湘西锰矿区土壤重金属含量及优势植物吸收特征

熊云武， 唐 彪， 林晓燕， 裴东辉， 任 重， 龚亚龙*， 杨胜香， 许建新， 赵 亮

(1.深圳市铁汉生态环境股份有限公司，广东深圳 518040；2.吉首大学生物资源与环境科学学院，湖南吉首 416000)



湘西锰矿区土壤重金属含量及优势植物吸收特征

熊云武1， 唐 彪1， 林晓燕1， 裴东辉1， 任 重1， 龚亚龙1*， 杨胜香2， 许建新1， 赵 亮1

(1.深圳市铁汉生态环境股份有限公司，广东深圳 518040；2.吉首大学生物资源与环境科学学院，湖南吉首 416000)

摘要[目的]研究湘西锰矿区土壤重金属含量及优势植物吸收特征，为锰矿废弃地植被恢复和重金属污染土壤的植物修复提供理论依据。[方法]调查湘西花垣县响水村锰矿区废弃地植被物种组成，测定优势种根际土壤及植物根部和地上部分的Cu、Zn、Pb、Cd、Mn、Ni含量。[结果]响水村锰矿区所记录的高等植物共有20种，隶属15科18属，且优势种以草本植物为主；土壤重金属主要为Cd、Mn污染，且Cd含量超过国家土壤环境质量3级标准(GB 15618—1995)，超标倍数达6.12～13.61倍，Mn含量为湖南省土壤背景值的57.93～244.40倍，污染严重；11种优势植物，萹蓄(Polygonum aviculare L.)、醉鱼草(Buddleja lindleyana Fort.)植物体内Mn含量较低，为Mn规避型植物，五节芒[(Miscanthus floridulus (Lab.) Warb.ex Schum et Laut.]根部Mn含量远大于地上部，为Mn根部囤积型植物，飞蓬(Erigeron acris L.)、鬼针草(Bidens pilosa L.)、千里光(Senecio scandens Buch.-Ham.ex D.Don)、土荆芥[Dysphania ambrosioides (Linnaeus) Mosyakin & Clemants]、酸模叶蓼(Polygonum lapathifolium L.)、愉悦蓼(Polygonum jucundum Meisn.)、商陆(Phytolacca acinosa Roxb.)、博落回[Macleaya cordata (Willd.) R.Br.]均表现出对Mn具有一定的吸收，其中，愉悦蓼对Mn的吸收富集能力较强，为Mn富集型植物。[结论]锰矿区重金属植物修复中，采用植物稳定技术时可以选择萹蓄、醉鱼草、五节芒作为先锋植物进行修复，采用植物提取技术时，可以选择愉悦蓼进行修复。

关键词重金属；锰矿；土壤；优势植物；湘西

尾矿废弃地不仅占用大量土地，而且易造成物种消失，生物多样性锐减，生态系统退化[1]。尾矿废弃地生态恢复以植物恢复为关键，但由于尾矿废弃地重金属含量高、营养元素缺乏、土质结构较差，限制了植物在尾矿废弃地的生长[2-6]。耐重金属植物经过不断的生物进化而形成，对重金属污染具有较强的耐性[7-8]。近年来，学者对金属尾矿区耐重金属植物进行了筛选，并取得了一定成果。叶文玲等[9]对铜陵铜尾矿库进行调查，发现续断菊对Cd具有较强的转运能力和富集能力，可用于Cd污染严重地区的生态修复；何东等[10]对湖南下水湾铅锌尾矿库进行了调查，发现地枇杷对Pb具有很强的转运能力与富集能力；刘惠娜等[11]研究表明，粤东梅县丙村铅锌尾矿区3种优势植物类芦、黄荆、盐肤木对重金属有一定的耐性；刘月莉等[12]对甘洛铅锌尾矿区进行调查，发现桔梗、狗尾草和千里光等对Pb、Zn、Cd具有较强的耐性。目前已发现的耐Mn污染植物种类较少，因而筛选新的耐Mn或富集Mn的植物物种具有重要意义。笔者对湖南湘西花垣县响水村锰矿区进行了植被组成调查，分析了土壤和主要优势植物的重金属含量，以及锰矿区植物对重金属的富集和迁移转化特征，旨在为锰矿废弃地重金属污染生态修复提供理论依据。

1材料与方法

1.1调查区概况花垣县位于湖南省湘西自治州中部、西部和西北部，分别与贵州省和重庆市接壤，地理坐标为109°11′～110°55′ E，27°44′～29°47′ N，境内具有丰富的矿产资源和植物资源，目前已探明矿产20余种，其中，锰矿储量居全国第2位，有“东方锰都”“有色金属之乡”的美称。响水村隶属民乐镇，民乐锰矿是我国南方著名的大型沉积锰矿床之一。原始植被为亚热带典型山区植被，针叶树、阔叶树、灌木、草本植物丰富。属中亚热带季风湿润气候，年均气温16.7 ℃，年均降水量1 421 mm，无霜期270 d。该区域光、热、水资源丰富，利于植物生长。

1.2样品采集2015年6月对花垣县响水村锰矿区进行了植被调查和采样，记录矿区所有自然生长的植物，植物的丰富度按目测估计[13]，分为优势种、常见种和偶见种3级。采集主要优势植物的地上部分和根部及其所在区域的土壤。每种植物采集3～5株组成混合样，同步采集3个平行样。采集每种植物所在区域0～30 cm的表土作为供试土壤样品，将3～5个采样点土样组成1个混合样，同步采集3个平行样。所有样品采集后立即装入塑料密封袋，做好标记，运回实验室。

1.3测定项目与方法将土壤样品置于室内自然风干，去除石块、植物根系和凋落物等，并研磨过100目尼龙筛，包装登记后保存，待测Cu、Zn、Pb、Cd、Mn、Ni全量均采用HCl - HNO3-HF-HClO4消煮-原子吸收光谱法测定(GB/T 17138—1997)。

将运回实验室的植物样品用自来水和去离子水洗净，吸干表面水分。将样品置于烘箱内105 ℃杀青30 min，然后于65 ℃烘干。干样用万能粉碎机磨细，过0.25 mm尼龙筛，待测。植物重金属采用HNO3-HClO4联合消煮(GB /T 5009.11-15—2003)，用原子吸收光谱法测定Cu、Zn、Pb、Cd、Mn、Ni浓度。

计算优势植物的生物富集系数(BCF)和转运系数(TF)。生物富集系数(BCF)=植物地上部分重金属含量/土壤重金属含量，转运系数(TF)=植物地上部分重金属含量/植物根部重金属含量。

2结果与分析

2.1矿区植被物种组成及特征由表1可知，响水村锰矿区有高等植物20种，隶属15科18属。从物种组成来看，菊科、蓼科各有3种，分别占总种数的15%，其次为藜科2种，占总种数10%；从植物生活型来看，有草本植物、灌木(或小乔木)、乔木、藤本植物4种，且主要以草本植物为主，共13种，占该矿区植物种类的65%；从丰富度来看，优势种以草本植物为主，共有11种，分别为五节芒、飞蓬、鬼针草、千里光、土荆芥、萹蓄、酸模叶蓼、愉悦蓼、商陆、博落回、醉鱼草。

2.2土壤重金属污染特征由表2可知，所测定的6种重金属元素中，主要是Cd、Mn污染，含量分别为6.12～13.61、25 546.00～107 780.00 mg/kg(DW)，与国家土壤环境质量3级标准(保障农林业生产和植物正常生长的土壤临界值)相比，Cd的超标6.12～13.61倍，由于3级标准未对土壤Mn含量进行限制，与湖南省土壤背景值相比，Mn含量为背景值的57.93～244.40倍，污染严重。

表1　矿区主要植物种类

注：D为优势种；F为常见种；O为偶见种。

Note: D.Dominant species; F.Common species; O.Rare species.

表2　矿区植物根际土壤重金属含量

2.3优势植物体内重金属含量分布特征由表3可知，该矿区优势植物体内含量较高的重金属为Mn，地上部、根部Mn的含量分别为481.53～1 442.34、394.67～1 831.59 mg/kg(DW)，且除五节芒地上部、萹蓄地上部和根部、醉鱼草地上部和根部的Mn含量在植物体属正常范围，其他优势植物地上部和根部Mn含量均高于植物正常含量范围高值；而地上部和根部Cu、Zn、Pb的含量均较低，均在正常含量范围内，Cd含量稍高于正常含量范围高值，这与土壤中的重金属含量特征基本一致，反映了植物重金属的生物蓄积特征与土壤重金属的相关性。

由表4可知，各优势植物的BCF<1.00，说明该矿区的主要优势植物均对重金属有一定的耐受能力。从TF看，不同植物对同一重金属的TF相差较大，即使是同一种植物对不同重金属的TF也相差较大，表现出不同的转运能力。

表3　优势植物体内重金属含量

注：“-”表示低于检出限。

Note: “-” stands for lower than detection limit.

3讨论

一般来说，土壤中的Cu、Zn、Pb、Cd含量分别为150～400、70～400、100～400、3～8 mg/kg时，会对植物产生毒性。响水村锰矿区的11种优势植物根际土壤除Cu、Pb含量普遍较该毒性阈值低外，Zn、Cd含量普遍处于该阈值范围内，其中，飞蓬根际土壤Cd含量高于该毒性范围高值，说明该矿区所调查的优势植物对Zn、Cd均具有一定耐性，尤其是飞蓬对Cd的耐性较强。另外，该矿区土壤Mn含量高达25 546.00～107 780.00 mg/kg，能在Mn严重污染的土壤生长，证明该矿区植物对Mn具有较强的耐性。而不同的耐性机制使植物对重金属的吸收、转移和累积特征表现出较大差异。通过计算矿区优势植物的生物富集系数(BCF)和转运系数(TF)可知，该矿区优势植物对重金属的吸收机制大致可分为富集型(Accumulators)、根部囤积型(Root Compartments)和规避型(Excluders)3类。响水村锰矿区11种优势植物，除萹蓄、醉鱼草相对于其他植物对土壤Mn的吸收能力低外，其余均为Mn规避型植物，五节芒根部Mn含量远大于地上部，为Mn根部囤积型植物外，其他8种植物也表现出对Mn具有一定的吸收性，其中，愉悦蓼对Mn的吸收富集能力较强，为Mn富集型植物，在矿区植物修复时可以利用其富集Mn的能力，提取土壤中的Mn，以达到修复目的。

商陆是公开的Mn超富集植物，该调查结果显示，商陆对Mn的富集能力未达到超富集水平。这可能是由于矿区土壤的Mn含量较高，而所采集植物比较幼嫩，植物富集重金属的含量远低于与生长到一定阶段的同种植物的Mn含量，这与前人研究结果基本一致[17]。

表4　优势植物的生物富集系数和转运系数

注：“-”表示低于检出限，未计算出系数。

Note: “-” stands for lower than detection limit,unable to calculate the coefficient.

4结论

(1)通过对响水村锰矿区植被调查，共记录高等植物20种，隶属15科18属，且优势种以草本植物为主，共有11种，分别为五节芒、飞蓬、鬼针草、千里光、土荆芥、萹蓄、酸模叶蓼、愉悦蓼、商陆、博落回、醉鱼草。

(2)土壤重金属主要是Cd、Mn污染，且Cd含量超过国家土壤环境质量3级标准(GB 15618—1995)，超标倍数达6.12～13.61倍，Mn含量为湖南省土壤背景值的57.93～244.40倍，污染严重。

(3)11种优势植物，萹蓄、醉鱼草相对于其他植物对土壤重金属的吸收能力低，植物体内Mn含量较低，均为Mn规避型植物，五节芒根部Mn含量远大于地上部，为Mn根部囤积型植物，其余8种植物表现出对Mn具有一定的吸收，其中，愉悦蓼对Mn的吸收富集能力较强，为Mn富集型植物。

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Soil Heavy Metals Content and Dominant Plants Absorption Characteristics in Xiangxi Manganese Mining Area

XIONG Yun-wu,TANG Biao,LIN Xiao-yan,GONG Ya-long*et al

(Shenzhen Techand Ecology & Environment Co.,Ltd,Shenzhen,Guangdong 518040)

Abstract[Objective] The aim was to study soil heavy metals content and dominant plants absorption characteristics in Xiangxi manganese mining area,and to provide theoretical basis for revegetation of abandoned land and phytoremediation of heavy metal contaminated soil.[Method] The vegetation species of abandoned land and Cu,Zn,Pb,Cd,Mn,Ni content in rhizosphere soil and plant roots and aboveground parts of dominant species in manganese mining area in Xiangshui Village,Huayuan County,Xiangxi were determined.[Result] The results showed that there were 20 species plants belonging to 18 genera in 15 families,and the dominant species were given priority to herbs.Soil Cd and Mn pollution were serious.And Cd content was more than national standards for environment quality of grade three soil (GB 15618-1995),with excessive ratio of 6.12 to 13.61 times.And Mn content was more than background value of soil of Hunan Province,with ratio of 57.93 to 244.40 times,seriously polluted.Eleven dominant plants,Erigeron acris L.,Bidens pilosa L.,Senecio scandens Buch.-Ham.ex D.Don,Dysphania ambrosioides (Linnaeus) Mosyakin & Clemants,Polygonum lapathifolium L.,Polygonum jucundum Meisn.,Phytolacca acinosa Roxb.,Macleaya cordata (Willd.) R.Br.absorbed a large amount of Mn by the roots and transported to the shoots,especial Polygonum jucundum Meisn.which absorbed larger Mn than the others,and could be used to clean up the soils containing light to moderate toxic metal concentration and with high-value,could be Mn accumulator.Miscanthus floridulus (Lab.) Warb.ex Schum et Laut.also absorbed a large amount of Mn but mainly held in the roots,could be the root compartment.While Polygonum aviculare L.and Buddleja lindleyana Fort.absorbed less Mn than the other eight plants,with the accumulation coefficients of Mn just was 0.01,could be Mn excluder.[Conclusion] In revegetation of manganese mining area,Polygonum aviculare L.,Buddleja lindleyana Fort.,Miscanthus floridulus can be cultivated when plant stable technology is used,while Polygonum jucundum Meisn.can be planted when plant extraction technology is adopted.

Key wordsHeavy metals; Manganese mine; Soil; Dominant plants; Xiangxi

基金项目广东省软科学研究计划项目铁汉生态研究院建设(2014B090903

作者简介熊云武(1987- )，男，江西南昌人，助理工程师，从事土壤污染与修复研究。*通讯作者，工程师，硕士，从事土壤污染与修复研究。

收稿日期2016-02-09

中图分类号S 181

文献标识码A

文章编号0517-6611(2016)08-084-04

015);深圳市科技计划项目(CXZZ20140418105252027);深圳市战略性新兴产业发展专项资金(发改办高技[2013]2556号)。