德兴铜矿区优势物种苎麻(Boehmeria nivea)对重金属的富集与积累特性

简敏菲，杨叶萍，余厚平，叶嘉敏，金　聪

(1.江西师范大学鄱阳湖湿地与流域研究教育部重点实验室，江西 南昌　330022;2.江西师范大学生命科学学院/ 江西省亚热带植物资源保护与利用重点实验室,江西 南昌　330022)



德兴铜矿区优势物种苎麻(Boehmeria nivea)对重金属的富集与积累特性

简敏菲1,2，杨叶萍2，余厚平1，叶嘉敏2，金聪2

(1.江西师范大学鄱阳湖湿地与流域研究教育部重点实验室，江西 南昌330022;2.江西师范大学生命科学学院/ 江西省亚热带植物资源保护与利用重点实验室,江西 南昌330022)

摘要：选取江西省德兴铜矿区8个采样点，对土壤和苎麻植株Cd、Pb和Cu含量进行测定分析。结果表明，铜矿区土壤中Cu污染严重并伴有轻微的Cd污染， Pb含量则在江西省土壤背景值范围之内。8个样点土壤Cd、Pb和Cu含量均值分别为0.51、9.36和1 058.21 mg·kg-1。大部分样点苎麻植株叶片中重金属含量最低，根最高，最高值与最低值差距达数十倍，地上部重金属含量低于地下部。苎麻对上述3种重金属的富集系数和转运系数从大到小依次为Cd、Pb和Cu；苎麻对Cd的富集系数和转移系数最高值分别为1.42和0.54，对Pb的富集系数和转移系数最高值分别为0.63和0.53，对Cu的富集系数和转移系数最高值分别为0.08和0.37。8个样点苎麻的地上部生物量均值为1.41 t·hm-2，最高值达2.18 t·hm-2。苎麻对Cd、Pb和Cu的累积量均值分别为0.2、1.1、24 g·hm-2。因此，苎麻对Cu和Cd具有一定的耐性，在矿区种植苎麻可作为植物修复的先锋物种，促进矿区生态恢复。

关键词：德兴铜矿；苎麻；重金属污染；生物富集作用；植物修复

矿山开采造成大规模的土地破坏,植物资源减少,严重影响生态环境[1-2]。由于矿区土壤中重金属含量高,组成成分复杂,不仅影响农作物生长,而且可通过食物链对人类健康产生极大危害。矿区植被恢复和土地修复是目前备受关注的研究领域[3]。有些自然生长在重金属污染土壤中的植物能够富集积累较多的重金属污染物并正常生长(超富集型植物),可利用其修复重金属污染土壤并改善生态系统的环境质量[4-6]。因此,在矿区寻找重金属富集和耐性的优势植物具有十分重要的意义[7]。

3.1 改善环境 保持室内清洁、整齐、舒适、安静、温湿度适宜(温度18～22℃，湿度50% ～60%)，设备应摆放整齐，灯光可使用柔和光线，不要直接对着患者的眼睛，房间设有窗户和钟表置于患者视野范围。妥善安排治疗操作时间，尽量保持患者白天清醒，夜晚睡眠，为患者创造一个良好的休养环境。患者之间用屏风或窗帘隔开，以避开抢救对患者心理感应带来的消极影响。Kahn等［18］将噪声按其来源分为两类:一类与机器有关，不可控;另一类与人的行为有关，可控。并且认为50%以上的噪声属于后者，是可控的。医务人员尽量避免在患者床边讨论病情，大声喧哗，呼吸机、监护仪等仪器设备发出的声音调至合适大小。

江西省矿产资源极其丰富,享有铜、钨、铀、钽、稀土、金、银“七朵金花之乡”之称。德兴铜矿是中国超大型露天开采铜矿区,也是中国有色金属工业基地[8]。自1958年开采以来,德兴铜矿已形成5.76 km2裸地和207 km2尾矿堆积区[9]。随着江西省境内矿山开采及其他重工业的建设,土壤重金属污染问题也日益突出,并对鄱阳湖生态建设与可持续发展带来严峻考验与挑战。长期以来,德兴铜矿地区的重金属污染问题受到众多学者的关注[10-12]。国内外学者针对不同矿区的重金属污染问题及优势植物的富集、积累特征进行了广泛研究[13-16],如鸭跖草(Commelinacommunis)是Cu超富集植物,空心泡(Rubusrosaefolius)和酸模(Rumexacetosa)则属于Cu耐性植物[17];海州香薷(Elsholtziahaichowensis)能耐受高浓度铜并对铜矿具有指示作用[18]。

苎麻(Boehmerianivea)是耐重金属能力较强的物种之一,且不会通过食物链危害人类健康,在极度污染的土壤中生长旺盛,为矿区的优势植物[14],具备根系发达、生物量大、固土能力强、生命力旺盛等特点。为进一步研究德兴铜矿区苎麻对不同重金属的耐性和富集能力,对德兴铜矿区苎麻的生长情况、苎麻体内重金属含量及其与土壤重金属含量之间的关系进行调查研究,为铜矿区污染土壤的环境治理和生态修复提供科学依据。

1材料与方法

1.1研究区概况

德兴铜矿位于赣东北地区,为亚洲露天开发规模最大的铜矿[19]。自1958年8月开采以来,每年排放大量的含铜、铁等多种重金属离子的酸性废水,矿区受到不同程度的As、Hg、Cd、Zn、Cu和Pb污染,矿区土壤重金属污染问题已极其严重[19],尤其以德兴铜矿区为中心的区域污染最严重[20]。江西省山江湖开发治理委员会调查结果显示,戴村、洺口、流芳村等地的青壮年因长期饮用乐安河水,导致肝肿大、肝癌患病率高;流经矿区的乐安河流域受到严重影响,给当地居民的生产生活带来严重危害[9]。

1.2样品采集

据了解，大自然家居新总部地处粤港澳大湾区“南方智谷”。作为从“制造”转型为“智造”的全球化代表企业之一，在粤港澳大湾区发展风口下，大自然家居借势科技创新、人才汇集、交通枢纽等多重集结，实现产业升级转型以及全球化发展，引领家居行业迈向新征程。

2014年10月调查德兴铜矿区生态环境,记录优势物种,并沿着矿区周边的村庄、道路、农田及大坞河流向乐安河方向选取8个苎麻为优势植物的典型采样点(北纬29°00′58″～29°03′34″,东经117°41′47″～117°42′42″，海拔58～103 m),采用手持式GPS仪(麦哲伦Explorist 500型)定位(图1)。

图1　研究区采样点分布

1、3、4号样点位于农村居民区,6、7号样点位于城镇居民区,2、5、8号样点分别位于大坞河上、中、下游河岸。每个样点随机平行选取3块1 m2的样方,每个样方中收获苎麻植株地上部和地下部根系样品。样方内土壤采用5点取样法,用内径2.5 cm的土钻取0～20 cm根系土样,将采集的同一样方的样品混匀带回实验室备用。

富集系数能有效反映植物吸收重金属能力大小,转移系数则反映植物由地下部向地上部转移重金属能力大小。如表2所示,在8个样点中,样点1苎麻对Cd的富集系数和转移系数均最大,分别为1.42和0.54;其余各样点苎麻对重金属Cd、Pb、Cu的富集系数和转移系数均小于1。样点3苎麻对Pb的富集和转移系数均最大,分别为0.63和0.53;样点8苎麻对Cu的转移系数最大,为0.37。苎麻对Cd、Pb、Cu的富集系数均值分别为0.59、0.22、0.03,对Cd、Pb、Cu的转移系数均值分别为0.38、0.35、0.27。

(1)购置经费渠道多样化。对于贵重仪器的购置，英国高校接受政府资助、企业合作、个人捐赠等多种形式的资金来源。

要想促进水环境监测工作的顺利进行，必须要采用相应的水环境监测方法。在具体监测工作中，要使用统一的方法和程序，遵循国家相应的标准方法。如果规定的方法和程序比较粗略、笼统，实验室要从自身实际情况出发，做好作业指导书的编制工作，保证较高的操作性和可行性，从而实现监测全过程规范化操作目标，避免出现监测结果失真现象，从而确保水环境监测工作质量的稳步提升。

参考江西省土壤类型的划分[24],经鉴定样点2、5、8的土壤类型为偏碱性石灰土,其余样点土壤类型为偏酸性黄棕壤。矿区土壤基本理化指标测定结果如表1所示。铜矿区土壤中Cu为主要污染物,土壤中Cu含量为GB 15618—2008《土壤环境质量标准(修订)》中3级标准的1.25～5.92倍;除样点2 土壤中Cd含量超出3级标准值(1.00 mg·kg-1)外,其余样点均低于1.00 mg·kg-1,但超出江西省或全国土壤背景值;Pb含量均低于江西省或全国土壤背景值。8个土壤样点w(Cd)、w(Pb)和w(Cu)均值分别为0.51、9.36和1 058.21 mg·kg-1。铜矿区Cu污染较严重,且伴有轻微的Cd污染。

2结果与分析

2.1矿区植被特征和土壤重金属含量

植株地上部重金属含量=(麻骨生物量×麻骨重金属含量+叶生物量×叶重金属含量+茎皮生物量×茎皮重金属含量+种子生物量×种子重金属含量)/(麻骨生物量+叶生物量+茎皮生物量+种子生物量);富集系数=地上部重金属含量/土壤重金属含量;转移系数=地上部重金属含量/地下部重金属含量;植株地上部重金属累积量=植株地上部重金属含量×植株地上部生物量。

矿区的自然定居植物约20余种,植被分布主要以草本植物为主,伴生有少量木本植物。8个采样点共同分布的草本植物主要有苎麻(Boehmerianivea)、芒草(Miscanthussinensis)、淡竹叶(Lophatherumgracile)等多年生草本植物和狗尾草(Setariaviridis)等一年生草本植物,其中苎麻为优势种。

所获数据用SPSS 20.0软件进行平均值和标准差的计算,用Origin 8.0软件制图。

表1矿区土壤pH值和重金属含量

Table 1Heavy metal contents and pH of the soils in the sampling sites

样点编号pH值w(Cd)/(mg·kg-1)w(Pb)/(mg·kg-1)w(Cu)/(mg·kg-1)14.820.18±0.013.42±0.22501.77±17.5627.411.80±0.1411.69±0.96837.59±21.0036.220.28±0.052.02±0.242368.16±51.3645.120.52±0.026.70±0.18897.64±14.9257.780.34±0.0414.71±1.29654.32±28.0066.560.50±0.0313.15±0.68903.96±31.0575.420.24±0.043.52±0.281122.29±89.7587.170.25±0.0419.70±2.801179.99±73.51 江西省土壤背景值—0.1032.1020.80 全国土壤背景值—0.0723.6020.00 GB15618—2008(3级)—1.00500400

“—”表示无数据。

2.2苎麻体内重金属含量

目前在钠电池所用的固体电解质中研究较多的是固体聚合物电解质(SPE)，长时间使用体积变化不太明显，但在低温性能方面比较差。今后不仅将寻找合适的钠盐；同时也将通过利用改善电导率的各种途径，如添加增塑剂或纳米粒子等。

轧辊表面堆焊50Cr13合金组织性能的研究…………官发根 雷 声 张有德 吴 鹏 马世豪 汪日光 (1-43)

Cu 是植物生长所必需的微量元素,但过量的 Cu 会对植物产生一定的毒害,正常土壤中w(Cu)一般为 30 mg·kg-1(2～250 mg·kg-1),土壤中w(Cu)达到 150～400 mg·kg-1就会对植物产生毒害[25]。而德兴铜矿区土壤中重金属含量远远高于对植物的毒性阈值,因此在此定居的植物对Cu具有一定耐性。调查区的苎麻为优势物种,且生长非常旺盛,这可能与其根系发达有关,能将吸附的重金属贮存在根部,较少输送到地上部。

通过对环境生态工程综合实习课程进行改革与建设，力求打破原有课程内容的界限，提高学生综合运用知识和技能的能力，取得了一定的成效。然而， 学生在整个大学期间所学知识点远远超过此次实习课程所能涉及的范围，在实际应用中不同知识体系的融合也远远较此次实习课程更为复杂。因此，环境生态工程综合实习课程改革与建设更多的是提供一种知识与能力、理论与实践、学与用相结合的思路。对于环境生态工程培养高级复合型人才的目标，必须通过加强专业特色、工程能力和个性化知识技能结构的建设才能实现。

同一幅图中相同图案直方柱上方英文大写字母不同表示不同

2.3苎麻对重金属的富集与转移系数

对苎麻植株分别按地下部的根以及地上部的麻骨、叶、茎皮和种子等器官部位进行Cd、Pb、Cu含量分析(野外采样中仅有3、6、8号样点中采集到苎麻种子),测定结果如图2所示。苎麻不同部位对土壤中不同重金属的吸收差异较明显,但在苎麻植株内的分布次序表现不一。大部分样点苎麻叶中重金属含量最低,根中最高,茎皮、麻骨和种子分布规律不明显。w(Cd)在苎麻植株内各部位的变化范围较大,最低为样点6的叶片(0.03 mg·kg-1),最高为样点7茎皮(0.55 mg·kg-1),相差近17倍。w(Pb)在苎麻体内各部位的变化范围最大,最低为样点4叶片(0.07 mg·kg-1),最高为样点4根部(3.02 mg·kg-1),相差近43倍。苎麻根部w(Cu)始终高于茎皮、种子、麻骨和叶片,土壤pH值最低的样点1叶片含量为2.9 mg·kg-1,根部含量达86.9 mg·kg-1,两者相差近30倍。苎麻根部w(Cd)、w(Pb)和w(Cu)均值分别为0.35、2.27和64.08 mg·kg-1。

1.3样品处理与分析

表2不同样点苎麻对重金属的富集系数和转移系数

Table 2Transportation factors(TF) and bioaccumulation factors(BCF) of heavy metals inBoehmerianivearelative to sampling site

样点编号CdPbCu富集系数转移系数富集系数转移系数富集系数转移系数11.420.540.370.370.080.2820.120.360.090.470.030.3230.590.240.630.530.010.2440.490.310.190.190.030.2250.380.280.070.140.030.2560.340.370.100.400.030.2770.730.460.240.280.030.2180.630.500.060.420.020.37

2.4苎麻地上部生物量及其对重金属的累积量

综上所述，PES联合Kegal法盆底肌肉训练对产后PFD症状改善、盆底肌力恢复及生活质量提高均有益，值得临床推广。

生物量的大小在一定程度上决定植物对重金属的累积量。铜矿区苎麻株高平均约为50 cm。8个样点的株高差异性较明显,地上部相应的生物量见图3。各样点间生物量存在明显差异,8个样点苎麻地上部生物量均值为1.41 t·hm-2,其中样点8地上部生物量最高,达2.18 t·hm-2。

土壤样品自然风干后碾碎、过150 μm孔径筛后备用。植物样品洗净后,分为地上部(麻骨、叶、茎皮)和地下部(根),自然风干后,采用WGL-45B鼓风式烘箱在105 ℃下杀青30 min,然后在65 ℃下烘干至恒重,研磨、过筛后贮存备用。土壤样品采用上海新仪MDS-8G型多通量密闭微波化学工作站(HNO3-HCl-H2O2消解体系)进行消解[21],按等温梯度设置控制条件后进行消解,冷却后过滤用超纯水定容。植物样品采用马福炉干法灰化处理、HNO3-HCl法消化[22]。采用美国Varian公司的AA-240Z 型原子石墨炉分光光度计测定样品中Cd、Pb和Cu含量。所用试剂均为优级纯,土壤底质重金属分析测试过程中均采用土壤标准样品(代号GSS-3)进行全程质量控制,并对样品进行多次重复测试,根据标样给出的重金属元素参考值以及该元素的实测值计算回收率[23]。

直方柱上方英文大写字母不同表示不同样点间苎麻

苎麻地上部对Cd、Pb、Cu的累积量如图4所示。苎麻地上部对3种重金属的累积量从高到低依次为Cu、Pb和Cd。样点1苎麻地上部对Cu和Cd的累积量最高,分别为36和0.32 g·hm-2;样点8苎麻地上部对Pb的累积量最高,为2 g·hm-2。苎麻地上部对Cd、Pb和Cu的累积量均值分别为0.2、1.1和24 g·hm-2。土壤pH值对于Cd或Cu等重金属污染物在土壤及苎麻等植物体内的迁移转化可能会产生一定影响,这种影响机制有待进一步研究。

同一幅图中直方柱上方英文大写字母不同表示不同样点间苎麻地上部重金属累积量差异极显著(P<0.01)。

2.5土壤和苎麻平均重金属含量及富集转运系数

如表3所示,矿区土壤和苎麻植株重金属含量从大到小依次为Cu、Pb和Cd,存在极显著差异(P<0.01),这与ZU等[26]报道相同;苎麻对重金属的富集能力和转运能力从大到小依次均为Cd、Pb和Cu,且3种重金属间存在极显著差异(P<0.01),这可能与有效金属离子活性不同有关[27]。

表3土壤和苎麻平均重金属含量及富集转运系数

Table 3Concentrations of heavy metals in soils andBoehmerianiveaand their bioconcentration factors

重金属种类土壤重金属含量/(mg·kg-1)植株重金属含量/(mg·kg-1)富集系数转运系数Cd0.51(0.18～1.80)C0.19(0.16～0.26)C0.59(0.34～1.42)A0.38(0.24～0.54)APb9.36(2.02～19.70)B1.15(0.86～1.30)B0.22(0.06～0.63)B0.35(0.14～0.53)BCu1058(502～2368)A 29.14(19.34～41.93)A0.03(0.01～0.08)C0.27(0.21～0.37)C

同一列数据后英文大写字母不同表示不同重金属间某指标差异极显著(P<0.01)。

3讨论与结论

德兴铜矿区土壤以Cu污染最为严重,给当地居民的生产、生活带来一定的影响与危害。苎麻作为优势种在当地生长旺盛,说明苎麻具有很强的耐Cu能力,同时对Cd的富集转运能力较强,这与雷梅等[14]研究结果相同。

重金属在土壤及苎麻体内含量分布从高至低依次为Cu、Pb和Cd,且存在极显著差异(P<0.01);苎麻不同部位重金属含量不同,地上部重金属含量低于地下部含量,大部分样点苎麻植株体内重金属含量在根中最高,这与孟桂元等[28]研究结果相同;叶片中最低,这与代剑平等[29]研究结果相同。主要原因是根、茎较叶片的生长期更长,且根系分泌物能更有效地与重金属结合,贮存在根中,例如根分泌的碳水化合物、有机酸、氨基酸、糖类物质、蛋白质、核酸及大量其他物质能提高土壤重金属生物有效性,根系微生物能产生有益代谢产物，改变根系缺氧状态并促进土壤重金属溶解[30-31]。

苎麻对重金属的富集和转移系数从高至低依次为Cd、Pb和Cu,存在极显著差异(P<0.01),这与库文珍等[15]的研究结果一致。苎麻体内Cu含量最高，但富集转移系数最低,Cd含量最低，但富集转移系数最高。这可能是不同重金属诱导植物螯合素(PCs)合成的能力差别很大,已明确PCs在降解Cd毒过程中能起到重要作用,PCs-Cd复合物是Cd由细胞质进入液泡的主要形式[32]。另外,植被的分布情况也可能影响苎麻对重金属的富集能力,已有研究表明芒草对Cd的富集系数大于1,且狗尾草与淡竹叶对Cd均有一定的富集能力[15]。芒草、狗尾草、淡竹叶、苎麻为矿区共同分布的植物,就对Cd的富集而言，这4种植物之间可能存在协同作用。

研究区各采样点苎麻对Cd、Pb、Cu的累积量均值分别为0.2、1.1和24.0 g·hm-2;对以上3种重金属元素的富集和转移系数均小于1,地下部对重金属吸收较多;且各样点苎麻地上部生物量均值达1.41 t·hm-2,样点8地上部生物量则高达2.18 t·hm-2。相关研究表明,如果植物地上部对重金属富集量大于根部,则可用于植物提取修复;如果植物吸收的重金属大部分富集在根部,则可用于植物固定修复;如果植物吸收重金属少而又在污染基质中生长旺盛且生物量大,则可用于植被重建。苎麻作为非食用的自然乡土物种,既不存在重金属污染物通过食物链对家畜及人体产生毒害的风险,又具有较高生物量并能在各种逆境中生长旺盛[33]。因此,一方面可考虑利用苎麻对铜矿区重金属污染土壤进行固定修复;另一方面也可根据苎麻自然生长的定居特性,合理制定矿山开采及植被恢复对应措施[14],将苎麻作为植物恢复的先锋物种。

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(责任编辑： 陈昕)

Heavy Metal Enrichment and Bioaccumulation Characteristics of Boehmeria nivea, a Dominant Species of Plant Growing in Dexing Mining Area of Jiangxi Province.

JIAN Min-fei1,2, YANG Ye-ping2, YU Hou-ping1, YE Jia-min2, JIN Cong2

(1.Key Laboratory of Poyang Lake Wetland and Watershed Research, Ministry of Education/ Jiangxi Normal University, Nanchang 330022, China;2.College of Life Science/ Jiangxi Provincial Key Laboratory of Protection and Utilization of Subtropical Plant Resources, Jiangxi Normal University, Nanchang 330022, China)

Abstract:A study was conducted to investigate contents of three main heavy metal elements, cadmium, lead and copper, in ramie (Boehmeria nivea)and its associated soils in the Dexing Copper Mining of Jiangxi Province. Samples of soils and ramie were collected from 8 sampling sites typical of the mining area for analysis. Results show that the soil of the area has been severely polluted with Cu and slightly with Cd, but not Pb, which was found still within the range of soil background values of Jiangxi Province. In the soils around the 8 sampling sites, the mean content of Cd, Pb and Cu was 0.51, 9.36 and 1 058.21 mg·kg-1, respectively. In most of the sampling sites, the content of heavy metals was the lowest in ramie leaves and the highest in ramie roots, and the difference between the highest and lowest was drastic, reaching a few dozen times. In terms of bioaccumulation coefficient and transfer coefficient in the ramie, the content of heavy metals displayed an order of Cd>Pb> Cu. The heavy metals varied sharply in bioaccumulation coefficient and transfer coefficient in ramie. The highest bioaccumulation coefficient and the highest transfer coefficient of Cd was 1.42 and 0.54, of Pb 0.63 and 0.53, of Cu 0.08 and 0.37, respectively. Of the eight sampling sites, the mean biomass of ramie shoot was 1.41 t·hm-2, and the highest reached to 2.18 t·hm-2. The mean bioaccumulation of Cd, Pb and Cu in the ramie was 0.2, 1.1 and 24 g·hm-2, respectively. All the findings indicate that ramie is quite tolerant to Cu and Cd and can be grown as pioneer plant in mining areas for control of heavy metals pollution and phytoremediation of the ecology in the area.

Key words:Dexing Copper Mining;ramie (Boehmeria nivea);heavy metal pollution;bio-accumulation;phytoremediation

收稿日期：2015-06-26

基金项目：国家自然科学基金 (41161035,41461042);“十二五”国家科技支撑计划 (2011BAC13B02);江西省自然科学基金 (20142BAB204007);江西省亚热带植物资源保护与利用重点实验室开放基金(YRD201411)

中图分类号：X53

文献标志码：A

文章编号：1673-4831(2016)03-0486-06

DOI：10.11934/j.issn.1673-4831.2016.03.023

作者简介：简敏菲(1969—),女,江西高安人,教授,博士,主要从事鄱阳湖湿地生态过程与环境重金属污染研究。E-mail: jianminfei0914@163.com