不同禾本科植物對礦區重金屬污染土壤的修復效果研究

摘 要：以秦嶺腹地鳳縣典型鉛鋅尾礦區周邊的農田土壤為研究對象，采用黑麥草、剪股穎、百慕大草三種類型的草本植物進行室內盆栽實驗，闡述了干旱脅迫對植物生長的影響，探究不同禾本科植物在干旱半干旱地區對重金屬污染土壤的修復效果，以期篩選出能夠適合在金屬礦區修復中種植的耐旱性草本植物.結果表明：相比剪股穎和百慕大草，黑麥草在該土壤條件下能夠具有較高的生物量累積，且在干旱條件下生物量降低的較少（P＜0.05），黑麥草的丙二醛（MDA）含量與電導率（EC）較低，說明其具有較好的耐旱能力和較高的重金屬耐受能力（P＜0.05）.在重金屬污染土壤修復中，黑麥草中Cd、Pb和Zn的含量最高，且對Cd的富集系數可達到0.98，種植黑麥草對土壤中Cd的去除效率高達50%以上，Pb的去除效率為15.5%.因此，研究認為黑麥草對于鳳縣礦區Pb、Zn和Cd污染土壤具有更好的修復潛力.

關鍵詞：重金屬； 干旱； 土壤修復； 植物篩選

中圖分類號：X172

文獻標志碼： A

Study on the remediation effect of different grasses on heavy metal contaminated soil in mining area

JIA Hong-lei， AN Hao-dong， WANG Qing， LI Cheng-tao

（School of Environmental Science and Engineering， Shaanxi University of Science amp; Technology， Xi′an 710021， China）

Abstract：In this study，three types of herbaceous plants，namely ryegrass，bentgrass and Bermudagrass，were used to expound the effects of drought stress on plant growth，and to explore the remediation effects of different grasses on heavy metal （HMs） contaminated soil in arid and semi-arid areas，in order to screen out drought-tolerant herbaceous plants suitable for planting in metal mining areas.The results showed that ryegrass had higher biomass accumulation under soil conditions than Bentgrass and Bermudagrass，and the biomass decreased less under drought conditions （Plt;0.05），and the MDA and EL contents of ryegrass were lower，indicating that ryegrass had better drought tolerance and the ability to respond to heavy metal toxicity effects （Plt;0.05）.In the remediation of heavy metal contaminated soil，ryegrass had the highest contents of Cd，Pb and Zn，and the enrichment coefficient of Cd could reach 0.98，and the removal efficiency of Cd in soil was as high as more than 50% and 15.5% respectively.Therefore，it was concluded that ryegrass had better remediation potential for Pb，Zn and Cd contaminated soils in Fengxian mining area.

Key words：heavy metal； drought； soil remediation； plant selection

0 引言

中國西北地區礦產資源豐富，尤其是金屬礦山在礦物資源開發過程中，會產生大量的廢渣和廢水，其中含有大量的重金屬物質，這些物質通過水體等途徑進入土壤，引起土壤HMs污染［1］.為了改善礦區生態環境，優化尾礦資源利用，在采礦和工業排放環境下對HMs污染的土壤使用植物修復進行了廣泛的研究［2，3］.金屬尾礦的堆積給周邊生態環境及人體健康構成潛在的威脅.尾礦粒度小，易產生揚塵并擴散至周邊的土壤中，尾礦受到長期自然風化的作用，其中的HMs元素極易釋放至周邊環境中，并且在采礦的過程中，不同采礦廢水流失到土壤當中，造成周邊土壤形成HMs污染［4，5］.

目前，礦區土壤HMs污染修復技術主要包括物理法、化學法和生物法［6，7］.物理法包括客土和換土法、分離修復法、隔離法和熱力修復法.客土和換土法主要適用于輕度污染的土壤，其優點是方法成熟、修復全面，但工程量大、投資高，可能降低土壤肥力.分離修復法通過篩分、水力學分離、密度（重力）分離、脫水分離、泡沫浮選分離和磁分離等技術應用在污染土壤中無機污染物的修復技術，適合處理小范圍HMs污染的土壤.隔離法則主要應用于重金屬污染嚴重、難以治理的土壤，通過隔離材料將污染區域進行分割、隔離，防止對外部繼續污染.熱力修復技術主要針對汞等HMs，通過加熱井和熱墻或無線電波加熱等方式實現修復.化學法主要通過改變土壤的酸堿度、氧化還原電位等理化性質，使HMs發生沉淀或溶解，從而降低其在土壤中的遷移性和生物可利用性.化學淋洗技術是一種常用的化學修復方法，通過淋洗劑將土壤中的HMs溶解出來，再通過收集系統進行收集處理［8］.生物法則是利用生物體的代謝活動減少HMs在土壤中的含量和毒性.微生物修復技術則是利用微生物的代謝活動轉化HMs，降低其在土壤中的毒性.植物修復技術是一種常見的生物修復技術，利用超富集植物吸收土壤中的HMs，并將其儲存于植物體內，然后收割植物進行安全處理［9］.

植物修復作為生物修復的一種形式，由其潛在的益處而受到廣泛的關注［10］.有研究表明，植物可以顯著影響土壤性質，包括改善土壤養分和微生物多樣性，減少HMs遷移和生物有效性［11］.鎘（Cd）和鉛（Pb）污染由于其高生物蓄積性和流動性會對植物構成嚴重的生物毒性［12］.Cd和Pb的存在會阻礙植物生長和礦質養分的吸收，破壞膜結構，影響抗氧化系統，并會改變水分含量［12-14］.草本植物抗逆境能力強，是一類人為與自然選擇雙重壓力下產生的高度進化的植物類群，具有廣泛的適應性和頑強的生命力，這些特性可能使草本對HMs有較強的耐性和排異性，同時草本也具有較強的爭光、爭水、爭肥能力，吸收能力很強，這種較強的吸收特性有利于草本植物對HMs的積累，對于修復HMs礦區土壤有著廣闊的前景［15-17］.本實驗研究了黑麥草、剪股穎、百慕大三種草本植物應對干旱脅迫對礦區HMs污染的抗性以及累積效應，為恢復金屬礦區土壤生態環境提供更多的選擇和解決方案.

1 實驗部分

1.1 實驗材料與設計

將塊狀土樣自然風干后研磨成粉末狀，并過2 mm篩網備用.

選取黑麥草、剪股穎、百慕大三種植物種子.實驗按照不同植物分為3組，每種植物分為干旱組和生長組，分別做3組平行，每盆20顆種子；培養結束后，將植株連帶栽培土壤整體取出浸入水中，清洗干凈根部泥土，獲得完整根系.根據實驗需求收樣測定相關指標.

1.2 實驗方法

1.2.1 萌發實驗

分別將三種植物種子種入上口12 cm、高8.7 cm、底徑6.9 cm的敞口花盆中，每組加入500 g相應土樣.

將種子種植在上述處理組后進行恒溫培養，每日用噴霧進行澆水，并觀察記錄植物萌發情況，待植物萌發后進行下一步實驗.

1.2.2 正常生長實驗

萌發實驗結束后，對三種植物中各自的生長組進行培養，持續每日用噴霧澆水，每7天測量植物生長狀況（記錄株高）并拍照，萌發后四周測量植物株高以及生物量與含水率并拍照記錄.

1.2.3 干旱實驗

萌發試驗后，對三種植物各自的干旱組統一一次澆水80 mL，使得土壤含水率為57%～60%，7天后土壤含水率顯著降低為13.79%～19.3%，開始呈現干旱脅迫狀態，到收獲期土壤水分含量降低為2.7%～3.8%，期間詳細記錄植物生長狀態（植物株高、生物量等）.

1.3 測定方法

使用30 cm刻度尺測量植株高度，三種植物每組每次測量3個數據，取平均值；用電子天平測量鮮重，記錄數據；鮮重測量完成后放入烘干機，烘干至恒重，用電子天平測量干重，利用干重和鮮重計算植物含水率；植物體（根和葉）中的Cd、Pb、Zn含量先使用10 mL濃硝酸消解后，使用火焰原子吸收分光光度計進行測定；對土壤樣品研磨，用消解爐消化，收集濾液，采用ICP-MS （Agilent 7500a，California，USA）測定Cd、Pb和Zn的含量［18］，表1為原土壤中重金屬含量.根據植物和土壤中HMs含量，計算植物生物富集系數（BCF）.

1.4 數據統計與分析

利用SPSS 24.0軟件對實驗數據進行初步整理，使用Duncan多重檢驗分析顯著性，所有檢驗的Plt;0.05均有統計學意義，使用Origin 2022進行數據繪圖.

2 結果與討論

2.1 不同生長條件對植株生長的影響

2.1.1 不同生長條件對植物株高的影響

與正常生長相比，干旱嚴重抑制三種植物的生長.并且黑麥草的株高高于剪股穎，其次兩者均高于百慕大.由圖1可知，與干旱組相比，黑麥草的株高是干旱條件下株高的1.38倍；剪股穎株高是干旱條件下株高的1.3倍；百慕大株高是干旱條件下株高的1.31倍.從株高的角度分析，黑麥草的生長更具有優勢.因為，株高越高，越容易保持土壤水分不被揮發流失掉，有利于維持土壤水分［19］.綜上所述，無論正常生長還是干旱生長，黑麥草的株高均高于剪股穎與百慕大，且利于土壤水分的保持，耐旱性較好.

2.1.2 不同生長條件對植株生物量的影響

由圖2可知，與正常生長條件相比，黑麥草的植物鮮重下降了53%，剪股穎的植物鮮重下降了27%，百慕大的植物鮮重下降了55%.干旱的環境條件嚴重阻礙了植物的生長.此外，干旱條件下黑麥草的鮮重顯著高于剪股穎和百慕大（Plt;0.05）；但由圖3可知，干旱生長使得黑麥草干重顯著低于剪股穎和百慕大（Plt;0.05），可見干旱顯著影響了黑麥草的生物量.以上結果說明，黑麥草在干旱條件下能夠保持更多的自由水參與自身的代謝活動，維持生長［20］.

2.1.3 不同生長條件對植株含水率的影響

水分是影響植物生長的重要環境因素之一，當植物受到外界脅迫時，植物體內的水分會影響植物的生長［21］.由圖4所示的不同生長條件下植物含水量可知，正常生長條件下植物含水率均高于干旱生長，正常生長時，三種植物的含水率均在80%左右，其中剪股穎含水率最高，達84.56%，百慕大含水率最少，為79.83%；干旱條件下，黑麥草的含水率最高，為65.70%，說明在干旱條件下，黑麥草的保水能力較好，能更好的應對干旱環境脅迫.

2.2 不同植物應對干旱脅迫的響應

由于干旱生長顯著降低了生物量與植株高度，從而使得植物生長受到抑制［22］.與正常條件相比，干旱顯著增加了剪股穎和百慕大草的葉綠素含量（P＜0.05），說明植物可以通過調節葉綠素含量來抵御干旱環境脅迫［23］.由圖5（a）可知，正常生長條件下，植物葉綠素的含量依次是黑麥草＞百慕大＞剪股穎，干旱處理使得剪股穎與百慕大的葉綠素含量均高于正常生長組，說明二者應對干旱脅迫較為敏感.而干旱條件下黑麥草的葉綠素含量與正常生長相比無顯著性變化（P＞0.05），說明干旱脅迫未達到其環境耐受閾值，抗干旱能力更強.

MDA與EC是植物應激誘導細胞氧化損傷的指標［24］，干旱顯著誘導植株MDA含量和EC上升.由圖5（b）可知，黑麥草的MDA含量是正常生長的2.15倍，變化最大，剪股穎的MDA含量是正常生長的1.74倍，百慕大的MDA含量是正常生長的1.86倍.EC研究結果與MDA含量變化一致，說明干旱脅迫對黑麥草的MDA含量與EC的影響最大，可能引發黑麥草膜脂過氧化作用，導致生物膜系統被破壞［25］.

2.3 不同植物對重金屬的富集能力

從圖6可以看出，三種植物對Cd、Pb、Zn都有較好的去除效果，但是干旱處理后，三種植物中Cd的含量顯著低于正常生長植物體內的重金屬含量（P＜0.05），干旱生長條件下，三種植物中Cd的含量分別下降了63%、50%、53.5%；黑麥草和百慕大草中Pb的含量分別下降了28.8%、32.8%，二者中Zn的含量分別下降了4.9%、1.8%，而剪股穎中Pb和Zn的含量分別上升了10.7%、2.3%.由于鳳縣土壤中各HMs的環境背景值不同，Cd、Pb和Zn的背景值分別為2.19 mg·kg-1、36.08 mg·kg-1和172.38 mg·kg-1（如表1所示）.因此，在兩種生長條件下，黑麥草中Zn的含量是最高的，說明黑麥草具有較好的Zn富集的能力.

在正常生長條件下，不同植物對Cd和Pb的富集能力無顯著性差異.從圖7所示的富集系數可以看出，在正常生長條件下，三種植物對Cd均具有較好的富集效果，富集系數均大于0.5，依次表現為黑麥草＞剪股穎＞百慕大.干旱處理后，三種植物Cd的富集系數均顯著降低（P＜0.05），但對Pb和Zn的富集系數并無顯著影響.與其他重金屬相比，黑麥草具有更高的鎘富集能力，富集系數為0.98.綜合評判黑麥草對HMs具有相對較高的富集能力.

2.4 種植后植物土壤中重金屬的去除情況

植物體內HMs的積累與土壤中HMs的含量呈正相關［26］.本研究中，黑麥草，剪股穎，百慕大對重金屬都有較好的積累能力，干旱條件顯著抑制了植物對HMs的積累.由前述表1可知，由于鳳縣土壤中不同HMs環境背景值不同，因此植物體內HMs的含量也不同.含量依次表現為Zn＞Pb＞Cd（如表1所示）.因此，三種植物中Zn的含量最高，其次是Pb和Cd.由圖8可知，種植植物后干旱生長條件下土壤HMs含量顯著高于正常生長條件下土壤HMs含量，說明干旱顯著抑制了植物對于HMs的吸收.

從圖9所示的土壤中HMs的去除率可以看出，在干旱生長條件下三種植物對土壤中的Cd均有較好的去除率，尤其是黑麥草對Cd的去除率高達50%以上，剪股穎與百慕大草對Cd的去除率也在40%左右.相反，正常生長時，百慕大對土壤HMs的去除率最高為37.5%，其次是剪股穎與百慕大草，去除率分別為27.8%和22.6%.三種植物干旱生長條件下對三種HMs的去除率顯著高于正常生長（P＜0.05），可能是由于土壤水分影響了HMs在環境中的遷移，從而影響HMs的生物有效性［20］.

適合礦區土壤修復的植被應具有超富集HMs的能力，并且表現出對干旱環境脅迫的耐受性［27］，本研究中黑麥草表現出良好的耐旱能力，并且在干旱生長條件下對HMs的富集能力是最強的，說明黑麥草對于鳳縣礦區土壤修復具有更好的應用前景.

3 結論

植物修復已被證明是恢復礦區土壤質量的一種可行的、成本較低、效益較好的策略.利用本地植物進行修復具有較好的優勢，因此確定合適的植物物種進行有效的植物修復至關重要.通過上述研究，成功篩選出適合鳳縣HMs污染土壤修復的植物，進行綜合分析與對比后發現黑麥草能更好的富集土壤HMs，達到去除土壤中HMs的效果.首先，在不同生長條件下，黑麥草的生長狀況顯著優于剪股穎與百慕大，耐旱性較好，更利于土壤水分的保持.其次，黑麥草對重金屬Cd的富集能力是最強的.本研究證明黑麥草對于鳳縣礦區Pb、Zn和Cd污染土壤具有更好的修復效果.

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【責任編輯：陳 佳】