貴州省汞礦區(qū)蜈蚣草及其根際土壤中重金屬的分布特征研究*

王 琳 周紅韻 徐曉航 蒲 帥 楊晨東 仇廣樂 錢曉莉#

(1.貴州大學資源與環(huán)境工程學院,貴州 貴陽 550025;2.貴州大學喀斯特地質資源與環(huán)境教育部重點實驗室,貴州 貴陽 550025;3.貴州理工學院建筑與城市規(guī)劃學院,貴州 貴陽 550003;4.中國科學院地球化學研究所,貴州 貴陽 550081)

植物修復技術因綠色、經濟和環(huán)保等特性而倍受關注。蜈蚣草(PterisvittataL.)作為As的超富集植物,已有大量研究揭示了As在蜈蚣草中的富集、轉移和分布特征[1-2],同時也有研究發(fā)現蜈蚣草對Hg、Zn、Cd、Pb等重金屬具有一定的富集能力[3-5]。我國汞資源十分豐富,貴州省大規(guī)模汞礦山開發(fā)活動長達630年,在汞資源的開采過程中除了產生汞污染之外,還存在許多伴生重金屬的釋放,例如Pb、Sb等[6]。有研究表明,土壤重金屬污染往往都有兩種或兩種以上重金屬共存[7]。因此了解汞礦區(qū)土壤Cd、Pb、As、Sb等重金屬的分布特征,對于廢棄汞礦區(qū)的生態(tài)治理十分重要。本研究以貴州省典型汞礦區(qū)為研究對象,通過野外調查,采集貴州省萬山汞礦(記為WS)、銅仁汞礦(記為TR)、松桃汞礦(記為ST)、務川汞礦(記為WC)、開陽汞礦(記為KY)自然生長的蜈蚣草以及根際土壤樣品,分析Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Sb、Pb含量,旨在研究汞礦區(qū)蜈蚣草及其根際土壤中重金屬的分布特征,對汞礦區(qū)復合重金屬污染土壤的修復提供數據支撐和科學依據。

1 方 法

1.1 樣品采集

在5個汞礦區(qū)分別采集蜈蚣草樣品。將植物連同土壤一起挖出,利用自來水和超純水洗凈植物后,用陶瓷刀將植株分為根部和地上部分,然后將樣品冷凍干燥后粉碎過80目篩,密封保存?zhèn)溆?。采集植物樣品時同步采集對應植物根際土壤,根際土壤樣品為根際混合樣和非根際混合樣混合得到的土樣,根際混合樣為距植物0～50 cm水平范圍內,0～30 cm厚度土層中根表面的土壤混合樣,非根際混合樣為距植物10～50 cm水平范圍內,0～30 cm厚度的土壤混合樣。土壤樣品風干后研磨過200目篩,密封保存?zhèn)溆谩９膊杉参飿颖緮岛屯寥罉颖緮蹈?1個,WS、TR、ST、WC、KY分別為13、11、5、14、8個。

1.2 分析方法

有機質的測定參考文獻[8],采用DDS-11A型電導率儀測定電導率(EC),用ZD-2精密自動電位滴定儀測定氧化還原電位(Eh)。Ni、Sb的測定參考文獻[9],Cr、Cu、Zn、Pb、Cd的測定參考文獻[3],As的測定參考文獻[10]。

1.3 富集系數

富集系數可確定植物是否富集重金屬以及富集重金屬能力的大小。一般而言富集系數越大,植物從土壤吸收重金屬到其體內的能力越強[11],計算公式如下:

B地上部分=C地上部分/C土壤

(1)

B根部=C根部/C土壤

(2)

式中:B地上部分、B根部分別為植物地上部分的富集系數、植物根部的富集系數;C地上部分、C根部和C土壤分別為植物地上部分、植物根部和土壤中重金屬質量濃度,mg/kg。

1.4 地累積指數法

地累積指數計算公式[12]為:

Igeo=log2[C土壤/(k×B)]

(3)

式中:Igeo為地累積指數;B為土壤中重金屬的地球化學背景值(本研究按貴州省背景值[13-15]計算),mg/kg;k為考慮巖石差異可能引起背景值變動的系數(一般取值為1.5)。

地累積指數分級見表1。

表1 地累積指數分級Table 1 Geo-accumulation index classification

2 結果與討論

2.1 根際土壤中重金屬

汞礦區(qū)根際土壤不同重金屬質量濃度見表2。由表2可知,Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Sb和Pb的質量濃度均值為9.38～204.03 mg/kg。其中,Zn的質量濃度均值最高,為204.03 mg/kg,其次是Pb,均值為167.45 mg/kg。

表2 根際土壤重金屬質量濃度Table 2 Heavy mental concentrations in rhizosphere soil mg/kg

不同汞礦區(qū)根際土壤的重金屬質量濃度(均值)及其地累積指數分別如表3、表4所示。5個汞礦區(qū)中,WS根際土壤中的Cd、Sb和Pb污染程度較高,其地累積指數分別達到6.62、4.58、3.15;TR根際土壤中Cd和Sb污染程度較高,其地累積指數分別達到4.56和3.29;ST根際土壤中Cd污染程度較高,其地累積指數高達5.29;WC根際土壤中Sb和Cd的污染程度較高,其地累積指數分別達到4.80和3.05;KY根際土壤中的Sb、Cd、As污染程度較高,其地累積指數分別為4.14、2.34、2.13。分析結果表明,貴州省典型汞礦區(qū)根際土壤存在一定程度的Cd和Sb污染,部分礦區(qū)的根際土壤還存在一定程度的Pb和As污染。

表3 不同汞礦區(qū)根際土壤的重金屬質量濃度Table 3 The heavy metal concentrations of rhizosphere soil in different mercury mining areas mg/kg

表4 不同汞礦區(qū)根際土壤的重金屬地累積指數Table 4 The geo-accumulation index of heavy metals of rhizosphere soil in different mercury mining areas

汞礦區(qū)Cd、Pb、Sb和As主要是汞礦開采、冶煉等過程伴生產生的。其中Pb、Sb、As的地球化學性質與Hg相似[16],在汞礦成礦過程中與Hg共消共長,密切伴生;Cd、As還可能來源于廢棄汞礦區(qū)的農業(yè)活動,有研究表明農業(yè)肥料和畜禽糞便中都含有較高濃度的Cd和As[17-18];另外As的超標還可能與汞礦區(qū)土法煉汞燃煤有關,燃煤過程中產生的含As粉塵隨著燃煤煙氣排放到大氣,并沉降積累到土壤中,造成As超標。

2.2 蜈蚣草中重金屬

汞礦區(qū)蜈蚣草中各重金屬質量濃度(5個汞礦區(qū)的均值)見圖1。蜈蚣草對As的總富集量(254.52 mg/kg)最大,其次是Zn(39.87 mg/kg)、Pb(25.22 mg/kg)。8種重金屬中,Zn、Cd和Pb主要富集在蜈蚣草的地上部分。Cr、Ni、Cu、As和Sb主要富集在蜈蚣草的根部。

圖1 蜈蚣草中重金屬質量濃度Fig.1 Heavy metal concentrations in Pteris vittata L.

不同汞礦區(qū)蜈蚣草地上部分、根部對重金屬的富集系數分別如表5、表6所示。蜈蚣草地上部分和根部對As的富集能力最強,5個汞礦區(qū)中有4個汞礦區(qū)的蜈蚣草對As的富集系數都大于1。

表5 蜈蚣草地上部分對重金屬的富集系數Table 5 The bioconcentration factors of heavy metals in up-ground part of Pteris vittata L.

表6 蜈蚣草根部對重金屬的富集系數Table 6 The bioconcentration factors of heavy metals in down-ground part of Pteris vittata L.

從整體來看,蜈蚣草地上部分對Zn和As的富集能力略大于其根部,即蜈蚣草能將富集到的大部分Zn、As遷移到地上部分,可以有效回收這些重金屬,與文獻[1]、[19]的研究結果相似。綜合判斷,蜈蚣草對汞礦區(qū)As、Zn污染土壤修復有一定作用,這對重金屬復合污染土壤的修復具有一定的參考價值。

相關性分析顯示,蜈蚣草地上部分Zn、Cd、Pb含量和根部As、Cd、Pb含量都與根際土壤EC存在顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)正相關關系,EC對土壤中重金屬有效態(tài)的影響比較復雜,本研究結果顯示土壤EC的升高可以促進蜈蚣草地上部分或根部對這些重金屬的富集。蜈蚣草地上部分Cu和根部Sb、Pb含量都與根際土壤有機質存在顯著(P<0.05)正相關關系,有研究發(fā)現有機質對重金屬有效態(tài)含量有較大正向作用[20],與本研究結果相同。蜈蚣草根部Cr含量與根際土壤Eh存在顯著(P<0.05)正相關關系,可能是因為土壤的氧化還原條件對土壤中Cr(Ⅴ)遷移能力的影響較大[21]。蜈蚣草植株中的重金屬含量受根際土壤的理化性質共同影響,且蜈蚣草對不同重金屬吸收和遷移機制有所不同。

3 結 論

1) 不同汞礦區(qū)根際土壤中Zn(204.03 mg/kg)和Pb(167.45 mg/kg)質量濃度均值最高,依據地累積指數法評價,貴州省典型汞礦區(qū)根際土壤存在一定程度的Cd和Sb污染,部分礦區(qū)的根際土壤還存在一定程度的Pb和As污染。

2) 蜈蚣草對As(254.52 mg/kg)的總富集量最高。

3) EC等理化性質是影響蜈蚣草地上部分和根部分別累積Zn、Cd、Pb和As、Cd、Pb的重要因素。

4) 蜈蚣草對汞礦區(qū)As和Zn污染土壤修復有一定作用。