云南臨滄某煤礦區(qū)土壤及優(yōu)勢植物中重金屬含量特征分析

崔世展，謝 佳，繆德仁

(1．昆明學院 農(nóng)學與生命科學學院，云南 昆明 650214；2．昆明學院 化學化工學院，云南 昆明 650214)

土壤作為人類賴以生存的物質(zhì)基礎，與當今人類面臨的糧食安全、資源和環(huán)境等許多問題密切相關[1]．我國可利用的土地資源極其匱乏，而采礦活動產(chǎn)生的尾礦不僅占用了大量的土地資源，而且還帶來嚴重的環(huán)境污染[2-3]．因此，近年來人們對礦區(qū)土壤重金屬污染修復的關注力度越來越大[4]．目前，土壤重金屬污染修復技術主要為物理、化學等修復技術．然而，這些方法雖然對重金屬和放射性物質(zhì)污染的修復效率高，但是仍不能解決大面積土壤環(huán)境污染的根本問題[5]．而植物修復技術與傳統(tǒng)修復方法相比較，具有修復成本低、對環(huán)境干擾少、環(huán)保等優(yōu)勢，該方法為土壤重金屬污染治理提供了一種新途徑．

研究區(qū)域位于云南省臨滄市臨翔區(qū)博尚鎮(zhèn)，該區(qū)域處于多金屬礦產(chǎn)資源帶，礦產(chǎn)資源豐富，但是礦山開采往往會造成多金屬復合重金屬污染土壤的現(xiàn)象，加之雨水沖刷以及人類活動的影響，大大提高了重金屬擴散的風險．考慮研究區(qū)域道路交通不便，且受到重金屬污染威脅的土壤面積規(guī)模較小，采用植物修復技術的方式更加合理．但由于礦山重金屬污染主要是多種重金屬元素引起的復合污染，植物的生長及其在工程中的應用受到極大限制[6]．因此，植物修復技術的關鍵是篩選出具有同時累積多種重金屬的植物．基于此，本研究選取云南省臨滄市臨翔區(qū)具有代表性的煤礦區(qū)為研究對象，通過對該區(qū)域內(nèi)的優(yōu)勢植物和土壤進行采樣分析，探討土壤重金屬污染的狀況以及優(yōu)勢植物對重金屬的吸收和積累特征，篩選出適宜該礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的恢復植被，以期為植物修復技術在礦山重金屬污染治理中的應用提供理論依據(jù)．

1 材料與方法

1.1 樣品的采集與制備

按照隨機取樣法采集煤礦區(qū)內(nèi)多個點位的表土，然后將其混勻備用．同時在研究區(qū)域內(nèi)調(diào)查植物的種類和生長狀況，選取生長量大的植物為研究區(qū)域中的代表性優(yōu)勢植物，共選取9種優(yōu)勢植物(表1)，每種植物采集3～6株，并收集植物根際土壤備用．所采集的土壤樣品去除植物殘根和大顆粒石子后，經(jīng)風干、研磨并全部通過100目尼龍孔篩，存放于密封袋，并置于干燥器中備用．植物樣品沖洗干凈，分地上、地下部分晾干后轉(zhuǎn)移至烘箱內(nèi)殺青(100 ℃)，研磨過60目尼龍孔篩后封裝、貼標、備用．

表1 9種優(yōu)勢植物

1.2 重金屬元素的測定

土壤樣品和植物樣品采用微波消解儀消解，其中土壤樣品采用HNO3-HF-HClO4(m(HNO3)∶m(HF)∶m(HClO4)=5∶2∶2)消解，植物樣品采用m(HNO3)∶m(HClO4)=8∶2 消解.并采用ICP-OES(Thermo，iCAP 6300)法對消解液中各重金屬元素含量進行測定[7]．每一樣品均設置3次平行試驗與空白對照，最終結(jié)果表示為平均值．若無特別說明，本研究所采用的試劑均為優(yōu)級純，水為超純水．

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤中重金屬元素的含量分布

采用微波消解-ICP-OES法對土壤中的As，Cd，Cr，Cu，Pb和Zn的含量進行測定，并將結(jié)果列于表2之中．

重金屬元素含量分析結(jié)果表明，尾礦區(qū)土壤中As和Cd兩種重金屬離子的含量均超過我國《土壤環(huán)境質(zhì)量-農(nóng)用地土壤污染風險管控標準》[8]規(guī)定的農(nóng)用土壤污染風險篩選值的閾值(40.0 mg/kg 和0.3 mg/kg)，因此要求修復植物能夠同時對As和Cd具有富集能力．另外，雖然尾礦區(qū)中As的含量未超出該標準中所規(guī)定的農(nóng)用土壤污染風險管制值的閾值，但Cd的含量則顯著高于土壤污染風險管制值的閾值(1.5 mg/kg)．顯然，該尾礦區(qū)的土壤已失去了基本的生產(chǎn)能力，原則上應當采取禁止種植食用農(nóng)產(chǎn)品、退耕還林等嚴格管控措施．

表2 土壤中重金屬元素的含量

通過對比優(yōu)勢植物根際土壤的重金屬含量可以看出，榿木根際土壤中As，Cr和Zn的含量高于尾礦區(qū)表土2倍以上；積雪草根際土壤中As的含量也高于尾礦區(qū)表土的2倍以上；蜈蚣蕨根際土壤中的As和Cd含量大都明顯高于其他植物根際土壤，說明蜈蚣蕨的根系可能對As和Cd同時具有富集效果．

2.2 植物重金屬元素的含量分布

采用微波消解-ICP-OES法分別對植物樣品的地上與地下部位進行重金屬測定，并通過對比不同部位中重金屬的含量，可以體現(xiàn)植物從根部向地上部轉(zhuǎn)運重金屬的能力．另外，通過測定結(jié)果對比，還可研究不同植物對重金屬的富集差異．植物不同部位中各重金屬元素的含量分析結(jié)果如表3所示.

表3 植物不同部位中重金屬元素的含量

通過對比可知，榿木對As的富集量不大，但地上部As的含量高于地下部4.5倍，并且在9種植物中最高，榿木的生物量很大，可作為該區(qū)域生態(tài)恢復植物的備選；積雪草對Cd的轉(zhuǎn)運能力最強，但富集能力弱，且生物量不大，難以應用于植物修復工程中；伏地卷柏與黃毛草莓的地下部雖然對Pb和Zn的富集量較多，但只能表現(xiàn)出各自對相應重金屬元素的耐性高，無法對污染場地進行有效修復；蜈蚣蕨的地上、地下部對As和Cd的富集量遠高于其他植物，分別為1 798.00，1 333.00 mg/kg 和39.69，29.55 mg/kg，地下部向地上部的轉(zhuǎn)運系數(shù)超過了1，但是根據(jù)超累積植物的定義，需要植物體內(nèi)Cd的含量超過 100.0 mg/kg，該植物才能稱為超累積植物．然而，有研究[9]表明，在砷含量高達1 500 mg/kg的土地上，鳳尾蕨屬植物、蜈蚣蕨地上部分富集砷的含量高達 22 630 mg/kg (超過干質(zhì)量的2%)，比土壤中的砷含量高10倍以上．因此，考慮本研究采集的植物樣本均為礦區(qū)野外的優(yōu)勢植物，土壤中重金屬的含量遠低于室內(nèi)實驗，所以植物對重金屬的富集量不能達到盆栽或室內(nèi)試驗的效果．通過對9種優(yōu)勢植物進行重金屬測定，發(fā)現(xiàn)9種優(yōu)勢植物對Cd的轉(zhuǎn)運效果最好，對Cr的轉(zhuǎn)運能力最差．

2.3 植物樣品對重金屬的富集能力分析

為探討優(yōu)勢植物對土壤重金屬的富集情況，本研究采用富集系數(shù)(BCF)計算公式：BCF=(植體重金屬元素含量/土壤重金屬元素含量)[10-11]，對各重金屬元素在植物不同部位中的BCF進行計算，計算結(jié)果匯總于表4之中．

富集系數(shù)計算結(jié)果表明，蜈蚣蕨的地上部對As和Cd的富集能力最強，BCF分別為17.670和10.510，遠高于同為鳳尾蕨科的另外兩種植物；對Cr富集效果最好的是蜈蚣蕨的地下部，BCF為2.005，說明蜈蚣蕨對Cr具有較高的耐性；伏地卷柏的地下部對Cu與Pb富集能力最強，BCF分別為1.630和1.524，地上部對Zn富集效果最好，BCF為3.051，因此可以作為該區(qū)的生態(tài)恢復植物備用．

表4 重金屬元素在植物中的富集系數(shù)

在本研究中，蜈蚣蕨地上部與地下部中As和Cd的含量都遠超于其他植物，盡管根據(jù)超累積植物的定義[12]，蜈蚣蕨尚不能稱為Cd的“超累積植物”．但是，由于生長環(huán)境和土壤中Cd的含量對蜈蚣蕨富集Cd的能力有著巨大影響，且與同科的鳳尾蕨和西南鳳尾蕨相比，蜈蚣蕨對As和Cd的富集效果十分突出．因此蜈蚣蕨在對As和Cd重金屬復合污染土壤的治理及礦山復墾方面依然具有較好的應用前景．

3 結(jié)論

本研究對云南省臨滄市臨翔區(qū)某煤礦區(qū)的土壤及周邊優(yōu)勢植物中重金屬的含量和植物不同部位中各重金屬元素的富集系數(shù)進行了分析和計算，可以得出如下結(jié)論：

1)礦區(qū)土壤中As和Cd的含量已超出我國農(nóng)用土壤污染風險篩選值的閾值，且Cd的含量已達1.68 mg/kg，超過了1.5 mg/kg的風險管制閾值，原則上該區(qū)域土壤應禁止種植食用農(nóng)產(chǎn)品，并采取一定的措施來進行管控與修復．

2)蜈蚣蕨中As和Cd兩種重金屬的含量遠高于其他植物，但由于生長環(huán)境因素影響，其體內(nèi)Cd的含量不足100 mg/kg，尚不能將其定義為超累積植物．后期可采取盆栽試驗改變土壤pH值、增加土壤中有機質(zhì)來驗證蜈蚣蕨對As和Cd復合污染重金屬的富集效果．

3)As和Cd在蜈蚣蕨地上部的BCF分別為17.670和10.510，遠高于同科的鳳尾蕨與西南鳳尾蕨，且在尾礦區(qū)的長勢良好，說明其對As和Cd兩種重金屬同時具有富集效果．但是對于蜈蚣蕨富集兩種重金屬的相互作用機理仍需進一步研究．