贵州省高峰村卡林型金矿苔藓植物调查及污染指示研究

左思艺，安宏锋，王之明

贵州省环境监测中心站，贵州 贵阳 550000

卡林型金矿又称微细浸染型金矿，不可见金或其颗粒极细(纳米级)是该类金矿的重要特点[1]。露天开采不但破坏当地生态环境，还会造成严重的重金属污染。

苔藓植物有着独特的生理特性，能在矿区恶劣的重金属污染环境下生存和繁衍。且苔藓植物对其生境中的重金属具有很强的富集能力[2-3]。20世纪60年代后期大量出现利用苔藓监测大气重金属污染的研究[4]。而在被重金属污染的土壤上，大量地方性植物物种的发现促进了耐金属植物研究。同时，某些能够富集重金属的植物也相继被发现，随后有关耐重金属植物与超富集植物的研究逐渐增多，植物修复作为一种治理污染的技术被提出[5]。开采后的金矿区，基岩裸露，生态环境恶化，甚至导致石漠化的发生。这样的生态环境脆弱，稳定性差，敏感性强，承载能力弱，容易破坏且难以恢复[6]。在植物难以生长的情况下苔藓植物常常以先锋植物的角色出现，苔藓植物的出现对于增加地表植被覆盖、提高生物多样性和恢复生态系统功能具有重要意义，因而成为研究金矿区重金属污染和生态修复的首选理想植物。

苔藓植物不但能探矿[7-9]，更具有监测重金属污染[10-15]和生态修复的巨大潜力[16-18]。本文调查了贵州省兴义市雄武乡高峰村卡林型金矿区苔藓植物的种类，研究了苔藓植物体内与基质重金属含量的相互关系以及苔藓植物对重金属的富集特征(As虽然不属于重金属，但其来源以及危害与重金属相似，本文归并到重金属一并叙述)，为苔藓植物监测金矿区重金属污染及生态修复提供科学数据。

1 实验部分

1.1 野外工作

高峰村卡林型金矿位于贵州省兴义市白碗窑镇，现已停采，属于废弃金矿。在野外工作时，发现该金矿有2个开采点，考虑可互相作为对照和补充，使实验数据更加全面、结论更加科学。按照污染浓度梯度将该金矿划分为3个区域，分别是重污染区(包括废石区、废渣区、废洞区、废水区和洗金池)、相对污染区(荒地)和清洁区(农田)。野外采集苔藓标本时，按照重污染区、相对污染区和清洁区的顺序依次进行。

以每个生境为一个样点，每个样点中按5 m×5 m取3个样方，每个样方用10 cm×10 cm金属丝做成的样方框采集3～5份标本；对应每个生境用采集刀采集一份土壤基质。按此方法分别在2个开采点(命名为高峰村1号和高峰村2号)采集到94、75 份标本，共计169份。

1.2 室内工作

1.2.1 苔藓鉴定

对样品进行整理(装入样品袋并贴上标签)，借助《中国苔藓志》、《中国藓类植物属志》(上、下册)和《云南苔藓植物志》(第十八卷)，用HWG21型双筒解剖镜和XSP-BM-2CA型光学显微镜对标本进行鉴定。

1.2.2 元素测定

准备工作。将选出的苔藓样品与基质用镊子分开，用自来水冲洗直至没有杂物，然后用去离子水冲洗1～2遍。将分离开的苔藓植物与基质用滤纸包住放入干燥箱，调节温度至60 ℃(防止Hg挥发)，48 h后取出研磨。植物和基质样品分别过粒径为178 μm和149 μm筛后装入样品袋备用。

植物样品的消解。测定Cu、Zn、Cd和Pb时，称量0.2 g植物样品放入三角烧瓶中，加入5mL HNO3-HClO4混酸(体积比4∶1)。后放于可调电热板上硝化至白烟散尽，取下冷却后加入0.5%的HNO3转移至50 mL的定量瓶中，用0.5%的HNO3定容至50 mL待测。测定Hg和As时，称量0.2 g植物样品放入聚四乙烯消解罐中，加入3 mL HNO3，在沸水浴中消解至黄色透明，后将罐内的全部黄色液体用10 mL的5%HCl转移至50 mL的定量瓶中，加入5 mL 10%的硫脲，用去离子水定容至50 mL待测。

基质样品的消解。测定Cu、Zn、Cd和Pb时，称量0.2 g基质样品放入三角烧瓶中，加入10 mL HNO3-HCLO4混酸(体积比4∶1)。后放于可调电热板上硝化至白烟散尽，取下冷却后加入5%HNO3定容至50 mL待测。测定Hg和As时，称量0.2 g植物样品放入比色管中，加入新配置的王水(VHCL∶VHNO3=3∶1)沸水浴2～3 h至白烟散尽后取出冷却后加入5 mL 10%硫脲，用去离子水转移至50 mL定量瓶定容至50 mL待测。

AF-640用原子荧光光谱仪和A Analyst 800原子吸收光谱仪分别对Hg、As和Cu、Zn、Cd、Pd进行元素测定[19]。

1.2.3 质量控制

按照《土壤环境监测技术规范》(HJ/T 166—2004)的有关要求以及空白样和平行样开展基质和植物重金属元素测定的质量控制。

1.2.4 数据分析

相似性系数(Sx)计算公式：

式中：A为甲地区全部科(属、种)数；B为乙地区全部科(属、种)数；C为2个地区共有科(属、种)数。

富集系数C′=植物体内某元素的含量/该植物基质中某元素的背景值,C′ ≥ 1.5时为相对富集，C′ ≥ 3时为强烈富集，C′=0.5～1.5时两者属同一水平，C′ < 0.5时为相对贫化，C′ < 0.1时为强烈贫化。

运用SPSS19.0软件对数据进行相关性分析。

2 结果与讨论

2.1 高峰村卡林型金矿区苔藓植物种类调查

对采集到的169份标本进行鉴定，发现苔藓植物12科26属50种(表1)。硬叶净口藓Cymnostomumsubrigidulum(Broth.)chen、羽枝青藓Brachytheciumplumosum(Hedw.)B.S.G.、北地扭口藓BarbulafallaxHedw.、真藓BryumargenteumHedw.、芽孢银藓AnomobryumgemmigerumBroth.等在矿区分布广泛。丛藓科和真藓科苔藓标本占总标本数的43.64%和31.62%。

表1 苔藓植物科、属、种的统计Table 1 Statistics of families, genus, Species of bryophytes

生活型有矮丛集型占84.87%、高丛集型占3.78%和交织型占11.34%，丛集型占绝对优势。苔藓植物的生活型是指在不同的生态环境下苔藓植物的集群和生长型的综合特征，是苔藓植物对综合环境条件的适应在外貌上的反映，通过物种组成生活型的分析，可以揭示环境的一般特征[20]。生活型的调查结果说明，丛集型的生长方式可以有助于苔藓植物体保水，减少蒸发面积，增强抗旱能力，从而更能适应金矿区恶劣干旱的生态环境。

根据当地苔藓植物的具体分布情况，按属≥5、种≥10排列优势科，则优势科为丛藓科和真藓科。丛藓科共有7属19种，占总属数和总种数的26.92%和36.00%，真藓科共有5属14种，占总属数和总种数的的19.23%和28.00%。

2个金矿开采点发现的苔藓植物在物种种类、丰富度以及空间分布上呈现出一定的差异性。共有的苔藓植物有硬叶净口藓、真藓、硬叶扭口藓Barbularigidula(Hedw.)Mild、羽枝青藓、芽孢银藓、短叶小石藓WeisiasemipallidaC.Muell.、阔叶小石藓WeisiaplanifoliaDix.和弯叶真藓原变种BryumrecurvulumMitt.var recurvulum(表2)。计算不同分类级别(科、属、种)的相似性系数，得出科、属、种的相似性系数分别为58.82%、55.56%和27.59%(表3)。不同自然环境中影响苔藓植物分布的主要生态因子不同，例如：影响城市或公园苔藓分布的主要生态因子有人为干扰、土壤水分和乔灌层郁闭度等[21-24]；影响湖泊岛屿苔藓分布的主要生态因子有基质、坡度和草本盖度等[25]。因为受到不同生态因子的影响，导致高峰村2个开采点的苔藓植物出现差异性。目前国内还未有金矿区苔藓植物分布与生态因子关系的详细研究。

表2 2个开采点各生境苔藓植物优势种Table 2 Dominant species of bryophytes in each of habitat in the two mining sites

表3 2个开采点苔藓植物的相似性Table 3 Similarity of bryophytes in the two mining sites

2.2 苔藓植物对重金属污染的指示作用

在测定基质和苔藓植物重金属含量实验中，对6种元素分别各做了2个空白样实验；抽取20%的样品做平行样实验。基质平行样标准偏差为0.8%～6.2%，苔藓植物平行样标准偏差为0.7%～9.6%，具体情况见表4。

表4 质量控制结果Table 4 Quality control results

在污染区(重污染区、相对污染区)和清洁区选取优势种进行苔藓与基质重金属含量相关性研究。其中，高峰村1号污染区苔藓植物为硬叶净口藓，清洁区为羽枝青藓；高峰村2号污染区苔藓植物为台湾曲柄藓和北地扭口藓，清洁区为羽枝青藓。图1中污染区数据来自重污染区或者相对污染区。

图1 苔藓重金属含量与生境重金属含量的关系Fig.1 Relationship between heavy metal element contents of bryophytes and heavy metal concentration in habitat

从图1可见，污染区的苔藓植物重金属含量普遍高于未受污染的区域，苔藓植物体内的6种重金属含量与生境重金属含量有较好的正相关性。同时发现高峰村2号污染区的苔藓植物Zn和As元素含量低于清洁区。这和重金属在苔藓植物中的生物阻抗作用有关。1990年，TYLER[26]提到生长在污染严重的矿渣上的葫芦藓，它的孢子体对重金属有强烈的耐受能力和阻抗能力，这是孢子体为了在生长过程中达到最大的生物量，所以必须尽可能地排除来自土壤基质及其外部环境直接或者间接的金属毒性影响。在金矿污染区内，各重金属元素背景值的含量均较高，使得有些苔藓可能会对这些元素产生生物屏蔽机制，以此来阻止过量的重金属元素转移到体内，减少它们对苔藓植物的毒害作用。因为相同生境中不同苔藓植物中的同一种重金属元素含量水平是不相同的。野外苔藓植物种类的分布及各生境优势苔藓植物种类的不同，会对研究苔藓植物体内重金属含量的变化规律产生一定影响。

从苔藓植物和基质重金属含量的相关性系数研究中发现，硬叶净口藓与基质中Cd和Zn元素含量正相关。在0.05置信水平上，它们的相关性系数分别为0.973和0.892。本文用图2来呈现这种显著的正相关关系。

图2 苔藓与基质金属含量相关性Fig.2 Correlate between heavy metal element contents of bryophytes and substrate of soil

本次研究结果说明卡林型金矿苔藓植物重金属含量与基质重金属含量密切相关的同时，也发现不是所有的苔藓植物都能有效监测每一种重金属污染。不同种类的苔藓植物对元素的吸收有很强的选择性[9]。在野外，某些苔藓植物与基质中某种重金属有显著的正相关性，找到该种苔藓植物用作土壤重金属污染的指示植物具有可行性。

2.3 苔藓植物对重金属的富集特征

富集系数是衡量植物对重金属积累能力的一个重要指标，指植物体内某种重金属含量与土壤中该种重金属含量的比值[27]，反映植物对基质中元素的吸收能力，通过对富集系数进行研究，可以找到对重金属具有强富集能力的苔藓植物，说明苔藓具有修复土壤重金属污染的潜力。

研究同污染区域中的不同种苔藓植物以及不同生境中的同种苔藓植物的富集能力，结果表明，不同种类的苔藓植物富集重金属的能力不同，不同生境中的同种类的苔藓植物富集重金属的能力也不相同(图3、图4)。同时，本次研究中只发现对单一重金属元素有较强富集能力的苔藓植物，并未发现能同时高富集多种重金属元素的苔藓。

图3 不同苔藓富集重金属能力Fig.3 Different bryophytes have different ability to enrich heavy metals

图4 同种苔藓在不同生境富集重金属能力Fig.4 The same kind of bryophytes has different ability to enrich heavy metals in different habitats

在高峰村1号和高峰村2号分别选择4个生境，包括重污染区2个、相对污染区1个和清洁区1个。2个开采点4个生境中优势种的6种元素的富集系数见图5。这几种苔藓植物对Cu和Hg的富集能力较低，对Cd的富集能力较高，其中高峰村1号相对污染区中的硬叶净口藓和高峰村2号清洁区中的羽枝青藓富集能力最强。

图5 2个开采点各生境优势苔藓植物对重金属的富集情况Fig.5 Bioconcentration factors of six heavy metals in bryophytes with different habitats in two mining sites

高峰村卡林型金矿的常见种和优势种为硬叶净口藓、北地扭口藓和羽枝青藓。其中，硬叶净口藓对元素富集能力从大到小顺序依次为Cd>Pb>Cu>Zn>Hg>As，对Cd最大富集系数为5.58，是强烈富集。羽枝青藓富集能力从大到小顺序依次为Cd>Pb>Zn>Hg>As>Cu，对Cd最大富集系数为16.52，是强烈富集；对Cu最大富集系数为2.41，是相对富集。北地扭口藓富集能力从大到小顺序依次为Zn>Cu>Pb>Cd>Hg>As，对Zn最大富集系数为2.97，是相对富集(图6)。另外，对Cu、Zn富集能力最强为北地扭口藓，富集系数分别是2.41和2.97；对Pb、Hg富集能力最强为硬叶净口藓，富集系数分别为2.00和0.51；对As富集能力最强为葫芦藓FunariahygrometricaHedw.，富集系数为0.66。

图6 3种常见苔藓植物对重金属的富集系数Fig.6 Bioconcentration factors of six heavy metals elements in three common bryophytes

3 结论

苔藓植物中的一些种类对某些特定重金属元素的高耐受度和低阻抗力，可以帮助该种苔藓植物能生长在严重重金属污染的矿区，并且能够和基质中的一种或几种重金属元素保持良好的正相关性。这就为苔藓植物指示重金属污染提供了可行性。另一方面，在只有苔藓植物能够大量生长的矿区，对重金属的高富集能力是修复生态环境中的重金属污染的重要前提。

本次在高峰村卡林型金矿发现苔藓植物共计50种。生活型以抗旱能力强的矮丛集型为主，且在没有乔灌层的区域苔藓植物均为丛集型。由于受土壤水分、坡度、草本盖度、人为干扰等生态因子的影响，2个开采点的苔藓植物在种类、丰富度和分布上有差异。苔藓植物对重金属污染的指示作用研究结果表明，苔藓植物体内的重金属含量与基质背景值关系密切。高峰村金矿区硬叶净口藓与基质Cd和Zn元素是显著正相关关系，表明该苔藓具备监测卡林型金矿Cd和Zn污染的能力。硬叶净口藓和羽枝青藓对Cd强烈富集，这种强富集能力说明这2种苔藓有修复卡林型金矿区土壤Cd污染的潜力。