個舊冶煉廢水污灌區(qū)野豌豆對土壤重金屬富集作用的研究

周金華，王奕舒，余 浪，宗世榮，肖亞楠，施 矞，李云駒

(云南磷化集團有限公司，云南 昆明 650600)

0 引言

重金屬在土壤中大量積累導致土壤性質惡化，影響土壤的物理特性和營養(yǎng)元素的供應[1]，影響植物對營養(yǎng)元素的吸收和利用[2]，擾亂代謝，使細胞生長發(fā)育停止[3]。重金屬的積累也會影響微生物群落結構、種群增長特征及遺傳特征等，降低微生物多樣性和土壤酶活性[4]。重金屬的穩(wěn)定性和難遷移性使其污染作用具有長期持續(xù)性，現(xiàn)已成為當前生態(tài)健康關注的熱點問題[5]?，F(xiàn)主要采用物理[6]、化學[7]及生物[8]等手段對重金屬污染土壤進行修復，其中生物修復主要是通過超富集植物對重金屬進行富集和攜出[9]。因此，通過篩選具有強力富集和轉移重金屬能力的植物對于緩解重金屬污染及土壤修復具有重要意義。同時，研究發(fā)現(xiàn)野豌豆(ViciasepiumLinn)作為豆科植物之一，生長過程中產(chǎn)生根瘤菌，形成豆科植物-根瘤菌復合系統(tǒng)，不僅增強了其對重金屬的富集[10]和轉移[11]的能力，而且具有恢復土壤養(yǎng)分，提高生物多樣性，促進生態(tài)系統(tǒng)的平衡和發(fā)展的作用[12]。

本研究通過云南個舊市乍甸鎮(zhèn)休閑農(nóng)田野豌豆對不同污染重金屬積累的含量分析測定，對野豌豆用于該地區(qū)重金屬植物修復的可行性和野豌豆對重金屬的富集轉移特征進行探究，為當?shù)赝寥乐亟饘傩迯吞峁├碚撘罁?jù)和品種來源。

1 實驗材料及方法

1.1 研究地區(qū)概況

研究地點位于云南省個舊市北郊乍甸鎮(zhèn)牛奶小鎮(zhèn)。乍甸鎮(zhèn)東接大屯鎮(zhèn)，南連錫城鎮(zhèn)，西與建水縣接壤，北與倘甸鄉(xiāng)毗鄰。研究地點選擇重金屬超標休閑地塊，面積約為6hm2(103°9′40.81″E～103°9′53.47″E、23°27′26.24″N～23°27′34.95″N)，距省道212公路約370m，距冶金廢水排放渠約170m。

1.2 樣品采集及處理

2020年1月中旬，在研究地點采集野豌豆(ViciasepiumLinn)的根、莖、葉樣品及生長區(qū)域的土壤樣品。采用多點混合法進行采樣，設置5個樣點，采用梅花型布點隨機取樣，每個采樣點采集1～2株，并將5個點獲得的植株樣品合成一個樣，每個樣品3次重復。采集植物樣品同時采集根區(qū)0～40cm土壤，每5個點混合均勻成一個樣，3次重復。將采集到的植物樣按根部、莖部和葉部進行分離，最終獲得根樣、莖樣、葉樣各3個，共9個，采集土壤樣品共3個。植物和土壤樣品采集后帶回實驗室進行分析。

將采回的植物樣先用自來水洗凈，再用去離子水淋洗2～3遍，吸干表面水分稱其鮮重，然后在105℃烘箱中殺青30min，并于65～70℃烘干至恒重，稱其干重以測定植物樣含水率。烘干后的樣品分別用瑪瑙磨碎機粉碎，過0.25mm篩后保存?zhèn)溆?。土壤樣品去除其中的巖石和植物殘留等雜物，自然風干后用四分法取樣，磨碎過0.15mm篩后保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3 測定指標及方法

準確稱量過篩后的土壤樣品與植物樣品0.200g置于100mL消煮管中，先用水潤濕樣品，然后加濃H2SO45mL，消解至棕黑色時，取下消煮管，稍冷后逐滴加入300g/LH2O210 滴，并不斷搖動消煮管，再加熱至微沸10～20min，稍冷后再加入H2O25～10滴。如此反復2～3次，至消煮液呈無色或清涼色后，再加熱5～10min，以除盡過剩的H2O2。取出冷卻，用水定容至100mL，取過濾液作為目標樣品進行電感耦合等離子體質譜儀(ICP-MS)元素分析測定，消煮時同時做空白試驗以校正試劑誤差。取10g風干土樣，以1∶1液土比加蒸餾水，靜置30min，使用pH計測定上層清液pH值。

植物體重金屬含量分為葉部含量 (leaf content, LC) 、莖部含量 (stem content, SC) 、地下部分含量(root content, RC) 、地上部分含量 (aboveground content, AC) 和全株含量 (total plant content, TPC) ，其相互間換算關系如下：

葉部含量 (LC) = 葉部總含量/葉部生物量；

莖部含量 (SC) =莖部總含量/莖部生物量；

根部含量 (RC) =根部總含量/根部生物量；

地下部分含量(RC) =根部總含量/根部生物量；

地上部分含量(AC) = (葉部屬總含量+莖部總含量)/(葉部生物量+莖部生物量)；

全株含量 (TPC) = (葉部總含量+莖部總含量+根部總含量)/(葉部生物量+莖部生物量+根部生物量)。

植物重金屬累積特征用富集系數(shù)(enrichment coefficient，EC) 、轉移系數(shù)(transfer coefficient，TC)和生物轉移系數(shù)(biological transfer coefficient，BTC) 表示:

富集系數(shù)(EC)=植物體內(nèi)重金屬含量/土壤中重金屬含量;

轉運系數(shù)(TC)=植物地上部重金屬含量/地下部重金屬含量;

生物轉移系數(shù)(BTC) = (植物地上部重金屬含量 × 地上部生物量)/ (根部重金屬含量 × 根部生物量) 。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel、SPSS 19.0軟件進行統(tǒng)計分析，采用LSD多重比較進行差異性檢驗。

2 結果與分析

2.1 土壤元素組成特性

該地塊位于冶煉廢水排水渠，因長期使用冶煉廢水灌溉，該地區(qū)總砷、總鎘、總鉛分別達到146.75、4.58、134.74mg/kg，見表1。該地區(qū)重金屬含量超出GB 15618-1995國家土壤環(huán)境衛(wèi)生標準(總砷≤40mg/kg、總鎘≤1.0mg/kg、總鉛≤500mg/kg)，銅、鋅、鉻等元素含量較高但未超國家土壤環(huán)境衛(wèi)生標準。同時，該地區(qū)土壤富含磷、鉀、鈣、鎂、硅等植物所需的大、中量元素，土壤為紅壤土，pH為6.8～7.3，適宜于植物生長。該休閑地塊上生長有多種原生植物，生長狀況良好，其對該地區(qū)的重金屬具有非常強的適應性，對重金屬的耐受性和富集能力較強。

表1 土壤環(huán)境質量標準值 (mg/kg)

2.2 野豌豆(Vicia sepium Linn)對磷、鉀、鈣、鎂元素的吸收利用

磷、鉀是植物生長所需的營養(yǎng)成分，野豌豆生長過程中不同器官對磷、鉀等養(yǎng)分的需求存在差異，其中葉部磷的含量最大，分別為4.59、11.17g/kg，其次是根部，含量為2.74、8.70g/kg，如表2所示。鈣在植物葉部的積累的含量高于根部與莖部，葉部、莖部及根部的含量分別為18.25、12.26、6.96g/kg。鎂在莖部積累的含量為4.01，高于根部、葉部，而根部、葉部的含量分別為3.36、2.94g/kg。

表2 磷、鉀、鈣、鎂元素在野豌豆體內(nèi)的含量 (g/kg)

2.3 野豌豆(Vicia sepium Linn)對重金屬元素的富集含量

不同重金屬在野豌豆體內(nèi)富集的含量不同，在野豌豆不同部位積累的含量也存在差異，其中在葉部含量最大。鎘在土壤、野豌豆根部、莖部、葉部積累的含量分別為3.95、1.77、1.53、1.92mg/kg；砷在土壤、野豌豆根部、莖部、葉部的含量分別為120.02、4.41、11.93、22.18mg/kg；鉻在土壤、野豌豆根部、莖部、葉部的含量分別為62.46、3.38、5.6、9.8mg/kg；銅在土壤、野豌豆根部、莖部、葉部的含量分別為88.66、19.61、17.81、22.66mg/kg；鉛在土壤、野豌豆根部、莖部、葉部的含量分別為92.28、3.78、12.71、18.19mg/kg；鋅在土壤、野豌豆根部、莖部、葉部的含量分別為81.78、29.46、40.33、62.31mg/kg。

注：不同小寫字母代表顯著性差異水平(P<0.05)

2.4 野豌豆(Vicia sepium Linn)對重金屬的累積特征

由表3可知，野豌豆對鎘、鋅元素富集系數(shù)顯著高于其他元素，其中富集系數(shù)分別為0.52、0.54，其次為銅，富集系數(shù)為0.23，較砷、鉻、鉛差異顯著。而砷、鉻、鉛富集系數(shù)低，但轉移系數(shù)及生物轉移系數(shù)顯著高于其他元素，轉移系數(shù)分別為3.87、2.28、4.09，生物轉移系數(shù)為31.48、18.38、32.18。鎘、銅、鋅能大量富集于植物體中，而砷、鉻、鉛等元素轉移能力及生物轉移能力強，可從植物地下部分轉移至地上部分莖葉等組織。

表3 野豌豆對重金屬元素的累積特征

3 討論

磷鉀作為植物生長所必需的營養(yǎng)元素，在植株中的含量均較高，該試驗地有足夠的養(yǎng)分供給野豌豆生長。而鈣鎂作為植物細胞的功能性元素，對植物生長發(fā)揮重要作用，如穩(wěn)定細胞膜、穩(wěn)固細胞壁，并且鎂是葉綠素的重要組成部分[13]。野豌豆莖部積累大量的鈣鎂元素，含量大于根部、葉部。鎘、砷、鉻、銅、鉛、鋅等重金屬元素在野豌豆體內(nèi)的富集的含量不同，鎘、銅、鋅富集的含量較高，富集系數(shù)分別達到了0.52、0.23、0.54，而砷、鉻、鉛在野豌豆內(nèi)的富集的含量較低，富集系數(shù)分別為0.11、0.10、0.13。砷、鉻、鉛雖在植物體內(nèi)的富集系數(shù)低于其他重金屬元素，但在植物體內(nèi)往地上部分轉移的含量高，主要在野豌豆植株的葉片中積累，生物轉移系數(shù)較高，鉛的生物轉移系數(shù)達到了32.18，顯著高于其他重金屬元素。其余重金屬在野豌豆體內(nèi)的生物轉移系數(shù)雖小于鉛，但其轉移系數(shù)均>1，6種重金屬元素均往野豌豆葉片中轉移，轉移系數(shù)因重金屬種類差異而存在差異。

該地區(qū)總砷(>30mg/kg)、總鎘(>0.5mg/kg)、總鉛(>80mg/kg)超標，在植株葉片中，鎘積累的含量達到了2.92mg/kg，超出土壤衛(wèi)生標準，而砷、鉛累積的含量雖未超出土壤衛(wèi)生標準，但含量也較高，達到了22.18、18.19mg/kg。野豌豆將土壤重金屬富集到植株體內(nèi)，通過生物轉移，由植株的地下部分轉移至植株地上部分，通過對地上部分植株的收集和處置，不斷將土壤中的重金屬攜出，減少土壤中的重金屬含量，修復受重金屬污染土壤。野豌豆對重金屬的富集和生物轉移能將重金屬元素進行不斷的積累和去除，達到對重金屬的植物富集修復效果。

4 結論

試驗地塊具有良好的氣候條件和植物生長所需的各種大量元素、中量元素和微量元素，同時因為長期使用冶煉廢水進行灌溉，導致重金屬含量較高，其中砷、鎘、鉛等重金屬元素超出限值，分別達到了146.75、4.58、134.74mg/kg。原生植物野豌豆不僅可以在該重金屬地塊上很好地利用試驗地塊的營養(yǎng)元素及鈣鎂等大量元素供給植物的生長和器官的正常發(fā)育；而且野豌豆對重金屬均具有一定的富集和生物轉移能力，其中對鎘、銅、鋅具有比較強的富集能力，對砷、鉻、鉛具有非常強的生物轉移能力，野豌豆能夠將重金屬富集于根系中，再將其轉運至莖葉。野豌豆對不同重金屬具有良好的富集轉運修復能力，尤其對鎘的富集以及鉛的生物轉移表現(xiàn)突出。