东江湖铅锌矿渣堆场优势植物重金属富集特征

付广义，邱亚群，宋博宇，赵媛媛，许友泽，钟 宇，成应向

（1.湖南省环境保护科学研究院 水污染控制技术湖南省重点实验室，湖南 长沙 410004；2.环境保护部 环境保护对外合作中心，北京 100035）

东江湖是湖南省的重要饮用水源地，总蓄水量达8.12×109m3，其水质与1.300×107人口的饮水安全息息相关。同时，东江湖库区周边铅锌等有色金属矿丰富，自20世纪50年代库区铅锌矿采选冶炼活动不断，遗留了大量矿渣，据统计，其总量高达6.6×105t。目前东江湖库区周边历史遗留的铅锌矿渣已移除，但由于矿渣堆存时间长、重金属含量高，矿区土壤重金属污染严重[1]。现有研究表明东江湖铅锌矿渣堆场区域部分土壤中重金属Pb、Cd、As含量分别高达9 690、11.6和812.9 mg/kg[1-2]。在雨水淋溶条件下，这些残存于矿渣堆场土壤的高浓度重金属可进一步迁移至东江湖库区地下水和湖体中。可见，铅锌矿渣堆场重金属污染土壤已成为当前湖南东江湖库区饮用水安全的主要隐患，如何修复铅锌矿渣堆场重金属污染土壤是当前东江湖库区亟待解决的环境污染问题。

植物修复是矿区重金属污染土壤修复普遍采用的技术之一[3-5]，该技术的关键在于寻找或筛选出适于当地气候与土壤条件的重金属耐性或超富集植物[6-8]。东江湖清江乡存在多个铅锌矿区，矿区所处位置海拔高、昼夜温差大、雨量充沛，且铅锌采选历史悠久、涉及面积大、矿渣遗存量多，是东江湖库区典型的铅锌矿区。因此，本研究选取东江湖清江乡其中一个铅锌矿区——银水垅矿区为调查对象，对该矿区铅锌渣堆场土壤和优势植物进行样品采集与分析，研究Pb、Cd和As等重金属在堆场优势植物中的分布特征，以及不同植物对重金属的富集和转运能力，为建立植物修复系统，完成东江湖铅锌渣堆场土壤生态修复，提供科学依据。

1 研究方法

1.1 样品采集

湖南省资兴市东江湖银水垅矿区影响面积约为60 hm2，银水垅矿区原残留约1.2×105t铅锌废渣/废石，矿渣/废石移除后，堆场下层土壤受到了不同程度污染[1]。铅锌渣堆场及其周边的植物主要有臭牡丹Clerodendrum bungei、盐肤木Rhus chinensis、马尾松Pinus massoniana、芒萁Dicranopteris dichotoma、木姜子Litsea cubeba、枫树Acer saccharum、桂花树Osmanthus fragrans、木荷Schima superba和红叶石楠Photinia serrulata等9种。这9种植物为本地土著植物，能适应东江湖铅锌矿区的水文气候条件。本研究中每种植物采集3个重复样本，根系土壤样品为附着在植物根系上的0～20 cm 表层土壤。矿区铅锌渣堆场位置及植物、土壤采样点，如图1所示。

图1 采样点分布Fig.1 Sampling point distribution

1.2 分析方法

将植物按根、杆、叶分开，用自来水冲洗去除黏附于样品上的泥土，再用去离子水冲洗。烘干前先在105 ℃下杀青30 min，然后在70 ℃烘箱中烘干至恒重。将根、杆、叶用植物磨样机粉碎并充分混合，过0.5 mm尼龙筛。土壤样品取回后剔除植物残体，风干后研磨过100目筛，常温保存备用。经预处理后的植物和根系土壤样品采用盐酸-硝酸-高氯酸法进行消解，使用原子吸收分光光度仪测定样品Pb和Cd的含量，原子荧光光度计测定其中As的含量。

2 结果与分析

2.1 铅锌矿渣堆场优势植物根系土壤重金属污染状况

铅锌矿渣堆场9种优势植物根系土壤中Pb、Cd和As的含量如表1所示。9种植物根系土壤中Cd的含量均超过了土壤环境质量三级标准（表2），大部分植物根系土壤Pb和As的含量均超过了土壤环境质量二级或三级标准，可见该矿区土壤重金属，特别是Cd，污染较为严重。不同植物根系土壤中重金属含量差异较大，这可能与植物生长位置原废渣堆存量与堆存时间有关。

表1 植物根系土壤中重金属含量Table1 Heavy metal contents in plant root systems(mg·kg-1)

表2 土壤环境质量标准Table2 Soil environmental quality standards(mg·kg-1)

2.2 铅锌矿渣堆场优势植物体内重金属分布特征

铅锌矿渣堆场9种优势植物体内重金属Pb、Cd和As的含量如表2所示。由表2可知，植物体内Pb含量最高，其次是As和Cd，3种重金属含量与其在土壤中的含量特征基本一致，说明植物重金属与土壤重金属含量存在正相关性，与前人研究结果相似[9-11]。9种优势植物对重金属的吸收量各有不同，其体内（根、杆和叶）重金属总量范围为：Pb 5.69～195.28 mg/kg，Cd 0.56～ 11.48 mg/kg，As 3.27～25.68 mg/kg。所有调查的优势植物体内的Cd、Pb和As含量都没有达到超富集植物的临界含量（Pb 1 000 mg/kg；As 1 000 mg/kg；Cd 100 mg/kg）[12]，但远远超过一般植物中重金属元素正常含量（Pb 0.1～41.7 mg/kg，As＜1 mg/kg，Cd 0.2～0.8 mg/kg）[13]，说明这些植物是富集植物或抗性植物。

重金属Pb、Cd和As在9种优势植物的积累与分布，见图2。重金属在不同植物体内的总含量存在显著差异，具体而言，植物体内Pb总量大小顺序依次为：盐肤木＜桂花树＜芒萁＜木荷＜红叶石楠＜枫树＜马尾松＜臭牡丹＜木姜子，植物体内Cd总量大小顺序依次为：盐肤木＜木姜子＜木荷＜芒萁＜臭牡丹＜枫树＜桂花树＜红叶石楠＜马尾松，植物体内As总量大小顺序依次为：桂花树＜盐肤木＜红叶石楠＜马尾松＜枫树＜木荷＜芒萁＜木姜子＜臭牡丹。由此可见，盐肤木体内3种重金属含量均较低，臭牡丹和木姜子体内重金属Pb和As的含量最高，马尾松体内重金属Cd的含量最高，这与植物根系土壤重金属含量和自身富集能力相关。重金属在不同植物体内的分布情况存在显著差异，除个别植物外，3种重金属在植物根系的含量最高，其中，臭牡丹体内Pb分布情况为：根＞茎/杆≈叶，而As的分布情况为：根＞叶＞茎/杆；木姜子体内Pb分布情况为：根＞茎/杆＞叶，而As的分布情况为：根＜叶＜茎/杆。

2.3 铅锌矿渣堆场优势植物对重金属的富集特征与转运能力

图2 植物不同部位重金属含量Fig.2 Heavy metal contents in different parts of plants

为进一步探明矿区9种优势植物对不同重金属的富集与转运能力，计算并分析比对了各个植物体的富集系数（BCF）和转运系数（TF），结果如表2和图3所示。富集系数即植物地上部与土壤中相应重金属含量比值，用来衡量植物对土壤中重金属元素吸收累积能力，是评价植物富集重金属能力的指标之一，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。当BCF大于1时，说明植物地上部重金属含量大于其所生长的土壤环境中的重金属元素含量，这些植物可以用于土壤重金属污染修复治理。从表3可以看出，9种优势植物对Pb和As的BCF值均小于1，表明其对Pb和As的富集能力均较弱；相比之下，除盐肤木外，其余优势植物对Cd的富集能力均较强，BCF值均大于1。

转运系数是指植物地上部与地下部重金属含量的比值，通常用来衡量植物对重金属的转运能力。当TF值大于1时，说明植物能够将地下部分吸收的元素转运至地上部，从而达到地下部对重金属的大量吸收。而当TF小于1时，植物通过自身的排斥机制，阻止地下部分吸收的重金属向地上部运输，从而减少毒害作用。马尾松、臭牡丹、芒其和盐肤木地上部分Pb含量高于地下部分，对Pb的转运系数大于1，其它植物对Pb的转运系数远小于1，这可能与土壤中Pb含量较高有关；除木荷外，红叶石楠、枫树、桂花树、马尾松、臭牡丹、芒萁、木姜子和盐肤木地上部分Cd含量均高于地下部分，对Cd的转运系数大于1；枫树、马尾松、木姜子和盐肤木地上部分As含量显著高于地下部分，对As的转运系数大于1，其他植物木荷、红叶石楠、桂花树、臭牡丹和芒其地上部分As含量与地下部分相当。

表3 主要优势植物重金属富集系数和转运系数Table3 Heavy metal enrichment coefficients and transport coefficients of main dominant plants

图3 主要优势植物重金属富集系数和转运系数Fig.3 Heavy metal enrichment coefficients and transport coefficients of main dominant plants

3 结论与讨论

铅锌堆场9种优势植物体内重金属Pb、Cd和As含量均远远高于普通植物，其中，臭牡丹、马尾松、芒萁、木姜子、枫树和红叶石楠对Pb、Cd和As中的单种或多种元素具备超富集植物的特征和潜能。进一步对比分析得出臭牡丹和马尾松、芒萁、木姜子分别对Pb、Cd和As的富集和转运能力最强，此4种植物均符合超富集植物的基本特征之一（地上部的重金属含量高于根部该种重金属含量），其具有作为堆场土壤生态修复植物的潜力。李顺等[14]和张丽等[15]研究均指出臭牡丹则能够作为重金属Pb污染土壤生态治理的植物，另有研究表明芒萁和马尾松对重金属复合污染胁迫的耐性较强，可作为矿山植被重建的优势物种[16-18]。本研究中，红叶石楠虽对Cd的转运能力较弱，TF值（0.98）小于1，但其对Cd的富集能力较强，BCF值大于1；此外，已有研究表明红叶石楠对铅锌矿区土壤中Zn也具有较强的富集能力[19]。木荷和桂花树对Cd的BCF值均大于1；枫树对As的TF值则高达9.17，其地上部分的含量较其他植物大，即枫树从土壤中吸收的As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As。同时，其它研究也指出作为Mn超富集植物的木荷可作为矿区生态恢复的优选植物[20-22]；陈福春等[23]表明桂花树对重金属污染土壤具有较强的耐受性，且具备Cd超富集植物的基本特征，这与本研究结果基本一致。

综合以上优势土著植物重金属富集和转运特征可知，臭牡丹和马尾松、芒萁、木姜子分别对Pb、Cd和As具有较强的富集能力，可作为富集植物推广应用至矿区铅锌堆场土壤重金属污染修复；同时，红叶石楠、木荷、桂花树和枫树等4种乔木生物量大、重金属耐受能力强，其对于矿区铅锌堆场植物群落重建、重金属污染土壤生态修复与水土保持等方面均具有重要作用。根系土壤重金属浓度是影响其在植物体内富集与转运的关键因素之一，东江湖矿渣堆场优势植物根系土壤重金属浓度差异显著（表1），因此，无法通过本研究结果对比分析不同优势植物对各类重金属的富集与转运能力。本研究下一步拟采集东江湖矿区背景土壤，利用批量盆栽实验，进一步全面考察相同污染浓度水平下重金属在各优势植物体内的富集与转运特征；拟通过重金属浓度条件实验，定量分析各优势植物对不同浓度重金属的耐受能力，确定不同重金属在优势植物中的临界含量，为铅锌矿渣堆场重金属污染土壤植物修复提供全面科学支撑。