金矿周围树木对土壤重金属的吸收1)

李庚飞 程书强

(陕西省多河流湿地重点实验室(渭南师范学院)，渭南，714000)

近年来，随着我国工业化的迅速发展，土壤重金属污染日益严重［1］。重金属一旦进入土壤，不易分解、转化、富集，其污染具有隐蔽性、长期性和不可逆转性［2］，因此，重金属污染的治理已成为全球环境科学研究的热点［3－5］。植物修复技术因其经济、高效且不造成二次污染的优点得到越来越多的认可［6］。然而传统的植物修复材料因其生物量低、生长缓慢等特点，使其在具体实践应用中受到很大制约［7］。而木本植物具有生长迅速、生物量大、根系发达等特点，用于修复受重金属污染土壤的可行性引起了广泛关注［7－9］。树木修复被认为是环境保护研究领域一项应用前景广阔的新兴环境友好技术，国内外相继开展重金属污染环境的树木修复相关研究［10－11］。当前，利用树木修复土壤重金属污染的研究集中在小面积的盆栽试验、水培试验和田间栽培试验上［1，12］，对自然生长于污染土壤上的树木的研究较少，且缺少野外试验数据的支持。而本研究测定了峒峪金矿区污染土壤上生长的6种树木体内的Cu、Cd和Zn质量分数，及其在树木不同器官中的分布、转运特征，旨在从长期生长于污染土壤的树木中寻找、挖掘可能具有重金属污染修复潜力的树种，并为建立人工湿地生态系统修复土壤重金属污染提供理论依据。

1 研究区概况

研究区位于距潼关县峒峪镇金矿排水沟沿岸区域，地理坐标34°23＇～34°35＇N，110°15＇～110°25＇E。海拔为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。光能资源较充足，热量和降水量偏少，年平均日照时数2 269 h。年平均气温12.8℃，年平均降水量为625 mm，年植被蒸发量1 193 mm，四季多风，年平均风速3.2 m/s。

2 研究方法

植物样品的采集与处理:于2011年10月，沿潼关县桐峪镇金矿废水沟，选择3～5年生、健康、无病虫害的桑树(Morus albaL.)、杠柳(Periploca sepiumBunge)、洋槐(Robinia pseudoacaciaL.)、酸枣(Ziziphus jujubavar.spinosa(Bunge)Hu)、毛白杨(Populus tomentosaCarr.)、枸 树 (Broussonetiapapyrifera(L.)vent.)6种树木采样。在所选树木的向阳方向分别采集1年生枝条3～5枝、外围枝条中部功能叶片3～5片及地下细根，分别做好标签并装入PE塑料袋为待测植物样品。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，105℃下杀青5 min，然后在70℃下烘干至恒质量，用粉碎机粉碎过60目筛，用 HNO3－HCIO4消解，用WFX－120型的原子分光光度计测定Cu、Cd、Zn质量分数。

土壤样品的采集与处理:以植物样品的根系为中心，在其周围2 m半径范围内，按照“X”法采集0～20 cm的表层土壤，混合均匀，经四分法保留0.5 kg，装入PE塑料袋内作为待测土样。采回的土壤样品在室内常温风干，去除动植物残体、石块等杂物，用玛瑙研钵将其研碎，过100目的尼龙筛，称取1.0 g进行消解，消解处理过程及土壤测定过程同植物样品处理。

污染指数的计算:单项元素污染指数采用Pi=Ci/Si计算。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。所有元素均采用《中国土壤元素背景值》(中国环境检测总站，1990)中的中国土壤元素平均含量为评价标准。P≤0.7 表示清洁，0.7＜P≤1.0 表示尚清洁，1.0＜P≤2.0表示轻污染，2.0＜P≤3.0 表示中污染，P＞3.0表示重污染。

3 结果与分析

3.1 各树种根际土壤重金属污染指数

由表1可知，各树种根际土壤中Cu和Cd都达到了重度污染状态，特别是根际土壤中Cd的单项污染指数都已超过400，Cu的均已经超过4，超过重度污染的最低限。除毛白杨根际土壤Zn达到重度污染外，其它树种根际土壤均为中度污染。矿区周围排水沟沿岸除了生长各种树木和杂草外，当地居民还种植玉米、黄豆、小麦和各种青菜等农作物，杂草及各种农作物产品中含有的重金属通过各级食物链在人体内富集，严重威胁着人类的健康，所以，该地区土壤重金属污染已经达到了必须治理的程度。

表1 不同树种根际土壤重金属的污染程度

3.2 各树种根、枝、叶中重金属质量分数的差异

由表2可以看出，植物体内各种重金属质量分数明显存在 Zn＞Cu＞Cd的趋势，这与参考文献［13］的结果相一致。不同树木不同部位重金属质量分数不同，各树种枝中重金属质量分数明显低于根部和叶片。洋槐体内Cu的质量分数高于其余树种，其根部质量分数最高，为76.43 mg/kg，叶片次之，为74.81 mg/kg;桑树枝内Cu质量分数为6种树木不同部位中最低的，为4.49 mg/kg。各树种不同部位Cd质量分数多数小于10 mg/kg，但桑树叶片、洋槐根和洋槐叶片除外，特别是洋槐叶片中Cd质量分数高达55.69 mg/kg，是建立人工生态系统筛选吸收Cd可以考虑的植物种类。各树种不同部位Zn质量分数均较高，其中以洋槐叶片最高，为 1 987.70 mg/kg。

表2 不同树种各部位重金属质量分数 mg·kg－1

3.3 各树种对重金属富集能力的差异

3.3.1 对Cu的富集能力

由表3可知，各树种对Cu的富集系数均较低，特别是桑树(0.08)、酸枣(0.09)和白毛杨(0.11)对Cu的富集系数近0.10左右，枸树(0.56)和洋槐(0.52)对Cu的富集能力相对较高，但均小于1。不同树种对Cu的转移能力也存在较大差异，枸树(0.87)、白毛杨(0.78)和杠柳(0.71)相对于其它树种的转移系数较高，但均小于1，而桑树的转移系数最低，仅为0.44。所以，6种树木中枸树对Cu的富集能力最强，桑树和酸枣对Cu的富集能力较弱。

表3 不同树种对重金属元素的富集能力

3.3.2 对Cd的富集能力

由表3可知，各树种对Cd的转移系数存在较大差异，桑树的转移系数远高于其余5种植物，其值高达8.90，且Cd主要储存在叶片中。洋槐对Cd的转移系数次之，为1.44，而其它4种树木对Cd的转移系数均小于1。不同树种对Cd的富集系数也存在很大差异，但总体不高，均小于0.50。洋槐、酸枣对Cd的富集系数相对其它树木较高，而其它树木的富集系数均小于0.10。可见，6种树木中洋槐对Cd的吸收能力最强。

3.3.3 对Zn的富集能力

被测树种对重金属Zn的转移能力要高于对Cu和Cd的转移能力，转移系数均大于0.70，洋槐的转移系数高达1.40，杠柳的转移系数(0.98)也较高，接近1，且洋槐和杠柳地上部分对Zn主要富集在叶片中。6种树木对Zn的富集系数均大于2，特别是洋槐对Zn的富集系数高达10.61。所以，6种树木对土壤中Zn的富集能力均较强，其中以洋槐最强(表3)。

4 结论与讨论

Brooks等1977年提出了超富集植物这一概念［14］，现在公认超富集植物应同时满足以下3个标准［15］:①植物地上部分富集的某种元素含量达到生长在同一介质非超富集植物地上部分含量的100倍以上，其临界含量标准(以干质量计)Pb、Cu、Ni、Mn和Co等多数金属的质量分数为1 000 mg/kg，Zn为10 000 mg/kg，Au 为1 mg/kg，Cd 为100 mg/kg;②地上部重金属含量大于根部含量;③植物的生长没有出现明显的毒害症状。当然，理想的超富集植物还应具有生长周期短、抗病虫能力强、地上部分生物量大、能同时富集2种或2种以上重金属的特点。但在利用植物修复重金属污染时，若植物对某金属元素的转移系数和地上部分富集系数均大于1，说明该植物对金属元素具有超富集的潜力，对重金属超富集植物的筛选更有意义［16］。本试验地区污染均没有对植物造成明显毒害症状，6种树木对3种重金属的吸收结果中，只有洋槐对Zn的富集系数和转移系数均大于l，因此，洋槐可能是金属Zn的超富集植物，对重金属Zn的修复具有重要意义。

Baker等认为，利用超富集植物进行植物修复是原位清除污染土壤中重金属的有效方法之一［17］。从不同部位对重金属的积累特点来看(表2)，6种树木对不同重金属的吸收大多数表现为根部高于地上部分，不具备重金属超积累植物的一般特征，即与其它大部分普通植物对重金属积累的特点相似［18－19］。但桑树对 Cd、洋槐对 Cd和 Zn的地上富集高于根部。桑树对Cd的富集系数虽然仅为0.09，但其转移系数高达 8.90，洋槐对 Cd的富集系数为0.39，但其转移系数为1.44，且桑树和洋槐吸收的Cd主要富集在叶片中，有利于回收，可避免造成二次污染，且桑树和洋槐的叶片生物量远高于其它杂草类生物，所以桑树和洋槐也是吸收Cd的较好树种。另外，虽然枸树对Cu的转移系数(0.87)和富集系数(0.56)都没有达到1，但地上部分富集的Cu主要储存在叶片中，且枸树叶片年生长量为6种树木中最大的，有利于回收处理Cu污染，所以对污染区的植物修复具有重要意义。

在治理矿区重金属污染问题中，不仅需要研究工作者筛选与搭配建立人工修复生态系统的植物种类，还需要工厂认识到自己的责任所在，注重排放前处理，以及政府相关部门的干预和全社会环保人士的支持和努力。

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