野樱桃和紫穗槐对矿区土壤重金属耐受特征分析

土壤重金属污染一直以来备受人们关注。关于土壤重金属污染问题，诸多学者做了相关研究。目前，土壤重金属污染修复有很多方法，例如化学淋洗、客土、植物修复等，其中植物修复被认为是减少尾矿环境危害最有前景的方法[1]。近年来学界发现许多超累积植物，一些草本植物如Sedum alfredii （Kunth） Greene， Teloxys grave‐olens （Willd）等能够在含有重金属的矿土中正常生长，对受重金属污染的土壤具有较强的吸收与富集能力，但是这些草本植物生命周期短，富集能力明显受限制[2]。而速生的木本植物也具备对重金属的富集和吸收能力，可克服草本植物的不足，它具有发达的根系、较长的生命周期，但是用速生木本植物来进行土壤重金属污染修复的报道较少[3]。部分综述类报道表明，木本植物紫穗槐（Amorpha fruticosa Linn）和野樱桃（Cera‐sus szechuanica. Batal）对重金属具有一定的吸收作用，但对于其生长状况及吸收论证性研究较少。本文通过对紫穗槐和野樱桃这2种木本植物在受污染的重金属土壤介质中的生长状况及吸收富集特征进行研究，以期揭示这2种木本植物对重金属污染的修复潜力。

1材料与方法

1.1试验材料

试验以野樱桃和紫穗槐幼苗作为研究对象，其中野樱桃被广泛用于水土保持、生态修复方面，对中国西北地区气候具有较强的适应性，紫穗槐则具有较强的耐旱性、耐盐碱性。试验所用的幼苗購置于四川鼎森农业科技有限公司，幼苗生长所用的土壤样品分别采自神府东胜煤田矿区表层（0～30 cm）土壤，对照土壤则采自远离矿区的农田表层（0～30 cm）的土壤，理化性状如表1所示。

1.2试验方法

试验前将3种不同类型的土壤样品置于阴凉处，分别经过风干、破碎、搅拌均匀后，装入在容积为（直径25 cm×高30 cm）内的培养器内，体积占比达到3/4[4]。选择长势基本一致的野樱桃和紫穗槐幼苗分别移植在培养器内，且每个培养器内栽3株同一类型的幼苗，设3个重复，合计共18盆。每48 h设置自动浇灌1次，确保植物正常生长。试验培养时长共计180 d。试验过程中，将培养温度稳定在25～35℃。培养结束后，收获所有植物，测定植物生物量及各器官中的重金属含量。

1.3样品分析

植物整株收获后，将其分为地上部分和根系。根系用去离子水洗净。然后经105℃杀青30 min后，75℃烘干、破碎后，放置在干燥器中，3 d后称其生物量[5]。测试前，称取0.3 g粉末状样品，加入3 mLHNO3和3 mL HClO4，采用微波消解法消解，消解过程中要赶酸、赶气，防止影响测量结果和引起爆炸[6]。土壤样品则经风干、研磨、破碎、过筛后，放置于干燥器中，土壤样品有机质采用K2Cr2O7外加热法、速效氮的测定采用碱解扩散法、速效磷用钼蓝比色法测定[7]。由于土壤样品成分复杂，因此消解过程采用HCL、HF、HNO3、HClO4多种酸加入混合消解，体积比为2∶4∶2∶2。消解的液体经稀释、定容等处理后，重金属的元素采用电感耦合等离子原子发射光谱ICP-OES测定[8]；pH值采用PHS-3C酸度计测定；叶片叶绿素含量采用分光光度法测定[9]。

1.4数据分析

将2种木本植物在活鸡兔矿土和农田土壤中的生长状况及生物量与重金属之间的关系进行分析比对，并采用统计软件SPSS V13.0进行数据分析处理，探讨植物体内叶绿素含量及植物体内重金属的吸收、富集状况。

2结果与分析

2.1植物生物量

野樱桃、紫穗槐在3种不同类型的供试土壤中培养，其生物量如图1所示。野樱桃地上部分与根系生物量均明显下降。与对照相比，活鸡兔矿土和上湾矿土中栽植的野樱桃地上部分生物量分别减少23.1和16.8 g，根系则分别减少18.7和17.4 g。总体上，在这3种不同类型的培养土壤中，野樱桃单株地上部分生物量维持在80～110 g。与对照相比，紫穗槐在3种不同类型的培养土壤中长势较好，生长在污染较重的矿土中的紫穗槐其地上部分生物量与对照相比，地上部分减少1.3和6.1 g，根系生物量与对照相比，根系减少了1.3和10.2 g。生长在上湾矿土中的紫穗槐，地上部分生物量低于根系。通过数据比对可以发现，紫穗槐对活鸡兔矿土和上湾矿土均具有较强的耐受性，且对活鸡兔矿土的耐受性更强。

2.2植物叶绿素相对含量

2种木本植物叶绿素含量如图2所示。在活鸡兔矿土和上湾矿土中，紫穗槐植株叶片叶绿素含量与对照相比没有显著性差异，生长在活鸡兔矿土上的紫穗槐叶绿素含量略微高于对照；生长在上湾矿土上的紫穗槐叶片叶绿素含量则低于对照，但二者均未出现明显黄化现象。与对照相比，生长在活鸡兔矿土和上湾矿土上的野樱桃植株叶片叶绿素含量存在显著性差异，叶片内叶绿素含量均值明显偏低，在活鸡兔矿土上生长的野樱桃叶片相对狭小，植株纤细，叶片卷缩，部分叶片出现明显的黄化现象。与对照相比，叶绿素平均含量分别下降了34.7%（活鸡兔矿土）和23.5%（上湾矿土）。

2.3植物对重金属元素的吸收

经过180 d培养后，2种木本植物根系及地上部分组织中铅、锌和铜的含量如表2所示。生长在活鸡兔矿土和上湾矿土中的野樱桃和紫穗槐根系及地上部分均能检测到重金属。野樱桃根系中铅、锌、铜含量均高于地上部分，野樱桃对重金属铅和铜的富集能力小，对铅的富集范围在27.28 ～ 38.46 mg/kg，对铜的吸收富集范围在28.84 ～ 44.22 mg/kg，其吸收富集能力远达不到超累积植物水平。野樱桃对重金属锌具有一定的吸收富集能力，体内重金属锌含量可达221.32 mg/kg。与野樱桃相比，紫穗槐对重金属铅、锌的吸收能力较强，生长在活鸡兔矿土上的紫穗槐体内重金属锌的富集量达到273.08 ～ 550.32 mg/kg；重金属铅的富集量达到124.56 ～ 136.77 mg/kg；且重金属铅、锌主要累积在根系。与活鸡兔矿土相比，生长在上湾矿土上的紫穗槐体内重金属铅、锌含量有所减少，但在上湾矿土上生长的紫穗槐根系对铜的富集含量相较与野樱桃根系要高，根系累积量达到37.31 mg/kg，但对铜的富集量也未达到超累积植物的富集水平。

总体显示，野樱桃对重金属锌有一定的富集能力，对铅、铜的富集能力比较弱，且表现出不相适应的状况。紫穗槐在受重金属污染的土壤中生长较好，对重金属铅、锌富集能力较强，且主要累积在根部。

2种植物在活鸡兔矿土和上湾矿土中的生物富集系数（bioconcentration factors，BCF）和转移系数（translocation factors，TF）如表3所示。生长在活鸡兔矿土中的野樱桃对铅的BCF为0.085 ～ 0.089，富集系数相对较小；对铅的TF数值也只有0.260。生长在活鸡兔矿土中野樱桃体内锌的BCF值较小，只有0.021 ～ 0.023，而对锌的TF数值却达到了0.738。生长在上湾矿土中野樱桃体内锌的BCF值为0.157 ～ 0.181，对锌的TF值达到了0.676。通过对比可以看出，野樱桃在受污染严重的活鸡兔矿土中生长受到明显抑制，根系及地上部分富集能力明显受限制，分析可能是供试土壤中铅、锌产生协同效应，其毒性要比铜、锌毒性更强，使得生长在活鸡兔矿土中的野樱桃对重金属锌的BCF较小。这也说明野樱桃对重金属锌的富集能力会随供试土壤特性的差异而发生改变，而转运能力受到的影响相对较小。

生长在活鸡兔矿土中的紫穗槐体内铅的BCF为0.111 ～ 0.225，锌的BCF为0.042 ～ 0.046，其活鸡兔富集量是野樱桃体内活鸡兔富集量的2倍左右。生长在上湾矿土中的紫穗槐体内锌的BCF值为0.222 ～ 0.400，远比生长在上湾矿土中野樱桃体内富集的锌含量高。紫穗槐对重金属锌的TF值远小于野樱桃对重金属锌的TF值。二者对重金属铜具有相近的富集能力，但紫穗槐对重金属铜的TF值明显高于野樱桃。总体上，生长在活鸡兔矿土和上湾矿土中的2种木本植物体内根系重金属活鸡兔铜含量均大于地上部分。生长在活鸡兔矿土中的紫穗槐对重金属活鸡兔的富集能力强于野樱桃，而野樱桃则对重金属锌表现出了更强的转运能力。野樱桃在受污染严重的活鸡兔矿土中生长受到明显抑制，根系及地上部分富集能力明显受限制，可能是供试土壤中铅、锌产生协同效应，其毒性要比铜、锌毒性更强，使得生长在活鸡兔矿土中的野樱桃对重金属锌的BCF较小。这也说明野樱桃对重金属锌的富集能力会随供试土壤特性的差异而发生改变，而转运能力受到的影響相对较小。

3讨论与结论

2种木本植物均能在选用的供试土壤中生长，但受到的损害程度不同，这反映出不同植物对重金属耐受性表现出的差异性。一方面可能与植物本身体内酶的特性有关，也可能由于供试土壤中过量的重金属铅、锌、铜抑制了植物根系的生长发育，对植物起到毒害作用。本次研究显示，紫穗槐的正常生长说明对重金属铅、锌和铜有较好的耐受性。相比于紫穗槐，生长在不同污染类型土壤介质中的野樱桃则明显受限制，2种木本植物组织中地上部分重金属含量均高于根系。总体上，表现出对重金属富集能力不足。从本试验结果可以看出，紫穗槐对于矿区土壤的修复具有潜在的利用价值。研究发现在未经过营养液处理下，紫穗槐根系、茎和叶中的重金属含量分别为47.5、51.2和323.0 mg/kg（Pb）；18.2、5.1和215.7 mg/kg（Cu）。而在本次试验中紫穗槐体内富集的重金属含量与之相近；野樱桃作为参照对象则表现对重金属的富集能力的欠缺，一是可能因培养条件受限及环境条件差异，二是也可能野樱桃本身对于重金属的毒性的抵抗性较低。这2种木本植物不同的组织部分对重金属的吸收能力也不一样，根系表现出更强的累积作用。

试验结果表明，2种木本植物均能在供试矿土中生长，紫穗槐对重金属污染修复具备一定的潜力，野樱桃可用于矿区土壤绿化栽植。紫穗槐在3种不同类型的土壤介质中的生长无显著性差异。野樱桃在受污染的活鸡兔矿土中出现了黄化症状，但在上湾矿土中长势良好。只有少部分重金属通过植物根系转移到地上部组织。

参考文献

[1]冯静，张增强，李念，等.活鸡兔厂重金属污染土壤的螯合剂淋洗修复及其应用[J].环境工程学报，2015，9（11）：5617-5625.

[2]郭世财，杨文权.重金属污染土壤的植物修复技术研究进展[J].西北林学院学报，2015，30（6）：81-87.

[3]杨斌，张文辉.竹柳对Pb2+胁迫的响应及其Pb富集能力[J].西北林学院学报，2016，31（1）：36-41.

[4]李子芳，刘惠芬，熊肖霞，等.镉胁迫对小麦种子萌发幼苗生长及生理生化特性的影响[J].农业环境科学学报，2005，24（S1）：17-20.

[5]杨伟光，王美娥，陈卫平.新疆干旱区某矿冶场对周围土壤重金属累积的影响[J].环境科学，2019，40（1）：445-452.

[6]刘平，秦晶，刘建昌.桉树人工林地土壤养分和重金属现状分析与评价[J].环境工程学报，2011，5（3）：650-656.

[7]刘德良，王开峰，杨期和，等.粤东北银锑矿尾矿区周边土壤重金属污染评价[J].西北林学院学报，2015，30（6）：65-70.

[8]唐凤华，全文选，李朝婵，等.天然杜鹃林林窗扰动对土壤重金属含量的影响[J].西北林学院学报，2019，34（3）：28-36.

[9]荀志祥，姚静波，王明新，等.超声辅助EDDS/EGTA淋洗对土壤重金属形态、环境风险的影响及响应面优化[J].环境科学学报，2018，38（7）：2 858-2 867.

基金项目：国家重点研发计划资助项目（No.2016YFC0501100）；国家重点研发计划课题“深部煤矿安全绿色开采理论与技术”（No. 2016YFC0600708）

（1煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室刘刚，张伟龙；2神华神东煤炭集团有限责任公司张伟龙）