云南省个旧冶炼废水灌区7种植物对重金属富集作用的研究

周金华，余 浪，宗世荣，王奕舒，肖亚楠，施 矞，李云驹

(国家磷资源开发利用工程技术研究中心，云南 昆明 650600)

0 引言

农田重金属污染不仅破坏土壤的正常功能[1]，阻碍作物生长[2]，降低作物产量和品质[3]，还能通过“土壤—植物—人”的途径进入人体。重金属通过进入食物链而影响人体健康，重金属的稳定性和难迁移性使其污染作用具有长期持续性，现已成为当前生态健康关注的热点问题[4]。重金属在土壤中大量积累导致土壤性质恶化，影响土壤的物理特性和营养元素的供应[5]，影响植物对营养元素的吸收和利用，引起养分缺乏[6]，在植物体内富集，可扰乱代谢，使细胞生长发育停止[7]。重金属的积累也会影响微生物群落结构、种群增长特征及遗传特征等降低微生物多样性和土壤酶活性[8]。同时，重金属污染具有隐蔽性，当发现污染时，危害已经达到很严重程度，耕地重金属污染导致农产品的质量安全令人担忧[9]。

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[10,11]，同时大量学者对重金属的植物富集修复展开深入的研究。王振艳[12]研究了河南省新乡市王村镇及周边地区镉污染现状，认为苋菜(AmaranthustricolorL.)、狗尾草(Setariaviridis(L.)Beauv.)和紫薇(LagerstroemiaindicaL.)对研究区域的Cd具有高富集能力，可用于净化土壤。赵雅曼等[13]为筛选出可用于修复土壤重金属污染的植物种类，对位于福建省三明市东部尤溪县的铅锌开采基地的7种草本植物芦苇(PhragmitesaustraliasTrin.)、芒萁[Dicranopterisdichotoma(Thunb.)Berhn.]、笔管草[EquisetumramosissimumDesf. Subsp. debile(Roxb. ex Vauch.)Hauke]、乌蕨[Stenolomachusanum(Linn.)Ching]、乌毛蕨(BlechnumorientaleL.)、藿香蓟(AgeratumconyzoidesL.)和毛蕨[Cyclosorusinterruptus(Willd.)H. Ito])的重金属富集特性进行研究，结果发现，所选7种植物对Cd、Pb、Zn和Cu等重金属具有一定的富集修复能力，不同植物对重金属的富集和转移能力存在一定差异，其中芒萁对Cd、Pb和Cu均具有较强的吸收能力，且对3种重金属的转运系数和富集系数均>1，是一株潜在的多金属富集植物。陆金等[14]对铜陵狮子山矿区尾矿库及周边17种乡土植物重金属含量及富集特性进行了研究，结果发现15种植物对2种以上的重金属转运系数>1，是潜在的富集植物，其中刺槐(RobiniapseudoacaciaL.)、苦卖菜(IxerispolycephalaC.)、野茼蒿(CrassocephalumcrepidioidesS.)、葛根(RadixPuerariae)、苜蓿草(LotuscorniculatusL.)等5种植物对Cd的富集系数和转运系数都>1，白茅(ImperatacylindricaL.)和刺儿草(ActinstemmaLobatum)对重金属Cu、Pb、Zn和Mn的转运系数>1，但富集系数却<1，能够将根部的重金属元素转移至植物的地上部分，从而降低土壤重金属污染。针对重金属的植物修复存在一定的地域性，不同重金属污染区，因气候条件、土壤性质及污染物类型等，其优生植物物种差异较大，本研究主要针对云南省个旧冶炼废水灌区的重金属植物富集特性研究展开。

云南个旧是以生产锡为主并产铅、锌、铜等多种有色金属的冶金工业城市，是中外闻名的“锡都”。乍甸镇距离个旧15km，周围分布有大屯选矿厂、鸡街冶炼厂，农田多以冶炼废水灌溉，致使当地重金属污染严重[15]。本研究在对云南个旧市乍甸镇休闲农田土壤养分及重金属含量、其生长的7种原生植物中不同重金属及其他元素的含量分析测定的基础上，对该地区重金属污染土壤植物修复的可行性、高富集能力植物品种筛选进行探索，通过筛选提出适合该地区重金属修复的原生植物品种，探究强富集植物的富集特性，旨在为当地土壤重金属植物修复提供理论依据和品种来源。

1 实验材料及方法

1.1 研究地区概况

研究地点位于云南省个旧市北郊乍甸镇牛奶小镇1期。乍甸镇东接大屯镇，南连锡城镇，西与建水县接壤，北与倘甸乡毗邻。地理位置东经103°06′～103°12′、北纬23°24′～23°35′，属亚热带季风气候，海拔高度为1250～2522m，年平均降雨量为1100mm，年平均气温15.8℃，最高气温30.3℃，最低气温-4.7℃，全年无霜期320d左右，立体气候明显，分布有坝区、山区和半山区地貌类型。研究地点选择重金属超标休闲地块，面积约为6hm2(103°9′40.81″E～103°9′53.47″E、23°27′26.24″N～23°27′34.95″N)，距省道212公路约370m，距冶金废水排放渠约170m。该地块阳光充足，气候温和，植物资源丰富，能为植物重金属富集提供良好的土壤和气候条件。

1.2 样品采集及处理

2020年1月中旬，在研究地点“之”字形选取5个1m×1m样方，进行样方内植物数量统计，选取样方内株数>5%的7种植物进行植物样品采集，分别为灰藜(ChenopodiumalbumL.)、萝卜(RaphanussativusL.)、苜蓿(MedicagoSativaL.)、续断菊(SonchusasperL.)、燕麦(AvenasativaL.)、救荒野豌豆(ViciasativaL.)和油菜(BrassicanapusL.)的根、茎、叶样品及生长区域的土壤样品。采用多点混合法进行采样，每种植物设置5个样点，分别采用梅花型布点随机取样，每个采样点采集1～2株，并将5个取样点植株样品合成一个混合样，每种植物重复3次取样。根据地块径流方向，在地块上游、中游和下游三个区域采集土壤样品，采集根区0～40cm土壤，每个区域采集1个样品，每个样品重复3次。共采集植物根样、茎样、叶样各7个，共21个，采集土壤样品共9个。植物和土壤样品采集后带回实验室进行分析。

将采回的植物样先用自来水洗净，再用去离子水淋洗2～3遍，吸干表面水分称其鲜重，然后在105℃烘箱中杀青30min，并于65～70℃烘干至恒重，称其干重以测定植物样含水率。烘干后的样品分别用玛瑙磨碎机粉碎，过0.25mm筛后保存备用。土壤样品去除其中的岩石和植物残留等杂物，自然风干14d后用四分法取样，磨碎过0.15mm筛后保存备用。

1.3 测定方法

准确称量过筛后的土壤样品与植物样品0.200g置于100mL消煮管中，先用水润湿样品，然后加浓H2SO45mL，消解至棕黑色时，取下消煮管，稍冷后逐滴加入300g/L H2O210 滴，并不断摇动消煮管，再加热至微沸10～20min，稍冷后再加入H2O25～10滴。如此反复2～3次，至消煮液呈无色或清亮色后，再加热5～10min，以除尽过剩的H2O2。取出冷却，用水定容至100mL，取过滤液作为目标样品进行电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)元素分析测定，消煮时同时做空白试验以校正试剂误差。取10g风干土样，以1∶1液土比加蒸馏水，充分搅拌后静置30min，使用pH计测定上层清液pH值。取0.5g(精确至0.0001g)硫酸消煮，中间不断滴加H2O2，消煮至清亮，凯氏定氮仪测定全氮含量，采用重铬酸钾容量法测定有机质含量。

植物体重金属含量分为叶部含量(leaf content, LC)、茎部含量(stem content, SC)、地下部分含量(root content, RC)、地上部分含量(aboveground content, AC)和全株含量(total plant content, TPC)，其相互间换算关系如下：

叶部含量(LC)=叶部总含量/叶部生物量；

茎部含量(SC)=茎部总含量/茎部生物量；

根部含量(RC)=根部总含量/根部生物量；

地下部分含量(RC)=根部总含量/根部生物量；

地上部分含量(AC)=(叶部属总含量+茎部总含量)/(叶部生物量+茎部生物量)；

全株含量(TPC)=(叶部总含量+茎部总含量+根部总含量)/(叶部生物量+茎部生物量+根部生物量)。

植物重金属累积特征用富集系数(enrichment coefficient，EC)、转移系数(transfer coefficient，TC)和生物转移系数(biological transfer coefficient，BTC)表示：

富集系数(EC)=植物体内重金属含量/土壤中重金属含量；

转移系数(TC)=植物地上部重金属含量/地下部重金属含量；

生物转移系数(BTC)=(植物地上部重金属含量×地上部生物量)/(根部重金属含量×根部生物量)。

采用Excel、SPSS 19.0软件进行统计分析，采用LSD多重比较进行差异性检验。

2 结果与分析

2.1 土壤元素组成特性

该地区土壤为红壤土，土壤基本理化性质见表1。将该地区农田土壤理化性质与全国第二次土壤普查土壤养分分级标准(表2)对应比较可知：pH 值为6.81～7.30，呈中性；全氮为1.48～1.52g/kg，介于第二等级与第三等级之间，养分分级标准属于丰富；全磷为0.96～1.34g/kg，介于第一等级与第二等级之间，养分分级标准属于很丰富；全钾为7.21～8.45g/kg，属于第五等级，养分分级标准属于丰富程度低；有机质含量为61.24～63.51g/kg，超出第一等级，养分分级标准属于极度丰富。通过对比发现，研究区全氮、全磷和有机质含量丰富，而全钾含量偏低，农田土壤肥力水平良好。

表1 试验区域土壤大、中量元素含量 (g/kg)

表2 全国第二次土壤普查土壤养分分级标准 (g/kg)

云南省个旧市因矿产开采及冶炼废水用于农田灌溉，导致以砷、镉、铬、铅等为主的重金属在农田土壤中含量居高不下，其土壤重金属元素含量如表3所示，该地区总砷为93.68～146.75mg/kg(>40mg/kg)、总镉3.29～4.58mg/kg(>1.0mg/kg)超出国家土壤环境卫生标准(GB 15618-1995)，对土壤环境质量风险较高，土壤环境质量标准值如表4所示；总铅53.09～134.74mg/kg(>35mg/kg)，介于土壤环境质量一级卫生标准与二级卫生标准，对农业生产存在一定风险；总铬含量为43.02～82.63mg/kg，低于90mg/kg，低于土壤环境质量一级标准，铬对土壤环境风险较低，土壤铬含量基本上保持自然背景水平。因此，该地的重金属污染主要来源于砷、镉的污染，其重金属含量已超过土壤环境质量标准三级标准，对农业生产及人体健康造成严重影响。该地生长有多种乡土植物，生长状况良好，其对该地区的重金属具有非常强的适应性，同时长期生长在该环境下其对重金属的耐受性和富集能力较强，对重金属元素具有一定的富集能力。

表3 试验区域土壤金属元素及重金属元素含量 (mg/kg)

表4 土壤环境质量标准值 (mg/kg)

2.2 不同植物对砷、镉、铬、铅的富集含量

(1)镉含量

在灰藜、萝卜、苜蓿、续断菊、野豌豆、油菜中，镉在叶部含量最高，分别为2.10、4.73、2.85、4.89、2.92、4.83mg/kg，萝卜、续断菊和油菜叶部的镉含量大于土壤中的含量，其中续断菊中含量最高；而镉在燕麦中根部含量最高，为2.58mg/kg。同时，不同植物对镉富集的含量存在差异，萝卜、续断菊、油菜叶部镉含量较其他植物差异显著。在根部与茎部均为续断菊最高，分别为2.94和2.74mg/kg，显著高于其他植物。

(2)砷含量

在灰藜、萝卜、苜蓿、野豌豆、油菜中，叶部砷含量最高，分别为7.88、9.63、14.44、22.18、12.40mg/kg，其中野豌豆叶部砷含量显著高于其他植物。续断菊、燕麦在根部含量较高，分别为8.23、6.12mg/kg，且续断菊根部砷含量显著高于其他植物。砷在茎部积累的含量低于叶部，砷在野豌豆茎部的含量显著高于其他植物。

(3)铬含量

铬在不同植物体内的积累的含量差异较大，在灰藜、油菜中含量较低。在萝卜叶、苜蓿茎、续断菊根、续断菊叶、燕麦根、野豌豆叶中含量较高，分别为4.97、6.53、10.88、8.72、8.84、11.80mg/kg。续断菊根部铬含量显著高于其他植物，而在茎部与叶部，野豌豆显著高于其他植物。

(4)铅含量

铅在萝卜叶、苜蓿叶、续断菊根、燕麦根、野豌豆茎、野豌豆叶、油菜叶中的含量较大，分别为11.04、8.84、6.91、6.57、14.71、20.19、8.99mg/kg。其中在续断菊、燕麦及野豌豆根部的含量显著高于其他植物，而茎部与叶部均为野豌豆中含量最高，且与其他植物差异达显著水平。

注：不同小写字母代表显著性差异水平(P<0.05)图1 不同植物体中富集的重金属的含量

2.3 不同植物对砷、镉、铬、铅的富集特性

(1)镉含量

镉在植物中的富集特性存在差异，富集系数大小为续断菊>萝卜>救荒野豌豆>油菜>苜蓿>灰藜>燕麦，续断菊对镉的富集系数为0.038，显著高于其他植物；转移系数大小为油菜>苜蓿>萝卜>救荒野豌豆>续断菊>灰藜>燕麦，油菜对镉的转移系数为3.82，显著高于其他植物；生物转移系数油菜>救荒野豌豆>续断菊>灰藜>萝卜>苜蓿>燕麦，油菜、救荒野豌豆对镉的生物转移系数分别为10.87、10.28，显著高于其他植物，两者之间差异不显著。

(2)砷含量

砷在植物中的富集特性存在差异，富集系数大小为救荒野豌豆>苜蓿>油菜>灰藜>续断菊>燕麦>萝卜，救荒野豌豆对砷的富集系数为0.179，显著高于其他植物；转移系数大小为萝卜>救荒野豌豆>苜蓿>油菜>灰藜>燕麦>续断菊，萝卜对砷的转移系数为6.81，显著高于其他植物。生物转移系数大小为救荒野豌豆>灰藜>萝卜>油菜>续断菊>燕麦>苜蓿，救荒野豌豆对砷的生物转移系数为32.09，显著高于其他植物。

(3)铬含量

铬在植物中的富集特性存在差异，富集系数大小为救荒野豌豆>续断菊>苜蓿>燕麦>油菜>萝卜>灰藜，救荒野豌豆对铬的富集系数为0.093，显著高于其他植物；转移系数大小为萝卜>救荒野豌豆>苜蓿>油菜>灰藜>续断菊>燕麦，萝卜对铬的转移系数为3.00，显著高于其他植物；生物转移系数大小为救荒野豌豆>灰藜>萝卜>续断菊>油菜>苜蓿>燕麦，救荒野豌豆对铬的生物转移系数为15.91，显著高于其他植物。

(4)铅含量

铅在植物中的富集特性存在差异，富集系数大小为救荒野豌豆>萝卜>油菜>续断菊>苜蓿>燕麦>灰藜，救荒野豌豆对铅的富集系数为0.178，显著高于其他植物；转移系数大小为救荒野豌豆>苜蓿>萝卜>油菜>灰藜>续断菊>燕麦，救荒野豌豆对铅的转移系数为3.20，显著高于其他植物；生物转移系数大小为救荒野豌豆>灰藜>油菜>续断菊>萝卜>苜蓿>燕麦，救荒野豌豆对铅的生物转移系数为23.92，显著高于其他植物。

3 讨论

污染土壤的重金属主要包括镉(Cd)、铅(Pb)、铬(Cr)和类金属砷(As)等生物毒性显著的元素，可引起植物生理功能紊乱、营养失调[16]，镉、铅、铬等元素在作物籽实中富集系数较高，即使超过食品卫生标准，也不影响作物生长、发育和产量，此外砷能减弱和抑制土壤中硝化、氨化细菌活动，影响氮素供应[17]。在土壤中移动性小，不易随水淋滤，不为微生物降解，通过食物链进入人体后，潜在危害极大[18]。生长在重金属严重污染土壤中的植物对重金属具有一定的耐性，但不同植物对重金属的吸收、转运和富集具有一定差距。

镉在萝卜、续断菊、油菜的叶部大量积累，且续断菊根部和叶部中镉含量亦为最高；砷在灰藜、萝卜、苜蓿、野豌豆、油菜的叶部大量富集，野豌豆的叶部与茎部对砷的富集能力为供试植物中最强，而砷在根部中的富集能力为续断菊最强；铬在续断菊的根部与叶部、燕麦根、野豌豆的叶部大量富集，其中野豌豆叶部铬含量最高，同时续断菊为根部富集含量最大的植物；铅在野豌豆茎部与叶部、萝卜叶部、苜蓿叶部、油菜叶部中大量富集，其中野豌豆对铅的富集能力最强。野豌豆和续断菊对大部分重金属具有强烈的富集和转移能力，其研究结果与王军[19]、叶文玲[20]、陆金[14]、李元[21]等学者的研究结果一致，野豌豆和续断菊可作为土壤重金属污染修复的优选植物品种。

从表5可见，萝卜、苜蓿、续断菊、救荒野豌豆和油菜对Cd的TC>1，表明其对Cd具有很强的转运能力，同时供试植物对Cd的BTC均>1，其中灰藜、续断菊、救荒野豌豆和油菜分别达到了6.97、8.28、10.28、10.87，表明其能够将Cd由地下部分大量转运至地上部分；灰藜、萝卜、苜蓿、救荒野豌豆和油菜对As的TC>1，表明它们对As具有很强的转移能力，其中萝卜的TC值最大，达6.81，且灰藜、萝卜、救荒野豌豆和油菜对As的BTC>5，其中救荒野豌豆的BTC值最大，达32.09，地上部分的As含量为地下部分的32.09倍；萝卜、苜蓿和救荒野豌豆对Cr的TC>1，对Cr具有很强的转移能力，救荒野豌豆对Cr的生物转移系数达15.91，其地上部分的Cr含量是地下部分的15.91倍；灰藜、萝卜、苜蓿、救荒野豌豆和油菜对Pb的TC>1，对Pb具有很强的转运能力，其中救荒野豌豆对Pb的BTC值达23.92，具有将Pb由地下部分大量转运至地上部分的能力。

表5 7种植物对Cd、As、Cr、Pb的富集特性

Punz和Sieghardt等[22]将重金属耐受性植物分为富集型、根部囤积型、规避型和茎叶部转运型4类。富集型植物是指其EC>1，TC>1，BTC>1，且地上部分富集了大量的重金属，可用于植物重金属污染土壤的植物提取修复。根部囤积型是指其EC>1，TC<1，根部富集了大量重金属，但往叶部的重金属转运量较少，可用于重金属污染土壤的植物稳定修复。所选供试植物EC均未>1，不属于富集型和根部囤积型植物，对重金属的富集含量未超过土壤中重金属含量。规避型植物，其EC<1或TC<1，植物体内含有少量重金属。灰藜属于Cd和Cr规避型植物，续断菊属于As、Cr和Pb规避型植物，燕麦属于Cd、As、Cr和Pb规避型植物，油菜属于Cr规避型植物。茎叶部转运型植物是指其EC<1，TC>1，BTC>5，虽富集系数未>1，但地上部分重金属富集含量远高于地下部分，可用于植物重金属污染土壤的植物提取修复。从表5可见，灰藜对As和Pb的TC>1，对As和Pb的BTC分别为14.49和8.4，对As和Pb具有较强的叶部转运能力，所以灰藜属于As、Pb茎叶部转运型植物；萝卜对As的TC>1，对As的BTC为9.00，属于As茎叶部转运型植物；续断菊对Cd的TC>1，对Cd的BTC为8.28，属于Cd茎叶部转运型植物；救荒野豌豆对Cd、As、Cr和Pb的TC>1，对Cd、As、Cr和Pb的BTC分别为10.28、32.09、15.91和23.92，对所研究的4种重金属均有强烈的转运能力，且生物转移系数为供试植物中最高的植物，救荒野豌豆对Cd、As、Cr和Pb属于强茎叶部转运型植物。救荒野豌豆对多种重金属元素均具有强烈的生物转运作用，能够将根部富集的重金属10～32倍的含量转运至地上部分，在植物重金属修复过程中有利于通过植物地上部分的生长和携出达到对重金属的修复作用。

4 结论

试验地块具有良好的气候条件和植物生长所需的营养元素，砷和镉等重金属元素超出土壤环境卫生标准限值，分别达到了146.75、4.58mg/kg。对供试地块上生长数量最多的7种植物进行重金属含量测定，其中萝卜、续断菊、油菜的叶部对镉具有极强的富集作用，其植株体镉含量高于土壤中镉含量，而砷、铬和铅也能在野豌豆、苜蓿、续断菊和油菜的叶部富集，其中在救荒野豌豆的叶部中富集量最大，铬、铅分别达到9.8和18.19mg/kg。对7种植物对不同重金属的富集特性的研究发现，野豌豆对重金属具有一定的富集和转移作用，对Cd、As、Cr及Pb的生物转移系数均为所选植物中最高，分别达到10.28、32.09、15.91和23.92。该地主要重金属污染来源于Cd和As，萝卜、续断菊和油菜可作为Cd的富集转移植物用于重金属植物修复，其转移系数>1；同时救荒野豌豆因其强大的生物转移能力，可将重金属由地下部分转移至地上部分，达到对重金属的修复。因此，针对该污染地块的重金属植物修复，可优先选择野豌豆及续断菊进行综合富集修复。