廣東省典型富鎘鉛鋅礦區(qū)中優(yōu)勢(shì)植物重金屬富集特性與應(yīng)用潛力*

肖乃川 張?jiān)葡?宋 波,2# 朱亮亮 龐 瑞

(1.桂林理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.桂林理工大學(xué)巖溶地區(qū)水污染控制與用水安全保障協(xié)同創(chuàng)新中心，廣西 桂林 541004)

土壤是人類(lèi)生存的基石[1-2]。近年來(lái)報(bào)道的有關(guān)糧食、環(huán)境與資源問(wèn)題很多都與土壤污染密切相關(guān)。隨著工農(nóng)業(yè)的飛速發(fā)展，土壤重金屬污染已成為全球性的問(wèn)題。改革開(kāi)放后，廣東省經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，已經(jīng)成為我國(guó)重要的工業(yè)基地。由于發(fā)展過(guò)程中缺乏合理利用資源和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的意識(shí)，目前廣東省土壤重金屬污染已經(jīng)相當(dāng)嚴(yán)重[3]。據(jù)有關(guān)報(bào)道顯示，珠江河口周邊約1萬(wàn)km2范圍內(nèi)，受到人為原因?qū)е碌挠泻χ亟饘傥廴就寥婪秶鷱V且重金屬含量高，鎘、銅、鎳和鉛等重金屬污染土壤面積達(dá)到5 500 km2，污染深度達(dá)40 cm[4]。另有研究顯示，在珠三角地區(qū)城市農(nóng)用土壤中，銅、鉛、鋅和鎘的平均含量都超過(guò)了廣東省土壤背景值和全國(guó)土壤背景值[5]。廣東省的蔬果、稻米中鎘、鉛、鋅和銅等存在不同程度的超標(biāo)[6]。由此可見(jiàn)，廣東省土壤中重金屬鎘、銅、鎳、鉛和鋅等重金屬的污染已經(jīng)對(duì)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全及人類(lèi)健康構(gòu)成了潛在威脅。

植物修復(fù)技術(shù)具有效果好、無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn)[7-8]，已成為當(dāng)今土壤修復(fù)研究者關(guān)注的熱點(diǎn)[9-10]。目前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的重金屬富集植物超過(guò)400種，但有許多植物由于生物量小或具有地方特異性等問(wèn)題，在工程應(yīng)用上受到很大限制，因此重金屬污染土壤的植物修復(fù)技術(shù)難點(diǎn)在于篩選生物量大、富集能力強(qiáng)并且能夠適應(yīng)修復(fù)地區(qū)氣候條件的重金屬富集植物[11]。礦區(qū)生長(zhǎng)的植物是在長(zhǎng)期的重金屬自然選擇中留存下來(lái)的，對(duì)重金屬有較好的耐受性，因此在礦區(qū)尋找重金屬富集植物不失為一個(gè)有效途徑[12]。

鉛鋅礦是我國(guó)的優(yōu)勢(shì)礦種之一。僅廣東省內(nèi)鉛鋅礦區(qū)就達(dá)100個(gè)，合計(jì)礦石儲(chǔ)量達(dá)到1 077萬(wàn)t，其中開(kāi)采規(guī)模大、歷史久的典型鉛鋅礦區(qū)就有4個(gè)，分別是連南縣雞麻坑礦區(qū)[13]、連南縣坪頭嶺礦區(qū)[14]、仁化縣凡口礦區(qū)[15]、陽(yáng)山縣鐵屎坪礦區(qū)[16]，都是礦石儲(chǔ)量大、鉛和鋅品位高且都富含鎘的礦區(qū)，同時(shí)銅和鎳的含量也較高。

因此，在這些典型的富鎘鉛鋅礦區(qū)調(diào)查優(yōu)勢(shì)植物，篩選出適宜廣東省自然環(huán)境條件、重金屬耐受性強(qiáng)且生物量大的植物物種，以期找到可以用于廣東省重金屬土壤植物修復(fù)的植物，對(duì)廣東省土壤重金屬污染治理和生態(tài)修復(fù)研究具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 樣品的采集與分析

在4個(gè)典型富鎘鉛鋅礦區(qū)，采集生長(zhǎng)良好且生物量大的優(yōu)勢(shì)植物完整植株，同時(shí)采集表層土壤。植物與土壤樣品各采得75個(gè)，其中雞麻坑礦區(qū)各18個(gè)，坪頭嶺礦區(qū)各14個(gè)，凡口礦區(qū)各17個(gè)，鐵屎坪礦區(qū)各26個(gè)。采集到共41種優(yōu)勢(shì)植物品種(見(jiàn)表1)。

表1 優(yōu)勢(shì)植物品種Table 1 Dominant plant species

植物樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后將地上部和地下部分開(kāi)，分別用自來(lái)水沖洗干凈，然后用去離子水沖洗3遍，自然晾干后于70 ℃下烘干至恒重，粉碎，備用；土壤樣品剔除動(dòng)植物殘骸、石塊等雜物后，置于室內(nèi)自然風(fēng)干，研磨過(guò)100目篩后備用。

土壤樣品和植物樣品分別采用美國(guó)環(huán)境保護(hù)署(USEPA)《Acid digestion of sediments,sludges and soils》(Method 3050B)推薦的HNO3-H2O2體系和HNO3-HClO4體系進(jìn)行消解后，使用石墨爐原子吸收分光光度計(jì)(AA-700型)測(cè)定鎘含量，使用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(5300DV型)測(cè)定銅、鉛、鋅、鎳含量。在分析樣品時(shí)做了15%的平行樣，并分析了空白樣品、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)土壤樣品(GSS-4、GFS-4)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)植物樣品(GSV-1)，各樣品測(cè)得含量減去空白樣品測(cè)得含量即為樣品真實(shí)含量，平行樣品間相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于5%，標(biāo)準(zhǔn)樣品的各重金屬回收率符合質(zhì)量控制要求[17]。

超富集植物地上部重金屬質(zhì)量濃度需達(dá)到臨界值(鎘100 mg/kg，銅、鎳、鉛1 000 mg/kg，鋅10 000 mg/kg)[18]。在實(shí)際的工程應(yīng)用中，要求并不需要這么嚴(yán)苛。本研究中，地上部重金屬含量達(dá)到臨界值一半及以上或超過(guò)正常植物重金屬質(zhì)量濃度(鎘3.0 mg/kg、銅45.8 mg/kg、鎳5.0 mg/kg、鉛41.7 mg/kg、鋅160.0 mg/kg)[19]兩倍的植物，便被認(rèn)為已具備良好的修復(fù)潛力[20-21]，定義為富集植物。

1.2 數(shù)據(jù)處理

通過(guò)計(jì)算植物地上部重金屬含量與對(duì)應(yīng)土壤中重金屬含量之比得到富集系數(shù)(BCF)，用來(lái)表征植物從土壤吸收重金屬的能力[22]；通過(guò)計(jì)算植物地上部重金屬含量與地下部重金屬含量之比得到轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(TF)，用來(lái)表征植物從地下部向地上部運(yùn)輸重金屬的能力[23]，TF越大，說(shuō)明植物從地下部向地上部運(yùn)輸重金屬的能力越強(qiáng)[24]。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤重金屬含量

土壤重金屬質(zhì)量濃度見(jiàn)表2。土壤中鎘、銅、鎳、鉛和鋅質(zhì)量濃度分別為0.10～323.80、23.23～2 449.00、2.04～56.54、61.75～18 230.00、68.17～23 834.00 mg/kg，平均值分別是廣東省土壤背景值[25]的1 345、39、2、134、85倍，選擇這樣的土壤篩選優(yōu)勢(shì)植物作為重金屬富集植物具有合理性。

表2 土壤重金屬質(zhì)量濃度Table 2 Heavy metals concentrations in soils mg/kg

2.2 優(yōu)勢(shì)植物地上部重金屬含量

考慮到植物中重金屬含量受土壤中重金屬含量影響，若采用平均值表征植物地上部重金屬含量可能會(huì)低估植物對(duì)重金屬的富集能力，因此植物地上部重金屬含量采用最大值表征，結(jié)果見(jiàn)表3。鎘質(zhì)量濃度最高的植物為藿香薊，達(dá)到77.02 mg/kg，已經(jīng)接近鎘超富集植物地上部質(zhì)量濃度臨界值100 mg/kg，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)正常植物鎘質(zhì)量濃度3.0 mg/kg的兩倍，無(wú)疑可以認(rèn)為藿香薊為鎘富集植物；鉛質(zhì)量濃度最高的植物為粗葉懸鉤子，達(dá)到336.90 mg/kg，雖然沒(méi)有達(dá)到或接近鉛超富集植物地上部質(zhì)量濃度臨界值，但已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了正常植物鉛質(zhì)量濃度的兩倍，表明粗葉懸鉤子是鉛富集植物；鋅質(zhì)量濃度最高的植物也是藿香薊，達(dá)到769.80 mg/kg，是正常植物鋅質(zhì)量濃度的4.81倍，也可以認(rèn)定藿香薊為鋅富集植物；4個(gè)典型礦區(qū)中未篩選到銅和鎳的富集植物。

表3 植物地上部重金屬質(zhì)量濃度Table 3 Heavy metals mass concenterations in up-ground part of the plants mg/kg

2.3 優(yōu)勢(shì)植物對(duì)重金屬的轉(zhuǎn)運(yùn)特征

41種優(yōu)勢(shì)植物對(duì)5種重金屬的TF見(jiàn)表4。對(duì)鎘的TF大于1的優(yōu)勢(shì)植物較多，其中轉(zhuǎn)運(yùn)能力最強(qiáng)的5種優(yōu)勢(shì)植物依次是蟛蜞菊、藿香薊、艾納香、鬼針草、豚草，其TF分別為4.94、2.92、2.46、2.46、2.39；對(duì)銅的TF大于1的優(yōu)勢(shì)植物也不少，其中轉(zhuǎn)運(yùn)能力最強(qiáng)的5種優(yōu)勢(shì)植物依次是廣東蛇葡萄、綠葉地錦、土牛膝、黃瓜菜、豚草，其TF分別為1.85、1.66、1.62、1.53、1.46；對(duì)鎳的TF大于1的優(yōu)勢(shì)植物有8種，其中轉(zhuǎn)運(yùn)能力最強(qiáng)的5種優(yōu)勢(shì)植物依次是野生紫蘇、土牛膝、綠葉地錦、糯米團(tuán)、廣防風(fēng)，其TF分別為2.51、1.87、1.78、1.39、1.38；對(duì)鉛的TF大于1的優(yōu)勢(shì)植物只有蟛蜞菊和苧麻，其TF分別為5.39、2.90；對(duì)鋅的TF大于1的優(yōu)勢(shì)植物有11種，其中轉(zhuǎn)運(yùn)能力最強(qiáng)的5種優(yōu)勢(shì)植物依次是蟛蜞菊、苧麻、豚草、野生紫蘇、土牛膝，其TF分別為7.84、2.13、2.13、2.00、1.61。其中，蟛蜞菊、苧麻、豚草、野生紫蘇、土牛膝、東風(fēng)草、野艾蒿、黃瓜菜、綠葉地錦等對(duì)不止1種重金屬的TF大于1，這些植物表現(xiàn)出較強(qiáng)的向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)重金屬的能力，都可以根據(jù)需要作為廣東省重金屬污染土壤植物修復(fù)的備選物種。

表4 優(yōu)勢(shì)植物對(duì)重金屬的TFTable 4 TF of dominant plants for heavy metals

3 討 論

由于鎘富集植物最多，并且BCF也是評(píng)價(jià)植物富集能力的一個(gè)重要參數(shù)[26]，因此進(jìn)一步以41種優(yōu)勢(shì)植物地上部鎘質(zhì)量濃度與超富集植物鎘質(zhì)量濃度臨界值之比、BCF、TF為參數(shù)進(jìn)行聚類(lèi)分析，結(jié)果見(jiàn)圖1。41種優(yōu)勢(shì)植物可以分為5類(lèi)：蟛蜞菊自成一類(lèi)；藿香薊和艾納香為一類(lèi)，它們對(duì)鎘的BCF分別為1.53、1.81，它們對(duì)鎘的TF分別為2.92、2.46，其中藿香薊地上部鎘質(zhì)量濃度高達(dá)77.02 mg/kg，這類(lèi)植物對(duì)鎘有很強(qiáng)的富集和轉(zhuǎn)運(yùn)能力；鬼針草、豚草也為一類(lèi)，它們對(duì)鎘的BCF分別為0.48、0.43，它們對(duì)鎘的TF分別為2.46、2.39，這類(lèi)植物對(duì)鎘的富集能力不強(qiáng)，但向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)的能力較強(qiáng)；野茼蒿也自成一類(lèi)，具有潛在的鎘富集能力；其他植物歸為另一類(lèi)。

圖1 聚類(lèi)分析結(jié)果Fig.1 Result of cluster analysis

按照雷梅等[27]對(duì)重金屬耐性植物的分類(lèi)，藿香薊和野茼蒿是鎘的富集型植物；矛葉藎草和節(jié)節(jié)草是5種重金屬的囤積型植物，寸金草是鎘、鋅的根部囤積型植物；葛、漆樹(shù)是5種重金屬的規(guī)避型植物。一般而言，富集型植物相比其他兩類(lèi)植物對(duì)重金屬的耐性更強(qiáng)，可以在礦區(qū)復(fù)墾時(shí)作為先鋒植物種植，而在礦區(qū)附近的居民生活區(qū)應(yīng)主要種植根部囤積型和規(guī)避型植物。

藿香薊是典型的鎘富集植物。張?jiān)葡嫉萚28]的研究也顯示，鎘污染農(nóng)田中生長(zhǎng)的藿香薊鎘質(zhì)量濃度均值達(dá)到21.13 mg/kg，BCF達(dá)到6.93，使用藿香薊修復(fù)鎘污染土壤，鎘的去除率為13.2%～15.6%。

重金屬污染土壤的植物修復(fù)材料選擇，除了考慮較強(qiáng)的富集能力和轉(zhuǎn)運(yùn)能力以及地上部重金屬含量外，能否適應(yīng)修復(fù)地氣候環(huán)境、生長(zhǎng)是否迅速、生物量大小等也是需要考慮的因素[29]。藿香薊是一種根系發(fā)達(dá)、性喜溫暖濕潤(rùn)環(huán)境、對(duì)土壤質(zhì)地要求不嚴(yán)的植物，在海拔低于2 800 m的地區(qū)都有分布。廣東省屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，夏季高溫多雨、冬季溫和少雨，熱量高，雨量大，且多丘陵地帶，海拔為200～800 m，符合藿香薊的生長(zhǎng)需求。在本次調(diào)查中，采集到的藿香薊樣品數(shù)為6，每株干質(zhì)量為16.35 g，相比其他鎘富集植物，如東南景天(每株鮮質(zhì)量均值3.0 g)[30]和印度芥菜(每株鮮質(zhì)量均值8.1 g)[31]等生物量大得多。由此可見(jiàn)，在廣東省使用藿香薊修復(fù)富鎘污染土壤具有很好的工程應(yīng)用前景。

4 結(jié) 論

在廣東省的4個(gè)典型富鎘鉛鋅礦區(qū)，土壤中鎘、銅、鎳、鉛和鋅質(zhì)量濃度分別為0.10～323.80、23.23～2 449.00、2.04～56.54、61.75～18 230.00、68.17～23 834.00 mg/kg，平均值分別是廣東省土壤背景值的1 345、39、2、134、85倍；采集到的41種優(yōu)勢(shì)植物中，藿香薊可以作為鎘和鋅的富集植物，粗葉懸鉤子可以作為鉛的富集植物，特別是藿香薊生物量大，而且適應(yīng)當(dāng)?shù)氐淖匀画h(huán)境條件，對(duì)于修復(fù)廣東省的富鎘污染土壤具有較好的工程應(yīng)用前景。此外，蟛蜞菊、苧麻、豚草、野生紫蘇、土牛膝、東風(fēng)草、野艾蒿、黃瓜菜、綠葉地錦等對(duì)不止1種重金屬的TF大于1，表現(xiàn)出較強(qiáng)的向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)重金屬的能力，都可以根據(jù)需要作為廣東省重金屬污染土壤植物修復(fù)的備選物種。