贵州废弃铅锌矿区优势植物中铅、锌、铬含量及富集特征

2015-08-06吴迪邓琴耿丹秦樊鑫李存雄杨珍贾亚琪

湖北农业科学 2015年10期

吴迪邓琴耿丹秦樊鑫李存雄杨珍贾亚琪

摘要：以贵州废弃DW铅锌矿区27种优势植物为研究对象，利用原子吸收、原子荧光测定植物体内Zn、Cr、Pb的含量，研究了矿区植物中的Zn、Cr、Pb的含量积累特征及植物对它们富集能力。结果表明，大多数植物中的重金属积累量由大到小的顺序为Zn、Pb、Cr，但富集系数由大到小的顺序为Cr、Zn、Pb。受矿区环境及Zn适应的影响，植物对Zn富集系数较小，Zn在百合科萱草中的积累量为1 650.27 mg/kg；地笋对Cr的富集系数为0.591，可作土壤重金属Cr污染修复植物；所研究的植物均不适合作重金属Pb的土壤环境修复植物。

关键词：铅锌矿区；优势植物；重金属；富集

中图分类号：X173 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）10-2363-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.10.014

随着矿业开发的发展，矿石冶炼、尾矿、矿渣堆放、填埋等使重金属向周边土壤渗透，导致土壤重金属污染，严重破坏了生态环境的平衡[1，2]。土壤是重金属生物地球化学营养链的重要媒介，随着人类活动的影响，重金属对土壤环境以及植物的污染进一步加剧，重金属Cr、Pb、Zn等可以通过植物吸收，经食物链进入人体和动物体内，造成对动物和人体直接或潜在危害。同时，利用植物对重金属的吸收，采用植物修复土壤重金属复合污染是很多从事环境污染治理的同仁共同研究的问题。龙新宪等[3]发现东南景天是Zn的超富集植物，钱海燕等[4]发现黑麦草对土壤中Cu、Zn污染的忍耐和积累能力都较好，适合这2种元素的修复，目前，重金属锌污染治理已成为国际研究的热点问题[5，6]。陈同斌等[7]、韦朝阳等[8，9]通过野外调查和栽培试验，分别发现蜈蚣草、大叶井口边草是As的超富集植物。对Pb有较强修复能力的植物较多，刘秀梅等[10]、柯文山等[11]、聂俊华等[12]在温室试验条件下，分别发现了羽叶鬼针草、酸模、鲁白、芥菜等对重金属Pb能够有较强的富集能力。吴双桃等[13]首次报道了土荆芥叶是一种Pb超富集植物。国内外大量的研究报告表明不同农作物对重金属的富集能力有很大差异，且同一品种的农作物对不同重金属元素的富集能力也有所不同[14]，Cr富集系数越小，则表明其吸收Cr的能力越差，抗土壤Cr污染的能力较强[15]。本研究以贵州废弃铅锌矿区土地上生长且生物量较大的优势植物为对象，通过其地上部分植株中重金属Pb、Zn、Cr的含量分析植物对重金属的富集特征，为植物修复土壤环境中的重金属污染提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

贵州作为西南矿产资源大省，且矿种众多，按照贵州省铅锌矿资源勘查与开发规划，全省铅精矿现已勘测量将达到1.2万t，锌精矿将达到35万t，全省铅锌矿的分布遍及30多个县市。由于资金、技术、管理等因素的限制，造成矿产资源的开发与利用程度较低，矿物加工程度和综合回收率也相对较低，大部分矿产残留在废渣中，造成矿区周边土壤污染严重[16]。DW矿区属于山地矿床，且尾矿、矿渣露天堆积，任其风吹日晒雨淋，水冲洗释放或受雨水浸泡淋出的一些有毒有害元素，如Pb、Zn、Cr、As等。这些元素的析出和迁移会直接或间接对矿区周围土壤、地表水和地下水造成重金属复合污染。

1.2 样品采集及测定

试验植物样品采自贵州废弃DW矿区土地上生长的并且生物量相对较大的物种，共27种，其中3种为农作物。所采集的植物样品有荨麻科糯米藤（Herba Gonoslegiae Hirtae），菊科大吴风草（Lycopus lucidus）、鬼针草（Bidens pilosa）、米蒿（Artemisiadalai-lamae Krasch）、苦蒿（Conyzablinii levl）、飞篷（Erigeron acer）、腺梗豨莶（Sigesbeckia pubescens）、白蒿（Herba Artimisiae Sieversianae）、橐吾（Ligularia sibirica）、野菊花（Dendranthema indicum），肾蕨科蜈蚣草（Nephrolepiscordifolia Presl），茄科番茄（Solanum ycopersicum），木贼科木贼（Herba Hiemali）、节节草（Equisetum ramosissimum），荨麻科水麻（Debregeasia orientalis），豆科大豆（Glycine max）、葛（Pueraria lobata）、三叶草（Trifolium），报春花科过路黄（Lysimachia christinae Hance），百合科萱草（Hemerocallis fulva），禾本科芦苇（Phragmites australis）、巴茅（Rhizoma Miscanthi Sacchrifloris）、水稻（Oryza glaberrima），蔷薇科枇杷（Ficustikoua Bur），唇形科地笋（Ligularia sibirica）、风轮草（Clinopodium chinensis）、薄荷（Mentha haplocalyx）。

植物样品洗净后，自然晾干，105 ℃杀青30 min后，50 ℃烘至恒重，碾碎过60目尼龙筛。土壤样品除杂质，自然风干，碾碎过100目尼龙筛。样品经HNO3∶HClO4=4∶1的混酸处理，用原子吸收分光光度法测定Pb、Zn、Cr的含量，进行平行双样测定，同时测土壤及植物标样。采用玻璃电极法测定土壤pH。

1.3 评价方法

生物富集系数（BCF）[17]也叫吸收系数，是指植物中某元素质量分数与土壤中元素质量分数之比，它被用来反映土壤-植物体系中元素迁移的难易程度，是植物将重金属吸收转移到体内能力大小的评价指标，生物富集系数高，表明地上部分植物体内重金属富集质量分数大，计算公式为：B=Xi/Yi。式中B表示生物富集系数（BCF），Xi为植物中某重金属的实测含量，Yi为土壤中某重金属的含量。

2 结果与分析

2.1 矿区土壤、植物中重金属的含量分析

植物样品采样点中土壤的重金属的含量测定结果见表1。植物样品重金属的含量测定结果见表2。

由表2可知，所研究的植物中Zn累积含量变化范围为28.07～1 650.27 mg/kg，其中过路黄、大吴风草、萱草累积量较高，分别为758.02、836.14、1 650.27 mg/kg；植物中Pb累积含量变化范围为0.84～37.81 mg/kg，蜈蚣草、节节草、腺梗豨莶、大吴风草的累积量较高，分别为33.00、37.81、28.60、28.71 mg/kg；植物中Cr累积含量变化范围为0.19～37.78 mg/kg，地笋的累积量较高，含量为37.78 mg/kg。

2.2 优势植物的分类及富集特征分析

2.2.1 优势植物富集特征分析为方便研究，将表2中每种重金属含量由高到低排列，重金属含量相对较高的8种优势植物及其生物富集系数见表3。

由表3可知，大多数植物中重金属的富集系数由大到小的顺序为Cr、Zn、Pb。Zn是植物必需的营养元素，同时也是一种常见的有毒重金属元素，本研究的优势植物是铅锌矿区生长的，土壤中Zn的含量很高，但植物对Zn富集系数都较小，在0.052～0.205之间，这与龚红梅等[18]研究结果一致，由于长期的环境选择和适应进化，植物相应对Zn产生了耐性，从而减轻或避免Zn的毒害。富集能力较强的是菊科大吴风草和百合科萱草，富集系数为0.104、0.205，富集系数虽不大，但这两种植物中锌的含量都是接近或超1 000 mg/kg，说明可考虑用大吴风草、萱草修复土壤中锌污染。Pb不是植物必需的营养元素，但在一定程度上能被不同种类的植物吸收、累积，Pb污染仍是威胁自然环境、人类健康的全球环境污染问题之一。因优势植物采取的是地上部分，由表3可知，研究所选的植物对Pb富集系数较小，最大值为0.076，这与徐劼等[19]研究相符，相对植物体地上部分而言，根系作为直接与土壤接触的器官对Pb具有很强的吸收能力，因此根系是植物Pb吸收的主要器官组织。另外，因植物采自铅锌矿区，土壤环境体系中的Pb浓度很高，这时根系对Pb的吸附量较大，而采集的优势植物株体内Pb的含量都不高，最大值为37.81 mg/kg，说明Pb不易从土壤中迁移到植物地上植株体内。Cr及其化合物是环境中重要的污染物之一，由于其化学结构稳定，能长期存在于环境和生物体中并通过食物链进人人体，Cr一旦进入并积累于土壤环境，就会毒化土壤，引起土壤板结和贫瘠，影响作物生长，在土壤-植物系统中成为长期无法改变的公害。由于Cr在土壤与植物体内的移动能力很小，因此对土壤-植物系统及间接对人类的危害远不及Pb、Hg等其他金属那样严重[20]。对Cr富集能力较强的是唇形科的地笋，富集系数0.591，可以选用地笋作为土壤环境中Cr污染的修复植物。

2.2.2 重金属元素在不同植物中的积累特征分析从图1和图2知，大多数植物中重金属的积累量由大到小顺序为Zn、Pb、Cr。植物中Pb的正常含量通常为5.00 mg/kg[21]，由表2可知，Pb含量的范围为0.84～37.81 mg/kg，平均值为12.46 mg/kg，植物中Pb含量最大的是木贼科的节节草，含量最小的是荨麻科的水麻。除橐吾、巴茅、飞篷、白蒿、鬼针草、水麻、薄荷、风轮草等8种植物外，其他植物均超5.00 mg/kg，占总量的70.37%，Pb含量相对较高的4种植物为节节草、蜈蚣草、大吴风草、腺梗豨莶，分别为木贼科、肾蕨科、菊科，它们都具有较大的生物量，因此，节节草、蜈蚣草、腺梗豨莶和大吴风草均可视为Pb的耐性植物，但这些植物都未达到超富集植物的临界值。

植物中Cr含量通常小于1.00 mg/kg，很少会大于5.00 mg/kg [22]。由表2、3可知，Cr含量变化范围为0.19～37.78 mg/kg，平均值为7.56 mg/kg，植物中Cr含量最大的是唇形科的地笋，含量最小的是菊科的苦蒿，除巴茅和苦蒿2种植物外，其他植物均超过1.00 mg/kg，占总量的92.59%，地笋中Cr的含量是苦蒿中Cr含量的198.84倍。因此，地笋可作为Cr的耐性植物，但远未达到超富集植物的临界值。

植物中Zn的含量约为1.00～160.00 mg/kg，非矿化土壤上植物体内Zn含量达到1 000.00 mg/kg，是普遍现象，属正常含量[22]。由表2可知，植物中Zn含量变化范围为28.07～1 650.27 mg/kg ，平均值为401.37 mg/kg。从图2可知，植物中Zn含量最大的是百合科的萱草，含量最小的是禾本科的巴茅。除巴茅、芦苇、水麻、葛和野菊花等5种植物外，其他植物均超过160.00 mg/kg，占总量的81.48%。Zn含量相对较高的3种植物为过路黄、大吴风草、萱草，分别为报春花科、菊科、百合科。因此，过路黄、大吴风草、萱草均可视为较理想的Zn的耐性植物，但也未达到超富集植物的临界值。

3 小结

本研究有针对性地选择了贵州DW废弃铅锌矿区生长的优势植物为调查对象，研究了矿区植物中的重金属元素Pb、Zn、Cr的含量积累特征及植物对重金属的富集能力。结果表明，大多数植物中，Zn的积累量最大、Cr的积累量最小，但植物对Cr的富集能力相对较强。受矿区环境及Zn适应的影响，植物对其富集系数较小，但锌在过路黄、大吴风草中的积累量在800 mg/kg左右，在萱草中的积累量达1 650.27 mg/kg，它们也可作为植物修复土壤重金属Zn污染修复植物。地笋对Cr的富集系数为0.591，可作为植物修复土壤重金属Cr污染修复植物。植物对Pb的吸收主要在根系，所研究的植物均不适合作重金属Pb的土壤修复植物。

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