平顶山矿区矸石山周边土壤重金属污染及优势植物富集特征

2019-07-19陈昌东张安宁腊明齐光赵干卿楚纯洁

生态环境学报 2019年6期

陈昌东，张安宁，腊明，齐光，赵干卿，楚纯洁

1. 宁夏大学/西北土地退化与生态恢复国家重点实验室培育基地，宁夏银川 750021；

2. 平顶山学院低山丘陵区生态修复重点实验室，河南平顶山 467000

煤矿资源的开发极大推动了国民经济的发展，同时也带来了严重的环境污染问题（徐佩等，2015）。其中，常年露天堆放的煤矸石已成为矿区重要的重金属污染来源之一（Esmaeili et al.，2014）。由于重金属在环境中具有稳定性和不降解性的特征，可能通过食物链生物放大作用影响生物群落，结果将导致土壤质量下降，严重影响生态系统功能，危及粮食生产、经济活动和人类健康（Rodríguez et al.，2009；陈璐等，2017）。为此，开展污染环境的生态修复治理就显得至关重要。而利用对重金属有较高的耐性和富集能力的植物，已然成为污染环境的生态修复治理的重要措施。因此，研究矿区周边优势植物对土壤重金属吸收及富集特征，对于区域环境治理与生态修复具有重要的理论与实践意义。

目前，由于植物修复技术成本低且适于大范围应用，迅速成为了土壤修复的研究焦点（Sun et al.，2016；Sarwar et al.，2017）。张浩嘉等（2017）研究了徐州北郊煤矿区8种优势植物对Cu、Pb和Zn的富集能力，认为野艾蒿（Artemisia lavandulaefolia）可以用于煤矿区植被修复。郭晓宏等（2015）分析了临汾西山煤矿5种优势种植物对铅的富集特征，发现夏至草（Lagopsis supina）对Pb有较强的富集和转运能力，是铅超富集植物。刘桂华等（2016）研究高砷煤矿区灯心草对重金属元素积累特性，发现灯心草（Juncus effusus）对Fe、Mn有较强的富集转运能力，具有Mn超富集植物的特征。阿不都艾尼·阿不里等（2017）分析了露天煤矿本土植物的重金属含量，发现假木贼（Anabasis aphylla）、琵琶柴（Reaumuria songoonica）和梭梭（Haloxylonammodendron）对Zn、Cr和Pb具有较强的转运能力，可作为矿区土壤植物修复的优选物种。时宇等（2018）分析了黄石矿山公园内 9种优势草本植物对Cd、Cu、Zn的富集转运特征，发现蕨菜和早熟禾是典型的Zn富集性植物，蜈蚣草对Cd的富集能力最强，这3种植物可作为重金属污染土壤的修复植物。Brooks（1977）提出超富集植物这一概念，随后Chaney（1983）提出利用超富集植物清除土壤重金属污染的思想。综合分析表明，在重金属污染生境中调查筛选本土优势植物对土壤重金属污染土壤修复具有重要价值。

河南省平顶山煤矿是中国中原地区重要的煤炭基地，在矿区周围堆积了大量的煤矸石山，造成了严重的环境污染问题，严重影响到周围的生态环境和人居健康。近些年来，关于河南省平顶山煤矿已有很多的报道，研究内容大都集中在地质构造（冯松宝等，2015）和煤矸石（许红亮等，2016）领域，而对土壤污染评价和自然生长的植物调查很少，关于土壤污染严重的矿区内植物对重金属的耐性和富集能力尚不清楚。鉴于此，为筛选出适应当地气候和土壤条件的重金属富集植物，以平顶山矿区多年堆放矸石山周边土壤及优势种植物为研究对象，分析评价土壤重金属污染现状，并对优势种植物重金属富集转运能力进行探讨，比较植物对土壤重金属富集能力，旨在为区域重金属污染区的生态修复提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于河南省平顶山市区北部的丘陵南坡，平煤九矿东侧矸石山南侧约800 m，海拔659 m，面积为100 m×100 m。该矿区东西长约30 km，自1956年以来共建有大型矿井11对，为中国北方重要的煤炭基地。矿区周边丘陵多属剥蚀侵蚀地形，工矿开发以来的土壤侵蚀速率增大了近2倍，达到了 3750 t·km-2。

该区处于暖温带和亚热带气候交错的边缘地区，具有明显的过渡性特征。6-8月盛行南风或偏南风，其他月份以北风或偏北风为主。全年日照时数2000 h，年均气温14.7 ℃，无霜期223 d，年均降雨量759 mm（楚纯洁等，2017）。土壤具有典型的过渡性，为南方黄红壤土向北方褐土的过渡类型，土壤粗骨性比较突出，土壤厚度多在5-45 cm（曾宪勤等，2008）。样方内主要植被包括草本植物如狗尾草（Setaria viridis）、苍耳（SiberiaCocklebur）、全叶马兰（Kalimeris integrifolia）、牡蒿（Artemisia japonica）、蒙古蒿（Artemisia mongolica）、黄背草（Themeda triandra）、猪毛蒿（Artemisia scoparia）、紫马唐（Digitaria violascens）等，灌木植物如野酸枣（Ziziphus jujuba）、荆条（Vitex negundo）、枸树（Broussonetia papyrifera）等和一些乔木植物如刺槐（Robinia pseudoacacia）、小叶杨（Populus simonii）等。

1.2 试验设计与样品采集

于2016年9月，采用样方法调查了研究区内的植被群落状况，依据优势度筛选出8种生长良好的草本植物为研究对象，同时进行标记。8种植物分别是狗尾草（S. viridis）、苍耳（X. sibiricum）、全叶马兰（K. integrifolia）、牡蒿（A. japonica）、蒙古蒿（A. mongolica）、黄背草（T. triandra）、猪毛蒿（A. scoparia）、紫马唐（D. violascens）。根据植物高度生长状况，每种植物随机采集3株（包括根部）作为重复样株。在每株植物下部根部，采集对应的根际土壤和非根际土壤样品各1个；采样深度为0-20 cm。共采集48个土壤样品，即8株×2位点（根际与非根际）×3重复植株。

1.3 样品处理与测定

土壤样品：将采回的土壤样品置于室内自然风干，之后剔除样品中残根、石块等杂物。风干后样品先用细木棒碾碎，再置于研钵内研磨，过100目尼龙筛网后，按四分法弃去多余的部分，保留200 g，装入自封袋密封保存。称取土样0.2 g，使用微波消解仪（CPL1-MD8H），在 HNO3-HCL消解体系（HNO3-HCL=3∶1，体积比）下将混合液消解至透明澄清，同时设置空白对照。

植物样品：植物地上部和根部分别用自来水冲洗掉表面的灰尘、泥土等，再用蒸馏水冲洗3次，最后用去离子水冲洗3次，放入纸质信封，置于烘箱中105 ℃杀青30 min后，于鼓风箱中60 ℃烘至恒重。样品用粉碎机粉碎后，过100目尼龙筛，装入自封袋密封保存。称 1.0 g植物样品，采用HNO3-H2O2消解体系（HNO3∶H2O2=7∶2，体积比）进行微波消解至液体透明澄清，同时设置空白对照。

使用电感耦合等离子体发射光谱仪（Angilent.7.5美国安捷伦仪器公司）测定各种样品中Cd、Cr、Cu、Mn、Pb 5 种重金属元素质量分数（mg·kg-1）。

1.4 数据处理与分析

土壤重金属污染评价采用单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法（刘巍等，2016；丛鑫等，2017）。植物重金属积累能力采用生物富集系数（BCF）和生物转移系数（BTF）（Salt et al.，1995）。

单因子指数法：选用河南省土壤自然背景值作为标准，对研究区土壤重金属环境质量进行评价（邵丰收等，1998），能够直观地反映单个重金属的污染情况。其计算公式为：

式中，Pi为土壤重金属元素i的单因子污染指数；Ci为土壤重金属元素 i的实测值，mg·kg-1；Si为土壤重金属元素i的标准值。

内梅罗综合污染指数法：评价土壤重金属污染运用最为广泛的方法，可以全面反映重金属对土壤的综合影响，避免均值带来的重金属权值削弱现象（赵玉红等，2016）。其计算公式如下：

式中，Pcom为内梅罗综合污染指数；Pmax为单因子污染指数最大值；Pave为单因子污染指数算数平均值。

根据单因子污染指数和内梅罗综合污染指数将土壤重金属污染划分为5个等级，如表1所示（李俊凯等，2018）。

表1 土壤重金属污染分级标准Table 1 Criteria for the classification of soil heavy metal pollution

生物富集系数（BCF）是植物体内重金属质量分数与土壤中相应重金属质量分数的比值，反映植物对土壤中重金属元素吸收积累的难易程度，是植物富集重金属能力的评价指标。BCF＞1时，植物体内重金属含量大于植物生长土壤环境中的重金属含量，可以用于土壤重金属污染修复。植物体内重金属超标倍数（TON）采用植物正常含量为参考值（何东等，2013）进行计算，度量植物污染的相对程度。其计算公式如下：

式中，BCFabove、BCFroot分别为地上部、根部生物富集系数；TONabove、TONroot分别为植物体内重金属超标倍数。ωabove、ωroot、ωsoil、ωplant分别为植物地上部、植物根部、根系土壤、植物体内正常的重金属质量分数，mg·kg-1。

生物转移系数（BTF）是植物地上部重金属含量与植物根部重金属质量分数之比，反映重金属在植物体内的迁移能力。BTF＞1时，植物将根部吸收的重金属元素转运到地上部分，提高根部对重金属元素的吸收能力，通过萃取的方式修复受污染土壤。其计算公式如下：

运用Excel 2013、SPSS 22.0等软件进行数据处理分析和制图。

2 结果与分析

2.1 土壤重金属污染状况

如表2所示，平顶山煤矿区土壤中各重金属质量分数分别为 Cd 1.61-7.18 mg·kg-1，Cr 16.66-814.64 mg·kg-1，Cu 15.54-84.55 mg·kg-1，Mn 245.68-856.7 mg·kg-1，Pb 15.31-112.7 mg·kg-1，均值分别为 4.29、330.95、36.09、480.74、64.37 mg·kg-1，高低顺序为 Mn＞Cr＞Pb＞Cu＞Cd。

表2 样地土壤重金属质量分数及污染指数Table 2 Mass fraction of heavy metals and pollution index of soils

以河南省土壤背景值作为标准参考（邵丰收等，1998），5种重金属元素单因子污染指数高低顺序为Cd＞Cr＞Pb＞Cu＞Mn。其中 Cd 和 Cr的单因子污染指数分别为66.04和5.24，均大于3，达到重度污染级别；Pb的单因子污染指数为2.89，大于2，达到中度污染级别；Cu的单因子污染指数为1.80，大于1，达到轻度污染级别；Mn的单因子污染指数为0.85，大于0.7，达到警戒级别。研究区内梅罗综合污染指数达到47.94，高于重度污染级别。

2.2 优势植物重金属富集能力

2.2.1 优势植物体内重金属含量

对优势植物体内Cd、Cr、Cu、Mn、Pb的含量进行测定，由表3可知，植物体内重金属质量分数分别为 3.22、13.75、9.22、25.60、19.80 mg·kg-1，高低顺序为 Mn＞Pb＞Cr＞Cu＞Cd，与土壤中重金属含量特征基本一致。植物各部位对重金属的吸收能力大不相同，8种优势植物根部重金属质量分数范围分别为 Cd 0.51-4.06 mg·kg-1，Cr 1.50-15.03 mg·kg-1，Cu 0.11-8.96 mg·kg-1，Mn 11.98-28.89mg·kg-1，Pb 0.10-18.98 mg·kg-1，地上部重金属质量分数范围分别为Cd 0.38-4.56 mg·kg-1，Cr 1.25-25.67 mg·kg-1，Cu 0.06-8.61 mg·kg-1，Mn 3.69-9.22 mg·kg-1，Pb 0.31-71.38 mg·kg-1。整体而言，5种重金属在植物根部的含量高于地上部。

表3 植物体内重金属质量分数及超标倍数Table 3 Mass fraction of heavy metals in plants and exceeding the standard

8种优势植物体内重金属含量与植物重金属正常含量相比（何东等，2013），Cd、Cr和 Pb均不同程度地超出了正常范围。猪毛蒿地上部分、紫马唐地上部分和根部Cd含量分别超标1.52、1.25和1.35倍；全叶马兰根部、狗尾草地上部分和根部Cr含量超标分别1.30、3.06和1.79倍；狗尾草地上部分Pb含量超标1.71倍。其他优势植物体内Cd、Cr、Cu、Mn和Pb含量均在正常范围内。

2.2.2 植物对重金属的富集及转移特征

由表4可知，8种植物对5种重金属的BCF整体表现为 Cd＞Cu＞Pb＞Cr＞Mn，根部 BCF 大于地上部分。苍耳、全叶马兰、蒙古蒿、黄背草、猪毛蒿对Cd也有很强的富集能力，苍耳地上部分、全叶马兰地上部分和根部、蒙古蒿地下部分、黄背草根部、猪毛蒿地上部分对Cd的BCF均超过1，分别达到 1.133、1.063、1.084、1.437、1.085、1.259。狗尾草对Cr有很强的富集能力，其地上部分对Cr的BCF超过1，达到1.031。苍耳对Cu有很强的富集能力，其地上部分对 Cu的 BCF超过 1，达到1.088。全叶马兰和黄背草对Pb有很强的富集能力，全叶马兰根部和黄背草根部对Pb的BCF均超过1，达到1.740和1.372。所有植物对Mn的BCF均小于1。

由表4可知，8种植物对5种重金属的BTF整体表现为 Cu＞Cr＞Cd＞Pb＞Mn。狗尾草、苍耳、牡蒿、猪毛蒿对Cd有很强的迁移能力，其BTF均大于1，分别达到1.347、1.230、1.472、1.526。狗尾草、苍耳、蒙古蒿、黄背草对 Cr有很强的迁移能力，其BTF 均大于 1，分别达到 1.708、1.437、3.683、1.349。苍耳、全叶马兰、牡蒿、蒙古蒿对Cu有很强的迁移能力，其BTF均大于1，分别达到4.939、2.661、3.183、1.381。狗尾草和蒙古蒿对Pb有很强的迁移能力，其BTF均大于1，分别达到3.883和3.905。所有植物对Mn的BTF均小于1。

表4 植物对重金属的生物富集系数和生物转移系数Table 4 Bio-transfer factor (BTF) and bio-concentration factor (BCF) of plants for heavy metals

2.3 植物体重金属与土壤相关性

对8种优势植物不同部位重金属含量与土壤中重金属含量进行相关性分析。由表5可知，土壤Cd、Mn和Cu含量与植物地上部分Cd含量呈显著正相关关系；土壤Cd和Mn含量与植物地上部分Cu含量呈显著负相关关系。土壤Cd、Cu、Mn和Cr与植物根部Cd含量呈显著正相关关系；土壤中Cd、Cu和Pb含量与根部Pb含量呈显著正相关关系。植物地上部分Cd含量与根部Pb和Cd含量呈显著正相关关系；植物地上部分 Cr和 Pb含量与根部Cr和Cu含量呈显著正相关关系；植物地上部分Cu含量与根部Cd含量呈显著负相关关系。

3 讨论

对河南省平煤九矿矸石山周边优势植物根系和土壤的重金属含量进行分析测试，结果表明，土壤中 Cd、Cr、Pb、Cu含量均超过了河南省土壤背景值（邵丰收等，1998），由于长期矿业活动及煤矸石淋溶、风化，重金属元素随之释放，经过一系列过程，使 Cd、Cr、Cu、Pb在土壤中明显集聚，造成土壤环境污染（崔龙鹏等，2004）。研究区内Cd污染最为严重，Cr、Pb、Cu污染次之，内梅罗污染指数远超于重度污染级别，平顶山煤矿矸石山周边土壤是受Cd-Cr-Pb-Cu复合污染的土壤。

李俊凯等（2018）和何东等（2013）在研究中发现土壤中某种重金属含量越高，对应植物体内重金属含量越高。在本研究中，土壤中Mn、Pb、Cu、Cd含量与植物体内Mn、Pb、Cu、Cd含量特征基本一致，表现为Mn＞Pb＞Cu＞Cd，而植物体Cr含量与土壤中Cr含量特征表征不同，植物体内的Cr含量小于Pb含量，而土壤中Cr含量大于Pb含量，表明植物对重金属元素的吸收不仅受土壤重金属含量的影响，植物特性、土壤质量、土壤重金属的形态和毒性都影响着植物对土壤重金属的富集能力，可能导致不同研究结果出现部分差异（施翔等，2012）。本研究中8种优势植物对5种重金属元素均表现出较强的富集吸收能力，大部分植物体内一种或多种重金属含量远高于植物正常重金属含量，但都均未达到超富集植物的临界标准。不同种优势植物对重金属的吸收特征有较大差异，猪毛蒿和紫马唐体内Cd含量、狗尾草体内Cr、Pb含量均超出了植物体重金属含量正常范围，这与李俊凯等（2018）和王兴伟等（2013）的研究结果相似。国内众多学者研究发现，猪毛蒿体内Cd质量分数为4.75 mg·kg-1（李凯荣等，2013），与紫马唐为同一属的马唐（Digitaria sanguinalis）体内Cd质量分数为 13.13 mg·kg-1（王兴伟等，2013），狗尾草体内Pb和 Cr质量分数分别为 87.08 mg·kg-1和 19.7 mg·kg-1（李俊凯等，2018；闫宝环等，2012），均超出了植物体重金属含量正常范围。说明猪毛蒿和紫马唐对Cd、狗尾草对Cr、Pb具有一定的耐性和富集能力。本研究中，狗尾草体内 Cr质量分数超过了重金属正常含量范围，这与李俊凯等（2018）的研究结果不一致。李俊凯等（2018）在南京市矿区重金属富集植物筛选中发现狗尾草体内 Cr质量分数为 6.59 mg·kg-1，在植物体重金属正常含量范围内。一方面可能是不同气候带下土壤理化性质不同影响着植物对重金属的吸收能力（何东等，2013）；另一方面可能是植物体不同重金属元素的组合影响植物对重金属的吸收能力，如表5所示，植物根部Cr和Cu的吸收影响着植物地上部分Cr的积累。

比较 8种优势植物对 5种重金属的 BCF和BTF，苍耳对Cd和Cu的BCF和BTF均大于1，在8种植物中对Cu的BTF最高，韩娟（2017）和张栋栋等（2019）研究发现苍耳是Cu超富集植物、Cd富集植物。猪毛蒿对Cd的BCF和BTF均大于1，闫宝环等（2012）研究同样发现猪毛蒿对Cd的BCF和BTF大于1，具有Cd超富集植物特征，可作为Cd污染的修复植物。蒙古蒿对Cr和Pb的BTF均大于3，且对Cd的BCF大于1，可作为Cr和Pb污染的修复植物。狗尾草对 Cd、Cr和 Pb的 BTF均大于1，且对Cr的BCF大于1，在8种植物中对Pb的BTF最高，可作为Pb、Cr和Cd综合污染的修复植物，与魏俊杰等（2017）研究结果相同。本研究中8种优势植物均呈现出较高的重金属富集和转运能力，具有富集植物的一些特征，但还需要通过盆栽实验及生理生化研究进行进一步验证（李俊凯等，2018）。

表5 草本植物体不同部分与土壤重金属含量的相关性Table 5 Correlation between different parts of herbaceous plants and heavy metal contents in soil

熊云武等（2016）和王爱国（2012）研究发现，植物体重金属元素与土壤中对应元素呈显著正相关关系。本研究中，土壤Cd、Mn、Cu含量与植物地上部分Cd含量呈显著正相关关系；土壤Cd、Cu、Mn和Cr与植物根部Cd含量呈显著正相关关系；土壤Cd、Cu和Pb含量与根部Pb含量呈显著正相关关系，说明土壤Cd、Cr、Cu、Mn和Pb的较高含量促进植物对 Pb和 Cd的吸收。而土壤 Cd和Mn含量与植物地上部分 Cu含量呈显著负相关关系，说明土壤Cd、Mn的较高含量抑制植物地上部分对Cu的富集。植物根部Cd含量与地上部分Cu含量呈显著负相关关系，说明植物根部对Cd的吸收抑制植物地上部分对Cu的积累。本研究中，植物内Cu含量与土壤Mn和Cu呈现负相关性，这与郭丹丹（2012）的研究结果相似。郭丹丹（2012）在抗猛植物筛选研究中发现，大叶樟（Cinnamomum austrosinense）Cu含量与土壤Mn和Cu呈现负相关性，说明土壤Mn和Cu的较高含量抑制了植物对Cu的富集。

植物根部Cr和Cu含量与植物地上部分Cr和Pb含量呈显著正相关关系，植物根部Cd和Pb含量与地上部分Cd含量呈显著正相关关系。严莲英等（2017）对黔北轻污染耕地 12种优势杂草重金属含量及富集特征进行研究，结果发现稻槎菜（Lapsana apogonoides）、黄秋葵（Abelmoschus esculentus）等杂草根部重金属含量与地上部分Cd、Pb含量呈极显著正相关关系。说明植物根部对Cd和Pb的吸收显著促进植物地上部分对Cd的积累，同时，植物根部对Cr和Cu的吸收显著促进植物地上部分对Cr和Pb的积累。

在重金属污染严重的生境中生长的植物具有一定的重金属耐性，且不同植物对重金属的富集和转移能力表现出一定的差异。参照 Baker et al.（1989）和Punz et al.（1993）关于植物对重金属的吸收、转移和积累机制，将8种优势植物可分为富集型、根部囤积型两种类型：

（1）富集型。植物从土壤中主动吸收重金属元素，并将根部吸收的重金属元素转移到地上部分，通过不断种植和收割富集型植物来清除土壤中重金属元素（李俊凯等，2018）。本研究中，7种优势植物体内重金属含量较高，且有较高的BTF。例如，狗尾草对 Cd、Cr、Pb的生物转移系数大于 1，苍耳对Cd、Cr、Cu的BTF大于1，蒙古蒿对Cr、Cu、Pb的BTF大于1，牡蒿对Cd、Cu的BTF大于1，全叶马兰对Cu、黄背草对Cr、猪毛蒿对Cd的生物转移系数均大于 1。说明这 7种优势植物在Cd-Cr-Pb-Cu复合污染严重的土壤环境中生长良好，具有较强的重金属转移能力，在修复重金属污染的土壤环境上具有较高的潜在价值。

（2）根部囤积型。植物从土壤中被动吸收重金属元素，并将吸收的重金属元素囤积于根部，少量向地上部分迁移，减少对植物体的毒害（Marek et al.，2012）。本研究中，紫马唐体内Cd含量较高，但对重金属的BTF小于1，重金属主要囤积在根部，来提高自身耐性，属于根部囤积型植物。