香根草種植年限對(duì)煤矸石山土壤重金屬的吸收與富集能力

許鐘丹，郝 俊，陳 超，汪 瑞，毛圓圓，王化秋，盧 綺，程 巍，2*

(1.貴州大學(xué) 動(dòng)物科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.貴州大學(xué) 山地植物資源保護(hù)與種質(zhì)創(chuàng)新省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽 550025)

【研究意義】我國是世界上煤炭生產(chǎn)量第一的國家，生產(chǎn)加工產(chǎn)生的大量煤矸石導(dǎo)致礦區(qū)生態(tài)被破壞，土壤重金屬污染逐漸加重[1-3]。土壤重金屬主要有銅(Cu)、鋅(Zn)、鎳(Ni)、鎘(Cd)、鉛(Pb)、汞(Hg)、砷(As)和鉻(Cr)等[4]，其中As和Cd可對(duì)環(huán)境造成直接污染，而Cu和Zn是植物體內(nèi)的必需元素，但其含量達(dá)一定限值后也會(huì)對(duì)環(huán)境和植物造成污染和傷害[5]。采用物理修復(fù)和化學(xué)修復(fù)治理煤矸石山土壤重金屬污染，不僅修復(fù)時(shí)間和成本高，還會(huì)對(duì)土壤的結(jié)構(gòu)造成一定的破壞[6-8]。而利用植物對(duì)礦區(qū)土壤重金屬污染進(jìn)行生態(tài)修復(fù)不僅成本低，還具有景觀作用，不易形成二次污染[9-10]。因此，利用植被對(duì)其修復(fù)與重建是減少重金屬對(duì)礦區(qū)造成土壤污染的有效策略。香根草(VetiveriazizanioidesL.)為禾本科巖蘭草屬的一種多年生草本植物，具有極強(qiáng)的生態(tài)適應(yīng)性[11]。近年來，香根草被廣泛應(yīng)用于水土保持、道路塌方滑坡治理、退化生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)、富營養(yǎng)水體的凈化、土壤重金屬污染修復(fù)和土壤基質(zhì)改良等方面[12-13]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】ANTIOCHIA等[14]發(fā)現(xiàn)，香根草可作為Zn的超富集植物。在澳大利亞，香根草已經(jīng)成功運(yùn)用于修復(fù)高納、鎂、砷、鹽和堿等尾礦[15]。MELATO等[16]研究發(fā)現(xiàn)，香根草能在低pH和高鹽度尾礦中存活并健康生長。陳超等[17]研究表明，香根草修復(fù)煤矸石山基質(zhì)時(shí)，對(duì)基質(zhì)中Cu、Zn、Cd和As 4種重金屬都起到一定的吸附作用。ROONGTANAKIAT等[18]報(bào)道，香根草能用于礦山尾礦、垃圾回收填埋場和工業(yè)廢料堆等地區(qū)的修復(fù)和治理。楊兵等[19]的研究結(jié)果也驗(yàn)證了香根草對(duì)鉛鋅尾礦具有一定的修復(fù)作用。DATTA等[20]認(rèn)為，香根草是修復(fù)礦區(qū)土壤重金屬污染的最佳植物之一。然而，目前對(duì)香根草吸附重金屬方面的研究大都局限于某一種金屬，或者將香根草和其他植物對(duì)重金屬的吸附效果進(jìn)行比較，未見香根草因種植年限差異導(dǎo)致不同部位對(duì)重金屬吸附效果的研究報(bào)道?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】以不同種植年限的香根草群落為研究對(duì)象，通過測定比較香根草各部位對(duì)土壤重金屬Cu、Zn、Cd和As吸收和存儲(chǔ)的差異性。【擬解決的問題】探明不同種植年限香根草對(duì)六盤水市大河煤礦土壤重金屬Cu、Zn、Cd和As的吸收和存儲(chǔ)特征，以期為香根草治理與修復(fù)煤矸石山重金屬污染土壤提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

大河煤礦(104°50′E，26°38′N)位于貴州省六盤水市鐘山區(qū)的大河鎮(zhèn)內(nèi)，屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，年平均氣溫為12.2 ℃，夏季平均氣溫19.6 ℃，冬季平均氣溫2.9 ℃。年均降雨量為1234.7 mm[17]。六盤水市礦產(chǎn)資源豐富，探獲資源儲(chǔ)量258億t，井田118處，素有西南煤海之稱[21-22]。大河煤礦從20世紀(jì)70年代實(shí)施開采，2001年項(xiàng)目組在此種植香根草并進(jìn)行礦區(qū)生態(tài)治理恢復(fù)。香根草種植于當(dāng)年開采并堆積起來形成的煤矸石山上，種植時(shí)根部附帶少許客土，灌溉少量水，1個(gè)月后對(duì)未成活的幼苗進(jìn)行補(bǔ)種。待其成活后使香根草在自然狀態(tài)下生長，對(duì)香根草和矸石山不再進(jìn)行管理。

1.2 材料

1.2.1 香根草 香根草地上部和地下部樣品若干，采自六盤水市鐘山區(qū)大河煤礦香根草試驗(yàn)地，種植年限分別為3 a(2012年)、4 a (2011年)、7 a (2008年)、9 a (2006年)和14 a (2001年)，長勢一致，每個(gè)種植年限群落采用S形布點(diǎn)法選取5個(gè)樣區(qū)，每個(gè)采樣區(qū)采集10～15株，分別取其地上部和地下部樣品。

1.2.2 土壤樣品 5份，均采自香根草樣品對(duì)應(yīng)試驗(yàn)地。

1.3 方法

1.3.1 樣品處理 將香根草用鑷子除去大顆粒物質(zhì)，再用自來水清洗附著在樣品上的污物和泥土，最后用去離子水沖洗3～5次。用吸水紙吸干后分成根系和莖葉兩部分，在105 ℃下殺青30 min后在75 ℃烘箱烘烤約48 h至恒重再稱其生物量，分別稱重后于研缽中研細(xì)混勻，過60目篩后用HNO3-HClO4消化[23-24]。

1.3.2 指標(biāo)測定 參照文獻(xiàn)[25]的方法，鎘(Cd)、銅(Cu)和鋅(Zn)采用火焰原子吸收光譜法測定，砷(As)采用原子熒光光譜法測定。

1.3.3 重金屬含量相關(guān)性分析 土壤中重金屬含量采用項(xiàng)目組陳超等[17]的檢測結(jié)果，取5年平均值進(jìn)行重金屬含量相關(guān)性分析。

重金屬富集系數(shù)=(植物體內(nèi)重金屬含量/土壤中重金屬含量)×100 %

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010和SPSS 22.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)、Duncan多重比較(Duncan’s multiple range test)檢驗(yàn)各處理之間的差異，以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示；用SigmaPlot 10.0和Excel 2010作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植年限香根草地上部和地下部的重金屬含量

從表1看出，不同種植年限香根草各部位Cu、Zn、Cd和As的含量變化。地上部：Cu、Zn、Cd和As變幅分別為8.40～22.25、22.57～42.43、0.16～0.48和12.64～22.76 μg/g，種植14 a的Cu、Zn、As及種植7 a的Cd含量最高，分別為22.25、42.43和22.76和0.48 μg/g；種植4 a的Cu、Zn及種植3 a的Cd、As含量最低，分別為8.40、22.57、0.16和12.64 μg/g。地下部：Cu、Zn、Cd和As變幅分別為13.47～48.78、40.82～88.22、0.48～0.91和13.07～25.65 μg/g，種植14 a的Cu、Zn及種植7 a的Cd、As含量最高，分別為48.78、88.22、0.91和25.65 μg/g；種植4 a的Cu、Zn和種植3 a的Cd、As含量最低，分別為13.47、40.82、0.48和13.07 μg/g。

表1 香根草地上部及地下部的重金屬含量(n=3)

相同種植年限香根草各部位不同重金屬的含量，各種植年限地上部的Cu、Zn和Cd均低于地下部，且差異均顯著；各種植年限地上部的As均低于地下部，除種植3 a和4 a地上部與地下部差異不顯著外，其余種植年限地上部與地下部差異均顯著。相同部位不同種植年限間香根草各重金屬的含量，種植14 a香根草地上部和地下部的Cu和Zn顯著高于其余種植年限，種植7 a(4 a地上部除外)香根草地上部和地下部的Cd著高于外其余種植年限，種植3 a和4 a香根草地上部(7 a地下部除外) 的As顯著低于其余種植年限。

2.2 香根草對(duì)不同重金屬富集能力的差異

從表2可知，不同種植年限香根草各部位Cu、Zn、Cd和As的富集系數(shù)變化。地上部：Cu、Zn、Cd和As變幅分別為0.07～0.19、0.17～0.34、0.36～1.37和5.10～13.88，種植14 a的Cu、Zn、As含量及種植7 a的Cd含量最高，分別為0.19、0.34、13.88和1.37；種植4 a的Cu、Zn及種植3 a的Cd、As含量最低，分別為0.07、0.17、0.36和5.10。地下部：Cu、Zn、Cd和As變幅分別為0.11～0.41、0.31～0.71、1.09～2.60和5.27～14.82，種植14 a的Cu、Zn、As及種植7 a的Cd富集系數(shù)最大，分別為0.41、0.71、14.82和2.60；種植4 a的Cu、Zn及種植3 a的Cd、As富集系數(shù)最小，分別為0.11、0.31、1.09和5.27。

表2 香根草地上部及地下部重金屬的富集系數(shù)

相同種植年限香根草各部位不同重金屬的富集系數(shù)，各種植年限地上部的Cu均低于地下部，除種植3 a和4 a地上部與地下部差異不顯著外，其余種植年限地上部與地下部差異顯著；各種植年限地上部的Zn和Cd均低于地下部，且差異均顯著；各種植年限地上部的As的富集系數(shù)均低于地下部，除種植3 a地上部與地下部差異不顯著外，其余種植年限地上部與地下部差異均顯著。香根草相同部位不同種植年限間各重金屬的富集系數(shù)，種植9 a 和14 a地上部的Cu顯著高于種植3 a和4 a；7 a、9 a與14 a間、3 a與7 a間、3 a與4 a間差異均不顯著；地下部種植14 a顯著高于其余種植年限；3 a與4 a間，7 a與9 a間差異均不顯著。種植9 a 和14 a地上部的Zn顯著高于種植3 a和4 a；7 a、9 a與14 a間、3 a、4 a與7 a間差異均不顯著；種植14 a地下部(9 a除外)的Zn顯著高于其余年限，3 a、4 a與7 a間，7 a與9 a間差異均不顯著。種植7 a地上部和地下部的Cd顯著高于其余種植年限，3 a的顯著低于其余種植年限。種植14 a地上部的As顯著高于其余種植年限，3 a的顯著低于其余種植年限。

2.3 香根草地下部重金屬含量的相關(guān)性

當(dāng)植物體某部分的2種重金屬含量具有明顯的相關(guān)性時(shí)，說明其在被植物吸收的時(shí)候可能具有協(xié)同作用[26]。從表3看出，在香根草地下部重金屬含量中，Cu與Zn呈極顯著正相關(guān)，與Cd和As分別呈負(fù)相關(guān)和正相關(guān)；Zn與Cd和As分別呈正相關(guān)和負(fù)相關(guān)；Cd與As的含量呈極顯著負(fù)相關(guān)。說明，香根草地下部吸收Cu和Zn時(shí)具有極顯著的協(xié)同作用；吸收Cd和As時(shí)具有極顯著的拮抗作用。

表3 香根草地下部重金屬含量間的相關(guān)性

3 討 論

香根草通過對(duì)重金屬的富集作用，不僅能吸收對(duì)自身生長有益的微量元素，而且能使基質(zhì)中的重金屬含量降低，減少對(duì)周圍環(huán)境的污染[19]。香根草對(duì)不同重金屬的吸收能力不同[13]，重金屬在香根草中總含量為Zn>Cu>As>Cd，因?yàn)橹亟饘賈n和Cu是植物生長所必需的微量元素，不斷地通過主動(dòng)運(yùn)輸進(jìn)入植物體內(nèi)，反映了植物的生理需求[27-28]。而重金屬Cd和As不是植物生長所必需的微量元素，通過被動(dòng)運(yùn)輸進(jìn)入植物體內(nèi)的含量相對(duì)較低[29]。

香根草4種重金屬總吸收和總積累能力依次為Zn>Cu>As>Cd，且地下部的富集系數(shù)大于地上部。富集系數(shù)是評(píng)價(jià)植物富集重金屬能力的重要指標(biāo)之一，反映植物對(duì)某種重金屬元素的吸收和積累能力[11]。郭平[30]研究發(fā)現(xiàn)，向日葵幼苗地下部對(duì)Cu的富集量較大，并一定程度上限制其向地上部運(yùn)輸，從而使莖葉免受傷害，也使植物的耐受性有所提高。黑麥草在重金屬Cd脅迫下，地下部Cd含量顯著高于地上部，其根部對(duì)Cd富集作用較強(qiáng)，并阻止Cd向莖葉遷移[31]。薺菜在重金屬環(huán)境脅迫下地下部的富集系數(shù)顯著高于地上部。香根草在鋅鉻復(fù)合污染條件下，地下部富集系數(shù)顯著高于地上部[33]。

重金屬Cu、Zn是植物必需的營養(yǎng)元素，在正常濃度范圍內(nèi)可以對(duì)植物的生長生理起到一定的積極作用[34。因此隨著種植年限的增加，香根草體內(nèi)未達(dá)到對(duì)這2種重金屬的耐受閥值，地上部和地下部重金屬含量、富集系數(shù)整體都呈現(xiàn)出增加的趨勢。香根草生長初期，由于光合作用的需要，Cu在植物中參與光合作用電子的傳遞[35]，加強(qiáng)了地上部對(duì)Cu的吸收，因此在香根草生長到3齡、4齡時(shí)，地上部和地下部富集系數(shù)無顯著性差異。但過量的Cu脅迫將使植物細(xì)胞產(chǎn)生大量的活性氧，使植物的生物量和生理指標(biāo)有所降低，嚴(yán)重至植物死亡[36]。所以當(dāng)香根草生長到7齡之后，由于植物存在自身運(yùn)輸攔截機(jī)制，為了降低重金屬Cu對(duì)植物的毒害作用，將大部分重金屬滯留在根部，少量向地上部轉(zhuǎn)移[35]，導(dǎo)致重金屬Cu地下部富集系數(shù)顯著高于地上部。香根草根部對(duì)重金屬Zn富集能力較強(qiáng)，將大部分重金屬滯留在根部，少量向地上部轉(zhuǎn)移，降低對(duì)莖葉的毒害作用[37]。

一定量的重金屬Zn也可以刺激土壤中有效態(tài)Cd含量上升，從而加強(qiáng)植物對(duì)重金屬Cd吸收，導(dǎo)致植物地上部和地下部的重金屬Cd增多[38]。但由于重金屬Zn和Cd最外層電子數(shù)相同，化學(xué)性質(zhì)相似，因此當(dāng)植物體內(nèi)重金屬Zn含量逐漸增多時(shí)，易與重金屬Cd形成可替代性和競爭性，兩者產(chǎn)生拮抗作用[39]。當(dāng)植物體內(nèi)Cu和Zn達(dá)到一定濃度時(shí)，能對(duì)Cd結(jié)合蛋白的誘導(dǎo)表達(dá)途徑產(chǎn)生一定的阻斷作用，使Cd結(jié)合蛋白生物合成的過程被抑制，因此能加重Cd對(duì)植物的毒害效率[40]。水稻在8 mg/kg鋅處理時(shí)，水稻地上部和地下部重金屬Cd含量和富集系數(shù)達(dá)最大值，后隨著Zn濃度的增加重金屬Cd含量逐漸降低[41]。馬藺中Zn濃度為1 mg/L時(shí)，地下部重金屬Cd含量最高，后隨著Zn濃度的增加重金屬Cd含量逐漸降低[39]。

重金屬As在植物體內(nèi)過量會(huì)產(chǎn)生脅迫作用，影響植物的生長發(fā)育和對(duì)養(yǎng)分的吸收[42]。由于未受到重金屬Cu和Zn的抑制，因此當(dāng)香根草生長到7齡后重金屬As的含量增加緩慢，穩(wěn)定保持在可承受的范圍內(nèi)，避免其產(chǎn)生脅迫作用。低濃度的As對(duì)種子的萌發(fā)和植株的生長具有一定的促進(jìn)作用[43]。輕度As脅迫下可刺激三七的生長，當(dāng)濃度超過10 mg/L時(shí)，會(huì)對(duì)三七產(chǎn)生毒害現(xiàn)象[44]。因此，在香根草生長初期需要吸收一定量的重金屬As刺激其生長，使地上部對(duì)重金屬As吸收量增大。香根草在生長到4齡后，由于植物存在運(yùn)輸攔截機(jī)制，避免莖葉遭受毒害，從而使地下部的重金屬較少傳輸?shù)降厣喜縖35]，導(dǎo)致地下部的富集系數(shù)顯著高于地上部。植物吸收重金屬時(shí)，不同重金屬間會(huì)產(chǎn)生協(xié)同或拮抗作用。Cu和Zn是植物所必需的微量元素[29]，香根草對(duì)Cu和Zn的吸收呈極顯著正相關(guān)，對(duì)As和Cd的吸收呈極顯著負(fù)相關(guān)性，表明植物在吸收As和Cd時(shí)，相互間會(huì)產(chǎn)生拮抗作用。

4 結(jié) 論

香根草種植年限越長對(duì)重金屬Cu、Zn、Cd和As的吸附效果越好，種植年限7齡時(shí)對(duì)重金屬Cd的吸附量最高；香根草對(duì)不同重金屬的吸收量為Zn>Cu>As>Cd，富集系數(shù)為As>Cd>Zn>Cu，對(duì)4種重金屬的吸收力及富集系數(shù)均為地下部>地上部；在香根草地下部重金屬含量中，Cu與Zn呈極顯著正相關(guān)，與Cd和As分別呈負(fù)相關(guān)和正相關(guān)；Zn與Cd和As分別呈正相關(guān)和負(fù)相關(guān)；Cd與As的含量呈極顯著負(fù)相關(guān)。說明，被香根草地下部吸收Cu和Zn時(shí)具有極顯著的協(xié)同作用；吸收Cd和As時(shí)具有極顯著的拮抗作用。