邱细妹，梁其斌，吴承文，郑瑞钰，于廷义

(1.尤溪县林业局梅仙林业站，福建 尤溪 365101； 2.尤溪县林业局，福建 尤溪 365100)

土壤重金属污染是指由于人类活动或自然因素等造成的重金属元素在土壤中的含量超过背景值，过量沉积而引起的土壤重金属含量过高的现象，统称为土壤重金属污染[1-2]。一般来说土壤重金属具有性质稳定，难以降解、迁移和转化的特征，因此污染一旦形成，对地表生物将产生长远的影响[2]。土壤重金属修复是指通过物理、化学、生物及微生物学方法将土壤中过量的重金属进行转化、迁移、隔离或钝化[3-4]。已有研究中利用物理材料吸附固定是最常用的方法，其具有见效快、无污染且不易产生二次污染的优点被研究人员所认可[5]。但是，物理修复方法最大的缺陷在于无法将重金属离子彻底移出土壤，被固定在土壤中的重金属离子随环境的改变随时都有再次被释放的可能，存在不可控的潜在风险[5]。化学修复方法是指利用化学物质的氧化或还原性质，将有毒害作用或者可迁移重金属离子转化为无毒害或者钝化状态，以此减轻对地表生物的毒害作用，虽然化学修复方法见效快，但成本高昂，技术相对不成熟、不稳定，无法大面积推广[4]；同时，施入土壤中的化学物质对土壤原有生态平衡的影响不可预见，二次污染的风险也不可控制。利用富集及超富集植物吸收转移土壤中过量重金属离子，再对植物加以利用是近年来研究的热点[6-7]。据报道[6]，国内外已发现的重金属超富集植物已有多种，但植物的生长与环境因素密切相关，在不同环境中植物器官及功能性变异时有发生，异地植物的迁移甚至会导致植物的直接死亡。因此筛选适宜本地气候环境的重金属富集、超富集植物尤为重要。

绿竹是我国南方重要的笋竹两用竹种[8]，调查表明，尤溪县在矿区周边栽培的部分绿竹存在土壤重金属Pb超标的情况，在一定程度上影响到绿竹的生长及绿竹笋品质的提高，隐藏着未知的食品安全风险，因此对这部分的绿竹栽培区进行土壤Pb的植物修复研究迫在眉睫。本研究通过采集矿区绿竹林下分布的植物样品，测定植物不同器官铬(Cr)、铜(Cu)、锌(Zn)、砷(As)、镉(Cd)、汞(Hg)和铅(Pb)含量，分析不同植物种类对重金属的富集能力，筛选尤溪本地绿竹林重金属富集植物，对尤溪绿竹产业的发展、笋品质的提升具有重要意义。

1 研究区概况

研究区位于福建省尤溪县梅仙镇，属中亚热带季风性湿润气候，夏季湿热，冬季温凉，年均气温19.2 ℃，极端低温-7.8 ℃。降水量的年际变化较大，年均降水量1620.6 mm，2—6月为春雨、梅雨季，大雨暴雨较多。年均日照时间1574.3 h。试验点位于低矮丘陵地带，坡度5°～10°，土体深厚，土壤为典型山地红壤，质地粘重，偏酸性。

当地绿竹林于2004—2006年由1年生母竹移栽造林，造林密度900 株·hm-2，2006年成林经营至今。其中材用绿竹林经营较为粗放，笋用竹林经营采取传统经营方式，每年1—4月伐除老竹，根据竹丛大小选择性保留1～3年生母竹4～6株，其中3年生母竹最多保留1株。4—5月翻土并进行施肥，翻土深度10～15 cm，施肥采用环竹丛外缘沟施和穴施2种方式，施肥后及时覆土。林下植被丰富，主要为芒萁(Dicranopterisdichotoma(Thunb.) Berhn.)、臭牡丹(ClerodendrumbungeiSteud.)等草本和低矮灌丛木本植物。研究区域中水尾采样点、马坪采样点和后坑采样点位于原铅锌矿附近，绿竹林为材用林；通坑采样点为笋用林。

2 试验设计与研究方法

2.1 样品采集与处理

于2020年4月对4个采样点绿竹林下生长的主要植物进行调查，分器官采集不同植物样品(表1)，带回实验室用去离子水洗净后，105 ℃下杀青30 min，70～80 ℃下烘至恒重。将所有烘干样品，剪碎混匀后以高速粉碎机磨细后，装袋保存。植物样品铬(Cr)、铜(Cu)、锌(Zn)、砷(As)、镉(Cd)、汞(Hg)和铅(Pb)含量参照《土壤农化分析》[9]和《土壤农业化学分析方法》[10-12]测定。

表1 植物样品基本信息

土壤样品采用五点混合法采集，于植物样品采集点用土铲挖取0～20 cm土层的土壤样品，混匀后采用四分法分取1000 g左右带回实验室，晾干磨碎至过20目筛储存。土壤各指标参照《土壤农业化学分析方法》[10-12]测定。

表1(续)

2.2 数据统计与处理

采用Excel进行数据统计，使用SPSS 18.0软件进行数据处理，Duncan新复极差法测验不同处理间差异显著性。

3 结果与分析

3.1 不同样点土壤养分及重金属含量差异

由表2可知，不同采样点土壤养分和重金属含量差异均较大，其中水尾村采样点土壤有机质、碱解氮、速效磷、速效钾、全氮含量均最低，分别为8.3 g·kg-1、59.5 mg·kg-1、1.0 mg·kg-1、31.4 mg·kg-1、0.44 mg·kg-1，说明水尾绿竹林采样点土壤养分较为瘠薄，材用绿竹生长对肥料养分需求较低，适宜发展材用绿竹林。通坑采样点土壤有机质、碱解氮、全氮含量最高，分别为27.9 g·kg-1、128 mg·kg-1、1.18 g·kg-1，说明通坑绿竹林土壤氮素养分较为充足。对4个采样点土壤重金属含量分析发现，水尾采样点土壤Cu、Pb含量超出风险值；马坪采样点土壤Cu、Pb、Cd、As含量超出风险值；后坑采样点土壤Pb、Cd超出风险值；通坑采样点仅土壤Pb含量稍微超出风险值，超出范围为5.0%。考虑到土壤采样深度仅20 cm，表层土壤受人为经营和大气自然沉降等干扰后重金属含量会有所升高，容易受到外界环境的影响。

表2 采样点土壤养分及重金属含量

3.2 不同植物地上部重金属含量差异

从地上部来看(表3)，13种植物地上部各器官中Cr含量最低、最高分别为枇杷叶紫珠秆、叶，分别为1.86、29.80 mg·kg-1；Cu含量最低、最高分别为芒萁、华南毛蕨，分别为2.71、15.70 mg·kg-1；Zn含量最低、最高分别为臭牡丹秆、枇杷叶紫珠叶，分别为11.0、132.0 mg·kg-1；As含量最低、最高分别为盐肤木、芒萁，分别为0.061、3.060 mg·kg-1；Cd含量最低、最高分别为臭牡丹秆、华南毛蕨，分别为0.026、0.549 mg·kg-1；Hg含量最低、最高分别为臭牡丹秆、枇杷叶紫珠叶，分别为0.007、0.028 mg·kg-1；Pb含量最低、最高分别为盐肤木、芒萁，分别为2.83、36.30 mg·kg-1。13种植物地上部Cr、Cu、Zn、As、Cd、Hg、Pb平均含量分别为9.28、7.14、39.4、0.350、0.219、0.014、11.08 mg·kg-1。

表3 植物样品地上部主要重金属含量 mg·kg-1

3.3 不同植物地下部重金属含量差异

对于地下部来说(表4)，不同植物地下部Cr、Cu、Zn、As、Cd、Hg、Pb含量分别在0.78～125.00、3.86～44.00、14.0～354.0、0.176～2.530、0.086～0.833、0.008～0.039、8.74～596.00 mg·kg-1之间，平均含量分别为28.87、10.49、65.8、0.799、0.481、0.019、72.97 mg·kg-1。其中棕叶狗尾草地下部Cr、Cu、Zn、As、Pb含量均远高于其它植物，盐肤木地下部Cu、Zn、Pb含量均低于其它植物。

表4 植物样品地下部主要重金属含量 mg·kg-1

3.4 主要重金属元素含量在不同植物之间差异

总体来看，主要重金属在植物中的平均含量均表现为地下部>整株>地上部(表3～表5)。从表5可以看出，对于不同植物整株来说，主要重金属元素含量差异进一步增加。不同植物中Cr含量最高、最低分别为棕叶狗尾草、商陆，分别为74.7、2.3 mg·kg-1；Cu含量最高、最低分别为棕叶狗尾草、盐肤木，分别为26.8、4.5 mg·kg-1；Zn含量最高、最低分别为棕叶狗尾草、山矾，分别为209.7、19.9 mg·kg-1；As含量最高、最低分别为棕叶狗尾草、盐肤木，分别为1.334、0.147 mg·kg-1；Cd含量最高、最低分别为商陆、臭牡丹，分别为0.724、0.073 mg·kg-1；Hg含量最高、最低分别为乌梅、盐肤木，分别为0.026、0.008 mg·kg-1；Pb含量最高、最低分别为棕叶狗尾草、盐肤木，分别为307.5、5.8 mg·kg-1。整株植物Cr、Cu、Zn、As、Cd、Hg、Pb平均含量分别为18.9、9.3、52.2、0.440、0.360、0.016、40.3 mg·kg-1。表明棕叶狗尾草对Cr、Cu、Zn、As、Pb的富集能力均最强，商陆、乌梅分别对Cd、Hg的富集能力最强。差异显著性分析结果表明，棕叶狗尾草Zn、Pb含量显著高于其它植物(P<0.05)，说明棕叶狗尾草对Zn、Pb的富集能力远超其它植物；As、Hg含量在所有植物之间均无差异显著性(P<0.05)，说明不同植物对As、Hg的富集能力差异不大。

表5 主要重金属元素在不同植物之间差异 mg·kg-1

对土壤与植物各元素含量相关性分析发现(表6)，土壤Pb与植物Zn、Pb含量之间，土壤Cd与植物Cu含量之间呈极显著相关关系(P<0.01)。此外，土壤Cu与植物Zn含量之间，土壤Cr与植物Pb含量之间，土壤Cd与植物Cr、Zn、Pb含量之间，土壤As与植物Cu、Zn、Pb含量之间均具有显著性相关关系(P<0.05)，而土壤Hg含量与植物主要重金属元素含量之间均不具有显著性相关关系。表明植物对Cr和Cu的吸收仅受土壤Cd含量的影响，而植物对Zn、Pb的吸收受土壤中主要重金属元素含量的影响较大。

表6 土壤中各指标含量与植物重金属含量相关关系

4 结论与讨论

4.1 植物不同器官对主要重金属元素富集能力不同

已有研究表明，植物在生长过程中会主动或被动从土壤中吸收一种或多种重金属元素，在吸收量较小的情况下，这些元素主要用于植物体内化学物质形成及组织器官生长，参与植物体内氧化还原反应和电子传递、核酸和蛋白质代谢、植物呼吸作用和光合作用等生理活动，因此不同元素被吸收后积累、利用的器官有很大区别[13-14]。本研究中植物地下部各重金属元素平均含量均远高于地上部，说明植物地下部是富集重金属元素的主要器官。此结果与兰欣宇等[13]在对北京园林绿地8种树木3种重金属含量的研究结果相似。

重金属元素在植物体内的积累除了受器官影响较大以外[15]，还受到植物种类的影响。植物种类的不同是决定其对重金属富集能力的主要因素。已有研究[13-14]表明相同环境中生长的植物对重金属的富集能力总体表现为草本植物远高于木本植物[14]，这主要由于木本植物一般较为高大，生物量大可能导致分布在某一器官组织中的重金属浓度较低。此外，木本植物根系深，草本植物根系较浅主要吸收利用浅地表养分，浅地表土壤受降雨、施肥、土壤小动物和微生物等外界干扰较强，外界环境作用使得重金属元素在浅层土壤活性增加，造成浅根系的草本植物吸收更多的资源，具有较高的重金属含量。本研究中棕叶狗尾草整株Cu、Zn、Cr、As和Pb的含量远高于其它植物，且在同属于草本的华南毛蕨和芒萁等植物体内含量均较高(表5)，也证明了草本植物对重金属的富集能力高于木本植物，与吴福佳等[16]研究结果一致。

4.2 植物对重金属的富集与重金属元素的种类有关

土壤中重金属元素是植物体中重金属的最终来源，土壤重金属的含量决定着土壤可被利用的程度。从本研究结果来看，4个采样点中土壤Cu超标的比例为50%，Pb超标的比例为100%，有2个点Cd超标，1个点As超标，这主要是由于当地处于铅锌矿区附近，成土母质Pb含量较高，造成土壤富Pb的状态，说明Pb对当地植物生产风险较大。本研究中植物对Cr和Cu的吸收仅受土壤中Cd含量的显著影响，对Zn的吸收分别受土壤中Cu、Pb、Cd和As的显著影响，对Pb的吸收分别受土壤中Pb、Cr、Cd和As含量的显著影响，而对As、Cd和Hg的吸收受土壤中主要重金属含量的影响均不显著，表明植物对重金属元素的吸收和与积累不仅因植物种类与器官的不同差异很大，而且与重金属元素的种类有关。在Pb-Zn矿区笋用绿竹林重金属植物修复过程中应优先选择棕叶狗尾草、华南毛蕨、芒萁等Pb富集能力较强的植物作为绿竹伴生植物。