淮南部分采煤沉陷复垦区土地中植物重金属的富集特征比较研究

刘诗敏 高良敏 邱增羽 黄肖萌 杨茗 雒建伟

摘 要：为了研究采煤沉陷复垦区土地中植物重金属的富集特征，本文采用火焰原子吸收法测定淮南部分采煤沉陷复垦区植物中以及土壤中常见的几种重金属含量，计算出12种植物对土壤中重金属的富集系数与转运系数，最终选出适合在淮南复垦区种植的富集重金属的植物种类。研究结果表明：复垦区的12种植物对不同重金属具有不同的富集特征。野艾蒿、野豇豆对铜（Cu）的富集能力较强，最高达到1.77；野豇豆和鬼针草对锌（Zn）的富集能力都超过了0.50。鬼针草对铬（Cr）和镍（Ni）的富集能力远高于其他11种植物，狗尾草对镉（Cd）的富集能力最大，为4.00，是最小值的100倍。12种植物对铅（Pb）的富集系数都在0.50以下，富集能力弱。研究区域适合种植狗尾草、野豇豆、鬼针草和钻叶紫苑，它们对重金属的总富集系数都超过了0.50，富集系数较高。

关键词：采煤沉陷区；复垦区；植物；重金属富集

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.02.071

1 研究背景

一直以来，矿山环境地质问题受区域地质环境条件的控制以及影响都很大，地质环境的不同导致区域开矿所带来的环境地质问题类型也不同，往往差异很大。不同的区域进行开矿活动造成的影响不同：山地区域开矿易引发崩塌、滑坡、泥石流等災害，而植被被破坏以及地面塌陷等现象则是平原盆地区开矿造成的 [1-2]。我们的地质环境使得矿山地质环境问题备受社会各界的关注。为了实现矿产资源开发与地质环境保护和治理工作同时发展，避免和减少矿山地质环境问题，我们在开采煤炭资源的同时解决好采煤沉陷区的环境污染，做好矿山地质环境保护与治理恢复工作，对有效治理生态破坏问题，促进经济社会和谐稳定具有重大的现实意义和深远的历史意义[3]。

安徽省淮南市是以一座能源型城市，主要的矿藏为煤炭，作为中国最重要的煤炭资源城市之一，截止到2014年底，淮南矿业集团公司煤炭开采沉陷区约320万km2，预计最终塌陷面积将达到687万km2，其中沉陷区积水面积达最大积水深度将超过20m，相当于100个西湖大小[4]。面对如此严峻的矿山地质环境问题，淮南市选取了几个矿山环境问题较严重的采矿区的沉陷区进行复垦活动，重点任务是研究植物修复矿区重金属污染的土壤方法。

本文针对于大通复垦区、潘一矿复垦区以及新庄孜复垦区种植的植物对土壤中重金属的富集强度比对，研究适应修复沉陷复垦区重金属污染土壤的植物种类，以期为接下来此方面的研究工作提供借鉴和研究依据。

2 样品的采集

2.1 样品的采集

实验研究所用的土壤以及植物样品主要采集于淮南市大通煤矿沉陷复垦区、潘一煤矿沉陷复垦区、新庄孜煤矿沉陷复垦区。经过实地调查发现，三个复垦区中数量多，占优势的植物共有12种。采样点依据采样区域的面积大小均匀分布，同时根据国家标准《土壤环境监测技术规范》（HJ/T166-2004）中的布点和采样规范，进行塌陷复垦区土壤样品的采集。

本次植物以及土壤样品的采集时间为夏季及秋季，着重考虑复垦区植物与土壤之间的关联对土壤重金属的修复影响。对研究区域长势良好、生长面积较广的12种植物分地上和地下部分进行采集分析研究。在所研究的三个区域内共采集土壤样品的工业垃圾522个，主要的采集方式是利用特制采样器采集土壤垂直剖面样品，样品的垂直长度为20cm，同时记录采样点的地理位置坐标并对采样地点、周围植物生长情况和煤矸石具体填埋深度情况等。

2.2 样品的预处理与测试

2.2.1 样品的预处理

采集回来的土壤样品需要放在聚四氟乙烯的风干盘中均匀摊开，并放置在阴凉、通风、干燥的地方自然风干。风干之后的样品需要手动捡除样品中的石子、煤矸石等杂物，最后运用四分法选出300g左右的样品，放入事先准备好的干净玻璃瓶中密封保存。把放入玻璃瓶中的土壤样品拿出，用玛瑙研钵磨碎，过筛，最后装入自封袋密封保存。植物样品采集回来之后，先进行水洗，除去植物表面的灰尘等物质，放在通风干燥处自然风干。然后根据研究目的进行分部位处理，用塑料刀将植物样品切碎，称取200g左右于瓷托盘中。在105℃杀青30min后，在50℃的干燥箱中烘至恒重。取出碾碎，过60目的样品筛，放入玻璃瓶中备用。样品的前处理过程中，需要写清楚样品的标签 [7]。

2.2.2 重金属含量检测

为了保证实验质量符合国家规定的实验要求，本实验选用了国家规定的标准物质土壤标准做为参考样（GBW-07403），植物样品利用国家标准样品（GBW07604），实验分析表明，回收率较好，从而为接下来的实验提供了数据准确度的保障。

3 测试结果与分析

3.1 分析方法

研究表明，植物对重金属的富集能力可以用生物富集系数（BCF）表示。植物对重金属的吸收是有选择性的，同时，富集系数越大代表植物越容易从土壤中吸收该元素，代表该元素的迁移能力越强[5-6]，如果植物地上部分富集系数越大，则越有利于植物污染的修复，植物地上部分富集系数>1即是超积累植物所需具备特征之一[7-9]，2008年，刘足根、杨国华等[10]研究赣南钨矿区的土壤中重金属含量，发现了可以用于污染土壤修复的几种植物，分别是芒箕、龙葵、酸模等，这些植物的地上部分可富集较多重金属。魏芳雪、杨金香[11]等人以淮南市某煤矿复垦区为研究对象，根据不同植物的重金属富集系数，研究分析不同植物对不同重金属的富集能力。结果表明：芦苇和狗尾巴草对重金属元素表现出了较强的富集能力，可作为该区域生态恢复的先锋植物栽种。孟俊[12]研究了淮南市新庄孜矿复垦区土壤中重金属的污染水平以及植物的富集以及修复潜力，研究结果表明：研究区域土壤中Cd、Hg、Zn等7种元素的含量超过了淮南市土壤背景值。对重金属元素As和Hg具有较强的富集能力是油菜和蚕豆；对As、Cd、Hg具有较强的富集能力的植物分别是小麦、小蓟和野蒿。通过大量的文献阅读，可以得出，国外对超富集植物已经展开了一系列的相关研究与报道。

富集系数是指评价土壤—植物系统中重金属元素迁移富集的难易程度，可将重金属元素在植物各个部位的浓度与配套土壤中对应元素的浓度作比，可表示为Ai。计算公式如下：

（1）

式中------Ai为元素i富集系数； Li为元素i在植物中含量； Ni为元素i在植物生长介质中的含量（全量）。

在生态修复中，植物的转运系数也如同植物的富集系数一样，可以显示植物修复土壤中重金属污染能力。同时，转运系也被用来反映土壤—植物系统中重金属元素迁移的难易程度，特别对于一些超积累植物，转运系数已经成为了重要的评价指标之一[13]。

所谓转运系数，就是植物富集的某种重金属元素地上部分含量与根部含量之比，用来评价植物将重金属从地下根部向地上部分的运输和富集能力。计算公式如下：

重金属转运系数（F/R）=地上部分重金属含量/根部重金属含量 （2）

3.2 结果分析

通过对三个采煤沉陷复垦区12种长势良好的植物以及植物所生长的土壤进行重金属含量检测，分别计算出这12种植物的富集系数。

由表1可以看出，不同植物对不同重金属的富集系数差异很大。对重金属Cu具有富集能力的植物从大到小排列分别是野豇豆、钻叶紫苑、鬼针草等，其中野豇豆的富集系数高达1.77，是最小值（狗尾草）的8倍。加拿大一枝黄花与苍耳的富集系数接近0.5，最小的是狗尾草和芦苇，富集系数仅为0.2；植物对Zn的富集能力比较强的植物是野艾蒿、狗尾草、苦苣，富集系数分別0.77、0.66、0.45，相差不大，但其他几种植物对Zn的富集系数都小于0.5；鬼针草对Cr的富集能力很强，富集系数达到1.0，钻叶紫苑对Cr的富集能力也比较强，其他几种植物的富集系数比较小，仅在0.01～0.16之间；植物对Ni的富集系数最大是鬼针草（0.80），其他植物的富集能力都比较弱；12种草本植物对Pb几乎没有富集能力，富集系数最大才达到0.45（野豇豆）；植物对Cd的富集系数在0.04～4.00之间，其中狗尾草富集能力最强（4.00），接下来是钻叶紫苑（1.83）、鬼针草（1.12）菊芋（1.06）。从不同的重金属来看，植物对铜、镉的富集能力都比较强，其中鬼针草对铜、锌、铬、镍、镉五种重金属都有较强的富集能力，钻叶紫苑对铜、铬、镉三种重金属有较好的富集能力，野豇豆对铜和锌两种重金属均具有富集能力，分析表明这三种植物对复合污染的土壤可能具有比较好的修复效果。其中狗尾草、野豇豆、鬼针草和钻叶紫苑的总和富集系数明显高出其他植物。其中，鬼针草对几种重金属的总富集系数高达5.0。

从表2可以看出，12种植物的转运系数相对都比较大，苦苣对Cu的转运系数最高达4.00，说明苦苣比较容易对Cu进行迁移，最小是麦冬，仅为0.46；Zn的转运系数在0.73 ～3.76 之间，其中野豇豆最大，扁竹兰最小；植物对Cr的转运系数最大的是狗尾草，最小的是钻叶紫苑，说明钻叶紫苑迁移Cr的能力比较小；钻叶紫苑（0.48）对Ni的转运系数也是最小，最大是狗尾草（3.43），说明狗尾草对Ni元素迁移比较容易；12种植物对Pb的转运系数都大于0.5，说明这些植物将Pb从地下部分向地上部分的运输和富集能力比较强；狗尾草对Cd的转运系数未能检测出，其他植物迁移Cd的能力都比较强，转运系数都大于0.5，在0.05～5.65之间，最大是野豇豆（5.65），最小是钻叶紫苑（0.05）。由这些分析看出，麦冬根部对Zn、Ni、Pb、Cd四种重金属向地上部分运输能力比较强，狗尾草对Cu、Zn、Cr、Ni、Pb五种重金属较易转运，钻叶紫苑对Cu、Zn、Pb三种重金属的转运比较好，其他9种植物对Cu、Zn、Cr、Ni、Pb、Cd六种重金属的转运能力都比较强，表明它们可能较适宜在复合污染地区种植。

4 结论

三个采煤沉陷复垦区中的12种植物，对Cu具有高富集能力的植物有野艾蒿、野豇豆、菊芋，等。野豇豆和鬼针草对Zn具有高富集能力。对Cr和Ni具有高富集能力的植物只有鬼针草。对Cd具有高富集作用的植物有菊芋、鬼针草和苍耳。12种植物对Pb的富集能力都比较弱，说明12种植物对Pb的修复能力比较差，这些植物都不太适合Pb污染的土壤。这些结论都较为符合前人的一些研究结果，从而说明：运用植物修复采矿区土壤的重金属污染，会具有较为广阔的发展前景。

参考文献：

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[12]孟俊.新庄孜矿复垦区土壤重金属污染评价及植物修复潜力研究[D].安徽理工大学，2010.

[13]郭晓方，卫泽斌，丘锦荣等.玉米对重金属累积与转运的品种间差异[J].生态与农村环境学报，2010，26（04）：367-371.

项目基金：淮南矿业集团科研项目计划“淮南矿区土壤污染特征与植物修复适宜性研究”。

作者简介：刘诗敏（1900-），女，安徽淮南人，硕士研究生，主要从事于环境影响评价、生态环境修复等方面研究。