個(gè)舊冶煉廢水污灌區(qū)野豌豆對(duì)土壤重金屬富集作用的研究

周金華，王奕舒，余 浪，宗世榮，肖亞楠，施 矞，李云駒

(云南磷化集團(tuán)有限公司，云南 昆明 650600)

0 引言

重金屬在土壤中大量積累導(dǎo)致土壤性質(zhì)惡化，影響土壤的物理特性和營(yíng)養(yǎng)元素的供應(yīng)[1]，影響植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收和利用[2]，擾亂代謝，使細(xì)胞生長(zhǎng)發(fā)育停止[3]。重金屬的積累也會(huì)影響微生物群落結(jié)構(gòu)、種群增長(zhǎng)特征及遺傳特征等，降低微生物多樣性和土壤酶活性[4]。重金屬的穩(wěn)定性和難遷移性使其污染作用具有長(zhǎng)期持續(xù)性，現(xiàn)已成為當(dāng)前生態(tài)健康關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題[5]。現(xiàn)主要采用物理[6]、化學(xué)[7]及生物[8]等手段對(duì)重金屬污染土壤進(jìn)行修復(fù)，其中生物修復(fù)主要是通過(guò)超富集植物對(duì)重金屬進(jìn)行富集和攜出[9]。因此，通過(guò)篩選具有強(qiáng)力富集和轉(zhuǎn)移重金屬能力的植物對(duì)于緩解重金屬污染及土壤修復(fù)具有重要意義。同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)野豌豆(ViciasepiumLinn)作為豆科植物之一，生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生根瘤菌，形成豆科植物-根瘤菌復(fù)合系統(tǒng)，不僅增強(qiáng)了其對(duì)重金屬的富集[10]和轉(zhuǎn)移[11]的能力，而且具有恢復(fù)土壤養(yǎng)分，提高生物多樣性，促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)的平衡和發(fā)展的作用[12]。

本研究通過(guò)云南個(gè)舊市乍甸鎮(zhèn)休閑農(nóng)田野豌豆對(duì)不同污染重金屬積累的含量分析測(cè)定，對(duì)野豌豆用于該地區(qū)重金屬植物修復(fù)的可行性和野豌豆對(duì)重金屬的富集轉(zhuǎn)移特征進(jìn)行探究，為當(dāng)?shù)赝寥乐亟饘傩迯?fù)提供理論依據(jù)和品種來(lái)源。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 研究地區(qū)概況

研究地點(diǎn)位于云南省個(gè)舊市北郊乍甸鎮(zhèn)牛奶小鎮(zhèn)。乍甸鎮(zhèn)東接大屯鎮(zhèn)，南連錫城鎮(zhèn)，西與建水縣接壤，北與倘甸鄉(xiāng)毗鄰。研究地點(diǎn)選擇重金屬超標(biāo)休閑地塊，面積約為6hm2(103°9′40.81″E～103°9′53.47″E、23°27′26.24″N～23°27′34.95″N)，距省道212公路約370m，距冶金廢水排放渠約170m。

1.2 樣品采集及處理

2020年1月中旬，在研究地點(diǎn)采集野豌豆(ViciasepiumLinn)的根、莖、葉樣品及生長(zhǎng)區(qū)域的土壤樣品。采用多點(diǎn)混合法進(jìn)行采樣，設(shè)置5個(gè)樣點(diǎn)，采用梅花型布點(diǎn)隨機(jī)取樣，每個(gè)采樣點(diǎn)采集1～2株，并將5個(gè)點(diǎn)獲得的植株樣品合成一個(gè)樣，每個(gè)樣品3次重復(fù)。采集植物樣品同時(shí)采集根區(qū)0～40cm土壤，每5個(gè)點(diǎn)混合均勻成一個(gè)樣，3次重復(fù)。將采集到的植物樣按根部、莖部和葉部進(jìn)行分離，最終獲得根樣、莖樣、葉樣各3個(gè)，共9個(gè)，采集土壤樣品共3個(gè)。植物和土壤樣品采集后帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析。

將采回的植物樣先用自來(lái)水洗凈，再用去離子水淋洗2～3遍，吸干表面水分稱其鮮重，然后在105℃烘箱中殺青30min，并于65～70℃烘干至恒重，稱其干重以測(cè)定植物樣含水率。烘干后的樣品分別用瑪瑙磨碎機(jī)粉碎，過(guò)0.25mm篩后保存?zhèn)溆谩Ｍ寥罉悠啡コ渲械膸r石和植物殘留等雜物，自然風(fēng)干后用四分法取樣，磨碎過(guò)0.15mm篩后保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

準(zhǔn)確稱量過(guò)篩后的土壤樣品與植物樣品0.200g置于100mL消煮管中，先用水潤(rùn)濕樣品，然后加濃H2SO45mL，消解至棕黑色時(shí)，取下消煮管，稍冷后逐滴加入300g/LH2O210 滴，并不斷搖動(dòng)消煮管，再加熱至微沸10～20min，稍冷后再加入H2O25～10滴。如此反復(fù)2～3次，至消煮液呈無(wú)色或清涼色后，再加熱5～10min，以除盡過(guò)剩的H2O2。取出冷卻，用水定容至100mL，取過(guò)濾液作為目標(biāo)樣品進(jìn)行電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)元素分析測(cè)定，消煮時(shí)同時(shí)做空白試驗(yàn)以校正試劑誤差。取10g風(fēng)干土樣，以1∶1液土比加蒸餾水，靜置30min，使用pH計(jì)測(cè)定上層清液pH值。

植物體重金屬含量分為葉部含量 (leaf content, LC) 、莖部含量 (stem content, SC) 、地下部分含量(root content, RC) 、地上部分含量 (aboveground content, AC) 和全株含量 (total plant content, TPC) ，其相互間換算關(guān)系如下：

葉部含量 (LC) = 葉部總含量/葉部生物量；

莖部含量 (SC) =莖部總含量/莖部生物量；

根部含量 (RC) =根部總含量/根部生物量；

地下部分含量(RC) =根部總含量/根部生物量；

地上部分含量(AC) = (葉部屬總含量+莖部總含量)/(葉部生物量+莖部生物量)；

全株含量 (TPC) = (葉部總含量+莖部總含量+根部總含量)/(葉部生物量+莖部生物量+根部生物量)。

植物重金屬累積特征用富集系數(shù)(enrichment coefficient，EC) 、轉(zhuǎn)移系數(shù)(transfer coefficient，TC)和生物轉(zhuǎn)移系數(shù)(biological transfer coefficient，BTC) 表示:

富集系數(shù)(EC)=植物體內(nèi)重金屬含量/土壤中重金屬含量;

轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(TC)=植物地上部重金屬含量/地下部重金屬含量;

生物轉(zhuǎn)移系數(shù)(BTC) = (植物地上部重金屬含量 × 地上部生物量)/ (根部重金屬含量 × 根部生物量) 。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel、SPSS 19.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用LSD多重比較進(jìn)行差異性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤元素組成特性

該地塊位于冶煉廢水排水渠，因長(zhǎng)期使用冶煉廢水灌溉，該地區(qū)總砷、總鎘、總鉛分別達(dá)到146.75、4.58、134.74mg/kg，見表1。該地區(qū)重金屬含量超出GB 15618-1995國(guó)家土壤環(huán)境衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(總砷≤40mg/kg、總鎘≤1.0mg/kg、總鉛≤500mg/kg)，銅、鋅、鉻等元素含量較高但未超國(guó)家土壤環(huán)境衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，該地區(qū)土壤富含磷、鉀、鈣、鎂、硅等植物所需的大、中量元素，土壤為紅壤土，pH為6.8～7.3，適宜于植物生長(zhǎng)。該休閑地塊上生長(zhǎng)有多種原生植物，生長(zhǎng)狀況良好，其對(duì)該地區(qū)的重金屬具有非常強(qiáng)的適應(yīng)性，對(duì)重金屬的耐受性和富集能力較強(qiáng)。

表1 土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值 (mg/kg)

2.2 野豌豆(Vicia sepium Linn)對(duì)磷、鉀、鈣、鎂元素的吸收利用

磷、鉀是植物生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)成分，野豌豆生長(zhǎng)過(guò)程中不同器官對(duì)磷、鉀等養(yǎng)分的需求存在差異，其中葉部磷的含量最大，分別為4.59、11.17g/kg，其次是根部，含量為2.74、8.70g/kg，如表2所示。鈣在植物葉部的積累的含量高于根部與莖部，葉部、莖部及根部的含量分別為18.25、12.26、6.96g/kg。鎂在莖部積累的含量為4.01，高于根部、葉部，而根部、葉部的含量分別為3.36、2.94g/kg。

表2 磷、鉀、鈣、鎂元素在野豌豆體內(nèi)的含量 (g/kg)

2.3 野豌豆(Vicia sepium Linn)對(duì)重金屬元素的富集含量

不同重金屬在野豌豆體內(nèi)富集的含量不同，在野豌豆不同部位積累的含量也存在差異，其中在葉部含量最大。鎘在土壤、野豌豆根部、莖部、葉部積累的含量分別為3.95、1.77、1.53、1.92mg/kg；砷在土壤、野豌豆根部、莖部、葉部的含量分別為120.02、4.41、11.93、22.18mg/kg；鉻在土壤、野豌豆根部、莖部、葉部的含量分別為62.46、3.38、5.6、9.8mg/kg；銅在土壤、野豌豆根部、莖部、葉部的含量分別為88.66、19.61、17.81、22.66mg/kg；鉛在土壤、野豌豆根部、莖部、葉部的含量分別為92.28、3.78、12.71、18.19mg/kg；鋅在土壤、野豌豆根部、莖部、葉部的含量分別為81.78、29.46、40.33、62.31mg/kg。

注：不同小寫字母代表顯著性差異水平(P<0.05)

2.4 野豌豆(Vicia sepium Linn)對(duì)重金屬的累積特征

由表3可知，野豌豆對(duì)鎘、鋅元素富集系數(shù)顯著高于其他元素，其中富集系數(shù)分別為0.52、0.54，其次為銅，富集系數(shù)為0.23，較砷、鉻、鉛差異顯著。而砷、鉻、鉛富集系數(shù)低，但轉(zhuǎn)移系數(shù)及生物轉(zhuǎn)移系數(shù)顯著高于其他元素，轉(zhuǎn)移系數(shù)分別為3.87、2.28、4.09，生物轉(zhuǎn)移系數(shù)為31.48、18.38、32.18。鎘、銅、鋅能大量富集于植物體中，而砷、鉻、鉛等元素轉(zhuǎn)移能力及生物轉(zhuǎn)移能力強(qiáng)，可從植物地下部分轉(zhuǎn)移至地上部分莖葉等組織。

表3 野豌豆對(duì)重金屬元素的累積特征

3 討論

磷鉀作為植物生長(zhǎng)所必需的營(yíng)養(yǎng)元素，在植株中的含量均較高，該試驗(yàn)地有足夠的養(yǎng)分供給野豌豆生長(zhǎng)。而鈣鎂作為植物細(xì)胞的功能性元素，對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)揮重要作用，如穩(wěn)定細(xì)胞膜、穩(wěn)固細(xì)胞壁，并且鎂是葉綠素的重要組成部分[13]。野豌豆莖部積累大量的鈣鎂元素，含量大于根部、葉部。鎘、砷、鉻、銅、鉛、鋅等重金屬元素在野豌豆體內(nèi)的富集的含量不同，鎘、銅、鋅富集的含量較高，富集系數(shù)分別達(dá)到了0.52、0.23、0.54，而砷、鉻、鉛在野豌豆內(nèi)的富集的含量較低，富集系數(shù)分別為0.11、0.10、0.13。砷、鉻、鉛雖在植物體內(nèi)的富集系數(shù)低于其他重金屬元素，但在植物體內(nèi)往地上部分轉(zhuǎn)移的含量高，主要在野豌豆植株的葉片中積累，生物轉(zhuǎn)移系數(shù)較高，鉛的生物轉(zhuǎn)移系數(shù)達(dá)到了32.18，顯著高于其他重金屬元素。其余重金屬在野豌豆體內(nèi)的生物轉(zhuǎn)移系數(shù)雖小于鉛，但其轉(zhuǎn)移系數(shù)均>1，6種重金屬元素均往野豌豆葉片中轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移系數(shù)因重金屬種類差異而存在差異。

該地區(qū)總砷(>30mg/kg)、總鎘(>0.5mg/kg)、總鉛(>80mg/kg)超標(biāo)，在植株葉片中，鎘積累的含量達(dá)到了2.92mg/kg，超出土壤衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，而砷、鉛累積的含量雖未超出土壤衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，但含量也較高，達(dá)到了22.18、18.19mg/kg。野豌豆將土壤重金屬富集到植株體內(nèi)，通過(guò)生物轉(zhuǎn)移，由植株的地下部分轉(zhuǎn)移至植株地上部分，通過(guò)對(duì)地上部分植株的收集和處置，不斷將土壤中的重金屬攜出，減少土壤中的重金屬含量，修復(fù)受重金屬污染土壤。野豌豆對(duì)重金屬的富集和生物轉(zhuǎn)移能將重金屬元素進(jìn)行不斷的積累和去除，達(dá)到對(duì)重金屬的植物富集修復(fù)效果。

4 結(jié)論

試驗(yàn)地塊具有良好的氣候條件和植物生長(zhǎng)所需的各種大量元素、中量元素和微量元素，同時(shí)因?yàn)殚L(zhǎng)期使用冶煉廢水進(jìn)行灌溉，導(dǎo)致重金屬含量較高，其中砷、鎘、鉛等重金屬元素超出限值，分別達(dá)到了146.75、4.58、134.74mg/kg。原生植物野豌豆不僅可以在該重金屬地塊上很好地利用試驗(yàn)地塊的營(yíng)養(yǎng)元素及鈣鎂等大量元素供給植物的生長(zhǎng)和器官的正常發(fā)育；而且野豌豆對(duì)重金屬均具有一定的富集和生物轉(zhuǎn)移能力，其中對(duì)鎘、銅、鋅具有比較強(qiáng)的富集能力，對(duì)砷、鉻、鉛具有非常強(qiáng)的生物轉(zhuǎn)移能力，野豌豆能夠?qū)⒅亟饘俑患诟抵校賹⑵滢D(zhuǎn)運(yùn)至莖葉。野豌豆對(duì)不同重金屬具有良好的富集轉(zhuǎn)運(yùn)修復(fù)能力，尤其對(duì)鎘的富集以及鉛的生物轉(zhuǎn)移表現(xiàn)突出。