銅尾礦庫劍葉金雞菊根際尾礦和植株的重金屬元素含量及相關(guān)性分析

徐德聰， 孫慶業(yè)， 沈章軍， 陳延松

(1. 合肥師范學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院， 安徽 合肥 230601； 2. 安徽大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院， 安徽 合肥 230601)

尾礦庫是由礦石選別后排出的尾礦砂或其他工業(yè)廢渣被筑壩攔截后形成的場所，結(jié)構(gòu)松散、持水力差、養(yǎng)分匱乏、富含重金屬，植物定居困難。在尾礦庫揚沙沉降和地表徑流過程中，重金屬嚴(yán)重污染了周邊的土壤和下游水體[1-3]，并破壞了周邊環(huán)境，因此，亟待對尾礦庫進行復(fù)墾，修復(fù)其生態(tài)環(huán)境。

目前，關(guān)于尾礦庫復(fù)墾的技術(shù)較多[4-6]，植物修復(fù)技術(shù)為尾礦庫復(fù)墾的常用方法之一，具有安全、廉價等優(yōu)點。根據(jù)植物修復(fù)的作用過程和機制，植物修復(fù)技術(shù)可分為植物提取(phytoextraction)和植物固定(phytostabilization)2種類型[7]，其中，植物提取技術(shù)要求植物生物量大且根系發(fā)達，能夠?qū)⑼寥乐写罅康闹亟饘僭剞D(zhuǎn)移至植物的地上部；植物固定技術(shù)是利用植物將土壤中的重金屬元素吸收并固定在植物的根部。為了提高尾礦庫植物修復(fù)的成功率，人們對植物吸收和積累重金屬元素的特征進行了大量研究[8-12]，從而發(fā)現(xiàn)一些重金屬元素的耐性植物和超積累植物，但是，這些植物大多具有生長緩慢、生物量小、地域性強、機械化操作困難及不能適應(yīng)尾礦庫的惡劣環(huán)境等特性，嚴(yán)重制約了植物修復(fù)技術(shù)在尾礦庫復(fù)墾方面的應(yīng)用。

相關(guān)研究結(jié)果[13-15]表明：野生的鄉(xiāng)土植物大多較重金屬積累植物更適于作為當(dāng)?shù)匚驳V庫的植物修復(fù)材料。劍葉金雞菊(CoreopsislanceolataLinn.)為多年生宿根花卉，根系發(fā)達，易栽培，?？赏ㄟ^根部大量繁殖，地上部可多次收獲，不必每年播種[16-17]；2年生劍葉金雞菊在4月底至5月初開花，花期至10月中旬，具有很高的觀賞價值[17-18]。根據(jù)作者對安徽省銅陵市楊山?jīng)_銅尾礦庫區(qū)及周邊生境的野外調(diào)查結(jié)果，劍葉金雞菊在嶺地、坡地、石縫、石窩和砂粒中均生長發(fā)育良好并形成了優(yōu)勢種群。人工種植的劍葉金雞菊在楊山?jīng)_銅尾礦庫復(fù)墾區(qū)生長旺盛并開花結(jié)果，且自然定居到尾礦庫的未復(fù)墾區(qū)。

為了探明劍葉金雞菊對重金屬的吸收和積累特征，作者對安徽省銅陵市楊山?jīng)_銅尾礦庫復(fù)墾區(qū)和未復(fù)墾區(qū)劍葉金雞菊根際尾礦的基本理化性質(zhì)和重金屬元素含量及不同器官的重金屬元素含量進行了比較，并對劍葉金雞菊重金屬元素的轉(zhuǎn)移和富集能力進行了分析，以期了解劍葉金雞菊對尾礦庫的生態(tài)修復(fù)潛力，為利用鄉(xiāng)土植物進行尾礦庫的生態(tài)修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)和實踐參考。

1　研究區(qū)概況和研究方法

1.1　研究區(qū)概況

實驗地位于安徽省銅陵市的楊山?jīng)_銅尾礦庫(北緯30°46′05″～31°08′43″、東經(jīng)117°42′18″～ 118°11′46″)，主導(dǎo)風(fēng)向為東北風(fēng)，海拔60～100 m。該區(qū)域?qū)賮啛釒駶櫦撅L(fēng)氣候，光熱資源豐富、降水充沛，光、熱、水分配較均衡；年均溫17.4 ℃，1月份均溫3.2 ℃，7月份均溫28.8 ℃；年均降水量1 346 mm，且主要集中在夏季；無霜期237～258 d，日均溫大于等于10 ℃的年積溫為4 944.4 ℃～5 463.9 ℃，年均日照時數(shù)2 050 h；年均空氣相對濕度75%～81%。該尾礦庫已經(jīng)被棄置約25 a，屬于山谷型尾礦庫，總面積約20 hm2，其東北角有1個面積約2 000 m2并人工種植劍葉金雞菊的復(fù)墾區(qū)(采用覆土復(fù)墾技術(shù)在尾礦上覆蓋厚度5 cm的土層)，并且，劍葉金雞菊已經(jīng)自然定居到復(fù)墾區(qū)周邊的未復(fù)墾區(qū)，定居面積約1 500 m2，復(fù)墾區(qū)和未復(fù)墾區(qū)劍葉金雞菊的蓋度分別為90%和50%。尾礦庫周圍山坡上的植被主要為人工馬尾松(PinusmassonianaLamb.)林和灌木-高草群落，尾礦庫內(nèi)現(xiàn)存的天然植物群落主要有白茅〔Imperatacylindrica(Linn.) Beauv.〕群落、中華結(jié)縷草(ZoysiasinicaHance)群落及木賊(EquisetumhyemaleLinn.)群落。尾礦庫的基質(zhì)主要為直徑35 μm的細粉砂粒，呈赤色或褐色，主要礦物成分為鈣鐵榴石、石英和輝石。

1.2　方法

1.2.1樣品采集及處理方法采用蛇形法[19]在尾礦庫的復(fù)墾區(qū)和未復(fù)墾區(qū)分別設(shè)置5個采樣點，每個采樣點隨機采集3株完整的劍葉金雞菊植株，將每個樣點的樣株混合在一起，總質(zhì)量約1.5 kg；在樣株根周圍采集深度20 cm的根際尾礦樣品，每個樣株采集2個根際尾礦樣品，將同一采樣點的6個根際尾礦樣品混勻，總質(zhì)量約2.5 kg。將樣株和根際尾礦樣品按照采樣點分別裝入無菌塑料袋中，復(fù)墾區(qū)和未復(fù)墾區(qū)的樣株和根際尾礦樣品各5份。

用自來水將采集的劍葉金雞菊樣株沖洗干凈并分成莖葉、主根和須根3個部分；用濃度20 mmol·L-1Na2-EDTA溶液浸泡主根和須根15 min，莖葉、主根和須根用超純水漂洗后瀝干；置于105 ℃條件下殺青30 min，再于70 ℃條件下烘干至恒質(zhì)量；將干燥的樣品磨碎后，過孔徑0.5 mm篩，置于自封袋中于室溫條件下保存、備用。

將采集的根際尾礦樣品置于室內(nèi)通風(fēng)處進行自然風(fēng)干，過孔徑2.0 mm篩，置于自封袋中于室溫條件下保存、備用。

1.2.2根際尾礦基本理化性質(zhì)及重金屬元素含量測定稱取20.0 g根際尾礦樣品，參照Xu等[1]的方法加入50 mL蒸餾水，攪勻后靜置30 min，使用Mettler Toledo FE20 pH計〔梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司〕和雷磁DDB-303A電導(dǎo)率儀(上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司)分別測定pH值和電導(dǎo)率；稱取5.0 g根際尾礦樣品，采用燒失量法[20]測定有機質(zhì)含量；參照Lopes等[21]的方法，使用Vario EL Ⅲ元素分析儀(德國Elementar公司)測定總碳和總氮含量；稱取0.5 g根際尾礦樣品，參照Xu等[1]的方法加入8 mL體積分?jǐn)?shù)65%HNO3溶液和2 mL體積分?jǐn)?shù)40%HF溶液，使用Speedwave-4微波消解儀(德國Berghof公司)進行微波消解，將消解液加熱濃縮至體積為5 mL，加入2 mL體積分?jǐn)?shù)72%HClO4溶液，繼續(xù)加熱濃縮至體積為2 mL，定容至25 mL，使用IRIS Intrepid Ⅱ XSP ICP-AES(美國Thermo Fisher公司)測定總磷、總鉀和各重金屬元素的含量；稱取2.5 g根際尾礦樣品，在室溫下用50 mL濃度0.5 mol·L-1NaHCO3溶液浸提30 min，采用鉬銻抗比色法[20]測定速效磷含量；稱取5.0 g根際尾礦樣品，采用乙酸銨浸提法[22]，使用50 mL濃度1.0 mol·L-1乙酸銨溶液(pH 7.0)進行提取，使用IRIS Intrepid Ⅱ XSP ICP-AES測定速效鉀含量。每個樣品各指標(biāo)均重復(fù)測定3次，結(jié)果取平均值。

1.2.3樣株中Ca和總磷及重金屬元素含量測定稱取0.5 g干燥的各器官樣品，參照Xu等[1]的方法加入10 mL體積分?jǐn)?shù)65%HNO3溶液，使用Speedwave-4微波消解儀進行微波消解，將消解液加熱濃縮至體積為2 mL，定容至25 mL，使用IRIS Intrepid Ⅱ XSP ICP-AES測定Ca、總磷及各重金屬元素的含量。各指標(biāo)均重復(fù)測定3次，結(jié)果取平均值。

1.3　數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計分析

根據(jù)檢測結(jié)果計算劍葉金雞菊對各重金屬元素的轉(zhuǎn)移系數(shù)和富集系數(shù)，計算公式分別為某重金屬元素的轉(zhuǎn)移系數(shù)=莖葉中該重金屬元素的含量/主根中該重金屬元素的含量；某一器官某重金屬元素的富集系數(shù)=此器官中該重金屬元素的含量/根際尾礦中該重金屬元素的含量。

采用SPSS 19.0統(tǒng)計分析軟件對數(shù)據(jù)進行處理和統(tǒng)計分析，采用獨立樣本t檢驗法分析復(fù)墾區(qū)和未復(fù)墾區(qū)相關(guān)指標(biāo)間的差異，采用Pearson相關(guān)性分析法進行雙變量相關(guān)分析。

2　結(jié)果和分析

2.1　銅尾礦庫劍葉金雞菊根際尾礦的基本理化性質(zhì)及重金屬元素含量分析

2.1.1基本理化性質(zhì)分析檢測結(jié)果(表1)表明：復(fù)墾區(qū)和未復(fù)墾區(qū)根際尾礦的pH值分別為pH 7.7和pH 7.8，均偏堿性。復(fù)墾區(qū)根際尾礦的電導(dǎo)率以及有機質(zhì)、總碳、總氮、總磷、速效磷和速效鉀含量均高于未復(fù)墾區(qū)，而pH值和總鉀含量均低于未復(fù)墾區(qū)；并且，復(fù)墾區(qū)和未復(fù)墾區(qū)根際尾礦的有機質(zhì)和速效磷含量差異顯著(P<0.05)。

2.1.2重金屬元素含量分析檢測結(jié)果(表2)表明：復(fù)墾區(qū)根際尾礦的重金屬元素含量從高到低依次為Cu、Mn、Zn、As、Pb、Cd，而未復(fù)墾區(qū)根際尾礦的重金屬元素含量從高到低則依次為Mn、Cu、Zn、As、Pb、Cd。其中，復(fù)墾區(qū)根際尾礦的Cu、Zn、Pb和Cd含量均高于未復(fù)墾區(qū)，分別為后者對應(yīng)重金屬元素含量的1.8、1.6、1.5和1.2倍，而As和Mn的含量則低于未復(fù)墾區(qū)；并且，復(fù)墾區(qū)和未復(fù)墾區(qū)根際尾礦的Cu、Zn和Pb含量差異顯著。

采樣區(qū)SamplingareapH值pHvalue電導(dǎo)率/μS·cm-1Electricconductivity有機質(zhì)含量/g·kg-1Organicmattercontent總碳含量/g·kg-1Totalcarboncontent總氮含量/g·kg-1Totalnitrogencontent復(fù)墾區(qū)Reclamationarea7.7±0.1a285.33±6.51a8.96±2.11b10.40±3.64a2.17±0.32a未復(fù)墾區(qū)Non-reclamationarea7.8±0.1a243.67±17.90a4.80±1.04a8.28±1.32a1.95±0.03a采樣區(qū)Samplingarea總磷含量/g·kg-1Totalphosphoruscontent總鉀含量/g·kg-1Totalpotassiumcontent速效磷含量/mg·kg-1Availablephosphoruscontent速效鉀含量/mg·kg-1Availablepotassiumcontent復(fù)墾區(qū)Reclamationarea0.32±0.04a8.45±1.44a4.25±1.84b2.97±1.42a未復(fù)墾區(qū)Non-reclamationarea0.27±0.05a9.72±0.89a1.02±0.48a1.93±0.61a

1)同列中不同的小寫字母表示差異顯著(P<0.05) Different lowercases in the same column indicate the significant difference (P<0.05).

采樣區(qū)Samplingarea各重金屬元素的含量/mg·kg-1 ContentofeachheavymetalelementCuZnPbCdMnAs復(fù)墾區(qū)Reclamationarea2812.81±440.99b422.80±34.23b44.35±14.30b2.60±0.26a1759.29±206.75a179.78±51.23a未復(fù)墾區(qū)Non-reclamationarea1536.78±204.43a257.02±17.34a29.56±3.47a2.15±0.21a1960.32±89.63a193.49±65.80a

1)同列中不同的小寫字母表示差異顯著(P<0.05) Different lowercases in the same column indicate the significant difference (P<0.05).

2.2　銅尾礦庫劍葉金雞菊的重金屬元素含量及其轉(zhuǎn)移和富集能力分析

2.2.1重金屬元素含量分析檢測結(jié)果(表3)表明：復(fù)墾區(qū)劍葉金雞菊主根和須根的各重金屬元素含量由高到低依次為Cu、Zn、Mn、Pb、As、Cd，而未復(fù)墾區(qū)劍葉金雞菊主根和須根的各重金屬元素含量由高到低則依次為Cu、Zn、Mn、As、Pb、Cd；復(fù)墾區(qū)和未復(fù)墾區(qū)劍葉金雞菊莖葉的各重金屬元素含量由高到低均依次為Zn、Mn、Cu、Cd、Pb、As(未檢出)。其中，復(fù)墾區(qū)劍葉金雞菊主根的Cu含量低于未復(fù)墾區(qū)，而其余重金屬元素含量均高于未復(fù)墾區(qū)，且復(fù)墾區(qū)和未復(fù)墾區(qū)劍葉金雞菊主根的Pb含量差異顯著(P<0.05)；復(fù)墾區(qū)劍葉金雞菊須根的Cu、Zn和Mn含量低于未復(fù)墾區(qū)，而其余重金屬元素含量均高于未復(fù)墾區(qū)，且復(fù)墾區(qū)和未復(fù)墾區(qū)劍葉金雞菊須根的Pb含量差異顯著；復(fù)墾區(qū)劍葉金雞菊莖葉的各重金屬元素含量均低于未復(fù)墾區(qū)，且復(fù)墾區(qū)和未復(fù)墾區(qū)劍葉金雞菊莖葉的Cu、Zn和Mn含量差異顯著。

由表3還可見：復(fù)墾區(qū)和未復(fù)墾區(qū)劍葉金雞菊各器官的Cu含量均表現(xiàn)為在須根中最高，在主根中次之，在莖葉中最低，且主根和須根的Cu含量明顯高于莖葉；復(fù)墾區(qū)和未復(fù)墾區(qū)劍葉金雞菊各器官的Zn和Mn含量均表現(xiàn)為在莖葉中最高，在須根中次之，在主根中最低，且莖葉的Zn含量明顯高于主根和須根，而未復(fù)墾區(qū)莖葉的Mn含量明顯高于主根和須根，但復(fù)墾區(qū)各器官的Mn含量差異不明顯；復(fù)墾區(qū)劍葉金雞菊各器官的Pb含量表現(xiàn)為在主根中最高，在須根中次之，在莖葉中最低，而未復(fù)墾區(qū)劍葉金雞菊各器官的Pb含量則表現(xiàn)為在莖葉中最高，在須根中次之，在主根中最低；復(fù)墾區(qū)和未復(fù)墾區(qū)劍葉金雞菊各器官的Cd含量均表現(xiàn)為在莖葉中最高，在主根和須根中較低且相近；復(fù)墾區(qū)和未復(fù)墾區(qū)劍葉金雞菊各器官的As含量均表現(xiàn)為在主根和須根中較高且相近，在莖葉中未檢出。上述研究結(jié)果表明：劍葉金雞菊的Cu和As主要分布在根(主根和須根)中，而Cd和Zn則主要分布在莖葉中。

2.2.2重金屬元素轉(zhuǎn)移和富集能力分析計算結(jié)果(表4)表明：復(fù)墾區(qū)劍葉金雞菊中Zn、Cd和Mn的轉(zhuǎn)移系數(shù)以及未復(fù)墾區(qū)劍葉金雞菊中Zn、Pb、Cd和Mn的轉(zhuǎn)移系數(shù)均大于1，復(fù)墾區(qū)劍葉金雞菊中Pb的轉(zhuǎn)移系數(shù)以及復(fù)墾區(qū)和未復(fù)墾區(qū)劍葉金雞菊中Cu的轉(zhuǎn)移系數(shù)均小于1，而復(fù)墾區(qū)和未復(fù)墾區(qū)劍葉金雞菊中As的轉(zhuǎn)移系數(shù)因在莖葉中未檢出而無法計算，說明Zn、Pb、Cd和Mn在劍葉金雞菊體內(nèi)的轉(zhuǎn)移較Cu和As容易。并且，復(fù)墾區(qū)劍葉金雞菊中Zn、Pb、Cd和Mn的轉(zhuǎn)移系數(shù)顯著低于未復(fù)墾區(qū)，Cu的轉(zhuǎn)移系數(shù)略低于未復(fù)墾區(qū)。

由表4還可見：復(fù)墾區(qū)和未復(fù)墾區(qū)劍葉金雞菊主根、須根和莖葉中Cu、Zn、Pb、Mn和As的富集系數(shù)普遍較低，其中，未復(fù)墾區(qū)劍葉金雞菊莖葉中Zn的富集系數(shù)最高，但僅為0.304；復(fù)墾區(qū)和未復(fù)墾區(qū)劍葉金雞菊主根和須根中Cd的富集系數(shù)也較低，而莖葉中Cd的富集系數(shù)較高，其中，復(fù)墾區(qū)和未復(fù)墾區(qū)劍葉金雞菊莖葉中Cd的富集系數(shù)分別為0.578和0.995。并且，復(fù)墾區(qū)劍葉金雞菊主根中Cu和Zn的富集系數(shù)分別顯著和略低于未復(fù)墾區(qū)，Pb的富集系數(shù)顯著高于未復(fù)墾區(qū)，而Cd、Mn和As的富集系數(shù)均略高于未復(fù)墾區(qū)；復(fù)墾區(qū)劍葉金雞菊須根中Cu和Zn的富集系數(shù)顯著低于未復(fù)墾區(qū)，Cd和Mn的富集系數(shù)均略低于未復(fù)墾區(qū)，而Pb和As的富集系數(shù)則略高于未復(fù)墾區(qū)。

采樣區(qū)Samplingarea主根中各重金屬元素的含量/mg·kg-1 ContentofeachheavymetalelementinmainrootCuZnPbCdMnAs復(fù)墾區(qū)Reclamationarea35.67±17.25a26.18±5.98a2.40±0.35b0.59±0.13a22.46±5.88a2.23±1.06a未復(fù)墾區(qū)Non-reclamationarea46.31±11.06a20.58±2.10a0.52±0.10a0.36±0.06a17.61±3.08a1.48±0.60a采樣區(qū)Samplingarea須根中各重金屬元素的含量/mg·kg-1 ContentofeachheavymetalelementinfibrousrootCuZnPbCdMnAs復(fù)墾區(qū)Reclamationarea86.38±45.72a31.84±1.54a2.33±1.40b0.51±0.04a22.80±6.86a2.08±0.33a未復(fù)墾區(qū)Non-reclamationarea90.65±12.70a34.64±9.24a0.83±0.29a0.45±0.06a28.28±12.26a1.31±0.46a采樣區(qū)Samplingarea莖葉中各重金屬元素的含量/mg·kg-1 ContentofeachheavymetalelementinstemandleafCuZnPbCdMnAs復(fù)墾區(qū)Reclamationarea3.17±0.51a45.80±10.62a1.05±0.13a1.49±0.34a29.91±4.99a—未復(fù)墾區(qū)Non-reclamationarea5.50±0.64b77.32±14.13b1.14±0.16a2.14±0.51a64.09±6.52b—

1)同列中不同的小寫字母表示差異顯著(P<0.05) Different lowercases in the same column indicate the significant difference (P<0.05). —： 未檢出Undetected.

采樣區(qū)Samplingarea各重金屬元素的轉(zhuǎn)移系數(shù) TransfercoefficientofeachheavymetalelementCuZnPbCdMnAs復(fù)墾區(qū)Reclamationarea0.108±0.060a1.861±0.740a0.446±0.102a2.647±0.933a1.419±0.505a—未復(fù)墾區(qū)Non-reclamationarea0.125±0.039a3.739±0.312b2.243±0.632b5.906±0.688b3.696±0.628b—采樣區(qū)Samplingarea主根中各重金屬元素的富集系數(shù) EnrichmentcoefficientofeachheavymetalelementinmainrootCuZnPbCdMnAs復(fù)墾區(qū)Reclamationarea0.012±0.004a0.062±0.013a0.057±0.014b0.231±0.068a0.013±0.004a0.013±0.007a未復(fù)墾區(qū)Non-reclamationarea0.030±0.004b0.081±0.013a0.018±0.002a0.167±0.019a0.009±0.001a0.009±0.005a采樣區(qū)Samplingarea須根中各重金屬元素的富集系數(shù) EnrichmentcoefficientofeachheavymetalelementinfibrousrootCuZnPbCdMnAs復(fù)墾區(qū)Reclamationarea0.030±0.014a0.075±0.003a0.050±0.016a0.199±0.032a0.013±0.006a0.012±0.004a未復(fù)墾區(qū)Non-reclamationarea0.059±0.005b0.134±0.029b0.028±0.009a0.212±0.030a0.015±0.007a0.007±0.002a采樣區(qū)Samplingarea莖葉中各重金屬元素的富集系數(shù) EnrichmentcoefficientofeachheavymetalelementinstemandleafCuZnPbCdMnAs復(fù)墾區(qū)Reclamationarea0.001±0.000a0.109±0.027a0.025±0.007a0.578±0.159a0.017±0.004a—未復(fù)墾區(qū)Non-reclamationarea0.004±0.001b0.304±0.076b0.039±0.007a0.995±0.220a0.033±0.002b—

1)同列中不同的小寫字母表示差異顯著(P<0.05) Different lowercases in the same column indicate the significant difference (P<0.05). —： 未檢出Undetected.

2.3　銅尾礦庫劍葉金雞菊的Ca和總磷含量分析

檢測結(jié)果(表5)表明：復(fù)墾區(qū)劍葉金雞菊主根的Ca和總磷含量以及須根和莖葉的總磷含量均略高于未復(fù)墾區(qū)；復(fù)墾區(qū)劍葉金雞菊主根的Ca含量與總磷含量的比值(R)以及須根的Ca含量和R值均略低于未復(fù)墾區(qū)，而莖葉的Ca含量和R值則顯著(P<0.05)低于未復(fù)墾區(qū)。

由表5還可見：復(fù)墾區(qū)和未復(fù)墾區(qū)劍葉金雞菊莖葉的Ca含量均顯著高于主根和須根，而主根的Ca含量略高于須根；復(fù)墾區(qū)和未復(fù)墾區(qū)劍葉金雞菊主根、須根和莖葉的總磷含量差異較小，且均表現(xiàn)為須根的總磷含量最高、主根的總磷含量最低；復(fù)墾區(qū)和未復(fù)墾區(qū)劍葉金雞菊莖葉的R值顯著高于主根和須根，而主根的R值略高于須根。

采樣區(qū)Samplingarea主根中Ca和總磷(TP)的含量及其比值ContentsofCaandtotalphosphorus(TP)andtheirratioinmainrootCa/g·kg-1TP/g·kg-1RRA3.83±0.95a0.51±0.09a7.52±0.82aNRA3.80±1.13a0.47±0.19a8.05±1.42a采樣區(qū)Samplingarea須根中Ca和總磷(TP)的含量及其比值ContentsofCaandtotalphosphorus(TP)andtheirratioinfibrousrootCa/g·kg-1TP/g·kg-1RRA3.24±0.32a0.96±0.12a3.36±0.61aNRA3.51±0.36a0.62±0.24a5.66±1.59a采樣區(qū)Samplingarea莖葉中Ca和總磷(TP)的含量及其比值ContentsofCaandtotalphosphorus(TP)andtheirratioinstemandleafCa/g·kg-1TP/g·kg-1RRA13.29±5.01a0.79±0.07a16.77±5.18aNRA25.65±2.50b0.59±0.17a43.57±11.61b

1)RA： 復(fù)墾區(qū) Reclamation area； NRA： 未復(fù)墾區(qū) Non-reclamation area.R： Ca含量與總磷含量的比值 Ratio of Ca content to total phosphorus content. 同列中不同的小寫字母表示差異顯著(P<0.05) Different lowercases in the same column indicate the significant difference (P<0.05).

2.4　Pearson相關(guān)性分析

2.4.1劍葉金雞菊與根際尾礦相應(yīng)重金屬元素含量的相關(guān)性分析相關(guān)性分析結(jié)果(表6)表明：劍葉金雞菊主根的Pb含量與根際尾礦的Pb含量呈顯著(P<0.05)正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.708；主根的Zn和Cd含量與根際尾礦的相應(yīng)重金屬元素含量呈不顯著正相關(guān)；主根的Cu、Mn和As含量與根際尾礦的相應(yīng)重金屬元素含量呈不顯著負(fù)相關(guān)。劍葉金雞菊須根的Pb含量與根際尾礦的Pb含量呈極顯著(P<0.01)正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.948；須根的Cu、Cd和As含量與根際尾礦的相應(yīng)重金屬元素含量呈不顯著正相關(guān)；須根的Zn和Mn含量與根際尾礦的相應(yīng)重金屬元素含量呈不顯著正相關(guān)。劍葉金雞菊莖葉的Cu含量與根際尾礦的Cu含量呈極顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.940；莖葉的Zn含量與根際尾礦的Zn含量呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.856；莖葉的Cd含量與根際尾礦的Cd含量呈不顯著負(fù)相關(guān)；莖葉的Pb和Mn含量與根際尾礦的相應(yīng)重金屬元素含量呈不顯著正相關(guān)。

表6劍葉金雞菊不同器官重金屬元素含量與根際尾礦相應(yīng)重金屬元素含量的Pearson相關(guān)性分析

Table6PearsoncorrelationanalysisoncontentofheavymetalelementsindifferentorgansofCoreopsislanceolataLinn.withcontentofcorrespondingheavymetalelementsinrhizospheretailings

C1)不同器官的各相關(guān)系數(shù)2)Eachcorrelationcoefficientindifferentorgans2)主根Mainroot須根Fibrousroot莖葉StemandleafCu-0.0270.227-0.940**Zn0.634-0.127-0.856*Pb0.708*0.948**0.031Cd0.5000.370-0.459Mn-0.317-0.2810.617As-0.2430.087—

1)C： 根際尾礦的重金屬元素含量 Content of heavy metal elements in rhizosphere tailings.

2)*：P<0.05； ** ：P<0.01. —： 未檢出 Undetected.

2.4.2劍葉金雞菊重金屬元素含量與Ca和總磷含量及其比值(R)的相關(guān)性分析相關(guān)性分析結(jié)果(表7)表明：劍葉金雞菊主根的Mn含量與Ca和總磷含量以及Cu含量與R值均呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.726、0.734和0.868；主根的Zn、Pb、Cd和As含量與Ca和總磷含量以及主根的Cu含量與Ca含量均呈不顯著正相關(guān)；而主根的Cu含量與總磷含量以及Zn、Pb、Cd、Mn和As含量與R值均呈不顯著負(fù)相關(guān)。劍葉金雞菊須根的Cd含量與Ca含量呈極顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.972；須根的As含量與Ca含量以及須根的Mn含量與總磷含量均呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.765和-0.827；須根其余重金屬元素含量與Ca和總磷含量以及各重金屬元素含量與R值的相關(guān)性均不顯著。劍葉金雞菊莖葉的Mn含量與Ca含量呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.945；莖葉的Cu、Zn和Cd含量與Ca含量，以及Cu和Mn含量與R值均呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.865、0.871、0.744、0.822和0.820；莖葉的各重金屬元素含量與總磷含量的相關(guān)性均不顯著。

表7劍葉金雞菊不同器官重金屬元素含量與相應(yīng)器官Ca和總磷含量及其比值的Pearson相關(guān)性分析

Table7PearsoncorrelationanalysisoncontentofheavymetalelementsindifferentorgansofCoreopsislanceolataLinn.withcontentsofCaandtotalphosphorusandtheirratioincorrespondingorgans

指標(biāo)1)In-dex1)主根的各相關(guān)系數(shù)2)Eachcorrelationcoefficientinmainroot2)CuZnPbCdMnAsCMR-Ca0.3990.6600.1100.4840.726*0.619CMR-TP-0.0420.5960.2470.4720.734*0.591RMR0.868*-0.115-0.432-0.172-0.266-0.185指標(biāo)1)Index1)須根的各相關(guān)系數(shù)2)Eachcorrelationcoefficientinfibrousroot2)CuZnPbCdMnAsCFR-Ca-0.0360.069-0.124-0.972**-0.357-0.765*CFR-TP0.159-0.3900.2780.103-0.827*0.546RFR-0.0710.539-0.360-0.2540.697-0.627指標(biāo)1)In-dex1)莖葉的各相關(guān)系數(shù)2)Eachcorrelationcoefficientinstemandleaf2)CuZnPbCdMnAsCSL-Ca0.865*0.871*0.6230.744*0.945**—CSL-TP-0.537-0.2250.3590.033-0.498—RSL0.822*0.6370.1570.4030.820*—

1)CMR-Ca： 主根的Ca含量 Ca content in main root； CMR-TP： 主根的總磷含量 Total phosphorus content in main root；RMR： 主根的Ca含量與總磷含量的比值 Ratio of Ca content to total phosphorus content in main root； CFR-Ca： 須根的Ca含量 Ca content in fibrous root； CFR-TP： 須根的總磷含量 Total phosphorus content in fibrous root；RFR： 須根的Ca含量與總磷含量的比值 Ratio of Ca content to total phosphorus content in fibrous root； CSL-Ca： 莖葉的Ca含量 Ca content in stem and leaf； CSL-TP： 莖葉的總磷含量 Total phosphorus content in stem and leaf；RSL： 莖葉的Ca含量與總磷含量的比值 Ratio of Ca content to total phosphorus content in stem and leaf.

2)*：P<0.05； ** ：P<0.01. —： 未檢出 Undetected.

3　討論和結(jié)論

3.1　復(fù)墾區(qū)和未復(fù)墾區(qū)尾礦重金屬元素含量特征

與GB 15618—1995中規(guī)定的國家土壤二級標(biāo)準(zhǔn)(Cu、Zn、Pb、As和Cd的含量分別為100、250、300、40和0.6 mg·kg-1)相比，復(fù)墾區(qū)和未復(fù)墾區(qū)劍葉金雞菊根際尾礦的Cu、Zn、As和Cd含量均超出標(biāo)準(zhǔn)范圍，說明該銅尾礦庫復(fù)墾區(qū)和未復(fù)墾區(qū)的尾礦均屬于復(fù)合重金屬污染。

通常情況下，在對尾礦庫進行植物修復(fù)前均需要對尾礦庫進行覆土復(fù)墾，關(guān)于覆土復(fù)墾后尾礦中各重金屬元素的含量、分布和遷移及定居植物的重金屬元素含量變化已經(jīng)成為研究熱點[4，23-26]。安徽省銅陵市楊山?jīng)_銅尾礦庫復(fù)墾區(qū)劍葉金雞菊根際尾礦的Cu、Zn、Pb和Cd含量均高于未復(fù)墾區(qū)，這可能是因為未復(fù)墾區(qū)的根際尾礦處于裸露狀態(tài)，由于雨水侵蝕、地表徑流和滲流作用等導(dǎo)致其中的重金屬流失，也可能是因為復(fù)墾區(qū)的根際尾礦位于覆土層下面，土壤中的多孔顆粒通過吸附作用將向根系遷移的重金屬保留在覆土層。

3.2　劍葉金雞菊對重金屬元素的吸收和積累特征

雖然安徽省銅陵市楊山?jīng)_銅尾礦庫復(fù)墾區(qū)和未復(fù)墾區(qū)劍葉金雞菊根際尾礦的Cu和As含量均超出一般植物的忍受范圍(Cu為2～250 mg·kg-1，As為0.1～40.0 mg·kg-1)[10]，根際尾礦的Cd含量也接近對植物造成毒害作用的臨界值(3～8 mg·kg-1)[27]，但尾礦庫中生長的劍葉金雞菊未受到明顯影響，表明劍葉金雞菊具有較強的復(fù)合重金屬耐性[28]。通常情況下，植物體內(nèi)Cu、Zn、Pb、Cd、Mn和As含量的正常范圍分別為5～25、20～400、0.1～5.0、0.2～0.8、1～700和0.01～5.00 mg·kg-1[9-10]。檢測結(jié)果表明：復(fù)墾區(qū)和未復(fù)墾區(qū)劍葉金雞菊主根、須根和莖葉的Zn、Pb、Mn和As含量均在正常范圍內(nèi)，但主根和須根的Cu含量以及莖葉的Cd含量卻超出正常范圍，說明劍葉金雞菊對上述重金屬元素均有一定的吸收和積累能力，并且，其根對Cu的積累能力以及莖葉對Cd的積累能力均很強。

孫慶業(yè)等[29]認(rèn)為，植物對重金屬元素的吸收和積累不但與植物對重金屬的耐性機制有關(guān)，還與重金屬元素本身的活動有關(guān)。本研究中，不同重金屬元素在復(fù)墾區(qū)和未復(fù)墾區(qū)劍葉金雞菊各器官的吸收和積累特征明顯不同，其中，Cu主要積累在主根和須根中，且Cu的轉(zhuǎn)移系數(shù)很低(0.108～0.125)；As也主要積累在主根和須根中，在莖葉中未檢出，說明Cu和As在劍葉金雞菊體內(nèi)的轉(zhuǎn)移受到明顯抑制。相關(guān)研究結(jié)果表明：根中重金屬元素含量過高和轉(zhuǎn)移系數(shù)很低說明在重金屬污染條件下植物對重金屬元素的吸收和轉(zhuǎn)移具有較高的協(xié)調(diào)性[30-31]，植物對重金屬污染的抗性可通過逃避機制獲得(如將重金屬固定在根中[32])；Wei等[33]認(rèn)為，植物地上部對某些重金屬元素具有一定的排斥作用，采取限制重金屬元素從根部向地上部轉(zhuǎn)移的忍耐策略來抵御重金屬脅迫，據(jù)此推測，劍葉金雞菊很可能采取這種策略來應(yīng)對Cu和As脅迫，具體機制有待深入研究。

復(fù)墾區(qū)和未復(fù)墾區(qū)劍葉金雞菊中Zn、Pb、Mn和Cd的轉(zhuǎn)移系數(shù)均較高，基本上大于1，僅復(fù)墾區(qū)劍葉金雞菊Pb的轉(zhuǎn)移系數(shù)較小，說明劍葉金雞菊將Zn、Pb、Mn和Cd從根部向莖葉轉(zhuǎn)移的能力較強。除了采取限制重金屬元素從根部向地上部轉(zhuǎn)移的策略，植物還可以采取使重金屬元素盡快離開植物體的方法(即將重金屬元素積累到植株容易脫落的器官或組織中[34-35])來減輕重金屬脅迫對植物的傷害。由于劍葉金雞菊為多年生宿根草本植物，每年深秋植株的地上部枯死，因此，劍葉金雞菊很可能采取這種方式來應(yīng)對Zn、Pb、Mn和Cd脅迫，具體機制有待進一步深入研究。

當(dāng)從植物提取角度考慮物種修復(fù)潛力時，重金屬元素的富集系數(shù)通常是重要因子之一[36]。本研究中，僅未復(fù)墾區(qū)劍葉金雞菊莖葉Cd的富集系數(shù)接近1，而復(fù)墾區(qū)和未復(fù)墾區(qū)劍葉金雞菊主根、須根和莖葉中Cu、Zn、Pb、Mn和As的富集系數(shù)均小于1，說明劍葉金雞菊可能對Cd脅迫具有較強的植物提取修復(fù)潛力，而對Cu、Zn、Pb、Mn和As脅迫的植物提取修復(fù)潛力卻較弱。

3.3　劍葉金雞菊體內(nèi)重金屬元素吸收和轉(zhuǎn)移的影響因子分析

相關(guān)研究結(jié)果表明：植物體內(nèi)的重金屬元素含量與其生長基質(zhì)的重金屬元素含量關(guān)系密切，并受環(huán)境條件、植物自身特性、根際小環(huán)境和植物種類等因子的影響[37-39]。相關(guān)性分析結(jié)果表明：劍葉金雞菊主根的Pb、Zn和Cd含量以及須根的Pb含量與根際尾礦的相應(yīng)重金屬元素含量均呈正相關(guān)，且相關(guān)系數(shù)均在0.5以上；而莖葉的Cu和Zn含量與根際尾礦的相應(yīng)重金屬元素含量分別呈極顯著(P<0.01)和顯著(P<0.05)負(fù)相關(guān)。另外，銅尾礦庫復(fù)墾區(qū)劍葉金雞菊根際尾礦的有機質(zhì)和速效磷含量均顯著高于未復(fù)墾區(qū)，而復(fù)墾區(qū)劍葉金雞菊莖葉中Cu、Zn、Pb、Cd和Mn 5種重金屬元素含量均低于未復(fù)墾區(qū)，由于高含量的有機質(zhì)可能會降低重金屬元素的生物有效性[40]，據(jù)此推測復(fù)墾區(qū)根際尾礦有機質(zhì)和速效磷的高含量很可能是限制重金屬元素從劍葉金雞菊根部向地上部轉(zhuǎn)移的重要因子。

Turnau等[41]的研究結(jié)果表明：與對照相比，生長在鉛鋅工業(yè)廢棄物上的耐旱植物葉片的Ca含量較高；Probst等[42]的研究結(jié)果也表明：與正常土壤中蠶豆(ViciafabaLinn.)相比，鉛鋅尾礦中蠶豆葉片的Ca含量較高。本研究中，復(fù)墾區(qū)劍葉金雞菊莖葉的Ca和各重金屬元素含量均低于未復(fù)墾區(qū)，且莖葉的Cu、Zn、Cd和Mn含量與莖葉的Ca含量均呈顯著或極顯著正相關(guān)，說明劍葉金雞菊莖葉的Ca含量對Cu、Zn、Cd和Mn的積累具有明顯影響，即Ca含量越高，這些重金屬元素在劍葉金雞菊莖葉中的積累越多。此外，復(fù)墾區(qū)劍葉金雞菊莖葉中Ca含量與總磷含量的比值顯著低于未復(fù)墾區(qū)，而復(fù)墾區(qū)劍葉金雞菊中Zn、Pb、Cd和Mn的轉(zhuǎn)移系數(shù)均顯著低于未復(fù)墾區(qū)，但劍葉金雞菊對各重金屬元素的轉(zhuǎn)移能力是否與其體內(nèi)Ca含量與總磷含量的比值有直接關(guān)系還需進一步深入研究。

綜上所述，劍葉金雞菊是一種多重金屬耐性植物，能夠改善其根際尾礦的理化性質(zhì)，對重金屬元素具有固定作用；覆土復(fù)墾可顯著降低劍葉金雞菊體內(nèi)重金屬元素從根部向莖葉轉(zhuǎn)移的能力，因此，建議將劍葉金雞菊作為Cu和As污染地植物固定修復(fù)的物種，而能否將其作為Cd污染地植物提取修復(fù)的物種則仍需要進一步的深入研究。

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