香根草種植年限對煤矸石山土壤重金屬的吸收與富集能力

許鐘丹，郝 俊，陳 超，汪 瑞，毛圓圓，王化秋，盧 綺，程 巍，2*

(1.貴州大學 動物科學學院，貴州 貴陽 550025；2.貴州大學 山地植物資源保護與種質創(chuàng)新省部共建教育部重點實驗室，貴州 貴陽 550025)

【研究意義】我國是世界上煤炭生產(chǎn)量第一的國家，生產(chǎn)加工產(chǎn)生的大量煤矸石導致礦區(qū)生態(tài)被破壞，土壤重金屬污染逐漸加重[1-3]。土壤重金屬主要有銅(Cu)、鋅(Zn)、鎳(Ni)、鎘(Cd)、鉛(Pb)、汞(Hg)、砷(As)和鉻(Cr)等[4]，其中As和Cd可對環(huán)境造成直接污染，而Cu和Zn是植物體內(nèi)的必需元素，但其含量達一定限值后也會對環(huán)境和植物造成污染和傷害[5]。采用物理修復和化學修復治理煤矸石山土壤重金屬污染，不僅修復時間和成本高，還會對土壤的結構造成一定的破壞[6-8]。而利用植物對礦區(qū)土壤重金屬污染進行生態(tài)修復不僅成本低，還具有景觀作用，不易形成二次污染[9-10]。因此，利用植被對其修復與重建是減少重金屬對礦區(qū)造成土壤污染的有效策略。香根草(VetiveriazizanioidesL.)為禾本科巖蘭草屬的一種多年生草本植物，具有極強的生態(tài)適應性[11]。近年來，香根草被廣泛應用于水土保持、道路塌方滑坡治理、退化生態(tài)系統(tǒng)的恢復、富營養(yǎng)水體的凈化、土壤重金屬污染修復和土壤基質改良等方面[12-13]?！厩叭搜芯窟M展】ANTIOCHIA等[14]發(fā)現(xiàn)，香根草可作為Zn的超富集植物。在澳大利亞，香根草已經(jīng)成功運用于修復高納、鎂、砷、鹽和堿等尾礦[15]。MELATO等[16]研究發(fā)現(xiàn)，香根草能在低pH和高鹽度尾礦中存活并健康生長。陳超等[17]研究表明，香根草修復煤矸石山基質時，對基質中Cu、Zn、Cd和As 4種重金屬都起到一定的吸附作用。ROONGTANAKIAT等[18]報道，香根草能用于礦山尾礦、垃圾回收填埋場和工業(yè)廢料堆等地區(qū)的修復和治理。楊兵等[19]的研究結果也驗證了香根草對鉛鋅尾礦具有一定的修復作用。DATTA等[20]認為，香根草是修復礦區(qū)土壤重金屬污染的最佳植物之一。然而，目前對香根草吸附重金屬方面的研究大都局限于某一種金屬，或者將香根草和其他植物對重金屬的吸附效果進行比較，未見香根草因種植年限差異導致不同部位對重金屬吸附效果的研究報道?！颈狙芯壳腥朦c】以不同種植年限的香根草群落為研究對象，通過測定比較香根草各部位對土壤重金屬Cu、Zn、Cd和As吸收和存儲的差異性?！緮M解決的問題】探明不同種植年限香根草對六盤水市大河煤礦土壤重金屬Cu、Zn、Cd和As的吸收和存儲特征，以期為香根草治理與修復煤矸石山重金屬污染土壤提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

大河煤礦(104°50′E，26°38′N)位于貴州省六盤水市鐘山區(qū)的大河鎮(zhèn)內(nèi)，屬亞熱帶濕潤季風氣候，年平均氣溫為12.2 ℃，夏季平均氣溫19.6 ℃，冬季平均氣溫2.9 ℃。年均降雨量為1234.7 mm[17]。六盤水市礦產(chǎn)資源豐富，探獲資源儲量258億t，井田118處，素有西南煤海之稱[21-22]。大河煤礦從20世紀70年代實施開采，2001年項目組在此種植香根草并進行礦區(qū)生態(tài)治理恢復。香根草種植于當年開采并堆積起來形成的煤矸石山上，種植時根部附帶少許客土，灌溉少量水，1個月后對未成活的幼苗進行補種。待其成活后使香根草在自然狀態(tài)下生長，對香根草和矸石山不再進行管理。

1.2 材料

1.2.1 香根草 香根草地上部和地下部樣品若干，采自六盤水市鐘山區(qū)大河煤礦香根草試驗地，種植年限分別為3 a(2012年)、4 a (2011年)、7 a (2008年)、9 a (2006年)和14 a (2001年)，長勢一致，每個種植年限群落采用S形布點法選取5個樣區(qū)，每個采樣區(qū)采集10～15株，分別取其地上部和地下部樣品。

1.2.2 土壤樣品 5份，均采自香根草樣品對應試驗地。

1.3 方法

1.3.1 樣品處理 將香根草用鑷子除去大顆粒物質，再用自來水清洗附著在樣品上的污物和泥土，最后用去離子水沖洗3～5次。用吸水紙吸干后分成根系和莖葉兩部分，在105 ℃下殺青30 min后在75 ℃烘箱烘烤約48 h至恒重再稱其生物量，分別稱重后于研缽中研細混勻，過60目篩后用HNO3-HClO4消化[23-24]。

1.3.2 指標測定 參照文獻[25]的方法，鎘(Cd)、銅(Cu)和鋅(Zn)采用火焰原子吸收光譜法測定，砷(As)采用原子熒光光譜法測定。

1.3.3 重金屬含量相關性分析 土壤中重金屬含量采用項目組陳超等[17]的檢測結果，取5年平均值進行重金屬含量相關性分析。

重金屬富集系數(shù)=(植物體內(nèi)重金屬含量/土壤中重金屬含量)×100 %

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010和SPSS 22.0對數(shù)據(jù)進行處理與分析，獨立樣本T檢驗、Duncan多重比較(Duncan’s multiple range test)檢驗各處理之間的差異，以平均值±標準差表示；用SigmaPlot 10.0和Excel 2010作圖。

2 結果與分析

2.1 不同種植年限香根草地上部和地下部的重金屬含量

從表1看出，不同種植年限香根草各部位Cu、Zn、Cd和As的含量變化。地上部：Cu、Zn、Cd和As變幅分別為8.40～22.25、22.57～42.43、0.16～0.48和12.64～22.76 μg/g，種植14 a的Cu、Zn、As及種植7 a的Cd含量最高，分別為22.25、42.43和22.76和0.48 μg/g；種植4 a的Cu、Zn及種植3 a的Cd、As含量最低，分別為8.40、22.57、0.16和12.64 μg/g。地下部：Cu、Zn、Cd和As變幅分別為13.47～48.78、40.82～88.22、0.48～0.91和13.07～25.65 μg/g，種植14 a的Cu、Zn及種植7 a的Cd、As含量最高，分別為48.78、88.22、0.91和25.65 μg/g；種植4 a的Cu、Zn和種植3 a的Cd、As含量最低，分別為13.47、40.82、0.48和13.07 μg/g。

表1 香根草地上部及地下部的重金屬含量(n=3)

相同種植年限香根草各部位不同重金屬的含量，各種植年限地上部的Cu、Zn和Cd均低于地下部，且差異均顯著；各種植年限地上部的As均低于地下部，除種植3 a和4 a地上部與地下部差異不顯著外，其余種植年限地上部與地下部差異均顯著。相同部位不同種植年限間香根草各重金屬的含量，種植14 a香根草地上部和地下部的Cu和Zn顯著高于其余種植年限，種植7 a(4 a地上部除外)香根草地上部和地下部的Cd著高于外其余種植年限，種植3 a和4 a香根草地上部(7 a地下部除外) 的As顯著低于其余種植年限。

2.2 香根草對不同重金屬富集能力的差異

從表2可知，不同種植年限香根草各部位Cu、Zn、Cd和As的富集系數(shù)變化。地上部：Cu、Zn、Cd和As變幅分別為0.07～0.19、0.17～0.34、0.36～1.37和5.10～13.88，種植14 a的Cu、Zn、As含量及種植7 a的Cd含量最高，分別為0.19、0.34、13.88和1.37；種植4 a的Cu、Zn及種植3 a的Cd、As含量最低，分別為0.07、0.17、0.36和5.10。地下部：Cu、Zn、Cd和As變幅分別為0.11～0.41、0.31～0.71、1.09～2.60和5.27～14.82，種植14 a的Cu、Zn、As及種植7 a的Cd富集系數(shù)最大，分別為0.41、0.71、14.82和2.60；種植4 a的Cu、Zn及種植3 a的Cd、As富集系數(shù)最小，分別為0.11、0.31、1.09和5.27。

表2 香根草地上部及地下部重金屬的富集系數(shù)

相同種植年限香根草各部位不同重金屬的富集系數(shù)，各種植年限地上部的Cu均低于地下部，除種植3 a和4 a地上部與地下部差異不顯著外，其余種植年限地上部與地下部差異顯著；各種植年限地上部的Zn和Cd均低于地下部，且差異均顯著；各種植年限地上部的As的富集系數(shù)均低于地下部，除種植3 a地上部與地下部差異不顯著外，其余種植年限地上部與地下部差異均顯著。香根草相同部位不同種植年限間各重金屬的富集系數(shù)，種植9 a 和14 a地上部的Cu顯著高于種植3 a和4 a；7 a、9 a與14 a間、3 a與7 a間、3 a與4 a間差異均不顯著；地下部種植14 a顯著高于其余種植年限；3 a與4 a間，7 a與9 a間差異均不顯著。種植9 a 和14 a地上部的Zn顯著高于種植3 a和4 a；7 a、9 a與14 a間、3 a、4 a與7 a間差異均不顯著；種植14 a地下部(9 a除外)的Zn顯著高于其余年限，3 a、4 a與7 a間，7 a與9 a間差異均不顯著。種植7 a地上部和地下部的Cd顯著高于其余種植年限，3 a的顯著低于其余種植年限。種植14 a地上部的As顯著高于其余種植年限，3 a的顯著低于其余種植年限。

2.3 香根草地下部重金屬含量的相關性

當植物體某部分的2種重金屬含量具有明顯的相關性時，說明其在被植物吸收的時候可能具有協(xié)同作用[26]。從表3看出，在香根草地下部重金屬含量中，Cu與Zn呈極顯著正相關，與Cd和As分別呈負相關和正相關；Zn與Cd和As分別呈正相關和負相關；Cd與As的含量呈極顯著負相關。說明，香根草地下部吸收Cu和Zn時具有極顯著的協(xié)同作用；吸收Cd和As時具有極顯著的拮抗作用。

表3 香根草地下部重金屬含量間的相關性

3 討 論

香根草通過對重金屬的富集作用，不僅能吸收對自身生長有益的微量元素，而且能使基質中的重金屬含量降低，減少對周圍環(huán)境的污染[19]。香根草對不同重金屬的吸收能力不同[13]，重金屬在香根草中總含量為Zn>Cu>As>Cd，因為重金屬Zn和Cu是植物生長所必需的微量元素，不斷地通過主動運輸進入植物體內(nèi)，反映了植物的生理需求[27-28]。而重金屬Cd和As不是植物生長所必需的微量元素，通過被動運輸進入植物體內(nèi)的含量相對較低[29]。

香根草4種重金屬總吸收和總積累能力依次為Zn>Cu>As>Cd，且地下部的富集系數(shù)大于地上部。富集系數(shù)是評價植物富集重金屬能力的重要指標之一，反映植物對某種重金屬元素的吸收和積累能力[11]。郭平[30]研究發(fā)現(xiàn)，向日葵幼苗地下部對Cu的富集量較大，并一定程度上限制其向地上部運輸，從而使莖葉免受傷害，也使植物的耐受性有所提高。黑麥草在重金屬Cd脅迫下，地下部Cd含量顯著高于地上部，其根部對Cd富集作用較強，并阻止Cd向莖葉遷移[31]。薺菜在重金屬環(huán)境脅迫下地下部的富集系數(shù)顯著高于地上部。香根草在鋅鉻復合污染條件下，地下部富集系數(shù)顯著高于地上部[33]。

重金屬Cu、Zn是植物必需的營養(yǎng)元素，在正常濃度范圍內(nèi)可以對植物的生長生理起到一定的積極作用[34。因此隨著種植年限的增加，香根草體內(nèi)未達到對這2種重金屬的耐受閥值，地上部和地下部重金屬含量、富集系數(shù)整體都呈現(xiàn)出增加的趨勢。香根草生長初期，由于光合作用的需要，Cu在植物中參與光合作用電子的傳遞[35]，加強了地上部對Cu的吸收，因此在香根草生長到3齡、4齡時，地上部和地下部富集系數(shù)無顯著性差異。但過量的Cu脅迫將使植物細胞產(chǎn)生大量的活性氧，使植物的生物量和生理指標有所降低，嚴重至植物死亡[36]。所以當香根草生長到7齡之后，由于植物存在自身運輸攔截機制，為了降低重金屬Cu對植物的毒害作用，將大部分重金屬滯留在根部，少量向地上部轉移[35]，導致重金屬Cu地下部富集系數(shù)顯著高于地上部。香根草根部對重金屬Zn富集能力較強，將大部分重金屬滯留在根部，少量向地上部轉移，降低對莖葉的毒害作用[37]。

一定量的重金屬Zn也可以刺激土壤中有效態(tài)Cd含量上升，從而加強植物對重金屬Cd吸收，導致植物地上部和地下部的重金屬Cd增多[38]。但由于重金屬Zn和Cd最外層電子數(shù)相同，化學性質相似，因此當植物體內(nèi)重金屬Zn含量逐漸增多時，易與重金屬Cd形成可替代性和競爭性，兩者產(chǎn)生拮抗作用[39]。當植物體內(nèi)Cu和Zn達到一定濃度時，能對Cd結合蛋白的誘導表達途徑產(chǎn)生一定的阻斷作用，使Cd結合蛋白生物合成的過程被抑制，因此能加重Cd對植物的毒害效率[40]。水稻在8 mg/kg鋅處理時，水稻地上部和地下部重金屬Cd含量和富集系數(shù)達最大值，后隨著Zn濃度的增加重金屬Cd含量逐漸降低[41]。馬藺中Zn濃度為1 mg/L時，地下部重金屬Cd含量最高，后隨著Zn濃度的增加重金屬Cd含量逐漸降低[39]。

重金屬As在植物體內(nèi)過量會產(chǎn)生脅迫作用，影響植物的生長發(fā)育和對養(yǎng)分的吸收[42]。由于未受到重金屬Cu和Zn的抑制，因此當香根草生長到7齡后重金屬As的含量增加緩慢，穩(wěn)定保持在可承受的范圍內(nèi)，避免其產(chǎn)生脅迫作用。低濃度的As對種子的萌發(fā)和植株的生長具有一定的促進作用[43]。輕度As脅迫下可刺激三七的生長，當濃度超過10 mg/L時，會對三七產(chǎn)生毒害現(xiàn)象[44]。因此，在香根草生長初期需要吸收一定量的重金屬As刺激其生長，使地上部對重金屬As吸收量增大。香根草在生長到4齡后，由于植物存在運輸攔截機制，避免莖葉遭受毒害，從而使地下部的重金屬較少傳輸?shù)降厣喜縖35]，導致地下部的富集系數(shù)顯著高于地上部。植物吸收重金屬時，不同重金屬間會產(chǎn)生協(xié)同或拮抗作用。Cu和Zn是植物所必需的微量元素[29]，香根草對Cu和Zn的吸收呈極顯著正相關，對As和Cd的吸收呈極顯著負相關性，表明植物在吸收As和Cd時，相互間會產(chǎn)生拮抗作用。

4 結 論

香根草種植年限越長對重金屬Cu、Zn、Cd和As的吸附效果越好，種植年限7齡時對重金屬Cd的吸附量最高；香根草對不同重金屬的吸收量為Zn>Cu>As>Cd，富集系數(shù)為As>Cd>Zn>Cu，對4種重金屬的吸收力及富集系數(shù)均為地下部>地上部；在香根草地下部重金屬含量中，Cu與Zn呈極顯著正相關，與Cd和As分別呈負相關和正相關；Zn與Cd和As分別呈正相關和負相關；Cd與As的含量呈極顯著負相關。說明，被香根草地下部吸收Cu和Zn時具有極顯著的協(xié)同作用；吸收Cd和As時具有極顯著的拮抗作用。