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三種牧草對(duì)煤礦廢棄地土壤重金屬的修復(fù)效應(yīng)

2014-08-08 10:34:56湯潔李華娟張楠李昭陽(yáng)
湖北農(nóng)業(yè)科學(xué) 2014年9期

湯潔+李華娟+張楠+李昭陽(yáng)

摘要:應(yīng)用原子吸收法對(duì)九臺(tái)營(yíng)城煤礦廢棄地修復(fù)前后土壤中五種重金屬元素(Cu、Ni、Pb、Cd、Zn)含量進(jìn)行了測(cè)定,并利用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法評(píng)價(jià)其重金屬污染強(qiáng)度,比較了三種牧草(黃花草木樨,Melilotus suaveolens;紫花苜蓿,Medicago sativa;白花三葉草,Trifolium repens)的適應(yīng)能力、修復(fù)效應(yīng)及富集特征。結(jié)果表明,引進(jìn)品種黃花草木樨“斯列金1號(hào)”修復(fù)效應(yīng)較好,適應(yīng)能力較強(qiáng),種植兩年后土壤由重度污染降為輕度污染,污染嚴(yán)重的鎘(Cd)降為中度污染,生物量增長(zhǎng)較大,其次是紫花苜蓿,白花三葉草不能生長(zhǎng);黃花草木樨、紫花苜蓿對(duì)5種重金屬的富集轉(zhuǎn)移規(guī)律不盡相同,且隨著種植時(shí)間的變化而變化,其中黃花草木樨的富集能力及轉(zhuǎn)移能力均大于紫花苜蓿,并隨著種植時(shí)間的延長(zhǎng)而增強(qiáng),對(duì)五種重金屬元素中鎘(Cd)、銅(Cu)的富集能力和轉(zhuǎn)移能力較強(qiáng);紫花苜蓿的富集能力和轉(zhuǎn)移能力隨著種植時(shí)間的延長(zhǎng)而降低,其對(duì)Cd的富集能力較強(qiáng),種植第一年對(duì)Pb轉(zhuǎn)移能力強(qiáng),種植第二年對(duì)Cu的轉(zhuǎn)移能力較強(qiáng)。

關(guān)鍵詞:牧草;煤礦廢棄地;重金屬;植物修復(fù)效應(yīng)

中圖分類號(hào):X53文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):0439-8114(2014)09-2025-04

Effects of Three Kinds of Leguminous Plants on Remedying Heavy Metals of SoilAbandoned Coal Mine

TANG Jie1,LI Hua-juan1,2,ZHANG Nan1,LI Zhao-yang1

(1.College of Environment and Resources, Jilin University, Changchun 130012, China;

2.College of Forestry, Beihua University, Jilin 130032, Jilin, China)

Abstract:Atomic absorption spectrometry was used to determine the concentration of five heavy metals (Cu, Ni, Pb, Cd, Zn) in Yingcheng coal mine restoration in Jiutai City. Nemerow pollution index method was selected to evaluate the heavy metal pollution intensity. The repair effects and accumulation characteristics of three forage (ME-Melilotus suaveolens; MS-Medicago sativa;TR-Trifolium repens) were compared. The results showed that repair effects of MS was the best transforming the heavily polluted soil pollution to light by planting two years. The transfer rule of heavy metal enrichment was different between ME and MS changed through planting period. The total average enrichment capabilities and metastasis of ME were higher than that of MS. The enrichment ability of MS was high in Cd, whose ability of transforming was higher in Pb and Cu in two planting periods.

Key words: forage; abandoned coal mine; heavy metals; repair effects of plants

我國(guó)煤炭資源較為豐富,近年來,煤炭資源的開發(fā)與利用緩解了能源短缺的局面,促進(jìn)了國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,但也引起了一系列生態(tài)環(huán)境問題[1-4],嚴(yán)重危害到區(qū)域內(nèi)的人畜安全,阻礙區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展。因此,對(duì)礦區(qū)廢棄物及區(qū)域生態(tài)環(huán)境的治理與恢復(fù)已成為一項(xiàng)刻不容緩的任務(wù)。自從Channy提出利用超富集植物清除重金屬污染的思想以來,重金屬污染土壤的植物修復(fù)研究已成為環(huán)境科學(xué)的熱點(diǎn)和前沿領(lǐng)域[5-9],植物修復(fù)被認(rèn)為是一種較為理想的治理廢棄地的途徑,重金屬超富集植物的篩選更是倍受國(guó)內(nèi)外科技工作者的廣泛關(guān)注,有關(guān)植物對(duì)土壤重金屬元素吸收富集特征的研究在不斷增多,但多數(shù)研究集中在金屬礦區(qū),對(duì)煤礦區(qū)研究較少[10-18]。選擇黃花草木樨(Melilotus suaveolens)“斯列金1號(hào)”、紫花苜蓿(Medicago sativa)、白花三葉草(Trifolium repens) 三種豆科牧草對(duì)吉林省九臺(tái)營(yíng)城煤礦廢棄地進(jìn)行了小區(qū)修復(fù)試驗(yàn)研究,以期豐富植物修復(fù)的種質(zhì)資源,為吉林省煤礦廢棄地的整治與功能恢復(fù)提供技術(shù)支持。

1材料與方法

1.1材料

1.1.1研究區(qū)域概況吉林省九臺(tái)營(yíng)城煤礦位于松遼盆地內(nèi),地理坐標(biāo)為東經(jīng)125°45′,北緯44°09′。該區(qū)屬于北溫寒帶大陸季風(fēng)性氣候,四季分明,年平均氣溫4.7 ℃,最低氣溫-33.6 ℃,最高氣溫35.6 ℃,最大積雪深度24 cm。雨季集中在7、8、9三個(gè)月,年平均降雨量589 mm,蒸發(fā)量為降雨量的2.4倍,屬于濕度不足區(qū)。

1.1.2供試土壤及草種供試土壤為吉林省九臺(tái)營(yíng)城煤礦廢棄地土壤,供試草種紫花苜蓿、白花三葉草由吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供,黃花草木樨“斯列金1號(hào)”從俄羅斯西伯利亞地區(qū)引進(jìn)。

1.2方法

1.2.1小區(qū)試驗(yàn)小區(qū)試驗(yàn)地選在無人為干擾、無重金屬污染且與示范區(qū)氣候相近的吉林大學(xué)試驗(yàn)地,試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),試驗(yàn)面積30 m2,野外采集煤礦區(qū)0~50 cm深土壤,運(yùn)到試驗(yàn)地上,進(jìn)行種植試驗(yàn),同時(shí)設(shè)置對(duì)照組,并以生長(zhǎng)期為起點(diǎn),對(duì)土壤重金屬元素(Cu、Zn、Ni、Cd、Pb)含量變化及植物生長(zhǎng)變化進(jìn)行觀測(cè),觀測(cè)周期為2年。

1.2.2樣品分析取試驗(yàn)區(qū)10~30 cm深土壤,風(fēng)干,磨碎,過100目篩,用混合酸消化,Cu、Zn、Ni、Cd采用原子吸收-火焰法進(jìn)行測(cè)定;Pb采用原子吸收-石墨爐法進(jìn)行測(cè)定。

1.2.3修復(fù)效應(yīng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與方法本研究采用的土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB15618-1995)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn),評(píng)價(jià)方法是目前國(guó)內(nèi)外普遍采用的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法,計(jì)算公式為:

內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)

PN={[(Pave2)+(Pmax2]/2}1/2 (1)

式中Pave和Pmax分別是平均單項(xiàng)污染指數(shù)和最大單項(xiàng)污染指數(shù)。

內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)反映了各污染物對(duì)土壤的作用,同時(shí)突出了高濃度污染物對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量的影響,根據(jù)內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),劃定污染等級(jí)見表1。

2結(jié)果與分析

2.1三種豆科植物對(duì)煤礦廢棄地適應(yīng)性分析

三種植物種植后,結(jié)合植物樣品采集,分別對(duì)三種植物的株高、根長(zhǎng)及生物量進(jìn)行觀測(cè),確定三種植物對(duì)煤礦廢棄地土壤的適應(yīng)能力,植物觀測(cè)指標(biāo)測(cè)定結(jié)果見表2。

由表2可知,三種植物中,黃花草木樨、紫花苜蓿生長(zhǎng)良好,其株高、根長(zhǎng)、生物量隨時(shí)間而增長(zhǎng),種植第二年與種植第一年相比,黃花草木樨的株高增長(zhǎng)了35.34%,根長(zhǎng)增長(zhǎng)63.11%,生物量增長(zhǎng)59.56%;紫花苜蓿株高增長(zhǎng)13.45%,根長(zhǎng)增長(zhǎng)20.09%,生物量增長(zhǎng)30.82%;白花三葉草未見出苗,由此可見,黃花草木樨更適應(yīng)煤礦廢棄地土壤環(huán)境。

2.2三種豆科植物對(duì)煤礦廢棄地重金屬富集特征

植物對(duì)土壤中的元素吸收轉(zhuǎn)移能力可以用富集系數(shù)(BAC)和轉(zhuǎn)移系數(shù)(BTC)來評(píng)價(jià),富集系數(shù)越大,植物的富集能力越強(qiáng),而轉(zhuǎn)移系數(shù)越大,說明植物從根部向地上部分運(yùn)輸重金屬的能力越強(qiáng)。計(jì)算公式如下:

富集系數(shù)(BAC)=植物體內(nèi)污染物濃度/土壤內(nèi)同種污染物濃度

轉(zhuǎn)移系數(shù)(BTC)=地上部分重金屬含量/根部該重金屬含量

由于白花三葉草未出苗,只對(duì)黃花草木樨、紫花苜蓿的富集特征進(jìn)行研究。

2.2.1黃花草木樨、紫花苜蓿的富集特征及年際變化特征按照富集系數(shù)的計(jì)算公式計(jì)算黃花草木樨、紫花苜蓿種植1年、2年的富集系數(shù)(BAC)如表3所示,黃花草木樨和紫花苜蓿對(duì)5種重金屬元素的平均富集系數(shù)隨著種植時(shí)間不同而不同,種植第一年時(shí)分別為1.61、1.34,種植第二年時(shí)分別為1.94、1.33,兩年內(nèi)黃花草木樨的富集系數(shù)均大于紫花苜蓿,并隨著種植時(shí)間的延長(zhǎng)而增大,而紫花苜蓿的富集系數(shù)隨著種植時(shí)間的延長(zhǎng)而降低。

黃花草木樨、紫花苜蓿對(duì)5種重金屬元素的富集規(guī)律也不盡相同。黃花草木樨種植1年對(duì)5種重金屬元素的富集能力從高到低的次序?yàn)椋茫洹ⅲ茫酢ⅲ危椤ⅲ校狻ⅲ冢睿N植兩年其富集能力從高到低的次序?yàn)椋茫洹ⅲ茫酢ⅲ危椤ⅲ冢睢ⅲ校猓蛔匣ㄜ俎7N植1年對(duì)5種重金屬元素的富集能力從高到低的次序?yàn)椋茫洹ⅲ冢睢ⅲ茫酢ⅲ危椤ⅲ校猓N植兩年對(duì)5種重金屬元素的富集能力從高到低的次序?yàn)椋茫洹ⅲ茫酢ⅲ危椤ⅲ冢睢ⅲ校猓粌煞N植物均對(duì)鎘富集能力最強(qiáng),對(duì)鎘的富集系數(shù)黃花草木樨在種植第一年、第二年分別為2.41、2.40,紫花苜蓿分別為1.79、1.69,黃花草木樨富集系數(shù)大于紫花苜蓿,富集能力較強(qiáng)。

2.2.2黃花草木樨、紫花苜蓿轉(zhuǎn)移能力及年際變化特征黃花草木樨、紫花苜蓿的轉(zhuǎn)移系數(shù)(BTC)如表4所示,兩種植物對(duì)重金屬元素的平均轉(zhuǎn)移系數(shù)兩年均大于1,轉(zhuǎn)移能力較強(qiáng),黃花草木樨的平均轉(zhuǎn)移系數(shù)種植第一年為5.72,種植第二年為6.11,隨著種植時(shí)間的延長(zhǎng)而增大,紫花苜蓿的平均轉(zhuǎn)移系數(shù)第一年為4.11,第二年為3.90,隨著種植時(shí)間的延長(zhǎng)而降低,種植時(shí)間內(nèi)黃花草木樨的平均轉(zhuǎn)移系數(shù)均大于紫花苜蓿,轉(zhuǎn)移能力較強(qiáng),兩種植物對(duì)5種重金屬的轉(zhuǎn)移規(guī)律不同,黃花草木樨種植一年對(duì)5種重金屬的轉(zhuǎn)移能力從高到低的次序?yàn)椋茫酢ⅲ茫洹ⅲ校狻ⅲ危椤ⅲ冢睿诙隇椋茫酢ⅲ茫洹ⅲ冢睢ⅲ危椤ⅲ校猓蛔匣ㄜ俎7N植第一年對(duì)5種重金屬的轉(zhuǎn)移能力從高到低的次序?yàn)椋校狻ⅲ茫酢ⅲ冢睢ⅲ茫洹ⅲ危椋诙隇椋茫酢ⅲ茫洹ⅲ冢睢ⅲ危椤ⅲ校狻?/p>

綜上所述,由于研究區(qū)土壤重金屬Cd為重度污染,而黃花草木樨對(duì)重金屬Cd的富集能力及轉(zhuǎn)移能力均強(qiáng)于紫花苜蓿,認(rèn)為黃花草木樨為研究區(qū)理想的修復(fù)植物。

2.3三種豆科植物對(duì)煤礦廢棄地土壤重金屬污染的修復(fù)效應(yīng)

2.3.1修復(fù)前土壤重金屬污染評(píng)價(jià)選擇重金屬鋅(Zn)、鉛(Pb)、銅(Cu)、鎘(Cd)、鎳(Ni)作為研究區(qū)重金屬污染評(píng)價(jià)指標(biāo),其含量測(cè)定結(jié)果見表5。

將表5中數(shù)據(jù)計(jì)算土壤的重金屬污染指數(shù),評(píng)價(jià)土壤重金屬污染,計(jì)算結(jié)果見表6。由表6可知,Cu、Zn、Pb的含量均未超標(biāo), 單項(xiàng)污染指數(shù)分別為0.465 0、0.595 5、0.097 6,污染等級(jí)為安全;而Ni和Cd則嚴(yán)重超標(biāo),其單項(xiàng)污染指數(shù)分別為1.080 9、17.415 0,污染水平分別為輕度污染和重度污染。

從內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)來看,污染指數(shù)為17.853 1,說明該煤礦廢棄地污染等級(jí)屬于重度污染,主要是Cd的嚴(yán)重超標(biāo)所致。

2.3.2修復(fù)后土壤重金屬污染評(píng)價(jià)利用公式(1)的方法評(píng)價(jià)修復(fù)后土壤重金屬污染,由于白花三葉草未出苗,因此只對(duì)種植黃花草木樨、紫花苜蓿的土壤進(jìn)行重金屬污染評(píng)價(jià),單項(xiàng)污染指數(shù)及內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)計(jì)算結(jié)果見表7,并與修復(fù)前內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)比較,比較兩種植物的修復(fù)效應(yīng)。由表7可知,兩種豆科植物修復(fù)土壤重金屬污染效應(yīng)明顯,土壤重金屬污染程度明顯降低,種植黃花草木樨后土壤重金屬污染程度降至輕度污染,內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)降低15.919 0,種植紫花苜蓿后污染程度雖為重度污染,但內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)呈下降趨勢(shì),降低13.995 8,修復(fù)效應(yīng)黃花草木樨大于紫花苜蓿。

3結(jié)論與討論

1)三種植物對(duì)煤礦廢棄地土壤的適應(yīng)能力不同,其中黃花草木樨適應(yīng)性最強(qiáng),根長(zhǎng)、生物量、株高的增長(zhǎng)率最大;其次是紫花苜蓿;白花三葉草最差,未出苗。

2)三種植物的富集特征不同,黃花草木樨對(duì)5種重金屬的平均富集系數(shù)及轉(zhuǎn)移系數(shù)均大于紫花苜蓿,并隨著種植時(shí)間的延長(zhǎng)而增大,其對(duì)鎘、銅的富集能力和轉(zhuǎn)移能力較強(qiáng);紫花苜蓿的富集能力和轉(zhuǎn)移能力隨著種植時(shí)間的延長(zhǎng)而降低,其對(duì)鎘的富集能力較強(qiáng),種植第一年對(duì)鉛的轉(zhuǎn)移能力較強(qiáng),種植第二年對(duì)銅的轉(zhuǎn)移能力較強(qiáng)。

3)三種植物修復(fù)效應(yīng)不同,種植后,研究區(qū)土壤的重金屬污染程度明顯降低,其中以種植黃花草木樨“斯列金1號(hào)”對(duì)土壤的修復(fù)效果最好,土壤污染程度由修復(fù)前的重度污染降為修復(fù)后的輕度污染;其次為紫花苜蓿,修復(fù)后雖仍為重度污染,但污染指數(shù)大幅降低;白花三葉草未出苗,沒有修復(fù)效果。

綜上所述,三種植物中以引進(jìn)草種——黃花草木樨“斯列金1號(hào)”的修復(fù)效應(yīng)最好,富集能力最強(qiáng),可以視為研究區(qū)理想的修復(fù)植物,但其是否為超富集植物還需進(jìn)一步驗(yàn)證。

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