湖北铜绿山古铜矿遗址区木本植物对重金属富集能力的分析

康 薇, 鲍建国, 郑 进, 邹 涛, 闵建华, 杨裕启

〔1. 中国地质大学(武汉) 生物地质与环境地质国家重点实验室, 湖北 武汉 430074;2. 湖北理工学院 矿区环境污染控制与修复湖北省重点实验室, 湖北 黄石 435003〕

自20世纪80年代科学家提出用植物修复污染环境的构想以来，植物修复技术以其原位修复、费用低廉、不破坏环境结构以及大规模治污等优势，被视为比较具有应用前途的土壤重金属污染治理技术[1]。近年来，随着可富集Ni、Zn、Co、Mn、Pb、Cd和Cu等多种重金属的超富集植物的相继发现和各种先进理化分析测试技术的应用，植物修复已成为重金属污染土壤修复研究的热点，取得了一批有关超富集植物对重金属的吸收、转运和体内解毒机制等方面的研究成果[2-7]。然而，在国内外已经报道的700多种重金属超富集植物中，大多数还处在实验摸索阶段，较少用于大规模的环境治理工程。究其原因，除土壤中重金属的有效性差、难以被植物吸收外[8]，另一个重要的制约因素是这些超富集植物大多数为草本植物。草本植物资源丰富、生长快、适应性强，但在重金属毒害作用下，通常植株矮小、生物量低，难以获得理想的修复效果。因此，人们把植物修复的研究重点转向对重金属耐性强、生长快、生物量大并具有一定重金属富集能力的植物种类的筛选，而木本植物在这些方面的优势引起了相关研究者的关注[9-12]。

湖北铜绿山古铜矿遗址是中国古代重要的采铜和冶铜基地，距今已有3 000多年的历史；该遗址区地面堆积的古炉渣超过40×104t，分布范围约2 km2。经过长期的风化和自然选择，在这种重金属含量极高的土地上形成了较为丰富的植被构成。束文胜等[13]2001年的调查结果显示：在铜绿山古铜矿冶炼渣堆上共有高等植物15科25属28种，其中草本植物27种，木本植物仅女贞(LigustrumlucidumAit.)1种；在8种优势植物中，鸭跖草(CommelinacommunisLinn.)达到Cu超富集植物标准，海州香薷(ElsholtziasplendensNakai ex F. Maekawa )、蝇子草(SilenegallicaLinn.)、头花蓼(PolygonumcapitatumBuch.-Ham. ex D. Don)和狗尾草〔Setariaviridis(Linn.) Beauv.〕等种类为Cu耐性植物。此外，该古矿遗址还分布有10多种木本植物，且普遍长势较好。

为探讨重金属元素在木本植物体内的转移和累积规律，筛选出对重金属富集或耐受性强的树种，作者对铜绿山古铜矿遗址区木本植物种类的构成进行了调查分析，并研究了这些木本植物对重金属元素的富集与分布特征，以期为木本植物在重金属污染土壤工程治理中的应用提供研究依据。

1 研究区概况和研究方法

1.1 研究区概况

铜绿山古铜矿遗址位于铜绿山铜矿境内，地处湖北省大冶市金湖街道办事处，东北距黄石市区30 km；坐标为北纬29°40′～30°15′、东经114°30′～115°20′。属典型的亚热带东亚大陆性气候，冬冷夏热、四季分明、光照充足、雨量充沛；年平均气温16.9 ℃，年平均无霜期261 d，年平均降雨量1 385.8 mm。出露的地层主要有第四系松散地层、燕山期岩浆岩和中下三迭系灰岩。境内气候温和、湿润，冬寒期短，水热条件优越。矿区植被种类繁多，共记录有裸子植物7科18属30多种、被子植物150多科300余属2 000余种、蕨类植物18科30多属60余种，还有藻类、菌类、地衣和苔藓等不同等级的植物[14]。目前，铜绿山古铜矿遗址由铜绿山古铜矿遗址博物馆管理，遗址区的植树造林活动始于20世纪80年代中期并一直持续至今，部分木本植物种类已经形成了一定规模的人工植被群落。

1.2 方法

1.2.1 植物样品采集与处理 于2012年9月，采用踏查的方式对铜绿山古铜矿遗址上生长的所有成年木本植物进行调查记录。每种植物随机选取5株标准木(不足5株的全部取样)，分别记录胸径和株高，并按地上部(2年生侧枝及其上的叶片)和地下部(根系)各随机取样5个，每个样品3个重复。样品用去离子水冲洗干净，并经80 ℃烘干至恒质量，粉碎后过2 mm筛，置于塑料袋中密封待测。

1.2.2 土壤样品采集与处理 在每种植物的5株标准木树冠垂直投影中心点向外2/3处开挖土壤剖面[12]，取土壤混合样(土壤深度0～60 cm)，每个样品3个重复。土样在室内自然风干后充分研磨，过2 mm尼龙筛，置于自封袋中待测。

1.2.3 样品测试 参照文献[15]的方法对土壤和植物样品进行消解，用原子吸收分光光度计(美国Varian公司)测定植物样品中的Cu、Pb和Cd含量以及土壤样品中的Cu、Cd、Pb、Cr、Mn和Zn含量。每个样品重复测定3次，结果取平均值。

1.3 数据计算及分析

采用EXCEL 2003和SPSS 12.0统计软件进行数据分析。采用LSD方法进行多重比较(P<0.05)；参照文献[12]的方法计算土壤污染指数、富集系数和综合富集系数。

2 结果和分析

2.1 木本植物根际土壤重金属含量及污染等级分析

湖北铜绿山古铜矿遗址区木本植物根际土壤中Cu、Cd、Pb、Cr、Mn和Zn的含量以及污染指数见表1。由表1可以看出：铜绿山古铜矿遗址木本植物根际土壤中Cu、Cd、Pb、Mn和Zn的含量均高于湖北省土壤背景值[16]，仅Cr含量低于湖北省土壤背景值。其中，Cu含量为430.32～14 644.63 mg·kg-1， 平均值为 3 166.73 mg·kg-1；Cd含量为2.50～6.39 mg·kg-1，平均值为3.66 mg·kg-1；Pb含量为64.59～280.85 mg·kg-1， 平均值为137.06 mg·kg-1； Cr含量为 13.06～81.07 mg·kg-1，平均值为31.32 mg·kg-1；Mn含量为187.54～2 760.32 mg·kg-1，平均值为1 774.43mg·kg-1；Zn 含量为104.96～278.66 mg·kg-1，平均值为208.32 mg·kg-1。对照土壤重金属污染等级标准[17]，铜绿山古铜矿遗址区土壤Cu污染指数高达103.15，Cd和Pb的污染指数也分别达到21.53和5.13，均属重度污染；Zn和Mn的污染指数均为2.49，均属中度污染；Cr污染指数仅0.36，未造成污染。

研究结果表明：铜绿山古铜矿遗址木本植物根际土壤存在Cu、Cd、Pb、Mn和Zn等重金属元素的复合污染，其中主要污染元素为Cu、Cd和Pb，Mn和Zn污染次之。据此，本研究将着重分析木本植物对土壤中Cu、Cd和Pb的富集特征。

表1 湖北铜绿山古铜矿遗址区木本植物根际土壤重金属含量及污染指数

2.2 木本植物种类组成及生长情况

在湖北铜绿山古铜矿遗址区共有木本植物13科14属14种，这些树种的基本概况见表2。其中，刺槐(RobiniapseudoacaciaLinn.)、苦楝(MeliaazedarachLinn.)、夹竹桃(NeriumindicumMill.)、二球悬铃木〔Platanus×acerifolia(Ait.) Willd.〕、意杨(Populus×euramericana‘I-214’)、樟树〔Cinnamomumcamphora(Linn.) Presl〕、构树〔Broussonetiapapyrifera(Linn.) L’Hert. ex Vent.〕、青冈栎〔Cyclobalanopsisglauca(Thunb.) Oerst.〕、桂花〔Osmanthusfragrans(Thunb.) Lour.〕、梧桐〔Firmianaplatanifolia(Linn. f.) Marsili〕、毛泡桐〔Paulowniatomentosa(Thunb.) Steud.〕、法国冬青〔Viburnumodoratissimumvar.awabuki(K. Koch) Zabel ex Rumpl.〕和杉木〔Cunninghamialanceolata(Lamb.) Hook.〕为该矿区新记录种；刺槐、苦楝、构树、毛泡桐和女贞为自然定居，其他树种为人工栽植；在生活型上以乔木为主，灌木仅夹竹桃1种；二球悬铃木树龄最长(25 a)，意杨的树龄最短(仅4 a)，其他树种的树龄为10～16 a。刺槐、夹竹桃、樟树和意杨等树种均集中成片生长，而女贞、桂花、法国冬青、构树、青冈栎、毛泡桐和杉木呈零散分布，二球悬铃木、苦楝和梧桐则孤立生长。从平均株高看，刺槐、樟树、意杨、毛泡桐、杉木、二球悬铃木和梧桐的株高均在6 m以上，其中二球悬铃木最高，达22.6 m；夹竹桃为灌木，其平均株高也最小，为3.7 m。从平均胸径看，二球悬铃木的平均胸径达到29.0 cm，樟树、意杨、法国冬青、构树、青冈栎、毛泡桐和梧桐的胸径也在9 cm以上，夹竹桃和杉木的平均胸径最小，均为5.3 cm。分析结果表明：上述这些树种在铜绿山古铜矿遗址普遍长势良好，基本适应古铜矿遗址土壤重金属复合污染的环境。

表2 湖北铜绿山古铜矿遗址区木本植物的基本概况

2.3 木本植物不同部位重金属的分布特征

湖北铜绿山古铜矿遗址区木本植物不同部位Cu、Pb和Cd含量的分析结果见表3。由表3可以看出：生长在铜绿山古铜矿遗址上的木本植物地上部和地下部均以Cu含量最高、Cd含量最低，与这3种元素在植物根际土壤中含量的高低基本一致。通常情况下，在体内重金属含量达到临界值时植物会出现中毒症状，植物体内Cu、Pb和Cd的临界值分别为40、10和3 mg·kg-1[18]。通过比较可见：青冈栎、毛泡桐和杉木体内Cu、Pb和Cd的总含量均低于中毒临界值，这3个树种地上部均未检出Pb和Cd；意杨地上部也未检出Pb和Cd，其体内Pb和Cd的总含量均低于中毒临界值；二球悬铃木、构树、樟树和夹竹桃体内Cd总含量均低于中毒临界值；而其他树种体内Cu、Pb和Cd的总含量均远高于中毒临界值。

从地上部看，苦楝中Cu含量最高，达到126.40 mg·kg-1，桂花、二球悬铃木、构树、刺槐和法国冬青Cu含量次之，为106.30～113.90 mg·kg-1，平均值为109.47 mg·kg-1；二球悬铃木、构树和夹竹桃中Pb含量较高，分别为110.50、116.00和64.40 mg·kg-1；法国冬青中Cd含量最高，为17.00 mg·kg-1，梧桐、刺槐和苦楝Cd含量次之， 分别为7.28、5.58和5.33 mg·kg-1；此外，在意杨、青冈栎、毛泡桐和杉木的地上部未检出Pb和Cd。从地下部看， Cu含量最高的是梧桐、最低的是杉木和夹竹桃，前者的Cu含量是后者的319.4倍；Pb含量最高的是女贞、最低的是刺槐，前者是后者的206.0倍，在青冈栎地下部未检出Pb；Cd含量最高的是苦楝、最低的是意杨，前者是后者的24.9倍，在夹竹桃、青冈栎和杉木地下部未检出Cd。从全株总含量看，梧桐、苦楝和女贞全株Cu总含量较高，分别为972.25、 684.40和660.70 mg·kg-1； 二球悬铃木、构树和女贞全株Pb总含量较高，分别为119.90、117.40和95.10 mg·kg-1；法国冬青和苦楝全株Cd总含量较高，分别为20.90和16.53 mg·kg-1；此外，青冈栎全株不含Pb和Cd，杉木全株不含Cd。

表3 湖北铜绿山古铜矿遗址区木本植物不同部位Cu、Pb和Cd含量1)

2.4 木本植物不同部位对重金属的富集特征

湖北铜绿山古铜矿遗址区木本植物不同部位对Cu、Pb和Cd的富集系数见表4。从地上部看，各树种对Cd的富集系数普遍较高，法国冬青、梧桐、刺槐、苦楝和桂花地上部对Cd的富集系数均大于1，依次为4.620、2.092、1.358、1.300和1.290；构树和二球悬铃木地上部对Pb的富集系数相对较高，分别为0.946和0.502；各树种地上部对Cu的富集系数普遍较低，最高的为樟树，仅0.231；此外，意杨、青冈栎、毛泡桐和杉木地上部对Pb和Cd的富集系数均为0.000。从地下部看，各树种对Cd的富集系数同样较高，其中，女贞、法国冬青和苦楝地下部对Cd的富集系数均大于1，而青冈栎地下部对Pb和Cd的富集系数以及夹竹桃和杉木地下部对Cd的富集系数均为0.000。表明各树种地上部和地下部对Cu、Pb和Cd的富集系数差异明显。

从综合富集系数可见：法国冬青地上部的综合富集系数最高，达到5.703；梧桐、桂花、刺槐、苦楝和构树地上部的综合富集系数也较高，分别为2.261、1.621、1.572、1.367和1.149，这些树种中仅苦楝地上部综合富集系数小于地下部，其他几个树种地上部的综合富集系数均明显大于地下部分。对地上部和地下部综合富集系数的平均值进行比较，法国冬青的平均综合富集系数最高，达到3.492；苦楝、女贞、梧桐和桂花平均综合富集系数次之，分别为2.167、1.872、1.435和1.159。结果表明：铜绿山古铜矿遗址区木本植物不仅对土壤中重金属具有较强的耐受性，部分树种还对Cu、Cd和Pb表现出较强的综合富集能力。

表4 湖北铜绿山古铜矿遗址区木本植物根际土壤中Cu、Pb和Cd含量及不同部位对Cu、Pb和Cd的富集系数

3 讨论和结论

3.1 铜绿山古铜矿遗址区土壤重金属污染状况分析

在铜绿山古铜矿遗址上堆积着大量的古冶炼渣，重金属含量极高。研究结果表明：在该炼渣堆上木本植物根际土壤受多种重金属元素(Cu、Cd、Pb、Mn和Zn)复合污染，其中Cu、Pb和Cd为主要污染元素，平均含量分别达到3 166.73、3.66和137.06 mg·kg-1，污染指数依次为103.15、21.53和5.13，属重度污染。与束文胜等[13]对该遗址的研究结果相比，作者测定的土壤中Cu和Cd含量相对较低而Pb含量却相对较高，产生这种差异的主要原因与供试植物生活型的差异有关。本研究以木本植物为研究对象，树木为深根系植物，选取0～60 cm土壤剖面的混合样进行测试分析较为合适；而束文胜等[13]主要研究的是草本植物，所取土样位于0～20 cm剖面。铜矿古代冶炼渣呈薄片状分布在地表10～15 cm土层上，因此土壤取样深度差异对测试结果的影响较大。关于木本植物与根际土壤Cu和Cd含量减少之间的因果关系则有待进一步研究证实。

3.2 铜绿山古铜矿遗址区木本植物的种类构成

本研究共调查记录了铜绿山古铜矿遗址区木本植物13科14属14种，包括女贞、刺槐、苦楝、夹竹桃、二球悬铃木、意杨、樟树、法国冬青、桂花、构树、青冈栎、毛泡桐、杉木和梧桐。其中，刺槐、构树、毛泡桐、苦楝和女贞等树种均为自然定居，其余树种为人工栽植；树龄最短仅为4 a(意杨)，树龄最长的为25 a(二球悬铃木)，其他树种的树龄为10～16 a。这些树木普遍长势较好，能够适应古铜矿遗址区重金属复合污染的土壤环境，对土壤中的Cu、Cd和Pb污染等具有较强的耐受性，表现出较强的重金属富集作用和生态适应性。

3.3 铜绿山古铜矿遗址区木本植物的生态修复意义

从树木生长状况来看，在本研究涉及的14种木本植物中，树龄最长的二球悬铃木的株高和胸径分别为22.6 m和29.0 cm，而桂花、法国冬青、构树、杉木和梧桐等树种的株高和胸径也分别为3.9～13.5 m和5.3～14.2 cm，树龄最短的意杨的株高和胸径则分别达到6.6 m和3.8 cm，生物量较大。从重金属富集特性看，法国冬青、梧桐、刺槐、苦楝和桂花等树种的地上部对Cd的富集系数较高；构树和二球悬铃木地上部对Pb的富集系数较高；法国冬青、梧桐、桂花、刺槐、苦楝和构树地上部对Cu、Pb和Cd的综合富集系数较高，说明这些树种对Cu、Pb和Cd具有较强的富集能力。从树木构成来看，既有樟树、苦楝、女贞和桂花等乡土树种，又有意杨、二球悬铃木和法国冬青等外来树种；既有桂花、法国冬青和夹竹桃等绿化植物，又有毛泡桐、意杨和梧桐等速生经济树种，能够适应古铜矿遗址区的重金属复合污染土壤环境。因而，在Pb污染区域可选择栽植二球悬铃木和构树，在Cd污染区域可选择栽植法国冬青、梧桐、刺槐和苦楝等树种；而对于Cu、Pb和Cd等重金属复合污染区域，适宜栽植法国冬青、苦楝、女贞、梧桐、桂花和刺槐等树种。

值得注意的是，虽然这些树种的地上部对Cu、Pb和Cd的积累量远不如超积累植物，例如，Cu含量最高的苦楝仅为126.40 mg·kg-1、Pb含量最高的构树仅为116.00 mg·kg-1、Cd含量最高的法国冬青仅为17.00 mg·kg-1，但对于生物量为草本植物的几十乃至数百倍的成年木本植物而言，所积累的重金属总量远远高于一般超富集草本植物，因此，木本植物对矿业废弃地的植被恢复和景观美化具有重要的生态意义。

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