野櫻桃和紫穗槐對(duì)礦區(qū)土壤重金屬耐受特征分析

土壤重金屬污染一直以來(lái)備受人們關(guān)注。關(guān)于土壤重金屬污染問(wèn)題，諸多學(xué)者做了相關(guān)研究。目前，土壤重金屬污染修復(fù)有很多方法，例如化學(xué)淋洗、客土、植物修復(fù)等，其中植物修復(fù)被認(rèn)為是減少尾礦環(huán)境危害最有前景的方法[1]。近年來(lái)學(xué)界發(fā)現(xiàn)許多超累積植物，一些草本植物如Sedum alfredii （Kunth） Greene， Teloxys grave‐olens （Willd）等能夠在含有重金屬的礦土中正常生長(zhǎng)，對(duì)受重金屬污染的土壤具有較強(qiáng)的吸收與富集能力，但是這些草本植物生命周期短，富集能力明顯受限制[2]。而速生的木本植物也具備對(duì)重金屬的富集和吸收能力，可克服草本植物的不足，它具有發(fā)達(dá)的根系、較長(zhǎng)的生命周期，但是用速生木本植物來(lái)進(jìn)行土壤重金屬污染修復(fù)的報(bào)道較少[3]。部分綜述類(lèi)報(bào)道表明，木本植物紫穗槐（Amorpha fruticosa Linn）和野櫻桃（Cera‐sus szechuanica. Batal）對(duì)重金屬具有一定的吸收作用，但對(duì)于其生長(zhǎng)狀況及吸收論證性研究較少。本文通過(guò)對(duì)紫穗槐和野櫻桃這2種木本植物在受污染的重金屬土壤介質(zhì)中的生長(zhǎng)狀況及吸收富集特征進(jìn)行研究，以期揭示這2種木本植物對(duì)重金屬污染的修復(fù)潛力。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)以野櫻桃和紫穗槐幼苗作為研究對(duì)象，其中野櫻桃被廣泛用于水土保持、生態(tài)修復(fù)方面，對(duì)中國(guó)西北地區(qū)氣候具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，紫穗槐則具有較強(qiáng)的耐旱性、耐鹽堿性。試驗(yàn)所用的幼苗購(gòu)置于四川鼎森農(nóng)業(yè)科技有限公司，幼苗生長(zhǎng)所用的土壤樣品分別采自神府東勝煤田礦區(qū)表層（0～30 cm）土壤，對(duì)照土壤則采自遠(yuǎn)離礦區(qū)的農(nóng)田表層（0～30 cm）的土壤，理化性狀如表1所示。

1.2試驗(yàn)方法

試驗(yàn)前將3種不同類(lèi)型的土壤樣品置于陰涼處，分別經(jīng)過(guò)風(fēng)干、破碎、攪拌均勻后，裝入在容積為（直徑25 cm×高30 cm）內(nèi)的培養(yǎng)器內(nèi)，體積占比達(dá)到3/4[4]。選擇長(zhǎng)勢(shì)基本一致的野櫻桃和紫穗槐幼苗分別移植在培養(yǎng)器內(nèi)，且每個(gè)培養(yǎng)器內(nèi)栽3株同一類(lèi)型的幼苗，設(shè)3個(gè)重復(fù)，合計(jì)共18盆。每48 h設(shè)置自動(dòng)澆灌1次，確保植物正常生長(zhǎng)。試驗(yàn)培養(yǎng)時(shí)長(zhǎng)共計(jì)180 d。試驗(yàn)過(guò)程中，將培養(yǎng)溫度穩(wěn)定在25～35℃。培養(yǎng)結(jié)束后，收獲所有植物，測(cè)定植物生物量及各器官中的重金屬含量。

1.3樣品分析

植物整株收獲后，將其分為地上部分和根系。根系用去離子水洗凈。然后經(jīng)105℃殺青30 min后，75℃烘干、破碎后，放置在干燥器中，3 d后稱(chēng)其生物量[5]。測(cè)試前，稱(chēng)取0.3 g粉末狀樣品，加入3 mLHNO3和3 mL HClO4，采用微波消解法消解，消解過(guò)程中要趕酸、趕氣，防止影響測(cè)量結(jié)果和引起爆炸[6]。土壤樣品則經(jīng)風(fēng)干、研磨、破碎、過(guò)篩后，放置于干燥器中，土壤樣品有機(jī)質(zhì)采用K2Cr2O7外加熱法、速效氮的測(cè)定采用堿解擴(kuò)散法、速效磷用鉬藍(lán)比色法測(cè)定[7]。由于土壤樣品成分復(fù)雜，因此消解過(guò)程采用HCL、HF、HNO3、HClO4多種酸加入混合消解，體積比為2∶4∶2∶2。消解的液體經(jīng)稀釋、定容等處理后，重金屬的元素采用電感耦合等離子原子發(fā)射光譜ICP-OES測(cè)定[8]；pH值采用PHS-3C酸度計(jì)測(cè)定；葉片葉綠素含量采用分光光度法測(cè)定[9]。

1.4數(shù)據(jù)分析

將2種木本植物在活雞兔礦土和農(nóng)田土壤中的生長(zhǎng)狀況及生物量與重金屬之間的關(guān)系進(jìn)行分析比對(duì)，并采用統(tǒng)計(jì)軟件SPSS V13.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，探討植物體內(nèi)葉綠素含量及植物體內(nèi)重金屬的吸收、富集狀況。

2結(jié)果與分析

2.1植物生物量

野櫻桃、紫穗槐在3種不同類(lèi)型的供試土壤中培養(yǎng)，其生物量如圖1所示。野櫻桃地上部分與根系生物量均明顯下降。與對(duì)照相比，活雞兔礦土和上灣礦土中栽植的野櫻桃地上部分生物量分別減少23.1和16.8 g，根系則分別減少18.7和17.4 g?？傮w上，在這3種不同類(lèi)型的培養(yǎng)土壤中，野櫻桃單株地上部分生物量維持在80～110 g。與對(duì)照相比，紫穗槐在3種不同類(lèi)型的培養(yǎng)土壤中長(zhǎng)勢(shì)較好，生長(zhǎng)在污染較重的礦土中的紫穗槐其地上部分生物量與對(duì)照相比，地上部分減少1.3和6.1 g，根系生物量與對(duì)照相比，根系減少了1.3和10.2 g。生長(zhǎng)在上灣礦土中的紫穗槐，地上部分生物量低于根系。通過(guò)數(shù)據(jù)比對(duì)可以發(fā)現(xiàn)，紫穗槐對(duì)活雞兔礦土和上灣礦土均具有較強(qiáng)的耐受性，且對(duì)活雞兔礦土的耐受性更強(qiáng)。

2.2植物葉綠素相對(duì)含量

2種木本植物葉綠素含量如圖2所示。在活雞兔礦土和上灣礦土中，紫穗槐植株葉片葉綠素含量與對(duì)照相比沒(méi)有顯著性差異，生長(zhǎng)在活雞兔礦土上的紫穗槐葉綠素含量略微高于對(duì)照；生長(zhǎng)在上灣礦土上的紫穗槐葉片葉綠素含量則低于對(duì)照，但二者均未出現(xiàn)明顯黃化現(xiàn)象。與對(duì)照相比，生長(zhǎng)在活雞兔礦土和上灣礦土上的野櫻桃植株葉片葉綠素含量存在顯著性差異，葉片內(nèi)葉綠素含量均值明顯偏低，在活雞兔礦土上生長(zhǎng)的野櫻桃葉片相對(duì)狹小，植株纖細(xì)，葉片卷縮，部分葉片出現(xiàn)明顯的黃化現(xiàn)象。與對(duì)照相比，葉綠素平均含量分別下降了34.7%（活雞兔礦土）和23.5%（上灣礦土）。

2.3植物對(duì)重金屬元素的吸收

經(jīng)過(guò)180 d培養(yǎng)后，2種木本植物根系及地上部分組織中鉛、鋅和銅的含量如表2所示。生長(zhǎng)在活雞兔礦土和上灣礦土中的野櫻桃和紫穗槐根系及地上部分均能檢測(cè)到重金屬。野櫻桃根系中鉛、鋅、銅含量均高于地上部分，野櫻桃對(duì)重金屬鉛和銅的富集能力小，對(duì)鉛的富集范圍在27.28 ～ 38.46 mg/kg，對(duì)銅的吸收富集范圍在28.84 ～ 44.22 mg/kg，其吸收富集能力遠(yuǎn)達(dá)不到超累積植物水平。野櫻桃對(duì)重金屬鋅具有一定的吸收富集能力，體內(nèi)重金屬鋅含量可達(dá)221.32 mg/kg。與野櫻桃相比，紫穗槐對(duì)重金屬鉛、鋅的吸收能力較強(qiáng)，生長(zhǎng)在活雞兔礦土上的紫穗槐體內(nèi)重金屬鋅的富集量達(dá)到273.08 ～ 550.32 mg/kg；重金屬鉛的富集量達(dá)到124.56 ～ 136.77 mg/kg；且重金屬鉛、鋅主要累積在根系。與活雞兔礦土相比，生長(zhǎng)在上灣礦土上的紫穗槐體內(nèi)重金屬鉛、鋅含量有所減少，但在上灣礦土上生長(zhǎng)的紫穗槐根系對(duì)銅的富集含量相較與野櫻桃根系要高，根系累積量達(dá)到37.31 mg/kg，但對(duì)銅的富集量也未達(dá)到超累積植物的富集水平。

總體顯示，野櫻桃對(duì)重金屬鋅有一定的富集能力，對(duì)鉛、銅的富集能力比較弱，且表現(xiàn)出不相適應(yīng)的狀況。紫穗槐在受重金屬污染的土壤中生長(zhǎng)較好，對(duì)重金屬鉛、鋅富集能力較強(qiáng)，且主要累積在根部。

2種植物在活雞兔礦土和上灣礦土中的生物富集系數(shù)（bioconcentration factors，BCF）和轉(zhuǎn)移系數(shù)（translocation factors，TF）如表3所示。生長(zhǎng)在活雞兔礦土中的野櫻桃對(duì)鉛的BCF為0.085 ～ 0.089，富集系數(shù)相對(duì)較??；對(duì)鉛的TF數(shù)值也只有0.260。生長(zhǎng)在活雞兔礦土中野櫻桃體內(nèi)鋅的BCF值較小，只有0.021 ～ 0.023，而對(duì)鋅的TF數(shù)值卻達(dá)到了0.738。生長(zhǎng)在上灣礦土中野櫻桃體內(nèi)鋅的BCF值為0.157 ～ 0.181，對(duì)鋅的TF值達(dá)到了0.676。通過(guò)對(duì)比可以看出，野櫻桃在受污染嚴(yán)重的活雞兔礦土中生長(zhǎng)受到明顯抑制，根系及地上部分富集能力明顯受限制，分析可能是供試土壤中鉛、鋅產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，其毒性要比銅、鋅毒性更強(qiáng)，使得生長(zhǎng)在活雞兔礦土中的野櫻桃對(duì)重金屬鋅的BCF較小。這也說(shuō)明野櫻桃對(duì)重金屬鋅的富集能力會(huì)隨供試土壤特性的差異而發(fā)生改變，而轉(zhuǎn)運(yùn)能力受到的影響相對(duì)較小。

生長(zhǎng)在活雞兔礦土中的紫穗槐體內(nèi)鉛的BCF為0.111 ～ 0.225，鋅的BCF為0.042 ～ 0.046，其活雞兔富集量是野櫻桃體內(nèi)活雞兔富集量的2倍左右。生長(zhǎng)在上灣礦土中的紫穗槐體內(nèi)鋅的BCF值為0.222 ～ 0.400，遠(yuǎn)比生長(zhǎng)在上灣礦土中野櫻桃體內(nèi)富集的鋅含量高。紫穗槐對(duì)重金屬鋅的TF值遠(yuǎn)小于野櫻桃對(duì)重金屬鋅的TF值。二者對(duì)重金屬銅具有相近的富集能力，但紫穗槐對(duì)重金屬銅的TF值明顯高于野櫻桃?？傮w上，生長(zhǎng)在活雞兔礦土和上灣礦土中的2種木本植物體內(nèi)根系重金屬活雞兔銅含量均大于地上部分。生長(zhǎng)在活雞兔礦土中的紫穗槐對(duì)重金屬活雞兔的富集能力強(qiáng)于野櫻桃，而野櫻桃則對(duì)重金屬鋅表現(xiàn)出了更強(qiáng)的轉(zhuǎn)運(yùn)能力。野櫻桃在受污染嚴(yán)重的活雞兔礦土中生長(zhǎng)受到明顯抑制，根系及地上部分富集能力明顯受限制，可能是供試土壤中鉛、鋅產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，其毒性要比銅、鋅毒性更強(qiáng)，使得生長(zhǎng)在活雞兔礦土中的野櫻桃對(duì)重金屬鋅的BCF較小。這也說(shuō)明野櫻桃對(duì)重金屬鋅的富集能力會(huì)隨供試土壤特性的差異而發(fā)生改變，而轉(zhuǎn)運(yùn)能力受到的影響相對(duì)較小。

3討論與結(jié)論

2種木本植物均能在選用的供試土壤中生長(zhǎng)，但受到的損害程度不同，這反映出不同植物對(duì)重金屬耐受性表現(xiàn)出的差異性。一方面可能與植物本身體內(nèi)酶的特性有關(guān)，也可能由于供試土壤中過(guò)量的重金屬鉛、鋅、銅抑制了植物根系的生長(zhǎng)發(fā)育，對(duì)植物起到毒害作用。本次研究顯示，紫穗槐的正常生長(zhǎng)說(shuō)明對(duì)重金屬鉛、鋅和銅有較好的耐受性。相比于紫穗槐，生長(zhǎng)在不同污染類(lèi)型土壤介質(zhì)中的野櫻桃則明顯受限制，2種木本植物組織中地上部分重金屬含量均高于根系?？傮w上，表現(xiàn)出對(duì)重金屬富集能力不足。從本試驗(yàn)結(jié)果可以看出，紫穗槐對(duì)于礦區(qū)土壤的修復(fù)具有潛在的利用價(jià)值。研究發(fā)現(xiàn)在未經(jīng)過(guò)營(yíng)養(yǎng)液處理下，紫穗槐根系、莖和葉中的重金屬含量分別為47.5、51.2和323.0 mg/kg（Pb）；18.2、5.1和215.7 mg/kg（Cu）。而在本次試驗(yàn)中紫穗槐體內(nèi)富集的重金屬含量與之相近；野櫻桃作為參照對(duì)象則表現(xiàn)對(duì)重金屬的富集能力的欠缺，一是可能因培養(yǎng)條件受限及環(huán)境條件差異，二是也可能野櫻桃本身對(duì)于重金屬的毒性的抵抗性較低。這2種木本植物不同的組織部分對(duì)重金屬的吸收能力也不一樣，根系表現(xiàn)出更強(qiáng)的累積作用。

試驗(yàn)結(jié)果表明，2種木本植物均能在供試礦土中生長(zhǎng)，紫穗槐對(duì)重金屬污染修復(fù)具備一定的潛力，野櫻桃可用于礦區(qū)土壤綠化栽植。紫穗槐在3種不同類(lèi)型的土壤介質(zhì)中的生長(zhǎng)無(wú)顯著性差異。野櫻桃在受污染的活雞兔礦土中出現(xiàn)了黃化癥狀，但在上灣礦土中長(zhǎng)勢(shì)良好。只有少部分重金屬通過(guò)植物根系轉(zhuǎn)移到地上部組織。

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基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目（No.2016YFC0501100）；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題“深部煤礦安全綠色開(kāi)采理論與技術(shù)”（No. 2016YFC0600708）

（1煤炭開(kāi)采水資源保護(hù)與利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉剛，張偉龍；2神華神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司張偉龍）