采煤塌陷区土壤重金属污染及植物吸收富集特征
2018-11-20杨瑞卿
杨瑞卿， 肖 扬， 申 晨
(1.徐州工程学院环境工程学院，江苏徐州 221008； 2.江苏省徐州市九州生态园林股份有限公司，江苏徐州 221008)
土壤是人类生产的重要物质基础，也是人居环境的重要组成部分。随着城市化和工业化进程的加快，矿产资源的开发利用以及化学产品的大量使用，土壤重金属污染日趋严重，成为威胁人类可持续发展的重要因素[1]。植物修复技术是利用自然生长植物或遗传工程培育植物修复污染土壤特别是重金属污染土壤的环境技术的总称[2]，它通过植物系统及其根际微生物吸收、转移、挥发或稳定土壤重金属，由于效果好、费用低、易于管理与操作、不产生二次污染等优点而得到越来越多的关注[3-4]。而具有非凡的积累重金属元素能力的超富集植物是土壤重金属污染植物修复的主要材料，因此，筛选超富集植物，使其能适用于实际应用，是当前土壤重金属植物修复的一项重要任务，有多位学者对其进行了相关研究[5-8]，而关于采煤塌陷区的植物重金属吸收富集特征的研究并不多见。
江苏省徐州市作为我国重要的煤炭工业基地，煤炭的大量开采不仅造成了地表塌陷、大气污染、水污染等问题，还对所在区域土壤产生了污染。本研究选择徐州市典型的采煤塌陷区潘安湖采煤塌陷区，采用野外调查与室内试验分析相结合的方法，对土壤重金属铬(Cr)、铜(Cu)、锌(Zn)、镉(Cd)、铅(Pb)的污染状况进行分析，对毛白杨等10种乡土植物对重金属的吸收富集能力进行研究，其目的是了解徐州市采煤塌陷区土壤重金属的污染情况，发现其中的主要污染元素，同时筛选出适合徐州市采煤塌陷区生长的、重金属吸收富集能力强的植物，为徐州市采煤塌陷区土壤重金属的植物修复提供科学借鉴。
1 材料与方法
1.1 样品的采集
样品采集分为土壤采集和植物采集。土壤共选择5个样区采集，分别为毛白杨1生长区域土壤、毛白杨2生长区域土壤、臭椿和构树生长区域土壤、旱柳和刺槐生长区域土壤、草本植物生长区域土壤。土壤分3个深度进行采集：0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm，植物样品选择在土壤样点附近采集，每个样点随机选取3～5株健康、无病虫害的植物。按照均匀分散多点的原则，采集根、茎、叶。样品采集后装标本袋密封，带实验室进行处理。
1.2 试验方法
土壤风干后磨碎，过120目塑料筛，备用。植物样品先用自来水冲洗，去除表面污垢，再用蒸馏水、去离子水冲洗3遍，烘干后的样品磨碎，过120目筛，在干燥器中保存。
称取过筛后的样品0.500 g于聚四氟乙烯坩埚中，用HNO3-HF-HClO4法消解，每批样品做1个试剂空白对照[9-10]。
消解后的样品用美国Perkin Elmer公司的电感耦合等离子仪分别测定Cr、Cu、Zn、Cd、Pb的含量。
2 结果与分析
2.1 土壤重金属元素的含量及相关性分析
2.1.1 土壤重金属元素的含量 土壤中重金属元素的含量既与母岩及成土母质有密切的关系，又受到局部环境质量状况等因素的影响[11]。不同植物生长地段土壤重金属元素含量测定结果见表1。可见，木本植物4种土壤中，5种重金属的平均含量表现为Zn>Cr>Pb>Cu>Cd，平均含量分别为67.33、61.58、24.99、24.50、0.22 mg/kg。草本植物土壤中，5种重金属的平均含量表现为Zn>Cr>Cu>Pb>Cd，与木本植物排序基本相同，平均含量分别为 70.06、63.38、27.21、26.76、0.24 mg/kg，均高于木本植物。就同一区域土壤，不同层次重金属含量存在明显差异，基本表现为表层土壤重金属含量大于中下层土壤，这在一定程度上说明土壤重金属含量受地表环境影响较大。草本植物生长区域土壤也表现出同样的特征。
2.1.2 土壤重金属元素含量的相关性分析 土壤中不同重金属元素含量之间的相关性可以推测重金属的来源是否相同，如果重金属含量有显著的相关性，说明其同源的可能性较大，否则来源不同[12]。运用SPSS 20.0对土壤重金属元素平均含量进行相关性分析，由表2可知，除Cd含量与Cr含量显著相关外，其余3种重金属含量之间无显著相关性，在一定程度说明Cd与Cr的来源可能相同，其余3种重金属同源的可能性不大，来源可能不同。
表1 土壤重金属元素含量
表2 土壤重金属含量元素的相关分析
注：“*”表示不同土壤重金属元素含量显著相关(P<0.05)。
2.2 土壤重金属的富集特征分析
2.2.1 评价标准 土壤重金属富集特征常采用富集指数进行分析。富集指数分为单因子指数法和综合指数法[13-14]，参考标准采用研究区土壤重金属含量的自然背景值[15]，本研究采用徐州地区土壤重金属自然背景值[16]，相应的评价结果称之为元素富集。
(1)单因子指数法
而这两天的瑞典事件，本质上仍是以上“套路”的重演：先是一些媒体抛出部分事实带动情绪，反转后网民在情绪落差之下开始转向纷纷指责中国驻瑞典大使馆……
Pi=Ci/Si。
式中：Pi为土壤重金属i的单因子指数；Ci为土壤重金属i的实测浓度；Si为土壤重金属i的土壤环境背景值。
(2)综合指数法即内梅罗指数法
式中：Pi为土壤中各种所测重金属的单因子指数平均值；max(Pi)为土壤中各重金属元素单因子指数的最大值；n为重金属种类。
Pi≤1，表示无富集(无污染)；1
2.2.2 土壤富集指数分析 由表3可知，5种土壤中，Cd、Cu、Cr、Pb、Zn平均单因子富集指数分别为2.39、1.15、1.03、1.00、0.93，表明5种重金属中Cd为中度富集，Cu、Cr为轻度富集，Pb、Zn无富集，这就说明该区域土壤以Cd污染为主。综合富集指数为1.94，说明该区域土壤总体表现为轻度富集，其中毛白杨1所在区域土壤、旱柳和刺槐所在区域土壤、草本植物所在区域土壤的综合富集指数分别为2.37、2.14、2.02，属中度富集，其余2个区域土壤属轻度富集。
草本植物所在区域土壤中各重金属富集指数、富集指数平均值和综合富集指数与木本植物相比，基本都大于木本植物，在一定程度说明草本植物所在区域土壤重金属富集大于木本植物所在区域土壤。
同一区域土壤，不同深度重金属含量存在明显差异，基本表现为表层土壤综合富集指数大于中下层土壤。
表3 土壤的重金属富集指数
2.3 不同植物重金属的吸收系数和转移系数分析
2.3.1 不同植物重金属的吸收系数分析 吸收系数是植物器官重金属含量与土壤中重金属含量的比值，也称富集系数，能够反映植物对重金属的吸收(富集)能力。相关研究认为，木本植物吸收系数大于0.4可以认定为修复土壤重金属能力较强的植物；吸收系数在0.1～0.4之间的为有一定的修复能力的植物；吸收系数小于0.1的为低修复能力植物[18-19]。
2.3.1.1 木本植物的吸收系数分析 测定的木本植物中，平均吸收系数为0.42，其中吸收系数大于0.4的为毛白杨1、毛白杨2和旱柳，说明毛白杨和旱柳对重金属的吸收能力较强，其次为臭椿、刺槐和构树，说明这3种植物对重金属有一定吸收能力。木本植物对不同重金属的平均吸收系数表现为 Cd>Zn>Pb>Cu>Cr。不同植物对不同重金属的吸收能力存在差异。对Cr吸收能力强的树种为毛白杨、构树；对Cu吸收能力强的树种为毛白杨、臭椿和旱柳，对Zn吸收能力强的树种为毛白杨和旱柳，对Cd吸收能力强的树种为旱柳和毛白杨，对Pb吸收能力强的树种为毛白杨、旱柳和臭椿。同一种木本植物，对不同重金属的吸收能力也存在差异，毛白杨1对重金属的吸收系数表现为Pb>Cd>Zn>Cu>Cr，毛白杨2表现为Cd>Zn>Cu>Cr>Pb，旱柳表现为Cd>Zn>Cu>Cr>Pb，构树表现为Cr>Cd>Zn>Cu>Pb，臭椿表现为Cd>Zn>Cu>Cr>Pb，刺槐表现为Zn>Cd>Cu>Cr>Pb。
2.3.1.2 草本植物的吸收系数分析 5种草本植物对重金属的平均吸收系数为0.51，大于木本植物，在一定程度上说明草本植物的重金属吸收能力大于木本植物。其吸收系数从大到小依次为一年蓬、艾蒿、牛膝、黄花蒿、狗尾草，吸收系数分别为0.57、0.55、0.51、0.49、0.42，均大于0.4，说明这5种草本植物吸收土壤重金属能力强。5种草本植物对不同重金属的平均吸收系数表现为Cd>Zn>Cu>Pb>Cr。同一种草本植物对不同重金属的吸收能力存在差异，黄花蒿对重金属的吸收系数表现为Cd>Cu>Zn>Pb>Cr，艾蒿表现为Cd>Cu>Zn>Cr>Pb，一年蓬表现为Cu>Cd>Zn>Pb>Cr，牛膝表现为Zn>Cd>Cu>Pb>Cr，狗尾草表现为Zn>Cd>Cu>Pb>Cu。不同草本植物，对同种重金属的吸收能力有明显差别，对Cr吸收能力强的为狗尾草和牛膝；对Cu吸收能力强的为一年蓬和黄花蒿，对Zn吸收能力强的为牛膝和一年蓬，对Cd吸收能力强的为艾蒿和黄花蒿，对Pb吸收能力强的为一年蓬、艾蒿和黄花蒿。
2.3.1.3 同一种植物不同器官对重金属的吸收系数分析 5种木本植物不同器官对不同重金属的吸收系数比较见表4。同一种植物，不同器官对同一种重金属的吸收系数也不尽相同。如毛白杨1表现为根对Cr的吸收系数大，说明根对Cr的吸收能力大于叶和茎，对其他4种重金属则表现为叶的吸收能力大于根和茎；旱柳对重金属吸收能力强的分别表现为根或茎；构树对重金属吸收能力强的分别表现为根或叶；臭椿对重金属吸收能力强的分别表现为茎或叶；刺槐除对Pb外，对其他4种重金属则表现为根的吸收能力最强。毛白杨1和毛白杨2相比，同一种植物器官对不同重金属的吸收能力也表现不同，侧面反映即使同一种植物，在不同生长阶段，不同的器官对重金属的吸收能力表现不同。
表4 植物不同器官对重金属的吸收系数比较
2.3.2 木本植物的转移系数分析 转移系数是植物地上部分元素的含量与地下部分同种元素含量的比值，用来评价植物将重金属从地下向地上的运输和富集能力，其值越大，则重金属从根系向地上器官转运的能力越强[20]。本研究采用植物叶片中元素含量与植物根系中元素含量的比值作为该元素的转移系数。在5种木本植物中，平均转移系数从大到小依次为臭椿、构树、毛白杨、刺槐、旱柳，与吸收系数有一定差异。对不同重金属元素，植物的迁移系数存在差别，对于Cr转移系数最大的是毛白杨2，对于Cu转移能力较较强的是构树、臭椿和毛白杨；对于Zn转移能力较强的是构树、毛白杨1、臭椿；对于Cd转移能力较强的依次为构树、毛白杨、臭椿；对于Pb，臭椿、毛白杨1、构树、旱柳、刺槐的转移能力均较强。
3 结论与讨论
江苏省徐州市潘安湖采煤塌陷区土壤中5种重金属的平均富集指数由高到低依次为Cd、Cu、Cr、Pb、Zn，Cd为中度富集，Cu、Cr为轻度富集，Pb、Zn无富集，土壤以Cd污染为主。
木本植物中，吸收系数大于0.4的为毛白杨和旱柳，草本植物的吸收系数均大于0.4；木本植物对不同重金属的平均吸收系数表现为Cd>Zn>Pb>Cu>Cr；平均转移系数较大的为臭椿、构树、毛白杨。
土壤重金属富集植物的筛选应同时考虑植物的吸收能力和转移能力。Salt等认为，地上部分重金属含量大于根部，且地上部分重金属含量大于土壤重金属含量的植物对于重金属超富集植物的筛选更有意义[21]。考虑到研究区的土壤污染以Cd为主，因此植物的筛选应主要考虑Cd的富集和转移能力。综合以上因素，推荐木本植物毛白杨、旱柳、构树、臭椿，草本植物艾蒿、黄花蒿、一年蓬、牛膝、狗尾草在采煤塌陷区土壤重金属富集治理中推广使用。
