湖南南部铅锌矿区铅锌富集植物筛选研究

2014-07-16任秀娟朱东海吴大付吴海卿

生态环境学报 2014年4期

任秀娟，朱东海，吴大付，吴海卿*

1. 河南科技学院，河南新乡 453003；2. 中国农业科学院农田灌溉研究所，河南新乡 453003

我国矿山生态环境破坏和污染十分严重，有色金属矿山具有金属元素排放量大、浓度高、流失多、成分复杂多样、环境污染较严重的特点，容易造成生态环境的恶化（陶家元，1997；白中科等，2006）。近年来矿区生态环境问题引起广泛关注，贵州晴隆锑矿矿区周围土壤综合污染指数为 23.32，周边土壤已受严重污染（单晓燕和胥思勤，2011）。常青山等（2007）对福建矿区的调查表明，矿区Zn、Pb、Cd均达到重度污染标准；郭朝晖等（2007）调查湖南有色金属矿区蔬菜中Cd、Pb、As、Cu、Zn、Cr含量，大米中Cd、Pb和Zn的含量均超过我国食品卫生标准；LI等（2006）在甘肃白银有色矿区的研究结果也表明，矿区蔬菜中重金属的含量超过国家食品卫生标准。湖南省素有“有色金属之乡”的称号（谢文安等，1991；谢炳庚等，1996），有色金属矿产为当地带来了巨大的经济效益，但却严重污染了矿区的生态环境（孙健等，2006；王秋衡等，2007）。因此，急需在综合评价湖南省主要有色金属矿区土壤重金属污染现状的基础上，对矿区周边优势植物物种进行筛选和研究，选择优势本土植物种群，研究利用本土累积和超累积植物修复矿区重金属污染土壤的可行性。

孙健等（2006）在湖南郴州竹园铅锌矿区调查了矿区9种优势植物对Pb、Zn、Cu、Cd对重金属复合污染的耐抗性较强，但对4种重金属的富集量均没有达到超累积植物的临界含量，野菊花（Dendranthema indicum）、莎草（Cyperus rotundusL.）、五节芒（Miscanthus floridulus(Lab.)Warb. ex Schum. et Laut.）3种植物迁移转运系数大于1，可认为具备了超累积植物的某些基本特征（孙健等，2006）。贵州铅锌矿区的桑科植物对Pb、Cd具有显著的富集效应（毛海立等，2011），胡学玉等（2008）在湖北铜绿山矿区发现了鸭跖草等5种矿区植物对Cu、Pb、Zn、Cd、Cr具有一定的富集能力，可作为矿区土地污染修复和矿区植被修复的备选植物。张富运等（2012）总结了国内外铅锌富集植物，其植物共有的科属为景天科、苋科、十字花科、禾本科、木贼科、莎草科、杨柳科、桦木科，认为在2种元素伴生的条件下，筛选和培育超富集、耐铅锌植物可以首先从这些植物科属入手，寻找能同时抵抗2种甚至多种重金属的植物，接着可再将筛选和培育范围扩大。彼德等（2006）从植物生态学、遗传学、植物分类学的角度出发，分析矿区植物对重金属的耐性和吸收性，认为矿区植物在矿山及污染环境修复中有着重要的功能和作用。因此，矿区植物的开发和应用成为了矿区生态环境恢复的重要资源，矿区发现的重金属超积累植物也是重金属农田土壤植物修复的重要资源，因此对矿区特殊植物的保护和深入研究，对于环境恢复具有重要意义（彼德等，2006；孙健等，2006；毛海立等，2011；胡学玉等，2008）。

1 试验设计方法

1.1 矿区概况

湖南省桂阳县位于湖南省南部，与永州、衡阳、郴州的3个县接壤，桂阳县属亚热带湿润季风气候，年平均气温17.2 ℃，平均降雨量1385.2 mm。截至2012年，桂阳县境内已查明的矿种有60余种，其中有色金属矿有铅、锌、铜、锡、钼、铋、锑、钨、镁等，黑色金属有铁、锰等，贵金属有金、银。2013年桂阳县铁矿石产量92.5万t，铅精矿5.3万t，锌精矿4万t，该研究区域位于桂阳县黄沙坪、宝山、雷坪、五里山矿区，调查主要集中在露头矿、尾砂库、矿区排水沟、矿口区。

1.2 研究方法

1.2.1 土壤和植物样品的采集

2008年7月，在桂阳县矿区调查过程中发现4个孤立的植物种群区，种群组成明显不同于区外的植被。在孤立种群区及其附近选择植被生长旺盛、长势较好的植物种群，共采集到植物样品112个，相应土壤样本112个，将采集的植物样品装入塑料袋密封保存，土壤样品放入布土袋保存。

1.2.1 土壤和植物样品的处理与测定

将植物样品带回实验室后，首先用自来水冲洗以去除粘附于植物样品上的泥土和污物，然后用纯水冲洗，沥去水分后分为地上部、根 2部分，于105 ℃杀青之后，在 70 ℃下烘干至恒质量，将植物样品粉碎备用；土壤样品自然风干，拣出砖头、石块、杂草等，然后在塑料膜上用土棒擀碎过 0.1 mm筛保存在塑料样品袋中。

植物样品采用 HNO3消化（8 mL），土壤样品采样HNO3-HF消化(8+1 mL)，消化结束赶酸后用2%HNO3定容于50 mL的容量瓶中，然后在原子吸收分光光度计上测定重金属含量。

仪器和试剂：原子吸收分光光度计（岛津5300），微波消解仪：Perkin Elmer Multiwave 3000，所用试剂均为分析纯。

2 结果分析

2.1 铅富集植物筛选

图1 铅锌矿区112个采样点土壤和植物根的铅质量分数Fig.1 Pb concention in root and soil of the 112 samples at lead-zinc mine area

在112个样品中除6个样品铅未检出外，其他106个样品土壤铅质量分数均大于80 mg·kg-1，土壤平均铅质量分数为2177.22 mg·kg-1，矿区植物根和地上部铅质量分数平均值分别为 264.00、165.56 mg·kg-1。

由图1可知，矿区土壤和植物根的铅含量情况，随着采样点土壤中铅含量的增加，植物根中的铅含量呈增加趋势，其直线相关关系式为y=0.0785x+88.166，r=0.4771**。说明矿区植物长期生长在高铅土壤环境中，植物对铅有较好的耐受力和吸收力。

在112个植物样品中有4个植物样品根的铅富集系数大于1，但这4个植物样品植株矮小，生物量低，因此不具备作为修复植物的条件。有 53个植物样品的铅转运系数大于1，其中有11个植物样品的铅转运系数大于3，但这11个植物样品茎叶铅质量分数均小于 400 mg·kg-1，且地上部生物量较小。经过对样品铅含量、转运系数、富集系数、植株形态学指标的对比，将茎叶铅质量分数大于 450 mg·kg-1、转运系数大于1、地上部形态较大的植物样品作为铅修复植物，分别是糯米团（Hyrtanandra）、水蓼（Polygonum hydropiper）、酸模（RumexacetosaLinn）、毛叶堇菜（Viola verecumda A.Gray）、地榆（Garden BurnetRoot），这5种植物的鉴定结果见表 1。糯米团是荨麻科多年生草本植物，茎蔓生，长50～160 cm，在西藏东南部、华南、云南、陕西南部、河南南部都有分布，主要生长在丘陵或低山、水边以及潮湿的地方。水蓼是蓼科一年生草本，株高20～80 cm，在我国大部分地区都有分布。酸模是蓼科多年生草本，株高15～80 cm，在我国分布地区十分广泛。毛叶堇菜是堇菜科多年生草本，株高5～20 cm，主要分布在温带、亚热带地区以及热带的高海拔地区。地榆是蔷薇科多年生草本，株高30～120 cm，在我国各地均有分布。

由表1可知，水蓼的地上部铅质量分数最高为1036.57 mg·kg-1，达到铅超富集植物标准，酸模的转运系数最高为2.57，茎叶出现了铅的富集。而且所选植物品种中除水蓼外，其他植物均为多年生草本，一次种植可多次收获，其中糯米团地上部生物量较大，在矿区的生物群落较大，可进一步研究其在不同铅含量土壤上的生长情况及铅富集能力。

表1 铅富集植物Table 1 Pb enrichment plants

2.2 锌富集植物筛选

铅锌矿区112个样品中锌检出样品有106个，土壤平均锌质量分数为3165.89 mg·kg-1，植物样品根系锌平均质量分数为666.11 mg·kg-1，地上部锌平均质量分数为363.87 mg·kg-1。图2为矿区土壤和植物根的锌含量情况，采样点植物根系的锌含量和土壤锌含量呈显著正相关关系，其方程为y=0.1299x+240.97，r=0.4716**。

图2 铅锌矿区112个采样点土壤和植物根的锌含量Fig.2 Zinc concention in root and soil of the 112 samples at lead-zinc mine area

112个植物样品中有38个植物样品的锌转运系数大于1，其中锌转运系数大于2的植物样品有9个。茎叶锌质量分数大于750 mg·kg-1的植物样品有8个，其中锌转运系数大于1的植物样品有3个。以转运系数大于1、植物茎叶锌质量分数大于750 mg·kg-1、生物学形态较为高大作为锌富集植物的初选依据，表2为初选出的具有锌富集潜力的植物样品，这3种植物分别是：鬼针草(Bidens pilosaL.)、博落回(Macleaya cordata(Willd.) R. Brown)和糯米团。鬼针草为菊科一年生草本，株高30～100 cm，在我国各地均有分布，用种子繁殖。博落回是罂粟科多年生草本，株高最高可达 200 cm，广泛分布于长江流域。糯米团同 2.1铅富集植物。

所选 3种植物样品茎叶锌质量分数最高的是鬼针草，茎叶锌质量分数1043.04 mg·kg-1，博落回在土壤锌质量分数 11122.36 mg·kg-1的土壤上仍能有较高的生物量，可见其对当地土壤环境的适应能力及耐受性。虽然 3种植物的锌含量均未达到锌超富集植物标准，但这 3种植物的地上部形态高大、生物量较高，转运系数大于1，且野外调查发现其对锌污染土壤有较好的耐受性，可作为锌污染土壤修复的备选植物。

表2 锌富集植物Table 2 Zinc enrichment plants

2.3 铅锌复合富集植物筛选

由表1和表2可知，对铅和锌同时具有较好富集效应和转运能力的植物为糯米团，糯米团的铅锌转运系数均大于1，在矿区土壤铅锌复合污染条件下：土壤铅质量分数为2267.47 mg·kg-1、锌质量分数为6596.24 mg·kg-1，茎叶中的铅质量分数达到 635.48 mg·kg-1，锌质量分数达到 919.51 mg·kg-1。并且野外调查发现，糯米团在矿区生物量较大且广泛分布，是多年生草本，有时茎基部变木质，基部粗1～2.5 cm，茎蔓长50～160 cm，说明糯米团对铅锌污染有较高的耐受性，因此可作为铅锌复合污染土壤修复的备选植物。

3 小结与讨论

3.1 讨论

矿区由于特殊的地质和土壤条件，矿区植物对重金属的耐性和富集能力均较未污染区域的植物品种高（王学礼等，2010；邱媛等，2013；刘益贵等，2008）。近年来环境科学家利用矿区特殊的土壤环境，通过在矿区大量采样和室内分析的方法，发现了部分富集和超富集植物（李有志等，2012；胡学玉等，2008；彼德等，2006；毛海立等，2011）。刘威等（2003）通过野外调查和温室实验，在桂阳县宝山矿区发现一种镉超富集植物，并命名为宝山堇菜（Viola baoshannsis）。关于水蓼（王华等，2007；Liu等，2010）、酸模（Zhuang，2007）、鬼针草（王红旗等，2007）的重金属富集能力均有报道，但关于糯米团、博落回和地榆对重金属的富集效应研究还未见报道。聂发辉（2005）提出了关于超富集植物生物富集量系数和转运量系数的概念，在其提出的评价系数中，除考虑植物根系和地上部的重金属元素含量外，还综合考虑植物对土壤污染元素的移除总量状况。但目前关于该系数的研究和应用较少，还缺乏相关指标作为参考依据。本研究在筛选铅和锌超富集植物时参照聂发辉的研究，以植株外形和各部位铅锌含量作为参考标准，氮尚缺乏可以量化的生物量标准、外形指标标准等。

3.2 结论

通过在湖南省桂阳县矿区的样品采集和室内分析研究，采集植物和土壤样品112个，分别测定了样品铅和锌的含量。结果表明：由于常年采矿与洗矿，露头矿、尾砂库、矿区排水沟、矿口区土壤铅和锌污染十分严重，矿区铅和锌的平均质量分数分别为 2177.22、3165.89 mg·kg-1。植物样品根系和地上部的平均铅质量分数分别为 264.00、165.56 mg·kg-1，根系和地上部平均锌质量分数为666.11、363.87 mg·kg-1。由于长期生长在铅、锌污染的环境中，植物根系的铅、锌含量与土壤的铅、锌含量呈显著正相关。以植物地上部铅含量、转运系数、植物地上部形态为筛选依据，筛选出5种铅富集植物分别是：糯米团、水蓼、酸模、毛叶堇菜、地榆，筛选出的3种锌富集植物分别是：鬼针草、博落回、糯米团。糯米团在土壤铅质量分数为 2267.47 mg·kg-1、锌质量分数为 6596.24 mg·kg-1的条件下，茎叶中的铅质量分数达到635.48 mg·kg-1，锌质量分数达到919.51 mg·kg-1，可作为铅、锌复合土壤污染修复的备选植物品种。

LI Yu, WANG Yanbin, GOU Xin, et al. 2006. Risk assessment of heavy metals in soils and vegetables around non-ferrous metals mining and smelting sites, Baiyin[J]. China Journal of Environmental Sciences,18(6): 1124-1134.

LIU P, TANG X M, GONG C F, et al. 2010. Manganese tolerance and accumulation in six Mn hyperaccumulators or accumulators[J]. Plant and Soil, 335: 385-395.

ZHUANG P, YANG Q W. 2007. Phytoextraction of heavy metals by eight plant species in the field[J]. Water Air and Soil Pollution, 184:235-242.

白中科,付梅臣,赵中秋. 2006. 论矿区土壤环境问题[J]. 生态环境, 15(5):1122-1125.

毕德,吴龙华,骆永明,等. 2006. 矿区植物—环境恢复的重要资源[J].科技导报, 3: 29-32.

常青山,马祥庆,王志勇. 2007. 南方重金属矿区重金属的污染特征及评价[J]. 长江流域资源与环境, 16(3):395-399.

单晓燕,胥思勤. 2011. 贵州晴隆大厂锑矿区周围土壤重金属污染状况的分析与评价[J]. 贵州大学学报: 自然科学版, 28(1):132-135.

郭朝晖, 宋杰, 陈彩, 等. 2007. 有色矿业区耕作土壤、蔬菜和大米中重金属污染[J]. 生态环境, 16(4): 1144-1148.

胡学玉,孙宏发,陈德林. 2008. 铜绿山矿冶废弃地优势植物重金属的积累与迁移[J]. 长江流域资源与环境, 17（3）：436-439.

李有志,罗佳,张灿明,等. 2012. 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, 31(1) :16-22.

刘威,束文圣,蓝崇钰. 2003. 宝山董菜(Viola baoshanesis)—一种新的福超富集植物[J]. 科学通报, 48(19):2046-2049.

刘益贵,彭克俭,沈振国. 2008. 湖南湘西铅锌矿区植物对重金属的积累[J]. 生态环境, 17(3): 1042-1048.

毛海立,龙成梅,陈贵春,等. 2011. 铅锌矿区植物对重金属吸收和富集特征研究[J]. 环境科学与技术, 34（12）：114-118.

聂发辉. 2005. 关于超富集植物的新理解[J]. 生态环境, 14(1): 136-138.