贵州省汞矿区蜈蚣草及其根际土壤中重金属的分布特征研究*

2024-01-02周红韵徐晓航杨晨东仇广乐钱晓莉

环境污染与防治 2023年12期

王琳周红韵徐晓航蒲帅杨晨东仇广乐钱晓莉#

(1.贵州大学资源与环境工程学院,贵州贵阳 550025;2.贵州大学喀斯特地质资源与环境教育部重点实验室,贵州贵阳 550025;3.贵州理工学院建筑与城市规划学院,贵州贵阳 550003;4.中国科学院地球化学研究所,贵州贵阳 550081)

植物修复技术因绿色、经济和环保等特性而倍受关注。蜈蚣草(PterisvittataL.)作为As的超富集植物,已有大量研究揭示了As在蜈蚣草中的富集、转移和分布特征[1-2],同时也有研究发现蜈蚣草对Hg、Zn、Cd、Pb等重金属具有一定的富集能力[3-5]。我国汞资源十分丰富,贵州省大规模汞矿山开发活动长达630年,在汞资源的开采过程中除了产生汞污染之外,还存在许多伴生重金属的释放,例如Pb、Sb等[6]。有研究表明,土壤重金属污染往往都有两种或两种以上重金属共存[7]。因此了解汞矿区土壤Cd、Pb、As、Sb等重金属的分布特征,对于废弃汞矿区的生态治理十分重要。本研究以贵州省典型汞矿区为研究对象,通过野外调查,采集贵州省万山汞矿(记为WS)、铜仁汞矿(记为TR)、松桃汞矿(记为ST)、务川汞矿(记为WC)、开阳汞矿(记为KY)自然生长的蜈蚣草以及根际土壤样品,分析Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Sb、Pb含量,旨在研究汞矿区蜈蚣草及其根际土壤中重金属的分布特征,对汞矿区复合重金属污染土壤的修复提供数据支撑和科学依据。

1 方法

1.1 样品采集

在5个汞矿区分别采集蜈蚣草样品。将植物连同土壤一起挖出,利用自来水和超纯水洗净植物后,用陶瓷刀将植株分为根部和地上部分,然后将样品冷冻干燥后粉碎过80目筛,密封保存备用。采集植物样品时同步采集对应植物根际土壤,根际土壤样品为根际混合样和非根际混合样混合得到的土样,根际混合样为距植物0～50 cm水平范围内,0～30 cm厚度土层中根表面的土壤混合样,非根际混合样为距植物10～50 cm水平范围内,0～30 cm厚度的土壤混合样。土壤样品风干后研磨过200目筛,密封保存备用。共采集植物样本数和土壤样本数各51个,WS、TR、ST、WC、KY分别为13、11、5、14、8个。

1.2 分析方法

有机质的测定参考文献[8],采用DDS-11A型电导率仪测定电导率(EC),用ZD-2精密自动电位滴定仪测定氧化还原电位(Eh)。Ni、Sb的测定参考文献[9],Cr、Cu、Zn、Pb、Cd的测定参考文献[3],As的测定参考文献[10]。

1.3 富集系数

富集系数可确定植物是否富集重金属以及富集重金属能力的大小。一般而言富集系数越大,植物从土壤吸收重金属到其体内的能力越强[11],计算公式如下:

B地上部分=C地上部分/C土壤

(1)

B根部=C根部/C土壤

(2)

式中:B地上部分、B根部分别为植物地上部分的富集系数、植物根部的富集系数;C地上部分、C根部和C土壤分别为植物地上部分、植物根部和土壤中重金属质量浓度,mg/kg。

1.4 地累积指数法

地累积指数计算公式[12]为:

Igeo=log2[C土壤/(k×B)]

(3)

式中:Igeo为地累积指数;B为土壤中重金属的地球化学背景值(本研究按贵州省背景值[13-15]计算),mg/kg;k为考虑岩石差异可能引起背景值变动的系数(一般取值为1.5)。

地累积指数分级见表1。

表1 地累积指数分级Table 1 Geo-accumulation index classification

2 结果与讨论

2.1 根际土壤中重金属

汞矿区根际土壤不同重金属质量浓度见表2。由表2可知,Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Sb和Pb的质量浓度均值为9.38～204.03 mg/kg。其中,Zn的质量浓度均值最高,为204.03 mg/kg,其次是Pb,均值为167.45 mg/kg。

表2 根际土壤重金属质量浓度Table 2 Heavy mental concentrations in rhizosphere soil mg/kg

不同汞矿区根际土壤的重金属质量浓度(均值)及其地累积指数分别如表3、表4所示。5个汞矿区中,WS根际土壤中的Cd、Sb和Pb污染程度较高,其地累积指数分别达到6.62、4.58、3.15;TR根际土壤中Cd和Sb污染程度较高,其地累积指数分别达到4.56和3.29;ST根际土壤中Cd污染程度较高,其地累积指数高达5.29;WC根际土壤中Sb和Cd的污染程度较高,其地累积指数分别达到4.80和3.05;KY根际土壤中的Sb、Cd、As污染程度较高,其地累积指数分别为4.14、2.34、2.13。分析结果表明,贵州省典型汞矿区根际土壤存在一定程度的Cd和Sb污染,部分矿区的根际土壤还存在一定程度的Pb和As污染。

表3 不同汞矿区根际土壤的重金属质量浓度Table 3 The heavy metal concentrations of rhizosphere soil in different mercury mining areas mg/kg

表4 不同汞矿区根际土壤的重金属地累积指数Table 4 The geo-accumulation index of heavy metals of rhizosphere soil in different mercury mining areas

汞矿区Cd、Pb、Sb和As主要是汞矿开采、冶炼等过程伴生产生的。其中Pb、Sb、As的地球化学性质与Hg相似[16],在汞矿成矿过程中与Hg共消共长,密切伴生;Cd、As还可能来源于废弃汞矿区的农业活动,有研究表明农业肥料和畜禽粪便中都含有较高浓度的Cd和As[17-18];另外As的超标还可能与汞矿区土法炼汞燃煤有关,燃煤过程中产生的含As粉尘随着燃煤烟气排放到大气,并沉降积累到土壤中,造成As超标。

2.2 蜈蚣草中重金属

汞矿区蜈蚣草中各重金属质量浓度(5个汞矿区的均值)见图1。蜈蚣草对As的总富集量(254.52 mg/kg)最大,其次是Zn(39.87 mg/kg)、Pb(25.22 mg/kg)。8种重金属中,Zn、Cd和Pb主要富集在蜈蚣草的地上部分。Cr、Ni、Cu、As和Sb主要富集在蜈蚣草的根部。

图1 蜈蚣草中重金属质量浓度Fig.1 Heavy metal concentrations in Pteris vittata L.

不同汞矿区蜈蚣草地上部分、根部对重金属的富集系数分别如表5、表6所示。蜈蚣草地上部分和根部对As的富集能力最强,5个汞矿区中有4个汞矿区的蜈蚣草对As的富集系数都大于1。

表5 蜈蚣草地上部分对重金属的富集系数Table 5 The bioconcentration factors of heavy metals in up-ground part of Pteris vittata L.

表6 蜈蚣草根部对重金属的富集系数Table 6 The bioconcentration factors of heavy metals in down-ground part of Pteris vittata L.

从整体来看,蜈蚣草地上部分对Zn和As的富集能力略大于其根部,即蜈蚣草能将富集到的大部分Zn、As迁移到地上部分,可以有效回收这些重金属,与文献[1]、[19]的研究结果相似。综合判断,蜈蚣草对汞矿区As、Zn污染土壤修复有一定作用,这对重金属复合污染土壤的修复具有一定的参考价值。

相关性分析显示,蜈蚣草地上部分Zn、Cd、Pb含量和根部As、Cd、Pb含量都与根际土壤EC存在显著(P<0.05)或极显著(P<0.01)正相关关系,EC对土壤中重金属有效态的影响比较复杂,本研究结果显示土壤EC的升高可以促进蜈蚣草地上部分或根部对这些重金属的富集。蜈蚣草地上部分Cu和根部Sb、Pb含量都与根际土壤有机质存在显著(P<0.05)正相关关系,有研究发现有机质对重金属有效态含量有较大正向作用[20],与本研究结果相同。蜈蚣草根部Cr含量与根际土壤Eh存在显著(P<0.05)正相关关系,可能是因为土壤的氧化还原条件对土壤中Cr(Ⅴ)迁移能力的影响较大[21]。蜈蚣草植株中的重金属含量受根际土壤的理化性质共同影响,且蜈蚣草对不同重金属吸收和迁移机制有所不同。