毕节铅、锌矿区重金属污染及优势植物累积特性分析——以毕节妈姑和金钟铅、锌矿区为例

史开举，江　洪

（1.黔西县金兰中学，贵州 黔西 551500；2.贵州工程应用技术学院　a.生态工程学院，b.生物资源开发与生态修复重点实验室，贵州　毕节　551700）

毕节铅、锌矿区重金属污染及优势植物累积特性分析——以毕节妈姑和金钟铅、锌矿区为例

史开举1，江洪2a，2b

（1.黔西县金兰中学，贵州 黔西 551500；2.贵州工程应用技术学院a.生态工程学院，b.生物资源开发与生态修复重点实验室，贵州毕节551700）

重金属的开采和冶炼不仅破坏生态平衡，而且严重威胁人类的健康。以毕节地区2个铅锌矿为研究对象，采用现场采样、室内分析的方法，调查研究了该地区土壤及优势植物中重金属含量。结果表明：研究区土壤主要受到Pb、Zn、Cu、Cd四种重金属污染，其中，Cd污染最为严重，Pb、Zn为轻度污染。优势植物重金属含量测定表明，野艾蒿属于重金属富集型植物，苦苣菜属于规避型植物，马刺蓟属于根部囤积型植物。以上几种优势植物对重金属均具有一定的耐性，可以作为铅锌矿区弃地植物修复的优选物种。

铅锌矿；重金属污染；优势植物；累积特性

重金属污染是矿区普遍存在的最为严重的问题之一[1]。矿区矿渣长期堆放、填埋使重金属元素不断扩散到矿区周围，导致四周土壤、水资源受到严重污染，严重破坏生态平衡[2-3]。土壤中的重金属能被植物吸收，从土壤中迁移到植株体内，对植物来说是一种胁迫因素，进入植物体内的重金属会在植物体的各个部位发生不同程度的累积。当重金属含量过高时就会对植物的正常生长、发育和繁殖等生理活动产生影响，甚至破坏[4]。植物本身不能降解重金属，反而会在食物链的传递过程中不断累积，最后进入人体。最终累积在人体的某些器官当中，严重时造成慢性中毒，甚至还有致癌、致疾、致突变的潜在危险。

目前，国内外大量专家学者对土壤重金属及植物修复作了研究。如周建民等对广东大宝山矿区周围尾矿、土壤、沉积物中重金属进行了详细研究[5]。发现该矿区周围土壤污染主要受到Cu、Zn、As、Cd、Pb等多种重金属复合污染。宋书巧等对金洞村农田的土壤重金属污染现状进行调查与分析[6]，结果表明，农田受到了严重的As、Pb、Cd、Zn等重金属污染。Shikazono等研究发现铅锌矿周边土壤中常富集Pb、Zn、Cu等重金属以及类金属元素As，这些重金属在土壤中的含量会超过限定值的几十倍甚至几百倍[7-8]。林文杰等对铅锌废弃地的研究发现：通过植物修复可明显降低重金属对周围河流的污染[9]。罗强等对南京栖霞铅锌矿区土壤与植物重金属含量进行研究，发现植物体内和土壤重金属含量呈正比，而植物重金属富集系数则与土壤中重金属含量成反比[10]。Mench等研究了植物对重金属理化性质的改变和转移，结果显示：植物不仅能减轻土壤中的重金属含量，而且还改变重金属废弃地的性质[11]。Pamukcu等对巴西南部煤矿废弃地改良效应进行研究，发现植被能够稀释土壤中难以处理的有机物质[12]。但是，对毕节铅锌矿区重金属污染及优势植物重金属累积特性分析方面的研究相对较少，仍需深入研究。本文选取毕节地区2个铅锌矿区（金钟镇和妈姑镇）为研究对象，对研究区土壤和优势植物体内各部分重金属含量进行分析，初步筛选出适合铅锌矿区废弃地植被修复的重金属耐性植物，为该铅锌矿以及其他矿区废弃地的植物修复提供一定的科学依据和基础资料。

1　研究方法

1.1研究区基本情况

妈姑镇东经104°33′09″，北纬26°58′42″，属于亚热带大陆性季风气候区，年降雨量为1000-1300mm，年均温度为10-13℃，海拔高度为2000-2200m。该区域自从1980开始土法炼锌，在1980年至1997年期间，冶炼规模较小，约为10个冶炼炉。从1998年到2003年期间，为了追求更多的利益，矿区规模不断变大[13]。但由于冶炼设备及技术等因素的限制，生产过程中留下的废弃物对矿区周边土壤及水源造成了严重的污染。

金钟镇东经104°19′至104°33′，北纬26°37′至26°52′，属亚热带季风气候带，地势均较高，年平均降雨量l000-1400mm，年平均气温10-13℃，海拔为2000m左右[14]。该地区土法炼锌历史悠久，加之设备及技术比较落后，对于Pb、Cu、Cd等元素提取率极低。废渣中残留大量的重金属如Pb、Zn、Cu、Cd等，经长期雨水冲刷，使得附近土壤及水资源遭到严重的重金属污染[15]。

1.2研究方法

1.2.1样品的采集

分别在赫章县妈姑镇和威宁县金钟镇2个铅锌矿废弃地进行采样。每个矿区设置4个采样方（10m×10m），每个样方再划分为4个5m×5m的正方形样点。用不锈钢铲从每个样点的4个顶点和中心共采集约100g表层土壤样品。一起转入样品袋中混合均匀，贴上标签，作为代表该采样点的土壤样品。在样点内根据代表性、典型性和适时性的原则，选取生长较好、数量较多的植株进行随机多株采样，除部分灌木外，所有植物尽量采集整株，并保持植株的完整性。采集好的样品装好并附上样品编号和采集登记表以便查对和分析数据时参考。

1.2.2样品处理

土壤样品在室温下自然风干，磨碎，过100目筛，备用。

植物样品带回实验室后，植物根部附着的泥土和污物用自来水充分洗净，再用去离子水冲洗，之后用烘箱于105℃左右杀青5min，再于70℃左右烘干至恒重。将植物样品分为地上部分和地下部分，磨碎，过40目筛，备用。

1.2.3样品重金属的测定

称取0.25g土壤，置于150ml三角瓶中，加入硝解液（硝酸：高氯酸=4:1）进行消解，冷却。加0.5%的硝酸加热，过滤，用0.5%硝酸定容50ml，用ICP-AES测定土壤中Cu、Pb、Zn、Cd。

取植物样品0.25g，加入消解液（硝酸：双氧水=2:1）15ml，置于微波消解罐消解，冷却，用0.5%的盐酸定容25ml。用原子吸收光谱仪测定土壤及优势植物中的Cu、Pb、Zn和Cd的含量。

1.2.4土壤重金属污染评价

本研究采用单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法，定性地描述该地区土壤重金属污染程度[16]。单因子指数法，其表达式为：

式中：Pi为土壤中污染物i的环境质量指数；Ci为污染物i的实测质量分数（mg·kg-1）；Si为污染物i的评价标准(mg·kg-1)。本研究采用《国家土壤环境质量标准》（GB15618-1995）中的二级标准作为评价标准[17]。

内梅罗（N.C.Nemerow）综合污染指数法：单因子指数只能反映各个重金属元素的污染程度，不能全面地反映土壤的污染状况，而内梅罗综合污染指数兼顾了单因子污染指数平均值和最高值，可以突出污染较重的重金属污染物的作用[18-19]。内梅罗综合污染指数计算方法如下：

式中：P综—第j个采样点的质量综合指数；Pijmax—第j个采样点i污染物所有单项污染指数中的最大值；Pijave—第j个采样点i污染物所有单项污染指数中的平均值。具体土壤重金属污染指数分级标准见表1[20]。

表1　土壤重金属污染指数分级标准

1.2.4数据分析

用Excel2007和SPSS19.0进行数据分析。

2　结果与分析

2.1研究区土壤重金属污染评价

不同采样点土壤重金属含量如表2所示，不同元素间以及不同矿区间重金属元素均存在不同程度的差异（P＜0.05），妈姑镇矿区土壤Pb的含量因采样点不同而有所差异，具体为MGZ-1〉MGZ-2〉MGZ-3〉MGZ-4。样地MGZ-1重金属Pb含量最大为278.53mg/kg，该样地距离废渣堆最近，废渣中的Pb随大气降雨进入水体和土壤，使土壤遭受污染，由于长期累积，导致该区域Pb含量较其他地区高。重金属Pb含量最低的是MGZ-4为258.45mg/kg，该采样点距离第一个采样点100m，现在为荒地。四个采样点的重金属Pb含量均超过GB15618-1995中的二级标准250mg/kg的1倍以上。

在所采集的样品中，MGZ-1、MGZ-2、MGZ-3、MGZ-4四块样地中重金属Zn的平均含量分别为389.99mg/kg、380.19mg/kg、342.77mg/kg、394.61mg/kg。其中最大值为MGZ-4样地，达到394.61mg/kg，是国家二级标准200mg/kg的2倍；最小值为MGZ-3样地为342.77mg/kg，是国家二级标准200mg/kg的1.7倍。众所周知，锌是动物、植物生长所必须的元素，同时，锌元素既有营养性有伴随着毒性，尤其是与其他金属元素（如镉元素）复合污染时，更是不可轻视的[21]。如果人体摄入大量的锌元素也会引起中毒[22]。因此，锌元素的污染也是值得重视的。MGZ-1、MGZ-2、MGZ-3、MGZ-4四块样地中重金属Cu平均含量分别为：145.83mg/kg、117.42mg/kg、132.16mg/kg、142.40mg/kg，与GB15618-1995中的二级标准50mg/kg相比，均达到其2倍以上。MGZ-1、MGZ-2、MGZ-3、MGZ-4四块样地中重金属Cd平均含量分别为：11.12mg/kg、9.94mg/kg、8.74mg/kg、13.23mg/kg，与GB15618-1995中的二级标准0.3mg/kg相比，分别是二级标准的37、33、29、44倍。其中MGZ-4样地污染最为严重，其含量达到13.23mg/kg，为国家二级标准的44倍。表明该区域内重金属Cd严重累积，不宜作为农田，否则高含量的Cd通过食物链进入人体，将会对人体健康带来极大的安全隐患。

表2　铅锌矿区土壤重金属含量（平均值±标准差）（mg/kg)

金钟镇矿区土壤中的Pb元素含量平均值顺序为255.41mg/kg(JZZ-2)＞241.16mg/kg（JZZ-4）＞238.02mg/kg(JZZ-1)＞236.88mg/kg(JZZ-3)与GB15618-1995中的二级标准250mg/kg持平，但是均超过其中一级标准35mg/kg的6倍以上。在所采集的样品中，JZZ-1、JZZ-2、JZZ-3、JZZ-4四块样地中重金属Zn的平均含量分别为251.05mg/kg、256.06mg/kg、253.54mg/kg、273.94mg/kg，与GB15618-1995中的二级标准35mg/kg相比，分别是其7.1、7.3、7.2、7.8倍。表明该区域受到严重的Zn污染。JZZ-1、JZZ-2、JZZ-3、JZZ-4四块样地中重金属Cu的平均含量分别为27.40mg/kg、22.43mg/kg、23.86mg/kg、25.92mg/kg，都没有高于《国家土壤环境质量标准》（GB15618-1995）中的规定一级标准35mg/kg，说明该地区Cu含量受人为影响不大，Cu污染可以不予以考虑。JZZ-1、JZZ-2、JZZ-3、JZZ-4四块样地中重金属Cd的平均含量分别为5.74mg/kg、7.82mg/kg、6.25mg/kg、7.58mg/kg，与GB15618-1995中的二级标准0.3mg/kg相比，超出二级标准十几倍，污染最为严重的JZZ-2样地甚至达到《国家土壤环境质量标准》（GB15618-1995）中的二级标准0.3mg/kg的26倍之多。从环境影响出发，应对该地区的Cd污染予以重点防治。

2.2赫章县妈姑镇水塘村铅锌矿区重金属污染生态风险评价

赫章县妈姑镇水塘村铅锌矿区重金属污染指数评价见表3，从单因子污染指数(Pi)评价结果来看，污染指数从大到小的排列顺序为：Cd〉Cu〉Zn〉Pb，四种金属均有不同程度的累积。其中，MGZ-1、MGZ-2、MGZ-3、MGZ-4中Cu的污染指数平均值分别为2.85、2.41、2.78、2.82，单因子污染指数Pi〉2，水塘村铅锌矿区Cu污染水平达到Ⅲ等级，处于中度污染状态（对照表1）；Zn的污染指数平均值分别为1.94、1.90、1.72、1.95。单因子污染指数1≤Pi〈2，水塘村铅锌矿区Zn污染水平达到Ⅱ等级，处于轻度污染状态（对照表1）；Pb的污染指数在四个区域分别为1.10、1.09、1.08、1.05，单因子污染指数1≤Pi〈2，妈姑镇铅锌矿区Pb污染水平达到Ⅱ等级，属轻度污染（对照表1）。对妈姑镇铅锌矿区污染指数分析发现，Cd的污染程度是最大的，其污染指数平均值为36.17、34.77、31.50、37.37，Pi≥3，达到重污染水平（对照表1）。从内梅罗综合污染指数（P综）评价结果来看，妈姑镇铅锌矿区MGZ-1、MGZ-2、MGZ-3、MGZ-4各采样点的综合污染指数分别为43.04、38.95、35.11、44.14，内梅罗综合污染指数P综〉3，污染程度均为Ⅴ等级，呈重度污染水平（对照表1）。如果直接在该土壤上种植粮食作物，重金属将会沿着食物链进入人体，使人体受到重金属的毒害，因此需对其进行修复改造后再栽种作物。

表3　妈姑镇铅锌矿区土壤重金属污染指数

2.3威宁县金钟镇冒水井铅锌矿区重金属污染生态风险评价

威宁县金钟镇冒水井矿区重金属污染评价指数结果见表4，表4中的单因子污染指数(Pi)评价结果从大到小的排列顺序为Cd〉Zn〉Pb〉Cu。其中，JZZ-1、JZZ-2、JZZ-3、JZZ-4中Cu的污染指数平均值分别为0.52、0.46、0.48、0.51，与赫章县妈姑镇水塘村矿区相比，重金属Cu含量相对偏低，单因子污染指数Pi〈1，污染等级达到Ⅰ等级，处于清洁状态（对照表1）；Zn的污染指数平均值分别为1.27、1.27、1.28、1.35，单因素污染指数1≤Pi〈2，金钟镇矿区土壤Zn污染水平达到II等级，处于轻度污染水平（对照表1）；Pb的污染指数平均值分别为0.95、0.94、0.95、0.95，Pi〈1，污染等级达到Ⅰ等级，处于清洁状态（对照表1）；与赫章县妈姑镇水塘村矿区一样，金钟镇矿区Cd污染程度是最大的，JZZ-1、JZZ-2、JZZ-3、JZZ-4采样点Cd的污染指数平均值依次为：22.23、24.70、20.73、21.30，四块样地中重金属Cd的单因子污染指数Pi≥3，达到重度污染水平（对照表1）。从内梅罗综合污染指数(P综)评价结果来看，金钟镇冒水井矿区JZZ-1、JZZ-2、JZZ-3、JZZ-4各采样点的综合污染指数分别为23.68、25.22、21.39、23.15，内梅罗综合污染指数P综〉3，为重污染，等级为Ⅴ（对照表1）。

表4　金钟镇冒水井铅锌矿区重金属污染指数

2.4优势植物体内重金属含量

由于各类重金属的活动性以及植物对其耐性机制的不同，重金属在不同植物体及同一植物的不同部位的分布也不尽相同。调查区内16种优势植物体内重金属含量见表5。

表5　铅锌矿区优势植物重金属含量（平均值±标准差）（mg/kg）

结果显示，重金属含量最高的是Zn，其中马刺蓟地下部分Zn含量达到992.94mg/kg、野艾蒿地上部分Zn含量达到903.33mg/kg。其次是Pb、Cd、Cu，这一结果与土壤中各类重金属含量趋势保持一致。与植物中金属元素正常含量比较，研究区植物只有Cu含量全部在正常范围内，大部分植物中的Pb、Zn含量达到了正常范围的几倍到十几倍，重金属Cd的含量在所有植物中均超出了正常范围几倍到几十倍，野艾蒿地上部分Cd含量甚至到达植物正常含量的47倍之多。马刺蓟的地下部分中Pb、Zn的含量最高分别为572.04mg/kg、992.94mg/kg，达到正常值的几十倍之多。但并未达到超富集的临界含量[ω（Pb）为1×10-3，ω（Zn）为10×10-3][24]。野艾蒿体内除Cu外，每一种重金属的含量都很高。

2.5植物对重金属的富集转移特征

重金属富集系数是指植物体内的重金属元素含量与土壤中相应元素含量之比[25]。重金属富集系数可以用来反映植物对重金属富集程度的高低或富集能力的强弱。由表6可知：（1）两个矿区中优势植物对Cu的富集系数均小于0.5，即对Cu的富集能力较弱。野艾蒿对Pb、Zn、Cd富集系数均大于1，即对Pb、Zn、Cd的富集能力较强；（2）妈姑镇矿区，甜根子草、大叶醉鱼草对Zn的富集能力较强，珠光香青对Pb的富集能力较强，黄花蒿对Pb、Zn的富集能力较强；（3）金钟镇矿区，大叶醉鱼草、节节草、甜根子草、繁缕对Pb的富集能力较强。

表6　铅锌矿区优势植物的富集系数与转移系数

由于重金属在植物体中迁移特性差异较大，用转移系数表示重金属在地下部分与地上部分的迁移能力[26]。转移系数越大，说明植物对重金属有较强的迁移能力。从表6中转移系数发现：（1）妈姑镇矿区，由于甜根子草对四种重金属的转移系数均〈1，重金属从地下部分向地上部分迁移能力较弱；野艾蒿对四种重金属的转移系数均〉1，即其地上部分重金属含量高于根部，重金属从根部向地上部分迁移能力较强；另外，黄花蒿、马刺蓟对Cu有较强的转运能力，大叶醉鱼草对Pb、Zn、Cd有较强的转运能力，珠光香青对Zn有较强的转运能力:（2）金钟镇矿区，节节草对四种重金属的转移系数均〈1，重金属从根部向地上部分迁移能力较小，即其地上部分重金属含量低于根部；野艾蒿对四种重金属的转移系数均〉1，即其地上部分从根部向地上部分迁移能力较强；另外，大叶醉鱼草对Pb、Zn、Cd有较强的转运能力，苦苣菜对Pb有较强的转运能力，接骨草对Cd有较强的转运能力。

3　结果与讨论

研究显示，调查区主要受到Pb、Zn、Cu、Cd四种重金属的污染，其在土壤中的含量呈现Zn〉Pb〉Cu〉Cd的趋势。通过对铅锌矿重金属污染评价发现，Zn、Cd、Pb的含量都超过了GB15618-1995中的二级标准。即远远超过了该标准所规定的保障农业生产和维护人体健康的土壤限制值。对该地区的生态环境和人类健康造成了严重的威胁，其中，重金属Cd的污染最为严重，必须予以重点防治。此结论与吴志强等和杨元根等的研究结果保持一致[27-28]。

雷梅等将植物对重金属的吸收机制分为根部囤积型、规避型和富集型3类[29]。富集型即能够主动从土壤吸收重金属并将重金属富集在其体内，而且能够将大量重金属转移到地上部。本研究表明，野艾蒿体内重金属含量除Cu外均超过植物正常含量的几倍-几十倍，且其对4种重金属元素的转移系数均大于1，即地上部分重金属含量高于地下部分，表明野艾蒿对重金属具有很强的富集能力，符合富集型植物的特征。根部囤积型植物对土壤中的重金属具有被动吸收的特征，能将重金属吸收至体内，大量金属元素囤积于根部，只有少量向地上部运移[30]。马刺蓟根部重金属地下部分重金属含量到达Zn: 992.94mg/kg、Pb:572.04mg/kg、Cd:8.61mg/kg，而地上部分含量仅为Zn:345.08mg/kg、Pb:89.22mg/kg、Cd: 1.72mg/kg，表明其能够在多种重金属综合污染的土壤中生长，并将从土壤中吸收的重金属累积在地下部根系部位，属于根部囤积型植物。规避型植物则抑制根系对重金属的吸收，并将沉淀土壤重金属在根系表面，而植物体内仅吸收很少量的重金属[23]。苦苣菜尽管生长在重金属元素含量较高的环境中，但体内重金属含量均未超标，富集系数和转运系数均小于1，属于重金属规避型植物。

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（责编：任秀秀责校：明茂修）

Heavy Metal Pollution and Accumulation Characteristic of Advantage Plants in Lead and Zinc Mine of Bijie——Taking Magu and Jinzhong Lead and Zinc Mine in Bijie as an Example

SHI Kai-ju1，JIANG Hong2a，2b
(1.Jinlan Middle of Qianxi County,Qianxi,Guizhou551500,China;2a.School of Ecological Engineering，Guizhou University of Engineering Science,Bijie,Guizhou551700,China;2b.Key Laboratory for Biological Resources Development and Environment Building,Guizhou University of Engineering Science，Bijie, Guizhou551700,China)

Mining and smelting of heavy metals not only destroy the ecological balance,but also threaten the health of human beings.We considered 2 research object of lead-zinc mine as the research object in Bijie,using field sampling and method of laboratory analysis,and the contents of heavy metals and dominant plants were investigated in soil.The results showed that the soil in the study area was polluted by Zn,Cu,Pb and Cd element,among which,the Cd pollution was the most serious,and Pb,zinc for light pollution.Analysis of heavy metal content of dominant plants showed and Artemisia lavandulaefolia which belongs to the metal enrichment plant,the Spurs thistle is hoarding types of plant roots,Sonchus oleraceus belongs to metal evade type plant.These dominant plants had some patience to the heavy metals,and could be used as the preferred species for the phytoremediation of abandoned land in lead and zinc mining areas.

Lead and Zinc Mine;Heavy Metal Pollution;Dominant Plant;Accumulation Characteristic

H05

A

2096-0239（2015）05-0151-10

2016-06-15

国家自然科学基金“乌蒙山区蕨类植物多样性研究”，项目编号：31560069；贵州省教育厅自然科学青年项目“毕节试验区铅锌矿、矿山废弃地植被恢复技术研究”，项目编号：黔教科（20090071）；贵州省毕节地区科技计划“毕节地区铅锌矿土法冶炼废弃地重金属污染及植被恢复技术研究”，项目编号：毕科合字[2010]009；贵州省科技厅科学基金“百里杜鹃国家森林公园及其邻近地区苔藓植物多样性及保护研究”，项目编号：黔科合J字[2011]2149。

史开举（1989-），男，贵州黔西人，黔西县金兰中学教师。研究方向：恢复生态学。

江洪（1980-），男，贵州遵义人，贵州工程应用技术学院生态工程学院讲师，博士。研究方向：恢复生态学。