湖南南部鉛鋅礦區鉛鋅富集植物篩選研究

任秀娟，朱東海，吳大付，吳海卿*

1. 河南科技學院，河南 新鄉 453003；2. 中國農業科學院農田灌溉研究所，河南 新鄉 453003

我國礦山生態環境破壞和污染十分嚴重，有色金屬礦山具有金屬元素排放量大、濃度高、流失多、成分復雜多樣、環境污染較嚴重的特點，容易造成生態環境的惡化（陶家元，1997；白中科等，2006）。近年來礦區生態環境問題引起廣泛關注，貴州晴隆銻礦礦區周圍土壤綜合污染指數為 23.32，周邊土壤已受嚴重污染（單曉燕和胥思勤，2011）。常青山等（2007）對福建礦區的調查表明，礦區Zn、Pb、Cd均達到重度污染標準；郭朝暉等（2007）調查湖南有色金屬礦區蔬菜中Cd、Pb、As、Cu、Zn、Cr含量，大米中Cd、Pb和Zn的含量均超過我國食品衛生標準；LI等（2006）在甘肅白銀有色礦區的研究結果也表明，礦區蔬菜中重金屬的含量超過國家食品衛生標準。湖南省素有“有色金屬之鄉”的稱號（謝文安等，1991；謝炳庚等，1996），有色金屬礦產為當地帶來了巨大的經濟效益，但卻嚴重污染了礦區的生態環境（孫健等，2006；王秋衡等，2007）。因此，急需在綜合評價湖南省主要有色金屬礦區土壤重金屬污染現狀的基礎上，對礦區周邊優勢植物物種進行篩選和研究，選擇優勢本土植物種群，研究利用本土累積和超累積植物修復礦區重金屬污染土壤的可行性。

孫健等（2006）在湖南郴州竹園鉛鋅礦區調查了礦區9種優勢植物對Pb、Zn、Cu、Cd對重金屬復合污染的耐抗性較強，但對4種重金屬的富集量均沒有達到超累積植物的臨界含量，野菊花（Dendranthema indicum）、莎草（Cyperus rotundusL.）、五節芒（Miscanthus floridulus(Lab.)Warb. ex Schum. et Laut.）3種植物遷移轉運系數大于1，可認為具備了超累積植物的某些基本特征（孫健等，2006）。貴州鉛鋅礦區的桑科植物對Pb、Cd具有顯著的富集效應（毛海立等，2011），胡學玉等（2008）在湖北銅綠山礦區發現了鴨跖草等5種礦區植物對Cu、Pb、Zn、Cd、Cr具有一定的富集能力，可作為礦區土地污染修復和礦區植被修復的備選植物。張富運等（2012）總結了國內外鉛鋅富集植物，其植物共有的科屬為景天科、莧科、十字花科、禾本科、木賊科、莎草科、楊柳科、樺木科，認為在2種元素伴生的條件下，篩選和培育超富集、耐鉛鋅植物可以首先從這些植物科屬入手，尋找能同時抵抗2種甚至多種重金屬的植物，接著可再將篩選和培育范圍擴大。彼德等（2006）從植物生態學、遺傳學、植物分類學的角度出發，分析礦區植物對重金屬的耐性和吸收性，認為礦區植物在礦山及污染環境修復中有著重要的功能和作用。因此，礦區植物的開發和應用成為了礦區生態環境恢復的重要資源，礦區發現的重金屬超積累植物也是重金屬農田土壤植物修復的重要資源，因此對礦區特殊植物的保護和深入研究，對于環境恢復具有重要意義（彼德等，2006；孫健等，2006；毛海立等，2011；胡學玉等，2008）。

1 試驗設計方法

1.1 礦區概況

湖南省桂陽縣位于湖南省南部，與永州、衡陽、郴州的3個縣接壤，桂陽縣屬亞熱帶濕潤季風氣候，年平均氣溫17.2 ℃，平均降雨量1385.2 mm。截至2012年，桂陽縣境內已查明的礦種有60余種，其中有色金屬礦有鉛、鋅、銅、錫、鉬、鉍、銻、鎢、鎂等，黑色金屬有鐵、錳等，貴金屬有金、銀。2013年桂陽縣鐵礦石產量92.5萬t，鉛精礦5.3萬t，鋅精礦4萬t，該研究區域位于桂陽縣黃沙坪、寶山、雷坪、五里山礦區，調查主要集中在露頭礦、尾砂庫、礦區排水溝、礦口區。

1.2 研究方法

1.2.1 土壤和植物樣品的采集

2008年7月，在桂陽縣礦區調查過程中發現4個孤立的植物種群區，種群組成明顯不同于區外的植被。在孤立種群區及其附近選擇植被生長旺盛、長勢較好的植物種群，共采集到植物樣品112個，相應土壤樣本112個，將采集的植物樣品裝入塑料袋密封保存，土壤樣品放入布土袋保存。

1.2.1 土壤和植物樣品的處理與測定

將植物樣品帶回實驗室后，首先用自來水沖洗以去除粘附于植物樣品上的泥土和污物，然后用純水沖洗，瀝去水分后分為地上部、根 2部分，于105 ℃殺青之后，在 70 ℃下烘干至恒質量，將植物樣品粉碎備用；土壤樣品自然風干，揀出磚頭、石塊、雜草等，然后在塑料膜上用土棒搟碎過 0.1 mm篩保存在塑料樣品袋中。

植物樣品采用 HNO3消化（8 mL），土壤樣品采樣HNO3-HF消化(8+1 mL)，消化結束趕酸后用2%HNO3定容于50 mL的容量瓶中，然后在原子吸收分光光度計上測定重金屬含量。

儀器和試劑：原子吸收分光光度計（島津5300），微波消解儀：Perkin Elmer Multiwave 3000，所用試劑均為分析純。

2 結果分析

2.1 鉛富集植物篩選

圖1 鉛鋅礦區112個采樣點土壤和植物根的鉛質量分數Fig.1 Pb concention in root and soil of the 112 samples at lead-zinc mine area

在112個樣品中除6個樣品鉛未檢出外，其他106個樣品土壤鉛質量分數均大于80 mg·kg-1，土壤平均鉛質量分數為2177.22 mg·kg-1，礦區植物根和地上部鉛質量分數平均值分別為 264.00、165.56 mg·kg-1。

由圖1可知，礦區土壤和植物根的鉛含量情況，隨著采樣點土壤中鉛含量的增加，植物根中的鉛含量呈增加趨勢，其直線相關關系式為y=0.0785x+88.166，r=0.4771**。說明礦區植物長期生長在高鉛土壤環境中，植物對鉛有較好的耐受力和吸收力。

在112個植物樣品中有4個植物樣品根的鉛富集系數大于1，但這4個植物樣品植株矮小，生物量低，因此不具備作為修復植物的條件。有 53個植物樣品的鉛轉運系數大于1，其中有11個植物樣品的鉛轉運系數大于3，但這11個植物樣品莖葉鉛質量分數均小于 400 mg·kg-1，且地上部生物量較小。經過對樣品鉛含量、轉運系數、富集系數、植株形態學指標的對比，將莖葉鉛質量分數大于 450 mg·kg-1、轉運系數大于1、地上部形態較大的植物樣品作為鉛修復植物，分別是糯米團（Hyrtanandra）、水蓼（Polygonum hydropiper）、酸模（RumexacetosaLinn）、毛葉堇菜（Viola verecumda A.Gray）、地榆（Garden BurnetRoot），這5種植物的鑒定結果見表 1。糯米團是蕁麻科多年生草本植物，莖蔓生，長50～160 cm，在西藏東南部、華南、云南、陜西南部、河南南部都有分布，主要生長在丘陵或低山、水邊以及潮濕的地方。水蓼是蓼科一年生草本，株高20～80 cm，在我國大部分地區都有分布。酸模是蓼科多年生草本，株高15～80 cm，在我國分布地區十分廣泛。毛葉堇菜是堇菜科多年生草本，株高5～20 cm，主要分布在溫帶、亞熱帶地區以及熱帶的高海拔地區。地榆是薔薇科多年生草本，株高30～120 cm，在我國各地均有分布。

由表1可知，水蓼的地上部鉛質量分數最高為1036.57 mg·kg-1，達到鉛超富集植物標準，酸模的轉運系數最高為2.57，莖葉出現了鉛的富集。而且所選植物品種中除水蓼外，其他植物均為多年生草本，一次種植可多次收獲，其中糯米團地上部生物量較大，在礦區的生物群落較大，可進一步研究其在不同鉛含量土壤上的生長情況及鉛富集能力。

表1 鉛富集植物Table 1 Pb enrichment plants

2.2 鋅富集植物篩選

鉛鋅礦區112個樣品中鋅檢出樣品有106個，土壤平均鋅質量分數為3165.89 mg·kg-1，植物樣品根系鋅平均質量分數為666.11 mg·kg-1，地上部鋅平均質量分數為363.87 mg·kg-1。圖2為礦區土壤和植物根的鋅含量情況，采樣點植物根系的鋅含量和土壤鋅含量呈顯著正相關關系，其方程為y=0.1299x+240.97，r=0.4716**。

圖2 鉛鋅礦區112個采樣點土壤和植物根的鋅含量Fig.2 Zinc concention in root and soil of the 112 samples at lead-zinc mine area

112個植物樣品中有38個植物樣品的鋅轉運系數大于1，其中鋅轉運系數大于2的植物樣品有9個。莖葉鋅質量分數大于750 mg·kg-1的植物樣品有8個，其中鋅轉運系數大于1的植物樣品有3個。以轉運系數大于1、植物莖葉鋅質量分數大于750 mg·kg-1、生物學形態較為高大作為鋅富集植物的初選依據，表2為初選出的具有鋅富集潛力的植物樣品，這3種植物分別是：鬼針草(Bidens pilosaL.)、博落回(Macleaya cordata(Willd.) R. Brown)和糯米團。鬼針草為菊科一年生草本，株高30～100 cm，在我國各地均有分布，用種子繁殖。博落回是罌粟科多年生草本，株高最高可達 200 cm，廣泛分布于長江流域。糯米團同 2.1鉛富集植物。

所選 3種植物樣品莖葉鋅質量分數最高的是鬼針草，莖葉鋅質量分數1043.04 mg·kg-1，博落回在土壤鋅質量分數 11122.36 mg·kg-1的土壤上仍能有較高的生物量，可見其對當地土壤環境的適應能力及耐受性。雖然 3種植物的鋅含量均未達到鋅超富集植物標準，但這 3種植物的地上部形態高大、生物量較高，轉運系數大于1，且野外調查發現其對鋅污染土壤有較好的耐受性，可作為鋅污染土壤修復的備選植物。

表2 鋅富集植物Table 2 Zinc enrichment plants

2.3 鉛鋅復合富集植物篩選

由表1和表2可知，對鉛和鋅同時具有較好富集效應和轉運能力的植物為糯米團，糯米團的鉛鋅轉運系數均大于1，在礦區土壤鉛鋅復合污染條件下：土壤鉛質量分數為2267.47 mg·kg-1、鋅質量分數為6596.24 mg·kg-1，莖葉中的鉛質量分數達到 635.48 mg·kg-1，鋅質量分數達到 919.51 mg·kg-1。并且野外調查發現，糯米團在礦區生物量較大且廣泛分布，是多年生草本，有時莖基部變木質，基部粗1～2.5 cm，莖蔓長50～160 cm，說明糯米團對鉛鋅污染有較高的耐受性，因此可作為鉛鋅復合污染土壤修復的備選植物。

3 小結與討論

3.1 討論

礦區由于特殊的地質和土壤條件，礦區植物對重金屬的耐性和富集能力均較未污染區域的植物品種高（王學禮等，2010；邱媛等，2013；劉益貴等，2008）。近年來環境科學家利用礦區特殊的土壤環境，通過在礦區大量采樣和室內分析的方法，發現了部分富集和超富集植物（李有志等，2012；胡學玉等，2008；彼德等，2006；毛海立等，2011）。劉威等（2003）通過野外調查和溫室實驗，在桂陽縣寶山礦區發現一種鎘超富集植物，并命名為寶山堇菜（Viola baoshannsis）。關于水蓼（王華等，2007；Liu等，2010）、酸模（Zhuang，2007）、鬼針草（王紅旗等，2007）的重金屬富集能力均有報道，但關于糯米團、博落回和地榆對重金屬的富集效應研究還未見報道。聶發輝（2005）提出了關于超富集植物生物富集量系數和轉運量系數的概念，在其提出的評價系數中，除考慮植物根系和地上部的重金屬元素含量外，還綜合考慮植物對土壤污染元素的移除總量狀況。但目前關于該系數的研究和應用較少，還缺乏相關指標作為參考依據。本研究在篩選鉛和鋅超富集植物時參照聶發輝的研究，以植株外形和各部位鉛鋅含量作為參考標準，氮尚缺乏可以量化的生物量標準、外形指標標準等。

3.2 結論

通過在湖南省桂陽縣礦區的樣品采集和室內分析研究，采集植物和土壤樣品112個，分別測定了樣品鉛和鋅的含量。結果表明：由于常年采礦與洗礦，露頭礦、尾砂庫、礦區排水溝、礦口區土壤鉛和鋅污染十分嚴重，礦區鉛和鋅的平均質量分數分別為 2177.22、3165.89 mg·kg-1。植物樣品根系和地上部的平均鉛質量分數分別為 264.00、165.56 mg·kg-1，根系和地上部平均鋅質量分數為666.11、363.87 mg·kg-1。由于長期生長在鉛、鋅污染的環境中，植物根系的鉛、鋅含量與土壤的鉛、鋅含量呈顯著正相關。以植物地上部鉛含量、轉運系數、植物地上部形態為篩選依據，篩選出5種鉛富集植物分別是：糯米團、水蓼、酸模、毛葉堇菜、地榆，篩選出的3種鋅富集植物分別是：鬼針草、博落回、糯米團。糯米團在土壤鉛質量分數為 2267.47 mg·kg-1、鋅質量分數為 6596.24 mg·kg-1的條件下，莖葉中的鉛質量分數達到635.48 mg·kg-1，鋅質量分數達到919.51 mg·kg-1，可作為鉛、鋅復合土壤污染修復的備選植物品種。

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