大冶铜绿山矿区优势草本植物重金属富集能力测定
2016-12-15张然然罗鹏林刘远河
张然然，罗鹏林，刘远河，康 薇,2
(1.湖北理工学院环境科学与工程学院，湖北 黄石 435003；2.矿区环境污染控制与修复湖北省重点实验室，湖北 黄石 435003)
大冶铜绿山矿区优势草本植物重金属富集能力测定
张然然1，罗鹏林1，刘远河1，康 薇1,2
(1.湖北理工学院环境科学与工程学院，湖北 黄石 435003；2.矿区环境污染控制与修复湖北省重点实验室，湖北 黄石 435003)
在对大冶铜绿山矿区的草本植物进行普查的基础上，采集植物及其根际土壤样品，分别测定植物各部位及根际土壤的重金属含量，比较草本植物对土壤主要污染元素的富集作用，筛选可用于修复重金属污染土壤的植物。结果表明：Cu、Zn、Cd、Pb为大冶铜绿山矿区土壤的主要污染重金属，其中，Cu、Cd、Zn达到重度污染，Pb呈中度污染。矿区共记录草本植物23科42属46种，其中多度大于3，分布较为广泛的优势植物18种。野葡萄(Vitisadstrictae)、葛藤(Argyreiaseguinii)、荆芥(Nepetacataria)、乌蔹莓(Cayratiajaponica)、葎草(Humulusscandens)、商陆(Phytolaccaacinosa)、苍耳(XanthiumsibiricumPatrin)、苎麻(Boehmerianivea)、扫帚菜(Kochiascoparia)、苘麻(AbutilontheophrastiMedicus)为该矿区新记录种。重金属富集能力方面，综合富集系数地下部普遍大于地上部，酸模叶蓼地上部综合富集系数最大，达到4.16；滨蒿地下部富集系数最大，达到5.45。植物对Cd的富集系数最大，Cu次之，Zn、Pb较小。海州香薷(Elsholtziahaichowensis)、苍耳(XanthiumsibiricumPatrin)、鸭跖草(Commelinacommunis)、酸模叶蓼(Polygonumlapathifolium)对Cu和Pb具有极强的耐受和富集能力；荆芥(Nepetacataria)、滨蒿(Artemisiaannua)、酸模叶蓼(Polygonumlapathifolium)、蓖麻(Ricinuscommunis)对Cu和Cd具有极强的耐受和富集能力；荆芥(Nepetacataria)对重金属Cu、Zn和Cd具有较强的耐受与富集能力。在Cu、Zn、Cd、Pb等重金属复合污染区的生态修复实践中，上述优势草本植物可作为先锋植物对矿区进行植被重建。
土壤污染；重金属；草本植物；富集能力；植被重建
矿业废弃地由于重金属含量高且缺乏养分，通常植被退化严重以致寸草不生，并且土壤中的重金属通过雨水的作用容易造成矿区周边水体及农田的污染，具有很高的植物毒性，给农作物及公众健康带来严重的危害[1-5]。由于重金属污染过程具有隐蔽性、长期性、表聚性和不可逆性以及土壤-植物系统的复杂性等特点，重金属污染土壤的修复治理一直是该领域的热点和难点[6]。研究表明，在经过几十年甚至数千年的自然演替后，随着土壤条件的逐渐改善和重金属耐性植物的侵入，这些重金属异常区也会形成独特的植被[7]。这些与重金属密切相关的植被统称为金属型植物[7]。国内外对矿区耐性植物的研究较多，一些耐性植物对重金属有较强的耐性和富集能力，可作为修复重金属污染土壤的先锋植物[8-9]。
20世纪80年代初期发展起来的植物修复技术逐渐成为研究热点[10],相对于传统的重金属污染土壤治理方法，如换土法、淋洗法、化学氧化法等，植物修复技术具有经济、环保绿色、不会造成二次污染的优势，因而具有极大的潜力[11-13]。而植物修复的难点是耐性和富集植物的发现[14]。铜绿山矿区是我国六大铜基地之一，开采历史悠久，形成了良好的自然植被[15],这些植物在植被重建和生态修复中起着决定性作用[16]。
作者在对大冶铜绿山矿区草本植物资源进行普查的基础上，通过测定矿区优势草本植物及其根际土壤的重金属含量，分析优势草本植物对土壤重金属的富集能力，以期为大冶铜绿山矿区重金属污染土壤生态重建提供依据。
1 材料与方法
1.1 植被调查与土壤样品采集
2011年6月至2015年8月，在湖北大冶铜绿山铜铁矿露采场进行植被调查并采集土壤样品。采用踏查的方式，调查记录了铜绿山矿区露采场上生长的优势草本植物。植物的优势度按目测估计,分为五级:①极少；②稀少；③常见；④丰富；⑤极丰富。
每种植物随机选取5株，并按地上部分和地下部分(根系)各随机取样5个。同时，采集植物根际土壤，采样深度为 0～20cm。3次重复。
1.2 样品处理及测定
1.2.1 土壤样品处理及测定
土壤样品剔除大石子和动植物残体后，室内自然风干、研磨、过100目筛。
用AA-240FS型原子吸收分光光度计测定重金属的含量[17](下同)；pH计测定土壤pH值[W(土)∶V(水)=1∶3，g∶mL][18-19]；烘干法测定水分质量分数[19]；重铬酸钾油浴加热法测定土壤有机质含量[17,19-20]；M3浸提法测定土壤速效P和土壤速效K[21-22]。
1.2.2 植物样品处理
将野外采集的植物样品带回室内清洗干净，置于通风位置晾干，分根、茎、叶，110 °C杀青15 min，80 ℃烘干(48 h)，经王水消解，2%稀HNO3定容，原子吸收分光光度法测重金属含量[17]。
1.3 数据处理
1.3.1 评价标准
土壤环境质量评价标准执行《土壤环境质量标准》(GB 15618-2008)二级标准。
1.3.2 评价方法
采用土壤单项污染指数(Pi)[23-24]、土壤综合污染指数(P综)[23,25]评价土壤重金属污染等级；采用富集系数(Di)[26]、综合富集系数(D)[26]评价草本植物重金属富集能力。具体计算公式：
Pi=Ci/Si
Di=Ti/Wi
D=∑Di
式中：Ci为调查土壤中污染物的实测浓度；Si为污染物的评价标准值或参考值。Pmax为单项污染指数最大值；Px为单项污染指数的算术平均值；Ti为植物体内某元素含量，mg·kg-1；Wi为土壤受污染后某元素含量，mg·kg-1。
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2 结果与讨论
2.1 植物种类组成
本次调查共记录了铜绿山矿区生长的高等草本植物23科42属46种，见表1。
表1 铜绿山矿区草本植物概况
注：T为一年生草本，Cr为多年生草本；多度，1表示极少，2表示稀少，3 表示常见，4表示丰富，5表示极丰富。
由表1可知，从生活型上看，一年生草本植物32种，多年生草本植物14种，其中，菊科7种，禾本科6种，蓼科5种，豆科4种，大戟科4种，这些植物分布范围较广、适应能力强、生长较快，且种子有较强的传播能力，可考虑作为生态恢复的先锋植物。据报道，菊科、蓼科和禾本科植物也是锰矿废弃地的自然定居植物，能适应Mn、Cr、Cd等重金属含量较高的土壤环境[28-30]；豆科植物由于其根部的固氮能力，在铜绿山矿区的种类也较多，但优势度并不高[7]。从多度上看，海州香薷(Elsholtziahaichowensis)、五节芒(Miscanthusfloridulus)、鸭跖草(Commelinacommunis)、蓖麻(Ricinuscommunis)、三四鬼针草(Bidenspilosa)、酸模叶蓼(Polygonumlapathifolium)、蝇子草(Silenefortune)、商陆(Phytolaccaacinosa)和扫帚菜(Kochiascoparia)等在矿区成片生长，为铜绿山矿区典型的优势植物；荆芥(Nepetacataria)、狗尾草(Setariaviridis)、白茅(Imperatacylindraca)、滨蒿(Artemisiaannua)、苍耳(XanthiumsibiricumPatrin)、乌蔹莓(Cayratiajaponica)、头花蓼(Polygonumcapitatum)、杠板归(Polygonumperfoliatum)、葎草(Humulusscandens)等零散分布；小飞蓬(Conyzacanadensis)、续断菊(Sonchusasper)、叶下珠(Phyllanthusurinaria)、野葡萄(Vitisadstrictae)、水虱草(Fimbristylismiliacea)、龙葵(Solanumnigrum)、葛藤(Argyreiaseguinii)、苎麻(Boehmerianivea)、苘麻(AbutilonheophrastiMedicus)等有少量分布，其它草本植物则为偶见种，分布极为稀少。其中野葡萄、葛藤、荆芥、乌蔹莓、葎草、商陆、苍耳、苎麻、扫帚菜、苘麻为该矿区新记录种。
2.2 土壤pH值及有机质、速效P、速效K的含量(表2)
表2 土壤pH值及有机质、速效P、速效K的含量
由表2可知，草本植物根际土壤pH值为6.35 ～ 6.71，呈弱酸性。有机质含量偏低，为16.06～25.65 g·kg-1。土壤有机质含量是表征土壤肥力的重要指标,也是植物营养元素的重要来源。有机质含量大小和性质关系到土壤的结构、可耕性、持水率、保肥供肥特性及生产性能，因而在土壤肥力、环境保护和农业可持续发展等方面具有重要意义[31]。土壤速效P含量极低，为1.33～1.57 mg·kg-1，可能与铜绿山土壤属于富钙土壤和铁、铝土壤类型有关，受土壤中活性铁、铝、钙等离子固定作用所致[32]。土壤速效K的含量也较低，为57.74～66.10 mg·kg-1。
2.3 土壤重金属含量及污染指数(表3)
表3 植物根际土壤重金属含量及污染指数
注：“-”表示未检出。
由表3可知，草本植物根际土壤中含有Cu、Cd、Pb、Zn、Fe和Mn等多种重金属元素，均高于湖北省土壤背景值(中国环境监测站,1990)。其中Cu的含量为121.75～3 009.51 mg·kg-1，平均1 031.84 mg·kg-1；Pb的含量为11.26～879.37 mg·kg-1，平均293.40 mg·kg-1；Zn的含量为173.99～1 467.63 mg·kg-1，平均808.38 mg·kg-1；Cd的含量为2.23～35.56 mg·kg-1，平均10.98 mg·kg-1；Mn的含量为501.55～1 700.36 mg·kg-1，平均1 152.18 mg·kg-1；Fe的含量为12 979.23～26 385.73 mg·kg-1，平均15 433.10 mg·kg-1。对照土壤重金属污染等级标准，土壤中Cu、Zn和Cd达到重度污染等级，Pb达到中度污染等级，Mn轻度污染。综合污染指数排序为Cd>Cu>Zn>Pb>Mn。可见，植物根际土壤存在Cu、Pb、Zn、Cd等元素构成的复合污染，主要以Cu、Zn、Cd为主要污染元素，Pb次之。一般情况下，土壤重金属Cu、Cd、Pb和Zn对植物的中毒临界值分别为150 mg·kg-1、4 mg·kg-1、50 mg·kg-1和50 mg·kg-1[4]，铜绿山矿区露采场草本植物根际土壤中Cu、Zn、Pb、Cd含量都大于植物中毒的临界值，这些植物能够正常生长，表明它们对土壤中的Cu、Zn、Pb、Cd 具有一定的耐受性。
2.4 优势草本植物重金属含量
本实验选择多度≥3、在生长上具有一定优势的草本植物，测定植物各部位Cu、Pb、Zn、Cd的含量，结果见表4。
表4 植物各部位重金属Cu、Pb、Zn、Cd的含量
由表4可知，生长在铜绿山矿区的优势草本植物地上部和地下部重金属含量(DW，下同)总的趋势是Cu>Zn>Pb>Cd，与这4种元素在植物根际土壤的含量高低基本一致。从地上部分看，鸭跖草Cu含量最高，达到1 034.20 mg·kg-1；续断菊Pb含量最高,为76.63 mg·kg-1，商陆Zn含量最高,为392.26 mg·kg-1；续断菊Cd含量最高，为11.43 mg·kg-1。从整株重金属含量来看，鸭跖草Cu含量最高，为2 258.20 mg·kg-1；荆芥、滨蒿、苍耳的Cu含量相对较高，依次为1 582.78 mg·kg-1、1 093.86 mg·kg-1、1 782.30 mg·kg-1，对Cu有较强的富集能力和耐性；海州香薷、蓖麻、酸模叶蓼、五节芒的Cu含量为409.48～742.70 mg·kg-1，对Cu有较强耐性；Pb含量最高为续断菊，达128.56 mg·kg-1，海州香薷、狗尾草、荆芥、蓖麻、苍耳、三四鬼针草、酸模叶蓼、野葡萄的Pb含量相对较高；荆芥的Zn含量最高为612.24 mg·kg-1；荆芥、蓖麻、滨蒿、扫帚菜、续断菊、苎麻的Cd含量较高，分别为12.31 mg·kg-1、12.15 mg·kg-1、13.13 mg·kg-1、13.89 mg·kg-1、18.28 mg·kg-1、13.36 mg·kg-1。
通常情况下，植物体内重金属含量达到临界值就会出现中毒症状，Cu、Zn、Pb、Cd的临界值分别为40 mg·kg-1、10 mg·kg-1、50 mg·kg-1、3 mg·kg-1[4]。从测定结果看，所测试植物体内的几种重金属含量都远大于临界值，进一步证实这些植物存在较强的重金属耐性。
2.5 植物重金属富集分析(表5)
表5 草本植物对根际土壤Cu、Pb、Zn、Cd的富集系数
注：“—”表示未检出，A为地上部；U为地下部。
由表5可知，草本植物对根际土壤Cu、Pb、Zn、Cd的富集能力存在较大的差异。对Cu表现出较强富集能力的有海州香薷、鸭跖草、滨蒿、苍耳、酸模叶蓼、苎麻；对Pb表现出较强富集能力的有海州香薷、狗尾草、鸭跖草、蝇子草、苍耳、酸模叶蓼、小飞蓬，其中，狗尾草地上部和地下部富集系数之和最高，海州香薷、鸭跖草、蝇子草、苍耳、酸模叶蓼、小飞蓬次之；对Zn表现出较强富集能力的有荆芥、三四鬼针草、扫帚菜、商陆，其中扫帚菜地上部和地下部富集系数之和最高，荆芥、三四鬼针草、商陆次之；对Cd的富集系数普遍较高，其中蓖麻的地上部和地下部富集系数之和最高，为7.52，荆芥、滨蒿、三四鬼针草、扫帚菜、商陆、酸模叶蓼、续断菊次之。
从地上部和地下部综合富集系数来看，大多植物的地下部富集系数大于地上部富集系数，但龙葵、苘麻、三四鬼针草、扫帚菜、商陆、酸模叶蓼、五节芒、小飞蓬和续断菊与之相反。部分植物地上部也表现出较强的综合富集能力，海州香薷、狗尾草、鸭跖草、蝇子草、荆芥、蓖麻、滨蒿、苍耳、龙葵、苘麻、三四鬼针草、扫帚菜、商陆、酸模叶蓼、小飞蓬、五节芒、续断菊和苎麻地上部综合富集系数均大于1，酸模叶蓼的地上部综合富集系数最大，达到4.16。通过对优势草本植物地上部和地下部综合富集系数之和进行比较，发现海州香薷、狗尾草、鸭跖草、荆芥、蓖麻、滨蒿、苍耳、酸模叶蓼、三四鬼针草、扫帚菜、商陆、续断菊、苎麻综合富集系数之和均大于3，蓖麻综合富集系数最大，达8.57；海州香薷、狗尾草、鸭跖草、荆芥、滨蒿、苍耳、酸模叶蓼、三四鬼针草、扫帚菜、商陆、续断菊、苎麻次之，依次为4.38、5.06、3.90、6.07、7.58、4.99、7.28、5.94、3.65、5.09、3.28、4.96。结果表明，大冶铜绿山矿区优势草本植物不仅对土壤重金属复合污染具有较强的耐受性，部分优势草本植物还对Cu、Pb、Zn、Cd表现出了较强的综合富集能力。
3 结论
(1)湖北铜绿山矿区分布有草本植物23科42属46种，其中多度大于3、分布较为广泛的优势植物18种，均表现出对矿区重金属污染较强的耐性。野葡萄(Vitisadstrictae)、葛藤(Argyreiaseguinii)、荆芥(Nepetacataria)、乌蔹莓(Cayratiajaponica)、葎草(Humulusscandens)、商陆(Phytolaccaacinosa)、苍耳(XanthiumsibiricumPatrin)、苎麻(Boehmerianivea)、扫帚菜(Kochiascoparia)、苘麻(AbutilontheophrastiMedicus)为该矿区的新记录种。
(2)草本植物根际土壤pH值呈弱酸性，土壤有机质含量普遍较低，土壤速效P、速效K含量也相对较低。
(3)铜绿山矿区植物土壤受多种重金属元素复合污染，其中Cu、Pb和Cd为主要污染元素，平均含量分别为1 031.84 mg·kg-1、293.40 mg·kg-1、10.98 mg·kg-1，Cu、Zn和Cd达到重度污染，Pb达到中度污染。
(4)铜绿山矿区生长的18种优势草本植物中，Cu含量最高为鸭跖草，为2 258.20 mg·kg-1；荆芥、滨蒿、苍耳的Cu含量(mg·kg-1)相对较高，依次为1 582.78、1 093.86、1 782.30，对Cu有较强的富集能力和耐性；海州香薷、蓖麻、酸模叶蓼、五节芒等的Cu含量为409.48～742.70 mg·kg-1，对Cu有强耐性。Pb含量最高为续断菊，达128.56 mg·kg-1；荆芥Zn含量最高，为612.24 mg·kg-1；荆芥、蓖麻、滨蒿、扫帚菜、续断菊、苎麻的Cd含量(mg·kg-1)分别为12.31、12.15、13.13、13.89、18.28、13.36。
(5)海州香薷、鸭跖草、滨蒿、苍耳、酸模叶蓼、苎麻对Cu表现出较强的富集能力，海州香薷、狗尾草、鸭跖草、蝇子草、苍耳、酸模叶蓼、小飞蓬对Pb表现出较强富集能力，荆芥、三四鬼针草、商陆、扫帚菜对Zn表现出较强富集能力，荆芥、蓖麻、滨蒿、三四鬼针草、扫帚菜、商陆、酸模叶蓼、续断菊对Cd的富集能力较强。海州香薷、苍耳、鸭跖草、酸模叶蓼对重金属Cu、Pb复合污染具有较强的耐性；荆芥、滨蒿、酸模叶蓼、蓖麻对Cu、Cd复合污染具有较强的耐性；荆芥能够同时耐受Cu、Zn和Cd的复合污染。这些优势草本植物在Cu、Pb、Zn、Cd等重金属污染区的生态修复实践中，可作为先锋植物对矿区进行植被重建。
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Determination of Heavy Metal Enrichment Capacity of Dominant Herb Plants in Tonglvshan Mine
ZHANG Ran-ran1，LUO Peng-lin1，LIU Yuan-he1,KANG Wei1,2
(1.SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering,HubeiPolytechnicUniversity,Huangshi435003，China;2.HubeiProvincialKeyLaboratoryofMiningAreaEnivironmentalPollutionControlandRemediation,Huangshi435003，China)
Tochoosevegetationwhichcanbeusedtoremediateheavymetalcontaminatedsoil,basedonherbplantsinvestigationinTonglvshaninHubeiProvince,herbplantsandtheirrhizosphericsoilsinTonglvshanwerecollected,heavymetalcontentinvariouspartsofplantsandrhizosphericsoilsamplesweredetected,andtheenrichmentcapacityofherbplantsforheavymetalwerecompared.Theresultsshowedthat,Cu,Zn,CdandPbwerethemainpollutionelements,andinparticular,theseverepollutionmetalwasCu,CdandZn,Pbwasthesecondarypollution.Thesurveyrecordhigherherb46species42generaand23families,including18speciesofdominantplantsthattheabundancewasmorethan3.Vitis adstrictae,Argyreia seguinii,Nepeta cataria,Cayratia japonica,Humulus scandens,Phytolacca acinosa,Xanthium sibiricumPatrin,Boehmeria nivea,Kochia scopariaandAbutilon theophrastiMedicuswerefirstfoundinTonglvshan.Intheheavymetalenrichmentcapacityaspect,mostherbs′abovegroundcomprehensiveenrichmentcoefficientwasgreaterthantheunderground′s,Polygonum lapathifoliumabovegroundcompositeenrichmentcoefficientwasthelargest4.16;Artemisia annuaenrichmentcoefficientoftheundergroundpartofmaximumwas5.45.Cdenrichmentcoefficientwasthelargest,Cuenrichmentcoefficientisthesecond,Zn,Pbenrichmentcoefficientwassmall.Elsholtzia haichowensis,Xanthium sibiricumPatrin,Commelina communis,Polygonum lapathifoliumhadgreatcapacityoftoleranceandenrichmentforCuandPb;Nepeta cataria,Artemisia annua,polygonum lapathifolium,Ricinus communishadgreatcapacityoftoleranceandenrichmentforCu,Cd；Nepeta catariahadgreatcapacityoftoleranceandenrichmentforCu,ZnandCd.Inconclusion，thesedominantherbplantscouldbeusedaspioneerplantsforminevegetationreconstructioninheavymetalpollutionsuchasCu,Zn,CdandPb.
soilpollution;heavymetal;herbplants;enrichmentcapacity;vegetationreconstruction
湖北省高等学校优秀中青年创新团队项目(T201317)，湖北省科技支撑计划项目(2014BHE0030)
2016-10-11
张然然，女，湖北黄石人；通讯作者：康薇，博士，副教授，研究方向：重金属污染土壤生物修复，E-mail:kweismile0312@126.com。
10.3969/j.issn.1672-5425.2016.11.013
张然然，罗鹏林，刘远河，等.大冶铜绿山矿区优势草本植物重金属富集能力测定[J].化学与生物工程，2016，33(11)：63-70.
Q 948.11
A
1672-5425(2016)11-0063-08
