辽阳弓长岭铁矿区优势植物的重金属耐性评价

张晓薇 王恩德 吴 瑶

(1.东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819；2.辽宁工程技术大学环境科学与工程学院，辽宁 阜新 123000)

随着我国工业和经济的飞速发展，对矿物的需求日益增大，直接导致矿山开采量直线上升，随之而来的是超过300万公顷的矿业废弃地[1-2]。而由于我国矿区在开采过程中不重视环境保护的问题，大量酸性废水随意排放以及尾矿随意堆砌，经过长期的风化和淋滤，向环境中释放大量的重金属元素，造成土壤重金属污染日益严重[3-4]。同时重金属随着河流等途径迁移，进入矿区周围农田及饮用水中，对矿区人民身体健康产生巨大威胁。因此，矿区重金属污染是目前亟待解决的环境问题[5]。

植物修复(Phytoremediation)是利用重金属富集植物直接修复污染的一种原位土壤修复技术，具有成本低、无二次污染并且可以美化环境的优点[6-7]，是重金属面源污染修复的首选技术。因此，植物修复技术得到了越来越多的环保工作者的青睐，成为目前研究热点之一，现已取得巨大的研究进展[8]。但是，高性能的重金属富集植物的筛选限制着植物修复的发展。矿区植物大多都是在长期的自然选择过程中存活下来的，由于受到长期的“驯化”作用，产生了重金属解毒基因，往往对重金属污染的耐性比较好，是富集植物的重要来源之一[9]。科研人员已经在矿区植物中筛选出大量的指示植物和超富集植物，将其在矿区大规模原位种植，已取得显著成果[10]。

因此，本研究对辽阳弓长岭铁矿区土壤及植物群落重金属污染现状展开调查，选取独木排土场、下部排土场、大拉子尾矿、苏安大街以及茨沟村5个采样区的土壤及其生长旺盛的植物群落，测定土壤以及植物中重金属含量，考察植物对重金属的富集能力和耐性，选择最适合该地区重金属污染修复的优势植物，为该地区生态恢复提供科学依据。

1 研究区概况

辽阳弓长岭铁矿位于辽宁省中部，属温带大陆性气候，平均气温8.4 ℃，降水量708 mm，蒸发量1 107 mm[11]。矿区总面积110 km2，露天采场4个，占用土地面积35 km2。该铁矿多采用露天开采，开采过程中形成的露天采场、尾矿以及排土场等，形成了大面积的废弃地，严重破坏当地生态环境。同时，开采和尾矿废渣的堆积，造成严重的污染[12]。

2 样品的采集与分析测试

2.1 样品采集

总共设置下部排土场、独木排土场、大拉子尾矿库、茨沟村和苏安大街5个采样区，选择长势旺盛、分布较多的植物，完整取其茎、叶、根，同时，按4点法采集相应植物根际土壤，分别置于样品袋内编号，带回实验室，-20 ℃保存备用。

2.2 样品分析

将土壤样品风干、研磨、过100目筛。植物样品用去离子水清洗干净后，在65 ℃下烘干至恒重，剪碎。准确称取土样或植物样品适量，置于聚四氟乙烯消解罐中，土样添加HNO3-HCIO4-HCl混合酸，植物样添加HNO3-HClO4混合酸微波消解。微波消解后将其置于电热板上加热挥发酸，当溶液剩1～2 mL的小水珠呈可滚动珠状时，停止挥酸，冷却，稀释定容。立即用原子吸收分光光度法测定植物和土壤中Cd、Cu、Zn、Cr、Pb的含量。试验同时做空白对照试验，每项重复3次。

3 调查结果与讨论

3.1 矿区植物种类

本研究在5个采样区共记录调查了18种植物，其中稗草、狗尾草、鬼针草、桃叶蓼、山杨、旱柳、三裂叶豚草、茵陈蒿、一年莲、小藜、月见草11种植物综合优势比占到60%以上，表现为矿区的优势植物。该地区5个采样区的所有植物种别见表1。

表1 弓长岭铁矿区植物种类组成Table 1 Plant species composition of Gongchangling Iron Mine Area

3.2 矿区土壤中重金属含量

各样点的土壤重金属(Cd、Cu、Zn、Cr、Pb)含量如表2所示。由表2可知，该矿区土壤重金属含量普遍较高，其中Cd、Cu、Zn含量均超过国家土壤质量三级标准，表现出不同程度的污染。并且各污染物含量变化范围较大，铜的变化范围是187.7～ 1 025.0 mg/kg，锌的变化范围是51.11～663.5 mg/kg，铅的变化范围是34.22～73.34 mg/kg，镉的变化范围是2.87～9.00 mg/kg，铬的变化范围是35.28～345.5 mg/kg。由该铁矿区地积累指数法评价结果可知：各重金属的污染程度Cd>Cu>Zn>Cr>Pb，表明该铁矿区的确已经受到不同程度的重金属污染，以Cd和Cu污染为主。其中，大拉子尾矿、独木排土场、苏安大街以及下部排土场的污染因子主要为Cd、Cu和Zn，而茨沟村的污染因子主要为Cd和Zn。

表2 弓长岭铁矿区土壤样品重金属平均含量Table 2 Average heavy metals content in soil samples of Gongchangling Iron Mine Area

3.3 矿区植物重金属含量

5个采样区优势植物地上、地下部重金属含量分别见表3、表4、表5、表6、表7。

表3 大拉子尾矿库植物重金属含量Table 3 Heavy metal concentration in plants from Dalazi tailings pond

表4 独木排土场植物重金属含量Table 4 Heavy metal concentration in plants from Dumu Waste Dump

由表3可知，大拉子尾矿库11种优势植物中，地上和地下部Cd含量最高的植物均为茵陈蒿，地上和地下部Cu含量最高的均为狗尾草，地上和地下部Zn含量最高的均为山杨，地上和地下部Pb含量最高的是茵陈蒿，地上和地下部Cr含量最高的均为三裂叶豚草。

由表4可知，独木排土场的植物中，地上部Cd、Cu、Zn含量最高的均为茵陈蒿，地上部Pb、Cr含量最高的分别为一年莲和小藜；地下部Cd、Cu、Zn、Pb、Cr含量最高的分别为一年莲、稗草、桃叶蓼、稗草和小藜。

表5 茨沟村植物重金属含量Table 5 Heavy metal concentration in plants from Cigou Village

表6 苏安大街植物重金属含量Table 6 Heavy metal concentration in plants from Su′an Street

表7 下部排土场植物重金属含量Table 7 Heavy metal concentration in plants from Xiabu Waste Dump

由表5可知，茨沟村的植物地上、地下部Cd含量最高的均为鬼针草，地上部、地下部Cu含量最高的分别为鬼针草和狗尾草，地上和地下部Zn、Pb含量最高的均为三裂叶豚草，地上部Cr含量最高的是狗尾草，地下部Cr含量最高的是三裂叶豚草。

由表6可得：苏安大街的植物中地上和地下部Cd含量最高的分别为桃叶蓼和鬼针草；地上和地下部Cu含量最高的均为桃叶蓼；地上部Zn含量最高的为桃叶蓼，地下部含量最高的为狗尾草；地上部Pb含量最高的为鬼针草，地下部Pb含量最高的为小藜；而地上和地下部Cr含量最高的分别为狗尾草和桃叶蓼。

由表7可知：下部排土场不同植物地上和地下部Cd含量最高的分别是苦荬菜和一年莲；地上和地下部Cu含量最高的分别为桃叶蓼和茵陈蒿；地上和地下部Zn含量最高的分别为茵陈蒿和山旱柳；地上和地下部Pb含量最高的分别为一年莲和苦荬菜；地上和地下部Cr含量最高的分别为山杨和山旱柳。

3.4 矿区优势植物对重金属的富集能力

富集系数(Enrichment Factor，EF)是衡量植物对重金属富集能力的一个重要指标，同时也能间接反映植物对重金属的耐性。富集系数越大，富集能力越强，耐性越强[13]。富集系数计算方法为

EF=C植物/C土壤.

(1)

式中，C植物为植物中重金属含量，C土壤为土壤中重金属含量。

各采样区优势植物的富集系数见图1～图5。

图1 大拉子尾矿库植物富集系数Fig.1 Enrichment factors of plants from Dalazi tailings pond

由图1可知：大拉子尾矿库各采样点的优势植物对Cd富集系数大小排序为茵陈蒿>三裂叶豚草>桃叶蓼>山杨>狗尾草>月见草>稗草>旱柳>一年莲>小藜>鬼针草，其中，茵陈蒿的Cd富集系数为 1.023 5，是一种潜在的Cd富集植物；三裂叶豚草、狗尾草、旱柳、一年莲、小藜的Cu富集系数均大于1，是潜在的Cu富集植物，其中，三裂叶豚草的Cu富集能力最强；对Zn富集能力最强的是山杨，狗尾草和旱柳也具有一定的Zn富集能力；茵陈蒿、稗草、小藜、旱柳、狗尾草、鬼针草的Pb富集系数也均大于1，其中，茵陈蒿的Pb富集系数最高，达到了2.545 1；对Cr富集能力最强的为一年莲，其次为三裂叶豚草。

图2 独木排土场植物富集系数Fig.2 Enrichment factors of plants from Dumu Waste Dump

图3 茨沟村植物富集系数Fig 3 Enrichment factors of plants from Cigou Village

图4 苏安大街植物富集系数Fig.4 Enrichment factors of plants from Su′an Street

图5 下部排土场植物富集系数Fig.5 Enrichment factors of plants from Xiabu Waste Dump

由图2可得：独木排土场各采样点的优势植物对Cd富集系数最大的为茵陈蒿、小藜；对Cu、Zn富集能力最强的为茵陈蒿；对Pb富集能力最强的为一年莲；对Cr富集能力最强的为小藜。

由图3可知：茨沟村各采样点的优势植物对Cd、Cu富集能力最强的植物为鬼针草,值得注意的是该地区植物对 Cd的富集能力都较强，富集系数均大于1；对Zn富集能力最强的为三裂叶豚草；对Pb富集能力最强的为三裂叶豚草；对Cr富集能力最强的为狗尾草。

由图4可知：苏安大街各采样点优势植物中桃叶蓼是一种富集能力广泛的植物，对Cd的富集系数为2.163 6；对Pb富集能力最强的为鬼针草；对Cr富集能力最强的是狗尾草。

由图5可知：下部排土场各采样点优势植物对Cd富集能力最强的是苦荬菜；对Cu富集能力最强的为桃叶蓼；对Zn富集能力最强的为茵陈蒿；对Pb富集能力最强的为一年莲，其富集系数达到2.263 3；对Cr富集能力最强的为山杨。

通过比较可以得出，不同植物对同种重金属的富集能力不同，同种植物对不同重金属的富集能力不同，甚至同种植物在不同地区对同种金属的富集能力也不同。总体上，从植物对Cu、Zn、Pb、Cd、Cr的综合富集能力来看，可以在大拉子尾矿库选取三裂叶豚草、茵陈蒿和一年莲，在独木排土场选取茵陈蒿、一年莲和小藜，在茨沟村选取鬼针草、三裂叶豚草和狗尾草，在苏安大街选取桃叶蓼、鬼针草和狗尾草，在下部排土场选取桃叶蓼、茵陈蒿和一年莲用于植被修复，恢复当地的生态环境。

3.5 矿区优势植物对重金属的耐性

重金属转移系数(Biological Transfer Factor,BTF)是对植物重金属耐性评价的另一个重要指标[14]。计算方法为

BTF=C地上/C地下.

(2)

式中，C地上为植物地上部重金属含量，C地下为植物地下部重金属含量。

转移系数越大说明植物将重金属从根部运送到地上部的能力越强，也就说明植物对重金属的耐性越强[15]。弓长岭铁矿区优势植物对Cd、Cu、Zn、Cr、Pb的转移系数如图6～图10所示。

图6 大拉子尾矿库植物转移系数Fig.6 Transfer Factors of plants from Dalazi tailings pond

图7 独木排土场植物转移系数Fig.7 Transfer Factors of plants from Dumu Waste Dump

图8 茨沟村植物转移系数Fig 8 Transfer Factors of plants from Cigou Village

由图6可知：大拉子尾矿库地区，对Cd耐性最强的植物是狗尾草，转移系数是7.497 6，其次为旱柳、三裂叶豚草、稗草、山杨等；对Cu耐性最强的是稗草，转移系数是3.607 7；对Zn耐性最强的植物是旱柳，转移系数高达8.587 5，桃叶蓼和一年莲对Zn的耐性也较强；对Pb耐性最强的是狗尾草，转移系数为 3.634 2，稗草、山杨、一年莲对Pb的耐性也较强，转移系数均大于1；对Cr耐性最强的是一年莲，转移系数达到6.438 1。

图9 苏安大街植物转移系数Fig.9 Transfer Factors of plants from Su′an Street

图10 下部排土场植物转移系数Fig.10 Transfer Factors of plants from Xiabu Waste Dump

由图7可知：在独木排土场地区，对Zn耐性最强的植物是小藜，转移系数达到1.795 9；对Pb耐性最强的植物是茵陈蒿，转移系数高达4.666 7；对Cd和Cr耐性最强的植物均是桃叶蓼，转移系数分别是2.100 0和3.333 3；对Cu耐性最强的植物是桃叶蓼，转移系数为2.471 9。

由图8可知，在茨沟村地区，对Cd耐性最强的是一年莲，转移系数为1.432 0；对Cu耐性较强的有小藜和一年莲，其转移系数分别为1.691 5、1.537 0；对Zn耐性最强的是小藜，转移系数为1.396 2；对Pb耐性最强的是茵陈蒿，转移系数为3.720 0；对Cr耐性最强的是小藜，转移系数为2.263 2。

由图9可知，在苏安大街地区，对Cu、Zn、Cd耐性最强的植物均为桃叶蓼，其转移系数分别为 1.112 1、2.123 8和15.200 0；对Pb耐性最强的植物是鬼针草；而对Cr耐性较强的植物是小藜和狗尾草，但转移系数均小于1。

由图10可知：在下部排土场地区，对Cd耐性较强的有苦荬菜、山杨、山旱柳，转移系数分别为2.469 4，1.583 4，1.351 5；对Cu耐性最强的植物是山杨，转移系数达到13.500 0，其次为小藜和桃叶蓼，转移系数分别为2.849 1和1.362 5；对Zn耐性较强的有茵陈蒿、山杨、一年莲和小藜，其转移系数均大于1；对Pb耐性较强的有山杨、一年莲，但转移系数均小于1；对Cr耐性最强的是一年莲，转移系数为1.422 1。

通过以上转移系数的分析比较：在大拉子尾矿库可选取的修复植物为稗草、狗尾草、旱柳和一年莲，独木排土场为小藜、茵陈蒿和桃叶蓼，茨沟村为鬼针草、一年莲和小藜，苏安大街为桃叶蓼、鬼针草和狗尾草，下部排土场为茵陈蒿、山杨和一年莲。

3.6 矿区先锋植物筛选

弓长岭铁矿区的主要污染因子为Cd、Cu和Zn，因此，在先锋植物的选择过程中，原则上应优先考虑对重金属Cd、Cu、Zn的富集能力和转移能力[16]。其次，富集能力和转移能力是选取重金属修复植物必不可少的2个条件。因此，在选择先锋植物时必须同时兼顾富集系数和转移系数。在本研究中，综合各采样点不同植物对不同重金属的富集系数和转移系数可得，桃叶蓼、狗尾草、鬼针草、茵陈蒿、小藜、三裂叶豚草具有较强修复Cd污染的潜能，其中以桃叶蓼修复能力最强(富集系数最高，为2.163 6，转移系数最高，为15.20)，目前，未见对桃叶蓼修复重金属污染土壤相关的报道，因此，桃叶蓼是一种新发现的Cd富集植物，具有深入研究价值。已有研究报道称鬼针草对Cd[17]、Pb[18]有较好的富集效果，是一种较为成熟的重金属富集植物，可作为先锋植物用于该矿区Cd污染修复。一年莲、狗尾草、山杨、三裂叶豚草具有修复Cu污染土壤的潜能，旱柳具有修复Zn污染土壤的潜能。其中，山杨和旱柳虽然富集系数小于1，但是其转移系数较高，在一定意义上可用于植物提取方式的污染土壤修复，同时，由于山杨的生长周期长，生物量大，因此，是一种潜在的永久性高效修复植物，可用于污染矿区修复后期种植，达到修复与绿化的双重效果。

4 结 论

(1)弓长岭铁矿废弃地矿区重金属污染程度为重度污染，主要重金属污染物为Cd和Cu。其中，Cd是重度污染，Cu是中度到重度污染，Zn是中度污染，Pb和Cr为无污染到中度污染。

(2)对弓长岭铁矿矿区优势植物重金属含量进行研究分析，从中筛选出桃叶蓼、鬼针草、狗尾草、山杨以及旱柳可以作为该铁矿废弃地植被重建的先锋植物。矿区表层土壤结构受到严重破坏，部分污染严重地区甚至不适合植物生长，因此在种植先锋植物前应进行表层土壤复原，通过施用有机肥或客土法等，增加土壤肥力，使其适应植物生长。

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