4种草类植物对矿区土壤重金属的富集特征

李庚飞

(渭南师范学院 陕西省多河流湿地重点实验室，陕西 渭南 714000)

近年来，由于工业、农业和矿业的迅速发展，土壤污染日益严重，特别是重金属污染已经成为国内外研究的焦点[1-3]。长期以来，很多学者对重金属污染治理进行大量研究，并达到了一定的治理效果，传统的物理方法和化学方法等治理重金属投资大，且需要影响土壤结构，仅适合于小面积治理污染[4-5]。而植物修复技术克服了上述缺点，对环境扰动少、修复成本低且能大面积推广应用，为土壤重金属污染的治理开辟了新的途径，且具有广阔的应用前景[6-7]。本研究以治理金矿周围土壤中重金属污染为主要目标，利用植物修复的方法，以金矿周围4种杂草中富集的Cu、Cd和Zn等重金属为研究对象，分析不同草类植物各部位的各种重金属含量，探讨不同植物对3种重金属元素的富集能力，及其在植物不同器官中的分布、转运特征，为建立人工植物修复系统，筛选修复土壤中超量重金属的杂草种类提供参考依据。

1 研究区概况及研究方法

1.1研究区概况 研究区域位于潼关县桐峪镇金矿周围。地理坐标34°23′～34°35′ N, 110°15′～110°25′ E。海拔高度400～500 m，土壤主要为黄土质棕壤，属暖温带大陆性半干旱季风气候。光能较充足，年平均日照时数2 269 h。年均温12.8 ℃，年均降水量625 mm，四季多风。

1.2样品采集 2011年10月，于潼关县桐峪镇金矿周围，选择生长期一致、健康的4种草类植物[苘麻(Abutilontheophrasti)、鹅绒藤(Cynanchumchinense)、裸菀(Gymnasterpiccolii)和紫花地丁(Violaphilippica)]采样。每一样区随机选择3～5株，并在所选植物的不同方向分别采集叶、枝及地下细根，分别做好标签，为待测植物样品。

1.3样品处理与测定

1.3.1植物样品的处理与测定 将采集回的植物样品先用自来水冲洗，去除表面污垢，再用去离子水冲洗3遍，烘干前先在105 ℃下杀青5 min，然后在70 ℃下烘至质量不变，用粉碎机粉碎过0.25 mm筛，称取1 g粉碎样品，用HNO3-HClO4消解，并采用WFX-120型的原子分光光度计进行Cu、Cd和Zn含量测定。

1.3.2土样处理与测定 在所选植物根际周围1 m2范围内，采用“S”法或“X”法，除去表土，采集地表以下0～20 cm深度土壤，每个区域样地分别由5个样品混合，四分法保留0.5 kg样土为待测土样，并对采样地进行编号。土样室内常温风干，去除动植物残体、石块等杂物，并用玛瑙研钵将其粉碎后过0.15 mm的尼龙筛，称取1 g左右土样进行消解，消解及土壤测定过程同植物样品。

1.4数据分析

单项元素污染指数：Pi=Ci/Si，式中，Ci为土壤中污染元素i的实测值；Si为土壤中污染元素i的评价标准，3种元素评价标准均参照参考文献[8]。P≤0.7表示清洁， 0.73.0表示重污染。

富集系数[9]：EC=CPi/CSi，式中，CPi指植物中某污染物含量；CSi指土壤中该污染物含量。它反映了植物将土壤中重金属元素转移到植物体内的能力,富集系数越大，则植物对该种重金属从土壤向体内的迁移能力越强。

转移系数：TF=Coi/Cui，式中，Coi指植物地上部分重金属的量；Cui指植物根中该重金属的量。它反映了植物将该重金属从根部向地上部分转移能力的大小。若某金属元素的富集系数和转移系数均大于1，说明该植物对金属元素具有超富集能力，对重金属超富集植物的筛选更有意义。

2 结果与分析

2.1根际土壤中各种重金属的污染指数 不同植物根际土壤中3种重金属含量均超过土壤污染的最低限值，特别是根际土壤中Cu和Cd均处理重污染状态，尤以Cd的单项污染指数均已超过400；Cu的单项污染指数都大于6，在紫花地丁根际土壤中高达13.1；除紫花地丁根际土壤Zn达到重污染外，其他植物根际Zn均为中污染，单项污染指数小于3(表1)。矿区周围除生长各种杂草外，当地居民还种植玉米(Zeamays)、黄豆(Glycinemax)和小麦(Triticumaestivum)等各种农作物，各种杂草及农作物中含有的重金属通过食物链富集在人体内，严重威胁着人类的健康。因此，该地区土壤重金属污染已达到必须治理的程度。

2.2不同植物茎和叶中各种金属元素含量 从总体来看，植物体内各种重金属含量存在Zn>Cu>Cd的趋势(表2)。不同植物不同部位重金属含量不同，各种重金属含量在茎中明显低于根部和叶片，茎主要起运输物质的功能，重金属主要储存在根部或叶片[10]。

4种草类植物体内Cu的含量以裸菀最高(表2)。其根部最高，为93.20 mg·kg-1，叶片含量次之，为92.47 mg·kg-1。苘麻茎内Cu含量为植物不同部位中最低，仅为15.18 mg·kg-1。4种杂草不同部位Cd含量大多数都很低，小于10 mg·kg-1，而鹅绒藤叶片中Cd含量却高达22.41 mg·kg-1(表2)。4种植物中不同部位Zn含量均较高，其中以裸菀叶片中含量最高，其值为1 005.00 mg·kg-1(表2)，地上部分高含量的重金属元素有利于回收，避免二次污染。

2.3不同植物对不同重金属元素富集能力比较

2.3.1不同植物对Cu的富集能力的比较 4种植物中紫花地丁对Cu的富集系数最低，仅为0.08，而裸菀对Cu的富集系数(0.38)相对于其他植物较高，但其值也小于1(图1)。说明这4种杂草对Cu的富集能力均较弱。不同植物对Cu的转移能力不同(图1)，紫花地丁(0.72)和鹅绒藤(0.67)的转移系数相对于裸菀和苘麻较高，但均小于1，特别是苘麻的转移系数最低，仅为0.44。

表1 不同植物根际土壤重金属含量Table 1 The contents of heavy metals in rhizosphere soils of different weeds

表2 不同植物各器官重金属含量的比较Table 2 The contents of heavy metals of different organs in different weeds

图1 不同植物对Cu的富集系数和转移系数Fig.1 Cu bioconcentration and transfer factors in different plant species

2.3.2不同植物对Cd的富集能力的比较 苘麻(0.14)、裸菀(0.14)和紫花地丁(0.16)对Cd的富集系数差异不明显，且其值均较低，而鹅绒藤对Cd的富集系数相对其他3种植物较高，其值为0.31(图2)；4种植物对Cd的转移系数均较高，其值均大于1(图2)，其中以鹅绒藤的转移系数最高，其值高达1.89，裸菀最低。

图2 不同植物对Cd的富集系数和转移系数Fig.2 Cd bioconcentration and transfer factors in different plant species

2.3.3不同植物对Zn的富集能力的比较 4种植物对Zn的富集系数均较高，其中以苘麻对Zn的富集能力最弱，但其值也大于1，为1.46，4种杂草中裸菀对Zn的富集系数最高，高达3.71(图3)。而鹅绒藤(2.08)和紫花地丁(2.26)处于二者之间。4种植物中裸菀对Zn的转移系数最高，为1.20，虽然其他3种植物对Zn的转移系数均小于1，但鹅绒藤(0.97)和紫花地丁(0.95)的转移系数接近1(图3)。

图3 不同植物对Zn的富集系数和转移系数Fig.3 Zn bioconcentration and transfer factors in different plant species

3 讨论

本研究所选的4种植物在对3种重金属的富集能力研究中，多数都体现出普通杂草所具有的一般特征，即地下部分的重金属富集能力大于地上部分，不具备超富集植物的一般特征[11]。但裸菀对Zn的富集能力却体现了地上部分富集能力大于地下部分，即转移系数为1.20，且富集系数高达3.71，裸菀在当地生长状况良好，符合超富集植物应具备的条件[6]，所以，裸菀是矿区重金属Zn植物修复的首选植物。鹅绒藤和紫花地丁对Zn的转移系数虽然小于1，但分别为0.97和0.95，都接近1，且它们的富集系数都大于1，因此，鹅绒藤和紫花地丁对于矿区重金属Zn的植物修复也具有重要意义。

对重金属污染地区的生态恢复，利用一些植物的超积累特性进行原位清除是重金属污染治理的方法之一[12]。而有效利用一些生物量较大且对重金属有较高耐性和吸收性的植物是今后植物修复研究的重要内容之一。本研究中鹅绒藤对Cd的富集系数虽然仅为0.31，没有达到超富集植物所具有的一般特征，但其转移系数高达1.89，且地上部分的含量较其他植物大，即鹅绒藤从土壤中吸收的重金属Cd能够不断地被运送到地上部分，通过地上部分收割去除土壤中的重金属Cd，防止二次污染，所以，鹅绒藤对含重金属Cd的土壤修复中具有一定意义。

草类植物具有耐不良生长环境、繁殖力极强、条件适宜即生长迅速等特点，而且能够弥补植物修复过程中某些植物难于栽培和管理等缺点与不足，所以杂草对于植物修复来说是一类较理想的植物资源[13]。本研究是以当地生长较多的杂草为对象，其中有些杂草(如苘麻)虽然对3种重金属的富集能力均较弱，但由于成熟苘麻的地上部分生物量较大，对于调节和改善当地的气候条件，增加生物多样性也具有一定作用。

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