貴州省高峰村卡林型金礦苔蘚植物調(diào)查及污染指示研究

左思藝，安宏鋒，王之明

貴州省環(huán)境監(jiān)測中心站，貴州 貴陽 550000

卡林型金礦又稱微細浸染型金礦，不可見金或其顆粒極細(納米級)是該類金礦的重要特點[1]。露天開采不但破壞當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，還會造成嚴重的重金屬污染。

苔蘚植物有著獨特的生理特性，能在礦區(qū)惡劣的重金屬污染環(huán)境下生存和繁衍。且苔蘚植物對其生境中的重金屬具有很強的富集能力[2-3]。20世紀60年代后期大量出現(xiàn)利用苔蘚監(jiān)測大氣重金屬污染的研究[4]。而在被重金屬污染的土壤上，大量地方性植物物種的發(fā)現(xiàn)促進了耐金屬植物研究。同時，某些能夠富集重金屬的植物也相繼被發(fā)現(xiàn)，隨后有關耐重金屬植物與超富集植物的研究逐漸增多，植物修復作為一種治理污染的技術(shù)被提出[5]。開采后的金礦區(qū)，基巖裸露，生態(tài)環(huán)境惡化，甚至導致石漠化的發(fā)生。這樣的生態(tài)環(huán)境脆弱，穩(wěn)定性差，敏感性強，承載能力弱，容易破壞且難以恢復[6]。在植物難以生長的情況下苔蘚植物常常以先鋒植物的角色出現(xiàn)，苔蘚植物的出現(xiàn)對于增加地表植被覆蓋、提高生物多樣性和恢復生態(tài)系統(tǒng)功能具有重要意義，因而成為研究金礦區(qū)重金屬污染和生態(tài)修復的首選理想植物。

苔蘚植物不但能探礦[7-9]，更具有監(jiān)測重金屬污染[10-15]和生態(tài)修復的巨大潛力[16-18]。本文調(diào)查了貴州省興義市雄武鄉(xiāng)高峰村卡林型金礦區(qū)苔蘚植物的種類，研究了苔蘚植物體內(nèi)與基質(zhì)重金屬含量的相互關系以及苔蘚植物對重金屬的富集特征(As雖然不屬于重金屬，但其來源以及危害與重金屬相似，本文歸并到重金屬一并敘述)，為苔蘚植物監(jiān)測金礦區(qū)重金屬污染及生態(tài)修復提供科學數(shù)據(jù)。

1 實驗部分

1.1 野外工作

高峰村卡林型金礦位于貴州省興義市白碗窯鎮(zhèn)，現(xiàn)已停采，屬于廢棄金礦。在野外工作時，發(fā)現(xiàn)該金礦有2個開采點，考慮可互相作為對照和補充，使實驗數(shù)據(jù)更加全面、結(jié)論更加科學。按照污染濃度梯度將該金礦劃分為3個區(qū)域，分別是重污染區(qū)(包括廢石區(qū)、廢渣區(qū)、廢洞區(qū)、廢水區(qū)和洗金池)、相對污染區(qū)(荒地)和清潔區(qū)(農(nóng)田)。野外采集苔蘚標本時，按照重污染區(qū)、相對污染區(qū)和清潔區(qū)的順序依次進行。

以每個生境為一個樣點，每個樣點中按5 m×5 m取3個樣方，每個樣方用10 cm×10 cm金屬絲做成的樣方框采集3～5份標本；對應每個生境用采集刀采集一份土壤基質(zhì)。按此方法分別在2個開采點(命名為高峰村1號和高峰村2號)采集到94、75 份標本，共計169份。

1.2 室內(nèi)工作

1.2.1 苔蘚鑒定

對樣品進行整理(裝入樣品袋并貼上標簽)，借助《中國苔蘚志》、《中國蘚類植物屬志》(上、下冊)和《云南苔蘚植物志》(第十八卷)，用HWG21型雙筒解剖鏡和XSP-BM-2CA型光學顯微鏡對標本進行鑒定。

1.2.2 元素測定

準備工作。將選出的苔蘚樣品與基質(zhì)用鑷子分開，用自來水沖洗直至沒有雜物，然后用去離子水沖洗1～2遍。將分離開的苔蘚植物與基質(zhì)用濾紙包住放入干燥箱，調(diào)節(jié)溫度至60 ℃(防止Hg揮發(fā))，48 h后取出研磨。植物和基質(zhì)樣品分別過粒徑為178 μm和149 μm篩后裝入樣品袋備用。

植物樣品的消解。測定Cu、Zn、Cd和Pb時，稱量0.2 g植物樣品放入三角燒瓶中，加入5mL HNO3-HClO4混酸(體積比4∶1)。后放于可調(diào)電熱板上硝化至白煙散盡，取下冷卻后加入0.5%的HNO3轉(zhuǎn)移至50 mL的定量瓶中，用0.5%的HNO3定容至50 mL待測。測定Hg和As時，稱量0.2 g植物樣品放入聚四乙烯消解罐中，加入3 mL HNO3，在沸水浴中消解至黃色透明，后將罐內(nèi)的全部黃色液體用10 mL的5%HCl轉(zhuǎn)移至50 mL的定量瓶中，加入5 mL 10%的硫脲，用去離子水定容至50 mL待測。

基質(zhì)樣品的消解。測定Cu、Zn、Cd和Pb時，稱量0.2 g基質(zhì)樣品放入三角燒瓶中，加入10 mL HNO3-HCLO4混酸(體積比4∶1)。后放于可調(diào)電熱板上硝化至白煙散盡，取下冷卻后加入5%HNO3定容至50 mL待測。測定Hg和As時，稱量0.2 g植物樣品放入比色管中，加入新配置的王水(VHCL∶VHNO3=3∶1)沸水浴2～3 h至白煙散盡后取出冷卻后加入5 mL 10%硫脲，用去離子水轉(zhuǎn)移至50 mL定量瓶定容至50 mL待測。

AF-640用原子熒光光譜儀和A Analyst 800原子吸收光譜儀分別對Hg、As和Cu、Zn、Cd、Pd進行元素測定[19]。

1.2.3 質(zhì)量控制

按照《土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 166—2004)的有關要求以及空白樣和平行樣開展基質(zhì)和植物重金屬元素測定的質(zhì)量控制。

1.2.4 數(shù)據(jù)分析

相似性系數(shù)(Sx)計算公式：

式中：A為甲地區(qū)全部科(屬、種)數(shù)；B為乙地區(qū)全部科(屬、種)數(shù)；C為2個地區(qū)共有科(屬、種)數(shù)。

富集系數(shù)C′=植物體內(nèi)某元素的含量/該植物基質(zhì)中某元素的背景值,C′ ≥ 1.5時為相對富集，C′ ≥ 3時為強烈富集，C′=0.5～1.5時兩者屬同一水平，C′ < 0.5時為相對貧化，C′ < 0.1時為強烈貧化。

運用SPSS19.0軟件對數(shù)據(jù)進行相關性分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 高峰村卡林型金礦區(qū)苔蘚植物種類調(diào)查

對采集到的169份標本進行鑒定，發(fā)現(xiàn)苔蘚植物12科26屬50種(表1)。硬葉凈口蘚Cymnostomumsubrigidulum(Broth.)chen、羽枝青蘚Brachytheciumplumosum(Hedw.)B.S.G.、北地扭口蘚BarbulafallaxHedw.、真蘚BryumargenteumHedw.、芽孢銀蘚AnomobryumgemmigerumBroth.等在礦區(qū)分布廣泛。叢蘚科和真蘚科苔蘚標本占總標本數(shù)的43.64%和31.62%。

表1 苔蘚植物科、屬、種的統(tǒng)計Table 1 Statistics of families, genus, Species of bryophytes

生活型有矮叢集型占84.87%、高叢集型占3.78%和交織型占11.34%，叢集型占絕對優(yōu)勢。苔蘚植物的生活型是指在不同的生態(tài)環(huán)境下苔蘚植物的集群和生長型的綜合特征，是苔蘚植物對綜合環(huán)境條件的適應在外貌上的反映，通過物種組成生活型的分析，可以揭示環(huán)境的一般特征[20]。生活型的調(diào)查結(jié)果說明，叢集型的生長方式可以有助于苔蘚植物體保水，減少蒸發(fā)面積，增強抗旱能力，從而更能適應金礦區(qū)惡劣干旱的生態(tài)環(huán)境。

根據(jù)當?shù)靥μ\植物的具體分布情況，按屬≥5、種≥10排列優(yōu)勢科，則優(yōu)勢科為叢蘚科和真蘚科。叢蘚科共有7屬19種，占總屬數(shù)和總種數(shù)的26.92%和36.00%，真蘚科共有5屬14種，占總屬數(shù)和總種數(shù)的的19.23%和28.00%。

2個金礦開采點發(fā)現(xiàn)的苔蘚植物在物種種類、豐富度以及空間分布上呈現(xiàn)出一定的差異性。共有的苔蘚植物有硬葉凈口蘚、真蘚、硬葉扭口蘚Barbularigidula(Hedw.)Mild、羽枝青蘚、芽孢銀蘚、短葉小石蘚WeisiasemipallidaC.Muell.、闊葉小石蘚WeisiaplanifoliaDix.和彎葉真蘚原變種BryumrecurvulumMitt.var recurvulum(表2)。計算不同分類級別(科、屬、種)的相似性系數(shù)，得出科、屬、種的相似性系數(shù)分別為58.82%、55.56%和27.59%(表3)。不同自然環(huán)境中影響苔蘚植物分布的主要生態(tài)因子不同，例如：影響城市或公園苔蘚分布的主要生態(tài)因子有人為干擾、土壤水分和喬灌層郁閉度等[21-24]；影響湖泊島嶼苔蘚分布的主要生態(tài)因子有基質(zhì)、坡度和草本蓋度等[25]。因為受到不同生態(tài)因子的影響，導致高峰村2個開采點的苔蘚植物出現(xiàn)差異性。目前國內(nèi)還未有金礦區(qū)苔蘚植物分布與生態(tài)因子關系的詳細研究。

表2 2個開采點各生境苔蘚植物優(yōu)勢種Table 2 Dominant species of bryophytes in each of habitat in the two mining sites

表3 2個開采點苔蘚植物的相似性Table 3 Similarity of bryophytes in the two mining sites

2.2 苔蘚植物對重金屬污染的指示作用

在測定基質(zhì)和苔蘚植物重金屬含量實驗中，對6種元素分別各做了2個空白樣實驗；抽取20%的樣品做平行樣實驗。基質(zhì)平行樣標準偏差為0.8%～6.2%，苔蘚植物平行樣標準偏差為0.7%～9.6%，具體情況見表4。

表4 質(zhì)量控制結(jié)果Table 4 Quality control results

在污染區(qū)(重污染區(qū)、相對污染區(qū))和清潔區(qū)選取優(yōu)勢種進行苔蘚與基質(zhì)重金屬含量相關性研究。其中，高峰村1號污染區(qū)苔蘚植物為硬葉凈口蘚，清潔區(qū)為羽枝青蘚；高峰村2號污染區(qū)苔蘚植物為臺灣曲柄蘚和北地扭口蘚，清潔區(qū)為羽枝青蘚。圖1中污染區(qū)數(shù)據(jù)來自重污染區(qū)或者相對污染區(qū)。

圖1 苔蘚重金屬含量與生境重金屬含量的關系Fig.1 Relationship between heavy metal element contents of bryophytes and heavy metal concentration in habitat

從圖1可見，污染區(qū)的苔蘚植物重金屬含量普遍高于未受污染的區(qū)域，苔蘚植物體內(nèi)的6種重金屬含量與生境重金屬含量有較好的正相關性。同時發(fā)現(xiàn)高峰村2號污染區(qū)的苔蘚植物Zn和As元素含量低于清潔區(qū)。這和重金屬在苔蘚植物中的生物阻抗作用有關。1990年，TYLER[26]提到生長在污染嚴重的礦渣上的葫蘆蘚，它的孢子體對重金屬有強烈的耐受能力和阻抗能力，這是孢子體為了在生長過程中達到最大的生物量，所以必須盡可能地排除來自土壤基質(zhì)及其外部環(huán)境直接或者間接的金屬毒性影響。在金礦污染區(qū)內(nèi)，各重金屬元素背景值的含量均較高，使得有些苔蘚可能會對這些元素產(chǎn)生生物屏蔽機制，以此來阻止過量的重金屬元素轉(zhuǎn)移到體內(nèi)，減少它們對苔蘚植物的毒害作用。因為相同生境中不同苔蘚植物中的同一種重金屬元素含量水平是不相同的。野外苔蘚植物種類的分布及各生境優(yōu)勢苔蘚植物種類的不同，會對研究苔蘚植物體內(nèi)重金屬含量的變化規(guī)律產(chǎn)生一定影響。

從苔蘚植物和基質(zhì)重金屬含量的相關性系數(shù)研究中發(fā)現(xiàn)，硬葉凈口蘚與基質(zhì)中Cd和Zn元素含量正相關。在0.05置信水平上，它們的相關性系數(shù)分別為0.973和0.892。本文用圖2來呈現(xiàn)這種顯著的正相關關系。

圖2 苔蘚與基質(zhì)金屬含量相關性Fig.2 Correlate between heavy metal element contents of bryophytes and substrate of soil

本次研究結(jié)果說明卡林型金礦苔蘚植物重金屬含量與基質(zhì)重金屬含量密切相關的同時，也發(fā)現(xiàn)不是所有的苔蘚植物都能有效監(jiān)測每一種重金屬污染。不同種類的苔蘚植物對元素的吸收有很強的選擇性[9]。在野外，某些苔蘚植物與基質(zhì)中某種重金屬有顯著的正相關性，找到該種苔蘚植物用作土壤重金屬污染的指示植物具有可行性。

2.3 苔蘚植物對重金屬的富集特征

富集系數(shù)是衡量植物對重金屬積累能力的一個重要指標，指植物體內(nèi)某種重金屬含量與土壤中該種重金屬含量的比值[27]，反映植物對基質(zhì)中元素的吸收能力，通過對富集系數(shù)進行研究，可以找到對重金屬具有強富集能力的苔蘚植物，說明苔蘚具有修復土壤重金屬污染的潛力。

研究同污染區(qū)域中的不同種苔蘚植物以及不同生境中的同種苔蘚植物的富集能力，結(jié)果表明，不同種類的苔蘚植物富集重金屬的能力不同，不同生境中的同種類的苔蘚植物富集重金屬的能力也不相同(圖3、圖4)。同時，本次研究中只發(fā)現(xiàn)對單一重金屬元素有較強富集能力的苔蘚植物，并未發(fā)現(xiàn)能同時高富集多種重金屬元素的苔蘚。

圖3 不同苔蘚富集重金屬能力Fig.3 Different bryophytes have different ability to enrich heavy metals

圖4 同種苔蘚在不同生境富集重金屬能力Fig.4 The same kind of bryophytes has different ability to enrich heavy metals in different habitats

在高峰村1號和高峰村2號分別選擇4個生境，包括重污染區(qū)2個、相對污染區(qū)1個和清潔區(qū)1個。2個開采點4個生境中優(yōu)勢種的6種元素的富集系數(shù)見圖5。這幾種苔蘚植物對Cu和Hg的富集能力較低，對Cd的富集能力較高，其中高峰村1號相對污染區(qū)中的硬葉凈口蘚和高峰村2號清潔區(qū)中的羽枝青蘚富集能力最強。

圖5 2個開采點各生境優(yōu)勢苔蘚植物對重金屬的富集情況Fig.5 Bioconcentration factors of six heavy metals in bryophytes with different habitats in two mining sites

高峰村卡林型金礦的常見種和優(yōu)勢種為硬葉凈口蘚、北地扭口蘚和羽枝青蘚。其中，硬葉凈口蘚對元素富集能力從大到小順序依次為Cd>Pb>Cu>Zn>Hg>As，對Cd最大富集系數(shù)為5.58，是強烈富集。羽枝青蘚富集能力從大到小順序依次為Cd>Pb>Zn>Hg>As>Cu，對Cd最大富集系數(shù)為16.52，是強烈富集；對Cu最大富集系數(shù)為2.41，是相對富集。北地扭口蘚富集能力從大到小順序依次為Zn>Cu>Pb>Cd>Hg>As，對Zn最大富集系數(shù)為2.97，是相對富集(圖6)。另外，對Cu、Zn富集能力最強為北地扭口蘚，富集系數(shù)分別是2.41和2.97；對Pb、Hg富集能力最強為硬葉凈口蘚，富集系數(shù)分別為2.00和0.51；對As富集能力最強為葫蘆蘚FunariahygrometricaHedw.，富集系數(shù)為0.66。

圖6 3種常見苔蘚植物對重金屬的富集系數(shù)Fig.6 Bioconcentration factors of six heavy metals elements in three common bryophytes

3 結(jié)論

苔蘚植物中的一些種類對某些特定重金屬元素的高耐受度和低阻抗力，可以幫助該種苔蘚植物能生長在嚴重重金屬污染的礦區(qū)，并且能夠和基質(zhì)中的一種或幾種重金屬元素保持良好的正相關性。這就為苔蘚植物指示重金屬污染提供了可行性。另一方面，在只有苔蘚植物能夠大量生長的礦區(qū)，對重金屬的高富集能力是修復生態(tài)環(huán)境中的重金屬污染的重要前提。

本次在高峰村卡林型金礦發(fā)現(xiàn)苔蘚植物共計50種。生活型以抗旱能力強的矮叢集型為主，且在沒有喬灌層的區(qū)域苔蘚植物均為叢集型。由于受土壤水分、坡度、草本蓋度、人為干擾等生態(tài)因子的影響，2個開采點的苔蘚植物在種類、豐富度和分布上有差異。苔蘚植物對重金屬污染的指示作用研究結(jié)果表明，苔蘚植物體內(nèi)的重金屬含量與基質(zhì)背景值關系密切。高峰村金礦區(qū)硬葉凈口蘚與基質(zhì)Cd和Zn元素是顯著正相關關系，表明該苔蘚具備監(jiān)測卡林型金礦Cd和Zn污染的能力。硬葉凈口蘚和羽枝青蘚對Cd強烈富集，這種強富集能力說明這2種苔蘚有修復卡林型金礦區(qū)土壤Cd污染的潛力。