紫穗槐修复尾矿土的重金属纵向迁移、生物富集及转运特性研究

陈娜 郝喆* 王晓明 滕达 吴超君

（1. 辽宁大学环境学院，辽宁沈阳 110036；2. 辽宁有色勘察研究院，辽宁沈阳 110013）

1 引言

金属矿山尾矿库不但占用大量土地，还是潜在的污染源。重金属在矿山开采过程中会被释放出来，导致矿山土壤重金属含量水平高，然后通过地表径流途径扩散至土壤和水中，受风雨天气影响污染物极易扩散，会引发一系列的生态环境问题和安全隐患问题，并通过生物富集和放大效应对人类健康构成威胁［1］。因此，尾矿库重金属治理研究势在必行，在植物修复尾矿土重金属的迁移、富集、转运的影响等领域，国内外学者展开了研究工作。Ghassen Daldoul 等对突尼斯北部受旧尾矿库污染的碳化土壤中重金属进行了评价与迁移研究［2］。Laxman Singh K等对铀矿尾矿池及其影响区植物富集和主要污染物修复的本地优良植物种类进行了鉴定研究［3］。宋凤敏对陕西典型铁尾矿库区土壤重金属迁移及其修复进行了研究［4］，证明植物对重金属有转运、富集等作用。张会敏等分析了相思谷尾矿8 种定居植物对重金属吸收及富集特性，对不同植物根、茎对重金属的吸收、富集等影响给出的相应规律，证明植物根吸收、富集重金属能力高于茎［5］。

紫穗槐是北方寒冷地区矿山生态修复常用的灌木植物之一，目前有关紫穗槐修复尾矿库的重金属迁移规律尚缺乏深入研究。本文利用自制尾矿库模型装置，针对紫穗槐修复尾矿土过程中重金属在不同深度的分布和纵向迁移情况，以及重金属在植物根、茎中的分布、富集、转运特征展开了实验研究，为尾矿库重金属污染治理和生态修复提供参考。

2 材料和方法

2.1 样品的采集与处理

2.1.1 样品采集

2.1.1.1 实验装置研制

为开展金属矿山尾矿库下垫面结构稳定及生态修复研究，自主研制了尾矿库基质改善及生态修复模拟实验装置。参考尾矿库实际坝体、滩面结构和水面位置，建立缩尺寸相似模型、堆填初期坝和尾矿堆积坝模型，见图1。

图1 尾矿库生态修复模型

实验尾矿土来源于本溪歪头山尾矿库，开展基质改良试验及紫穗槐栽植实验（见图2），为尾矿库生态修复研究提供参数和依据。

图2 紫穗槐栽植模型实验

2.1.1.2 土壤样品采集

在尾矿库模型（70%尾矿土和30%黄土）中，对修复龄期1.5 年的紫穗槐根际尾矿土进行分层取样，采样层分为A，B，C 3 层，采样深度分别为20，40，60 cm，剖面每层土样采集1 kg 左右，装入样品袋，并标明采样监测项目、采样深度。首先挖掘土壤采样剖面（使观察面向阳），然后用竹片去除与金属采样器接触部分的土壤，再用竹片进行取样，采样顺序自下而上，先采剖面底层土样，再采中间土样，最后采上层土样［6］。

2.1.1.3 植物样品采集

对紫穗槐进行全株植物和对应根系土采样。将所有植物连同根须整体挖出，并迅速将根须包裹，以防水分散失。再迅速转移至实验室待用［7］，并标明样品编号和检测项目。

2.1.2 样品处理

2.1.2.1 土壤样品处理

将所采集的土壤样品于风干室中风干（不可加热或阳光直射），将风干后的样品用木棒或皮锤敲碎，并于模板上用木棒尽量碾碎，挑出石子、砂砾和动植物残骸，然后通过2 mm 尼龙筛除去2 mm以上的砂砾，混匀土样。再用玛瑙研钵将通过2 mm尼龙筛的土样进行研磨，最后通过100 目（孔径0.149 mm）尼龙筛，混匀土样，装入密封袋中备用［8］。

2.1.2.2 植物样品处理

首先将植物样品进行清洗，分为根部和茎部，于65 ℃烘箱内烘干至质量恒定，用打碎机将植物根、茎分别打碎后，分别过20，100 目筛，将过100 目筛的植物样品混匀装袋，备用。

2.2 重金属检测及数据分析方法

对紫穗槐根际尾矿土分层土样中Cu，Zn，Cr，Pb，Cd 5 种重金属进行含量测定。考虑检测结果的准确性，每组样品均做3 组平行样。

2.2.1 重金属检测方法

2.2.1.1 土壤重金属检测

依据《土壤和沉积物 铜、锌、铅、镍、铬的测定 火焰原子吸收分光光度法》（HJ 491—2019）中石墨电热消解法对处理好的土样进行消解、定容、摇匀，待测［9］。调整好电感耦合等离子体发射光谱仪（5100 ICP－OES），绘出各重金属的标准曲线，然后依次测量待测样品，做好记录。

2.2.1.2 植物重金属检测

准确称取2.00 g 样品，装入25 mL 瓷坩埚中，加入4 mL 1%HNO3，放置通风橱内的电热板上缓慢加热至炭化，盖子半开，烟冒尽时停止加热。将炭化后的样品转置马弗炉内，逐渐升温至500 ℃，然后恒温加热8～9 h，冷却后取出，加入4 mL 5%HNO3溶解灰状物，然后转移至100 mL 容量瓶，用蒸馏水定容至标线，摇匀待测［10］。调整好火焰原子吸收光谱仪（novAA350 型），输入各重金属标准曲线，然后依次测量待测样品，做好记录。本实验将待试样品称样量和试剂量各增加1 倍，最后用5%NHO3溶解灰状物等实验改进，提高了实验的精度和效率。

2.2.2 数据分析方法

对检测数据进行整理统计，然后采用SPSS，EXCEL2010 软件进行处理，并计算相应的富集系数（BF）和转运系数（TF）［11］。

富集系数的计算公式为：

重金属富集系数在一定程度上反映了紫穗槐植物系统中重金属元素迁移的难易程度，说明重金属在紫穗槐体内的富集情况。富集系数越大，说明紫穗槐吸收该重金属能力越强。若富集系数大于1，则说明紫穗槐对该重金属具有超富集能力。

转运系数的计算公式为：

转运系数的高低将直接影响富集植物能否应用于重金属污染土壤的修复。转运系数小于1 时，说明紫穗槐对该重金属的富集主要在根部，向茎部转运能力弱。转运系数越大，表明紫穗槐茎部重金属的富集量越大。转运系数大于1 时，说明紫穗槐对该重金属的富集主要在茎部，对该重金属具有超转运能力，有利于植物吸取技术的应用［12］。

通过尾矿土和植物重金属含量数据及富集系数和转运系数计算结果，分析紫穗槐根际尾矿土中每种重金属在不同深度的分布情况和纵向迁移规律，以及植物修复尾矿土重金属分布、富集及转运特性。

3 结果分析

3.1 重金属在尾矿土中的纵向迁移分析

紫穗槐根际尾矿土中Cu，Zn，Cr，Pb，Cd 5 种重金属含量的纵向分布见图3。

图3 5 种重金属在紫穗槐根际尾矿土中的纵向迁移情况

如图3 所示，紫穗槐根际尾矿土中Cu，Cd 含量随深度的增加无明显变化。Cr 含量随深度改变波动比较大，在20～40 cm 深度区间内由43.8 mg/kg 降低至17.2 mg/kg；在40～60 cm 深度范围内，又升高至38.2 mg/kg。尾矿土中重金属的纵向空间分异的影响因素为尾砂质地、重金属特性等，致使纵向迁移规律存在较大差异［1］。Zn 含量在20～40 cm 深度范围内呈递减趋势，40～60 cm 深度范围内含量变化不大。Pb 含量随深度的增加而减少。从紫穗槐根际尾矿土中各种重金属含量随深度增加的变化情况来看，紫穗槐对Pb 的富集能力最强，其次是Zn，对修复尾矿土中Cu，Cd 的影响不大。

3.2 重金属在分层土壤和植物根、茎中的分布情况

分析Cu，Zn，Cr，Pb，Cd 5 种重金属在分层尾矿土和紫穗槐根、茎中的分布情况，见图3 和图4。

图4 5 种重金属在紫穗槐根、茎中的含量分布情况

由图3 可知，利用紫穗槐修复尾矿土，5 种重金属在20 cm 深度时，含量由高到低排序为Zn＞Cr＞Cu＞Pb＞Cd；在40 cm 深度时，含量由高到低顺序为Zn＞Cu＞Cr＞Pb＞Cd；在60 cm 深度时，含量由高到低排序为Zn＞Cr＞Cu＞Pb＞Cd。总体来看，不同深度尾矿土中Zn，Cu，Cr，Pb 含量明显高于Cd 含量，其中，Zn含量均最高，分别为57.5，46.9，47.8 mg/kg；Cd 含量均最低，分别为0.6，0.5，0.7 mg/kg。

由图4 可知，紫穗槐根中5 种重金属含量由高到低顺序为Cr＞Zn＞Cu＞Pb＞Cd，吸收Cr 含量最高，为106.82 mg/kg；Cd 含量最少，为0.21 mg/kg。紫穗槐茎中重金属含量由高到低顺序为Cr＞Zn＞Cu＞Pb＞Cd，吸收Cr 最多，为57.57 mg/kg；吸收Cd 含量最少，为0.77 mg/kg。由图4 还可看出，紫穗槐根吸收Cu 和Cr 的含量高于茎，吸收Zn，Cd 和Pb 的含量低于茎。根和茎中Cu，Zn，Cd，Pb，Cr 5 种重金属的差量值分别为3.39，-6.56，-0.56，-0.11，49.25。

3.3 植物对重金属的富集和转运特性分析

依据植物根、茎和紫穗槐根际尾矿土（40 cm）的重金属含量数据，根据公式（1），（2）来计算植物对土壤的富集系数和转运系数，分析植物修复尾矿土重金属分布、富集及转运特性，结果见表1。

表1 紫穗槐不同部位的重金属富集系数和转运系数

植物富集和转运重金属的效率因重金属的种类不同而异。由表1 可知，紫穗槐根对5 种重金属的富集系数顺序为Cr＞Zn＞Cd＞Cu＞Pb，说明根对Cr 的富集能力最强，富集系数大于1，对Pb 的富集能力最弱。紫穗槐茎对重金属的富集系数顺序为Cr＞Cd＞Zn＞Pb＞Cu，说明茎对Cr 的富集能力最强，富集系数大于1，其次是Cd，富集系数大于1，对Cu 的富集能力最差。地上部分富集系数超过1 的植物具备超富集植物的一般特征［13］，因此紫穗槐对Cr 和Cd 2 种重金属有超富集能力。总体来看，紫穗槐根富集Cu和Cr 的能力均高于茎，富集Zn，Cd 和Pb 的能力低于茎。根和茎的Cu，Zn，Cd，Pb，Cr 富集系数差分别为0.10，-0.14，-1.12，-0.01，2.86，其中紫穗槐根、茎对Cr的富集能力最为显著。

紫穗槐根茎间对5 种重金属的转运能力由强到弱为Cd＞Zn＞Pb＞Cu＞Cr，说明紫穗槐对Cd 的转运能力最强，其次是Zn，然后是Pb，转运Cr 能力最差。根据计算结果来看，紫穗槐对Cd，Zn 和Pb 3 种重金属的转运系数均大于1，具备超富集植物的转移系数特征［11］，说明紫穗槐对Cd，Zn 和Pb 3 种重金属具有超转运能力，有利于紫穗槐茎部对重金属的获取和回收，以免重金属迁移扩散造成二次污染。

3.4 重金属迁移机理分析

紫穗槐根际修复尾矿土重金属迁移机理主要包括雨水淋滤作用、土壤吸附作用以及植物富集和转运作用。

（1）雨水淋滤作用。某些重金属元素以离子键形式存在，在水介质作用下发生水解反应而溶于水［14］，受雨水淋滤作用发生迁移。本研究基地模型前期设有遮雨棚，待紫穗槐植株成活后卸除遮雨棚，属于露天式模型，春、夏、秋三季受降雨影响及冬季受降雪影响，尾矿土中各重金属随之而产生纵向迁移。

（2）土壤吸附作用。尾矿土中存在一些对重金属元素有吸附固定作用的有机质、铁铝等水合氧化物和碳酸盐等，而且各组分之间也存在较为复杂的相互作用，特别是铁氧化物，在发生化学反应后会形成各种对重金属元素有吸附作用的胶体和黏性物质，从而影响重金属的迁移能力［14］。本研究中尾矿土中Pb 含量随深度的增加而减少，且纵向迁移变化尤为显著，这是因为Pb 元素被尾砂风化过程中产生的铁锰氢氧化物吸附而残留在表层，下层尾砂含氧量低且铁锰的氢氧化物含量少，所以被吸附的Pb 含量少［1］。

（3）植物富集和转运作用。植物富集和转运作用主要是通过植物根系对重金属元素的富集、吸收，然后向茎、叶部分运移，进而影响重金属的迁移。植物的生长所需水分和营养元素要从土壤中摄取，而土壤中重金属元素会发生水解反应，进而被植物根系所富集和吸收，被根系所吸收的重金属继续向茎、叶迁移［14］。由本研究中植物对重金属的富集和转运特性分析结果可以看出，紫穗槐对重金属的转运能力以及根、茎对重金属的富集能力随重金属种类的不同而异，紫穗槐对Cd，Zn 和Pb 3 种重金属具有超转运能力，紫穗槐的根对Cr、茎对Cd 和Cr 具有超富集能力，进而影响重金属的迁移能力。

由实验结果可见，Cu 受土壤吸附作用在尾矿土中随深度的增加而减少，但受雨水淋滤影响变化趋势不明显，而紫穗槐对Cu 的富集和转运能力很弱，因此Cu 受雨水淋滤作用影响最大，其次是土壤吸附作用，植物富集和转运作用最小；Cd 和Zn 受雨水淋滤作用和土壤吸附作用影响随尾矿土深度的增加不明显，紫穗槐对Cd 和Zn 具有超转运能力，且紫穗槐茎对Cd 具有超富集能力，因此各因素对Cd 和Zn迁移影响由大到小顺序为植物吸收作用＞雨水淋滤作用＞土壤吸附作用；Pb 受土壤吸附作用影响随尾矿土深度的增加而减少，变化显著，所以Pb 受降雨影响较小，紫穗槐对Pb 具有超转运能力，但植物中Pb 含量低于尾矿土中Pb 含量，因此Pb 的迁移影响因素由大到小顺序为土壤吸附作用＞植物转运作用＞雨水淋滤作用；Cr 含量随尾矿土深度的增加呈现先减后增的趋势，变化趋势显著，影响因素较复杂，但紫穗槐中Cr 含量远远大于土壤中Cr 含量，且紫穗槐根和茎对Cr 均具有超富集能力，因此植物富集作用对Cr 迁移的影响要高于雨水淋滤和土壤吸附作用。

4 结论

以铁尾矿库模型已完成生态修复中紫穗槐修复尾矿土为例，进行紫穗槐根际尾矿土20，40，60 cm深度的分层采样，对紫穗槐根际尾矿土中Cu，Zn，Pb，Cd，Cr 5 种重金属在不同深度的含量分布情况和纵向迁移规律进行分析，得出主要结论如下：

（1）紫穗槐根际不同深度尾矿土中Zn，Cu，Cr，Pb 含量明显高于Cd 含量，其中，Cd 含量均最低，Zn含量均最高，Zn 含量比Cd 含量分别高56.9，46.4，47.1 mg/kg。

（2）紫穗槐根际尾矿土中Cr 含量随深度改变波动比较大，呈现出先降低后增高的趋势。Zn 含量在20～40 cm 深度范围内随深度的增加而降低，40～60 cm 深度范围内含量约为47 mg/kg，Pb 含量随深度的增加而减少，由14.1 mg/kg 降至5.4 mg/kg，说明紫穗槐对Pb 的富集能力最强，其次是Zn。

（3）紫穗槐根对Cu 和Cr 的吸收能力均高于茎，对Zn，Cd 和Pb 的吸附能力低于茎。其中，根对Cu，Zn，Cd，Pb，Cr 的吸收量分别为9.40，23.37，0.21，2.59，106.82 mg/kg，茎对Cu，Zn，Cd，Pb，Cr 的吸收量分别为6.01，29.35，0.77，2.70，57.57 mg/kg。

（4）紫穗槐根富集Cu 和Cr 能力高于茎，富集Zn，Cd 和Pb 的能力低于茎。其中，根对Cr 的富集系数大于1，为6.21，茎对Cd 和Cr 的富集系数均大于1，分别为1.54，3.35，表明紫穗槐根对Cr 具有超富集能力，茎对Cd 和Cr 具有超富集能力。

（5）紫穗槐对Cu，Zn，Cd，Pb，Cr 5 种重金属的转运系数分别为0.64，1.28，3.67，1.04，0.54，紫穗槐转运重金属能力顺序为Cd＞Zn＞Pb＞Cu＞Cr。其中，紫穗槐对Zn，Cd 和Pb 的转运系数均大于1，表明紫穗槐对这3 种重金属具有超转运能力。

（6）紫穗槐根际修复尾矿土重金属纵向迁移、生物富集及转运，主要来源于雨水淋滤作用、土壤吸附作用以及植物富集和转运作用。Cu 迁移影响因素由大到小顺序为雨水淋滤作用＞土壤吸附作用＞植物富集和转运作用，Cd 和Zn 迁移影响因素由大到小顺序为植物吸收作用＞雨水淋滤作用＞土壤吸附作用，Pb 的迁移影响因素由大到小顺序为土壤吸附作用＞植物转运作用＞雨水淋滤作用，植物富集作用对Cr迁移的影响要高于雨水淋滤作用和土壤吸附作用。

本文分析了紫穗槐修复尾矿土的纵向迁移、富集和转运规律，对尾矿库重金属污染植物修复工程具有参考价值。