香根草种植年限对煤矸石山土壤重金属的吸收与富集能力

许钟丹，郝 俊，陈 超，汪 瑞，毛圆圆，王化秋，卢 绮，程 巍，2*

(1.贵州大学 动物科学学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州大学 山地植物资源保护与种质创新省部共建教育部重点实验室，贵州 贵阳 550025)

【研究意义】我国是世界上煤炭生产量第一的国家，生产加工产生的大量煤矸石导致矿区生态被破坏，土壤重金属污染逐渐加重[1-3]。土壤重金属主要有铜(Cu)、锌(Zn)、镍(Ni)、镉(Cd)、铅(Pb)、汞(Hg)、砷(As)和铬(Cr)等[4]，其中As和Cd可对环境造成直接污染，而Cu和Zn是植物体内的必需元素，但其含量达一定限值后也会对环境和植物造成污染和伤害[5]。采用物理修复和化学修复治理煤矸石山土壤重金属污染，不仅修复时间和成本高，还会对土壤的结构造成一定的破坏[6-8]。而利用植物对矿区土壤重金属污染进行生态修复不仅成本低，还具有景观作用，不易形成二次污染[9-10]。因此，利用植被对其修复与重建是减少重金属对矿区造成土壤污染的有效策略。香根草(VetiveriazizanioidesL.)为禾本科岩兰草属的一种多年生草本植物，具有极强的生态适应性[11]。近年来，香根草被广泛应用于水土保持、道路塌方滑坡治理、退化生态系统的恢复、富营养水体的净化、土壤重金属污染修复和土壤基质改良等方面[12-13]。【前人研究进展】ANTIOCHIA等[14]发现，香根草可作为Zn的超富集植物。在澳大利亚，香根草已经成功运用于修复高纳、镁、砷、盐和碱等尾矿[15]。MELATO等[16]研究发现，香根草能在低pH和高盐度尾矿中存活并健康生长。陈超等[17]研究表明，香根草修复煤矸石山基质时，对基质中Cu、Zn、Cd和As 4种重金属都起到一定的吸附作用。ROONGTANAKIAT等[18]报道，香根草能用于矿山尾矿、垃圾回收填埋场和工业废料堆等地区的修复和治理。杨兵等[19]的研究结果也验证了香根草对铅锌尾矿具有一定的修复作用。DATTA等[20]认为，香根草是修复矿区土壤重金属污染的最佳植物之一。然而，目前对香根草吸附重金属方面的研究大都局限于某一种金属，或者将香根草和其他植物对重金属的吸附效果进行比较，未见香根草因种植年限差异导致不同部位对重金属吸附效果的研究报道。【本研究切入点】以不同种植年限的香根草群落为研究对象，通过测定比较香根草各部位对土壤重金属Cu、Zn、Cd和As吸收和存储的差异性。【拟解决的问题】探明不同种植年限香根草对六盘水市大河煤矿土壤重金属Cu、Zn、Cd和As的吸收和存储特征，以期为香根草治理与修复煤矸石山重金属污染土壤提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

大河煤矿(104°50′E，26°38′N)位于贵州省六盘水市钟山区的大河镇内，属亚热带湿润季风气候，年平均气温为12.2 ℃，夏季平均气温19.6 ℃，冬季平均气温2.9 ℃。年均降雨量为1234.7 mm[17]。六盘水市矿产资源丰富，探获资源储量258亿t，井田118处，素有西南煤海之称[21-22]。大河煤矿从20世纪70年代实施开采，2001年项目组在此种植香根草并进行矿区生态治理恢复。香根草种植于当年开采并堆积起来形成的煤矸石山上，种植时根部附带少许客土，灌溉少量水，1个月后对未成活的幼苗进行补种。待其成活后使香根草在自然状态下生长，对香根草和矸石山不再进行管理。

1.2 材料

1.2.1 香根草 香根草地上部和地下部样品若干，采自六盘水市钟山区大河煤矿香根草试验地，种植年限分别为3 a(2012年)、4 a (2011年)、7 a (2008年)、9 a (2006年)和14 a (2001年)，长势一致，每个种植年限群落采用S形布点法选取5个样区，每个采样区采集10～15株，分别取其地上部和地下部样品。

1.2.2 土壤样品 5份，均采自香根草样品对应试验地。

1.3 方法

1.3.1 样品处理 将香根草用镊子除去大颗粒物质，再用自来水清洗附着在样品上的污物和泥土，最后用去离子水冲洗3～5次。用吸水纸吸干后分成根系和茎叶两部分，在105 ℃下杀青30 min后在75 ℃烘箱烘烤约48 h至恒重再称其生物量，分别称重后于研钵中研细混匀，过60目筛后用HNO3-HClO4消化[23-24]。

1.3.2 指标测定 参照文献[25]的方法，镉(Cd)、铜(Cu)和锌(Zn)采用火焰原子吸收光谱法测定，砷(As)采用原子荧光光谱法测定。

1.3.3 重金属含量相关性分析 土壤中重金属含量采用项目组陈超等[17]的检测结果，取5年平均值进行重金属含量相关性分析。

重金属富集系数=(植物体内重金属含量/土壤中重金属含量)×100 %

1.4 数据处理

采用Excel 2010和SPSS 22.0对数据进行处理与分析，独立样本T检验、Duncan多重比较(Duncan’s multiple range test)检验各处理之间的差异，以平均值±标准差表示；用SigmaPlot 10.0和Excel 2010作图。

2 结果与分析

2.1 不同种植年限香根草地上部和地下部的重金属含量

从表1看出，不同种植年限香根草各部位Cu、Zn、Cd和As的含量变化。地上部：Cu、Zn、Cd和As变幅分别为8.40～22.25、22.57～42.43、0.16～0.48和12.64～22.76 μg/g，种植14 a的Cu、Zn、As及种植7 a的Cd含量最高，分别为22.25、42.43和22.76和0.48 μg/g；种植4 a的Cu、Zn及种植3 a的Cd、As含量最低，分别为8.40、22.57、0.16和12.64 μg/g。地下部：Cu、Zn、Cd和As变幅分别为13.47～48.78、40.82～88.22、0.48～0.91和13.07～25.65 μg/g，种植14 a的Cu、Zn及种植7 a的Cd、As含量最高，分别为48.78、88.22、0.91和25.65 μg/g；种植4 a的Cu、Zn和种植3 a的Cd、As含量最低，分别为13.47、40.82、0.48和13.07 μg/g。

表1 香根草地上部及地下部的重金属含量(n=3)

相同种植年限香根草各部位不同重金属的含量，各种植年限地上部的Cu、Zn和Cd均低于地下部，且差异均显著；各种植年限地上部的As均低于地下部，除种植3 a和4 a地上部与地下部差异不显著外，其余种植年限地上部与地下部差异均显著。相同部位不同种植年限间香根草各重金属的含量，种植14 a香根草地上部和地下部的Cu和Zn显著高于其余种植年限，种植7 a(4 a地上部除外)香根草地上部和地下部的Cd著高于外其余种植年限，种植3 a和4 a香根草地上部(7 a地下部除外) 的As显著低于其余种植年限。

2.2 香根草对不同重金属富集能力的差异

从表2可知，不同种植年限香根草各部位Cu、Zn、Cd和As的富集系数变化。地上部：Cu、Zn、Cd和As变幅分别为0.07～0.19、0.17～0.34、0.36～1.37和5.10～13.88，种植14 a的Cu、Zn、As含量及种植7 a的Cd含量最高，分别为0.19、0.34、13.88和1.37；种植4 a的Cu、Zn及种植3 a的Cd、As含量最低，分别为0.07、0.17、0.36和5.10。地下部：Cu、Zn、Cd和As变幅分别为0.11～0.41、0.31～0.71、1.09～2.60和5.27～14.82，种植14 a的Cu、Zn、As及种植7 a的Cd富集系数最大，分别为0.41、0.71、14.82和2.60；种植4 a的Cu、Zn及种植3 a的Cd、As富集系数最小，分别为0.11、0.31、1.09和5.27。

表2 香根草地上部及地下部重金属的富集系数

相同种植年限香根草各部位不同重金属的富集系数，各种植年限地上部的Cu均低于地下部，除种植3 a和4 a地上部与地下部差异不显著外，其余种植年限地上部与地下部差异显著；各种植年限地上部的Zn和Cd均低于地下部，且差异均显著；各种植年限地上部的As的富集系数均低于地下部，除种植3 a地上部与地下部差异不显著外，其余种植年限地上部与地下部差异均显著。香根草相同部位不同种植年限间各重金属的富集系数，种植9 a 和14 a地上部的Cu显著高于种植3 a和4 a；7 a、9 a与14 a间、3 a与7 a间、3 a与4 a间差异均不显著；地下部种植14 a显著高于其余种植年限；3 a与4 a间，7 a与9 a间差异均不显著。种植9 a 和14 a地上部的Zn显著高于种植3 a和4 a；7 a、9 a与14 a间、3 a、4 a与7 a间差异均不显著；种植14 a地下部(9 a除外)的Zn显著高于其余年限，3 a、4 a与7 a间，7 a与9 a间差异均不显著。种植7 a地上部和地下部的Cd显著高于其余种植年限，3 a的显著低于其余种植年限。种植14 a地上部的As显著高于其余种植年限，3 a的显著低于其余种植年限。

2.3 香根草地下部重金属含量的相关性

当植物体某部分的2种重金属含量具有明显的相关性时，说明其在被植物吸收的时候可能具有协同作用[26]。从表3看出，在香根草地下部重金属含量中，Cu与Zn呈极显著正相关，与Cd和As分别呈负相关和正相关；Zn与Cd和As分别呈正相关和负相关；Cd与As的含量呈极显著负相关。说明，香根草地下部吸收Cu和Zn时具有极显著的协同作用；吸收Cd和As时具有极显著的拮抗作用。

表3 香根草地下部重金属含量间的相关性

3 讨 论

香根草通过对重金属的富集作用，不仅能吸收对自身生长有益的微量元素，而且能使基质中的重金属含量降低，减少对周围环境的污染[19]。香根草对不同重金属的吸收能力不同[13]，重金属在香根草中总含量为Zn>Cu>As>Cd，因为重金属Zn和Cu是植物生长所必需的微量元素，不断地通过主动运输进入植物体内，反映了植物的生理需求[27-28]。而重金属Cd和As不是植物生长所必需的微量元素，通过被动运输进入植物体内的含量相对较低[29]。

香根草4种重金属总吸收和总积累能力依次为Zn>Cu>As>Cd，且地下部的富集系数大于地上部。富集系数是评价植物富集重金属能力的重要指标之一，反映植物对某种重金属元素的吸收和积累能力[11]。郭平[30]研究发现，向日葵幼苗地下部对Cu的富集量较大，并一定程度上限制其向地上部运输，从而使茎叶免受伤害，也使植物的耐受性有所提高。黑麦草在重金属Cd胁迫下，地下部Cd含量显著高于地上部，其根部对Cd富集作用较强，并阻止Cd向茎叶迁移[31]。荠菜在重金属环境胁迫下地下部的富集系数显著高于地上部。香根草在锌铬复合污染条件下，地下部富集系数显著高于地上部[33]。

重金属Cu、Zn是植物必需的营养元素，在正常浓度范围内可以对植物的生长生理起到一定的积极作用[34。因此随着种植年限的增加，香根草体内未达到对这2种重金属的耐受阀值，地上部和地下部重金属含量、富集系数整体都呈现出增加的趋势。香根草生长初期，由于光合作用的需要，Cu在植物中参与光合作用电子的传递[35]，加强了地上部对Cu的吸收，因此在香根草生长到3龄、4龄时，地上部和地下部富集系数无显著性差异。但过量的Cu胁迫将使植物细胞产生大量的活性氧，使植物的生物量和生理指标有所降低，严重至植物死亡[36]。所以当香根草生长到7龄之后，由于植物存在自身运输拦截机制，为了降低重金属Cu对植物的毒害作用，将大部分重金属滞留在根部，少量向地上部转移[35]，导致重金属Cu地下部富集系数显著高于地上部。香根草根部对重金属Zn富集能力较强，将大部分重金属滞留在根部，少量向地上部转移，降低对茎叶的毒害作用[37]。

一定量的重金属Zn也可以刺激土壤中有效态Cd含量上升，从而加强植物对重金属Cd吸收，导致植物地上部和地下部的重金属Cd增多[38]。但由于重金属Zn和Cd最外层电子数相同，化学性质相似，因此当植物体内重金属Zn含量逐渐增多时，易与重金属Cd形成可替代性和竞争性，两者产生拮抗作用[39]。当植物体内Cu和Zn达到一定浓度时，能对Cd结合蛋白的诱导表达途径产生一定的阻断作用，使Cd结合蛋白生物合成的过程被抑制，因此能加重Cd对植物的毒害效率[40]。水稻在8 mg/kg锌处理时，水稻地上部和地下部重金属Cd含量和富集系数达最大值，后随着Zn浓度的增加重金属Cd含量逐渐降低[41]。马蔺中Zn浓度为1 mg/L时，地下部重金属Cd含量最高，后随着Zn浓度的增加重金属Cd含量逐渐降低[39]。

重金属As在植物体内过量会产生胁迫作用，影响植物的生长发育和对养分的吸收[42]。由于未受到重金属Cu和Zn的抑制，因此当香根草生长到7龄后重金属As的含量增加缓慢，稳定保持在可承受的范围内，避免其产生胁迫作用。低浓度的As对种子的萌发和植株的生长具有一定的促进作用[43]。轻度As胁迫下可刺激三七的生长，当浓度超过10 mg/L时，会对三七产生毒害现象[44]。因此，在香根草生长初期需要吸收一定量的重金属As刺激其生长，使地上部对重金属As吸收量增大。香根草在生长到4龄后，由于植物存在运输拦截机制，避免茎叶遭受毒害，从而使地下部的重金属较少传输到地上部[35]，导致地下部的富集系数显著高于地上部。植物吸收重金属时，不同重金属间会产生协同或拮抗作用。Cu和Zn是植物所必需的微量元素[29]，香根草对Cu和Zn的吸收呈极显著正相关，对As和Cd的吸收呈极显著负相关性，表明植物在吸收As和Cd时，相互间会产生拮抗作用。

4 结 论

香根草种植年限越长对重金属Cu、Zn、Cd和As的吸附效果越好，种植年限7龄时对重金属Cd的吸附量最高；香根草对不同重金属的吸收量为Zn>Cu>As>Cd，富集系数为As>Cd>Zn>Cu，对4种重金属的吸收力及富集系数均为地下部>地上部；在香根草地下部重金属含量中，Cu与Zn呈极显著正相关，与Cd和As分别呈负相关和正相关；Zn与Cd和As分别呈正相关和负相关；Cd与As的含量呈极显著负相关。说明，被香根草地下部吸收Cu和Zn时具有极显著的协同作用；吸收Cd和As时具有极显著的拮抗作用。