鞍山某鐵礦區(qū)植物對重金屬的富集作用研究

高燁煬 李曄 李東明 陳麗虹 魏建兵

摘 要：重金屬污染土壤的生物修復技術是土壤污染整治的重要手段之一，是近幾年來國內外研究的熱點，同時也是現今土壤污染治理中環(huán)境友好、成本低廉的技術。本文采集幾種植物樣品，研究其富集作用及遷移轉化的情況，以為尾礦區(qū)土壤修復提供一定的理論依據，并根據初篩結果，選擇適宜的修復植物和修復方法，從而為礦區(qū)土壤環(huán)境生態(tài)修復提供數據積累和理論依據。

關鍵詞：礦區(qū)土壤;重金屬;富集作用;轉移系數

中圖分類號：X173文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2019）16-0150-04

Abstract： Bioremediation technology of heavy metal contaminated soil is one of the important means of soil pollution remediation. It is a hot spot in recent years， and it is also an environmentally friendly and low-cost technology in soil pollution control. In this paper， several kinds of plant samples were collected， and their enrichment and migration and transformation could provide some theoretical basis for soil restoration in the tailings area. Therefore， it provided data accumulation and theoretical basis for soil environmental ecological restoration in mining areas.

Keywords： mining soil;heavy metals; enrichment;transfer factor

隨著世界工業(yè)的迅速發(fā)展，地球上許多地區(qū)的土壤都不同程度地受到重金屬污染，而且污染面積有不斷擴大的趨勢[1]。工業(yè)化的推進與采礦業(yè)的發(fā)展，使礦業(yè)資源開發(fā)不斷加快，其所帶來的環(huán)境問題也越來越嚴重，其中尾礦對環(huán)境產生的影響尤為嚴重。尾礦是指選礦廠在特定經濟技術條件下，將礦石磨細、選取“有用組分”后所排放的廢棄物，即礦石經選別出精礦后剩余的固體肥料[2]。通常情況下，尾礦在化工、黑色金屬礦山的礦石總量中的比例可達50%～80%;在有色金屬礦山中可達70%～95%;在黃金、鉬、鎢等稀有金屬礦上中可達99%以上[3]。

隨著現代工業(yè)的迅速發(fā)展，礦產資源利用量不斷增加，由此導致的尾礦量也不斷增加。礦山開采和冶煉產生的尾礦對周邊環(huán)境介質產生嚴重影響，如占據大量土地資源、植被破壞、土壤退化、重金屬元素遷移至大氣及水土中等，若處理不當，會造成嚴重的污染問題，從而威脅人類的生存和發(fā)展[4]。此外，尾礦中的重金屬在遷移過程中，易進入食物鏈，從而直接威脅人類健康。因此，加強尾礦改良，減輕重金屬污染情況，恢復尾礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境顯得十分重要。

尾礦場作為重金屬的持久性污染源，其污染具有隱蔽性、長期性和不可逆性等特點，并通過食物鏈危害人類生命安全[5]。為了查明相關尾礦場環(huán)境中各類重金屬的污染現狀，學者們進行了多方面研究。例如，2009年，胡園園等人[6]對生長在銅陵銅官山礦區(qū)的5種菊科植物（小飛蓬、艾蒿、野艾蒿、蒼耳和山苦荬）進行了重金屬含量測定，并測定了其根部土壤中的重金屬含量。本文選取鞍山某尾礦區(qū)的8種植物，檢測植物內的重金屬含量，為以后尾礦的修復提供理論支撐和數據支持。

1 研究區(qū)自然概況

研究區(qū)位于遼寧省鞍山市南郊，距離市中心大約7km，行政區(qū)劃屬鞍山市千山區(qū)唐家房鎮(zhèn)管轄，面積約78 762.03m2，土壤中Fe元素含量為508mg·kg-1。鞍山市屬暖溫帶大陸性季風氣候，四季分明，氣候宜人。其特點是雨熱同步、干冷同期、溫度適宜、光照充足。春季少雨多風，日照時間長;夏季炎熱多雨，盛行東南風;秋季涼爽，雨量適中，南北風交替;冬季寒冷，降水偏少，多東北風。全市多年平均降水量為703.7mm，多年平均蒸發(fā)量為1 750.2mm，多年平均氣溫為9.4℃，多年平均日照時數為2 540h，多年平均相對濕度為60%，多年平均風速為3.5m/s，多年平均最大風速21m/s，多年平均最大凍土深度為118cm。尾礦位置如圖1所示。鞍山式鐵礦尾礦庫周邊土壤的重金屬含量如表1所示[7]。

2 材料與方法

2.1 樣品采集

2.1.1 植物樣品的采集。2018年5月3日，在鞍山某礦區(qū)選擇四個采樣點，采集針茅（Stipa capillata Linn）、艾蒿（Artemisia argyi H. Lév. & Vaniot）、薊（Cirsium japonicum）、一點紅（Emilia sonchifolia （L.） DC）、蘿摩（Metaplexis japonica）、蔞蒿（Artemisia selengensis Turcz.ex Bess）、打碗花（Calystegia hederacea Wall）和豚草（Ambrosia artemisiifolia L）地上部分和地下部分完好的植物，分別用密封袋裝好并標記。

2.1.2 土壤采樣方法。樣品采集0～20cm土壤。所采集的土壤樣品應去除雜草、草根、石塊、磚塊和肥料團塊等雜物。為增加土壤樣品的代表性，樣品的采集采用梅花布點法，即采樣時應以定點位置為主，在其周圍50m范圍內均勻分布的4個子樣點等量采集后組合為一個樣品。每個大格內的單點樣的土類盡量做到基本一致，帶回實驗室進行分析。

2.2 重金屬含量的測定

取土壤樣品5g，采用高氯酸和硝酸消解完全后，用1%硝酸稀釋至50mL，搖勻。此即為試液。

分別取植物地上和地下部分樣品各0.5g，200℃，碳化2h，再800℃灰化8h。冷卻，加1%硝酸溶解殘渣，稀釋至25mL，搖勻。此即為試液。

配制重金屬含量標準曲線，將上述待測溶液采用火焰原子分光光度計進行重金屬含量的測定。

2.3 生物富集系數（Bioconcentration Factor，BCF）的計算

生物富集系數是指生物體內某種元素或難分解的化合物的濃度同其所生存的環(huán)境中該物質的濃度比值，可用以表示生物濃縮的程度。土壤和植物之間的濃縮系數是植物體內某物質的濃度與植物所生長的土壤溶液中該物質的濃度的比值。

（1）

式中：[BCF]為富集系數;[C1]為植物中重金屬含量（mg·kg-1）;[C2]為土壤中的重金屬含量（mg·kg-1）。

2.4 轉移系數

轉移系數（Transfer factor）指植物的地上部位中重金屬濃度與相應重金屬在植物地下部位中濃度之比，是描述化學物質在生物體內轉移能力的重要指標，在一定程度上反映了植物系統(tǒng)中元素由根部向地上部分轉移的難易程度，是衡量植物對重金屬修復能力的重要因素之一。

計算公式為：

（2）

式中：[TF]為轉移系數;[C3]為地上部分的重金屬含量（mg·kg-1）;[C4]為地下部分的重金屬含量（mg·kg-1）。

3 結果與分析

3.1 植物及其根系土壤重金屬含量測定

3.1.1 銅含量測定。礦區(qū)植物的銅含量圖如圖2所示。從圖2可知，艾蒿地下部分和豚草地上部分Cu的含量都很高，超過了25mg·kg-1，且這兩種植物對Cu的富集作用也是最明顯的。其次是打碗花、蘿藦、薊和蔞蒿。針茅和一點紅中Cu的含量最少，與其他幾種植物相比，無明顯的富集作用。

3.1.2 鋅含量測定。礦區(qū)植物的鋅含量圖如圖3所示。從圖3可知，豚草地上部分鋅的含量最高，達到了18mg·kg-1。其次鋅的含量從高到低依次為艾蒿、打碗花、蘿藦、一點紅、薊和蔞蒿。而針茅中的鋅含量最少，地上部分和地下部分分別為1.724mg·kg-1和1.262mg·kg-1。

3.1.3 鉛含量測定。由于礦區(qū)土壤中Pb的含量很少，所以8種植物中Pb的含量也很少。從礦區(qū)植物Pb含量圖可知（見圖4），8種植物中除薊和艾蒿中Pb含量較低外，其他幾種植物的Pb含量大致相同。其中，蔞蒿的地上部分Pb含量最高，為2.505mg·kg-1。

3.1.4 鐵含量測定。礦區(qū)植物的鐵含量圖如圖5所示。從圖5可知，打碗花的根部鐵的含量最高，達到了1046.85mg·kg-1;其次依次是艾蒿、豚草和蔞蒿。以上幾種植物中鐵的含量明顯高于其他4植物。其他4種植物，薊中鐵的含量最低，地上部分和地下部分含鐵量分別為94.793mg·kg-1和65.739mg·kg-1。

4.2 生物富集系數和轉移系數

嚴莉等[8]等選擇蘆葦、水蔥、千屈菜、扁稈藨草、長苞香蒲5種濕地植物進行盆栽實驗，比較它們對土壤中的5種重金屬鎘、鉻、汞、鉛、鋅的富集特性，分析重金屬在各植物體和土壤中的動態(tài)分布，以評價所測植物對土壤中重金屬的綜合富集能力。通過分析可知，5種濕地植物對重金屬Cd、Cr、Hg、Pb、Zn都有富集和轉移的能力，但不同植物對不同重金屬的富集效果不同。

4.2.1 富集系數。重金屬富集系數如圖6所示。從圖6可知，艾蒿和豚草對Cu的富集系數較高，分別為12.42和12.74，吸收Cu元素的能力最強。其他幾種植物的富集系數由高到低依次是蘿藦、打碗花、薊、蔞蒿和一點紅。針茅的富集系數最低，為1.22。艾蒿和豚草對Zn的富集系數較高，分別為1.70和2.18，豚草吸收Zn元素的能力最高。其他幾種植物的富集系數由高到低依次為蘿藦、打碗花、一點紅、薊和蔞蒿。針茅的富集系數最低，為0.25，吸收能力最弱。8種植物對Pb的富集系數由高到低依次為蔞蒿、豚草、一點紅、針茅、蘿藦、打碗花、薊和艾蒿。由于土壤中的Pb含量不是很高，所以，大部分植物的富集系數都在1左右。艾蒿對Fe的富集系數最高，為3.44，最容易從土壤中吸收Fe元素。其他幾種植物的富集系數由高到低依次為打碗花、豚草和蔞蒿。而蘿藦、薊、一點紅和針茅的富集系數都很低，最低的為薊，只有0.32，所以薊吸收Fe元素的能力最弱。

4.2.2 轉移系數。Cu轉移系數最高的是豚草，轉移系數為2.028，其余植物Cu轉移系數由高到低依次為打碗花、蔞蒿、一點紅、蘿藦、針茅、艾蒿和薊。Pb轉移系數最高的為艾蒿，轉移系數為2.971，其余植物Pb轉移系數由高到低依次為蔞蒿、打碗花、針茅、豚草、蘿藦、一點紅和薊。Zn轉移系數最高的是薊，轉移系數為1.026，其余植物Zn轉移系數由高到低依次為蘿藦、針茅、打碗花、一點紅、艾蒿、豚草和蔞蒿。Fe轉移系數最高的為針茅，Fe轉移系數為2.704。其余植物Fe轉移系數由高到低依次為一點紅、薊、艾蒿、蔞蒿、豚草、打碗花和蘿藦。轉移系數體現了重金屬元素從地下部分向地上部分遷移的難易程度。從上述分析可知，艾蒿、蔞蒿、打碗花、豚草較容易將重金屬固定在地上部分。

5 結論

①根據Brooks對超富集植物的定義，植物的地上部分（DW）能富集100mg·kg-1的Cd、1 000mg·kg-1的Pb、Cu、Ni和10 000mg·kg-1的Zn，則稱之為超富集植物。在此次研究的8種植物樣品中，植物中的重金屬含量遠比標準少，因此不能算是超富集的植物。

②在所有的8種植物中，艾蒿中Fe的含量最高，達到1 747.93mg·kg-1。艾蒿、蔞蒿、打碗花和豚草的生物富集系數大于1，轉移系數也大于1，表明以上4種植物從土壤中吸收重金屬元素能力較強，也易固定重金屬元素且生物量大。盡管礦山生長環(huán)境惡劣，但仍生長十分迅速，適合作為礦山修復的植物。

③打碗花的根部鐵的含量超過了1 000mg·kg-1，所以在處理打碗花根部時，要防止對土壤的二次污染。

④豚草中4種重金屬含量也十分高，然而作為一種外來入侵的植物，在應用上一定要謹慎?？梢栽诿荛]的空間中進行種植，如生態(tài)園區(qū)，應用時要注意管理，應用結束后要清理干凈，不要留下隱患。

⑤由于查閱相關的文獻，針對重金屬污染的修復尚未應用在以上4種植物中，所以，在應用前應進行實驗室培育，了解植物對重金屬元素遷移轉化的過程。同時，多篩選植物，以找到具有超富集作用的植物，提高修復效率。

參考文獻：

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