008年7月，在桂陽縣礦區(qū)調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn)4個孤立的植物種群區(qū)，種群組成明顯不同于區(qū)外的植被。在孤立種群區(qū)及其附近選擇植被生長旺盛、長勢較好的植物種群，共采集到植物樣品112個，相應(yīng)土壤樣本112個，將采集的植物樣品裝入塑料袋密封保存，土壤樣品放入布土袋保存。

1.2.1 土壤和植物樣品的處理與測定

將植物樣品帶回實驗室后，首先用自來水沖洗以去除粘附于植物樣品上的泥土和污物，然后用純水沖洗，瀝去水分后分為地上部、根 2部分，于105 ℃殺青之后，在 70 ℃下烘干至恒質(zhì)量，將植物樣品粉碎備用；土壤樣品自然風(fēng)干，揀出磚頭、石塊、雜草等，然后在塑料膜上用土棒搟碎過 0.1 mm篩保存在塑料樣品袋中。

植物樣品采用 HNO3消化（8 mL），土壤樣品采樣HNO3-HF消化(8+1 mL)，消化結(jié)束趕酸后用2%HNO3定容于50 mL的容量瓶中，然后在原子吸收分光光度計上測定重金屬含量。

儀器和試劑：原子吸收分光光度計（島津5300），微波消解儀：Perkin Elmer Multiwave 3000，所用試劑均為分析純。

2 結(jié)果分析

2.1 鉛富集植物篩選

圖1 鉛鋅礦區(qū)112個采樣點土壤和植物根的鉛質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig.1 Pb concention in root and soil of the 112 samples at lead-zinc mine area

在112個樣品中除6個樣品鉛未檢出外，其他106個樣品土壤鉛質(zhì)量分?jǐn)?shù)均大于80 mg·kg-1，土壤平均鉛質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2177.22 mg·kg-1，礦區(qū)植物根和地上部鉛質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值分別為 264.00、165.56 mg·kg-1。

由圖1可知，礦區(qū)土壤和植物根的鉛含量情況，隨著采樣點土壤中鉛含量的增加，植物根中的鉛含量呈增加趨勢，其直線相關(guān)關(guān)系式為y=0.0785x+88.166，r=0.4771**。說明礦區(qū)植物長期生長在高鉛土壤環(huán)境中，植物對鉛有較好的耐受力和吸收力。

在112個植物樣品中有4個植物樣品根的鉛富集系數(shù)大于1，但這4個植物樣品植株矮小，生物量低，因此不具備作為修復(fù)植物的條件。有 53個植物樣品的鉛轉(zhuǎn)運系數(shù)大于1，其中有11個植物樣品的鉛轉(zhuǎn)運系數(shù)大于3，但這11個植物樣品莖葉鉛質(zhì)量分?jǐn)?shù)均小于 400 mg·kg-1，且地上部生物量較小。經(jīng)過對樣品鉛含量、轉(zhuǎn)運系數(shù)、富集系數(shù)、植株形態(tài)學(xué)指標(biāo)的對比，將莖葉鉛質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于 450 mg·kg-1、轉(zhuǎn)運系數(shù)大于1、地上部形態(tài)較大的植物樣品作為鉛修復(fù)植物，分別是糯米團(tuán)（Hyrtanandra）、水蓼（Polygonum hydropiper）、酸模（RumexacetosaLinn）、毛葉堇菜（Viola verecumda A.Gray）、地榆（Garden BurnetRoot），這5種植物的鑒定結(jié)果見表 1。糯米團(tuán)是蕁麻科多年生草本植物，莖蔓生，長50～160 cm，在西藏東南部、華南、云南、陜西南部、河南南部都有分布，主要生長在丘陵或低山、水邊以及潮濕的地方。水蓼是蓼科一年生草本，株高20～80 cm，在我國大部分地區(qū)都有分布。酸模是蓼科多年生草本，株高15～80 cm，在我國分布地區(qū)十分廣泛。毛葉堇菜是堇菜科多年生草本，株高5～20 cm，主要分布在溫帶、亞熱帶地區(qū)以及熱帶的高海拔地區(qū)。地榆是薔薇科多年生草本，株高30～120 cm，在我國各地均有分布。

由表1可知，水蓼的地上部鉛質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高為1036.57 mg·kg-1，達(dá)到鉛超富集植物標(biāo)準(zhǔn)，酸模的轉(zhuǎn)運系數(shù)最高為2.57，莖葉出現(xiàn)了鉛的富集。而且所選植物品種中除水蓼外，其他植物均為多年生草本，一次種植可多次收獲，其中糯米團(tuán)地上部生物量較大，在礦區(qū)的生物群落較大，可進(jìn)一步研究其在不同鉛含量土壤上的生長情況及鉛富集能力。

表1 鉛富集植物Table 1 Pb enrichment plants

2.2 鋅富集植物篩選

鉛鋅礦區(qū)112個樣品中鋅檢出樣品有106個，土壤平均鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3165.89 mg·kg-1，植物樣品根系鋅平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為666.11 mg·kg-1，地上部鋅平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為363.87 mg·kg-1。圖2為礦區(qū)土壤和植物根的鋅含量情況，采樣點植物根系的鋅含量和土壤鋅含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，其方程為y=0.1299x+240.97，r=0.4716**。

圖2 鉛鋅礦區(qū)112個采樣點土壤和植物根的鋅含量Fig.2 Zinc concention in root and soil of the 112 samples at lead-zinc mine area

112個植物樣品中有38個植物樣品的鋅轉(zhuǎn)運系數(shù)大于1，其中鋅轉(zhuǎn)運系數(shù)大于2的植物樣品有9個。莖葉鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于750 mg·kg-1的植物樣品有8個，其中鋅轉(zhuǎn)運系數(shù)大于1的植物樣品有3個。以轉(zhuǎn)運系數(shù)大于1、植物莖葉鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于750 mg·kg-1、生物學(xué)形態(tài)較為高大作為鋅富集植物的初選依據(jù)，表2為初選出的具有鋅富集潛力的植物樣品，這3種植物分別是：鬼針草(Bidens pilosaL.)、博落回(Macleaya cordata(Willd.) R. Brown)和糯米團(tuán)。鬼針草為菊科一年生草本，株高30～100 cm，在我國各地均有分布，用種子繁殖。博落回是罌粟科多年生草本，株高最高可達(dá) 200 cm，廣泛分布于長江流域。糯米團(tuán)同 2.1鉛富集植物。

所選 3種植物樣品莖葉鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高的是鬼針草，莖葉鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)1043.04 mg·kg-1，博落回在土壤鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù) 11122.36 mg·kg-1的土壤上仍能有較高的生物量，可見其對當(dāng)?shù)赝寥拉h(huán)境的適應(yīng)能力及耐受性。雖然 3種植物的鋅含量均未達(dá)到鋅超富集植物標(biāo)準(zhǔn)，但這 3種植物的地上部形態(tài)高大、生物量較高，轉(zhuǎn)運系數(shù)大于1，且野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)其對鋅污染土壤有較好的耐受性，可作為鋅污染土壤修復(fù)的備選植物。

表2 鋅富集植物Table 2 Zinc enrichment plants

2.3 鉛鋅復(fù)合富集植物篩選

由表1和表2可知，對鉛和鋅同時具有較好富集效應(yīng)和轉(zhuǎn)運能力的植物為糯米團(tuán)，糯米團(tuán)的鉛鋅轉(zhuǎn)運系數(shù)均大于1，在礦區(qū)土壤鉛鋅復(fù)合污染條件下：土壤鉛質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2267.47 mg·kg-1、鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6596.24 mg·kg-1，莖葉中的鉛質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到 635.48 mg·kg-1，鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到 919.51 mg·kg-1。并且野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，糯米團(tuán)在礦區(qū)生物量較大且廣泛分布，是多年生草本，有時莖基部變木質(zhì)，基部粗1～2.5 cm，莖蔓長50～160 cm，說明糯米團(tuán)對鉛鋅污染有較高的耐受性，因此可作為鉛鋅復(fù)合污染土壤修復(fù)的備選植物。

3 小結(jié)與討論

3.1 討論

礦區(qū)由于特殊的地質(zhì)和土壤條件，礦區(qū)植物對重金屬的耐性和富集能力均較未污染區(qū)域的植物品種高（王學(xué)禮等，2010；邱媛等，2013；劉益貴等，2008）。近年來環(huán)境科學(xué)家利用礦區(qū)特殊的土壤環(huán)境，通過在礦區(qū)大量采樣和室內(nèi)分析的方法，發(fā)現(xiàn)了部分富集和超富集植物（李有志等，2012；胡學(xué)玉等，2008；彼德等，2006；毛海立等，2011）。劉威等（2003）通過野外調(diào)查和溫室實驗，在桂陽縣寶山礦區(qū)發(fā)現(xiàn)一種鎘超富集植物，并命名為寶山堇菜（Viola baoshannsis）。關(guān)于水蓼（王華等，2007；Liu等，2010）、酸模（Zhuang，2007）、鬼針草（王紅旗等，2007）的重金屬富集能力均有報道，但關(guān)于糯米團(tuán)、博落回和地榆對重金屬的富集效應(yīng)研究還未見報道。聶發(fā)輝（2005）提出了關(guān)于超富集植物生物富集量系數(shù)和轉(zhuǎn)運量系數(shù)的概念，在其提出的評價系數(shù)中，除考慮植物根系和地上部的重金屬元素含量外，還綜合考慮植物對土壤污染元素的移除總量狀況。但目前關(guān)于該系數(shù)的研究和應(yīng)用較少，還缺乏相關(guān)指標(biāo)作為參考依據(jù)。本研究在篩選鉛和鋅超富集植物時參照聶發(fā)輝的研究，以植株外形和各部位鉛鋅含量作為參考標(biāo)準(zhǔn)，氮尚缺乏可以量化的生物量標(biāo)準(zhǔn)、外形指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)等。

3.2 結(jié)論

通過在湖南省桂陽縣礦區(qū)的樣品采集和室內(nèi)分析研究，采集植物和土壤樣品112個，分別測定了樣品鉛和鋅的含量。結(jié)果表明：由于常年采礦與洗礦，露頭礦、尾砂庫、礦區(qū)排水溝、礦口區(qū)土壤鉛和鋅污染十分嚴(yán)重，礦區(qū)鉛和鋅的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為 2177.22、3165.89 mg·kg-1。植物樣品根系和地上部的平均鉛質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為 264.00、165.56 mg·kg-1，根系和地上部平均鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為666.11、363.87 mg·kg-1。由于長期生長在鉛、鋅污染的環(huán)境中，植物根系的鉛、鋅含量與土壤的鉛、鋅含量呈顯著正相關(guān)。以植物地上部鉛含量、轉(zhuǎn)運系數(shù)、植物地上部形態(tài)為篩選依據(jù)，篩選出5種鉛富集植物分別是：糯米團(tuán)、水蓼、酸模、毛葉堇菜、地榆，篩選出的3種鋅富集植物分別是：鬼針草、博落回、糯米團(tuán)。糯米團(tuán)在土壤鉛質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 2267.47 mg·kg-1、鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 6596.24 mg·kg-1的條件下，莖葉中的鉛質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到635.48 mg·kg-1，鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到919.51 mg·kg-1，可作為鉛、鋅復(fù)合土壤污染修復(fù)的備選植物品種。

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