湘西錳礦區土壤重金屬含量及優勢植物吸收特征

熊云武， 唐 彪， 林曉燕， 裴東輝， 任 重， 龔亞龍*， 楊勝香， 許建新， 趙 亮

(1.深圳市鐵漢生態環境股份有限公司，廣東深圳 518040；2.吉首大學生物資源與環境科學學院，湖南吉首 416000)

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湘西錳礦區土壤重金屬含量及優勢植物吸收特征

熊云武1， 唐 彪1， 林曉燕1， 裴東輝1， 任 重1， 龔亞龍1*， 楊勝香2， 許建新1， 趙 亮1

(1.深圳市鐵漢生態環境股份有限公司，廣東深圳 518040；2.吉首大學生物資源與環境科學學院，湖南吉首 416000)

摘要[目的]研究湘西錳礦區土壤重金屬含量及優勢植物吸收特征，為錳礦廢棄地植被恢復和重金屬污染土壤的植物修復提供理論依據。[方法]調查湘西花垣縣響水村錳礦區廢棄地植被物種組成，測定優勢種根際土壤及植物根部和地上部分的Cu、Zn、Pb、Cd、Mn、Ni含量。[結果]響水村錳礦區所記錄的高等植物共有20種，隸屬15科18屬，且優勢種以草本植物為主；土壤重金屬主要為Cd、Mn污染，且Cd含量超過國家土壤環境質量3級標準(GB 15618—1995)，超標倍數達6.12～13.61倍，Mn含量為湖南省土壤背景值的57.93～244.40倍，污染嚴重；11種優勢植物，萹蓄(Polygonum aviculare L.)、醉魚草(Buddleja lindleyana Fort.)植物體內Mn含量較低，為Mn規避型植物，五節芒[(Miscanthus floridulus (Lab.) Warb.ex Schum et Laut.]根部Mn含量遠大于地上部，為Mn根部囤積型植物，飛蓬(Erigeron acris L.)、鬼針草(Bidens pilosa L.)、千里光(Senecio scandens Buch.-Ham.ex D.Don)、土荊芥[Dysphania ambrosioides (Linnaeus) Mosyakin & Clemants]、酸模葉蓼(Polygonum lapathifolium L.)、愉悅蓼(Polygonum jucundum Meisn.)、商陸(Phytolacca acinosa Roxb.)、博落回[Macleaya cordata (Willd.) R.Br.]均表現出對Mn具有一定的吸收，其中，愉悅蓼對Mn的吸收富集能力較強，為Mn富集型植物。[結論]錳礦區重金屬植物修復中，采用植物穩定技術時可以選擇萹蓄、醉魚草、五節芒作為先鋒植物進行修復，采用植物提取技術時，可以選擇愉悅蓼進行修復。

關鍵詞重金屬；錳礦；土壤；優勢植物；湘西

尾礦廢棄地不僅占用大量土地，而且易造成物種消失，生物多樣性銳減，生態系統退化[1]。尾礦廢棄地生態恢復以植物恢復為關鍵，但由于尾礦廢棄地重金屬含量高、營養元素缺乏、土質結構較差，限制了植物在尾礦廢棄地的生長[2-6]。耐重金屬植物經過不斷的生物進化而形成，對重金屬污染具有較強的耐性[7-8]。近年來，學者對金屬尾礦區耐重金屬植物進行了篩選，并取得了一定成果。葉文玲等[9]對銅陵銅尾礦庫進行調查，發現續斷菊對Cd具有較強的轉運能力和富集能力，可用于Cd污染嚴重地區的生態修復；何東等[10]對湖南下水灣鉛鋅尾礦庫進行了調查，發現地枇杷對Pb具有很強的轉運能力與富集能力；劉惠娜等[11]研究表明，粵東梅縣丙村鉛鋅尾礦區3種優勢植物類蘆、黃荊、鹽膚木對重金屬有一定的耐性；劉月莉等[12]對甘洛鉛鋅尾礦區進行調查，發現桔梗、狗尾草和千里光等對Pb、Zn、Cd具有較強的耐性。目前已發現的耐Mn污染植物種類較少，因而篩選新的耐Mn或富集Mn的植物物種具有重要意義。筆者對湖南湘西花垣縣響水村錳礦區進行了植被組成調查，分析了土壤和主要優勢植物的重金屬含量，以及錳礦區植物對重金屬的富集和遷移轉化特征，旨在為錳礦廢棄地重金屬污染生態修復提供理論依據。

1材料與方法

1.1調查區概況花垣縣位于湖南省湘西自治州中部、西部和西北部，分別與貴州省和重慶市接壤，地理坐標為109°11′～110°55′ E，27°44′～29°47′ N，境內具有豐富的礦產資源和植物資源，目前已探明礦產20余種，其中，錳礦儲量居全國第2位，有“東方錳都”“有色金屬之鄉”的美稱。響水村隸屬民樂鎮，民樂錳礦是我國南方著名的大型沉積錳礦床之一。原始植被為亞熱帶典型山區植被，針葉樹、闊葉樹、灌木、草本植物豐富。屬中亞熱帶季風濕潤氣候，年均氣溫16.7 ℃，年均降水量1 421 mm，無霜期270 d。該區域光、熱、水資源豐富，利于植物生長。

1.2樣品采集2015年6月對花垣縣響水村錳礦區進行了植被調查和采樣，記錄礦區所有自然生長的植物，植物的豐富度按目測估計[13]，分為優勢種、常見種和偶見種3級。采集主要優勢植物的地上部分和根部及其所在區域的土壤。每種植物采集3～5株組成混合樣，同步采集3個平行樣。采集每種植物所在區域0～30 cm的表土作為供試土壤樣品，將3～5個采樣點土樣組成1個混合樣，同步采集3個平行樣。所有樣品采集后立即裝入塑料密封袋，做好標記，運回實驗室。

1.3測定項目與方法將土壤樣品置于室內自然風干，去除石塊、植物根系和凋落物等，并研磨過100目尼龍篩，包裝登記后保存，待測Cu、Zn、Pb、Cd、Mn、Ni全量均采用HCl - HNO3-HF-HClO4消煮-原子吸收光譜法測定(GB/T 17138—1997)。

將運回實驗室的植物樣品用自來水和去離子水洗凈，吸干表面水分。將樣品置于烘箱內105 ℃殺青30 min，然后于65 ℃烘干。干樣用萬能粉碎機磨細，過0.25 mm尼龍篩，待測。植物重金屬采用HNO3-HClO4聯合消煮(GB /T 5009.11-15—2003)，用原子吸收光譜法測定Cu、Zn、Pb、Cd、Mn、Ni濃度。

計算優勢植物的生物富集系數(BCF)和轉運系數(TF)。生物富集系數(BCF)=植物地上部分重金屬含量/土壤重金屬含量，轉運系數(TF)=植物地上部分重金屬含量/植物根部重金屬含量。

2結果與分析

2.1礦區植被物種組成及特征由表1可知，響水村錳礦區有高等植物20種，隸屬15科18屬。從物種組成來看，菊科、蓼科各有3種，分別占總種數的15%，其次為藜科2種，占總種數10%；從植物生活型來看，有草本植物、灌木(或小喬木)、喬木、藤本植物4種，且主要以草本植物為主，共13種，占該礦區植物種類的65%；從豐富度來看，優勢種以草本植物為主，共有11種，分別為五節芒、飛蓬、鬼針草、千里光、土荊芥、萹蓄、酸模葉蓼、愉悅蓼、商陸、博落回、醉魚草。

2.2土壤重金屬污染特征由表2可知，所測定的6種重金屬元素中，主要是Cd、Mn污染，含量分別為6.12～13.61、25 546.00～107 780.00 mg/kg(DW)，與國家土壤環境質量3級標準(保障農林業生產和植物正常生長的土壤臨界值)相比，Cd的超標6.12～13.61倍，由于3級標準未對土壤Mn含量進行限制，與湖南省土壤背景值相比，Mn含量為背景值的57.93～244.40倍，污染嚴重。

表1　礦區主要植物種類

注：D為優勢種；F為常見種；O為偶見種。

Note: D.Dominant species; F.Common species; O.Rare species.

表2　礦區植物根際土壤重金屬含量

2.3優勢植物體內重金屬含量分布特征由表3可知，該礦區優勢植物體內含量較高的重金屬為Mn，地上部、根部Mn的含量分別為481.53～1 442.34、394.67～1 831.59 mg/kg(DW)，且除五節芒地上部、萹蓄地上部和根部、醉魚草地上部和根部的Mn含量在植物體屬正常范圍，其他優勢植物地上部和根部Mn含量均高于植物正常含量范圍高值；而地上部和根部Cu、Zn、Pb的含量均較低，均在正常含量范圍內，Cd含量稍高于正常含量范圍高值，這與土壤中的重金屬含量特征基本一致，反映了植物重金屬的生物蓄積特征與土壤重金屬的相關性。

由表4可知，各優勢植物的BCF<1.00，說明該礦區的主要優勢植物均對重金屬有一定的耐受能力。從TF看，不同植物對同一重金屬的TF相差較大，即使是同一種植物對不同重金屬的TF也相差較大，表現出不同的轉運能力。

表3　優勢植物體內重金屬含量

注：“-”表示低于檢出限。

Note: “-” stands for lower than detection limit.

3討論

一般來說，土壤中的Cu、Zn、Pb、Cd含量分別為150～400、70～400、100～400、3～8 mg/kg時，會對植物產生毒性。響水村錳礦區的11種優勢植物根際土壤除Cu、Pb含量普遍較該毒性閾值低外，Zn、Cd含量普遍處于該閾值范圍內，其中，飛蓬根際土壤Cd含量高于該毒性范圍高值，說明該礦區所調查的優勢植物對Zn、Cd均具有一定耐性，尤其是飛蓬對Cd的耐性較強。另外，該礦區土壤Mn含量高達25 546.00～107 780.00 mg/kg，能在Mn嚴重污染的土壤生長，證明該礦區植物對Mn具有較強的耐性。而不同的耐性機制使植物對重金屬的吸收、轉移和累積特征表現出較大差異。通過計算礦區優勢植物的生物富集系數(BCF)和轉運系數(TF)可知，該礦區優勢植物對重金屬的吸收機制大致可分為富集型(Accumulators)、根部囤積型(Root Compartments)和規避型(Excluders)3類。響水村錳礦區11種優勢植物，除萹蓄、醉魚草相對于其他植物對土壤Mn的吸收能力低外，其余均為Mn規避型植物，五節芒根部Mn含量遠大于地上部，為Mn根部囤積型植物外，其他8種植物也表現出對Mn具有一定的吸收性，其中，愉悅蓼對Mn的吸收富集能力較強，為Mn富集型植物，在礦區植物修復時可以利用其富集Mn的能力，提取土壤中的Mn，以達到修復目的。

商陸是公開的Mn超富集植物，該調查結果顯示，商陸對Mn的富集能力未達到超富集水平。這可能是由于礦區土壤的Mn含量較高，而所采集植物比較幼嫩，植物富集重金屬的含量遠低于與生長到一定階段的同種植物的Mn含量，這與前人研究結果基本一致[17]。

表4　優勢植物的生物富集系數和轉運系數

注：“-”表示低于檢出限，未計算出系數。

Note: “-” stands for lower than detection limit,unable to calculate the coefficient.

4結論

(1)通過對響水村錳礦區植被調查，共記錄高等植物20種，隸屬15科18屬，且優勢種以草本植物為主，共有11種，分別為五節芒、飛蓬、鬼針草、千里光、土荊芥、萹蓄、酸模葉蓼、愉悅蓼、商陸、博落回、醉魚草。

(2)土壤重金屬主要是Cd、Mn污染，且Cd含量超過國家土壤環境質量3級標準(GB 15618—1995)，超標倍數達6.12～13.61倍，Mn含量為湖南省土壤背景值的57.93～244.40倍，污染嚴重。

(3)11種優勢植物，萹蓄、醉魚草相對于其他植物對土壤重金屬的吸收能力低，植物體內Mn含量較低，均為Mn規避型植物，五節芒根部Mn含量遠大于地上部，為Mn根部囤積型植物，其余8種植物表現出對Mn具有一定的吸收，其中，愉悅蓼對Mn的吸收富集能力較強，為Mn富集型植物。

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Soil Heavy Metals Content and Dominant Plants Absorption Characteristics in Xiangxi Manganese Mining Area

XIONG Yun-wu,TANG Biao,LIN Xiao-yan,GONG Ya-long*et al

(Shenzhen Techand Ecology & Environment Co.,Ltd,Shenzhen,Guangdong 518040)

Abstract[Objective] The aim was to study soil heavy metals content and dominant plants absorption characteristics in Xiangxi manganese mining area,and to provide theoretical basis for revegetation of abandoned land and phytoremediation of heavy metal contaminated soil.[Method] The vegetation species of abandoned land and Cu,Zn,Pb,Cd,Mn,Ni content in rhizosphere soil and plant roots and aboveground parts of dominant species in manganese mining area in Xiangshui Village,Huayuan County,Xiangxi were determined.[Result] The results showed that there were 20 species plants belonging to 18 genera in 15 families,and the dominant species were given priority to herbs.Soil Cd and Mn pollution were serious.And Cd content was more than national standards for environment quality of grade three soil (GB 15618-1995),with excessive ratio of 6.12 to 13.61 times.And Mn content was more than background value of soil of Hunan Province,with ratio of 57.93 to 244.40 times,seriously polluted.Eleven dominant plants,Erigeron acris L.,Bidens pilosa L.,Senecio scandens Buch.-Ham.ex D.Don,Dysphania ambrosioides (Linnaeus) Mosyakin & Clemants,Polygonum lapathifolium L.,Polygonum jucundum Meisn.,Phytolacca acinosa Roxb.,Macleaya cordata (Willd.) R.Br.absorbed a large amount of Mn by the roots and transported to the shoots,especial Polygonum jucundum Meisn.which absorbed larger Mn than the others,and could be used to clean up the soils containing light to moderate toxic metal concentration and with high-value,could be Mn accumulator.Miscanthus floridulus (Lab.) Warb.ex Schum et Laut.also absorbed a large amount of Mn but mainly held in the roots,could be the root compartment.While Polygonum aviculare L.and Buddleja lindleyana Fort.absorbed less Mn than the other eight plants,with the accumulation coefficients of Mn just was 0.01,could be Mn excluder.[Conclusion] In revegetation of manganese mining area,Polygonum aviculare L.,Buddleja lindleyana Fort.,Miscanthus floridulus can be cultivated when plant stable technology is used,while Polygonum jucundum Meisn.can be planted when plant extraction technology is adopted.

Key wordsHeavy metals; Manganese mine; Soil; Dominant plants; Xiangxi

基金項目廣東省軟科學研究計劃項目鐵漢生態研究院建設(2014B090903

作者簡介熊云武(1987- )，男，江西南昌人，助理工程師，從事土壤污染與修復研究。*通訊作者，工程師，碩士，從事土壤污染與修復研究。

收稿日期2016-02-09

中圖分類號S 181

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2016)08-084-04

015);深圳市科技計劃項目(CXZZ20140418105252027);深圳市戰略性新興產業發展專項資金(發改辦高技[2013]2556號)。