稀土尾礦區土壤重金屬污染與優勢植物累積特征

劉勝洪，張雅君，楊妙賢，劉文，梁紅

仲愷農業工程學院生命科學學院；廣東 廣州510220

稀土資源的開發和冶煉過程中，由于管理混亂、非法開采、工藝落后、采礦回收率低、資源浪費等原因，造成礦區周邊環境污染日益嚴重。生物修復是近年來國際上興起的一項具有廣闊應用前景的治理污染土壤的全新技術，是指在一定條件下利用植物、動物和微生物吸收、降解、轉化土壤和水體中的污染物，使環境中的污染物濃度降低到可接受的水平（王慶仁等，2001）。因生物修復具有高效低耗、方便簡潔、保持水土和美化環境等諸多優點，已經引起土壤學家、植物學家和環境科學家的廣泛關注。

礦業廢棄地尤其是尾礦對于植物定居而言，是一種極端的生境，植物在廢棄地上的自然定居過程極其緩慢，要達到良好的植被往往需要幾十年、甚至數百年的時間，其演替過程也是基質的緩慢改良和耐性物種的逐漸形成過程。礦區廢棄地重金屬污染一般較重，但在不同的生物體或生物群落對有毒元素作用的能力和特征不一致（Liu等, 2012；Victor等，2011；Kovács等, 2006；Liu 等, 2006），目前發現的耐重金屬污染的植物種類較少，因而篩選新的耐重金屬污染或超富集重金屬的植物物種，具有很高的理論意義和應用價值，可以指導廢棄地植被重建中的基質改良、物種選擇和群落配置等。本文對廣東省河源市和平縣下車鎮內的稀土礦區土壤的重金屬污染情況進行調查，并對該區優勢植物對重金屬的富集特征進行分析，以期對稀土尾礦區的生態系統的恢復和重建提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本研究的稀土礦區地處廣東省河源市和平縣下車鎮，位于東經 114°41′～115°16′，北緯 24°05′～24°42′之間，屬中亞熱帶季風氣候區。氣候溫和，光照充足，四季分明，無霜期長。年均溫度17.9 ℃～20.2 ℃，年均雨量 1536～1845.3 mm，大多數年份日照在1704.7 h以上，無霜期267～301 d。本區水熱條件優越，有利于植物生長，為植物修復污染土壤提供了良好的氣候條件。

1.2 樣品采集

本研究在廣東省河源市和平縣稀土礦區作為土壤采樣和植被調查的區域。記錄了其自然定居于礦區的植物并采集了主要優勢植物。采集深度為0～20 cm的4個土樣混合為1個樣，即為1個土壤混合樣品；本實驗隨機采集3個土壤混合樣品。對研究區內有代表性、生長旺盛、數量較多的優勢植物，每種采集4株。采集主要優勢植物3種，分別是：馬唐草（Digitaria sanguinalis），香根草（Vetiveria zizanioides），望江南（Cassia occidentalis）。

1.3 樣品處理與分析

植物樣品分為根和地上部(莖、葉，花、果實和種子)，用自來水充分沖洗以去除黏附在植物樣品上的泥土和污物，地上部分再用去離子水沖洗2～3遍，晾干，105 ℃殺青30 min，70 ℃烘至恒質量，粉碎，過80目尼龍篩，過篩后的植物樣品采用HNO3-HClO4法消化，土壤樣品以王水-高氯酸法消化，用原子吸收分光光度法測定樣品中重金屬含量。

2 結果與分析

2.1 稀土礦區土壤重金屬特點

土壤中重金屬平均含量，見表 1。礦區土壤中Mn、Pb和Zn 3種重金屬元素平均量均遠遠超過了廣東省和中國土壤背景值(柴世偉等，2004；陳海珍等，2010；王英輝等，2007)，Pb的含量遠超過土壤環境質量二級標準，而且已經超過了污染警戒值（三級），Zn的含量也接近了二級污染警戒值。

2.2 礦區優勢植物中重金屬含量

2.2.1 礦區優勢植物對重金屬元素的吸收

由表1可知，本實驗取樣區域土壤重金屬元素Mn、Pb和Zn含量相對偏高，故本文僅就優勢植物對這3種重金屬元素的富集特征進行研究，選取該礦區3種主要優勢植物進行分析，結果見表2。

由表2可以看出，3種植物對土壤中重金屬錳、鉛、鋅的累積部位和累積規律。馬唐草和望江南都能很好的吸收土壤中的重金屬錳，而且把它輸送貯存到葉子中，對于鋅也有一定的吸收和固定作用，望江南的根中可以檢測到高濃度的鉛。以上結果顯示，香根草對于土壤中重金屬錳、鉛、鋅的累積并無明顯優勢。

表1 采樣點土壤重金屬質量分數Table 1 Heavy metal concentrations of soil samples from contaminated sites

表2 礦區優勢植物重金屬含量Table 2 Heavy metal content of main dominant plants in rare earth mine area

2.2.2 礦區優勢植物重金屬的富集與運輸特征

生物富集系數 BAC(Biological Accumulating Coefficient)是指植物體內某種重金屬元素含量與土壤中同種重金屬含量的比值，它反映了植物對土壤重金屬元素的富集能力，富集系數越大，富集能力就越強。生物轉移系數 BTC(Biological Transfer Coefficient)等于植物地上部分重金屬的量除以植物根中該重金屬的量，它反映植物吸收重金屬后，從根部向莖、葉轉移的能力（庫文珍等，2012）。

若植物對某金屬元素的生物富集系數和生物轉移系數均大于1，說明植物對該金屬元素具有超富集的潛力，在重金屬超富集植物的篩選中更有意義。

如表3所示，3種草本植物對于Pb的BAC和BTC均小于1，說明這3種植物對Pb的富集和運輸能力都很弱。香根草對于Mn和Zn的BAC分別為0.9和0.4，小于1，BTC分別為3.7和1.1，大于1，說明香根草對Mn和Zn的富集能力不強，但吸收后的運輸能力很強。馬唐草對于 Mn的 BAC和BTC分別為1.2和4.9，對于Zn的BAC和BTC分別為1.2和1.7。望江南對于Mn的BAC和BTC分別為4.3和4.3，對于Zn的BAC和BTC分別為1.6和1.6。馬唐草和望江南2種植物對于Mn和Zn的BAC和BTC均大于1，是Mn和Zn的超富集植物，具有很好的耐Mn和Zn污染能力，其根系對重金屬的滯留率低（夏漢平和束文圣，2001）。

表3 3種植物的根系富集系數和轉移系數Table 3 BAC and BTC of Pb, Mn and Zn in three plants

2.3 3種植物的生長情況

土壤的物理結構、酸堿度、重金屬等都會極大地影響植物在尾礦上的定居，楊兵等（2005）認為重金屬毒性和極度貧瘠是尾礦上植物生長的主要限制因子。

如圖1所示，3種植物均可在研究區域正常生長。馬唐的莖節著地生根，覆蓋率最高，生活力強，其種子邊成熟邊脫落，能產生大量種子繁衍后代。香根草也表現出極強的生態適應性，生長迅速，根系發達，是人們熟知的水土保持和斜坡固定植物。望江南為半灌木，分枝少，生長速度相對緩慢，易受蟲害，在脅迫環境下不具備生長優勢。

3 討論

植物修復技術以其成本低、不破壞土壤結構和不造成二次污染等優點而成為備受人們推崇的治理土壤污染的生態技術。基質改良和耐性植物選擇是礦業廢棄地生態修復的關鍵（Ye等, 1999；Haque等, 2008），國內外對此進行了大量的研究，如王紅旗等在土壤中加入EDTA等螯合劑，從而增加植物對重金屬的富集作用（Wang 等，2007；Wu 等，2004），重金屬的存在形態是土壤中重金屬活動性的重要參數，研究其對了解重金屬的生態環境效應有重要意義。Byung-Taek Oh等（2013）以蘇云金芽孢桿菌GDB-1作為根際細菌A，間接促進植物修復以消除污染物。微生物的代謝產物可生物降解，毒性較小，而且有可能產生在根際土壤中就地使用的有益微生物，這一點是化學修飾無法做到的（Navarro-Noya等，2012；Rajkumar等，2012）。在重金屬脅迫條件下，接種有益微生物能夠增強植物對營養元素和水分的吸收，增強葉片的光合作用，促進植物生長，提高植株生物量（Ali等，2013），經過微生物的介導，包括易位，改造，螯合，固定化，增溶等，最終完成對重金屬的生物修復（羅巧玉等，2013；Garrido等，2012）。從實質上來說，廢棄地植被重建就是復制其自然演替，并加快其自然演替過程，增加土壤有機質以改變土壤物理、化學及生物特性，接種土壤微生物，引種先鋒植物、超富集植物都是很好的思路。退化生態系統的恢復和重建問題，具有十分強烈的應用背景，也是一項十分復雜的系統工程。

4 結論

有害金屬在植物體內的積累主要分為三步：有害金屬的吸收、轉移和生理耐受機制。本研究表明，馬唐草和望江南兩種植物對稀土尾礦區的重金屬Mn和 Zn具有較強的吸收和轉移能力，是 Mn和Zn的超富集植物，對于其生理耐受機制還有待進一步研究，后續還要進一步利用雜草多樣性消除或減少本研究區域重金屬Pb的污染。

馬唐草覆蓋率高，抗病蟲能力強，可作為該礦區生態恢復的先鋒植物，望江南可以間作種植。先鋒植物在礦區復墾初期應用，能夠迅速提高植物的覆蓋率，保持水土，還能富集一定量的重金屬。本研究利用雜草及雜草多樣性減少或消除土壤污染的方法與途徑，為土壤重金屬的生物修復提供新思路。

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