不同植物对煤矿废弃地土壤重金属富集转化规律

李华娟等

摘要：于2008～2009年采取吉林省九台营城煤矿废弃地的复垦土和矸石土作为种植土壤，分别于试验小区内种植黄花草木樨（Melilotus officinalis Lam.）和紫花苜蓿（Medicago sativa L.），研究植物不同营养器官对煤矿废弃地土壤重金属的富集转化规律。结果表明，两种植物对不同土壤重金属的富集能力不同。复垦土种植条件下，黄花草木樨的叶和茎、紫花苜蓿的根和叶对Zn、Cd、Ni和Cu富集能力较强；矸石土种植条件下，黄花草木樨的叶对Ni、Cd及Cu的富集能力较强，根对Zn的富集能力较强，紫花苜蓿的叶对4种重金属的富集能力均较强，且茎对Cu和Ni、根对Zn也存在一定的富集能力。

关键词：煤矿废弃地；重金属；植物修复效应；营养器官

中图分类号：S156.99；X173 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2014）16-3784-04

Abstract： Taking the reclamation soil and rock soil as planting conditions， Melilotus suaveolens Lam. and Trifolium repens L. were selected to study the accumulation and transformation of soil heavy metals in 2008～2009. The results showed that two plants for phytoremediation of heavy metal had different capacity in different soils. The stems， leaves of Melilotus suaveolens and the leaves and roots of Trifolium repens had a strong enrichment ability towards Zn， Cd， Ni and Cu. The leaves of Melilotus suaveolens had a strong enrichment ability to Ni，Cd and Cu， the root of which had a strong enrichment ability against Zn. The leaves of Melilotus suaveolens enriched four metals while the stems of Trifolium repens enriched Cu， Ni and Zn.

Key words： abandoned coal mine； heavy metals； plants repair effects； vegetative organ

近年来，煤炭资源的开发与利用缓解了能源短缺的局面，促进了国民经济的发展，但也引起了一系列生态环境问题[1-4]，严重危害到区域内的人畜安全，阻碍区域的可持续发展。因此，对矿区废弃物及影响区域生态环境的治理与恢复已成为一项刻不容缓的任务。自从Channy[5]提出利用重金属超富集植物清除重金属污染的思想以来，重金属污染土壤的植物修复研究已成为环境科学研究的热点和前沿领域[6-8]。植物修复技术被认为是一种较为理想的治理废弃地的途径，重金属超富集植物的筛选更是倍受国内外科学家们的广泛关注。植物对土壤中重金属富集转化程度的研究一直是土壤重金属修复的热点，传统研究大多局限于植物根系对重金属的富集，对植物茎、叶是否能富集重金属及其富集效果研究较少。

因此，本试验研究了2种豆科植物的根、茎、叶3个营养器官对供试土壤重金属的富集转化规律及其特异性，以期为正确利用植物修复重金属污染土壤提供科学依据，为吉林省煤矿废弃地的土地整治与功能恢复提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

吉林省九台营城煤矿位于松辽盆地内，地理坐标为东经125°45′，北纬44°09′。该区属于中温带大陆季风性气候，四季分明，年平均气温4.7 ℃，年最低温度-33.6 ℃，最高温度35.6 ℃，最大积雪深度24 cm。雨季集中在7～9月，年平均降雨量589 mm，蒸发量为降雨量的2.4倍，属于湿度不足区。

1.2 供试材料与方法

供试植物：黄花草木樨（Melilotus officinalis Lam.）斯列金1号，从俄罗斯西伯利亚地区引进草种；紫花苜蓿（Medicago sativa L.），由吉林省农业科学院提供。

供试土壤：复垦土和矸石土。

本研究选取与示范区气候相近的吉林大学试验地作为小区试验场，采用随机区组设计，试验面积30 m2。野外采集煤矿区0～50 cm深的复垦土和矸石土，运到吉林大学试验地进行种植试验，播种方式为行播，播种量为10 g/m2。同时以生长期为起点，每4个月观测1次，观测周期为2年（2008～2009年），观测内容主要为重金属元素含量变化和植物生长状况。在整个种植期间定期对小区试验、示范区进行浇水、除草、病虫害防治等田间管理，使种植作物健康生长。

1.3 样品分析

采用梅花点法分别对种植1年和2年的两种豆科植物的无病虫害的根、茎、叶进行采样，植物样品采集后用水洗干净，风干、杀青后置于80 ℃烘干，粉碎，过2 mm筛，再烘干，放入干燥箱备用。植物重金属元素（Zn、Ni、Cd、Cu）含量测定方法为经过消煮后用原子吸收分光光度计测定[9]。

1.4 数据分析

测定不同土壤上两种豆科植物的根、茎、叶中4种重金属含量，转换为富集系数并运用SPSS软件进行方差分析，确定根、茎、叶富集重金属的差异。其中，富集系数=植物体内重金属浓度/土壤内同种重金属浓度。

2 结果与分析

2.1 两种豆科植物对复垦土重金属的修复效果

2.1.1 两种豆科植物对复垦土重金属的富集量比较 利用复垦土种植黄花草木樨和紫花苜蓿，于每年种植季结束后收集植物根、茎、叶，预处理后进行重金属检测，结果见表1。由表1可知，在复垦土中种植黄花草木樨和紫花苜蓿对重金属均有一定的吸附效果。

2.1.2 两种豆科植物对复垦土重金属的富集能力比较 对两种豆科植物的营养器官的富集规律进行研究，利用公式计算黄花草木樨、紫花苜蓿对4种重金属元素的富集系数，并进行方差分析，结果显示两种豆科植物根、茎、叶对4种重金属元素的富集能力差异均达显著或极显著水平（表2）。

植物不同营养器官对重金属的富集能力不同，为比较方便，依据植物营养器官对重金属的富集系数对其富集能力赋予数值，1为富集能力最大，2次之，3为最小，将赋予的数值整理为表3，以比较两种植物不同营养器官富集重金属的能力。由表3可知，黄花草木樨根、茎、叶在种植1年时对Zn、Cd、Ni元素的富集能力为叶>根>茎，Cu元素为叶>茎>根；种植2年时对Zn和Cu元素的富集能力为茎>叶>根，Cd和Ni元素均为茎>根>叶。紫花苜蓿根、茎、叶在种植1年时对重金属元素的富集能力规律与黄花草木樨相同；种植2年时对Zn、Ni、Cu元素的富集能力为根>叶>茎，而Cd元素仅在根部有所富集。

2.1.3 两种豆科植物对复垦土重金属富集的器官特异性 由复垦土重金属元素的富集转化特征可知，植物各营养器官对不同重金属的富集能力不同，即植物营养器官对重金属富集的特异性不同。依据各营养器官对重金属的富集系数将富集能力最强的植物营养器官总结列于表4中，以分析黄花草木樨、紫花苜蓿各营养器官对重金属的富集特异性。由表4可知，黄花草木樨的叶和茎、紫花苜蓿的根和叶对Zn、Cd、Ni和Cu的富集能力较强。

2.2 两种豆科植物对矸石土重金属的修复效果

2.2.1 两种豆科植物对矸石土重金属的富集量比较 矸石土种植条件下，黄花草木樨和紫花苜蓿各营养器官对4种重金属元素的富集量结果见表5。由表5可知，两种豆科植物各营养器官对各重金属的富集量存在明显差异，且对Cd的富集较差。

2.2.2 两种豆科植物对矸石土重金属的富集能力比较 按“2.1.2”的方法对矸石土上种植的黄花草木樨、紫花苜蓿富集重金属的能力进行方差分析，结果表明，除种植1年的黄花草木樨各营养器官对Cd的富集能力差异不显著外，其他各条件下两种豆科植物各营养器官对重金属的富集能力差异均达显著或极显著水平（表6）。

按“2.1.2”所述方法得到矸石土种植条件下两种豆科植物各营养器官富集重金属的能力，结果如表7所示。由表7可知，黄花草木樨根、茎、叶对Zn的富集顺序在种植期间均为根>茎>叶；对Cd、Ni、Cu元素的富集顺序在种植1年时为叶>根>茎，在种植2年时为叶>茎>根。紫花苜蓿根、茎、叶在种植1年时对Zn元素的富集能力为叶>根>茎，在种植2年时为根>茎>叶；对Cd元素基本没有富集能力，仅在种植2年时的叶中有所富集；对Ni元素的富集能力表现为在种植1年时仅茎有所富集，种植2年时为叶>根>茎；对Cu元素的富集能力表现为在种植1年时仅根有所富集，种植2年时为叶>茎>根。

2.2.3 两种豆科植物对矸石土重金属富集的器官特异性 对矸石土上生长的两种豆科植物各营养器官的重金属富集的特异性进行分析，结果见表8。由表8可知，黄花草木樨的叶对Cd、Ni及Cu的富集能力较强，根对Zn的富集能力较强；紫花苜蓿的叶对4种重金属的富集能力均较强，且茎对Cu和Ni、根对Zn也存在一定的富集能力。

3 结论

在该试验条件下，黄花草木樨和紫花苜对不同土壤的重金属修复能力不同，但均可以在一定程度上富集土壤中的重金属，达到修复土壤的目的。复垦土种植条件下，黄花草木樨的叶和茎、紫花苜蓿的根和叶对Zn、Cd、Ni和Cu的富集能力较强；矸石土种植条件下，黄花草木樨的叶对Cd、Ni及Cu的富集能力较强，根对Zn的富集能力较强，紫花苜蓿的叶对4种重金属的富集能力均较强，且茎对Cu和Ni、根对Zn也存在一定的富集能力。

参考文献：

[1] 孙泰森，白中科.大型露天煤矿废弃地生态重建的理论与方法[J].水土保持学报，2001，15（5）：56-60.

[2] 王心义，杨 建，郭慧霞.矿区煤矸石堆放引起土壤重金属污染研究[J].煤炭学报，2006，31（6）：808-812.

[3] 崔龙鹏.对淮南矿区采煤沉陷地生态环境修复的思考[J].中国矿业，2007，16（6）：46-48，52.

[4] BRADSHAW A D. The reconstruction of ecosystems[J]. Journal of Applied Ecology， 1983， 20（1）：1-17.

[5] CHANNY R L. Plant uptake of inorganic waste constituents[A]. PARR J F. Land Treatment of Hazardous Waste[C]. Park Ridge， New Jersey： Noyes Date Corporation， 1983.

[6] JAMALI M K， KZAI T G， ARAIN M B， et al. Heavy metals from soil and domestic sewage sludge and their transfer to Sorghum plants[J]. Environ Chem Lett， 2008， 5（4）：209-218.

[7] FIGUEROA J A L， WROBEL K， AFTON S. Effect of some heavy metals and soil humic substances on the phytochelatin production in wild plants from silver mine areas of Guanajuato， Mexico[J]. Chemosphere， 2008， 70（11）：2084-2091.

[8] GRYTSYUK N， ARAPIS G， PEREPElYATNIKOVA L，et al. Heavy metals effects on forage crops yields and estimation of elements accumulation in plants as affected by soil[J]. Science of the Total Environment， 2006， 354（2/3）：224-231.

[9] 林 琦.重金属污染土壤植物修复的根际机理[D].杭州：浙江大学，2002.

（责任编辑 吕海霞）

2 结果与分析

2.1 两种豆科植物对复垦土重金属的修复效果

2.1.1 两种豆科植物对复垦土重金属的富集量比较 利用复垦土种植黄花草木樨和紫花苜蓿，于每年种植季结束后收集植物根、茎、叶，预处理后进行重金属检测，结果见表1。由表1可知，在复垦土中种植黄花草木樨和紫花苜蓿对重金属均有一定的吸附效果。

2.1.2 两种豆科植物对复垦土重金属的富集能力比较 对两种豆科植物的营养器官的富集规律进行研究，利用公式计算黄花草木樨、紫花苜蓿对4种重金属元素的富集系数，并进行方差分析，结果显示两种豆科植物根、茎、叶对4种重金属元素的富集能力差异均达显著或极显著水平（表2）。

植物不同营养器官对重金属的富集能力不同，为比较方便，依据植物营养器官对重金属的富集系数对其富集能力赋予数值，1为富集能力最大，2次之，3为最小，将赋予的数值整理为表3，以比较两种植物不同营养器官富集重金属的能力。由表3可知，黄花草木樨根、茎、叶在种植1年时对Zn、Cd、Ni元素的富集能力为叶>根>茎，Cu元素为叶>茎>根；种植2年时对Zn和Cu元素的富集能力为茎>叶>根，Cd和Ni元素均为茎>根>叶。紫花苜蓿根、茎、叶在种植1年时对重金属元素的富集能力规律与黄花草木樨相同；种植2年时对Zn、Ni、Cu元素的富集能力为根>叶>茎，而Cd元素仅在根部有所富集。

2.1.3 两种豆科植物对复垦土重金属富集的器官特异性 由复垦土重金属元素的富集转化特征可知，植物各营养器官对不同重金属的富集能力不同，即植物营养器官对重金属富集的特异性不同。依据各营养器官对重金属的富集系数将富集能力最强的植物营养器官总结列于表4中，以分析黄花草木樨、紫花苜蓿各营养器官对重金属的富集特异性。由表4可知，黄花草木樨的叶和茎、紫花苜蓿的根和叶对Zn、Cd、Ni和Cu的富集能力较强。

2.2 两种豆科植物对矸石土重金属的修复效果

2.2.1 两种豆科植物对矸石土重金属的富集量比较 矸石土种植条件下，黄花草木樨和紫花苜蓿各营养器官对4种重金属元素的富集量结果见表5。由表5可知，两种豆科植物各营养器官对各重金属的富集量存在明显差异，且对Cd的富集较差。

2.2.2 两种豆科植物对矸石土重金属的富集能力比较 按“2.1.2”的方法对矸石土上种植的黄花草木樨、紫花苜蓿富集重金属的能力进行方差分析，结果表明，除种植1年的黄花草木樨各营养器官对Cd的富集能力差异不显著外，其他各条件下两种豆科植物各营养器官对重金属的富集能力差异均达显著或极显著水平（表6）。

按“2.1.2”所述方法得到矸石土种植条件下两种豆科植物各营养器官富集重金属的能力，结果如表7所示。由表7可知，黄花草木樨根、茎、叶对Zn的富集顺序在种植期间均为根>茎>叶；对Cd、Ni、Cu元素的富集顺序在种植1年时为叶>根>茎，在种植2年时为叶>茎>根。紫花苜蓿根、茎、叶在种植1年时对Zn元素的富集能力为叶>根>茎，在种植2年时为根>茎>叶；对Cd元素基本没有富集能力，仅在种植2年时的叶中有所富集；对Ni元素的富集能力表现为在种植1年时仅茎有所富集，种植2年时为叶>根>茎；对Cu元素的富集能力表现为在种植1年时仅根有所富集，种植2年时为叶>茎>根。

2.2.3 两种豆科植物对矸石土重金属富集的器官特异性 对矸石土上生长的两种豆科植物各营养器官的重金属富集的特异性进行分析，结果见表8。由表8可知，黄花草木樨的叶对Cd、Ni及Cu的富集能力较强，根对Zn的富集能力较强；紫花苜蓿的叶对4种重金属的富集能力均较强，且茎对Cu和Ni、根对Zn也存在一定的富集能力。

3 结论

在该试验条件下，黄花草木樨和紫花苜对不同土壤的重金属修复能力不同，但均可以在一定程度上富集土壤中的重金属，达到修复土壤的目的。复垦土种植条件下，黄花草木樨的叶和茎、紫花苜蓿的根和叶对Zn、Cd、Ni和Cu的富集能力较强；矸石土种植条件下，黄花草木樨的叶对Cd、Ni及Cu的富集能力较强，根对Zn的富集能力较强，紫花苜蓿的叶对4种重金属的富集能力均较强，且茎对Cu和Ni、根对Zn也存在一定的富集能力。

参考文献：

[1] 孙泰森，白中科.大型露天煤矿废弃地生态重建的理论与方法[J].水土保持学报，2001，15（5）：56-60.

[2] 王心义，杨 建，郭慧霞.矿区煤矸石堆放引起土壤重金属污染研究[J].煤炭学报，2006，31（6）：808-812.

[3] 崔龙鹏.对淮南矿区采煤沉陷地生态环境修复的思考[J].中国矿业，2007，16（6）：46-48，52.

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[9] 林 琦.重金属污染土壤植物修复的根际机理[D].杭州：浙江大学，2002.

（责任编辑 吕海霞）

2 结果与分析

2.1 两种豆科植物对复垦土重金属的修复效果

2.1.1 两种豆科植物对复垦土重金属的富集量比较 利用复垦土种植黄花草木樨和紫花苜蓿，于每年种植季结束后收集植物根、茎、叶，预处理后进行重金属检测，结果见表1。由表1可知，在复垦土中种植黄花草木樨和紫花苜蓿对重金属均有一定的吸附效果。

2.1.2 两种豆科植物对复垦土重金属的富集能力比较 对两种豆科植物的营养器官的富集规律进行研究，利用公式计算黄花草木樨、紫花苜蓿对4种重金属元素的富集系数，并进行方差分析，结果显示两种豆科植物根、茎、叶对4种重金属元素的富集能力差异均达显著或极显著水平（表2）。

植物不同营养器官对重金属的富集能力不同，为比较方便，依据植物营养器官对重金属的富集系数对其富集能力赋予数值，1为富集能力最大，2次之，3为最小，将赋予的数值整理为表3，以比较两种植物不同营养器官富集重金属的能力。由表3可知，黄花草木樨根、茎、叶在种植1年时对Zn、Cd、Ni元素的富集能力为叶>根>茎，Cu元素为叶>茎>根；种植2年时对Zn和Cu元素的富集能力为茎>叶>根，Cd和Ni元素均为茎>根>叶。紫花苜蓿根、茎、叶在种植1年时对重金属元素的富集能力规律与黄花草木樨相同；种植2年时对Zn、Ni、Cu元素的富集能力为根>叶>茎，而Cd元素仅在根部有所富集。

2.1.3 两种豆科植物对复垦土重金属富集的器官特异性 由复垦土重金属元素的富集转化特征可知，植物各营养器官对不同重金属的富集能力不同，即植物营养器官对重金属富集的特异性不同。依据各营养器官对重金属的富集系数将富集能力最强的植物营养器官总结列于表4中，以分析黄花草木樨、紫花苜蓿各营养器官对重金属的富集特异性。由表4可知，黄花草木樨的叶和茎、紫花苜蓿的根和叶对Zn、Cd、Ni和Cu的富集能力较强。

2.2 两种豆科植物对矸石土重金属的修复效果

2.2.1 两种豆科植物对矸石土重金属的富集量比较 矸石土种植条件下，黄花草木樨和紫花苜蓿各营养器官对4种重金属元素的富集量结果见表5。由表5可知，两种豆科植物各营养器官对各重金属的富集量存在明显差异，且对Cd的富集较差。

2.2.2 两种豆科植物对矸石土重金属的富集能力比较 按“2.1.2”的方法对矸石土上种植的黄花草木樨、紫花苜蓿富集重金属的能力进行方差分析，结果表明，除种植1年的黄花草木樨各营养器官对Cd的富集能力差异不显著外，其他各条件下两种豆科植物各营养器官对重金属的富集能力差异均达显著或极显著水平（表6）。

按“2.1.2”所述方法得到矸石土种植条件下两种豆科植物各营养器官富集重金属的能力，结果如表7所示。由表7可知，黄花草木樨根、茎、叶对Zn的富集顺序在种植期间均为根>茎>叶；对Cd、Ni、Cu元素的富集顺序在种植1年时为叶>根>茎，在种植2年时为叶>茎>根。紫花苜蓿根、茎、叶在种植1年时对Zn元素的富集能力为叶>根>茎，在种植2年时为根>茎>叶；对Cd元素基本没有富集能力，仅在种植2年时的叶中有所富集；对Ni元素的富集能力表现为在种植1年时仅茎有所富集，种植2年时为叶>根>茎；对Cu元素的富集能力表现为在种植1年时仅根有所富集，种植2年时为叶>茎>根。

2.2.3 两种豆科植物对矸石土重金属富集的器官特异性 对矸石土上生长的两种豆科植物各营养器官的重金属富集的特异性进行分析，结果见表8。由表8可知，黄花草木樨的叶对Cd、Ni及Cu的富集能力较强，根对Zn的富集能力较强；紫花苜蓿的叶对4种重金属的富集能力均较强，且茎对Cu和Ni、根对Zn也存在一定的富集能力。

3 结论

在该试验条件下，黄花草木樨和紫花苜对不同土壤的重金属修复能力不同，但均可以在一定程度上富集土壤中的重金属，达到修复土壤的目的。复垦土种植条件下，黄花草木樨的叶和茎、紫花苜蓿的根和叶对Zn、Cd、Ni和Cu的富集能力较强；矸石土种植条件下，黄花草木樨的叶对Cd、Ni及Cu的富集能力较强，根对Zn的富集能力较强，紫花苜蓿的叶对4种重金属的富集能力均较强，且茎对Cu和Ni、根对Zn也存在一定的富集能力。

参考文献：

[1] 孙泰森，白中科.大型露天煤矿废弃地生态重建的理论与方法[J].水土保持学报，2001，15（5）：56-60.

[2] 王心义，杨 建，郭慧霞.矿区煤矸石堆放引起土壤重金属污染研究[J].煤炭学报，2006，31（6）：808-812.

[3] 崔龙鹏.对淮南矿区采煤沉陷地生态环境修复的思考[J].中国矿业，2007，16（6）：46-48，52.

[4] BRADSHAW A D. The reconstruction of ecosystems[J]. Journal of Applied Ecology， 1983， 20（1）：1-17.

[5] CHANNY R L. Plant uptake of inorganic waste constituents[A]. PARR J F. Land Treatment of Hazardous Waste[C]. Park Ridge， New Jersey： Noyes Date Corporation， 1983.

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[7] FIGUEROA J A L， WROBEL K， AFTON S. Effect of some heavy metals and soil humic substances on the phytochelatin production in wild plants from silver mine areas of Guanajuato， Mexico[J]. Chemosphere， 2008， 70（11）：2084-2091.

[8] GRYTSYUK N， ARAPIS G， PEREPElYATNIKOVA L，et al. Heavy metals effects on forage crops yields and estimation of elements accumulation in plants as affected by soil[J]. Science of the Total Environment， 2006， 354（2/3）：224-231.

[9] 林 琦.重金属污染土壤植物修复的根际机理[D].杭州：浙江大学，2002.

（责任编辑 吕海霞）