六种木本植物对铅锌尾矿库重金属富集力的研究

张 轩， 赵俊程， 吴子剑， 黄忠良， 刘 健，徐佳娈， 覃晓莉， 李 辉

(1.湖南省林业科学院生物与环境工程研究所，湖南 长沙 410004； 2.湖南大学生物学院，湖南 长沙 410082;3.湖南农业大学，湖南 长沙 410128)

六种木本植物对铅锌尾矿库重金属富集力的研究

张 轩1,2， 赵俊程3， 吴子剑1*， 黄忠良1， 刘 健1，徐佳娈1， 覃晓莉1， 李 辉1

(1.湖南省林业科学院生物与环境工程研究所，湖南 长沙 410004； 2.湖南大学生物学院，湖南 长沙 410082;3.湖南农业大学，湖南 长沙 410128)

通过对湖南省资兴市某已闭库并实施生态修复的铅锌尾矿库及周边受污染土壤和植物的采样分析，以ICP — ASE电感耦合等离子体发射光谱法测定了杉木、杨树、栾树、泡桐、香樟和乌桕等6种木本植物中Pb、Zn、Cu和Cd等重金属元素的含量，并运用转运系数和富集系数分析了植物相应的富集能力与转运特征。结果表明：6种植物中，对Pb富集系数最大的为乌桕，达到0.029；对Zn富集系数最大的为泡桐，达到0.374；栾树对Pb的转运系数达到1.314；泡桐对于Zn的转运系数达到1.452。6种植物均能适应铅锌重度污染的生长环境，其中乌桕、泡桐、栾树富集和转运Pb、Zn能力突出，适宜作为铅锌矿区植物修复的主要木本树种。

铅锌矿； 植物修复； 木本植物； 富集能力； 转运特征

湖南省矿产资源丰富，铅锌矿保有储量一直居全国前列[1]。矿产资源的开发为湖南社会经济发展提供有力资源保证的同时，也使矿区周边植被与景观受到破坏，水土流失加剧。随着重金属污染不断扩散，造成区域生物多样性递减、农林渔业减产、生态环境质量下降，人体健康遭到破坏等诸多危害。

植物修复(phytoremediation)是重金属污染环境治理的重要手段之一，具有成本低、无二次污染、保持水土及恢复景观等优势，适宜大面积应用于矿山的复垦、重金属污染场地的植被与景观修复[2-5]。目前，植物修复研究的重点集中在超富集植物的筛选及应用，其中又以草本和灌木居多[6-7]。本研究通过对郴州某铅锌尾矿库植物及土壤进行测定与分析，选取杉树、杨树、栾树、泡桐、香樟和乌桕等6种乡土木本植物为研究对象，对其重金属含量及富集能力进行比较分析，以期为铅锌矿区生态修复中木本植物群落配置提供参考依据。

1 研究区概况

研究区位于湖南省郴州市下辖的资兴市(县级)，是郴州市的11个县(市、区)之一。资兴市地处湘江流域耒水的上游，在罗霄山脉西麓、茶永盆地南端，为湘、粤、赣、三省交汇处，总面积2746.79 km2。资兴市地貌形态多山地，地势东南高、西北低，东部最高点为八面山，海拔2042 m；西北部最低点为程江口，海拔仅为106 m。资兴市属亚热带区域，四季分明，夏秋多旱，冬无严寒，夏无酷暑，雨水充沛，年均气温17.7 ℃，年均降雨量1487.6 mm，多集中在春夏3—6月和8月。项目区域内主要木本树种有松木、杉木、油茶、楠竹等，植被总类繁多、生长茂盛。至2014年，森林覆盖率66%，森林蓄积量4800万m3[8]。

2 研究方法

2.1野外调查与采样

植物材料采自湖南省资兴市某铅锌矿区尾矿库，该尾矿库6年前进行过客土和植物恢复，客土层厚度50 cm。本研究在实验样地随机设置20 m×20 m的A、B、C和D 4个样方，每个样方选择生长情况良好的目标植物(避开路边、沟边或林缘的非典型个体)作为4个样点，采集植物样品和土壤样品。土壤的采集用环刀法分层采集，并将4个样点相同土层深度的土壤样混合均匀约500 g为一个样品。植物样本分别采集地上和地下部分，其中地上部分包括叶和茎，进行适当剪切处理后装入密封袋保存。每种植物样采集3个重复。

2.2样品测定与分析

植物样用蒸馏水洗净，105 ℃杀青1 h，80 ℃烘干24 h，连续两次称重值变化在0.1 g内后粉碎，过100目尼龙筛；土壤样通过除杂、风干、捣碎、研磨成粉末过100尼龙目筛。植物与土壤样品均采用微波消解仪消解。消解后的植物土壤样品以ICP — ASE电感耦合等离子体发射光谱法测定样品中各元素的含量[9]，每个样本重复测定3次。

2.3数据分析

试验数据分析与处理采用SPSS 19.0和Excel 2007程序。以湖南省土壤背景值(平均值)、中国土壤背景值(平均值)[10-11]作为基础数据，分析实验区重金属元素污染程度。

其中：

富集系数BCF=C1/CS

(1)

转运系数TF=C1/C2

(2)

3 结果与分析

3.1铅锌尾矿库土壤污染状况

3.1.1 土壤pH值 表1给出了资兴铅锌尾矿库A、B、C和D 4个样方及剖面点的pH值，数据显示该尾矿库土壤偏酸性，在剖面中土壤样本pH值有呈自上而下递减趋势。其中，废弃地土壤偏酸性是其重金属含量高于普通土壤所致。

表1 不同样方及不同土层土壤pH值Tab 1 pHoftopsoilandprofilesoilsamples样方pH值土壤剖面(cm)pH值A6 72 0～207 04B6 6520～406 83C6 5840～606 52D6 4960～806 55平均值6 616 73

3.1.2 土壤重金属含量 表2列出了不同样点0～40 cm土壤混合样本重金属含量的平均值。总体上，样地所有测试元素的含量平均值都超过湖南省和国家的平均值。其中，Pb和Cd分别超过《国家土壤环境质量标准》GB 15618 — 1995规定的10倍和311倍，而Zn和Cu分别超过国家土壤环境标准的1.9倍和3.5倍。

表2 不同样方表层土壤重金属含量Tab 2 Concentrationdistributionofheavymetalsintopsoilandbackgroundvalues(mg/kg)样方PbZnCuCdA3517 70479 60420 40101 00B1780 60486 90588 70230 90C3361 40492 80141 30180 90D3353 90493 60276 00234 50平均值3003 40488 20356 60186 80湖南地区平均值29 7094 9027 300 13国家土壤质量标准3002501000 6

3.2植物体重金属含量

表3为植物体Pb、Zn、Cu、Cd含量的测定，6种植物对于不同重金属吸收存在较大差异，但总体上与土壤重金属特征呈一致性，并体现出与土壤中重金属含量呈正相关关系。6种植物在矿区内生长情况良好，表明它们对环境具有较强的适应能力，具备一定的重金属耐受性。

表3 植物体重金属含量Tab 3 Concentrationdistributionofheavymetalsinplants(mg/kg)植物部位PbZnCuCd杉树地上22 0959 241 503 75地下98 88440 306 1545 45杨树地上41 9078 026 5034 09地下398 35470 7022 9342 66栾树地上80 4851 973 8910 93地下61 2567 907 9523 25泡桐地上32 49182 4815 9357 50地下64 60125 7016 7557 60香樟地上20 1595 751 975 19地下157 63574 2526 2846 88乌桕地上15 7184 439 4919．23地下86 54116 3571 3527 35

3.3植物对重金的富集及转运能力

在筛选生态修复植物时，除了植物体内重金属浓度外，还涉及2个关键指标，转运系数(Transfer Factor, TF)和富集系数(生物积累系数Bioaccumulation Factor, BCF)。TF为植物地上与地下部分重金属浓度的比值，代表从地下部转移重金属到地上部的能力。BCF为植物地上部重金属累积量与土壤重金属含量的比值，代表植物地上部分积累重金属的能力[12-14]。

表4为6种植物的富集系数，其中Pb富集系数最大的为乌桕和栾树，达到0.029和0.027，香樟和杉树最小，为0.007；Zn富集系数最大的为泡桐和乌桕，达到0.374和0.238，其次分别为香樟0.196、杨树0.160、杉树0.121和栾树0.106；Cu富集系数最大的为乌桕0.200，最小的为香樟0.060；Cd富集系数最高的为泡桐0.308，最小的为杉木0.020。

表4 植物对重金属元素的富集系数Tab 4 BCFofheavymetalsinplants树种PbZnCuCd杉树0 0070 1210 0040 020杨树0 0140 1600 0180 182栾树0 0270 1060 0110 059泡桐0 0110 3740 0450 308香樟0 0070 1960 0060 028乌桕0 0290 2380 2000 146

表5为6种植物对于不同重金属的的转运系数。其中，栾树对于Pb的转运系数最高，达到1.314，其次是泡桐，达到0.503；对于Zn转运系数最高的为泡桐，达到1.452，其次是栾树和乌桕，分别达到0.765和0.726；Cu转运系数最高的为泡桐和栾树，达到0.951和0.489，最低为香樟0.075；Cd转运系数最高为泡桐和杨树，分别为0.998和0.799，最低为乌桕0.070。

表5 植物对重金属元素的转运系数Tab 5 TFofheavymetalsinplants树种PbZnCuCd杉树0 2230 1350 2440 083杨树0 1050 1660 2830 799栾树1 3140 7650 4890 470泡桐0 5031 4520 9510 998香樟0 1280 1670 0750 111乌桕0 1820 7260 1330 070

根据图1和图2综合得出，泡桐和栾树对于Pb和Zn具有较好的转运能力；栾树和乌桕对于Pb具有较好的富集能力，泡桐、乌桕和香樟对于Zn具有较强的富集能力。这些树种适宜作为修复植物在铅锌矿区开展生态恢复。

图1 不同植物对重金属的转运能力Fig.1 Transfer capability of heavy metals in different plants

图2 不同植物对重金属的富集能力Fig.2 Bioaccumulation capability of heavy metals in different plants

4 结论与讨论

有关植物富集特定重金属物质的研究至今已经发展了20多年，且大部分研究的重点放在了超富集植物修复污染土壤方面。然而，针对时间跨度大的田间自然环境下的某种植物修复效果和机制的研究还比较缺乏。即使植物的生理生化系统基本相同，单一种类植物修复也不可能适用于所有土壤和自然立地条件[15-17]。因此，长时间观测自然条件下的群落植物修复效应对于特定矿种的重金属植物修复意义重要。本研究实验地是湖南省典型的铅锌矿尾矿库废弃地，其重金属含量超严重超标，地质条件恶劣，水土流失严重，在此生长的植物能够正常生存繁衍，说明其自身已具备较强的重金属耐受性。

植物地上部分重金属的累积量在某种程度上代表了植物能从土壤中所吸收和提取重金属量的能力。选取的6种植物中，地上部分重金属吸附能力由高到低分别为：

Pb：栾树>杨树>泡桐>杉树>香樟>乌桕

Zn：泡桐>香樟>乌桕>杨树>杉树>栾树

Cu：泡桐>乌桕>杨树>栾树>香樟>杉树

Cd：泡桐>杨树>栾树>香樟>杉树>乌桕

虽然检测的几种植物体内重金属浓度偏低，但其生物量较大，相应增大了重金属累积总量。在植物体内重金属浓度相同情况下，植物生物量越大，植物去除重金属的能力越强，这是筛选高生物量植物作为修复潜力植物的理论基础。

在植物转运系数方面，栾树对于Pb的转运系数达到1.314，泡桐对于Zn的转运系数达到1.452。说明这两种植物对分别对于Pb和Zn具有较强的转运能力。

在植物富集系数方面，所有植物均没有超过1，这一方面由于尾矿库土壤中重金属含量极高；另一方面说明，木本植物的重金属吸附能力要低于某些超富集草本植物。在矿区生态修复中，必须结合一定数量的草本和灌木开展联合修复。

通过对6种乡土木本植物重金属富集系数和转运系数的对比分析，发现杉树、杨树、栾树、泡桐、香樟和乌桕对重金属Pb、Zn、Cu和Cd都具有较强的耐受性，特别是栾树、乌桕、泡桐的富集和转运Pb和Zn能力突出。同时，该6种木本植物作为湖南地区优势用材、能源树种，在修复污染的同时兼具经济效益高、生物量大和易于大面积人工栽培等优势，可在铅锌矿废弃地林业生态修复工程中发挥重要作用。因此，通过进一步研究，用材及能源木本植物修复技术可以在“乔-灌-草”相结合的多层植物群落修复重金属污染中发挥更大的潜力。

[1] 王向健,郑玉峰,赫冬青.重金属污染土壤修复技术现状与展望[J].环境保护科学.2004(2)：48-49.

[2] Brooks R R.Plants that hyperaccumulate heavy metals.[J] CAB International,1989,1-2.

[3] Baker A J M ,Proctor J.The influence of cadmium,copper,lead and zinc on the distribution and evolution ofmetallophytes in the British Isles[J].Plant System Evolution,1990,173:91-108.

[4] 骆永明.重金属污染土壤的植物修复[J].土壤,1999(6):261-280.

[5] 李思亮,杨斌,陈燕，等.浙江省铅锌矿区土壤重金属污染及重金属超富集植物筛选[J].环境污染与防治,2016,38(5):48-54

[6] 罗忠,文仕知,刘虹.枫香人工林根系重金属元素含量的季节变化[J].湖南林业科技，2015(05):6-9.

[7] 王旭军,吴际友,程 勇,等.铅胁迫对4种行道树生长的影响[J].湖南林业科技,2011,38(5):34-38.

[8] 唐璨.郴州年鉴[M].北京：中州古籍出版社，2015.

[9] 国家固体危险废物鉴别标准(GB5085.3-2007)[S].2007.

[10] 彭杰,张杨珠,周清，等.湖南省几种主要类型土壤反射光谱的剖面变化特性[J].土壤通报,2006,4(2):236-240.

[11] 潘佑民.湖南土壤背景值及研究方法[M].北京：中国环境科学出版社,1988.

[12] Eliana L.Tassi,Francesca Pedron,Meri Barbafieri.Evaluating the Absorption of Boron by Plants—A Potential Tool to Remediate Contaminated Sediments from Cecina River Basin in Italy [J].Water,Air,& Soil Pollution,2011,216(1-4):275-287.

[13] García,M.á.,Alonso,J.,& Melgar,M.J.Lead in edible mushrooms:levels and bioaccumulation factors[J].Journal of Hazardous Materials,2009,167(1-3):777-783.

[14] Melgar,M.J.,Alonso,J.,& García,M.A.Mercury in edible mushrooms and underlying soil:bioconcentration factors and toxicological risk [J].Science of the Total Environment,2009,407(20),5328-5334.

[15] Nicoletta,R.,Flavia,N.I,Heavy metal hyperaccumulating plants:How and why do they do it？ And what makes them so interesting? [J].Plant Science,2011,180(2)：169-180

[16] 石润,吴晓芙,李芸,等.应用于重金属污染土壤植物修复中的植物种类 [J].中南林业科技大学学报，2015，35(4)：139-146.

[17] 陈永华，吴晓芙，郝君，等.4种木本植物在潜流人工湿地环境下的适应性与去污效果 [J].生态学报，2014,34(4)：916-924.

Heavymetaltransfercapabilityofsixwoodyplantsin
lead-zincminearea

ZHANG Xuan1,2, ZHAO Juncheng3, WU Zijian1*, HUANG Zongliang1LIU Jian1, XU Jialuan1, QIN Xiaoli1, LI Hui1

(1.Hunan Academy of Forestry，Changsha 410004, China;2.College of Biology, Hunan University, Changsha 410082, China;3.Hunan Agricultural University, Changsha, 410128, China)

The bioaccumulation capability and transfer characteristics of Pb, Zn, Cu and Cd in soil and 6 different woody plants collected from a typical lead-zinc mine wasteland of Zixing City, Hunan province were investigated, includingCunninghamialanceolata(Lamb.) Hook.,PopulusL.,Koelreuteriapaniculata,Paulownia.,Cinnamomumcamphora(L.) Presl., andSapiumsebiferum(L.) Roxb. The results showed that the 6 plants could adapt to the heavy metal polluted environment, and there was a positive correlation between the heavy metal content in plants and soil.S.sebiferum(L.) Roxb. had the largest Pb bioaccumulation factor of 0.029；Paulownia. had the highest Zn bioaccumulation factor of 0.374；the largest Pb transfer factor of 1.314 were found inK.paniculata；and Zn transfer factor ofPaulownia. reached 1.452. These 3 woody plants are suitable for phytoremediation of lead-zinc mine.

lead-zinc mine； phytoremediation； woody plants ； bioaccumulation capability； transfer characteristics

2016-09-30

湖南林业科技计划(XLK201553)；湖南省林业科技计划(XLB201503)； 湖南林业科技计划(XLK201552)。

张 轩(1990-)女，湖南省长沙市人，硕士，主要从事生物与环境工程研究。

吴子剑，助理研究员，在读博士，E-mial:18684927135@163.com。

Q 945.12

A

1003 — 5710(2016)06 — 0064 — 05

10. 3969/j. issn. 1003 — 5710. 2016. 06. 014

(文字编校：杨 骏)