黄石国家矿山公园草本植物重金属富集能力研究

2018-05-10时宇冉珊珊黄黄苏海蓉葛绪广刘金娥

生态环境学报 2018年4期

时宇，冉珊珊，黄黄，苏海蓉，葛绪广，刘金娥*

1. 南京师范大学环境学院//江苏省水土修复重点实验室，江苏南京 210023；2. 湖北师范大学城市与环境学院，湖北黄石 435002

利用植物对土壤重金属的吸收累积能力，收割植物的地上部分，是一种有效减少土壤重金属污染的方法（Mayerová et al.，2017）。在土壤重金属污染的治理和修复中，超富集植物受到广泛关注（Brooks et al.，1977；Chaney，1983）。随着植物修复技术的兴起，已经筛选出一些超富集型植物，如在复合污染条件下，野艾蒿（Artemisia lavandulaefolia）对 Pb的吸收超过 1000 mg·kg-1（徐华伟等，2009），青葙（Celosia argentea）、酸模叶蓼（Polygonum lapathifolium）对Mn有较强的富集能力（Liu et al.，2014；杨贤均等，2017），湖北大冶铜绿山矿区酸模叶蓼地上部分综合富集系数为4.16（张然然等，2016），夏枯草（Lagopsis supina）地上部分对Pb的吸收量在1000 mg时可达13448.5 mg·kg-1（郭晓宏等，2016）等。

草本植物种类繁多，广泛分布于各种恶劣极端的环境中，且其繁衍方式多样，能够蓄积复合重金属污染物。重视草本植物富集重金属污染物的研究在当前阶段具有重要的理论意义和运用价值。黄石国家矿山公园前身为中国重要的铁、铜采矿区，长期的矿产资源开发，导致矿区土壤重金属含量严重超标，Cu 可高达 7789 mg·kg-1（束文圣等，2001）。公园建成后，植被逐渐恢复，已由乱石场转变成绿草如茵的生态休憩园。开发历史造就了矿山公园复杂的生态环境，使得生活在这里的草本植物具有特殊的生长机理和生长方式。为探究矿山公园的植被在重金属污染严重的土地上的自然恢复能力及对环境中污染物的修复能力，本研究对黄石矿山公园的土壤修复状况和草本植物的重金属含量进行研究，评估其土壤重金属污染现状，比较草本植物重金属富集能力，为类似的重金属矿区的生态修复提供借鉴。

1 研究区概况

研究区（图1）位于湖北省黄石市黄石国家矿山公园（30°12′46.78″N～30°13′18.33″N，114°53′39.03″E～114°55′03.61″E），占地面积 23.2 km2。在长期的采矿作业下，该地区矿产资源面临枯竭，生态环境遭到破坏，土壤重金属Cu超标率在16%～33%之间，Cd超标率在8.4%左右，Ni超标率在0%～15%之间（韩明等，2007）。矿区内东露天采场形成落差444 m的世界第一高陡边坡，如今在人工修复下演变成面积达3.66×106m2的亚洲最大的硬岩绿化复垦基地。该公园处于自然生态恢复过程，植物种类较为贫乏，植物组成以菊科（17种）和禾本科（11种）为主，草本植物类型占明显优势，属于次生演替的初始阶段（张子萍等，2011）。

2 研究方法

2.1 样品采集

植物和土壤样品采集于黄石国家矿山公园。在矿区普查基础上，选取生活力强的9种植物，分别是蕨菜（Pteridium aquilinum var. latiusculum）、铁线蕨（Adiantum capillus-veneris L.）、凤尾蕨（Pteris cretica var. nervosa）、蜈蚣草（Eremochloa ciliaris）、贯众（Cyrtomium macrophyllum）、芒草（Miscanthus sinensis）、白茅（Imperata cylindrica）、苔草（Carex spp.）、早熟禾（Poa annua）作为研究对象（图1）。每种植物随机采集 3株植株（包括根），并采集其对应根际土壤（0～20 cm），，所有植株按种类分别进行测定（郭晓宏等，2016）。

2.2 样品处理

土壤样品于恒温干燥箱 70 ℃下烘干，磨碎过100目筛，称取0.40 g土壤样品用HNO3-HCl-HF微波消解，使用ICE 3500系列原子吸收光谱仪测定样品中Cd、Cu、Ni、以及Zn的含量，其中Cd的测定采用石墨炉原子吸收分光光度法，Cu、Ni和Zn的测定采用火焰原子分光光度法。植物样品洗净，沥去水分，分为根（地下部分）、茎和叶（地上部分），120 ℃杀青半小时后在70 ℃下烘干，粉碎过100目筛，称取0.20 g样品用于测定各重金属元素的含量，方法同上（张丽等，2014）。

2.3 评价方法

2.3.1 土壤重金属污染评价方法

选用湖北省土壤自然背景值和国家土壤环境质量二级标准（GB15618—1995）作为评价标准（表1），对黄石国家矿山公园土壤重金属的环境质量状况进行评价（葛绪广等，2017）。

表1 土壤重金属污染评价标准Table1 Evaluation criteria of soil heavy metal pollution mg·kg-1

单因子污染指数法能够直观反映单个重金属的污染情况（张文娟等，2017）：

式中，Ci为污染物 i的实测值；Si为污染物 i的标准值；Pi为单因子污染指数。Pi≤1表示未污染，1＜Pi≤2 表示轻度污染，2＜Pi≤3 表示中度污染，Pi＞3表示重度污染。Pi越大，表示污染越严重。

图1 研究区范围Fig.1 Location of study area

2.3.2 植物对重金属的富集系数和转移系数

植物对重金属的富集系数和转移系数计算式如下（杨亚琴，2016）：

式中，BCFleaf、BCFstem、BCFroot分别为叶、茎、根富集系数；BCF为综合富集系数；wleaf、wstem、wroot、wsoil分别为叶、茎、根、根际土壤中重金属含量；TF 为转移系数；wabove、wunder分别为植物地上部分和地下部分重金属含量。

3 结果与讨论

3.1 土壤重金属污染特征

对9种草本植物根际土壤的重金属含量进行测定，数据显示，土壤重金属 Cd、Cu和 Zn含量均超过湖北省土壤背景值（表 2）。其中，根际土壤Cd 含量最高为 12.5 mg·kg-1，平均为 7.97 mg·kg-1；Cu 最高为 495.19 mg·kg-1，平均为 327.60 mg·kg-1；Zn 最高为 194.91 mg·kg-1，平均为 352.51 mg·kg-1；Ni最高为 42.90 mg·kg-1，平均为 26.36 mg·kg-1。与矿山公园附近的大冶铁矿尾矿区相比（李小刚等，2017），矿山公园Cu、Cd含量都较高，而Zn、Ni含量略低，该地区重金属污染以Cu和Cd污染为主。

根据湖北省土壤环境背景值进行土壤环境质量评价，9种草本植物根际土壤的Cd、Cu、Zn污染指数值都大于1.0，（表3），超标率达100%。所有采样点土壤Cd含量均达到严重污染水平，污染指数达到46.88。除了贯众采样点土壤Ni含量超标，其余植物根际土壤重金属 Ni含量处于安全水平，超标率为11.1%。

以国家土壤环境质量二级标准为评价标准，4种重金属平均污染指数为 Cd＞Cu＞Zn＞Ni（表 2）。其中，Cd和Cu含量超标率为100%，Zn超标率为90%；Ni含量处于安全水平。

目前矿区土壤中Cd和Cu污染严重，Zn为轻度污染，Ni含量未达到污染水平。

表2 植物根际土壤重金属含量Table2 Heavy metal contents in rhizosphere soil of herb plants

表3 矿山公园土壤重金属污染指数评价Table3 Evaluation of comprehensive pollution index of heavy metals in soils of mine park

3.2 草本植物重金属含量

对所选取的优势草本植物按照不同部位（叶、茎、根）分类测定重金属含量（表4），结果发现不同植物体内同种重金属含量差异明显，植物中Cd总含量（叶+茎+根）表现为蜈蚣草＞凤尾蕨＞铁线蕨＞芒草＞苔草＞蕨菜＞贯众＞白茅＞早熟禾；植物体Cu总含量表现为蕨菜＞贯众＞蜈蚣草＞铁线蕨＞早熟禾＞白茅＞苔草＞凤尾蕨＞芒草，植物体Zn总含量表现为蜈蚣草＞芒草＞白茅＞凤尾蕨＞苔草＞贯众＞早熟禾＞蕨菜＞铁线蕨，植物体 Ni总含量表现为凤尾蕨＞早熟禾＞白茅＞铁线蕨＞贯众＞蜈蚣草＞蕨菜＞芒草＞苔草。其中，蕨菜植株重金属Zn总量为1568.15 mg·kg-1，早熟禾植株重金属Zn总量为1202.64 mg·kg-1。

同种植物不同部位（根、茎、叶）的重金属含量差异明显。结果显示，贯众、蜈蚣草、芒草和苔草根部Cd含量大于叶、茎含量，其他植物叶或茎Cd含量明显高于根部。白茅、贯众叶和茎Cu含量高于根部，而其他植物根部Cu含量高于地上部分。所有植物根部 Zn含量均高于地上部分，凤尾蕨、早熟禾和贯众地上部分茎和叶的 Ni含量高于根部Ni含量。对大多数植物而言，根部重金属含量高于叶和茎中重金属含量，与重金属含量在植物体内的一般分布规律：根＞茎叶（黎承波，2017）较一致。

表4 草本植物各部位重金属Cd、Cu、Zn、Ni含量Table4 The contents of heavy metal Cd, Cu, Zn and Ni in various parts of herb plants

图2 不同植物对Cd、Cu、Zn、Ni的富集系数Fig.2 The bioconcentration factors of Cd, Cu, Zn, Ni for different kinds of plants

3.3 草本植物富集能力

植物对 Cd的综合富集系数中，蜈蚣草＞凤尾蕨＞铁线蕨＞蕨菜＞芒草＞苔草＞贯众＞白茅，蜈蚣草对Cd的富集效果最明显（图 2）。蜈蚣草叶富集系数最高，为12.73，茎为11.38，根部为9.32，综合富集系数BCF为11.14。凤尾蕨、铁线蕨、蕨菜的综合富集系数分别为5.78、1.74、1.62，其值均大于1，且3种草本植物植株体内Cd含量在所有植物中也位居前三，这些植物可考虑作为富集植物修复 Cd污染的土壤。

Cu的富集系数表现为白茅＞芒草＞苔草＞蕨菜＞凤尾蕨＞早熟禾＞蜈蚣草＞贯众＞铁线蕨，但其富集系数均不超过1，说明所研究的植物对土壤中Cu的富集能力较弱，而该地区Cu污染严重，所以这些植物均不是Cu富集型植物。

9种草本植物中，蕨菜和早熟禾对Zn的综合富集系数分别为1.13、1.08，均可作为修复重金属Zn污染场地的备选植物。蕨菜、贯众、芒草、白茅、早熟禾的根部富集系数虽大于 1，但其地上部分对Zn的吸收效果不佳。

Ni的富集系数表现为芒草＞白茅＞苔草＞蜈蚣草＞贯众＞铁线蕨＞早熟禾＞凤尾蕨＞蕨菜，其中，芒草富集系数达1，表明芒草对重金属Ni有较强的富集能力，可以作为修复土壤重金属Ni的备选植物。芒草根部富集系数最大为 1.48，苔草根部对 Ni也有富集作用。

统计并比较了不同草本植物对Cd、Cu、Zn和Ni的转移系数，结果如表 5所示。除早熟禾外，其他草本植物对Cd和Ni的转移系数都大于1，说明Cd和Ni在这些草本植株体内有较好的迁移转换能力，可以用于对土壤重金属Cd和Ni的治理，尤其是铁线蕨（2.79）和凤尾蕨（2.78）对Cd转运能力强、铁线蕨（2.28）和贯众（2.01）对Ni转移能力强。

凤尾蕨对重金属Cu有最强的迁移能力，转移系数高达4，可作为Cu修复植物；贯众、铁线蕨、芒草、苔草对Cu有一定的转移富集作用，但由于其体内Cu含量过少，可作为Cu修复备选植物；而蕨菜、蜈蚣草、白茅对Cu的转移能力较低。

9种植物体中的Zn转移系数在0.72～1.19之间波动，说明Zn在这9种植物体内的迁移能力与Cd、Cu和Ni相比稍弱。相较而言，蕨菜（1.19）、铁线蕨（1.13）、凤尾蕨（1.19）、早熟禾（1.08）对 Zn的转移能力强。

对植物体地上部分和地下部分的重金属含量分别进行聚类分析（图3），结果表明，草本植物地上部分重金属含量按高中低可分为三类：蕨菜、早熟禾为重金属含量较高的一类；蜈蚣草重金属含量中等；铁线蕨、凤尾蕨、贯众、芒草、白茅、苔草为重金属含量较低的一类。蕨菜地下部分重金属含量较高，蜈蚣草中等，凤尾蕨、苔草、铁线蕨、白茅、贯众、早熟禾、芒草较低。

对不同草本植物根茎叶重金属含量、富集系数与土壤重金属含量进行相关性分析，结果表明，土壤中Zn含量与植物体内Cd、Cu、Zn含量呈负相关（表6），植物的富集能力与土壤重金属含量无相关性。

表5 植物对不同重金属的转移系数（TF）Table5 The TF of plants to different heavy metals

图3 植物地上部分（a）、地下部分（b）重金属含量聚类分析Fig.3 The cluster of heavy metals characters of the roots and the up-ground parts of plants

表6 草本植物体重金属含量、综合富集系数与土壤重金属含量的相关性Table6 Correlation between heavy metal content, the BCF of herbs and heavy metal content in soil

Baker（1981）和 Punz et al.（1993）根据植物对重金属的吸收、转移和积累机制，将重金属耐性植物分为富集型、指示型和规避型三类。研究区蕨菜Zn含量为1568.15 mg·kg-1，富集系数和转移系数分别为 1.13、1.19；早熟禾 Zn含量为 1202.64 mg·kg-1，富集系数和转移系数分别为 1.08、1.08。蕨菜和早熟禾是典型的 Zn富集型植物。凤尾蕨叶和茎中 Cu含量分别为 27.85 mg·kg-1和 13.97 mg·kg-1，而其根部的 Cu 含量则达到 366.70 mg·kg-1，植物根部能蓄积大量重金属而不向上输送，属于典型的指示型植物。铁线蕨植株体内Cu含量为32.42 mg·kg-1，富集指数为0.03，富集能力极低，属于典型的规避型植物。

本研究中，蜈蚣草体内 Cd含量为 292.34 mg·kg-1，富集系数为 11.14，转移系数为 2.95，是Cd富集能力最强的植物。这和蜈蚣草对重金属Cd的富集系数较高、可考虑作为煤矿废弃地植物修复的首选植物种的观点是一致的（李榜江等，2013；李影等，2016）。有研究表明，蜈蚣草有耐Cu、Zn的能力，且能同时富集Zn（安志装，2003）。可能是由于本研究所选取的矿山土壤 Zn污染较轻，故本研究中未发现蜈蚣草对 Zn的富集效应。凤尾蕨地上部分Cd含量大于100 mg·kg-1，富集系数和转移系数大于1，可作为Cd重金属修复备选植物。目前对富集型植物筛选的要求过高，同时满足植物体对重金属的富集能力为其他植物的100倍以上、本身有较高的重金属含量且转运系数大于1这3个条件的植物少之又少（Hu et al.，2012），因此，超富集型植物筛选是一个缓慢又复杂的过程。

4 结论

基于湖北省自然背景值和国家土壤环境质量二级标准，黄石市国家矿山公园的土壤受到重金属Cd、Cu的污染。

蜈蚣草体内Cd含量292.34 mg·kg-1，富集系数11.14，转移系数2.95，对Cd的富集能力最强。蕨菜Zn含量为1568.15 mg·kg-1，富集系数和转移系数分别为 1.13、1.19；早熟禾 Zn含量为 1202.64 mg·kg-1，富集系数和转移系数分别为 1.08、1.08。蕨菜和早熟禾是典型的Zn富集型植物。

蜈蚣草、蕨菜和早熟禾均可作为重金属污染土壤的修复植物。

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