朱光旭，肖化云，郭庆军，张忠义，

1. 中国科学院地球化学研究所//环境地球化学国家重点实验室，贵州 贵阳 550081；

2. 中国科学院地理科学与资源研究所环境修复中心，北京 110011；3. 中国科学院大学，北京 100049

锌冶炼渣堆场优势植物的重金属累积特征研究

朱光旭1，肖化云1，郭庆军2，张忠义1，3

1. 中国科学院地球化学研究所//环境地球化学国家重点实验室，贵州 贵阳 550081；

2. 中国科学院地理科学与资源研究所环境修复中心，北京 110011；3. 中国科学院大学，北京 100049

金属冶炼废渣未经处理露天堆存，经降雨和地表水的冲刷及风扬扩散，重金属会进入周围土壤和地下水，严重威胁周边自然生态环境和人体健康。以黔西北某锌冶炼厂的废渣堆场为研究对象，通过实地调查分析废渣堆场土壤和18种优势植物的重金属含量，研究优势植物对重金属的吸收、转运和富集特征，筛选出适应该地区生态修复的先锋植物。结果表明，该场地土壤Cd、Pb、Zn、Cu、Cr和Ni存在不同程度超标，以Cd、Pb、Zn污染最为严重，三者平均含量分别是贵州省土壤背景值的48、311、141倍。废渣场土壤受有效态Cd污染的风险较大，其生物有效性系数为49.12%。调查的优势植物均能适应废渣堆重金属元素较高的环境，对重金属具有一定的耐性。所有植物对重金属的吸收虽然都没有达到超临界植物规定的临界值，但植物体的重金属含量都远远超过了正常范围，且不同植物对重金属的吸收和蓄积特征不同。其中，鬼针草Bidens pilosa L.和土荆芥Chenopodium ambrosioides L.对Cd、Pb、Zn的吸收量大、运输能力强，且覆盖率高、生物量较大，对复合重金属具有一定的耐性，可以作为该地区生态恢复中的先锋物种。根据优势植物对重金属的富集和转运特征，研究区优势植物可分别富集型（如马刺蓟Cirsium monocephalum、蒲公英Taraxacum mongolicum Hand.-Mazz.和土荆芥Chenopodium ambrosioides L.）、根部囤积型（如牛筋草Eleusine indica （L.） Gaertn.、车前草Plantago asiatica L.和节节草Equisetum ramosissimum Desf）和规避型（如红花酢浆草Oxalis articulata Savigny）等3种类型。

优势植物；冶炼渣场；重金属污染；植物修复；黔西北

ZHU Guangxu， XIAO Huayun， GUO Qingjun， ZHANG Zhongyi. Accumulation of heavy metals by dominant plants in zinc smelting slag field ［J］. Ecology and Environmental Sciences， 2016， 25（8）: 1395-1400.

矿产资源的开发和利用，在为我国经济建设做出巨大贡献的同时，由于生产和治理工艺的落后，金属矿开采及冶炼生产中留下大量的尾矿和废渣等矿业废弃物带来的环境污染和生态破坏日益严峻，并且影响到人类的健康和生存，其中尤为突出的是重金属元素对环境的污染（Li et al.，2005）。大量的矿业废弃物未经处置，不仅占用土地资源，而且废弃物中含有的重金属会通过大气、水体等途径广泛扩散，污染周边水源和农田，导致作物质量下降，农产品减产或失收（邓新辉等，2015）。重金属还会通过食物链在生物体内蓄积，或以粉尘为载体通过呼吸和体表吸附危及人体健康（仇荣亮等，2009；Sun et al.，2014）。

近年来，随着重金属污染土地植被重建和植物修复研究的兴起，植物修复技术作为安全可靠、成本低、效果好的生态修复方法越来越受到重视（Melo et al.，2009；Ali et al.，2013；韩煜等，2016）。而金属矿区废弃地和冶炼废渣堆场土壤往往具有土壤结构不良，保水保肥能力差，有机质含量及植物必需的氮磷钾等养分元素严重缺乏，土壤pH值偏极端等特点，再加上重金属具有很高的植物毒性，植被往往严重退化，生态恢复十分困难（Shu et al.，2005）。但自然界植物种类繁多，各有不同的适应性，在重金属异常区的自然植被中，经过长期自然选择的作用，某些特殊的金属型植物能够适应这种特殊的环境条件，对本地逆境条件具有很强的耐性、适应性，甚或偏好性（周启星等，2004；毕德等，2006）。这些植物在重金属污染土地的植被重建和植物修复中起到决定性的作用，其前提是寻找和发现适合当地气候和土壤条件的重金属耐性和富集植物（张会敏等，2015）。因此，研究重金属异常区地上自然生长的优势植物，筛选出具有重金属富集与耐性的特殊植物，对于金属矿区废弃地的污染治理和生态恢复具有重要意义。

黔西北是贵州铅锌矿分布的主要地区，土法炼锌在该地区已有300多年历史。土法炼锌由于冶炼工艺水平落后，对Zn的回收率低，而对其它元素基本上没有回收，并缺乏环保治理设施，冶炼废渣长期堆存于未经防护的渣场中。本研究以黔西北威宁县某锌冶炼厂的废渣堆场为研究区域，在调查当地优势植物的基础上，对废渣场土壤及优势植物体内重金属含量进行分析，掌握优势植物对重金属的耐性及吸收特征，筛选出一些适用当地植物修复的重金属富集植物，以期为当地及其他类似矿业废弃地的污染治理和植物生态重建提供科学依据。

1　材料与方法

1.1研究区域概况

研究区位于贵州省威宁县金钟镇冒水村，地处26°46′N，104°23′E，海拔约2140 m，是典型喀斯特地貌地区。属亚热带季风湿润气候区，年平均气温11.1 ℃，无霜期178 d，全年平均日照时间1812 h，年降雨量1100 mm。炼锌矿渣堆场总占地面积10000 m2左右，平均高度约为10 m，堆置时间超过30年。

1.2样品采集与分析

2015年5月和11月，根据废渣堆积点的分布情况，设置7个30 m×30 m的样方，采集土壤和植物样品。在每个样方地采集5个点的土样混合为1个土样，采集深度为0～15 cm，同时随机选取3株生长旺盛的优势植物。将不同样方地的同种植物归为同一个植物样。植物收获后，用自来水冲洗去除粘附于植物样品表面的泥土和污物，再用去离子水漂洗3次，风干。将植株分为地上部分（茎叶分开）和地下部分，105 ℃下杀青30 min，60 ℃下烘至恒重，粉碎，放入干燥箱备用。将土壤样品自然风干，剔除明显的杂物，敲碎后一部分过20目尼龙筛，用于pH值测定，另一部分用玛瑙研钵碾磨过100目尼龙筛后保存备用。

植物样品重金属含量测定采用HNO3-HClO4法消解（Zhang et al.，2014），土壤重金属含量分析采用HNO3-HF-HClO4消解（彭渤等，2011），土壤重金属元素的有效态均采用0.1 mol·L-1的HCl浸提制备待测液（钟晓兰等，2007）。实验中所用HNO3、HF、HClO4均为优级纯，水为二次纯化蒸馏水。实验数据可靠性通过全程空白分析、加入国家标准土壤样品进行准确度控制以及通过随机选取样品做平行测定进行精密度控制。样品测试在中国科学院地理科学与资源研究所理化分析中心进行，采用PHS-3B型雷磁精密pH计测定土壤pH值；电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS，ELAN-DRC-e）测定样品中的Cd含量，电感耦合等离子体光谱仪（ICP-OES，Optima 5300DV）测定Cr、Cu、Ni、Pb和Zn含量。

表1　废渣堆场优势植物种类及其特征Table 1　Dominant plants species and their characteristics in smelting slag field

2　结果与分析

2.1优势植物组成及特征

经过多年的自然演替，矿渣堆的植被已形成以草本植物占绝对优势的自然群落，其种类组成较为丰富（表1）。调查中共采集植物样品18个，分属于12科。其中，菊科5种，十字花科和禾本科各2种。从植物生活型来看，以草本植物为主，共16种，灌木2种，这可能与草本植物具有营养繁殖及耐贫瘠、干旱等特点，相对比较容易形成重金属耐性有关（陈红琳等，2007）。从植物的丰富度来看，优势度较高的植物有鬼针草（Bidens pilosa L.）、醉鱼草（Buddleja lindleyana）、金星蕨（Parathelypteris glanduligera）和土荆芥（Chenopodium ambrosioides L.）。这些植物为乡土植物，能够适应当地的气候条件和恶劣的生长环境，具有较强的重金属耐性。

2.2废渣堆场土壤重金属含量

废渣堆场土壤pH平均值为7.96，偏碱性。重金属全量和有效态平均含量的测定结果见表2。废渣堆场土壤中6种重金属和贵州省土壤背景值相比（刘凤枝，2001）都有不同程度超标，其中Pb、Zn、Cd和Cu的平均含量分别是土壤背景值的311、141、48和10倍，Cr和Ni的含量相对较低，平均值为背景值1.6和2.1倍。参照国家土壤环境质量三级标准（GB15618—1995），Cd、Pb和Zn严重超标，最低含量分别是国家三级标准的22.4、15.3和20.6倍。Cd、Pb和Zn的有效态含量较高，三者的平均重金属有效性系数（有效态含量占总量的比例）分别为49.12%、5.60%和12.81%，表明废渣堆场中镉污染可能具有严重的生态危害性。

表3　优势植物重金属含量Table 3　Heavy metal concentrations in dominate plants　mg·kg-1

2.3优势植物体内重金属含量

18种优势植物体内的Cd、Pb和Zn含量的测定结果表明（表3），不同植物对重金属的吸收和蓄积特征存在较大差异，总体来看，植物体内Zn含量最高，其次是Pb和Cd。一般认为，植物的重金属正常含量分别为：Cd 0.2～3 mg·kg-1；Pb 0.1～41.7 mg·kg-1；Zn 1～160 mg·kg-1（何东等，2014）。本次调查的18种优势植物中，无论是地上部分的茎和叶还是地下根部，其Cd、Pb和Zn含量，几乎都超过植物的重金属正常含量，但是都没有达到超富集植物的临界含量（分别为100、1000和10000 mg·kg-1）标准（Baker et al.，1983）。本研究的18种植物均能在重金属污染严重的环境下正常生长，可见这些植物是在长期的自然选择过程中产生了对重金属毒害的防卫机制，具有较强的抗污染能力（金倩等，2010）。

表4　优势植物的富集系数和转运系数Table 4　The bio-accumulating coefficient and biological transfer coefficient of the dominant plants

2.4优势植物对重金属的富集系数和转运特征

在植物修复中，生物富集系数BEC（biological enrichment coefficient）指植物体内某种重金属元素的含量与土壤中同种重金属含量的比值，它常被用来反映植物对土壤重金属元素的富集能力和修复潜力；生物转移系数BTC（biological transfer coefficient）等于植物地上部重金属含量与根部相应重金属的含量的比值，用来表征植物将重金属从根部向地上部转移的能力（崔爽等，2006）。而土壤的重金属生物有效性及植物毒性不仅与其总量有关，更大程度上取决于土壤中重金属的赋存形态，尤其是生物有效态的含量。与全量重金属相比，土壤中的有效态重金属能够更好地反映植物对土壤中重金属的吸收和受毒害的可能性，用其进行植物富集特性的研究，更具有科学性和可比性（李亮亮等，2008）。因此，本研究采用植物体内的重金属含量与相应的土壤有效态重金属含量的比值来比较植物对土壤重金属吸收转移能力的强弱。

表4为18种优势植物地上部和根部对Cd、Pb和Zn的富集系数、综合富集系数及转移系数。（1）地上部富集系数：小蓬草、鬼针草、蒲公英、狗尾巴草、土荆芥和三花悬钩子6种植物对Cd的富集系数大于1，其他植物对Cd的富集系数小于1；所有植物对Pb的富集系数均小于1，对Zn的富集系数均小于0.5，说明各植物吸收土壤Pb和Zn的能力较弱。从综合富集系数来看，综合富集能力较强的有鬼针草、三花悬钩子、土荆芥、蒲公英和马刺蓟，综合富集系数分别为3.38、2.93、2.85、2.51和2.24。在18种调查植物中，鬼针草对Cd和Pb的富集系数最高，分别为1.99和0.92，且对Zn的富集系数也较高。土荆芥具有第二高（1.91）的Cd富集系数和最高的Zn富集系数（0.48）。综合考虑鬼针草和土荆芥对Cd、Pb和Zn具有较强的富集能力，且地上部形态高大，生物量远大于一般的草本植物，认为这两种植物可作为Cd、Pb和Zn污染严重地区生态恢复的先锋植物。（2）根部富集系数：狗尾巴草、三花悬钩子、鬼针草、节节草和野艾蒿的根部对Cd富集能力较强，富集系数分别为3.00、2.59、1.78、1.48和1.26；Pb富集系数大于1的植物包括鬼针草、狗尾巴草、节节草和三花悬钩子；所有调查植物的根部对Zn的富集系数均小于1；三花悬钩子的综合富集系数最大（5.20），其次为狗尾巴草（5.01）和鬼针草（4.12）。（3）转移系数：马刺蓟和芥菜型油菜对Cd、Pb和Zn的转移系数较高，均大于2，表现出较强的向地上部分转移的能力；而牛筋草、狗尾巴草、车前草、节节草和三花悬钩子对3种金属的转移系数较低，基本小于0.5，表明这些植物能够通过自身的排斥机制，阻止地下部分吸收的重金属元素向上部运输以减少毒害（李江遐等，2016）。

根据植物对重金属不同的吸收、转移和累积机制，目前公认的植物耐受重金属机制主要有3种策略（Baker，2001；雷梅等，2005）：富集型、根部囤积型和规避型。富集型是指从土壤中主动吸收并富集金属元素，并表现出较强的向地上部分转移的能力。根部囤积型植物对土壤中的重金属具有被动吸收的特征，能将重金属吸收至体内，但金属元素大量囤积于根部，只有少量向地上部运移，以减少对植物生理系统的伤害，转移系数小于1。规避型植物的特点是虽然植物生长在重金属含量非常高的环境中，但能通过某些机制抵制植物根系对重金属的吸收，植物体内只吸收少量的重金属。本研究表明：蒲公英、马刺蓟和土荆芥体内3种金属元素的含量相对较高，且转移系数均大于1，符合富集型植物特征；牛筋草、车前草和节节草的重金属主要累积在根部，转移系数基本小于0.5，表现出较弱的向地上转移的能力，可见其属于根部囤积型植物；红花酢浆草地上部和根部的3种重金属含量均较低，地上部和根部的综合富集系数均小于1，属于重金属规避型植物。

3　结论

（1）废渣堆场土壤受多种重金属元素的复合污染，其中Pb、Zn和Cd是主要污染元素，其含量远高于国家土壤环境质量三级标准和贵州省土壤背景值，尤其是Cd污染具有较高的生态威胁性。

（2）自然定居于废渣堆场内的优势植物达18种，分属于12科，并以草本植物为主。醉鱼草、土荆芥、鬼针草和金星蕨为丰富度较高的常见植物。

（3）调查18种优势植物体内重金属含量超过正常植物含量，但未达到超富集植物的临界标准。鬼针草和土荆芥生长繁殖良好，生物量较高，且地上部Cd、Pb、Zn含量较高，可用于该地区及同类污染严重地区的生态修复。通过植物对重金属的富集和转移特征分析，结果表明马刺蓟、蒲公英和土荆芥体属于重金属富集型植物特征，牛筋草、车前草和节节草属于根部囤积型植物，红花酢浆草地上部和根部的3种重金属含量均较低，地上部和根部的综合富集系数均小于1，属于重金属规避型植物。

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Accumulation of Heavy Metals by Dominant Plants in Zinc Smelting Slag Field

ZHU Guangxu1， XIAO Huayun1， GUO Qingjun2， ZHANG Zhongyi1，3
1. State Key Laboratory of Environmental Geochemistry//Institute of Geochemistry， Chinese Academy of Sciences， Guiyang 550002， China；
2. Center for Environmental Remediation， Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research， Chinese Academy of Sciences，Beijing 100101， China；
3. University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China

Heavy metals from untreated metal smelting slag in the open field can be leached into soils and groundwater by rainfall，runoff and wind blowing， which generates a significant risk to the ecological environment and human health. A field investigation on the content of heavy metals in soils and 18 kinds of dominant plants at one zinc smelting slag site in Northwestern Guizhou Province was carried out. The absorption and accumulation characteristics of heavy metals between plants and soils were compared， and the pioneer plants for ecosystem restoration of the area were selected. The results revealed that the soils of the smelting slag field have been polluted by heavy metals in varying degrees. The average concentration of Zn， Cr， Cd， Pb， Cu and Ni was 14 017.81， 149.00，31.41， 10 948.75， 323.89 and 68.33 mg·kg-1， respectively. The concentration of Cd， Pb， and Zn was 48， 311 and 114 times of their respective background value in Guizhou Province. According to the available heavy metal contents， 49.12% available mass fraction of Cd if of very high risk to the environment. The dominant plants can adapt to the unfavorable edaphic conditions of smelting slag field and were tolerant to heavy metals. The concentrations of Cd， Pb and Zn in all the analyzed plants exceeded the normal ranges，but had not reached the level for hyperaccumulators. There were great variations of metal uptake and accumulation among different plant species. Among the dominant plants， Bidens pilosa L. and Chenopodium ambrosioides L. had large biomass， and had good accumulation of Cd， Pb and Zn. Thus， Bidens pilosa L. and Chenopodium ambrosioides L. can be used as pioneer plants for revegetation and phytoremediation in the study area. There were great variations of metal uptake and accumulation among different plant species. According to the metal accumulation in the plant shoots and roots， the dominant plants were classified into three types: the accumulator， e.g. Cirsium monocephalum， Taraxacum mongolicum Hand.-Mazz. and Chenopodium ambrosioides L.； the root compartment， e.g. Eleusine indica （L.） Gaertn.， Plantago asiatica L. and Equisetum ramosissimum Desf； and the excluder， e.g. Oxalis articulate Savigny.

dominant plants； smelting slag field； heavy metal pollution； phytoremediation； Northwestern Guizhou Province

10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.08.021

X173

A

1674-5906（2016）08-1395-06

国家自然科学基金项目（41425014）；中国博士后科学基金项目（2015M582578）；国家高技术研究发展计划项目（2013AA06A211-2）；国家重点基础研究发展计划项目（2014CB238906）

朱光旭（1986年生），男，博士，研究方向为重金属污染评价及修复。E-mail: zhuguangxu@mail.gyig.ac.cn

2016-06-12

引用格式：朱光旭， 肖化云， 郭庆军， 张忠义. 锌冶炼渣堆场优势植物的重金属累积特征研究［J］. 生态环境学报， 2016， 25（8）: 1395-1400.