典型鼓風爐鉛冶煉廢渣堆場周邊優勢植物重金屬富集特征研究

牛學奎，吳學勇*，王薇，艾志敏，王舒婷，侯娟，周濤

1. 云南省生態環境科學研究院，云南 昆明 650034；2. 云南環境工程設計研究中心，云南 昆明 650034；3. 云南省生態環境監測中心，云南 昆明 650034

鼓風爐煉鉛在半個多世紀的時間里，一直是云南省粗鉛生產的重要方式，在生產粗鉛的同時也累積了大量的冶煉廢渣（熊國煥等，2015）。因歷史發展的局限，鉛冶煉廢渣大量粗放式堆存，不僅占用了大量土地資源，更使周邊環境和生態受到不同程度的污染及破壞，特別是土壤重金屬污染問題，甚至影響到人類的健康和生存（Sun et al.，2014；Yang et al.，2017；仇榮亮等，2009）。目前，國內外雖然有對冶煉廢渣堆場、冶煉廠等周邊優勢植物重金屬累積特征方面的研究，如秦麗（2013）、朱光旭等（2016）分別針對會澤鉛鋅礦渣堆、威寧鋅冶煉渣堆周邊優勢植物重金屬累積特征進行了研究，也有關于鼓風爐鉛冶煉周邊土壤重金屬污染特征及鼓風爐鉛冶煉廢渣浸出特性方面的研究（牛學奎等，2018；牛學奎等，2019），但針對以鼓風爐鉛冶煉廢渣為代表的鉛冶煉廢渣堆場周邊優勢植物重金屬累積特征的相關報道較少。

個舊市雞街地區是云南省典型的鼓風爐煉鉛生產聚集區之一，鼓風爐鉛冶煉生產歷史悠久，區域內粗放式堆存了大量鼓風爐鉛冶煉廢渣。本文以個舊市雞街地區某典型鼓風爐鉛冶煉廢渣堆場為研究對象，以對角線法采集樣品并用四分法取樣進行重金屬含量測定，分析廢渣場周邊優勢植物種類及其對重金屬的耐受性及富集能力，篩選出適用于當地重金屬污染土壤修復的先鋒植物，為當地鼓風爐鉛冶煉廢渣堆場區及其他類似污染區域的治理修復和生態重建提供支持。

1 材料與方法

1.1 調查區域概況

研究區位于云南省個舊市雞街地區，地理坐標為 113°12′39.6″E，23°33′59.54″N，海拔 1332 m，年均氣溫 19 ℃，年均相對濕度 78%，年均降水量700—800 mm。該渣堆系歷史遺留的鼓風爐煉鉛產生的干渣和水淬渣。

1.2 樣品采集與分析

以廢渣堆邊界為起點向外延伸50 m為采樣區，在區域內均勻設置4個30 m×30 m樣方，采集土壤和植物樣品。土壤樣品為植物樣品周邊1 km范圍的表層土（0—20 cm），按照對角線法進行采集，并現場將同類型植物周邊的土壤樣品混合，用四分法取樣1 kg送實驗室檢測。采集樣方中覆蓋率高、長勢好的野生植物（同一樣方同種植物采樣量不少于 1株），并將不同樣方的同種植物歸為同一個植物樣。植物樣用自來水沖洗去除粘附于植物樣品表面的泥土和污物，再用去離子水漂洗干凈，風干。將植株（地上部分）于105 ℃下殺青30 min，60 ℃下烘干至恒重，粉碎，放入干燥箱備用。將土壤樣品自然風干，剔除雜物，研磨過100目尼龍篩后保存備用。

植物樣品重金屬含量測定采用HNO3-HClO4法消解（Zhang et al.，2014），土壤重金屬含量分析采用HNO3-HF-HClO4消解（彭渤等，2011）。采用玻璃電極pH計測定土壤pH值；用火焰原子吸收分光光度法（Silva et al.，2020）測定土壤樣品中的Cu、Zn、Cr的含量，用石墨爐原子吸收分光光度法（Habibollahi et al.，2019）測定Pb、Cd的含量；用原子熒光法（張桂芹等，2020）測定Hg、As的含量。植物樣品采用電感耦合等離子體質譜儀法（祁珍禎等，2020）（ICP-MS）測定Cu、Zn、Cr、Pb、Cd、As，用原子熒光法（陳秋平等，2014）測定Hg的含量。

1.3 數據處理

數據利用Microsoft Excel進行常規分析及圖表制作。

（1）生物富集系數（BCF）：

式中：

CP為植物體內某種重金屬含量，mg·kg?1；CS為土壤中對應重金屬含量，mg·kg?1。

（2）綜合富集系數（BCFS）：

（3）植物對土壤中重金屬富集比例（P）

式中：

Ct為 7種重金屬在優勢植物中的總含量，mg·kg?1。

2 結果分析與討論

2.1 鼓風爐鉛冶煉廢渣堆周邊植物類型

結合植物自身特點及在當地生長覆蓋情況，本次調查共采集了5種野生植物，分別為三葉鬼針草（Bidens pilosa）、車桑子（Dodonaea viscosa）、夾竹桃（Nerium oleander）、紅花八角（Illicium dunnianum）、鳳尾蕨（Pteris cretica），分屬五科，詳見表 1。從植物生活型來看，本區域植被以灌木類為主，灌木根系發達，能適應在貧瘠、干旱土地生長，更能在自然競爭中存活下來，如車桑子（Dodonaea viscosa）。從植物豐富程度來看，草本植物的覆蓋面積較大且生長旺盛，能夠適應當地的氣候條件和惡劣的生長環境，特別是三葉鬼針草（Bidens pilosa）。

表1 渣堆場周邊優勢植物種類Table 1 Dominant plant species around the slag yard

2.2 廢渣堆優勢植物周邊土壤重金屬含量

渣堆優勢植物周邊土壤pH介于4.97—6.12之間，偏酸性，詳見表 2。參照《土壤環境質量建設用地土壤污染風險管控標準》（GB 36600—2018）與云南省土壤背景值（魯冬梅等，2018），對優勢植物周邊土壤中重金屬污染情況進行評價：結果顯示土壤中Cr、As含量同時超過了GB 36600—2018風險管制值（分別超標1.08、3.54倍）及云南省土壤背景值（分別超標1.49、33.56倍），Cu、Zn、Pb、Cd、Hg等5種重金屬雖未超過（GB 36600—2018）篩選值，但均明顯超過云南省土壤背景值（超標倍數分別為1.91、8.13、6.19、97.09、76.00）。根據評價結果表明，As含量即超過云南省土壤背景值又超過國家二類用地風險管制值，說明渣堆周邊土壤已經明顯受到 As的污染，且已經存在開發利用風險，需予以重點關注；Cr雖然同時存在超過管制值及背景值的情況，但Cr并非鼓風爐煉鉛原料的常規伴生元素，因此推測其超標原因與區域土壤背景值較高有關，但不排除工業污染也有少許貢獻的因素；Cd及 Hg較背景值而言，超標倍數顯著偏高，說明鉛冶煉渣在堆存過程中有明顯的伴生元素Cd及Hg溶出、累積現象，雖未超過風險管控限值但其污染應引起關注。Zn、Pb雖有明顯累積，但累積程度與風險相對較弱，而Cu則是7種元素中累積程度與風險最低的元素。綜上分析可以看出，鼓風爐鉛冶煉廢渣堆場周邊土壤中，既有主要成礦元素Zn、Pb等的累積，也有伴生元素As、Cd及 Hg的污染，且伴生元素污染問題明顯比成礦元素要突出。

表2 廢渣堆周圍優勢植物周邊土壤重金屬質量分數Table 2 Mass fraction of heavy metals in soil around dominant plants in slag dump mg·kg?1

2.3 優勢植物地上部分重金屬含量及生物富集特征

2.3.1 優勢植物地上部重金屬含量

鼓風爐鉛冶煉廢渣堆場周邊采集的5種優勢植物體內重金屬含量存在較大的差異，如表3所示。就 Pb在植物體內含量而言，夾竹桃含量最高，為768.14 mg·kg?1，最低為鳳尾蕨 18.58 mg·kg?1；Zn 含量最高為三葉鬼針草，達到191.71 mg·kg?1，最低為紅花八角79.45 mg·kg?1；As含量最高為夾竹桃，達到 287.63 mg·kg?1，最低為鳳尾蕨 8.91 mg·kg?1。研究表明（秦俊梅等，2013），一般植物體內重金屬Pb、Zn、As正常含量分別為 0.1—10、1—160、0.01—5 mg·kg?1。本次調查的 5 種優勢植物體內 Pb、As含量均顯著高于一般植物的最大含量，且均表現為夾竹桃>三葉鬼針草>車桑子>紅花八角>鳳尾蕨；Zn的含量則是三葉鬼針草>夾竹桃>160 mg·kg?1，雖高于一般植物，但未達到超富集植物臨界值。5種優勢植物體內Cd含量雖不高，但明顯高于一般植物（Cd正常含量為0.2—3 mg·kg?1），按富集量排序依次為車桑子>三葉鬼針草>紅花八角>夾竹桃>鳳尾蕨。相關研究表明（李玫等，1999；彭葉棉等，2020）植物吸收富集重金屬的影響因素復雜多樣，因而不同植物對不同重金屬富集情況不同，但從Pb、As在植物體內呈現的規律可推測5種優勢植物對Pb、As可能存在相似的吸附、轉運機制，但具體的吸附、轉運及累積機制還需通過進一步的實驗進行論證。

表3 優勢植物地上部重金屬質量分數Table 3 Mass fraction of heavy metals in the aerial parts of dominant plants mg·kg?1

從5種優勢植物地上部分重金屬含量平均值來看，Pb、Zn、As 3種元素含量遠遠高于其他重金屬元素。其中，夾竹桃對Pb、As富集量較高，但對其他5種重金屬的富集相對較弱，理論上可適用于Pb、As污染土壤的修復。但現場實際情況表明，夾竹桃雖為直立大灌木，但在當地自然生長情況下，年均生物量增長緩慢，因此其用于土壤修復實踐還有很多局限。相較而言，三葉鬼針草和車桑子對Pb、Zn、As等多種重金屬具有明顯的富集作用，加之三葉鬼針草和車桑子繁殖速度快，且能適應貧瘠、干旱的惡劣生長環境，因此理論上更適用于Pb、Zn、As復合重金屬污染場地的修復，也可快速實現生態恢復的目的。

2.3.2 優勢植物重金屬生物富集特征

在植物修復中，生物富集系數 BCF（Bioconcentration factors）指植物體內某種重金屬元素的含量與土壤中同種重金屬含量的比值，它常被用來反映植物對土壤重金屬元素的富集能力和修復潛力（Ali et al.，2013）。根據表4統計結果顯示，三葉鬼針草對Pb、Cd的生物富集系數（分別為1.120、1.731）、車桑子對Pb、Cd、Hg的生物富集系數（分別為2.120、5.261、1.375）、鳳尾蕨對Zn、Hg的生物富集系數（分別為1.034、1.615）均大于1，說明3種植物對相應的特征重金屬具有較強的富集能力。其中，車桑子對Cd的富集系數顯著高于其他植物和重金屬元素，對Cd具有較強的修復潛力。通過生物富集系數對比表明，除車桑子 3種重金屬的生物富集系數相對較高外，三葉鬼針草和鳳尾蕨雖對相應特征重金屬具有一定富集能力，但整體富集能力相對較弱，紅花八角和夾竹桃則更弱。此外，本次調查的 5種優勢植物對Cr的生物富集系數均小于0.01，且植物體內含量極少，說明這5種優勢植物對Cr元素可能具有某種規避機制，不適用于修復受Cr污染土壤。

表4 優勢植物重金屬生物富集系數Table 4 Dominant plant heavy metal bioconcentration factors

為直觀地表示優勢野生植物對該區域內重金屬富集的綜合情況，本研究對5種優勢植物與土壤中各單項重金屬富集質量分數進行對比分析。根據圖1可看出，該區域植物總體對Cd的富集質量分數最高，Pb、Hg、Zn次之。這是由于該區域內土壤中Cd的活性態含量較高，遷移轉化能力較強，可交換態與碳酸鹽結合態占比大61.04%，具有較高的生物有效性所導致（牛學奎等，2018）。

圖1 優勢植物對土壤中重金屬富集質量分數Fig. 1 The Mass Fraction of dominant plants to heavy metal enrichment in soil

從優勢植物綜合富集系數（圖 2）來看，調查的5種優勢植物中綜合富集系數大于1的有4種，分別是車桑子、鳳尾蕨、三葉鬼針草以及夾竹桃。其中車桑子綜合富集系數高達9.58，鳳尾蕨、三葉鬼針草和夾竹桃次之，分別為3.92、3.52和2.11，說明區域內植物整體上對重金屬具有明顯的富集。結合魏樹和等（2008）、譚曉娟（2009）、徐晨茗等（2020）關于三葉鬼針草、車桑子以及鳳尾蕨對Pb、Zn、Cd等多種重金屬的轉運系數大于1，時宇等（2018）關于夾竹桃對Pb、Zn、Cd等多種重金屬轉運系數小于1的研究結論，以及Baker（2001）、雷梅等（2005）根據植物對重金屬的不同吸收、轉移和累積機制對植物耐受重金屬機制分類結果（富集型、根部囤積型和規避型）表明，車桑子、鳳尾蕨、三葉鬼針草符合富集型植物特征，應屬于富集型植物，而夾竹桃體內中重金屬含量高，但轉運能力較弱，更符合根部囤積型植物特點。綜合各種因素考慮，富集型植物車桑子不僅具有最高的綜合富集系數及單因子Cd的富集能力，且轉運能力較強，還能極好地適應研究區域環境氣候，對多種重金屬復合污染土壤具有較強的耐性、適應性，甚或偏好性，因此可作為該地區及同類型地區生態恢復的先鋒植物。

圖2 優勢植物綜合富集系數Fig. 2 Comprehensive enrichment coefficient of dominant plants

3 結論

（1）調查的鼓風爐鉛冶煉廢渣堆場周邊的5種優勢植物分屬5科，以灌木類為主，但草本植物覆蓋率更高。三葉鬼針草、車桑子、鳳尾蕨為豐富度較高的常見植物。

（2）鼓風爐鉛冶煉廢渣堆場周邊土壤pH呈酸性，受多種重金屬元素的復合污染，其中Cd、As、Hg等伴生元素污染問題突出，Zn、Pb、Cu、Cr次之。

（3）5種優勢植物體內重金屬含量雖存在較大的差異，但Pb、Cd、As等含量普遍高于一般植物，而Cr可能受到某種規避機制作用，含量普遍偏低。

（4）相對區域內其他4種優勢植物，車桑子更具較強的多金屬綜合富集能力、單因子Cd富集能力，可作為該地區及同類型地區生態恢復的先鋒植物。