遵義松林鎳錳尾礦區植被重金屬富集效應研究

李志利 程俊偉 黃明琴 王慶鶴

(遵義師范學院，貴州 遵義 563006)

礦產資源的開發利用促進了工業的迅速發展，為經濟穩定增長提供了重要的物質基礎。但是礦產資源帶來巨大經濟效益的同時，其開采利用過程中也產生了一系列的環境問題，如植被毀壞、礦山地貌退化、地質災害加劇和重金屬污染等。其中，因重金屬在環境中的累積性和遷移毒性，不僅對動植物及微生物產生毒害作用，而且易通過食物鏈網進入人體，具有較大的污染風險。

近年來，超累積植物治理在礦山土壤重金屬修復中受到學者們的廣泛關注。其利用植物對土壤重金屬的吸收累積能力，來減少重金屬的環境污染，具有成本低、環境擾動小、二次污染小、修復效果持久等優點[1]。目前，國內外對于金屬尾礦區中Ni、Pb、Zn、Mn的超累積植物的篩選已取得了一定進展。如徐玉霞等[2]通過對關中西部某鉛鋅冶煉區周邊進行調查研究，發現蒲公英(TaraxacummongolicumHand.-Mazz.)對Pb、Zn有較強富集系數和轉移能力，可作為鉛鋅礦區首選的先鋒植物；熊云武等[3]對湘西錳礦區廢棄地植被物種組成進行調查，發現愉悅蓼(PolygonumjucundumMeisn.)可作為Mn富集型植物；張曉薇等[4]通過對遼陽弓長嶺鐵礦區自然生長的植物群落進行調查，發現旱柳(SalixmatsudanaKoidz.)具有修復Zn污染土壤的潛能；朱園芳等[5]研究了青葙(CelosiaargenteaLinn.)對土壤錳污染的耐受和富集差異，發現青葙對錳具有強耐受性。吳迪等[6]研究了某鉛鋅礦區長勢較好的27種植物，發現大吳風草(Farfugiumjaponicum(Linn.f.)Kitam.)、米蒿(Artemisiadalai-lamaeKrasch.)對Ni有一定的富集能力,此2種植物可作為土壤中重金屬Ni污染的修復植物。

貴州遵義松林鎮自然資源豐富，是典型農業區和草木植被生長區域，碳酸鹽巖溶地貌特征顯著，富有錳、煤炭、鐵、鋅、鉛、鎳、鎂等礦種資源。由于大量開采礦石，形成了許多小尾礦區，造成了嚴重的污染問題，破壞了生態環境。現有關于遵義松林礦區的研究多集中于污染風險評價和地質破壞領域[7-9]，對于本土優勢生長植物的調查極少，礦區內植物對重金屬的耐性和富集效應機制尚不明確。本文選取遵義松林Ni-Mn多金屬尾礦區為研究區域，對尾礦區內土壤和多種優勢植物進行采樣測定分析，研究了尾礦區土壤、植物體內各部位之間重金屬含量差異、富集和遷移轉化特征以及根系重金屬滯留效應，以期尋求經濟實用的本土復墾植物，為該類礦區生態修復提供理論和數據支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于貴州遵義松林鎮西北部，距遵義市區約25 km，東經106.5874°、北緯27.7802°，該區域氣候類型為中亞熱帶季風濕潤氣候，年平均降雨量為1043.4 mm，平均氣溫14.6℃[10]。區域內礦源以Ni、Mn、Pb、Zn為主，渣堆大多都以灰色和灰褐色細粒堆放尾礦庫內。本次調查的采樣點均已停止開采7～8年，草本植物在礦區分布區域廣、數量多，優勢物種突出。

1.2 樣品采集

在尾礦區內篩選出長勢較好且數量多的7種優勢植物，將植物進行地上和地下部分整株挖取；同時，采集0～20 cm深度的尾礦區土壤樣品，混合土樣，用四分法取1～2 kg樣品，記錄好土壤編號和植物名稱(如表1所示)。

表1 研究區優勢植物種類

1.3 樣品處理與測定

植物樣品分為根、莖、葉三部分，分別用去離子水清洗多遍，殺青30 min。自然陰干后，置于烘箱中105℃烘至恒重，分別倒入瑪瑙研缽將其磨碎、混勻、過100目篩，分裝于樣品瓶內，做好相應記錄。稱取樣品0.25 g，加入5 mL濃HNO3以及3 mL H2O2,浸泡1 h后,將上述樣品放入微波消解儀中,分別設置運行時間、壓力等參數后進行微波消解,消解完成后，將冷卻后的消解液轉移至50 mL容量瓶中，并用1%HNO3定容，采用原子吸收分光光度法(島津AA-6880)對樣品中Ni、Mn、Zn、Pb的含量進行測定。

1.4 數據處理

根系對重金屬的滯留率：根部重金屬含量與地上部重金屬含量之差與根部重金屬含量的比值，它的大小體現植物對重金屬耐性能力高低，植物根部對重金屬的滯留效應是一種生存策略[11]。

富集系數(BCF)=植物金屬含量(mg·kg-1)/土壤重金屬含量(mg·kg-1)[12]

轉運系數(BTF)=植物地上部金屬含量(mg·kg-1)/植物地下部含量(mg·kg-1)[13]

地累積指數(Geoaccumulation index，Igeo)是用以定量描述土壤、沉積物中重金屬污染程度的指標[14]。

Igeo=log2(Ci/1.5Bi)

式中，Ci為土壤中重金屬含量(mg·kg-1)，Bi是重金屬元素的貴州省土壤地球化學背景值(mg·kg-1)[15]。重金屬地累積指數污染分級與污染程度標準見表2。

表2 地累積指數法分級標準

2 結果與討論

2.1 土壤重金屬含量與污染狀況

根據地累積指數公式，結合貴州省土壤背景值及測定含量，計算出礦區土壤樣品Ni、Mn、Pb、Zn地累積指數及相應的污染等級，如表3所示。由表可知，研究區土壤中Ni含量超出貴州土壤背景值3.02倍，地累積指數達2.01，屬中度污染水平，遷移污染特征較為顯著。土壤中Zn含量超標1.79倍，地累積指數為1.19，屬偏中污染，此區域雖已停止開采作業，但存在渣堆滑坡、垮塌和人工復墾現象，點源擴散及干擾突出。Mn、Pb平均含量分別為314.19 mg·kg-1和21.46 mg·kg-1，均低于貴州省土壤背景值，且地累積指數均小于1，表明該尾礦區內Mn、Pb暫未形成累積污染趨勢，表層土污染風險較低。

表3 尾礦區土壤Ni、Mn、Zn、Pb的地累積指數及污染等級

2.2 優勢植物不同部位重金屬含量分析

鋅、錳屬于植物正常生長所必需的微量元素，而鉛屬于非必要元素，當植物體內富集過多鎳、錳、鉛、鋅重金屬時，會導致植物某些營養元素吸收降低，影響植物正常發育，測定研究區內各優勢植物各部位重金屬Ni、Mn、Zn、Pb含量如圖1所示。由圖可知，7種優勢植物中Ni、Mn、Pb、Zn在植物體內的含量分別為15.88～68.95 mg·kg-1、68.73～865.7 mg·kg-1、15.26～65.38 mg·kg-1、64.75～143.29 mg·kg-1。與一般植物體內重金屬含量相比[16]，7種優勢植物中Ni含量均遠超植物正常含量值(1.00～5.00 mg·kg-1)，其中，小蓬草體內含量最高達68.95 mg·kg-1，含量趨勢表現為根>葉>莖，富集特征明顯；酸模葉蓼和商陸中Mn含量分別為865.7 mg·kg-1、446.66 mg·kg-1，超出正常植物含量值(20～400 mg·kg-1)，且表現為葉>莖>根，符合超富集植物的一般特征。李俊凱等[17]研究了南京鉛鋅礦區內商陸對Mn的富集特征，地上部和根部的富集量分別為173.77 mg·kg-1和42.09 mg·kg-1，富集趨勢與本研究較為一致；毛蕨體內Pb含量高達65.37 mg·kg-1，超出一般植物Pb含量值(0.1～41.7 mg·kg-1)，且長勢良好，說明其在Pb輕度污染環境兼具耐性和富集性特征；研究區7種優勢植物中Zn含量均處于一般植物正常范圍(1～160 mg·kg-1)內，說明該區域優勢植被對Zn污染土壤環境已產生較強適應能力。

Zn Mn

2.3 優勢植物對重金屬富集和轉運特征

富集系數和轉運系數可以反映植被對重金屬的吸收、轉移和累積特征，研究區優勢植物生物富集系數和轉運系數如表4所示。由表可知，7種植物對重金屬的BCF整體趨勢表現為Pb>Mn>Zn>Ni。其中，酸模葉蓼、商陸對Mn的BCF分別為2.76、1.42；除商陸外，其余六種優勢植物對Pb的BCF均大于1，毛蕨最高達3.05，此類優勢植物BCF值均大于1，說明對相應的重金屬有較強的富集能力，具備富集植物篩選特征[18]。黃小娟等[19]對重慶溶溪錳礦區優勢植被進行耐性分析也表明商陸、酸模葉蓼和毛蕨分屬對Mn、Pb的富集型植物；毛蕨對Ni的BCF為0.56，芒草、小蓬草對Mn的BCF為0.5～0.72，商陸對Pb的BCF為0.71，蛇葡萄、酸模葉蓼對Zn的BCF為0.54～0.81，此類優勢植物BCF值均大于0.5，表明其對相應重金屬具備一定蓄積能力，可作為相應重金屬污染土壤的穩定化植物；對于BCF小于0.5的優勢植物，如芒草、蛇葡萄對Ni的BCF僅為0.13和0.22，這類優勢植物表現出極弱的富集能力，屬于典型的規避型植物[20]。

表4 研究區不同植物Ni、Mn、Pb、Zn的轉運系數(BTF)和富集系數(BCF)

7種優勢植物對重金屬的BTF整體趨勢表現為Mn>Zn>Pb>Ni。蛇葡萄、姬蕨、商陸對Ni有很強轉移能力，其BTF分別為3.25、1.07、3.76，肖乃川等[20]研究了某金屬礦區內蛇葡萄對Ni的轉運系數達1.15，受土壤較低本底值影響雖未達到本研究區富集等級，但已屬高轉運系數植被；7種優勢植物對Mn均有較強耐性，BTF最高達16.5，整體趨勢為酸模葉蓼>商陸>蛇葡萄>姬蕨>毛蕨>小蓬草；商陸和毛蕨對Pb有較強轉移能力，其BTF均大于1，有由根部向地上轉運的趨勢和能力，說明該類植被在生長過程中可以利用自身生理機制，將重金屬運送到液泡、葉脈、木質部等部位貯存起來，減少重金屬毒性并保障植物正常生長，可作為耐性植物進行聯合種植[21]。

2.4 優勢植物根部滯留效應的脅迫反應分析

生活于重金屬污染區的植物，其根部對重金屬離子有較強的富集能力，能將有害離子積累于根部，阻止根際土壤重金屬對植物的毒害，面對重金屬毒性脅迫的反應時，植物根部累積的重金屬轉移到地上部分，在根部留有足夠的空間以應對土壤中高濃度的重金屬[22]。根系滯留率越小，說明根系重金屬向地上部分轉移的能力越強，植物耐重金屬能力越強。研究區優勢植物根系滯留率見表5，小蓬草對重金屬Ni、Mn、Pb、Zn均有較弱滯留效應，滯留率分別為0.63、0.07、0.67、0.1；姬蕨對Pb，酸模葉蓼、芒草、毛蕨對Ni有極弱滯留效應；蛇葡萄、商陸對四類重金屬滯留率均低于0，說明研究區優勢植物對相應重金屬已產生極強的耐性機制，適應能力顯著。

表5 研究區不同植物根系重金屬滯留率

3 結論

(1)研究區環境土壤中Ni和Zn含量均超過背景值，超標倍數分別為3.02、1.79，地累積指數為2.01和1.19，分屬中度污染和偏中污染；Mn、Pb暫未形成累積污染。

(2)7種優勢植物體內Ni含量均超出一般植物含量值，富集趨勢表現為根>葉>莖，以小蓬草最優顯著；酸模葉蓼和商陸中Mn含量累積突出，富集趨勢表現為葉>莖>根；毛蕨對Pb兼具富集性與耐性特征。

(3)酸模葉蓼和商陸對Mn的BCF和BTF值均大于1，毛蕨、蛇葡萄和芒草對Pb的BCF和BTF值均大于1，具備富集植物篩選特征；蛇葡萄和商陸對Ni的BTF分別為3.25、3.76，對Zn的BTF值分別為4.37和3.67，均大于1，表現出較強的根部向上遷移趨勢，且根部滯留效應均小于0，有效減少重金屬毒性并保障植物正常生長，可用于污染土壤穩定化聯種。