典型鼓风炉铅冶炼废渣堆场周边优势植物重金属富集特征研究

2021-09-09牛学奎吴学勇王薇艾志敏王舒婷侯娟周涛

生态环境学报 2021年6期

牛学奎，吴学勇*，王薇，艾志敏，王舒婷，侯娟，周涛

1. 云南省生态环境科学研究院，云南昆明 650034；2. 云南环境工程设计研究中心，云南昆明 650034；3. 云南省生态环境监测中心，云南昆明 650034

鼓风炉炼铅在半个多世纪的时间里，一直是云南省粗铅生产的重要方式，在生产粗铅的同时也累积了大量的冶炼废渣（熊国焕等，2015）。因历史发展的局限，铅冶炼废渣大量粗放式堆存，不仅占用了大量土地资源，更使周边环境和生态受到不同程度的污染及破坏，特别是土壤重金属污染问题，甚至影响到人类的健康和生存（Sun et al.，2014；Yang et al.，2017；仇荣亮等，2009）。目前，国内外虽然有对冶炼废渣堆场、冶炼厂等周边优势植物重金属累积特征方面的研究，如秦丽（2013）、朱光旭等（2016）分别针对会泽铅锌矿渣堆、威宁锌冶炼渣堆周边优势植物重金属累积特征进行了研究，也有关于鼓风炉铅冶炼周边土壤重金属污染特征及鼓风炉铅冶炼废渣浸出特性方面的研究（牛学奎等，2018；牛学奎等，2019），但针对以鼓风炉铅冶炼废渣为代表的铅冶炼废渣堆场周边优势植物重金属累积特征的相关报道较少。

个旧市鸡街地区是云南省典型的鼓风炉炼铅生产聚集区之一，鼓风炉铅冶炼生产历史悠久，区域内粗放式堆存了大量鼓风炉铅冶炼废渣。本文以个旧市鸡街地区某典型鼓风炉铅冶炼废渣堆场为研究对象，以对角线法采集样品并用四分法取样进行重金属含量测定，分析废渣场周边优势植物种类及其对重金属的耐受性及富集能力，筛选出适用于当地重金属污染土壤修复的先锋植物，为当地鼓风炉铅冶炼废渣堆场区及其他类似污染区域的治理修复和生态重建提供支持。

1 材料与方法

1.1 调查区域概况

研究区位于云南省个旧市鸡街地区，地理坐标为 113°12′39.6″E，23°33′59.54″N，海拔 1332 m，年均气温 19 ℃，年均相对湿度 78%，年均降水量700—800 mm。该渣堆系历史遗留的鼓风炉炼铅产生的干渣和水淬渣。

1.2 样品采集与分析

以废渣堆边界为起点向外延伸50 m为采样区，在区域内均匀设置4个30 m×30 m样方，采集土壤和植物样品。土壤样品为植物样品周边1 km范围的表层土（0—20 cm），按照对角线法进行采集，并现场将同类型植物周边的土壤样品混合，用四分法取样1 kg送实验室检测。采集样方中覆盖率高、长势好的野生植物（同一样方同种植物采样量不少于 1株），并将不同样方的同种植物归为同一个植物样。植物样用自来水冲洗去除粘附于植物样品表面的泥土和污物，再用去离子水漂洗干净，风干。将植株（地上部分）于105 ℃下杀青30 min，60 ℃下烘干至恒重，粉碎，放入干燥箱备用。将土壤样品自然风干，剔除杂物，研磨过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）。采用玻璃电极pH计测定土壤pH值；用火焰原子吸收分光光度法（Silva et al.，2020）测定土壤样品中的Cu、Zn、Cr的含量，用石墨炉原子吸收分光光度法（Habibollahi et al.，2019）测定Pb、Cd的含量；用原子荧光法（张桂芹等，2020）测定Hg、As的含量。植物样品采用电感耦合等离子体质谱仪法（祁珍祯等，2020）（ICP-MS）测定Cu、Zn、Cr、Pb、Cd、As，用原子荧光法（陈秋平等，2014）测定Hg的含量。

1.3 数据处理

数据利用Microsoft Excel进行常规分析及图表制作。

（1）生物富集系数（BCF）：

式中：

CP为植物体内某种重金属含量，mg·kg−1；CS为土壤中对应重金属含量，mg·kg−1。

（2）综合富集系数（BCFS）：

（3）植物对土壤中重金属富集比例（P）

式中：

Ct为 7种重金属在优势植物中的总含量，mg·kg−1。

2 结果分析与讨论

2.1 鼓风炉铅冶炼废渣堆周边植物类型

结合植物自身特点及在当地生长覆盖情况，本次调查共采集了5种野生植物，分别为三叶鬼针草（Bidens pilosa）、车桑子（Dodonaea viscosa）、夹竹桃（Nerium oleander）、红花八角（Illicium dunnianum）、凤尾蕨（Pteris cretica），分属五科，详见表 1。从植物生活型来看，本区域植被以灌木类为主，灌木根系发达，能适应在贫瘠、干旱土地生长，更能在自然竞争中存活下来，如车桑子（Dodonaea viscosa）。从植物丰富程度来看，草本植物的覆盖面积较大且生长旺盛，能够适应当地的气候条件和恶劣的生长环境，特别是三叶鬼针草（Bidens pilosa）。

表1 渣堆场周边优势植物种类Table 1 Dominant plant species around the slag yard

2.2 废渣堆优势植物周边土壤重金属含量

渣堆优势植物周边土壤pH介于4.97—6.12之间，偏酸性，详见表 2。参照《土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准》（GB 36600—2018）与云南省土壤背景值（鲁冬梅等，2018），对优势植物周边土壤中重金属污染情况进行评价：结果显示土壤中Cr、As含量同时超过了GB 36600—2018风险管制值（分别超标1.08、3.54倍）及云南省土壤背景值（分别超标1.49、33.56倍），Cu、Zn、Pb、Cd、Hg等5种重金属虽未超过（GB 36600—2018）筛选值，但均明显超过云南省土壤背景值（超标倍数分别为1.91、8.13、6.19、97.09、76.00）。根据评价结果表明，As含量即超过云南省土壤背景值又超过国家二类用地风险管制值，说明渣堆周边土壤已经明显受到 As的污染，且已经存在开发利用风险，需予以重点关注；Cr虽然同时存在超过管制值及背景值的情况，但Cr并非鼓风炉炼铅原料的常规伴生元素，因此推测其超标原因与区域土壤背景值较高有关，但不排除工业污染也有少许贡献的因素；Cd及 Hg较背景值而言，超标倍数显著偏高，说明铅冶炼渣在堆存过程中有明显的伴生元素Cd及Hg溶出、累积现象，虽未超过风险管控限值但其污染应引起关注。Zn、Pb虽有明显累积，但累积程度与风险相对较弱，而Cu则是7种元素中累积程度与风险最低的元素。综上分析可以看出，鼓风炉铅冶炼废渣堆场周边土壤中，既有主要成矿元素Zn、Pb等的累积，也有伴生元素As、Cd及 Hg的污染，且伴生元素污染问题明显比成矿元素要突出。

表2 废渣堆周围优势植物周边土壤重金属质量分数Table 2 Mass fraction of heavy metals in soil around dominant plants in slag dump mg·kg−1

2.3 优势植物地上部分重金属含量及生物富集特征

2.3.1 优势植物地上部重金属含量

鼓风炉铅冶炼废渣堆场周边采集的5种优势植物体内重金属含量存在较大的差异，如表3所示。就 Pb在植物体内含量而言，夹竹桃含量最高，为768.14 mg·kg−1，最低为凤尾蕨 18.58 mg·kg−1；Zn 含量最高为三叶鬼针草，达到191.71 mg·kg−1，最低为红花八角79.45 mg·kg−1；As含量最高为夹竹桃，达到 287.63 mg·kg−1，最低为凤尾蕨 8.91 mg·kg−1。研究表明（秦俊梅等，2013），一般植物体内重金属Pb、Zn、As正常含量分别为 0.1—10、1—160、0.01—5 mg·kg−1。本次调查的 5 种优势植物体内 Pb、As含量均显著高于一般植物的最大含量，且均表现为夹竹桃>三叶鬼针草>车桑子>红花八角>凤尾蕨；Zn的含量则是三叶鬼针草>夹竹桃>160 mg·kg−1，虽高于一般植物，但未达到超富集植物临界值。5种优势植物体内Cd含量虽不高，但明显高于一般植物（Cd正常含量为0.2—3 mg·kg−1），按富集量排序依次为车桑子>三叶鬼针草>红花八角>夹竹桃>凤尾蕨。相关研究表明（李玫等，1999；彭叶棉等，2020）植物吸收富集重金属的影响因素复杂多样，因而不同植物对不同重金属富集情况不同，但从Pb、As在植物体内呈现的规律可推测5种优势植物对Pb、As可能存在相似的吸附、转运机制，但具体的吸附、转运及累积机制还需通过进一步的实验进行论证。

表3 优势植物地上部重金属质量分数Table 3 Mass fraction of heavy metals in the aerial parts of dominant plants mg·kg−1

从5种优势植物地上部分重金属含量平均值来看，Pb、Zn、As 3种元素含量远远高于其他重金属元素。其中，夹竹桃对Pb、As富集量较高，但对其他5种重金属的富集相对较弱，理论上可适用于Pb、As污染土壤的修复。但现场实际情况表明，夹竹桃虽为直立大灌木，但在当地自然生长情况下，年均生物量增长缓慢，因此其用于土壤修复实践还有很多局限。相较而言，三叶鬼针草和车桑子对Pb、Zn、As等多种重金属具有明显的富集作用，加之三叶鬼针草和车桑子繁殖速度快，且能适应贫瘠、干旱的恶劣生长环境，因此理论上更适用于Pb、Zn、As复合重金属污染场地的修复，也可快速实现生态恢复的目的。

2.3.2 优势植物重金属生物富集特征

在植物修复中，生物富集系数 BCF（Bioconcentration factors）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（Ali et al.，2013）。根据表4统计结果显示，三叶鬼针草对Pb、Cd的生物富集系数（分别为1.120、1.731）、车桑子对Pb、Cd、Hg的生物富集系数（分别为2.120、5.261、1.375）、凤尾蕨对Zn、Hg的生物富集系数（分别为1.034、1.615）均大于1，说明3种植物对相应的特征重金属具有较强的富集能力。其中，车桑子对Cd的富集系数显著高于其他植物和重金属元素，对Cd具有较强的修复潜力。通过生物富集系数对比表明，除车桑子 3种重金属的生物富集系数相对较高外，三叶鬼针草和凤尾蕨虽对相应特征重金属具有一定富集能力，但整体富集能力相对较弱，红花八角和夹竹桃则更弱。此外，本次调查的 5种优势植物对Cr的生物富集系数均小于0.01，且植物体内含量极少，说明这5种优势植物对Cr元素可能具有某种规避机制，不适用于修复受Cr污染土壤。

表4 优势植物重金属生物富集系数Table 4 Dominant plant heavy metal bioconcentration factors

为直观地表示优势野生植物对该区域内重金属富集的综合情况，本研究对5种优势植物与土壤中各单项重金属富集质量分数进行对比分析。根据图1可看出，该区域植物总体对Cd的富集质量分数最高，Pb、Hg、Zn次之。这是由于该区域内土壤中Cd的活性态含量较高，迁移转化能力较强，可交换态与碳酸盐结合态占比大61.04%，具有较高的生物有效性所导致（牛学奎等，2018）。

图1 优势植物对土壤中重金属富集质量分数Fig. 1 The Mass Fraction of dominant plants to heavy metal enrichment in soil

从优势植物综合富集系数（图 2）来看，调查的5种优势植物中综合富集系数大于1的有4种，分别是车桑子、凤尾蕨、三叶鬼针草以及夹竹桃。其中车桑子综合富集系数高达9.58，凤尾蕨、三叶鬼针草和夹竹桃次之，分别为3.92、3.52和2.11，说明区域内植物整体上对重金属具有明显的富集。结合魏树和等（2008）、谭晓娟（2009）、徐晨茗等（2020）关于三叶鬼针草、车桑子以及凤尾蕨对Pb、Zn、Cd等多种重金属的转运系数大于1，时宇等（2018）关于夹竹桃对Pb、Zn、Cd等多种重金属转运系数小于1的研究结论，以及Baker（2001）、雷梅等（2005）根据植物对重金属的不同吸收、转移和累积机制对植物耐受重金属机制分类结果（富集型、根部囤积型和规避型）表明，车桑子、凤尾蕨、三叶鬼针草符合富集型植物特征，应属于富集型植物，而夹竹桃体内中重金属含量高，但转运能力较弱，更符合根部囤积型植物特点。综合各种因素考虑，富集型植物车桑子不仅具有最高的综合富集系数及单因子Cd的富集能力，且转运能力较强，还能极好地适应研究区域环境气候，对多种重金属复合污染土壤具有较强的耐性、适应性，甚或偏好性，因此可作为该地区及同类型地区生态恢复的先锋植物。