鉛鋅礦區(qū)土壤重金屬含量及木本植物吸收特征

林曉燕++唐彪++熊云武++裴東輝++龔亞龍++楊勝香++許建新++趙亮

摘要：調(diào)查了湘西李梅鉛鋅礦區(qū)廢棄地植物，分析了礦區(qū)植被物種組成、土壤和優(yōu)勢(shì)植物體內(nèi)重金屬含量，為鉛鋅礦廢棄地植被恢復(fù)和重金屬污染土壤的植物修復(fù)提供理論依據(jù)。結(jié)果表明，李梅鉛鋅礦區(qū)的高等植物共有20種，隸屬12科，19屬，且優(yōu)勢(shì)種全為木本植物，含灌木（或小喬木）、喬木、木質(zhì)藤本植物；土壤重金屬主要是Zn、Pb、Cd污染，且均超過國家土壤環(huán)境質(zhì)量三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（GB 15618-1995），超標(biāo)倍數(shù)分別達(dá)2.74～16.65、1.08～7.08、31.17～118.43倍，污染嚴(yán)重；6種優(yōu)勢(shì)植物除馬桑（Coriaria nepalensis Wall）植物體內(nèi)Zn、Pb、Cd含量較低，為Zn、Pb、Cd的規(guī)避型植物外，木藍(lán)（Indigofera tinctoria L.）、鹽膚木（Rhus chinensis Mill.）、構(gòu)樹[Broussonetia papyrifera（Linnaeus） LHeritier ex Ventenat]、地果（Ficus tikoua Bur.）、兩面針[Zanthoxylum nitidum（Roxb.） DC.]均表現(xiàn)對(duì)Zn、Pb、Cd具有一定的吸收，其中，兩面針對(duì)Cd的吸收富集能力較強(qiáng)，為Cd富集型植物。

關(guān)鍵詞：鉛鋅礦；木本植物；重金屬；湘西

中圖分類號(hào)：X173 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2016）18-4656-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.18.010

近年來，隨著國家對(duì)土壤污染問題的重視，對(duì)金屬礦區(qū)及其周邊地區(qū)重金屬污染的植物修復(fù)研究也越來越多。金屬礦山在其開采過程中產(chǎn)生大量酸性礦水和尾砂礦，造成礦區(qū)及其周邊地區(qū)土壤pH極低、重金屬含量高[1]，限制了植物在尾礦廢棄地及其周邊地區(qū)上定居、生長[2-6]。而研究尾礦廢棄地是尋找適于其生態(tài)修復(fù)植物的有效途徑之一。本研究對(duì)湖南湘西花垣縣李梅鉛鋅礦植被組成進(jìn)行了調(diào)查，對(duì)土壤和主要優(yōu)勢(shì)植物體內(nèi)的重金屬含量進(jìn)行分析，以篩選出耐重金屬的植物，為尾礦庫重金屬污染的生態(tài)修復(fù)提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 調(diào)查區(qū)概況

花垣縣（東經(jīng)109°11′-110°55′，北緯27°44′-29°47′）位于湖南省湘西自治州中部、西部和西北部，分別與貴州省和重慶市接壤。境內(nèi)具有豐富的礦產(chǎn)資源和植物資源，已探明礦產(chǎn)20余種，其中鉛鋅礦礦藏量位居湖南省第一位，而李梅鉛鋅礦是其主礦區(qū)之一，開采歷史已超過20年。原始植被為亞熱帶典型山區(qū)植被，草本植物、灌木、闊葉樹、針葉樹豐富。屬中亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候。

1.2 樣品采集

2015年6月對(duì)花垣縣李梅鉛鋅礦進(jìn)行了植物調(diào)查和采樣，記錄礦區(qū)所有自然生長的植物，植物的豐富度按目測(cè)估計(jì)[7]，分為三級(jí)，分別為優(yōu)勢(shì)種、常見種和偶見種。同時(shí)采集主要優(yōu)勢(shì)植物的地上部分和根部及其所在區(qū)域的土壤。每種植物采集3～5株組成混合樣，同步采集3個(gè)平行樣。土壤樣品采集每種植物所在區(qū)域0～30 cm的表土，將3～5個(gè)采樣點(diǎn)土樣組成一個(gè)混合樣，同步采集3個(gè)平行樣。所有樣品采集后立即裝入塑料密封袋，作好標(biāo)記，帶回實(shí)驗(yàn)室。

1.3 分析測(cè)定

將采集的土壤樣品室內(nèi)自然風(fēng)干，除去土壤中的石塊、植物根系和凋落物等，并研磨過100目尼龍篩，包裝登記后保存?zhèn)溆?。土壤的Cu、Zn、Pb、Cd全量均采用HCl-HNO3-HF-HClO4消煮-原子吸收光譜法測(cè)定（GB/T 17138-1997）。

將運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室的植物樣品用自來水和去離子水洗凈，吸水紙吸干表面水。將樣品置于烘箱內(nèi)105 ℃殺青30 min，然后65 ℃、48 h烘干。干樣用萬能粉碎機(jī)磨細(xì)，過0.25 mm的尼龍篩，備測(cè)重金屬含量。植物重金屬采用HNO3-HClO4聯(lián)合消煮（GB/T 5009.11-15-2003），且用原子吸收光譜法測(cè)定Cu、Zn、Pb、Cd濃度。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Excel 2007處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 礦區(qū)植被物種組成及特征

在李梅鉛鋅礦區(qū)共記錄高等植物20種，隸屬12科19屬（表1）。從礦區(qū)物種組成來看，該礦區(qū)以菊科植物為主，共有5種，占總種數(shù)的25%，其次為豆科、禾本科、薔薇科、?？疲饔?種，分別占總種數(shù)的10%。從植物生活型來看，該礦區(qū)的植物生活型有草本植物、灌木（或小喬木）、喬木、藤本植物4種，且主要以草本植物和灌木（或小喬木）為主，分別有9種和7種，占該礦區(qū)植物種類的45%和35%。通過對(duì)植物豐富度進(jìn)行調(diào)查，該礦區(qū)優(yōu)勢(shì)種全為木本植物，共有6種，分別為木藍(lán)、馬桑、鹽膚木、構(gòu)樹、地果、兩面針。

2.2 土壤重金屬污染特征

對(duì)李梅鉛鋅礦區(qū)土壤重金屬（Cu、Zn、Pb、Cd）含量的測(cè)定結(jié)果見表2。由表2可知，所測(cè)定的4種重金屬元素中，主要是Zn、Pb、Cd污染，含量分別為1 660～8 324、537.5～3 540.0、33.68～118.40 mg/kg，含量變化范圍較大，與國家土壤環(huán)境質(zhì)量三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（為保障農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)和植物正常生長的土壤臨界值）相比，超標(biāo)倍數(shù)分別達(dá)3.32～16.65、1.08～7.08、33.68～118.40倍，Cd嚴(yán)重超標(biāo)，污染嚴(yán)重。

2.3 優(yōu)勢(shì)植物體內(nèi)重金屬含量分布特征

對(duì)李梅鉛鋅礦區(qū)主要優(yōu)勢(shì)植物地上部和根部重金屬含量的測(cè)定結(jié)果見表3。由表3可知，該礦區(qū)優(yōu)勢(shì)植物體內(nèi)重金屬含量較高的是Zn、Pb、Cd，地上部Zn、Pb、Cd的含量范圍分別為71.89～422.39、28.25～185.81、1.13～11.52 mg/kg，根部Zn、Pb、Cd的含量范圍分別為161.31～474.38、41.78～270.03、1.45～11.13 mg/kg，變化范圍較大，而Cu則含量較低，地上部、根部Cu含量分別為5.89～15.00、6.81～60.99 mg/kg，且不同植物間的含量范圍變化也較大，這與土壤中的重金屬含量特征基本一致，反映了植物重金屬的生物蓄積特征與土壤重金屬的相關(guān)性。

2.4 優(yōu)勢(shì)植物的生物富集系數(shù)與轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)

一般來說，當(dāng)土壤中含Cu、Zn、Pb、Cd全量分別為150～400、70～400、100～400、3～8 mg/kg時(shí)，即認(rèn)為對(duì)植物產(chǎn)生毒性。李梅鉛鋅礦中6種優(yōu)勢(shì)植物根際土壤Zn、Pb、Cd含量均遠(yuǎn)超過該毒性閾值，屬急性致死濃度，說明該礦區(qū)所調(diào)查的優(yōu)勢(shì)植物對(duì)Zn、Pb、Cd均具有較強(qiáng)的耐性。而不同的耐性機(jī)制使植物對(duì)重金屬的吸收、轉(zhuǎn)移和累積特征表現(xiàn)出較大的差異性。通過計(jì)算礦區(qū)優(yōu)勢(shì)植物的生物富集系數(shù)（Bioconcentration factor，BCF）和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)（Transfer factor，TF）可知（表4），該礦區(qū)優(yōu)勢(shì)植物對(duì)重金屬的吸收機(jī)制大致可分富集型（Accumulators）和規(guī)避型（Excluders）2類。富集型植物指能夠主動(dòng)吸收并富集土壤中的金屬元素，同時(shí)將大量重金屬轉(zhuǎn)移到地上部；規(guī)避型植物則跟前者完全不同，不但不吸收土壤中的重金屬，而且能抑制植物根系對(duì)重金屬的吸收，植物體內(nèi)重金屬含量較低[8]。李梅鉛鋅礦6種優(yōu)勢(shì)植物，除馬桑相對(duì)于其他植物對(duì)土壤重金屬的吸收能力低，植物體內(nèi)Zn、Pb、Cd含量較低，為Zn、Pb、Cd的規(guī)避型植物外，其他5種植物均對(duì)Zn、Pb、Cd具有一定的吸收，其中，兩面針對(duì)Cd的吸收富集能力較強(qiáng)，為Cd富集型植物，在礦區(qū)植物修復(fù)時(shí)可以利用其富集重金屬的能力，提取土壤中的重金屬，以達(dá)到修復(fù)目的。

此外，有文獻(xiàn)表明，木藍(lán)具有耐貧瘠、耐干旱，而且根系發(fā)達(dá)，同時(shí)具有根瘤[9]。本研究木藍(lán)雖耐重金屬的性能比其他植物差，但能在污染嚴(yán)重的鉛鋅礦區(qū)生長，證明其不僅能用于一般的邊坡修復(fù)，具有水土保持、綠化荒山、改良土壤的作用，同時(shí)，也能用于重金屬污染礦區(qū)植物修復(fù)。另有研究表明[10]，馬桑屬植物根際土可以與弗蘭克氏菌共生，可固定空氣中的氮，提高土壤氮含量，而且，馬桑果可提取乙醇，同時(shí)，由于馬桑對(duì)Zn、Pb、Cd具有規(guī)避性，植物體內(nèi)吸收的Zn、Pb、Cd含量較低，因此，鉛鋅礦區(qū)修復(fù)時(shí)可優(yōu)先選擇馬桑植物，既可改良土壤，又可獲得經(jīng)濟(jì)價(jià)值，同時(shí)實(shí)現(xiàn)環(huán)境效益與經(jīng)濟(jì)效益。而構(gòu)樹對(duì)Zn、Pb、Cd的富集能力較其他植物低，但由于生長迅速，生物量大，為速生木本植物，其從土壤中提取重金屬的量也較為可觀，且其用途廣泛，既可作為宣紙、人造棉、鈔票用紙的原材料，同時(shí)，其葉、樹皮、木材均含鞣質(zhì)，還可提制栲膠，種子油可制潤滑油、油漆等[11]，因此，可將其作為礦區(qū)修復(fù)的經(jīng)濟(jì)林。地果適應(yīng)性較強(qiáng)，生長速度快，對(duì)重金屬具有一定的耐性，因此，在礦區(qū)修復(fù)時(shí)可將其作為植被恢復(fù)的先鋒地被植物，同時(shí)，也可利用其攀援性，可附著于假山、崖壁、樹木等，具有莖纏葉翹、紅果點(diǎn)綴的特點(diǎn)，可將其用于礦山公園建設(shè)，實(shí)現(xiàn)景觀效果。

3 小結(jié)

1）通過對(duì)李梅鉛鋅礦區(qū)植被調(diào)查，共記錄高等植物20種，隸屬12科，19屬，且優(yōu)勢(shì)種全為木本植物，含灌木（或小喬木）、喬木、木質(zhì)藤本植物。

2）土壤重金屬主要是Zn、Pb、Cd污染，且均超過國家土壤環(huán)境質(zhì)量三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，超標(biāo)倍數(shù)分別達(dá)2.74～16.65、1.08～7.08、31.17～118.43倍，Cd嚴(yán)重超標(biāo)，污染嚴(yán)重。

3）6種優(yōu)勢(shì)植物，除馬桑相對(duì)于其他植物對(duì)土壤重金屬的吸收能力低，植物體內(nèi)Zn、Pb、Cd含量較低，為Zn、Pb、Cd的規(guī)避型植物外，其他5種植物均表現(xiàn)對(duì)Zn、Pb、Cd具有一定的吸收，其中，兩面針對(duì)Cd的吸收富集能力較強(qiáng)，為Cd富集型植物。

4）在礦區(qū)利用優(yōu)勢(shì)植物進(jìn)行修復(fù)時(shí)，可以綜合考慮植物的耐重金屬性能及經(jīng)濟(jì)、景觀、環(huán)境價(jià)值，選擇不同的木本植物作為先鋒木本植物進(jìn)行修復(fù)。

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