東江湖鉛鋅礦渣堆場(chǎng)優(yōu)勢(shì)植物重金屬富集特征

付廣義，邱亞群，宋博宇，趙媛媛，許友澤，鐘 宇，成應(yīng)向

（1.湖南省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院 水污染控制技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2.環(huán)境保護(hù)部 環(huán)境保護(hù)對(duì)外合作中心，北京 100035）

東江湖是湖南省的重要飲用水源地，總蓄水量達(dá)8.12×109m3，其水質(zhì)與1.300×107人口的飲水安全息息相關(guān)。同時(shí)，東江湖庫區(qū)周邊鉛鋅等有色金屬礦豐富，自20世紀(jì)50年代庫區(qū)鉛鋅礦采選冶煉活動(dòng)不斷，遺留了大量礦渣，據(jù)統(tǒng)計(jì)，其總量高達(dá)6.6×105t。目前東江湖庫區(qū)周邊歷史遺留的鉛鋅礦渣已移除，但由于礦渣堆存時(shí)間長(zhǎng)、重金屬含量高，礦區(qū)土壤重金屬污染嚴(yán)重[1]?，F(xiàn)有研究表明東江湖鉛鋅礦渣堆場(chǎng)區(qū)域部分土壤中重金屬Pb、Cd、As含量分別高達(dá)9 690、11.6和812.9 mg/kg[1-2]。在雨水淋溶條件下，這些殘存于礦渣堆場(chǎng)土壤的高濃度重金屬可進(jìn)一步遷移至東江湖庫區(qū)地下水和湖體中。可見，鉛鋅礦渣堆場(chǎng)重金屬污染土壤已成為當(dāng)前湖南東江湖庫區(qū)飲用水安全的主要隱患，如何修復(fù)鉛鋅礦渣堆場(chǎng)重金屬污染土壤是當(dāng)前東江湖庫區(qū)亟待解決的環(huán)境污染問題。

植物修復(fù)是礦區(qū)重金屬污染土壤修復(fù)普遍采用的技術(shù)之一[3-5]，該技術(shù)的關(guān)鍵在于尋找或篩選出適于當(dāng)?shù)貧夂蚺c土壤條件的重金屬耐性或超富集植物[6-8]。東江湖清江鄉(xiāng)存在多個(gè)鉛鋅礦區(qū)，礦區(qū)所處位置海拔高、晝夜溫差大、雨量充沛，且鉛鋅采選歷史悠久、涉及面積大、礦渣遺存量多，是東江湖庫區(qū)典型的鉛鋅礦區(qū)。因此，本研究選取東江湖清江鄉(xiāng)其中一個(gè)鉛鋅礦區(qū)——銀水垅礦區(qū)為調(diào)查對(duì)象，對(duì)該礦區(qū)鉛鋅渣堆場(chǎng)土壤和優(yōu)勢(shì)植物進(jìn)行樣品采集與分析，研究Pb、Cd和As等重金屬在堆場(chǎng)優(yōu)勢(shì)植物中的分布特征，以及不同植物對(duì)重金屬的富集和轉(zhuǎn)運(yùn)能力，為建立植物修復(fù)系統(tǒng)，完成東江湖鉛鋅渣堆場(chǎng)土壤生態(tài)修復(fù)，提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法

1.1 樣品采集

湖南省資興市東江湖銀水垅礦區(qū)影響面積約為60 hm2，銀水垅礦區(qū)原殘留約1.2×105t鉛鋅廢渣/廢石，礦渣/廢石移除后，堆場(chǎng)下層土壤受到了不同程度污染[1]。鉛鋅渣堆場(chǎng)及其周邊的植物主要有臭牡丹Clerodendrum bungei、鹽膚木Rhus chinensis、馬尾松Pinus massoniana、芒萁Dicranopteris dichotoma、木姜子Litsea cubeba、楓樹Acer saccharum、桂花樹Osmanthus fragrans、木荷Schima superba和紅葉石楠Photinia serrulata等9種。這9種植物為本地土著植物，能適應(yīng)東江湖鉛鋅礦區(qū)的水文氣候條件。本研究中每種植物采集3個(gè)重復(fù)樣本，根系土壤樣品為附著在植物根系上的0～20 cm 表層土壤。礦區(qū)鉛鋅渣堆場(chǎng)位置及植物、土壤采樣點(diǎn)，如圖1所示。

圖1 采樣點(diǎn)分布Fig.1 Sampling point distribution

1.2 分析方法

將植物按根、桿、葉分開，用自來水沖洗去除黏附于樣品上的泥土，再用去離子水沖洗。烘干前先在105 ℃下殺青30 min，然后在70 ℃烘箱中烘干至恒重。將根、桿、葉用植物磨樣機(jī)粉碎并充分混合，過0.5 mm尼龍篩。土壤樣品取回后剔除植物殘?bào)w，風(fēng)干后研磨過100目篩，常溫保存?zhèn)溆?。?jīng)預(yù)處理后的植物和根系土壤樣品采用鹽酸-硝酸-高氯酸法進(jìn)行消解，使用原子吸收分光光度儀測(cè)定樣品Pb和Cd的含量，原子熒光光度計(jì)測(cè)定其中As的含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 鉛鋅礦渣堆場(chǎng)優(yōu)勢(shì)植物根系土壤重金屬污染狀況

鉛鋅礦渣堆場(chǎng)9種優(yōu)勢(shì)植物根系土壤中Pb、Cd和As的含量如表1所示。9種植物根系土壤中Cd的含量均超過了土壤環(huán)境質(zhì)量三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（表2），大部分植物根系土壤Pb和As的含量均超過了土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)或三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，可見該礦區(qū)土壤重金屬，特別是Cd，污染較為嚴(yán)重。不同植物根系土壤中重金屬含量差異較大，這可能與植物生長(zhǎng)位置原廢渣堆存量與堆存時(shí)間有關(guān)。

表1 植物根系土壤中重金屬含量Table1 Heavy metal contents in plant root systems(mg·kg-1)

表2 土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Table2 Soil environmental quality standards(mg·kg-1)

2.2 鉛鋅礦渣堆場(chǎng)優(yōu)勢(shì)植物體內(nèi)重金屬分布特征

鉛鋅礦渣堆場(chǎng)9種優(yōu)勢(shì)植物體內(nèi)重金屬Pb、Cd和As的含量如表2所示。由表2可知，植物體內(nèi)Pb含量最高，其次是As和Cd，3種重金屬含量與其在土壤中的含量特征基本一致，說明植物重金屬與土壤重金屬含量存在正相關(guān)性，與前人研究結(jié)果相似[9-11]。9種優(yōu)勢(shì)植物對(duì)重金屬的吸收量各有不同，其體內(nèi)（根、桿和葉）重金屬總量范圍為：Pb 5.69～195.28 mg/kg，Cd 0.56～ 11.48 mg/kg，As 3.27～25.68 mg/kg。所有調(diào)查的優(yōu)勢(shì)植物體內(nèi)的Cd、Pb和As含量都沒有達(dá)到超富集植物的臨界含量（Pb 1 000 mg/kg；As 1 000 mg/kg；Cd 100 mg/kg）[12]，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過一般植物中重金屬元素正常含量（Pb 0.1～41.7 mg/kg，As＜1 mg/kg，Cd 0.2～0.8 mg/kg）[13]，說明這些植物是富集植物或抗性植物。

重金屬Pb、Cd和As在9種優(yōu)勢(shì)植物的積累與分布，見圖2。重金屬在不同植物體內(nèi)的總含量存在顯著差異，具體而言，植物體內(nèi)Pb總量大小順序依次為：鹽膚木＜桂花樹＜芒萁＜木荷＜紅葉石楠＜楓樹＜馬尾松＜臭牡丹＜木姜子，植物體內(nèi)Cd總量大小順序依次為：鹽膚木＜木姜子＜木荷＜芒萁＜臭牡丹＜楓樹＜桂花樹＜紅葉石楠＜馬尾松，植物體內(nèi)As總量大小順序依次為：桂花樹＜鹽膚木＜紅葉石楠＜馬尾松＜楓樹＜木荷＜芒萁＜木姜子＜臭牡丹。由此可見，鹽膚木體內(nèi)3種重金屬含量均較低，臭牡丹和木姜子體內(nèi)重金屬Pb和As的含量最高，馬尾松體內(nèi)重金屬Cd的含量最高，這與植物根系土壤重金屬含量和自身富集能力相關(guān)。重金屬在不同植物體內(nèi)的分布情況存在顯著差異，除個(gè)別植物外，3種重金屬在植物根系的含量最高，其中，臭牡丹體內(nèi)Pb分布情況為：根＞莖/桿≈葉，而As的分布情況為：根＞葉＞莖/桿；木姜子體內(nèi)Pb分布情況為：根＞莖/桿＞葉，而As的分布情況為：根＜葉＜莖/桿。

2.3 鉛鋅礦渣堆場(chǎng)優(yōu)勢(shì)植物對(duì)重金屬的富集特征與轉(zhuǎn)運(yùn)能力

圖2 植物不同部位重金屬含量Fig.2 Heavy metal contents in different parts of plants

為進(jìn)一步探明礦區(qū)9種優(yōu)勢(shì)植物對(duì)不同重金屬的富集與轉(zhuǎn)運(yùn)能力，計(jì)算并分析比對(duì)了各個(gè)植物體的富集系數(shù)（BCF）和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)（TF），結(jié)果如表2和圖3所示。富集系數(shù)即植物地上部與土壤中相應(yīng)重金屬含量比值，用來衡量植物對(duì)土壤中重金屬元素吸收累積能力，是評(píng)價(jià)植物富集重金屬能力的指標(biāo)之一，反映了植物將土壤中重金屬元素轉(zhuǎn)移到植物體內(nèi)的能力，富集系數(shù)越大，則植物對(duì)該種重金屬從土壤向體內(nèi)的遷移能力越強(qiáng)。當(dāng)BCF大于1時(shí)，說明植物地上部重金屬含量大于其所生長(zhǎng)的土壤環(huán)境中的重金屬元素含量，這些植物可以用于土壤重金屬污染修復(fù)治理。從表3可以看出，9種優(yōu)勢(shì)植物對(duì)Pb和As的BCF值均小于1，表明其對(duì)Pb和As的富集能力均較弱；相比之下，除鹽膚木外，其余優(yōu)勢(shì)植物對(duì)Cd的富集能力均較強(qiáng)，BCF值均大于1。

轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)是指植物地上部與地下部重金屬含量的比值，通常用來衡量植物對(duì)重金屬的轉(zhuǎn)運(yùn)能力。當(dāng)TF值大于1時(shí)，說明植物能夠?qū)⒌叵虏糠治盏脑剞D(zhuǎn)運(yùn)至地上部，從而達(dá)到地下部對(duì)重金屬的大量吸收。而當(dāng)TF小于1時(shí)，植物通過自身的排斥機(jī)制，阻止地下部分吸收的重金屬向地上部運(yùn)輸，從而減少毒害作用。馬尾松、臭牡丹、芒其和鹽膚木地上部分Pb含量高于地下部分，對(duì)Pb的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)大于1，其它植物對(duì)Pb的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)遠(yuǎn)小于1，這可能與土壤中Pb含量較高有關(guān)；除木荷外，紅葉石楠、楓樹、桂花樹、馬尾松、臭牡丹、芒萁、木姜子和鹽膚木地上部分Cd含量均高于地下部分，對(duì)Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)大于1；楓樹、馬尾松、木姜子和鹽膚木地上部分As含量顯著高于地下部分，對(duì)As的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)大于1，其他植物木荷、紅葉石楠、桂花樹、臭牡丹和芒其地上部分As含量與地下部分相當(dāng)。

表3 主要優(yōu)勢(shì)植物重金屬富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)Table3 Heavy metal enrichment coefficients and transport coefficients of main dominant plants

圖3 主要優(yōu)勢(shì)植物重金屬富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)Fig.3 Heavy metal enrichment coefficients and transport coefficients of main dominant plants

3 結(jié)論與討論

鉛鋅堆場(chǎng)9種優(yōu)勢(shì)植物體內(nèi)重金屬Pb、Cd和As含量均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通植物，其中，臭牡丹、馬尾松、芒萁、木姜子、楓樹和紅葉石楠對(duì)Pb、Cd和As中的單種或多種元素具備超富集植物的特征和潛能。進(jìn)一步對(duì)比分析得出臭牡丹和馬尾松、芒萁、木姜子分別對(duì)Pb、Cd和As的富集和轉(zhuǎn)運(yùn)能力最強(qiáng)，此4種植物均符合超富集植物的基本特征之一（地上部的重金屬含量高于根部該種重金屬含量），其具有作為堆場(chǎng)土壤生態(tài)修復(fù)植物的潛力。李順等[14]和張麗等[15]研究均指出臭牡丹則能夠作為重金屬Pb污染土壤生態(tài)治理的植物，另有研究表明芒萁和馬尾松對(duì)重金屬復(fù)合污染脅迫的耐性較強(qiáng)，可作為礦山植被重建的優(yōu)勢(shì)物種[16-18]。本研究中，紅葉石楠雖對(duì)Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)能力較弱，TF值（0.98）小于1，但其對(duì)Cd的富集能力較強(qiáng)，BCF值大于1；此外，已有研究表明紅葉石楠對(duì)鉛鋅礦區(qū)土壤中Zn也具有較強(qiáng)的富集能力[19]。木荷和桂花樹對(duì)Cd的BCF值均大于1；楓樹對(duì)As的TF值則高達(dá)9.17，其地上部分的含量較其他植物大，即楓樹從土壤中吸收的As能夠不斷地被運(yùn)送到地上部分，通過地上部分收割去除土壤中的重金屬As。同時(shí)，其它研究也指出作為Mn超富集植物的木荷可作為礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)的優(yōu)選植物[20-22]；陳福春等[23]表明桂花樹對(duì)重金屬污染土壤具有較強(qiáng)的耐受性，且具備Cd超富集植物的基本特征，這與本研究結(jié)果基本一致。

綜合以上優(yōu)勢(shì)土著植物重金屬富集和轉(zhuǎn)運(yùn)特征可知，臭牡丹和馬尾松、芒萁、木姜子分別對(duì)Pb、Cd和As具有較強(qiáng)的富集能力，可作為富集植物推廣應(yīng)用至礦區(qū)鉛鋅堆場(chǎng)土壤重金屬污染修復(fù)；同時(shí)，紅葉石楠、木荷、桂花樹和楓樹等4種喬木生物量大、重金屬耐受能力強(qiáng)，其對(duì)于礦區(qū)鉛鋅堆場(chǎng)植物群落重建、重金屬污染土壤生態(tài)修復(fù)與水土保持等方面均具有重要作用。根系土壤重金屬濃度是影響其在植物體內(nèi)富集與轉(zhuǎn)運(yùn)的關(guān)鍵因素之一，東江湖礦渣堆場(chǎng)優(yōu)勢(shì)植物根系土壤重金屬濃度差異顯著（表1），因此，無法通過本研究結(jié)果對(duì)比分析不同優(yōu)勢(shì)植物對(duì)各類重金屬的富集與轉(zhuǎn)運(yùn)能力。本研究下一步擬采集東江湖礦區(qū)背景土壤，利用批量盆栽實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步全面考察相同污染濃度水平下重金屬在各優(yōu)勢(shì)植物體內(nèi)的富集與轉(zhuǎn)運(yùn)特征；擬通過重金屬濃度條件實(shí)驗(yàn)，定量分析各優(yōu)勢(shì)植物對(duì)不同濃度重金屬的耐受能力，確定不同重金屬在優(yōu)勢(shì)植物中的臨界含量，為鉛鋅礦渣堆場(chǎng)重金屬污染土壤植物修復(fù)提供全面科學(xué)支撐。