高As煤矿区灯心草重金属累积特性研究

刘桂华，胡 岗，秦 松，付天岭，范成五，刘小倩

（1.贵州省土壤肥料研究所，贵州贵阳550006；2.贵州省农业资源与环境研究所，贵州贵阳550006；3.贵州省农业资源与环境工程技术研发中心，贵州贵阳550006；4.贵州大学新农村发展研究院，贵州贵阳550025；5.贵州恒鼎源农业环境科技有限公司，贵州贵阳550025）

高As煤矿区灯心草重金属累积特性研究

刘桂华1，2，3，胡 岗1，2，3，秦 松1，2，3，付天岭4，范成五1，2，3，刘小倩5

（1.贵州省土壤肥料研究所，贵州贵阳550006；2.贵州省农业资源与环境研究所，贵州贵阳550006；3.贵州省农业资源与环境工程技术研发中心，贵州贵阳550006；4.贵州大学新农村发展研究院，贵州贵阳550025；5.贵州恒鼎源农业环境科技有限公司，贵州贵阳550025）

在实地调查的基础上，采用野外采样与实验室分析相结合的方法，就黔西南州高As煤矿区周边的优势植物物种——灯心草对重金属（Fe，Mn，Cu，As）的累积特征进行了初步研究，旨在探明灯心草对煤矿区重金属污染修复的潜力。结果显示，煤矿区受到了Fe，Cu，As的污染，累积指数分别达1.77，4.53和52.94，综合累积指数达755.98，属于重度累积，表明煤矿区已受到了严重污染。通过富集系数、转移系数、滞留率分析发现，灯心草对Fe，Mn元素属于富集型植物，对As元素属于根部囤积型植物，而对于Cu元素则属于规避型植物。

煤矿区；重金属元素；灯心草；累积指数；富集特征

矿山在开采过程中产生的废水、废气及固体废物所导致的重金属污染对周边生态系统造成了严重威胁，其所产生的污染能够长时间残留在土壤中，难以被微生物降解，因此，通过食物链会直接为害人体的健康[1]，最终引起土壤环境恶化、野生植物种类及数量的锐减，导致土壤失去使用价值。减轻矿区重金属对生态环境的为害，植被的重建就成为矿区生态恢复的最佳途径和急需解决的关键问题[2-4]。迄今为止，所研究的重金属超富集植物通常植株矮小，生物量较低，生长速度缓慢，生育周期长，同时，极易受土壤理化性质如水分、盐度、酸碱度等的影响，因此不能得到广泛的实际应用[5-6]。

通过对煤矿区周边土壤重金属污染现状的调查，以筛选出能够适应当地气候、土壤环境的重金属耐性物种，已成为矿区植被恢复、土壤修复的关键环节。灯心草（Juncus effusus）又称野席草、灯草、水灯心，是席草类莎草科蒲草属，多年生草本作物，分布范围较广。灯心草具有较高的经济、药用价值，在医药和民用工业等领域应用广泛，常见其在处理城市污水[7-8]、土壤重金属污染修复[9]等方面的报道。

笔者实地调查了煤矿区周围的优势物种，并对复合重金属富集特征进行了对比分析，筛选耐受性强、金属含量高、生物量大的植物，以便选出适应性较强的重金属耐性和超累积原生植物，进而对矿区周边污染土壤的修复和生态植被恢复具有一定的指导意义。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

兴仁县（东经105.18°，北纬25.43°）位于贵州省黔西南州中部。地势西高东低，地形起伏较大，属于典型的碳酸盐岩区，生态环境非常脆弱，石漠化较为严重。兴仁境内矿产资源丰富，主要有煤、金、锑、汞、大理石、石灰石等，其中，煤的远景储量超过45亿t，是国家地质储量机构认定的“兴仁煤田”。煤炭在开采和冶炼过程中留下了大量的废弃煤矿井及围岩，排放的矿山酸性废水和废渣，严重破坏了周边植物的多样性。

1.2 研究方法

1.2.1 土壤和植物样品采集 首先对煤矿区优势植物进行调查，结果发现，污染的矿区周边仍有灯心草生长，之后随机选取一个10 m×10 m的大样方，再在这个大样方中采用梅花布点法选取0.5 m× 0.5 m的5个小样方，然后在小样方内依次选取代表性强、生长旺盛的灯心草，采集完整植株，分别收集地上、地下部分，做好标记。同时，采集灯心草对应根部的表层土壤样品（0～20 cm），混匀，并做好标记。

1.2.2 样品测定与分析方法 植物样品采回后，先用自来水冲洗干净，然后用纯净水冲洗3次，于干燥箱中105℃杀青30 min，最后60℃烘干至恒质量，分别将地上部分和地下部分磨碎，过0.149 mm尼龙筛，再采用硝酸-长管消解法湿法消解，定容过滤待测。土壤样品带回实验室后，去除石块、植物根系残体，于室内自然风干，过0.149 mm尼龙筛，用王水回流-长管消解法湿法消解（SCP science Digi-pert HT，美国热电），定容过滤后待测。采用火焰原子吸收分光光度计（美国热电，ICE 3500）测定灯心草及土壤样品消解液中Fe，Mn，Cu等特征重金属元素含量，样品中As含量采用原子荧光光度计（北京瑞利，AFS-810）测定。

1.2.3 污染评价的方法与标准 污染指数法是较为普遍的污染评价方法，有单因子污染指数法、内梅罗综合污染指数法[10]。土壤由于地区背景差异较大，用土壤污染累积指数更能反映土壤的人为污染程度。土壤金属的累积状况可通过土壤金属全量测定值与累积性评价指标值相比较而获得[11]。

土壤单项累积指数计算公式如下。

式中，Pi全量为土壤中重金属i的单项累积指数；Ci为土壤中重金属i全量的实测质量分数（mg/kg）；Si为土壤中重金属i的累积性评价指标值（mg/kg）。当Pi全量≤1.0时，表示该土壤没有累积，仍在背景水平；当1.0＜Pi全量≤2.0时，属于轻度累积，表示该土壤中某种重金属已出现累积现象；当2.0＜Pi全量≤3.0时，属于中度累积，表明土壤中某种重金属已有一定程度的累积；当Pi全量＞3.0时，属于重度累积，表明土壤中某种重金属严重累积。

综合累积指数是污染物对土壤作用的较好反映，同时能显示高浓度污染物对土壤环境质量的影响。该评价体系特别考虑了污染最严重的因素，有效地规避了主观因素的影响，是目前应用较多的一种环境质量指数。可按综合累积指数划定污染等级。综合累积指数计算公式如下。

式中，P综合表示土壤重金属综合累计指数；maxPi全量表示土壤重金属中单项累积指数的最大值；avePi全量表示土壤重金属中单项累积指数的平均值。综合累积指数分级标准列于表1。

表1 土壤重金属综合累积指数等级划分标准

1.3 数据处理

数据分析、处理采用Excel进行。

富集系数＝植物体内重金属含量/土壤中重金属含量[12]；转运系数＝植物地上部重金属含量/地下部重金属含量；滞留率＝（地下部重金属元素的浓度－地上部重金属元素的浓度）/地下部重金属元素的浓度×100%[13]。

2 结果与分析

2.1 土壤中重金属含量与评价

2.1.1 土壤重金属的含量 兴仁高砷煤矿区内优势植物——灯心草根部pH值及相应土壤重金属含量列于表2。由表2可知，高As煤矿区灯心草根部的pH值平均在3.95±0.01，属于强酸性；4种金属在土壤中含量大小依次为Fe＞As＞Mn＞Cu，但相对于贵州省土壤背景值[14]，Fe，As，Cu均有不同程度的超标，分别是贵州省土壤背景值的4.53，52.94，1.77倍。

表2 高砷煤矿区优势植物灯心草根部土壤pH值及相应重金属含量

2.1.2 重金属污染指数及等级 煤矿区土壤重金属的单项累积指数和综合累积指数以及等级划分列于表3。由表3可知，在高As煤矿区中，Mn元素的单项累积指数小于1，仅为0.26，属于未累积；Cu元素的累积指数为1.77，属于轻度累积；而Fe和 As元素的累积指数分别为4.53和52.94，属于重度累积，说明该煤矿区已受到了Fe，As的严重污染，其中，As污染较为严重。从综合累积指数来看，P综合达到755.98，表明矿区的重金属综合累积已达重度累积水平。

表3 煤矿区土壤重金属污染指数及污染等级

2.2 灯心草对几种金属元素的累积特性

2.2.1 灯心草体内重金属含量 由表4可知，重金属在灯心草体内的含量大小表现为Fe＞Mn＞As＞Cu；而土壤中重金属含量大小为：Fe＞As＞Mn＞Cu。除As，Mn之外，植物体内与土壤中重金属含量基本保持一致，这在一定程度上反映了植物对重金属的富集作用与土壤中重金属本底含量之间存在一定的正相关性。灯心草体内4种重金属元素Fe， Mn，Cu，As中，除地上部分和地下部分的Cu元素含量的差异性不显著外（P＞0.05），其他3种元素含量在灯心草的地上部分和地下部分之间均达到了显著或极显著差异水平。此外，在灯心草体内的重金属含量与正常植物体内含量[15-16]相比，只有重金属Cu元素在植物正常生长范围内，而Fe，Mn，As这3种重金属均超标，说明灯心草对这几种重金属具有一定的富集能力。

表4 灯心草体内重金属含量 mg/kg

2.2.2 灯心草体内重金属富集、转移能力及滞留率

富集系数能够反映植物对土壤中重金属元素吸收转移能力的强弱，富集系数越大，说明植物对该金属富集能力越强[17]。其也是反映植物对重金属吸收潜力的重要指标，从而推断植物的修复潜力[18]。转移系数即植物地上部分的重金属含量与根部重金属的含量的比值，表示的是重金属在植物体内由根部向地上部转移的能力[19]。滞留率即根部重金属含量和地上部重金属含量之差与根部重金属含量的比值，可显示出植物对重金属耐性能力的强弱，这也是植物根部对重金属污染的一种保护性反应[13]。

从表5可以看出，灯心草对Mn元素的富集系数为6.04，而对Fe，Cu，As的富集系数均小于1，说明灯心草地上部分中的Mn含量大于其所生长的土壤环境中的Mn含量，因此，灯心草适应受Mn污染土壤的修复治理。灯心草对Fe，Mn的转运系数分别为2.48，3.03，而Cu和As则小于1。滞留率则表现出与转运系数相反的变化规律，即Cu，As的滞留率较大，特别是对有毒元素As的滞留率可达到96.59%，这是植物的一种自我保护机制，由于茎叶部分比根系更容易受到逆境的毒害，这样就有效避免了植物根部有毒元素进入茎叶中[19]。

表5 煤矿区灯心草富集、转移系数及滞留率

3 讨论

煤矿区灯心草根部土壤是呈强酸性的，土壤3种重金属（Fe，Cu，As）与贵州省土壤背景值相比，都有不同程度的超标，尤其As是背景值的50余倍。煤矿区土壤中Cu属于轻度累积，Fe和As则为重度累积。从综合累积指数来看，煤矿区重金属累积指数远远大于2.1，已经达到了重度累积的水平，可见，该煤矿区主要是由As污染引起的，说明矿山在开采后产生的As污染最为严重。

煤矿区周边土壤被重金属污染后，会对植物的生长发育造成严重的损害，但灯心草却能存活下来，且生长良好，这或许是由于长期的自然选择使植物产生了对重金属毒害的防卫机制，从而对污染产生了一定的抵抗能力[20]。有学者研究指出[21]，植物对重金属的吸收类型：第1类为富集型（Accumulators），能将重金属元素从土壤中主动吸收并富集[22]，转运系数大于1，能使重金属元素向地上部转移，灯心草地上部Fe，Mn含量分别达3029.97，944.17mg/kg，地下部分含量分别为1 223.58，311.66 mg/kg，说明灯心草是Fe，Mn的富集植物，具有修复Fe，Mn污染土壤的能力；此外，灯心草对Cu和As也具有一定的耐性，即使在高浓度Cu和As污染的土壤中也能生长良好。第2类是根部囤积型（Root Compartments），指植物吸收重金属后，很大一部分累积在根部，极少量会向地上部转移，从而减轻了其对光合、呼吸作用的毒害[21]，转移系数小于1。灯心草地下部As含量为134.63 mg/kg，而地上部As含量仅为4.59mg/kg。由此可见，灯心草对于重金属元素As，属于根部囤积型植物。第3类是规避型（Excluders），指将土壤重金属主要集中在根系表面，只有少量重金属被植物吸收，富集、转运系数均小于1，且植物体内重金属含量都属于正常水平。在本次煤矿区调查中，灯心草对于Cu的富集系数和转运系数均为0.76，且灯心草体内铜含量也在植物正常含量范围内。故对于重金属Cu，灯心草属于规避型植物。

综上所述，灯心草可作为修复高As煤矿区污染土壤的先锋物种，从而提高煤矿区植被覆盖率、改善矿区生态环境以及修复矿区重金属污染土壤。

4 结论

煤矿区周边土壤在一定程度上受到了Fe，Cu，As等重金属元素的污染，重金属的单项累积指数表明，除了Cu是轻度累积外，其他2种金属元素均达到了重度累积水平，且综合累积指数为755.98，属于重度累积。

灯心草中重金属含量除了Cu元素符合植物体内正常含量外，其他几种重金属元素（Fe，Mn，As）均远远超出了植物的正常生长含量范围。

灯心草对Fe，Mn的转运系数均是大于1，其中，Mn的富集系数也大于1，且滞留率均小于0；而对Cu和As的富集与转运系数均小于1，滞留率达到20%以上，尤其对As的滞留率高达96.59%。

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Study on Heavy Metal Accumulation Characteristics ofJuncus effususin High Arsenic Coal Mining Area

LIUGuihua1，2，3，HUGang1，2，3，QINSong1，2，3，FUTianling4，FANChengwu1，2，3，LIUXiaoqian5
（1.Guizhou Institute ofSoil and Fertilizer，Guiyang550006，China；2.Guizhou Institute ofAgricultural Resources and Environment，Guiyang550006，China；3.Guizhou Province Agricultural Resources and Environmental EngineeringTechnologyResearch and Development Center，Guiyang550006，China；4.Institute ofNewRural Development Research，Guizhou University，Guiyang550025，China；5.Guizhou Hengdingyuan Agricultural Environment TechnologyCo.,Ltd.，Guiyang550025，China）

Combined with the field survey,Juncus effusus was the dominant species around the coal mining area,then the heavy metal（Fe,Mn,Cu,As）accumulation characteristics of Juncus effusus was researched preliminarily by field sampling combining with laboratoryanalysis,aimed at exploringits potential ofrepairingheavy metal.The results showed that the coal mining area was polluted by Fe,Cu and As,the accumulation indexwas 1.77,4.53 and 52.94,respectively,the comprehensive accumulation indexwas 755.98.These indicated the coal miningarea was severe contamination.The analysis ofaccumulation index,transfer ratio and retention rate showed that Juncus effusus was accumulation type plant toFe,Mn and roots hoardingtype toAs,but was evasive type toCu.

coal miningarea;heavymetallic element;Juncus effusus;accumulation index;enrichment characteristics

X171.5

A

1002-2481（2016）08-1161-05

10.3969/j.issn.1002-2481.2016.08.25

2016-03-29

贵州省科研机构服务企业行动计划项目（黔科合服企（2015）4007）；贵州省科技厅科技计划项目（黔科合NY（2013）3077号）；贵州省农业科学院科技成果培育与人才培养项目（黔农科院CR合字（2014）12）

刘桂华（1989-），女，贵州铜仁人，研究实习员，硕士，主要从事农业环境重金属污染治理研究工作。范成五为通信作者。