尾渣堆周邊土壤重金屬污染對植物影響研究

盧 楠，李 剛,朱代文

(1.國土資源部退化及未利用土地整治工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710075；2.陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)，陜西 西安 710075；3.陜西省土地整治工程技術(shù)研究中心，陜西 西安 710075;4.陜西地建土地工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075)

工業(yè)生產(chǎn)、礦業(yè)開發(fā)、污水灌溉和巖石風(fēng)化等過程是重金屬元素進(jìn)入土壤生態(tài)系統(tǒng)的主要途徑[1]。根據(jù)2014年4月發(fā)布的全國污染土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)顯示，全國土壤環(huán)境狀況總體不容樂觀，工礦業(yè)廢棄地土壤環(huán)境問題突出。從污染物超標(biāo)情況看，銅、鋅兩種無機(jī)污染物點(diǎn)位超標(biāo)率分別為2.1%、0.9%[2]。因重金屬很難在土壤的生物物質(zhì)循環(huán)和能量交換過程中分解，導(dǎo)致重金屬很難從土壤中去除[3]，從而造成土壤重金屬污染修復(fù)困難。土壤中的Cu、Zn是植物生長必須的微量元素，直接影響植物的呼吸作用和產(chǎn)量。土壤中的重金屬Cu、Zn超標(biāo)，嚴(yán)重影響農(nóng)作物的正常生長、產(chǎn)量和品質(zhì)[4]，甚至威脅人類的健康。植物修復(fù)技術(shù)屬于原位修復(fù)方法的一種[5]，是一種清潔、綠色環(huán)保的重金屬污染土壤處理技術(shù)，與其他技術(shù)相比，植物修復(fù)不會帶來次生環(huán)境問題[6]，修復(fù)周期較短、適應(yīng)強(qiáng)，同時可增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，適用于大面積修復(fù)。李華等[7]通過對海洲香薷進(jìn)行大量研究，發(fā)現(xiàn)海洲香薷對Cu的耐受性較好，可用于Cu污染土壤的修復(fù)。蔣先軍等[8]發(fā)現(xiàn)Brassicajunc對Pb、Cd的吸收和積累具有良好效果。李金輝等[9]對小酸模對鋅具有較好的效應(yīng)。雖然國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)找到了一部分對Cu和Zn有累積作用的植物，但是由于應(yīng)用地點(diǎn)和情況不同，仍需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行植物篩選試驗(yàn)。本研究通過對礦區(qū)土壤及植物中重金屬含量的測定，藉此篩選出一些對重金屬污染具有忍耐或富集能力的植物，為礦區(qū)重金屬污染應(yīng)用植物修復(fù)技術(shù)提供科學(xué)參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于陜豫交界的小秦嶺金礦區(qū)內(nèi)，地理區(qū)間坐標(biāo)E34°30′56″～34°31′21″，N110°19′23″～110°19′56″。小秦嶺金礦區(qū)是我國第二大黃金產(chǎn)區(qū)，主要開采石英脈型金礦，采樣區(qū)內(nèi)尾渣堆積時間較長，但因尚未廢棄，表層仍不斷有尾渣繼續(xù)堆積，此區(qū)域主要金屬礦物為黃鐵礦、黃銅礦、閃鋅礦、方鉛礦等，主要伴生元素為Cu、Zn和Pb。礦區(qū)屬暖溫帶大陸性雨熱同季的季風(fēng)型干旱氣候，四季分明，降水多集中于夏季[10]，且多為暴雨，多年平均氣溫26.1 ℃。土壤類型主要為黃綿土，耕地主要為旱地。

1.2 樣品采集

1.2.1 植物樣品的采集

采樣工作于2016年8月23日～2016年8月24日進(jìn)行。共設(shè)置尾渣堆及渣堆北向10 m、30 m和50 m共計(jì)4個采樣點(diǎn)，在采樣點(diǎn)處采用樣方框的方式對采樣點(diǎn)附近植物進(jìn)行調(diào)查，并采集典型植物若干。每種植物樣品在區(qū)域范圍內(nèi)選取生長期接近，生長狀況良好的3～5株，用牛皮紙袋封裝并記錄。

1.2.2 土壤樣品的采集

按照《土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》要求，對礦區(qū)廢棄尾渣堆及渣堆一定區(qū)域范圍內(nèi)的耕地土壤進(jìn)行采樣，在每個采樣點(diǎn)處，選取植物根系周圍1 m2范圍內(nèi)，采用梅花形采樣法布設(shè)5個采樣點(diǎn)，為防止揚(yáng)塵對土樣重金屬含量產(chǎn)生影響，去除表層5 cm土壤，對0～30 cm取樣后混合為1個土壤混合樣品，采用四分法留樣約1 kg，密封于自封袋中，避免樣品污染。在采樣過程中，準(zhǔn)確記錄采樣位置及和周圍環(huán)境特點(diǎn)。

1.3 樣品的處理及測定

1.3.1 植物樣品的處理和測定

將植物樣品用自來水沖洗干凈，再用去離子水清洗并晾干[11]。置于105 ℃下殺青30 min，然后將溫度調(diào)節(jié)至75 ℃烘干至恒重，稱取干重(g)。用瑪瑙研缽將植物樣品粉碎后過0.25 mm尼龍篩，稱取約0.5000 g樣品于聚四氟乙烯消解罐中，采用硝酸和雙氧水體系微波消解，用Agilent 7700電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(美國)測定植物樣品各部分Cu、Zn含量。實(shí)驗(yàn)過程中所用的酸純度均為優(yōu)級純。

1.3.2 土壤樣品的處理和測定

樣品經(jīng)自然風(fēng)干，除去樣品中異物，用木棒壓碎、研磨，過0.149 mm尼龍篩，保存待測[12-13]。準(zhǔn)確稱取0.1000 g土壤樣品于聚四氟乙烯消解罐中，消解及測定過程同植物樣品，上機(jī)所用標(biāo)準(zhǔn)樣品均使用國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)配制。

1.4 土壤重金屬污染評價方法

本研究擬采用單項(xiàng)污染指數(shù)法對土壤重金屬污染程度進(jìn)行評價。單項(xiàng)污染指數(shù)法是通過采集樣品的污染實(shí)測濃度與該污染物的評價標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，以確定該污染物的單項(xiàng)污染情況，是綜合污染評價的重要依據(jù)。單因子污染指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)詳見表1。

表1 單項(xiàng)指數(shù)評價分級標(biāo)準(zhǔn)

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010、SPSS 13.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、分析，Origin 8.5繪圖。

2 討 論

2.1 土壤樣品重金屬單項(xiàng)污染指數(shù)評價

以《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618—1995)二級標(biāo)準(zhǔn)作為土壤重金屬單項(xiàng)污染指數(shù)評價標(biāo)準(zhǔn)。尾渣堆上所采樣品pH<7.5，其余土壤樣品pH>7.5。5種土壤樣品的重金屬污染指數(shù)結(jié)果見表2。從表2可知，尾渣堆樣品5種重金屬的單項(xiàng)污染指數(shù)平均值排列順序依次為Cu>Zn>Cr> Ni>As，除Zn的變異系數(shù)高于100%，屬于強(qiáng)變異外，其余重金屬指標(biāo)變異系數(shù)均低于30%，屬于中等變異；距尾渣堆10 m處土壤樣品5種重金屬的單項(xiàng)污染指數(shù)平均值排列順序依次Cu>Zn>Ni>As>Cr，變異系數(shù)均低于60%，屬于中等變異，說明這5種重金屬單項(xiàng)污染空間分布不均。

表2 研究區(qū)土壤重金屬單項(xiàng)污染指數(shù)

距尾渣堆30 m和50 m處的土壤樣品單項(xiàng)污染指數(shù)均低于1，表明研究區(qū)土壤未受到重金屬污染，距尾渣堆10 m處土壤樣品除Cu、Zn外，其余元素平均單項(xiàng)污染指數(shù)均小于1，Cu的平均單項(xiàng)污染指數(shù)為3.38，屬重度污染，Zn的平均單項(xiàng)污染指數(shù)為1.90，屬輕度污染。

2.2 土壤樣品重金屬Cu和Zn含量分析

將土壤樣品不同剖面深度Cu和Zn的平均質(zhì)量濃度描述見圖1。

圖1 各采樣點(diǎn)土壤中剖面Cu和Zn的平均含量

由圖1可知，距離尾渣堆0～50 m范圍內(nèi)，距離尾渣堆30～50 m區(qū)域受尾礦渣影響較小，各層土壤剖面Cu和Zn平均含量均低于土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)。尾渣堆上和距離尾渣堆10 m處，Cu、Zn含量均高于環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)二級，經(jīng)過計(jì)算，Cu的變異系數(shù)均低于18%，含量差異較小。綜合對尾渣堆表層0～30 cm Cu和Zn含量進(jìn)行分析，Zn含量變化較大，20～30 cm尾渣中Cu、Zn含量均高于表層，Zn的平均含量高達(dá)492.1 mg/kg，較0～20 cm尾渣含量顯著升高。原因可能為尾礦成分含有氧化產(chǎn)生的酸性排水的物質(zhì)，如硫等，通過淋溶作用促使表層Cu和Zn向下層遷移，造成較下層Cu、Zn含量因累積而升高[14-15]。距尾渣堆10 m處采樣點(diǎn)位于渣堆旁的泥土路面，表層0～5 cm呈現(xiàn)黃色粉末狀，車輛來往時揚(yáng)塵較大，對距尾渣堆10 m處0～30 cm土壤剖面Cu和Zn含量進(jìn)行分析，Cu、Zn平均含量較尾渣樣均有所升高，Cu、Zn平均含量表現(xiàn)出20～30 cm>0～10 cm>10～20 cm的趨勢，可能原因?yàn)槲苍逊e時間較長，采樣點(diǎn)20～30 cm下層Cu、Zn累積量較大，表層0～10 cm含量較高的原因主要是采樣點(diǎn)的位置受到大風(fēng)揚(yáng)塵及車輛擾動沉降的結(jié)果，也可能是尾渣堆壓占土地面積較大，尾渣堆積時間長短不同，重金屬含量不同所致。

綜合以上分析，在研究區(qū)內(nèi)，污染范圍主要集中于0～30 m區(qū)域，典型污染重金屬指標(biāo)為Cu、Zn。Cu、Zn含量分別為《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB15618—1995)二級標(biāo)準(zhǔn)值(pH>7.5)的1.1～4.0倍和1.1～2.7倍；從采樣點(diǎn)的超標(biāo)比例分析，0～10 m范圍內(nèi)，Cu、Zn采樣點(diǎn)的超標(biāo)率分別為100%和66.7%。在距離尾渣堆30～50 m區(qū)域范圍內(nèi)Cu、Zn含量降至二級標(biāo)準(zhǔn)值以下，但均高于Cu含量17.9 mg/kg和Zn含量45.3 mg/kg的陜西土壤元素背景值[16]。

2.3 植物樣品各部分中Cu、Zn的分布特點(diǎn)

尾渣堆上未生長植物，30～50 m范圍內(nèi)所有重金屬元素含量未超標(biāo)，因此本節(jié)僅對距尾渣堆10 m處和30 m處植物樣品對污染物Cu、Zn的富集和轉(zhuǎn)移效應(yīng)進(jìn)行分析。所采植物樣品與相應(yīng)土壤環(huán)境Cu、Zn含量對比圖見圖2和圖3。轉(zhuǎn)移系數(shù)及富集系數(shù)見表3。

圖2 距尾渣堆10 m處Cu、Zn含量對比圖

圖3 距尾渣堆30 m處Cu、Zn含量對比圖

與尾渣堆距離元素BCFTF蘆葦茵陳蒿蘆葦茵陳蒿10mCuZn0．501．720．561．762．661．712．072．12與尾渣堆距離元素BCFTF花生根花生莖花生葉茵陳蒿根30mCuZn1．671．544．654．291．651．242．812．61

植物體內(nèi)重金屬的濃度與植物根系所生長土壤的重金屬含量具有一定相關(guān)性。一般植物吸收的重金屬主要累積在根部，只有少部分才會將其轉(zhuǎn)運(yùn)到地上部分[17]。而大氣中重金屬的沉降作用，使植物葉面重金屬含量累積。對于某些植物類型來說，植物的地上部分較地下部分重金屬含量更多[18]。轉(zhuǎn)移系數(shù)能夠直觀反映植物將重金屬從地下部分向地上部分轉(zhuǎn)移的能力[19]。

由圖2和表3可知，在距尾渣堆10 m的采樣點(diǎn)處，蘆葦和茵陳蒿對Zn的富集系數(shù)及Cu、Zn的轉(zhuǎn)移系數(shù)均大于1，對Cu的富集系數(shù)結(jié)果相近，二者體內(nèi)Zn的絕對含量較多，有較好的富集、轉(zhuǎn)移效果。由圖3和表3可知，在距尾渣堆30 m的采樣點(diǎn)處，花生對Cu、Zn的富集系數(shù)高于10 m處蘆葦和茵陳蒿，且花生和茵陳蒿的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)均大于1，但植物體內(nèi)Cu、Zn的絕對含量較小，造成這種現(xiàn)象的原因可能為：Cu和Zn是植物生長必需的微量元素，在未污染土壤中正常生長的植物，對Cu和Zn的吸收量較多，或植物在此Cu、Zn含量的土壤情況對植物的生長發(fā)育具有促進(jìn)作用。

表4 植物不同部位Cu、Zn含量分布

不同采樣點(diǎn)植物體內(nèi)各部分的Cu、Zn含量分布見表4。由表4可知，在距尾渣堆10 m的采樣點(diǎn)處，蘆葦不同部位對Cu和Zn的累積能力排序分別為葉>根>莖、根>葉>莖，距尾渣堆30 m的采樣點(diǎn)處，花生不同部位對Cu和Zn的累積能力排序分別為根>葉>莖、葉>根>莖。兩個采樣點(diǎn)處，茵陳蒿對Cu的累積能力排序均為葉>根>莖，對Zn的累積能力排序?yàn)槿~>根>莖或葉>莖>根，規(guī)律性較強(qiáng)，原因可能有以下兩方面：①茵陳蒿為尾渣堆周邊優(yōu)勢作物，長期受到礦區(qū)重金屬或非金屬成礦作用的影響，已適應(yīng)其生長環(huán)境，形成特定的耐性機(jī)制，對惡劣環(huán)境具有很強(qiáng)的耐性、適應(yīng)性[20]；②茵陳蒿體表長有白色絨毛，這對捕收大氣中重金屬元素具有一定作用，導(dǎo)致地上部分含量普遍高于地下部分[21]。

對三種植物進(jìn)行對比，蘆葦和茵陳蒿地上部分Cu、Zn的含量較多，與蘆葦相比，茵陳蒿在當(dāng)?shù)厣w度更大，理論上可采用植物提取的方式進(jìn)行污染土壤的修復(fù)。

3 結(jié) 論

1) 距尾渣堆30 m和50 m范圍內(nèi)的研究區(qū)土壤未受到重金屬污染，距尾渣堆0～10 m范圍內(nèi)，污染物為Cu和Zn，其中，Cu屬于重度污染，Zn屬于輕度污染。

2) 距尾渣堆10 m取樣點(diǎn)處，對0～30 cm土壤剖面Cu和Zn含量分析，Cu、Zn平均含量表現(xiàn)出20～30 cm>0～10 cm>10～20 cm的趨勢，可能原因?yàn)槲苍逊e時間較長，受淋溶作用等影響，采樣點(diǎn)20～30 cm下層Cu、Zn累積量較大，表層0～10 cm含量較高的原因主要是采樣點(diǎn)的位置受到大風(fēng)揚(yáng)塵及車輛擾動沉降的結(jié)果，也可能是尾渣堆壓占土地面積較大，尾渣堆積時間長短不同，重金屬含量不同所致。

3) 對三種植物進(jìn)行比較，茵陳蒿地上部分Cu、Zn的含量顯著高于其余兩種植物，在后續(xù)的研究工作中，可通過對茵陳蒿進(jìn)行馴化，使其對Cu、Zn的富集和轉(zhuǎn)移能力達(dá)到預(yù)期。

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