濕地植物對煤礦老窯水污染土壤中重金屬的富集能力研究*

張國偉 張永波 吳艾靜 李佳敏 徐樹媛

(太原理工大學水利科學與工程學院，山西 太原 030024)

煤炭作為我國能源安全保障的基石，在促進經濟社會發展的同時，多年采煤也使得地下形成了大量的采空區，且匯聚大量積水出現煤礦老窯水。煤礦老窯水具有較強的侵蝕性，一旦出流參與水循環，將會對礦區及周圍地區生態環境造成較大影響。

常規污水處理手段包括物理吸附、化學中和、硫化物沉淀、微生物處理等[1-3]，存在成本高昂、技術要求高、易產生二次污染等弊端，人工濕地作為一種新興污水處理技術，通過植物-土壤-微生物的聯動作用實現對水體及土壤污染的治理，已逐漸成為熱門研究方向之一。不同植物對重金屬的富集能力具有一定差異，可通過不同的植物配置方案實現對重金屬污染的凈化[4]，植物處理技術類型可歸納為植物提取、植物固定、植物揮發、根際過濾、植物促進和植物降解6種[5]，其中植物提取是目前研究最多且最具發展前景的技術[6]。BAKER等[7]曾提出重金屬超富集植物的概念，用于表征重金屬富集能力較強的植物；李鳴等[8]曾對鄱陽湖濕地22種植物的重金屬富集能力進行分析；劉偉等[9]通過田間試驗發現施用蚯蚓糞可提高紫花苜蓿(Medicagosativa)的重金屬富集能力；陶理等[10]通過研究發現黑藻(Hydrillaverticillata)和菹草(Potamogetoncrispus)是修復含鎘底泥的理想植物；孫健等[11]通過對鉛鋅礦區周邊優勢植物的重金屬富集特性的研究發現，野菊花(ChrysanthemumindicumL.)、莎草(Cyperaceae)、五節芒(Miscanthusfloridulus)3種植物具備超富集植物的基本特征；楊勝香等[12]通過實驗證明山茶科木荷(Schimasuperba)可用于Mn污染土壤的植物修復和錳礦區廢棄地的生態恢復；邵慧琪等[13]通過盆栽實驗證明委陵菜(Potentillachinensis)在重金屬復合污染條件下的富集能力最強；苧麻(Boehmerianivea)在重金屬復合污染條件下耐受性最強。李松等[14]通過水培和土培實驗證明雷竹(Phyllostachyspraecox)具有較強的耐鉛性，且隨著鉛濃度增大，將抑制鉛從根部向地上部分的轉移。目前，利用植物修復重金屬污染土壤的研究較多，但多為野外采樣系統分析或人工配置單一重金屬污水室內實驗，而利用植物修復技術處理實際煤礦老窯水污染土壤的研究較少。

本研究以山西省陽泉市牽牛山煤礦礦區出流老窯水為模擬水源，選擇蘆葦(Phragmitesaustralis)、香蒲(Typhaorientalis)、頭狀穗莎草(CyperusglomeratusLinn.，以下簡稱莎草)、水蔥(Scirpusvalidus)4種濕地植物及黃土構建小型盆栽實驗，探究4種植物對不同濃度煤礦老窯水污染土壤中重金屬(Zn、Mn)的富集能力，本研究成果可為人工濕地治理煤礦老窯水提供植物遴選依據。

1 材料與方法

1.1 實驗材料與實驗設計

實驗水樣取自山西省陽泉市山底河流域牽牛山煤礦老窯水出流點，其基本理化性質見表1。利用蒸餾水進行稀釋處理，配置不同濃度的實驗水樣(見表2)。黃土是一種具有大孔隙和鈣結核的松散土狀堆積物，具有比表面積大、吸附性強、疏松多孔、垂直節理發育等特點，且富含有機質和微生物，為吸附煤礦老窯水中污染物提供了生物化學條件；黃土也是優良的天然種植土壤，可為濕地植物的正常生長發育提供良好條件；同時，山西省豐富的黃土資源可為治理煤礦老窯水提供必要的物質基礎，故采用黃土作為基質進行實驗，黃土取自山西省晉中市榆次區東趙鄉，其基本理化性質見表3。

表1 煤礦老窯水基本理化性質Table 1 Basic physical and chemical properties of acid mine drainage

表2 實驗水樣配置Table 2 Experimental water sample configuration

表3 黃土基本理化性質Table 3 Basic physical and chemical properties of loess

篩選長勢一致的蘆葦、香蒲、莎草和水蔥4種植物幼苗(株高約20 cm)分別移栽到各個裝置中，種植密度為30株/盆，采用低、中、高3種濃度煤礦老窯水(見表2)澆灌，以每兩天一次，一次1 L的澆灌頻率定期澆灌，保持內外盆(見圖1)之間水位穩定。鑒于短期內采樣會出現植物富集轉移效果不明顯的現象，故設置一個月的澆灌周期(2019年5月29日至6月29日)。實驗結束進行采樣，各盆挑選長勢最好的3株植物對其各部分Zn、Mn含量進行測定；利用土鉆在不同位置取土壤，對植物根區土壤Zn、Mn含量進行測定，結果取均值。

圖1 盆栽裝置設計Fig.1 Design of pot experiment device

1.2 土壤、植物中重金屬測定方法

采用改進BCR法分析土壤樣品中Zn、Mn的形態分布[15]，利用不同的浸提劑對其進行連續提取，形態分為可交換態、可還原態、可氧化態以及殘渣態，采用原子吸收分光光度法測定Zn、Mn含量[16]，4種形態之和可作為植物生存環境中的Zn、Mn含量背景值，用于后續富集能力分析。

植物樣品按根部與地上部分進行劃分，分別進行殺青、消解等處理，利用原子吸收分光光度法對Zn、Mn含量進行測定。

1.3 數據處理

植物富集系數(BCF)為植物體內重金屬濃度與根際土壤中重金屬濃度的比值，反映植物對重金屬的富集能力，該值越大富集能力越強；轉移系數(TF)為植物地上部分、根部重金屬濃度的比值，反映植物將重金屬從根部轉移到地上部分的有效程度。

2 結果與分析

2.1 土壤重金屬形態及含量

總體而言，土壤中重金屬含量表現為Mn>Zn，與原始黃土相比，各裝置土壤中Zn的含量變化較大而Mn的含量變化較小，其中Zn的變化范圍為-36.73～63.29 mg/kg，Mn的變化范圍為0～42.94 mg/kg，說明種植植物類型和煤礦老窯水澆灌濃度會對土壤吸附Zn產生一定的影響，而對Mn影響相對較小，這可能是因為植物對不同重金屬的富集轉移能力不同、土壤對不同重金屬的吸附特性不同。

由圖2(a)可知，對比同一植物不同煤礦老窯水濃度，隨濃度增加，各裝置土壤吸附Zn的能力表現為：水蔥依次下降，蘆葦和香蒲先升后降，莎草依次上升；對比同一濃度不同植物，土壤吸附Zn的能力表現為：低濃度組水蔥明顯優于其他植物，中濃度組香蒲>水蔥>莎草>蘆葦，高濃度組莎草>香蒲>水蔥>蘆葦。由圖2(b)可知，對比同一植物不同煤礦老窯水濃度，隨濃度增加，各裝置土壤吸附Mn的能力表現為：水蔥和香蒲先升后降，蘆葦依次上升，莎草依次下降；對比同一濃度不同植物，土壤吸附Mn的能力表現為：低濃度組莎草優于其他植物，中濃度組水蔥>莎草>蘆葦>香蒲，高濃度組水蔥>蘆葦>莎草>香蒲。

圖2 土壤重金屬的形態分布Fig.2 Speciation distribution of heavy metals in soil

形態方面，Zn、Mn在土壤中以殘渣態為主，其中，Zn存在形態表現為可交換態<可還原態<可氧化態<殘渣態，分別約占總體的1%、4%、7%、88%；Mn存在形態表現為可氧化態<可交換態<可還原態<殘渣態，分別約占總體的5%、15%、19%、61%。

2.2 植物重金屬富集量

由圖3可知，不同重金屬在植物體內的富集量存在很大差異，總體來看，Mn富集量大于Zn，不同植物Zn的富集量大體表現為水蔥>香蒲>蘆葦>莎草，Mn的富集量表現為水蔥>香蒲>莎草>蘆葦。植物不同部位對不同重金屬的吸收特性差異較大，對Zn而言，植物根部富集量大于地上部分；對Mn而言，植物地上部分富集量大于根部。

圖3 植物體內重金屬質量濃度Fig.3 Concentration of heavy metals in plants

2.3 植物生長特征分析

實驗結束后對各植物株高及根長等生長特征進行分析，結果見圖4。水蔥、蘆葦、香蒲植物株高和根長明顯大于莎草。對比發現：隨煤礦老窯水濃度增加，水蔥株高依次增加，蘆葦、香蒲和莎草株高均表現為先增后降，其中蘆葦變化幅度較大。煤礦老窯水濃度會對植物的正常生長產生影響，但不同植物的污染耐受范圍不同，水蔥可應用于高重金屬濃度的煤礦老窯水處理，而蘆葦、香蒲和莎草適宜用于中低濃度煤礦老窯水處理。4種植物中蘆葦根系最為發達，蘆葦、水蔥和莎草根長受濃度影響較小，香蒲根長隨濃度增加呈現遞增狀態，受濃度影響較大。

注：以土壤和空氣的交界面計為高度0 cm，向上為株高，向下部分的絕對值為根長。圖4 植物生長特征變化Fig.4 Changes of plant growth characteristics

2.4 植物富集能力分析

由圖5(a)可知，就Zn而言，BCF和TF普遍小于1，說明4種植物對于Zn的富集和轉移效果總體較差。對比同一植物不同煤礦老窯水濃度可知：隨著煤礦老窯水濃度的增加，水蔥根部BCF先降后升，地上部分BCF和TF均為先升后降；蘆葦根部BCF依次降低，說明根部對煤礦老窯水濃度比較敏感，地上部分BCF和TF先降后升，TF在由中濃度向高濃度變化時，升高幅度最大，說明蘆葦在高濃度重金屬污染環境下會通過大幅度增加向地上部分的有效轉移來降低對根部的影響；香蒲根部BCF和地上部分BCF先升后降，TF先降后升；莎草根部BCF和地上部分BCF先降后升，TF先升后降，表現為富集能力較弱但轉移能力相對較強，對Zn污染土壤的處理具有一定的效果。

圖5 植物對Zn、Mn的富集能力Fig.5 Accumulation ability of plants to Zn and Mn

由圖5(b)可知，就Mn而言，BCF和TF普遍大于1，說明4種植物對于Mn的富集和轉移效果較好。對比同一植物不同煤礦老窯水濃度可知：水蔥隨煤礦老窯水濃度增加根部BCF依次增加，地上部分BCF逐漸降低，與TF一致，說明煤礦老窯水濃度過高會影響水蔥對Mn的轉移。蘆葦隨煤礦老窯水濃度增加根部BCF依次降低，地上部分BCF先降后升且均大于根部BCF，說明根部對煤礦老窯水濃度變化比較敏感而地上部分不敏感，TF依次增加，說明當蘆葦面臨高濃度重金屬污染環境時會通過增加向地上部分的有效轉移來降低對根部的影響。香蒲隨煤礦老窯水濃度增加根部BCF先升后降，變化幅度較小，地上部分BCF和TF先降后升，TF整體大于1，說明香蒲對Mn有較好的轉移效果。莎草隨煤礦老窯水濃度增加根部BCF依次下降，地上部分BCF先升后降，TF依次上升，說明莎草同樣會通過增加向地面的有效轉移來降低對根部的破壞。4種植物處理效果表現為水蔥>莎草>香蒲>蘆葦，且地上部分BCF>根部BCF，說明Mn主要存在于植物地上部分，便于后期回收處理。

總體而言，對煤礦老窯水污染的土壤，水蔥的重金屬富集轉移能力明顯優于香蒲、蘆葦和莎草，植物可能會通過增大向地上部分的轉移來降低重金屬對根部的影響，其中以蘆葦表現最為明顯。

3 結 論

(1) 土壤對重金屬存在吸附作用，但不同重金屬在土壤中的存在形態及含量不同，土壤中重金屬含量表現為Mn>Zn，Zn存在形態表現為可交換態<可還原態<可氧化態<殘渣態；Mn存在形態表現為可氧化態<可交換態<可還原態<殘渣態。

(2) 4種植物對重金屬Zn、Mn都有一定的富集和轉移能力，但不同植物對不同重金屬的富集轉移效果不同：對Zn而言，4種植物的富集和轉移效果總體較差；對Mn而言，4種植物的富集和轉移效果較好，4種植物處理效果表現為水蔥>莎草>香蒲>蘆葦，Mn主要存在于植物地上部分，便于后期回收處理。

(3) 對煤礦老窯水污染的土壤，水蔥的重金屬富集轉移效果總體優于香蒲、蘆葦和莎草，植物可能會通過增大向地上部分的轉移來降低重金屬對根部的影響，其中以蘆葦表現最為明顯。