湘南东湘桥锰矿废弃地植物资源调查与重金属富集植物筛选

高陈玺，李 川，彭 娟，苏 迪

（重庆工商大学 环境与生物工程学院，重庆 400067）

在现代工业中，锰及其化合物应用于国民经济的各个领域。截至2007年底，我国锰矿查明资源储量79 293.5万t，其中基础储量22 443.7万t，资源量为56 849.8万t。查明的资源储量主要集中在广西、湖南、云南、贵州、辽宁和重庆，六省（区、市）合计资源储量为69 485.8万t，占全国锰矿查明资源储量总量的87.6%［1］。虽然锰矿资源丰富，但湘南地区在锰矿废弃地生态恢复及其研究方面仍然欠缺。矿业废弃地是指因采矿活动所破坏和占用的、未经一定治理而无法使用的土地，包括排土场、尾矿坝、废石堆、采空区和塌陷区等［2］。矿山废弃地土壤结构性差，极端p H值，重金属含量较高，有机质含量及植物必需的养分元素缺乏，很不利于植物生长和其他生物活动，生态环境恢复十分困难［3－5］。但某些特殊的金属型植物（metallophytes）由于自然选择的作用，往往能在重金属污染严重的土壤中良好地生长［6］，且这些植物在重金属污染土壤上能富集重金属，用于土壤重金属污染的治理。因此，研究采矿废弃地上的植物并筛选后加以有效利用，可以弥补超积累植物缺乏的不足，为植物修复技术的普遍应用提供必要物质保证［7］。通过调查了湘南东湘桥锰矿区废弃地上自然生长和人工种植的植物，并对主要优势植物及所在土壤进行采样、分析和探讨，以期为湘南金属矿山废弃地的生态恢复和植被重建提供科学依据。

1 研究地区与研究方法

1.1 自然概况

以东湘桥锰矿区为研究对象。东湘桥锰矿位于距离湖南省零陵区约39 km的珠山镇。地理位置为北纬26°03′54.16″，东经111°21′56.12″，属中亚热带大陆性季风湿润气候区，气温较高，严寒期短，夏热期长，春温多变，寒潮频繁；春季多雨，夏秋多旱；光照充足，无霜期长，四季分明。大部分地区年平均气温17.6～18.5℃，无霜期286～311 d，日最低气温0℃以下的只有8～15 d，多年平均降雪日数4～11 d，极端最低气温在－4.9～8.4℃。日平均气温≥10℃的积温达6 450～6 800℃；多年平均日照时数1 384～1 688 h，太阳总辐射量101.5～113千卡／cm2；多年平均降水量1 280～1 530 mm。珠山镇属零祁盆地的一部分，地势低平开阔。原始植被以亚热带常绿、落叶阔叶混交林为主，具有植物丰富，盖度高的特点。

1.2 研究方法

分别于2011年9月、2011年10月和2011年11月对东湘桥锰矿区进行了植被的实地调查和采样。选取样地的范围基本覆盖了整个矿区的不同类型，包含了矿渣堆积区、尾矿区、恢复区等区域。首先，记录大小样地生长的植物种，包括自然生长与人工种植的植物，并对其丰富度进行了统计。采集矿区每个区域的主要优势植物，包括自然定居和人工大面积种植的植物。为提高样品的代表性，在采集植物的根、茎叶时均采自较大范围内多株植物，并采集一定的幼嫩部分和成熟部分，组成混合样，采集量1～2 kg，且在对应的取样植物根部周围进行土壤取样，以获取土壤Mn背景值，取样深度为0～20 cm。将采回的植物样品用自来水将表面的泥土冲洗掉，再用去离子水清洗3次；晾干后用切碎，装在信封中，在80～90℃杀青30 min后，在60℃的烘箱中烘至恒重（大约3 d），测其水分含量。将烘干样品粉碎，过100目尼龙筛，装在聚乙烯塑料袋中，储于干燥器内以备测定。准确称量通过100目筛烘干至恒重的植物样品1.000 0～5.000 0 g植物样品采用湿法消解法（浓HNO3＋和H2O2）消解，冷却后取出消化液，过滤、加去离子水定容到10mL。土壤样品采用HNO3－HF－HClO；消解，定容并摇匀作为待测液。消解后的样品用原子吸收分光光度法（AA－7020型）测定Cu、Cr、Cd、Pb、Zn、Mn的含量。

1.3 数据处理

数据分析用SPSS11.5和Excel2003完成。

2 结果与分析

2.1 植物资源调查

调查的所有样地共记录到植物32科52属54种，详见表1。为典型的亚热带植物类群，以菊科、禾本科、蔷薇科居多，菊科7种，占所列物种的12.96%，禾本科和蔷薇科均为5种，各占9.26%。54种植物中，自然定居46种，占85.19%，人工种植8种，占14.81%。自然定居物种分布范围较广，在未开采区、开采区、尾矿坝、恢复区和矿渣堆均有分布，大多为经济价值低的一年生或多年生草本。人工种植物种主要分布在恢复区，以果树和蔬菜作物为主。山茶科的翅柃，菊科的苍耳，桃金娘科的大叶桉，商路科的商路，禾本科的狗牙根和芒草，蔷薇科的金樱子和粗叶悬钩子，漆树科的盐肤木，大戟科的算盘子和白背叶，百合科的菝葜，莎草科的莎草，在废弃时间1～3年的锰矿区废弃地比较常见。大风子科的柞树，竹科的翠竹，茶科的茶子树，薯蓣科的薯蓣，柿树科的柿在废弃时间3～5年的锰矿区废弃地比较常见。其它所列植物在恢复期5年以上的锰矿废弃地比较常见。萝卜、胡萝卜、甘薯、豇豆、茄子、辣椒为附近居民的人工种植蔬菜，种植土壤为矿区高锰含量的土壤。矿区植物中草本为30种，占总植物种的55.56%，乔木与灌木为占24种，占总物种数的44.44%。物种以优势种与常见种居多，少部分为偶见种。从调查中发现锰矿区经过多年的开采，原有的常绿阔叶林彻底被破坏，现正处于向亚热带常绿阔叶林演替的草灌丛初级阶段。

表1 锰矿废弃地上的主要植物种类

2.2 植物对重金属的富集能力测试

选取矿区废弃地恢复区主要优势植物18种（自然生长16种，人工种植2种），测定其各自所在土壤中的重金属含量（详见表2）和植物中的重金属元素质量比（详见表3）。依据实验所得植物地上（茎叶）与地下部位（根）及土壤Mn含量，得出植物富集与运转Mn能力的大小（表3）。总体而言，植物体内Mn质量比最高，趋势为ω（Mn）＞ω（Zn）＞ω（Pd）＞ω（Cu）＞ω（Cr）＞ω（Cd）（ω表示该种金属的质量比，mg／kg）。从ω（Mn）来看，较高的有蓼草、商陆、白背叶、悬钩子、翅柃、柞树、算盘子、阴香、薯蓣，而且地上部分的值大于地下部分，均表现为叶＞ 茎＞根，说明这些植物长期生长在含Mn比较高的土壤环境中，其本身可能具有或已经对Mn形成耐性，并具有较强的从根部向地上部运输的能力，适合锰矿废弃地的生态恢复。

表2 锰矿区土壤中各种重金属质量比 mg／kg

2.3 筛选结果与讨论

生物富集系数（bioaccumulation coefficient，BC）是指植物体内某种重金属元素与土壤中同种重金属质量比的比值。富集系数越大，富集能力就越强。如表3所示，矿区植物对Pb、Zn、Cu、Cr的富集能力较弱，富集系数BC均＜1。对Mn富集较强的白背叶、商路、悬钩子、蓼草，富集系数分别为1.62，1.07，1.24，2.75。这些植物的 Mn富集系数均＞1，且植物地上部分 Mn质量比＞10 000 mg／kg的临界标准，表现出较强的富集Mn的能力。

表3 矿区主要优势植物的重金属质量比及富集系数 mg／kg

续表3

Mn是植物生长必需的微量元素，正常土壤中生长的植物Mn质量比一般在20～500 mg／kg范围内变动。一些生长在富锰矿区和低锰土壤上的植物 Mn质量比为1 000～5 000 mg／kg［8］。而通过对18种优势植物进行富集能力测试可知，湘南东湘桥锰矿区的白背叶、商路、悬钩子、蓼草富集系数均＞1，且植物地上部分 Mn质量比＞10 000 mg／kg的临界标准，显示出了超强的Mn富集能力，考虑到白背叶和悬钩子的叶片绒毛吸附，尚不能认定为超富集植物，蓼草、商陆是Mn污染土壤植物修复的理想物种，特别是蓼草，其叶片对Mn的富集系数达到了2.75。白背叶、算盘子和商路对Mn的吸收和吸附能力强且在锰矿恢复初期的废弃地分布范围广、生长较快、数量较多，并能形成局部小群落，而且能适应土壤中重金属元素较多的环境和废弃地的贫瘠、养分不均衡、干旱等不良因子，可考虑作为先锋植物对废弃地土壤进行修复。而薯蓣虽然没有达到植物地上部分Mn质量比＞10 000 mg／kg的临界标准，富集系数仅为0.35，但富集能力较强且生物量大，为缠绕草质藤本，可用于固定矿区尾矿渣等松散容易水土流失区域的土壤。云实虽为矿区废弃地偶见种，但考虑到云实生物固氮作用，在矿区废弃地修复后期，可运用于改善土壤土质。

根据GB 2762－2005中关于食品中污染物限量的标准，辣椒中Pb质量比不应超过0.1 mg／kg，Cd质量比不应超过0.05 mg／kg，Cr质量比不应超过0.5 mg／kg，萝卜中Pb质量比不应超过0.1 mg／kg，Cd质量比不应超过0.1 mg／kg，Cr质量比不应超过0.5 mg／kg。而通过对人工种植的经济作物辣椒和萝卜的实验监测，发现其食用部分重金属均超标。例如，辣椒果实中Pb、Cd、Cr的质量比分别为14.7，0.8，2.1 mg／kg，萝卜根中Pb、Cd、Cr的质量比分别为13，0.8，3.8 mg／kg。故矿山恢复早期不宜直接种植食用经济作物，以免矿区重金属元素通过食物链进入人体危害健康。

通过对湘南东湘桥锰矿区植被资源的调查与分析，发现典型的亚热带常绿阔叶林在过去几十年开采过程中彻底被毁，当前形成的为典型的亚热带植物类群，正处于以多年生灌草丛群落为主的演替初级阶段，随着土壤条件逐步被改善，大量物种将陆续出现，最终演替为亚热带常绿阔叶林。植被破坏后的演替可视为原生演替［9］。原生演替的物种主要通过土壤潜在物种库待环境改善后萌发成为植株，以及矿区周围生态系统物种在风、水、动物取食等自然力量及人类耕作等人类活动下被带到污染区扩散生长［10］。对受重金属污染严重的矿区而言，由于自然选择的结果，使得这些植物已经能够很好地适应特殊生境，耐受干旱、贫瘠，以及重金属的胁迫［11］。湘南东湘桥锰矿区属于Mn中－高污染区，该矿区形成近半个世纪，存活下来的植物都能正常完成生活史，因此，湘南东湘桥锰矿区所调查的54种植物均可作为锰矿废弃地修复的植物资源库。

从湘南东湘桥锰矿区所调查的54种植物中，选取18种主要优势植物，对其富集与运转重金属能力的分析，结果发现植物体各组织吸收与富集重金属含量的不一致性。从表2和表3可知，盐肤木、辣椒等植物地下部分Mn含量高于地上部分，表现出一般植物所具有的特征；而蓼草、商陆、白背叶、悬钩子、翅柃、柞树、算盘子、阴香、薯蓣等植物地上部分Mn含量高于地下部分，表现出其特殊的富集重金属特征。产生这种结果的原因在于：（1）重金属Mn主要通过根吸收进入植物体内，因此有些植物根部重金属Mn含量高于茎叶；（2）白背叶、商路等物种吸收的重金属Mn在其体内由地下部分向地上部分转移率较高，从而使得茎叶中Mn含量高于根部；（3）锰矿区附近冶炼厂排放的金属颗粒物尘降吸附于植物叶面，从而导致茎叶也具有较强的Mn富集能力［12］。调查中发现，悬钩子、白背叶植物叶片表面粗糙有绒毛，极易吸附空气中的重金属颗粒等特点，且在实验清洗步骤中难以清洗干净可能是导致其茎叶中Mn含量高的重要原因。

从表2和表3的筛选研究中还发现，18种优势植物的富集重金属Mn能力存在显著差异。如在相同土壤环境中的蓼草等地上与地下部位Mn含量差异明显，而芒草等地上与地下部位Mn含量差异较小，体现了物种富集重金属能力大小的差异性。

另外，从筛选试验结果可知，采于重金属高浓度土壤中的植物重金属含量明显高于重金属低浓度土壤中植物，表明土壤浓度与植物吸收重金属的能力正相关。

3 结论

对湘南湘南东湘桥锰矿区的植物资源进行调查，调查的所有样地共记录到植物32科52属54种。从54种植物资源中选取矿区废弃地恢复区主要优势植物18种。通过测定其各自所在土壤中的重金属含量和植物中的重金属元素含量，计算植物的生物富集系数，筛选对矿区Mn具有超富集能力的植物。结果表明，对Mn富集较强的白背叶、商路、悬钩子、蓼草，富集系数分别为1.62，1.07，1.24，2.75，可以用于对锰矿区废弃地的金属富集。而矿区种植的辣椒果实、萝卜根中Pb、Cd、Cr的含量均超过GB 2762－2005中关于食品中污染物限量的标准，因此矿山恢复早期不宜直接种植食用经济作物，以免矿区重金属元素通过食物链进入人体危害健康。本文的研究结果可以为废弃锰矿区植物修复中超富集植物的选择提供技术支持。

［1］王尔贤.中国的锰矿资源［J］.电池工业，2007，3（2）：184－188.

［2］李永庚，蒋高明.矿山废弃地生态重建研究进展［J］.生态学报，2004，24（1）：95－100.

［3］SHU Wen－sheng，YE Zhi－hong，ZHANG Zhi－quan，et al.Natural colonization of plants on five lead／zinc mine tailings in Southern China［J］.Restoration Ecology，2005，13（1）：49－60.

［4］WONG Ming－hong.Ecological restoration of mine degraded soils，with emphasis on metal contaminated soils［J］.Chemosphere，2003，50：75－78.

［5］YE Zhihong，SHU Wensheng，ZHANG Zhiquan.Evaluation of major constraints to revegetation of lead／zinc mine tailings using bioassay techniques［J］.Chemosphere，2002，47：1 103－1 111.

［6］ERNST W H O，SHAW A J.Heavy metal tolerance in plants：Evolutionary aspects［M］.Florida：CRC Press，1989：21－38.

［7］张 溪，周爱国，甘义群，等.金属矿山土壤重金属污染生物修复研究进展［J］.环境科学与技术，2010，33（3）：106－112.

［8］刘 恒，薛生国，何哲祥，等.锰超富集植物种质资源及耐性机制研究进展［J］.环境科学与技术，2011，34（6）：98－103.

［9］张 玲，方精云.秦岭太白山4类森林土壤种子库的储量分布与物种多样性［J］.生物多样性，2004，12（1）：131－136.

［10］孙书存，陈灵芝.东灵山地区辽东栎种子库统计［J］.植物生态学报，2000，24（2）：215－221.

［11］易 锋，王宏镔，高建培，等.砷矿区植物对重金属的吸收和富集特征［J］.安全与环境学报，2011，11（4）：14－22.

［12］李有志，罗 佳，张灿明，等.湘潭锰矿区植物资源调查及超富集植物筛选［J］.生态学杂志，2012，31（1）：16－22.