濕地植物對(duì)煤礦老窯水污染土壤中重金屬的富集能力研究*

張國偉 張永波 吳艾靜 李佳敏 徐樹媛

(太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024)

煤炭作為我國能源安全保障的基石，在促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的同時(shí)，多年采煤也使得地下形成了大量的采空區(qū)，且匯聚大量積水出現(xiàn)煤礦老窯水。煤礦老窯水具有較強(qiáng)的侵蝕性，一旦出流參與水循環(huán)，將會(huì)對(duì)礦區(qū)及周圍地區(qū)生態(tài)環(huán)境造成較大影響。

常規(guī)污水處理手段包括物理吸附、化學(xué)中和、硫化物沉淀、微生物處理等[1-3]，存在成本高昂、技術(shù)要求高、易產(chǎn)生二次污染等弊端，人工濕地作為一種新興污水處理技術(shù)，通過植物-土壤-微生物的聯(lián)動(dòng)作用實(shí)現(xiàn)對(duì)水體及土壤污染的治理，已逐漸成為熱門研究方向之一。不同植物對(duì)重金屬的富集能力具有一定差異，可通過不同的植物配置方案實(shí)現(xiàn)對(duì)重金屬污染的凈化[4]，植物處理技術(shù)類型可歸納為植物提取、植物固定、植物揮發(fā)、根際過濾、植物促進(jìn)和植物降解6種[5]，其中植物提取是目前研究最多且最具發(fā)展前景的技術(shù)[6]。BAKER等[7]曾提出重金屬超富集植物的概念，用于表征重金屬富集能力較強(qiáng)的植物；李鳴等[8]曾對(duì)鄱陽湖濕地22種植物的重金屬富集能力進(jìn)行分析；劉偉等[9]通過田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)施用蚯蚓糞可提高紫花苜蓿(Medicagosativa)的重金屬富集能力；陶理等[10]通過研究發(fā)現(xiàn)黑藻(Hydrillaverticillata)和菹草(Potamogetoncrispus)是修復(fù)含鎘底泥的理想植物；孫健等[11]通過對(duì)鉛鋅礦區(qū)周邊優(yōu)勢植物的重金屬富集特性的研究發(fā)現(xiàn)，野菊花(ChrysanthemumindicumL.)、莎草(Cyperaceae)、五節(jié)芒(Miscanthusfloridulus)3種植物具備超富集植物的基本特征；楊勝香等[12]通過實(shí)驗(yàn)證明山茶科木荷(Schimasuperba)可用于Mn污染土壤的植物修復(fù)和錳礦區(qū)廢棄地的生態(tài)恢復(fù)；邵慧琪等[13]通過盆栽實(shí)驗(yàn)證明委陵菜(Potentillachinensis)在重金屬復(fù)合污染條件下的富集能力最強(qiáng)；苧麻(Boehmerianivea)在重金屬復(fù)合污染條件下耐受性最強(qiáng)。李松等[14]通過水培和土培實(shí)驗(yàn)證明雷竹(Phyllostachyspraecox)具有較強(qiáng)的耐鉛性，且隨著鉛濃度增大，將抑制鉛從根部向地上部分的轉(zhuǎn)移。目前，利用植物修復(fù)重金屬污染土壤的研究較多，但多為野外采樣系統(tǒng)分析或人工配置單一重金屬污水室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，而利用植物修復(fù)技術(shù)處理實(shí)際煤礦老窯水污染土壤的研究較少。

本研究以山西省陽泉市牽牛山煤礦礦區(qū)出流老窯水為模擬水源，選擇蘆葦(Phragmitesaustralis)、香蒲(Typhaorientalis)、頭狀穗莎草(CyperusglomeratusLinn.，以下簡稱莎草)、水蔥(Scirpusvalidus)4種濕地植物及黃土構(gòu)建小型盆栽實(shí)驗(yàn)，探究4種植物對(duì)不同濃度煤礦老窯水污染土壤中重金屬(Zn、Mn)的富集能力，本研究成果可為人工濕地治理煤礦老窯水提供植物遴選依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)水樣取自山西省陽泉市山底河流域牽牛山煤礦老窯水出流點(diǎn)，其基本理化性質(zhì)見表1。利用蒸餾水進(jìn)行稀釋處理，配置不同濃度的實(shí)驗(yàn)水樣(見表2)。黃土是一種具有大孔隙和鈣結(jié)核的松散土狀堆積物，具有比表面積大、吸附性強(qiáng)、疏松多孔、垂直節(jié)理發(fā)育等特點(diǎn)，且富含有機(jī)質(zhì)和微生物，為吸附煤礦老窯水中污染物提供了生物化學(xué)條件；黃土也是優(yōu)良的天然種植土壤，可為濕地植物的正常生長發(fā)育提供良好條件；同時(shí)，山西省豐富的黃土資源可為治理煤礦老窯水提供必要的物質(zhì)基礎(chǔ)，故采用黃土作為基質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，黃土取自山西省晉中市榆次區(qū)東趙鄉(xiāng)，其基本理化性質(zhì)見表3。

表1 煤礦老窯水基本理化性質(zhì)Table 1 Basic physical and chemical properties of acid mine drainage

表2 實(shí)驗(yàn)水樣配置Table 2 Experimental water sample configuration

表3 黃土基本理化性質(zhì)Table 3 Basic physical and chemical properties of loess

篩選長勢一致的蘆葦、香蒲、莎草和水蔥4種植物幼苗(株高約20 cm)分別移栽到各個(gè)裝置中，種植密度為30株/盆，采用低、中、高3種濃度煤礦老窯水(見表2)澆灌，以每兩天一次，一次1 L的澆灌頻率定期澆灌，保持內(nèi)外盆(見圖1)之間水位穩(wěn)定。鑒于短期內(nèi)采樣會(huì)出現(xiàn)植物富集轉(zhuǎn)移效果不明顯的現(xiàn)象，故設(shè)置一個(gè)月的澆灌周期(2019年5月29日至6月29日)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束進(jìn)行采樣，各盆挑選長勢最好的3株植物對(duì)其各部分Zn、Mn含量進(jìn)行測定；利用土鉆在不同位置取土壤，對(duì)植物根區(qū)土壤Zn、Mn含量進(jìn)行測定，結(jié)果取均值。

圖1 盆栽裝置設(shè)計(jì)Fig.1 Design of pot experiment device

1.2 土壤、植物中重金屬測定方法

采用改進(jìn)BCR法分析土壤樣品中Zn、Mn的形態(tài)分布[15]，利用不同的浸提劑對(duì)其進(jìn)行連續(xù)提取，形態(tài)分為可交換態(tài)、可還原態(tài)、可氧化態(tài)以及殘?jiān)鼞B(tài)，采用原子吸收分光光度法測定Zn、Mn含量[16]，4種形態(tài)之和可作為植物生存環(huán)境中的Zn、Mn含量背景值，用于后續(xù)富集能力分析。

植物樣品按根部與地上部分進(jìn)行劃分，分別進(jìn)行殺青、消解等處理，利用原子吸收分光光度法對(duì)Zn、Mn含量進(jìn)行測定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

植物富集系數(shù)(BCF)為植物體內(nèi)重金屬濃度與根際土壤中重金屬濃度的比值，反映植物對(duì)重金屬的富集能力，該值越大富集能力越強(qiáng)；轉(zhuǎn)移系數(shù)(TF)為植物地上部分、根部重金屬濃度的比值，反映植物將重金屬從根部轉(zhuǎn)移到地上部分的有效程度。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤重金屬形態(tài)及含量

總體而言，土壤中重金屬含量表現(xiàn)為Mn>Zn，與原始黃土相比，各裝置土壤中Zn的含量變化較大而Mn的含量變化較小，其中Zn的變化范圍為-36.73～63.29 mg/kg，Mn的變化范圍為0～42.94 mg/kg，說明種植植物類型和煤礦老窯水澆灌濃度會(huì)對(duì)土壤吸附Zn產(chǎn)生一定的影響，而對(duì)Mn影響相對(duì)較小，這可能是因?yàn)橹参飳?duì)不同重金屬的富集轉(zhuǎn)移能力不同、土壤對(duì)不同重金屬的吸附特性不同。

由圖2(a)可知，對(duì)比同一植物不同煤礦老窯水濃度，隨濃度增加，各裝置土壤吸附Zn的能力表現(xiàn)為：水蔥依次下降，蘆葦和香蒲先升后降，莎草依次上升；對(duì)比同一濃度不同植物，土壤吸附Zn的能力表現(xiàn)為：低濃度組水蔥明顯優(yōu)于其他植物，中濃度組香蒲>水蔥>莎草>蘆葦，高濃度組莎草>香蒲>水蔥>蘆葦。由圖2(b)可知，對(duì)比同一植物不同煤礦老窯水濃度，隨濃度增加，各裝置土壤吸附Mn的能力表現(xiàn)為：水蔥和香蒲先升后降，蘆葦依次上升，莎草依次下降；對(duì)比同一濃度不同植物，土壤吸附Mn的能力表現(xiàn)為：低濃度組莎草優(yōu)于其他植物，中濃度組水蔥>莎草>蘆葦>香蒲，高濃度組水蔥>蘆葦>莎草>香蒲。

圖2 土壤重金屬的形態(tài)分布Fig.2 Speciation distribution of heavy metals in soil

形態(tài)方面，Zn、Mn在土壤中以殘?jiān)鼞B(tài)為主，其中，Zn存在形態(tài)表現(xiàn)為可交換態(tài)<可還原態(tài)<可氧化態(tài)<殘?jiān)鼞B(tài)，分別約占總體的1%、4%、7%、88%；Mn存在形態(tài)表現(xiàn)為可氧化態(tài)<可交換態(tài)<可還原態(tài)<殘?jiān)鼞B(tài)，分別約占總體的5%、15%、19%、61%。

2.2 植物重金屬富集量

由圖3可知，不同重金屬在植物體內(nèi)的富集量存在很大差異，總體來看，Mn富集量大于Zn，不同植物Zn的富集量大體表現(xiàn)為水蔥>香蒲>蘆葦>莎草，Mn的富集量表現(xiàn)為水蔥>香蒲>莎草>蘆葦。植物不同部位對(duì)不同重金屬的吸收特性差異較大，對(duì)Zn而言，植物根部富集量大于地上部分；對(duì)Mn而言，植物地上部分富集量大于根部。

圖3 植物體內(nèi)重金屬質(zhì)量濃度Fig.3 Concentration of heavy metals in plants

2.3 植物生長特征分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后對(duì)各植物株高及根長等生長特征進(jìn)行分析，結(jié)果見圖4。水蔥、蘆葦、香蒲植物株高和根長明顯大于莎草。對(duì)比發(fā)現(xiàn)：隨煤礦老窯水濃度增加，水蔥株高依次增加，蘆葦、香蒲和莎草株高均表現(xiàn)為先增后降，其中蘆葦變化幅度較大。煤礦老窯水濃度會(huì)對(duì)植物的正常生長產(chǎn)生影響，但不同植物的污染耐受范圍不同，水蔥可應(yīng)用于高重金屬濃度的煤礦老窯水處理，而蘆葦、香蒲和莎草適宜用于中低濃度煤礦老窯水處理。4種植物中蘆葦根系最為發(fā)達(dá)，蘆葦、水蔥和莎草根長受濃度影響較小，香蒲根長隨濃度增加呈現(xiàn)遞增狀態(tài)，受濃度影響較大。

注：以土壤和空氣的交界面計(jì)為高度0 cm，向上為株高，向下部分的絕對(duì)值為根長。圖4 植物生長特征變化Fig.4 Changes of plant growth characteristics

2.4 植物富集能力分析

由圖5(a)可知，就Zn而言，BCF和TF普遍小于1，說明4種植物對(duì)于Zn的富集和轉(zhuǎn)移效果總體較差。對(duì)比同一植物不同煤礦老窯水濃度可知：隨著煤礦老窯水濃度的增加，水蔥根部BCF先降后升，地上部分BCF和TF均為先升后降；蘆葦根部BCF依次降低，說明根部對(duì)煤礦老窯水濃度比較敏感，地上部分BCF和TF先降后升，TF在由中濃度向高濃度變化時(shí)，升高幅度最大，說明蘆葦在高濃度重金屬污染環(huán)境下會(huì)通過大幅度增加向地上部分的有效轉(zhuǎn)移來降低對(duì)根部的影響；香蒲根部BCF和地上部分BCF先升后降，TF先降后升；莎草根部BCF和地上部分BCF先降后升，TF先升后降，表現(xiàn)為富集能力較弱但轉(zhuǎn)移能力相對(duì)較強(qiáng)，對(duì)Zn污染土壤的處理具有一定的效果。

圖5 植物對(duì)Zn、Mn的富集能力Fig.5 Accumulation ability of plants to Zn and Mn

由圖5(b)可知，就Mn而言，BCF和TF普遍大于1，說明4種植物對(duì)于Mn的富集和轉(zhuǎn)移效果較好。對(duì)比同一植物不同煤礦老窯水濃度可知：水蔥隨煤礦老窯水濃度增加根部BCF依次增加，地上部分BCF逐漸降低，與TF一致，說明煤礦老窯水濃度過高會(huì)影響水蔥對(duì)Mn的轉(zhuǎn)移。蘆葦隨煤礦老窯水濃度增加根部BCF依次降低，地上部分BCF先降后升且均大于根部BCF，說明根部對(duì)煤礦老窯水濃度變化比較敏感而地上部分不敏感，TF依次增加，說明當(dāng)蘆葦面臨高濃度重金屬污染環(huán)境時(shí)會(huì)通過增加向地上部分的有效轉(zhuǎn)移來降低對(duì)根部的影響。香蒲隨煤礦老窯水濃度增加根部BCF先升后降，變化幅度較小，地上部分BCF和TF先降后升，TF整體大于1，說明香蒲對(duì)Mn有較好的轉(zhuǎn)移效果。莎草隨煤礦老窯水濃度增加根部BCF依次下降，地上部分BCF先升后降，TF依次上升，說明莎草同樣會(huì)通過增加向地面的有效轉(zhuǎn)移來降低對(duì)根部的破壞。4種植物處理效果表現(xiàn)為水蔥>莎草>香蒲>蘆葦，且地上部分BCF>根部BCF，說明Mn主要存在于植物地上部分，便于后期回收處理。

總體而言，對(duì)煤礦老窯水污染的土壤，水蔥的重金屬富集轉(zhuǎn)移能力明顯優(yōu)于香蒲、蘆葦和莎草，植物可能會(huì)通過增大向地上部分的轉(zhuǎn)移來降低重金屬對(duì)根部的影響，其中以蘆葦表現(xiàn)最為明顯。

3 結(jié) 論

(1) 土壤對(duì)重金屬存在吸附作用，但不同重金屬在土壤中的存在形態(tài)及含量不同，土壤中重金屬含量表現(xiàn)為Mn>Zn，Zn存在形態(tài)表現(xiàn)為可交換態(tài)<可還原態(tài)<可氧化態(tài)<殘?jiān)鼞B(tài)；Mn存在形態(tài)表現(xiàn)為可氧化態(tài)<可交換態(tài)<可還原態(tài)<殘?jiān)鼞B(tài)。

(2) 4種植物對(duì)重金屬Zn、Mn都有一定的富集和轉(zhuǎn)移能力，但不同植物對(duì)不同重金屬的富集轉(zhuǎn)移效果不同：對(duì)Zn而言，4種植物的富集和轉(zhuǎn)移效果總體較差；對(duì)Mn而言，4種植物的富集和轉(zhuǎn)移效果較好，4種植物處理效果表現(xiàn)為水蔥>莎草>香蒲>蘆葦，Mn主要存在于植物地上部分，便于后期回收處理。

(3) 對(duì)煤礦老窯水污染的土壤，水蔥的重金屬富集轉(zhuǎn)移效果總體優(yōu)于香蒲、蘆葦和莎草，植物可能會(huì)通過增大向地上部分的轉(zhuǎn)移來降低重金屬對(duì)根部的影響，其中以蘆葦表現(xiàn)最為明顯。