遵义松林镍锰尾矿区植被重金属富集效应研究

李志利 程俊伟 黄明琴 王庆鹤

(遵义师范学院，贵州 遵义 563006)

矿产资源的开发利用促进了工业的迅速发展，为经济稳定增长提供了重要的物质基础。但是矿产资源带来巨大经济效益的同时，其开采利用过程中也产生了一系列的环境问题，如植被毁坏、矿山地貌退化、地质灾害加剧和重金属污染等。其中，因重金属在环境中的累积性和迁移毒性，不仅对动植物及微生物产生毒害作用，而且易通过食物链网进入人体，具有较大的污染风险。

近年来，超累积植物治理在矿山土壤重金属修复中受到学者们的广泛关注。其利用植物对土壤重金属的吸收累积能力，来减少重金属的环境污染，具有成本低、环境扰动小、二次污染小、修复效果持久等优点[1]。目前，国内外对于金属尾矿区中Ni、Pb、Zn、Mn的超累积植物的筛选已取得了一定进展。如徐玉霞等[2]通过对关中西部某铅锌冶炼区周边进行调查研究，发现蒲公英(TaraxacummongolicumHand.-Mazz.)对Pb、Zn有较强富集系数和转移能力，可作为铅锌矿区首选的先锋植物；熊云武等[3]对湘西锰矿区废弃地植被物种组成进行调查，发现愉悦蓼(PolygonumjucundumMeisn.)可作为Mn富集型植物；张晓薇等[4]通过对辽阳弓长岭铁矿区自然生长的植物群落进行调查，发现旱柳(SalixmatsudanaKoidz.)具有修复Zn污染土壤的潜能；朱园芳等[5]研究了青葙(CelosiaargenteaLinn.)对土壤锰污染的耐受和富集差异，发现青葙对锰具有强耐受性。吴迪等[6]研究了某铅锌矿区长势较好的27种植物，发现大吴风草(Farfugiumjaponicum(Linn.f.)Kitam.)、米蒿(Artemisiadalai-lamaeKrasch.)对Ni有一定的富集能力,此2种植物可作为土壤中重金属Ni污染的修复植物。

贵州遵义松林镇自然资源丰富，是典型农业区和草木植被生长区域，碳酸盐岩溶地貌特征显著，富有锰、煤炭、铁、锌、铅、镍、镁等矿种资源。由于大量开采矿石，形成了许多小尾矿区，造成了严重的污染问题，破坏了生态环境。现有关于遵义松林矿区的研究多集中于污染风险评价和地质破坏领域[7-9]，对于本土优势生长植物的调查极少，矿区内植物对重金属的耐性和富集效应机制尚不明确。本文选取遵义松林Ni-Mn多金属尾矿区为研究区域，对尾矿区内土壤和多种优势植物进行采样测定分析，研究了尾矿区土壤、植物体内各部位之间重金属含量差异、富集和迁移转化特征以及根系重金属滞留效应，以期寻求经济实用的本土复垦植物，为该类矿区生态修复提供理论和数据支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于贵州遵义松林镇西北部，距遵义市区约25 km，东经106.5874°、北纬27.7802°，该区域气候类型为中亚热带季风湿润气候，年平均降雨量为1043.4 mm，平均气温14.6℃[10]。区域内矿源以Ni、Mn、Pb、Zn为主，渣堆大多都以灰色和灰褐色细粒堆放尾矿库内。本次调查的采样点均已停止开采7～8年，草本植物在矿区分布区域广、数量多，优势物种突出。

1.2 样品采集

在尾矿区内筛选出长势较好且数量多的7种优势植物，将植物进行地上和地下部分整株挖取；同时，采集0～20 cm深度的尾矿区土壤样品，混合土样，用四分法取1～2 kg样品，记录好土壤编号和植物名称(如表1所示)。

表1 研究区优势植物种类

1.3 样品处理与测定

植物样品分为根、茎、叶三部分，分别用去离子水清洗多遍，杀青30 min。自然阴干后，置于烘箱中105℃烘至恒重，分别倒入玛瑙研钵将其磨碎、混匀、过100目筛，分装于样品瓶内，做好相应记录。称取样品0.25 g，加入5 mL浓HNO3以及3 mL H2O2,浸泡1 h后,将上述样品放入微波消解仪中,分别设置运行时间、压力等参数后进行微波消解,消解完成后，将冷却后的消解液转移至50 mL容量瓶中，并用1%HNO3定容，采用原子吸收分光光度法(岛津AA-6880)对样品中Ni、Mn、Zn、Pb的含量进行测定。

1.4 数据处理

根系对重金属的滞留率：根部重金属含量与地上部重金属含量之差与根部重金属含量的比值，它的大小体现植物对重金属耐性能力高低，植物根部对重金属的滞留效应是一种生存策略[11]。

富集系数(BCF)=植物金属含量(mg·kg-1)/土壤重金属含量(mg·kg-1)[12]

转运系数(BTF)=植物地上部金属含量(mg·kg-1)/植物地下部含量(mg·kg-1)[13]

地累积指数(Geoaccumulation index，Igeo)是用以定量描述土壤、沉积物中重金属污染程度的指标[14]。

Igeo=log2(Ci/1.5Bi)

式中，Ci为土壤中重金属含量(mg·kg-1)，Bi是重金属元素的贵州省土壤地球化学背景值(mg·kg-1)[15]。重金属地累积指数污染分级与污染程度标准见表2。

表2 地累积指数法分级标准

2 结果与讨论

2.1 土壤重金属含量与污染状况

根据地累积指数公式，结合贵州省土壤背景值及测定含量，计算出矿区土壤样品Ni、Mn、Pb、Zn地累积指数及相应的污染等级，如表3所示。由表可知，研究区土壤中Ni含量超出贵州土壤背景值3.02倍，地累积指数达2.01，属中度污染水平，迁移污染特征较为显著。土壤中Zn含量超标1.79倍，地累积指数为1.19，属偏中污染，此区域虽已停止开采作业，但存在渣堆滑坡、垮塌和人工复垦现象，点源扩散及干扰突出。Mn、Pb平均含量分别为314.19 mg·kg-1和21.46 mg·kg-1，均低于贵州省土壤背景值，且地累积指数均小于1，表明该尾矿区内Mn、Pb暂未形成累积污染趋势，表层土污染风险较低。

表3 尾矿区土壤Ni、Mn、Zn、Pb的地累积指数及污染等级

2.2 优势植物不同部位重金属含量分析

锌、锰属于植物正常生长所必需的微量元素，而铅属于非必要元素，当植物体内富集过多镍、锰、铅、锌重金属时，会导致植物某些营养元素吸收降低，影响植物正常发育，测定研究区内各优势植物各部位重金属Ni、Mn、Zn、Pb含量如图1所示。由图可知，7种优势植物中Ni、Mn、Pb、Zn在植物体内的含量分别为15.88～68.95 mg·kg-1、68.73～865.7 mg·kg-1、15.26～65.38 mg·kg-1、64.75～143.29 mg·kg-1。与一般植物体内重金属含量相比[16]，7种优势植物中Ni含量均远超植物正常含量值(1.00～5.00 mg·kg-1)，其中，小蓬草体内含量最高达68.95 mg·kg-1，含量趋势表现为根>叶>茎，富集特征明显；酸模叶蓼和商陆中Mn含量分别为865.7 mg·kg-1、446.66 mg·kg-1，超出正常植物含量值(20～400 mg·kg-1)，且表现为叶>茎>根，符合超富集植物的一般特征。李俊凯等[17]研究了南京铅锌矿区内商陆对Mn的富集特征，地上部和根部的富集量分别为173.77 mg·kg-1和42.09 mg·kg-1，富集趋势与本研究较为一致；毛蕨体内Pb含量高达65.37 mg·kg-1，超出一般植物Pb含量值(0.1～41.7 mg·kg-1)，且长势良好，说明其在Pb轻度污染环境兼具耐性和富集性特征；研究区7种优势植物中Zn含量均处于一般植物正常范围(1～160 mg·kg-1)内，说明该区域优势植被对Zn污染土壤环境已产生较强适应能力。

Zn Mn

2.3 优势植物对重金属富集和转运特征

富集系数和转运系数可以反映植被对重金属的吸收、转移和累积特征，研究区优势植物生物富集系数和转运系数如表4所示。由表可知，7种植物对重金属的BCF整体趋势表现为Pb>Mn>Zn>Ni。其中，酸模叶蓼、商陆对Mn的BCF分别为2.76、1.42；除商陆外，其余六种优势植物对Pb的BCF均大于1，毛蕨最高达3.05，此类优势植物BCF值均大于1，说明对相应的重金属有较强的富集能力，具备富集植物筛选特征[18]。黄小娟等[19]对重庆溶溪锰矿区优势植被进行耐性分析也表明商陆、酸模叶蓼和毛蕨分属对Mn、Pb的富集型植物；毛蕨对Ni的BCF为0.56，芒草、小蓬草对Mn的BCF为0.5～0.72，商陆对Pb的BCF为0.71，蛇葡萄、酸模叶蓼对Zn的BCF为0.54～0.81，此类优势植物BCF值均大于0.5，表明其对相应重金属具备一定蓄积能力，可作为相应重金属污染土壤的稳定化植物；对于BCF小于0.5的优势植物，如芒草、蛇葡萄对Ni的BCF仅为0.13和0.22，这类优势植物表现出极弱的富集能力，属于典型的规避型植物[20]。

表4 研究区不同植物Ni、Mn、Pb、Zn的转运系数(BTF)和富集系数(BCF)

7种优势植物对重金属的BTF整体趋势表现为Mn>Zn>Pb>Ni。蛇葡萄、姬蕨、商陆对Ni有很强转移能力，其BTF分别为3.25、1.07、3.76，肖乃川等[20]研究了某金属矿区内蛇葡萄对Ni的转运系数达1.15，受土壤较低本底值影响虽未达到本研究区富集等级，但已属高转运系数植被；7种优势植物对Mn均有较强耐性，BTF最高达16.5，整体趋势为酸模叶蓼>商陆>蛇葡萄>姬蕨>毛蕨>小蓬草；商陆和毛蕨对Pb有较强转移能力，其BTF均大于1，有由根部向地上转运的趋势和能力，说明该类植被在生长过程中可以利用自身生理机制，将重金属运送到液泡、叶脉、木质部等部位贮存起来，减少重金属毒性并保障植物正常生长，可作为耐性植物进行联合种植[21]。

2.4 优势植物根部滞留效应的胁迫反应分析

生活于重金属污染区的植物，其根部对重金属离子有较强的富集能力，能将有害离子积累于根部，阻止根际土壤重金属对植物的毒害，面对重金属毒性胁迫的反应时，植物根部累积的重金属转移到地上部分，在根部留有足够的空间以应对土壤中高浓度的重金属[22]。根系滞留率越小，说明根系重金属向地上部分转移的能力越强，植物耐重金属能力越强。研究区优势植物根系滞留率见表5，小蓬草对重金属Ni、Mn、Pb、Zn均有较弱滞留效应，滞留率分别为0.63、0.07、0.67、0.1；姬蕨对Pb，酸模叶蓼、芒草、毛蕨对Ni有极弱滞留效应；蛇葡萄、商陆对四类重金属滞留率均低于0，说明研究区优势植物对相应重金属已产生极强的耐性机制，适应能力显著。

表5 研究区不同植物根系重金属滞留率

3 结论

(1)研究区环境土壤中Ni和Zn含量均超过背景值，超标倍数分别为3.02、1.79，地累积指数为2.01和1.19，分属中度污染和偏中污染；Mn、Pb暂未形成累积污染。

(2)7种优势植物体内Ni含量均超出一般植物含量值，富集趋势表现为根>叶>茎，以小蓬草最优显著；酸模叶蓼和商陆中Mn含量累积突出，富集趋势表现为叶>茎>根；毛蕨对Pb兼具富集性与耐性特征。

(3)酸模叶蓼和商陆对Mn的BCF和BTF值均大于1，毛蕨、蛇葡萄和芒草对Pb的BCF和BTF值均大于1，具备富集植物筛选特征；蛇葡萄和商陆对Ni的BTF分别为3.25、3.76，对Zn的BTF值分别为4.37和3.67，均大于1，表现出较强的根部向上迁移趋势，且根部滞留效应均小于0，有效减少重金属毒性并保障植物正常生长，可用于污染土壤稳定化联种。