赤才和守宮木對鉛鋅礦區(qū)土壤重金屬的富集特征

陳 琳， 楊小波， 楊 寧， 田璐嘉， 李 龍， 梁彩群， 左永令， 張培春， 李東海

(1. 海南大學生態(tài)與環(huán)境學院， 海南570228; 2. 海南大學熱帶作物學院， 海南570228)

近年來，由于各類工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈的快速發(fā)展，人們對重金屬的應用愈加廣泛，這也導致重金屬對環(huán)境的污染日益嚴重。因此，人們開始廣泛關注重金屬的污染狀況，尤其是有關土壤重金屬的污染[1-3]。開采礦產(chǎn)資源、排放工業(yè)廢水、灌溉農田等人類活動都會增加土壤的重金屬污染，其中開采礦產(chǎn)是土壤污染的主要來源[4-6]。生長在重金屬含量過高地區(qū)的植物，會通過根部對營養(yǎng)物質的吸收作用將重金屬吸收到自身的器官內，隨之富集的重金屬又沿著食物鏈和食物網(wǎng)傳遞富集，從而對人體造成危害[7]。人們對各類富含金屬元素的礦產(chǎn)資源進行開發(fā)，常常忽視對環(huán)境的影響，由此產(chǎn)生尾礦污染的問題[8-9]。尾礦污染可能會通過食物鏈和食物網(wǎng)的傳遞影響食品和飼料安全。因此，識別和減輕重金屬污染對人類健康造成的風險是重要的科學問題。

植物修復是一種既有成本效益又不會對環(huán)境造成破壞的方法，即使是持久性重金屬也能通過植物的富集作用有效去除[10-11]。植物修復主要是利用一些對重金屬有耐受性并且能從土壤中吸收重金屬特性的植物，這類能富集重金屬的植物可分為一般植物、耐性植物和超富集植物[12]。守宮木(Sauropusandrogynus)[13]、鬼針草(Bidenspilosa)[14]以及龍葵(Solanumnigrum)[15]等植物都對重金屬有富集作用。

海南昌化鉛鋅礦礦山四周的農用地和林地土壤污染情況嚴峻，其表層土壤Pb、Zn、Cd等重金屬全量平均值均超過土壤環(huán)境質量三級標準[16]。由于尾礦渣的隨意丟棄使得植物很難較好地生長，該地區(qū)的植被以草本植物為主[17]。守宮木，別名樹仔菜、越南菜、泰國枸杞菜、五指山野菜等，主產(chǎn)于南洋群島和東南亞，地上部分可食，海南常有栽培。據(jù)研究，守宮木在無重金屬污染的土壤中生長后，其體內的Cd含量仍然超過國家的標準限值[18]。赤才，木材堅實，可作農具，果皮肉質，味甜可食，為海南常見樹種，生于灌叢或疏林中。這兩種植物均為多年生木本植物，具有對不利環(huán)境耐受性高、生物量大以及生長速度快等生物學特性。本實驗以這兩種多年生灌木為研究對象，通過田間試驗的方式，研究赤才和守宮木對海南昌化鉛鋅礦附近農用地土壤中重金屬的富集能力，為治理和修復海南昌化鉛鋅礦產(chǎn)生的土壤重金屬污染提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

試驗區(qū)位于海南省昌江族自治縣昌化鎮(zhèn)昌城村昌化鉛鋅礦廠附近的農用地(108 °42 ′13 ″E，19 °19 ′13 ″N)。昌化鎮(zhèn)屬熱帶海洋性季風氣候，四季不明顯，年平均氣溫24.3 ℃，年降水量 902～1 805 mm，太陽輻射年總量130～140 kcal/cm2(1 kcal=4.186 kJ)，年中大于10 ℃積溫8 800 ℃以上，冬春6個月降水量僅占年雨量的15%，為全省春旱最嚴重的地區(qū)之一[19]。試驗區(qū)土壤呈酸性，pH 5.82；有機質含量極低，每千克僅0.29 g。試驗區(qū)土壤重金屬含量如表 1所示，在《土壤環(huán)境質量農用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB 15618—2018)中，Cd的農業(yè)土壤允許含量為0.3 mg/kg，試驗地檢測出的Cd總含量為5.02 mg/kg，是農業(yè)土壤允許含量16倍以上。Pb和Zn的含量分別是限量標準的6.5和1.7倍。其中Cd和Pb的含量均超過風險篩選值與風險管控值；Zn的含量超過了風險篩選值但并未超過風險管控值；Cu的污染狀況較輕，低于風險篩選值。這表明試驗區(qū)受到鎘、鉛和鋅的高度共同污染，其中Cd、Pb污染風險較高，如果種植食用農產(chǎn)品，產(chǎn)品質量不符合質量安全標準，原則上應禁止種植食用農產(chǎn)品，并進行退耕還林等管控措施。

試驗區(qū)面積為49.5 m2，分為3個小區(qū)，每個小區(qū)16.5 m2(圖1)，小區(qū)與小區(qū)間隔1 m防止各個小區(qū)相互影響，小區(qū)內又分為兩個子區(qū)，每個子區(qū)之間設置0.5 m的保護行；篩選長勢一致(20～30 cm)的赤才苗與守宮木苗(20～30 cm)移至試驗小區(qū)，按照株距0.5 m、行距0.5 m，以每小區(qū)9株的密度進行種植，其間進行除草、澆水以及施肥等日常管理。復合有機肥以大約1 250 kg/hm2的低劑量低頻率施用，地塊于2020年12月24日收獲。將每個處理小區(qū)采集的植物樣品用清水洗凈，吸水紙吸干表面水分,分別測定其鮮重，后將根莖葉分離；裝于牛皮紙內，放入烘箱105 ℃殺青1 h，殺青后經(jīng)75 ℃烘至恒質量。將處理后的植物樣本以及樣品送到檢測中心進行檢測分析。

圖1 試驗地設計圖Figure 1 Design drawing of the test site

1.2 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2019和SPSS 25.0進行數(shù)據(jù)處理與作圖。其中，植物器官的重金屬富集系數(shù)(BCF)、轉運系數(shù)(TF)計算公式如下[20]：

富集系數(shù)(BCF)=植物器官重金屬含量/土壤重金屬含量

轉運系數(shù)(TF)=植物前一器官某重金屬含量/植物后一器官該重金屬含量

2 結果與分析

2.1 植物的生物量

赤才與守宮木各器官的生物量(DW)如表2所示。經(jīng)過5個月的生長，赤才地上部分的生物量占總生物量的58.69 %，整體生物量為2.198 t/hm2；守宮木的生物量>赤才，為9.273 t/hm2，地上部分的生物量占總生物量的65.02%。赤才不同器官的生物產(chǎn)量依次為根>莖>葉；守宮木不同器官的生物產(chǎn)量依次為莖>根>葉。盡管土壤重金屬污染嚴重，但各小區(qū)的赤才和守宮木并沒有出現(xiàn)死亡和藥害的癥狀，表明赤才和守宮木對高重金屬污染均具有相當大的耐受性，并且對其有一定的富集能力。

表2 植物生物量

2.2 植物各器官重金屬富集量

不同器官中赤才葉內Cd、Pb、Cu和Zn的含量均高于根和莖(表3)，而根莖中這4種重金屬含量差異不明顯(P>0.05)。守宮木器官間金屬含量差異明顯(P<0.05)；Cd和Zn在莖中的含量最多，達到55.78 mg/kg和1 820.16 mg/kg；Cd在根中的含量最少，為13.69 mg/kg；Zn則在葉中含量最少，為717.34 mg/kg。Pb和Cu在根中的含量最高，分別為14.79 mg/kg和8.61 mg/kg；在莖中的含量最少，分別為5.20 mg/kg和5.00 mg/kg。

表3 植物生物量和器官中重金屬含量

守宮木根、莖和葉中的Cd和Zn含量分別高于它們在赤才根、莖和葉內的含量；赤才莖和葉中Pb和Cu的含量則高于守宮木的莖和根。

根據(jù)表3的數(shù)據(jù)計算，每公頃赤才和守宮木不同器官內所積累的金屬量如表4所示。兩種植物均為種植5個月后(2020年12月)收獲并進行器官分析。各器官生物量不一，赤才葉對Cu的富集量高于根和莖但積累的Cu最少，Cd在根中的積累量最多，Pb和Zn積累量為葉>根>莖；守宮木各器官中，Cd積累量為莖>葉>根，Pb積累量為根>葉>莖，Cu積累量為根>莖>葉，Zn積累量為莖>根>葉。

表4 植物器官內的重金屬含量

赤才根、莖和葉中富集的重金屬總量按多少順序排列為Zn>Pb>Cu>Cd；守宮木莖和葉中富集的重金屬總量按多少順序排列為Zn>Cd>Pb>Cu，根中富集的重金屬總量按多少順序排列則為Zn>Pb>Cd>Cu。這與土壤重金屬含量和植株各部位的生物量差異相關。

從植物整體而言，赤才總共從每公頃土壤中提取Cd 6.64 g、Pb 22.76 g、Cu 12.72 g和Zn 542.23 g，守宮木則從每公頃土壤中提取Cd 306.28 g、Pb 92.82 g、Cu 63.02 g和Zn 12 795.64 g，可以看出，在相同的種植面積下，因為守宮木生物量高和單位重量中重金屬含量高于守宮木，守宮木體內積累的重金屬量遠高于赤才。

2.3 植物各器官生物富集系數(shù)

赤才和守宮木各器官的生物富集系數(shù)如表5所示。植物富集和轉運重金屬的效率因重金屬的種類、植物種類和器官的不同而出現(xiàn)差異(P<0.05)。在赤才中，Cd、Pb、Zn的富集系數(shù)按大小順序排列為葉>根>莖，Cu的富集系數(shù)按大小順序排列為葉>根>莖，說明赤才的葉對這4種重金屬的富集能力要高于根和莖。守宮木不同器官對這4種重金屬的富集能力差異較明顯(P<0.05)，根對Pb和Cu的富集能力要強于葉，葉又強于莖，莖對Cd和Zn的富集能力強于葉和根，根對Zn的富集能力強于葉，但根富集Cd的能力又弱于葉。

表5 植物的富集系數(shù)

赤才根中4種重金屬富集系數(shù)按大小順序排列為Cd>Zn>Cu>Pb，莖和葉中為Zn>Cd>Cu>Pb，這說明赤才根對Cd的富集能力強于富集其他3種重金屬，莖和葉富集Zn的能力要強于富集Cd、Cu、和Pb。與赤才相反，守宮木根中4種重金屬富集系數(shù)按大小順序排列為Zn>Cd>Cu>Pb，莖和葉中為Cd>Zn>Cu>Pb。赤才和守宮木所有器官Pb和Cu的生物富集系數(shù)均低于0.2，Zn的富集系數(shù)均大于1，說明兩種植物不同器官對Pb和Cu的富集能力都弱于富集Zn。

守宮木除了莖葉中Pb和Cu的富集系數(shù)低于赤才外，其他的富集系數(shù)均高于赤才，這說明守宮木根富集4種重金屬的能力要強于赤才，赤才莖葉富集Pb和Cu的能力要強于守宮木的莖葉。

2.4 植物各器官轉運系數(shù)

重金屬經(jīng)由植物的根部吸收而富集在根系，再從根系運輸至其地上部分；轉運系數(shù)是植物后一部位中重金屬含量與前一部位中重金屬含量的比值(包括根到莖、莖到葉) ,用于評估植物各部位對重金屬的轉運能力。表6為赤才和守宮木不同部位對4種重金屬的轉運系數(shù)。赤才不同部位轉運4種重金屬的能力差異顯著(P<0.05)；赤才根部運輸Cu的能力強于運輸其他3種重金屬，莖運輸Pb的能力最強；守宮木根部運輸Cd的能力最強，莖運輸Pb的能力最強。

表6 植株的轉運系數(shù)

3 討論與結論

3.1 守宮木和赤才對土壤重金屬富集的能力

3.1.1 守宮木對土壤重金屬的富集能力

在經(jīng)過5個月的生長后，守宮木的生物量為9.273 t/hm2，各個器官中金屬含量差異明顯：Cd和Zn在莖中的含量最多，達到55.78 mg/kg和1 820.16 mg/kg；Cd在根中的含量最少，為13.69 mg/kg；Zn則在葉中含量最少，為717.34 mg/kg；Pb和Cu在根中的含量最高，分別為14.79 mg/kg和8.61 mg/kg，而在莖中的含量最少，分別為5.20 mg/kg和5.00 mg/kg；Cd和Zn的富集系數(shù)分別為16.061和7.537，大于1，說明守宮木對Cd和Zn具有較強的富集作用；這兩種重金屬由根到莖的轉運系數(shù)為4.102和1.320，由莖到葉的轉運系數(shù)為0.448和0.396，說明守宮木由根部轉運Cd和Zn到莖的能力要強于莖轉運至葉的能力；守宮木Pb和Cu的富集系數(shù)分別為0.027和0.099，這兩種重金屬由根到莖的轉運系數(shù)為0.351和0.580，由莖到葉的轉運系數(shù)為2.104和1.429，這說明雖然守宮木富集Pb和Cu的能力要弱于富集Cd和Zn的能力，但它能將富集到的重金屬更多地轉運到地上部分，而莖轉運Pb和Cu至葉的能力又強于根轉運Pb和Cu至莖的能力。

守宮木對Cd有富集作用，與姚全勝等[18]的研究結果吻合，因此不建議將守宮木作為野生蔬菜長期食用，尤其是居住在昌化鉛鋅礦附近的村民，但可以作為修復受Cd污染土壤的目標植物。守宮木對Cu的富集能力不強，這與Xia等[21]的研究是相吻合的，但在他的研究中，種植在廣西上壩村的守宮木對Pb和Zn的富集能力和自身的生物量均高于本實驗(表7)，對Cd的富集能力又小于本實驗，這可能是由于試驗地土壤中各重金屬含量不同和田間試驗的環(huán)境因子不同而具有差異。

表7 兩個區(qū)域守宮木富集能力和生物量比較

3.1.2 赤才對土壤重金屬的提取能力

赤才經(jīng)生長后，生物量為2.198 t/hm2；Cd、Pb、Cu和Zn的含量在葉中最多，分別為4.30 mg/kg、27.57 mg/kg、8.15 mg/kg和529.01 mg/kg。Cd和Zn的地上富集系數(shù)分別為1.244和2.041，大于1，說明赤才對Cd和Zn具有較強的富集作用。Cd和Zn由根到莖的轉移系數(shù)為0.572和0.933，莖到葉的轉移系數(shù)分別為2.377和3.592，說明赤才將Cd和Zn轉運到莖的能力弱于莖將Cd和Zn轉運至葉的能力。Pb和Cu的富集系數(shù)為0.056和0.286，說明雖然赤才對Pb和Cu具有一定的富集能力，但富集這兩種重金屬的能力不如富集Cd和Zn。Pb和Cu根到莖的轉運系數(shù)為0.986和1.180，莖到葉的轉運系數(shù)為5.026和1.464，說明赤才將Pb和Cu由莖轉運至葉的能力要強于根將其轉運至莖的能力。

3.2 守宮木和赤才對重金屬富集能力的差異

超富集植物目前采用較多的是Baker和Brooks在1983年提出的參考值標準：能夠同時積累一種或多種重金屬元素的植物，且植物地上部分(莖或葉)重金屬含量是普通植物在同一生長條件下的100倍,即把植物葉片或地上部分(干重)Cd含量達100 mg/kg, Zn含量達到10 000 mg/kg，Pb、Cu 含量達到1 000 mg/kg以上的植物稱為重金屬超富集植物[22]，如李氏禾(Leersiahexandra)[23]、東南景天(Sedumalfredii)[24]和有翅星蕨(Microsorumpteropus)[25]。赤才和守宮木兩者體內所積累的重金屬含量沒有達到超富集植物的臨界值，因此它們不是超富集植物，但可以在被多種重金屬污染的農用地良好生長，說明它們對土壤中的多種重金屬具有很強的適應能力和耐受能力。根據(jù)試驗，赤才和守宮木均具有從土壤中富集Cd和Zn兩種重金屬的潛力，并且根部能將富集的重金屬有效地轉運到植株的地上部分，同時還具有較大的生物量。

守宮木除了莖葉中Pb和Cu的富集系數(shù)低于赤才外，其他的富集系數(shù)均高于赤才，這說明守宮木根富集4種重金屬的能力要強于赤才，赤才莖葉富集Pb和Cu的能力要強于守宮木的莖葉。在相同種植時間下，赤才生物量為2.198 t/hm2，守宮木生物量9.273 t/hm2，赤才總共從每公頃土壤中提取Cd 6.64 g、Pb 22.76 g、Cu 12.72 g和Zn 542.23 g，守宮木則從每公頃土壤中提取Cd 306.28 g、Pb 92.82 g、Cu 63.02 g和Zn 12 795.64 g?？傮w而言，守宮木比赤才在修復土壤重金屬污染方面更具有優(yōu)勢。

3.3 赤才和守宮木修復重金屬污染的可行性

本試驗研究表明，赤才和守宮木不是超富集植物，但可以在被多種重金屬污染的農用地良好生長，說明它們對土壤中的多種重金屬具有很強的適應能力和耐受能力。赤才和守宮木還具有較大的生物量，現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)的一些超積累植物雖然具有較高的富集系數(shù)，但是它們的生物量相對較低，如Arabidopsishelleri和Thlaspicaerulescens雖對Cd和Zn有超富集作用，但生物量均小于1.000 t/hm2，并且栽培困難[26]。試驗區(qū)年平均氣溫24.3 ℃，水熱在月份上分配不均，不適宜非耐旱的植物生長。因此，在考慮生物量和存活率的情況下，赤才和守宮木用于種植修復土壤重金屬污染的潛力也是相當可觀的。試驗區(qū)土壤中Cd和Pb的含量均超過風險篩選值與風險管控值，Zn的含量超過了風險篩選值但并未超過風險管控值，原則上應當采取退耕還林等嚴控管控措施，赤才和守宮木作為海南的常見木本植物，對干旱氣候和多種重金屬均有很強的適應能力，可以作為潛力植物修復受尾礦污染的土壤，這樣既可以修復土壤污染又可以促進當?shù)氐闹脖换謴汀?/p>