广东省典型富镉铅锌矿区中优势植物重金属富集特性与应用潜力*

肖乃川 张云霞 宋 波,2# 朱亮亮 庞 瑞

(1.桂林理工大学环境科学与工程学院，广西 桂林 541004；2.桂林理工大学岩溶地区水污染控制与用水安全保障协同创新中心，广西 桂林 541004)

土壤是人类生存的基石[1-2]。近年来报道的有关粮食、环境与资源问题很多都与土壤污染密切相关。随着工农业的飞速发展，土壤重金属污染已成为全球性的问题。改革开放后，广东省经过几十年的发展，已经成为我国重要的工业基地。由于发展过程中缺乏合理利用资源和保护生态环境的意识，目前广东省土壤重金属污染已经相当严重[3]。据有关报道显示，珠江河口周边约1万km2范围内，受到人为原因导致的有害重金属污染土壤范围广且重金属含量高，镉、铜、镍和铅等重金属污染土壤面积达到5 500 km2，污染深度达40 cm[4]。另有研究显示，在珠三角地区城市农用土壤中，铜、铅、锌和镉的平均含量都超过了广东省土壤背景值和全国土壤背景值[5]。广东省的蔬果、稻米中镉、铅、锌和铜等存在不同程度的超标[6]。由此可见，广东省土壤中重金属镉、铜、镍、铅和锌等重金属的污染已经对农产品质量安全及人类健康构成了潜在威胁。

植物修复技术具有效果好、无二次污染等优点[7-8]，已成为当今土壤修复研究者关注的热点[9-10]。目前，国内外已经发现的重金属富集植物超过400种，但有许多植物由于生物量小或具有地方特异性等问题，在工程应用上受到很大限制，因此重金属污染土壤的植物修复技术难点在于筛选生物量大、富集能力强并且能够适应修复地区气候条件的重金属富集植物[11]。矿区生长的植物是在长期的重金属自然选择中留存下来的，对重金属有较好的耐受性，因此在矿区寻找重金属富集植物不失为一个有效途径[12]。

铅锌矿是我国的优势矿种之一。仅广东省内铅锌矿区就达100个，合计矿石储量达到1 077万t，其中开采规模大、历史久的典型铅锌矿区就有4个，分别是连南县鸡麻坑矿区[13]、连南县坪头岭矿区[14]、仁化县凡口矿区[15]、阳山县铁屎坪矿区[16]，都是矿石储量大、铅和锌品位高且都富含镉的矿区，同时铜和镍的含量也较高。

因此，在这些典型的富镉铅锌矿区调查优势植物，筛选出适宜广东省自然环境条件、重金属耐受性强且生物量大的植物物种，以期找到可以用于广东省重金属土壤植物修复的植物，对广东省土壤重金属污染治理和生态修复研究具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 样品的采集与分析

在4个典型富镉铅锌矿区，采集生长良好且生物量大的优势植物完整植株，同时采集表层土壤。植物与土壤样品各采得75个，其中鸡麻坑矿区各18个，坪头岭矿区各14个，凡口矿区各17个，铁屎坪矿区各26个。采集到共41种优势植物品种(见表1)。

表1 优势植物品种Table 1 Dominant plant species

植物样品带回实验室后将地上部和地下部分开，分别用自来水冲洗干净，然后用去离子水冲洗3遍，自然晾干后于70 ℃下烘干至恒重，粉碎，备用；土壤样品剔除动植物残骸、石块等杂物后，置于室内自然风干，研磨过100目筛后备用。

土壤样品和植物样品分别采用美国环境保护署(USEPA)《Acid digestion of sediments,sludges and soils》(Method 3050B)推荐的HNO3-H2O2体系和HNO3-HClO4体系进行消解后，使用石墨炉原子吸收分光光度计(AA-700型)测定镉含量，使用电感耦合等离子体发射光谱仪(5300DV型)测定铜、铅、锌、镍含量。在分析样品时做了15%的平行样，并分析了空白样品、国家标准土壤样品(GSS-4、GFS-4)、国家标准植物样品(GSV-1)，各样品测得含量减去空白样品测得含量即为样品真实含量，平行样品间相对标准偏差均小于5%，标准样品的各重金属回收率符合质量控制要求[17]。

超富集植物地上部重金属质量浓度需达到临界值(镉100 mg/kg，铜、镍、铅1 000 mg/kg，锌10 000 mg/kg)[18]。在实际的工程应用中，要求并不需要这么严苛。本研究中，地上部重金属含量达到临界值一半及以上或超过正常植物重金属质量浓度(镉3.0 mg/kg、铜45.8 mg/kg、镍5.0 mg/kg、铅41.7 mg/kg、锌160.0 mg/kg)[19]两倍的植物，便被认为已具备良好的修复潜力[20-21]，定义为富集植物。

1.2 数据处理

通过计算植物地上部重金属含量与对应土壤中重金属含量之比得到富集系数(BCF)，用来表征植物从土壤吸收重金属的能力[22]；通过计算植物地上部重金属含量与地下部重金属含量之比得到转运系数(TF)，用来表征植物从地下部向地上部运输重金属的能力[23]，TF越大，说明植物从地下部向地上部运输重金属的能力越强[24]。

2 结果与分析

2.1 土壤重金属含量

土壤重金属质量浓度见表2。土壤中镉、铜、镍、铅和锌质量浓度分别为0.10～323.80、23.23～2 449.00、2.04～56.54、61.75～18 230.00、68.17～23 834.00 mg/kg，平均值分别是广东省土壤背景值[25]的1 345、39、2、134、85倍，选择这样的土壤筛选优势植物作为重金属富集植物具有合理性。

表2 土壤重金属质量浓度Table 2 Heavy metals concentrations in soils mg/kg

2.2 优势植物地上部重金属含量

考虑到植物中重金属含量受土壤中重金属含量影响，若采用平均值表征植物地上部重金属含量可能会低估植物对重金属的富集能力，因此植物地上部重金属含量采用最大值表征，结果见表3。镉质量浓度最高的植物为藿香蓟，达到77.02 mg/kg，已经接近镉超富集植物地上部质量浓度临界值100 mg/kg，远远超过正常植物镉质量浓度3.0 mg/kg的两倍，无疑可以认为藿香蓟为镉富集植物；铅质量浓度最高的植物为粗叶悬钩子，达到336.90 mg/kg，虽然没有达到或接近铅超富集植物地上部质量浓度临界值，但已经远远超过了正常植物铅质量浓度的两倍，表明粗叶悬钩子是铅富集植物；锌质量浓度最高的植物也是藿香蓟，达到769.80 mg/kg，是正常植物锌质量浓度的4.81倍，也可以认定藿香蓟为锌富集植物；4个典型矿区中未筛选到铜和镍的富集植物。

表3 植物地上部重金属质量浓度Table 3 Heavy metals mass concenterations in up-ground part of the plants mg/kg

2.3 优势植物对重金属的转运特征

41种优势植物对5种重金属的TF见表4。对镉的TF大于1的优势植物较多，其中转运能力最强的5种优势植物依次是蟛蜞菊、藿香蓟、艾纳香、鬼针草、豚草，其TF分别为4.94、2.92、2.46、2.46、2.39；对铜的TF大于1的优势植物也不少，其中转运能力最强的5种优势植物依次是广东蛇葡萄、绿叶地锦、土牛膝、黄瓜菜、豚草，其TF分别为1.85、1.66、1.62、1.53、1.46；对镍的TF大于1的优势植物有8种，其中转运能力最强的5种优势植物依次是野生紫苏、土牛膝、绿叶地锦、糯米团、广防风，其TF分别为2.51、1.87、1.78、1.39、1.38；对铅的TF大于1的优势植物只有蟛蜞菊和苎麻，其TF分别为5.39、2.90；对锌的TF大于1的优势植物有11种，其中转运能力最强的5种优势植物依次是蟛蜞菊、苎麻、豚草、野生紫苏、土牛膝，其TF分别为7.84、2.13、2.13、2.00、1.61。其中，蟛蜞菊、苎麻、豚草、野生紫苏、土牛膝、东风草、野艾蒿、黄瓜菜、绿叶地锦等对不止1种重金属的TF大于1，这些植物表现出较强的向地上部转运重金属的能力，都可以根据需要作为广东省重金属污染土壤植物修复的备选物种。

表4 优势植物对重金属的TFTable 4 TF of dominant plants for heavy metals

3 讨 论

由于镉富集植物最多，并且BCF也是评价植物富集能力的一个重要参数[26]，因此进一步以41种优势植物地上部镉质量浓度与超富集植物镉质量浓度临界值之比、BCF、TF为参数进行聚类分析，结果见图1。41种优势植物可以分为5类：蟛蜞菊自成一类；藿香蓟和艾纳香为一类，它们对镉的BCF分别为1.53、1.81，它们对镉的TF分别为2.92、2.46，其中藿香蓟地上部镉质量浓度高达77.02 mg/kg，这类植物对镉有很强的富集和转运能力；鬼针草、豚草也为一类，它们对镉的BCF分别为0.48、0.43，它们对镉的TF分别为2.46、2.39，这类植物对镉的富集能力不强，但向地上部转运的能力较强；野茼蒿也自成一类，具有潜在的镉富集能力；其他植物归为另一类。

图1 聚类分析结果Fig.1 Result of cluster analysis

按照雷梅等[27]对重金属耐性植物的分类，藿香蓟和野茼蒿是镉的富集型植物；矛叶荩草和节节草是5种重金属的囤积型植物，寸金草是镉、锌的根部囤积型植物；葛、漆树是5种重金属的规避型植物。一般而言，富集型植物相比其他两类植物对重金属的耐性更强，可以在矿区复垦时作为先锋植物种植，而在矿区附近的居民生活区应主要种植根部囤积型和规避型植物。

藿香蓟是典型的镉富集植物。张云霞等[28]的研究也显示，镉污染农田中生长的藿香蓟镉质量浓度均值达到21.13 mg/kg，BCF达到6.93，使用藿香蓟修复镉污染土壤，镉的去除率为13.2%～15.6%。

重金属污染土壤的植物修复材料选择，除了考虑较强的富集能力和转运能力以及地上部重金属含量外，能否适应修复地气候环境、生长是否迅速、生物量大小等也是需要考虑的因素[29]。藿香蓟是一种根系发达、性喜温暖湿润环境、对土壤质地要求不严的植物，在海拔低于2 800 m的地区都有分布。广东省属于亚热带季风气候区，夏季高温多雨、冬季温和少雨，热量高，雨量大，且多丘陵地带，海拔为200～800 m，符合藿香蓟的生长需求。在本次调查中，采集到的藿香蓟样品数为6，每株干质量为16.35 g，相比其他镉富集植物，如东南景天(每株鲜质量均值3.0 g)[30]和印度芥菜(每株鲜质量均值8.1 g)[31]等生物量大得多。由此可见，在广东省使用藿香蓟修复富镉污染土壤具有很好的工程应用前景。

4 结 论

在广东省的4个典型富镉铅锌矿区，土壤中镉、铜、镍、铅和锌质量浓度分别为0.10～323.80、23.23～2 449.00、2.04～56.54、61.75～18 230.00、68.17～23 834.00 mg/kg，平均值分别是广东省土壤背景值的1 345、39、2、134、85倍；采集到的41种优势植物中，藿香蓟可以作为镉和锌的富集植物，粗叶悬钩子可以作为铅的富集植物，特别是藿香蓟生物量大，而且适应当地的自然环境条件，对于修复广东省的富镉污染土壤具有较好的工程应用前景。此外，蟛蜞菊、苎麻、豚草、野生紫苏、土牛膝、东风草、野艾蒿、黄瓜菜、绿叶地锦等对不止1种重金属的TF大于1，表现出较强的向地上部转运重金属的能力，都可以根据需要作为广东省重金属污染土壤植物修复的备选物种。