晋南铬渣堆场主要植物重金属富集特征*

2020-07-27葛元英张小红

环境污染与防治 2020年7期

葛元英乔乔张鹏张小红崔旭#

(1.山西农业大学资源环境学院，山西晋中 030801；2.山西农业大学农业资源与环境实验教学中心，山西晋中 030801)

矿产资源在开发利用过程中产生大量尾矿和废渣，不仅占用土地资源，而且其中的重金属会通过水和大气迁移污染周边水源和农业区[1]。重金属稳定难降解，进入作物体内不仅降低农产品产量，还会降低农产品质量，影响人体健康[2-3]。因而，土壤重金属污染治理是目前亟需解决的热点问题。

植物修复具有成本低、效果好、不破坏土壤结构、对环境友好等特点，受到越来越多的重视[4]。筛选和培育适合环境特点、有超积累能力和耐重金属的植物是植物修复技术的基础[5]，但超积累植物生物量普遍较小，且受气候环境的影响较强等问题限制了植物修复技术的应用。

山西现存多个矿产开采后遗留的废渣堆场，堆场周边土壤重金属污染严重。本研究在晋南某铬渣堆场周边开展自然植被调查，采样并分析了堆场的主要植物对重金属的吸收富集特性，初步筛选出适合本地土壤污染特征、气候条件的重金属耐性植物，为铬污染土壤的植物修复提供基础数据和科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

该铬渣堆场位于山西南部，当地属大陆性季风气候，年平均气温11.4 ℃，最冷月为1月，平均温度-4 ℃；最热月为7月，平均温度25 ℃，年均降雨量630 mm。霜冻期为10月至次年3月，无霜期190 d左右，土壤以褐土为主。

1.2 样品采集与分析

于2017年6月、8月分别在堆场6个采样点位进行土壤和植物采样，整株采集生长旺盛、分布广泛的不同植物4～6株及相应0～20 cm土壤样品[6]。由于采集的植物为草本植物，茎叶较难区分，因此将植物样品分为根部和地上部分，送实验室后用自来水冲洗泥沙，再用超纯水漂洗干净。105 ℃杀青30 min，然后在80 ℃下烘干后磨碎过0.149 mm筛网，装袋待测。土壤样品自然风干后磨碎过20目尼龙筛，用四分法取约100 g土样过0.149 mm筛网，装入自封袋备用。土壤基本理化性质按常规分析方法测定[7]。土壤及植物样品中4种重金属(Cu、Zn、Pb和Cr)含量采用电感耦合等离子体仪(5300DV，美国珀金埃尔默)测定，其中土壤样品采用HCl-HNO3-HF-HClO4消解后测定，植物样品采用HNO3-HClO4消解后测定。每个样品做3次重复。测试过程中所用试剂药品均为优级纯，水为二次纯化蒸馏水。检测过程全程空白分析，加入国家标准土壤样品(GBW07048)、植物样品(GBW10014)进行准确度控制，平行测定随机样品进行精密度控制，确保实验数据可靠。

1.3 数据处理与分析

富集系数(BCF)是指植物体内重金属含量与土壤中同种重金属含量的比值，反映了植物对土壤重金属元素的吸收能力，富集系数越大，富集能力越强[8-9]。转运系数(TF)是指植物地上部分重金属含量与植物根部同种重金属含量的比值，评价植物将重金属从根部运输到地上部的能力[10-11]。

采用Excel 2016、SPSS 19.0进行数据处理和分析。

2 结果与分析

2.1 铬渣堆场采样点土壤重金属含量

堆场6个采样点土壤pH及重金属含量测定结果见表1。由表1可见，6个土样pH均大于7.5，呈碱性。土壤中Cu、Zn、Pb、Cr平均值分别为24.0、214、21.3、2 207 mg/kg，重金属质量浓度表现为Cr>Zn>Cu>Pb。堆场土壤Cu、Zn和Pb含量均在GB 15618—2018风险筛选值以内，未造成相应的土壤重金属污染；而Cr含量为GB 15618—2018风险筛选值的8.8倍，是山西省土壤背景值的38.1倍，表明Cr已对该地区造成较严重的污染，具有潜在的生态危害。变异系数可用于表征受人为影响程度，变异系数越大，说明受人为影响程度越强，变异系数>35%时为高度变异，变异系数为15%～35%时属于中等变异，变异系数<15%时属于低度变异[13]。本研究堆场Cr含量变异系数为67.1%，属高度变异，Zn和Pb变异系数分别为28.5%、23.8%，属中等变异，Cu的变异系数为9.6%，属于低度变异。由此可知，堆场Cr污染受人为影响较Zn、Pb、Cu严重。

表1 各采样点土壤重金属质量浓度

2.2 铬渣堆场植物分布

经过长期自然生态演替，堆场形成了以草本植物为主的自然群落，在调查的样地中共采集植物16种，分属9科，其中禾本科占8种，占总植物种数的50%。选取6种主要植物进行分析，其分布情况见表2。从植物种类来看，堆场植物以草本植物为主，可能与草本植物主要为营养繁殖，并且能够耐贫瘠及干旱等特点有关，更容易形成重金属耐受性[14]。从植物丰富度来看，优势度较高的植物有羊草、狗尾草、狼尾草和狗牙根等，这些植物均为本地物种，能够适应当地的气候和土壤条件，同时对重金属有很强的耐受性。

表2 铬渣堆场主要植物种类

2.3 铬渣堆场植物重金属含量

6种主要植物的重金属含量见表3。由表3可见，不同植物对重金属的吸收能力不同。植物根部Cu、Zn、Pb、Cr的质量浓度分别为12.6～43.6、24～92、1.3～12.4、4～1 359 mg/kg。植物地上部分Cu、Zn、Pb、Cr的质量浓度分别在5.9～24.6、22～73、2.0～8.3、3～628 mg/kg。总的来说，植物根部重金属含量高于地上部分，植物体内4种重金属的含量为Cr>Zn>Cu>Pb。

表3 植物重金属质量浓度

根据GERBER等[15]的研究，普通植物体内Cu、Zn、Pb、Cr质量浓度一般在0.4～45.8、1～160、0.1～41.7、0.2～81.4 mg/kg。由于堆场土壤Cu、Zn、Pb污染程度较低，因此植物体内Cu、Zn、Pb的含量均在正常范围内，而植物中Cr含量超出普通植物正常范围，对Cr表现出较高的耐性，其中狼尾草、羊草和狗牙根3种植物体内Cr含量相对较高，说明对Cr有较强的富集能力，个别点位狗牙根、狼尾草内的Cr含量超过Cr的超积累植物临界值(1 000 mg/kg)[16]。本次调查的植物在严重Cr污染环境下正常生长，可能是这些植物在长期自然生长过程中产生了抗Cr毒害的保护机制，对重金属Cr有了一定的抗性[17]。

2.4 铬渣堆场植物对重金属的BCF和TF分析

由表4可知，6种植物对4种重金属的BCF表现为Cu>Pb>Zn>Cr，总体看来，植物根部BCF大于地上部分BCF，狼尾草、狗牙根和牛筋草对Cu表现出较强的富集能力，部分样品根部BCF>1，其他植物对Cu、Zn、Pb和Cr的BCF均小于1；6种植物对4种重金属的TF存在一定的差异，总体表现为Zn>Pb>Cu>Cr。其中，羊草对Cu和Zn，狗尾草对Zn，虎尾草对Pb的TF大于1，表现出较强的重金属转运能力。其他植物对4种金属的TF较低，表明这些植物地上部分有排斥机制，阻止根部重金属向上部运输以减少毒害作用[18-19]。

表4 植物重金属的BCF和TF

2.5 羊草、狼尾草、狗尾草和狗牙根对Cr的富集、转运特征

此次植物样品采集羊草、狼尾草、狗尾草和狗牙根出现频次最高，且在土壤Cr含量较高的情况下，植物体内Cr含量超出了普通植物的正常含量，综合分析植物与其所在土样Cr含量的关系，发现羊草、狼尾草和狗牙根体内Cr含量随着土壤Cr的增加呈现增加趋势，狗尾草变化趋势不明显。可见，不同植物对Cr的吸收机制存在差异。

对4种植物的BCF和TF进行分析发现，随着土壤中Cr含量的增加，不同植物中重金属的BCF、TF呈现不同的趋势。随着污染土壤中Cr含量的增加，羊草和狗牙根的BCF先降低后升高，而TF先增大后减小，狼尾草的BCF增加而TF减小，狗尾草两个系数略微下降，但这4种植物的最大BCF和TF都小于1。

3 讨论

废渣堆是一种普遍存在的环境污染源，堆场环境条件极端恶劣，重金属含量远高于标准，生长在渣堆上的植物能够存活繁衍，说明植物本身适应能力较强，在长期的自然选择中演化出一定的防御机制[20-21]。本研究在铬渣堆场筛选出6种草本植物，这6种植物Cr的BCF、TF均小于1，羊草、狼尾草和狗牙根地上部分及根部的Cr含量远远大于普通植物，且对当地Cr污染严重的生境表现出很强的耐受性，可作为该地区Cr污染修复的先锋植物。许多研究表明，在重金属污染严重的地区能够发现一些高积累、高耐受的植物。赵雅曼等[22]调查福建铅锌矿区，发现芦苇对Pb、Cd、Cu有较强的富集能力，藿香蓟对Cd、Cu有较强的吸收能力。李思亮等[23]在浙江省铅锌矿区发现了Cd的超富集植物伴矿景田和紫花香薷。陆金等[24]对某矿山尾矿区研究发现刺槐、苦卖菜、野茼蒿、葛根、苜蓿草对重金属Cd有较高的BCF和TF。

根据植物对重金属的吸收、转移和积累机制的不同，植物对重金属的耐受机制有3种：富集、根部囤积和规避[25-26]。富集型植物能够主动吸收和富集土壤中的金属元素，并表现出较强的向上转移能力；根部囤积型植物被动吸收土壤中金属元素进入体内，但大量的金属元素被囤积在根部，只有少量的金属元素被输送到地上部分，以减少对植物生理系统的损害，TF一般小于1；规避型植物虽然生长在重金属含量非常高的环境中，但它们能够通过某些机制抵制植物根系对重金属的吸收，只有少量的重金属被吸收。本研究中，羊草、狼尾草和狗牙根的重金属主要积累在根部，最大TF均大于0.5，表现出一定的转移能力，可见其属于根部囤积性植物。狗尾草、虎尾草和牛筋草对Cr的BCF最大仅为0.16、0.13、0.06，富集能力较低，属于Cr规避型植物。