高寒干旱区乡土植物重金属富集性的研究

罗少辉 聂秀青 盛海彦 卢素锦 田丰 刚存武

摘要：针对高寒干旱地区某有色金属冶炼区及周边地区可能出现的土壤重金属污染问题，实施了该研究区土壤和乡土植物的取样、重金属含量测定工作，分析评价了土壤污染现状，并筛选出了对重金属富集性强的乡土植物。结果表明，该有色金属冶炼区的土壤存在锌、镉的污染。具有富集锌、镉能力的乡土植物有11种，其中对污染土壤具备修复能力的乡土植物为刺儿菜与巴天酸模。

关键词：乡土植物；重金属；富集；高寒干旱地区

中图分类号：X825；X503.23；P941.71 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2013）08-1848-05

植物修复技术作为一种对环境无污染且成本较低的绿色生态保护技术，受到世界各国科学家的普遍关注[1]。近年来，国外在筛选各类耐性植物的研究工作中，取得了不少成果，Jaffre等[2]首次使用“重金属富集植物”这一术语，Brooks等[3]随后又提出了“超富集植物”的概念。虽然我国对自然界现存的富集、超富集植物的发现和人工筛选起步较晚，但目前也取得了一系列成果[4-6]，尤其是在一些矿区发现了对铅、锌、镉等重金属具有超富集能力的植物，并在筛选方面取得了一定的成就[7-10]。

青海省多目标区域地球化学调查发现，在位于北纬36°32′02″-36°35′39″、东经101°30′42″-101°32′25′的区域（某有色金属冶炼工业园区，以铅、锌、铝等有色金属和镍、铟、金、银等贵重金属加工以及化肥、盐化工产业为主）存在土壤重金属元素含量异常情况，土壤重金属污染程度不容乐观。针对该区域及周边地带可能出现的土壤重金属污染问题，课题组进行了实地土壤和乡土植物的取样及重金属测定等研究工作，分析评价了土壤污染现状，并筛选重金属富集性强的乡土植物；通过对该区域土壤污染现状进行评价和主要乡土植物的重金属富集性比较，旨在为重金属富集植物的筛选和污染土壤的修复提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 采集地简况

该有色金属冶炼区位于湟水河支流甘河的河谷内，海拔2 576～2 846 m，年平均气温1.6～4.3 ℃，全年无霜期136～150 d，多年平均降水量375 mm，多年平均蒸发量为1 452 mm，年均日照时间2 586 h，日照百分率达59%，属半干旱内陆高原气候。

1.2 土壤样品的采集与重金属测定方法

在该有色金属冶炼区及其周边地带采用梅花形布点法实施野外取样，取5点混合样，每个采样点分别采集表层或耕作层（0～20 cm）的土壤，共采集土壤样品20份。样品带回青海大学农牧学院实验室后，先将土样风干，再用玛瑙研钵研磨，过0.25 mm的尼龙筛后保存待测。测定时，先用HCl-HNO3-HClO4消煮土壤样品，再用OPTIMA 2000-电感耦合等离子体发射光谱仪（美国珀金埃尔默有限公司）测定土壤样品中的重金属含量。

1.3 乡土植物的采集与重金属测定方法

乡土植物采集地位于北纬36°32′58″、东经101°32′23″区域，该地土壤中的pH为7.98，锌含量平均为758 mg/kg、镉含量平均为3.60 mg/kg。在植株生长期内进行植株样品的采集，共采集花、果实、种子齐全的植物32种，每种植物根据植株的大小分别采集5～10株。将野外采回的植物样品清洗干净，分离地上部与地下部，然后分别烘干、称重、粉碎，制备待测样。采用微波消解ICP-AES（Inductively coupled plasma optical emission spectrometer）法[11]测定植物中的重金属含量。

1.4 污染程度评价

污染程度用单因子污染指数法[12，13]评价，单因子污染指数的计算公式为：

Pi=Ci/Si；

式中，Pi为污染指数，Ci为污染物实测值，Si为污染物评价标准，i表示某种污染物。分级标准方面，Pi≤1，为非污染；13，则属重度污染。

1.5 乡土植物对重金属的富集系数与转移系数

富集系数（Bioconcentration factor，BCF）是指植物体内的重金属含量与土壤中相应重金属含量之比[5]，可表示植物富集、浓缩、积累、放大和吸收重金属能力与程度的数量关系，在一定程度上反映着土壤-植物系统中重金属迁移的难易程度，说明了重金属在植物体内的富集水平，体现了植物对重金属富集能力的强弱。对于转移系数（Translocation factor，TF）而言，它是植物地上部某元素含量与地下部某元素含量之比，用来评价植物将重金属从地下部向地上部运输和富集的程度，显示了植物将吸收的重金属从根系转运到地上各器官部位的能力[14]。

富集系数=植物体内重金属含量/土壤重金属含量，

转移系数=地上部重金属含量/地下部重金属含量。

2 结果与分析

2.1 有色金属冶炼区土壤重金属含量及污染状况

对该有色金属冶炼区土壤样品采集地的各样品铬、铜、锌、砷、镉、铅等重金属含量分别进行了测定，其测定结果和青海省土壤环境的背景值[15]对比情况见表1；污染程度见表2，其中单因子污染指数在计算时采用文献[16]中评价标准二类中的pH>7.5的数值。由表1、表2可知，样品的变异系数分布在26.2%～85.7%，其中锌、镉的变异系数都较大，表明人为的干扰较大。土壤中锌含量变化范围为97.2～1 965.6 mg/kg，平均值为540.3 mg/kg，远远超过了青海省土壤环境背景值88.5 mg/kg的水平；其单因子污染指数变化范围是0.324～6.552，部分地区为重度污染，平均值为1.945，整体表现出中度污染。土壤镉含量变化范围为0.2～6.7 mg/kg，平均值为2.2 mg/kg，也是远远超过了青海省土壤环境背景值0.2 mg/kg的水平；其单因子污染指数变化范围是0.333～11.167，平均值为3.973，整体表现出重度污染。

2.2 有色金属冶炼区乡土植物的重金属富集情况

将采集回来的32种乡土植物处理后，对每种植物的地上部和地下部分别测定了重金属含量，其中生物量相对较大的17种乡土植物的锌、镉含量统计数据见表3。重金属超富集植物的确认应满足植物地上部的重金属含量高于地下部含量这一条件[17]，同时植物体内的重金属含量应高于土壤的重金属含量。由表3可见，锌、镉富集系数和转移系数均大于1的植物有蒲公英、鹅绒委陵菜、刺儿菜、节节草、艾蒿、二裂叶委陵菜、平车前、大车前、黄花蒿、聚头蓟、巴天酸模，共计11种植物，说明这些植物均可作为重金属土壤修复的先锋植物或耐性植物。

2.3 有色金属冶炼区乡土植物的重金属含量

将富集系数和转移系数均大于1的11种乡土植物的生物量及重金属锌、镉含量的统计结果列于表4，由表4可知，重金属锌在植物体内的含量高低顺序依次为刺儿菜、巴天酸模、艾蒿、聚头蓟、鹅绒委陵菜、黄花蒿、二裂叶委陵菜、节节草、蒲公英、平车前、大车前，其中单株刺儿菜与巴天酸模植株体内的重金属锌含量分别为83.74、60.32 mg，分别是艾蒿的3.88、2.80倍。重金属镉在植物体内的含量高低顺序依次为刺儿菜、巴天酸模、艾蒿、聚头蓟、黄花蒿、鹅绒委陵菜、二裂叶委陵菜、大车前、节节草、平车前、蒲公英，其中单株刺儿菜与巴天酸模植株体内的重金属镉含量分别为797.51、510.75 μg，分别是艾蒿的3.76、2.41倍。刺儿菜与巴天酸模体内的重金属含量明显高于其他9种乡土植物的重金属含量，这在重金属污染土壤的修复过程中将具有利用价值。

综合表3数据，发现各植物地上部的锌、镉绝对含量均未达到超富集植物的标准值水平[18]，超富集植物的标准值水平为植物地上部干重的锌含量为10 000 mg/kg、镉含量为100 mg/kg；因此严格来说，这些乡土植物均没满足超富集植物的要求。究其原因，可能是污染区土中的锌、镉污染程度与其他污染严重的地区相比仍属较轻水平，以致植物中的富集量相对较低[19-21]。不过这些乡土植物中的大部分仍表现出了很强的富集能力，与植物体内的锌正常含量1～160 mg/kg、镉正常含量0.2～0.8 mg/kg相比高出了几十倍[19]。并且对于元素锌而言，刺儿菜的富集系数为4.03、转移系数达3.54，巴天酸模的富集系数为3.92、转移系数达5.31；对于元素镉而言，刺儿菜的富集系数为8.03、转移系数是2.90，巴天酸模的富集系数为7.43、转移系数达11.34，2种植物对土壤重金属的富集与转移能力均远大于1的标准，因此刺儿菜与巴天酸模具备将土壤中的重金属锌与镉从土壤里高效地吸收、转移到地上来的能力。

3 小结与讨论

1）通过对青海省某有色金属冶炼区土壤重金属含量的测定与分析，表明该区土壤存在重金属污染，其中重金属污染元素主要为锌、镉，其含量分别为540.3 mg/kg±463.3 mg/kg、2.2 mg/kg±1.7 mg/kg。

2）对当地乡土植物重金属富集能力的研究表明，当地对土壤重金属锌、镉具有较好富集能力的植物有刺儿菜、巴天酸模、鹅绒委陵菜、艾蒿、聚头蓟、黄花蒿、蒲公英、平车前、二裂叶委陵菜、大车前、节节草一共11种。已有研究表明，刺儿菜对镉单一污染具有较强的污染耐受性与富集特性；蒲公英等植物在沈阳市对土壤重金属镉污染有较好的富集效果[5，22]。植物对重金属的富集能力可能是本身具有的一种特性，与其遗传基因存在相应的关系，这对于研究土壤重金属富集植物的筛选以及作用机理探讨有着重要的意义[23，24]。

3）综合考虑青藏高原的气候具有辐射量大、日温差大、降雨量小、蒸发量大、气候干燥的特点[25]，我们认为当地不宜引种外地植物来实施该地区土壤重金属污染的修复，而应当在乡土植物中选择；如在试验里发现的富集系数和转移系数均大于1的11种乡土植物中，刺儿菜与巴天酸模对污染土壤中的锌、镉的富集系数与转移系数均远远大于1，2种植物体内积累的从土壤中吸收的重金属含量远高于其余的9种植物；刺儿菜与巴天酸模在青海省各地繁殖容易，生长期短，抗病能力强等，符合现在几乎公认的超富集植物应具备的特征[17，26-28]。因此刺儿菜与巴天酸模是适宜该地区土壤锌、镉污染修复的乡土植物。

参考文献：

[1] 周启星.污染土壤修复的技术再造与展望[J]. 环境污染治理技术与设备，2002，3（8）：36-39.

[2] JAFFR？魪 T，BROOK R，LEE J，et al. Sebertia acuminala：A hyperaccumulater of nickel from New Caledonia[J]. Science，1976，193（4253）：579-580.

[3] BROOKS R R， LEE J， REEVES R D， et al. Detection of nickeliferous rocks by analysis of herbarium specimens of indicat or plants [J]. J Geochem Explor，1977，7：49-57.

[4] 顾继光，周启星.镉污染土壤的治理及植物修复[J]. 生态科学，2002，21（4）：352-356.

[5] 魏树和，周启星，王 新.18种杂草对重金属的超积累特性研究[J]. 应用基础与工程科学学报，2003，11（2）：152-159.

[6] 熊愈辉，杨肖娥，叶正钱，等.东南景天对镉、铅的生长反应与积累特性比较[J].西北农林科技大学学报（自然科学版），2004，32（6）：101-106.

[7] 范洪黎，周 卫.镉超富集苋菜品种（Amaranthus mangostanus L.）的筛选[J]. 中国农业科学，2009，42（4）：1316-1324

[8] 刘秀梅，聂俊华，王庆仁.6种植物对Pb的吸收与耐性研究[J].植物生态学报，2002，26（5）：533-537.

[9] 叶海波，杨肖娥，何 冰，等.东南景天对锌、镉复合污染的反应及其对锌、镉吸收和积累特性的研究[J].农业环境科学学报，2003，22（5）：513-518.

[10] 苏德纯，黄焕忠.油菜作为超累积植物修复镉污染土壤的潜力[J].中国环境科学，2002，22（1）：48-51.

[11] 刘 雷，杨 帆，刘足根，等.微波消解ICP-AES法测定土壤及植物中的重金属[J].环境化学，2008，27（4）：511-514.

[12] 许 光，章巧秋，姬丙艳，等.青海民和-海石湾一带土壤重金属异常生态效应评价[J].现代地质，2011，25（5）：1008-1012.

[13] 徐世清，徐文峰，王泉源. 杭州城区河道底泥重金属污染及潜在生态风险评价[J]. 四川环境，2011，30（4）：36-43

[14] 徐 慧，张银龙.重金属污染废弃地修复植物种类的筛选与评价[J].污染防治技术，2009，22（1）：44-48，55.

[15] 中国环境监测总站. 中华人民共和国土壤环境背景值图集[M].北京：中国环境科学出版社，1994.26-39，46-47，54-55.

[16] GB 15618-1995，土壤环境质量标准[S].

[17] MATTINA M I， LANNUCCI-BERGER W， MUSSANTE C， et al. Concurrent plant uptake of heavy metals and persistent organic pollutants from soil[J]. Environmental Pollution，2003， 124（3）： 375-378.

[18] BAKER A J M， BROOKS R R， PEASE A J. Studies on copper and cobalt tolerance in three closely related taxa within the genus Silence L. （Caryophyllaceae） from Za？觙re[J]. Plant and Soil，1983，73（3）：377-385.

[19] 刘月莉，伍 钧，唐 亚，等.四川甘洛铅锌矿区优势植物的重金属含量[J]. 生态学报，2009，29（4）：2020-2026.

[20] 杨肖娥，龙新宪，倪吾钟，等.东南景天（Sedum alfredii Hance）一种新的锌超积累植物[J]. 科学通报，2002，47（13）：1003-1006.

[21] 刘 威，束文圣，蓝崇钰.宝山堇菜（Viola baoshanensis）一种新的镉超富集植物[J].科学通报，2003，48（19）：2046-2049.

[22] 魏树和，周启星，王 新，等.杂草中具重金属超积累特征植物的筛选[J].自然科学进展，2003，13（12）：1259-1265.

[23] 周启星，程 云，张倩茹，等.复合污染生态毒理效应的定量关系分析[J].中国科学（C辑：生命科学），2003，33（6）：566-573.

[24] 周启星.污染生态化学研究与展望[J]. 中国科学院院刊，2003，18（5）：338-342.

[25] 贾红莉，白彦芳，时兴合，等. 黄河、湟水河谷和环青海湖地区以及柴达木盆地40年气候变化的统计分析[J].青海环境，2005（2）：15-17，26.

[26] CHANNY R L， MALIK M， LI Y M， et al. Phytoremediation of soil metals[J]. Current Opinons in Biotechnology，1997，8（3）：279-284.

[27] SALT D E. Phytoextraction： Present applications and future promise[A]. WISE D L， TRANTOLO D J， CICHON E J， et al. Remediation of Hazardocus Waste Contaminated Soils[M]. New York： Marcel Dekker， 2000.729-744.

[28] BROWN S L，CHANEY R L， ANGLE J S， et al. Zinc and cadmium uptake by hyperaccumulator Thlaspi caerulescens grown in nutrient solution[J]. Soil Sci Soc Am J，1995，59（1）：125-133.