貴州廢棄鉛鋅礦區優勢植物中鉛、鋅、鉻含量及富集特征

吳迪 鄧琴 耿丹 秦樊鑫 李存雄 楊珍 賈亞琪

摘要：以貴州廢棄DW鉛鋅礦區27種優勢植物為研究對象，利用原子吸收、原子熒光測定植物體內Zn、Cr、Pb的含量，研究了礦區植物中的Zn、Cr、Pb的含量積累特征及植物對它們富集能力。結果表明，大多數植物中的重金屬積累量由大到小的順序為Zn、Pb、Cr，但富集系數由大到小的順序為Cr、Zn、Pb。受礦區環境及Zn適應的影響，植物對Zn富集系數較小，Zn在百合科萱草中的積累量為1 650.27 mg/kg；地筍對Cr的富集系數為0.591，可作土壤重金屬Cr污染修復植物；所研究的植物均不適合作重金屬Pb的土壤環境修復植物。

關鍵詞：鉛鋅礦區；優勢植物；重金屬；富集

中圖分類號：X173 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）10-2363-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.10.014

隨著礦業開發的發展，礦石冶煉、尾礦、礦渣堆放、填埋等使重金屬向周邊土壤滲透，導致土壤重金屬污染，嚴重破壞了生態環境的平衡[1，2]。土壤是重金屬生物地球化學營養鏈的重要媒介，隨著人類活動的影響，重金屬對土壤環境以及植物的污染進一步加劇，重金屬Cr、Pb、Zn等可以通過植物吸收，經食物鏈進入人體和動物體內，造成對動物和人體直接或潛在危害。同時，利用植物對重金屬的吸收，采用植物修復土壤重金屬復合污染是很多從事環境污染治理的同仁共同研究的問題。龍新憲等[3]發現東南景天是Zn的超富集植物，錢海燕等[4]發現黑麥草對土壤中Cu、Zn污染的忍耐和積累能力都較好，適合這2種元素的修復，目前，重金屬鋅污染治理已成為國際研究的熱點問題[5，6]。陳同斌等[7]、韋朝陽等[8，9]通過野外調查和栽培試驗，分別發現蜈蚣草、大葉井口邊草是As的超富集植物。對Pb有較強修復能力的植物較多，劉秀梅等[10]、柯文山等[11]、聶俊華等[12]在溫室試驗條件下，分別發現了羽葉鬼針草、酸模、魯白、芥菜等對重金屬Pb能夠有較強的富集能力。吳雙桃等[13]首次報道了土荊芥葉是一種Pb超富集植物。國內外大量的研究報告表明不同農作物對重金屬的富集能力有很大差異，且同一品種的農作物對不同重金屬元素的富集能力也有所不同[14]，Cr富集系數越小，則表明其吸收Cr的能力越差，抗土壤Cr污染的能力較強[15]。本研究以貴州廢棄鉛鋅礦區土地上生長且生物量較大的優勢植物為對象，通過其地上部分植株中重金屬Pb、Zn、Cr的含量分析植物對重金屬的富集特征，為植物修復土壤環境中的重金屬污染提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

貴州作為西南礦產資源大省，且礦種眾多，按照貴州省鉛鋅礦資源勘查與開發規劃，全省鉛精礦現已勘測量將達到1.2萬t，鋅精礦將達到35萬t，全省鉛鋅礦的分布遍及30多個縣市。由于資金、技術、管理等因素的限制，造成礦產資源的開發與利用程度較低，礦物加工程度和綜合回收率也相對較低，大部分礦產殘留在廢渣中，造成礦區周邊土壤污染嚴重[16]。DW礦區屬于山地礦床，且尾礦、礦渣露天堆積，任其風吹日曬雨淋，水沖洗釋放或受雨水浸泡淋出的一些有毒有害元素，如Pb、Zn、Cr、As等。這些元素的析出和遷移會直接或間接對礦區周圍土壤、地表水和地下水造成重金屬復合污染。

1.2 樣品采集及測定

試驗植物樣品采自貴州廢棄DW礦區土地上生長的并且生物量相對較大的物種，共27種，其中3種為農作物。所采集的植物樣品有蕁麻科糯米藤（Herba Gonoslegiae Hirtae），菊科大吳風草（Lycopus lucidus）、鬼針草（Bidens pilosa）、米蒿（Artemisiadalai-lamae Krasch）、苦蒿（Conyzablinii levl）、飛篷（Erigeron acer）、腺梗豨薟（Sigesbeckia pubescens）、白蒿（Herba Artimisiae Sieversianae）、橐吾（Ligularia sibirica）、野菊花（Dendranthema indicum），腎蕨科蜈蚣草（Nephrolepiscordifolia Presl），茄科番茄（Solanum ycopersicum），木賊科木賊（Herba Hiemali）、節節草（Equisetum ramosissimum），蕁麻科水麻（Debregeasia orientalis），豆科大豆（Glycine max）、葛（Pueraria lobata）、三葉草（Trifolium），報春花科過路黃（Lysimachia christinae Hance），百合科萱草（Hemerocallis fulva），禾本科蘆葦（Phragmites australis）、巴茅（Rhizoma Miscanthi Sacchrifloris）、水稻（Oryza glaberrima），薔薇科枇杷（Ficustikoua Bur），唇形科地筍（Ligularia sibirica）、風輪草（Clinopodium chinensis）、薄荷（Mentha haplocalyx）。

植物樣品洗凈后，自然晾干，105 ℃殺青30 min后，50 ℃烘至恒重，碾碎過60目尼龍篩。土壤樣品除雜質，自然風干，碾碎過100目尼龍篩。樣品經HNO3∶HClO4=4∶1的混酸處理，用原子吸收分光光度法測定Pb、Zn、Cr的含量，進行平行雙樣測定，同時測土壤及植物標樣。采用玻璃電極法測定土壤pH。

1.3 評價方法

生物富集系數（BCF）[17]也叫吸收系數，是指植物中某元素質量分數與土壤中元素質量分數之比，它被用來反映土壤-植物體系中元素遷移的難易程度，是植物將重金屬吸收轉移到體內能力大小的評價指標，生物富集系數高，表明地上部分植物體內重金屬富集質量分數大，計算公式為：B=Xi/Yi。式中B表示生物富集系數（BCF），Xi為植物中某重金屬的實測含量，Yi為土壤中某重金屬的含量。

2 結果與分析

2.1 礦區土壤、植物中重金屬的含量分析

植物樣品采樣點中土壤的重金屬的含量測定結果見表1。植物樣品重金屬的含量測定結果見表2。

由表2可知，所研究的植物中Zn累積含量變化范圍為28.07～1 650.27 mg/kg，其中過路黃、大吳風草、萱草累積量較高，分別為758.02、836.14、1 650.27 mg/kg；植物中Pb累積含量變化范圍為0.84～37.81 mg/kg，蜈蚣草、節節草、腺梗豨薟、大吳風草的累積量較高，分別為33.00、37.81、28.60、28.71 mg/kg；植物中Cr累積含量變化范圍為0.19～37.78 mg/kg，地筍的累積量較高，含量為37.78 mg/kg。

2.2 優勢植物的分類及富集特征分析

2.2.1 優勢植物富集特征分析 為方便研究，將表2中每種重金屬含量由高到低排列，重金屬含量相對較高的8種優勢植物及其生物富集系數見表3。

由表3可知，大多數植物中重金屬的富集系數由大到小的順序為Cr、Zn、Pb。Zn是植物必需的營養元素，同時也是一種常見的有毒重金屬元素，本研究的優勢植物是鉛鋅礦區生長的，土壤中Zn的含量很高，但植物對Zn富集系數都較小，在0.052～0.205之間，這與龔紅梅等[18]研究結果一致，由于長期的環境選擇和適應進化，植物相應對Zn產生了耐性，從而減輕或避免Zn的毒害。富集能力較強的是菊科大吳風草和百合科萱草，富集系數為0.104、0.205，富集系數雖不大，但這兩種植物中鋅的含量都是接近或超1 000 mg/kg，說明可考慮用大吳風草、萱草修復土壤中鋅污染。Pb不是植物必需的營養元素，但在一定程度上能被不同種類的植物吸收、累積，Pb污染仍是威脅自然環境、人類健康的全球環境污染問題之一。因優勢植物采取的是地上部分，由表3可知，研究所選的植物對Pb富集系數較小，最大值為0.076，這與徐劼等[19]研究相符，相對植物體地上部分而言，根系作為直接與土壤接觸的器官對Pb具有很強的吸收能力，因此根系是植物Pb吸收的主要器官組織。另外，因植物采自鉛鋅礦區，土壤環境體系中的Pb濃度很高，這時根系對Pb的吸附量較大，而采集的優勢植物株體內Pb的含量都不高，最大值為37.81 mg/kg，說明Pb不易從土壤中遷移到植物地上植株體內。Cr及其化合物是環境中重要的污染物之一，由于其化學結構穩定，能長期存在于環境和生物體中并通過食物鏈進人人體，Cr一旦進入并積累于土壤環境，就會毒化土壤，引起土壤板結和貧瘠，影響作物生長，在土壤-植物系統中成為長期無法改變的公害。由于Cr在土壤與植物體內的移動能力很小，因此對土壤-植物系統及間接對人類的危害遠不及Pb、Hg等其他金屬那樣嚴重[20]。對Cr富集能力較強的是唇形科的地筍，富集系數0.591，可以選用地筍作為土壤環境中Cr污染的修復植物。

2.2.2 重金屬元素在不同植物中的積累特征分析 從圖1和圖2知，大多數植物中重金屬的積累量由大到小順序為Zn、Pb、Cr。植物中Pb的正常含量通常為5.00 mg/kg[21]，由表2可知，Pb含量的范圍為0.84～37.81 mg/kg，平均值為12.46 mg/kg，植物中Pb含量最大的是木賊科的節節草，含量最小的是蕁麻科的水麻。除橐吾、巴茅、飛篷、白蒿、鬼針草、水麻、薄荷、風輪草等8種植物外，其他植物均超5.00 mg/kg，占總量的70.37%，Pb含量相對較高的4種植物為節節草、蜈蚣草、大吳風草、腺梗豨薟，分別為木賊科、腎蕨科、菊科，它們都具有較大的生物量，因此，節節草、蜈蚣草、腺梗豨薟和大吳風草均可視為Pb的耐性植物，但這些植物都未達到超富集植物的臨界值。

植物中Cr含量通常小于1.00 mg/kg，很少會大于5.00 mg/kg [22]。由表2、3可知，Cr含量變化范圍為0.19～37.78 mg/kg，平均值為7.56 mg/kg，植物中Cr含量最大的是唇形科的地筍，含量最小的是菊科的苦蒿，除巴茅和苦蒿2種植物外，其他植物均超過1.00 mg/kg，占總量的92.59%，地筍中Cr的含量是苦蒿中Cr含量的198.84倍。因此，地筍可作為Cr的耐性植物，但遠未達到超富集植物的臨界值。

植物中Zn的含量約為1.00～160.00 mg/kg，非礦化土壤上植物體內Zn含量達到1 000.00 mg/kg，是普遍現象，屬正常含量[22]。由表2可知，植物中Zn含量變化范圍為28.07～1 650.27 mg/kg ，平均值為401.37 mg/kg。從圖2可知，植物中Zn含量最大的是百合科的萱草，含量最小的是禾本科的巴茅。除巴茅、蘆葦、水麻、葛和野菊花等5種植物外，其他植物均超過160.00 mg/kg，占總量的81.48%。Zn含量相對較高的3種植物為過路黃、大吳風草、萱草，分別為報春花科、菊科、百合科。因此，過路黃、大吳風草、萱草均可視為較理想的Zn的耐性植物，但也未達到超富集植物的臨界值。

3 小結

本研究有針對性地選擇了貴州DW廢棄鉛鋅礦區生長的優勢植物為調查對象，研究了礦區植物中的重金屬元素Pb、Zn、Cr的含量積累特征及植物對重金屬的富集能力。結果表明，大多數植物中，Zn的積累量最大、Cr的積累量最小，但植物對Cr的富集能力相對較強。受礦區環境及Zn適應的影響，植物對其富集系數較小，但鋅在過路黃、大吳風草中的積累量在800 mg/kg左右，在萱草中的積累量達1 650.27 mg/kg，它們也可作為植物修復土壤重金屬Zn污染修復植物。地筍對Cr的富集系數為0.591，可作為植物修復土壤重金屬Cr污染修復植物。植物對Pb的吸收主要在根系，所研究的植物均不適合作重金屬Pb的土壤修復植物。

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