赤才和守宫木对铅锌矿区土壤重金属的富集特征

陈 琳， 杨小波， 杨 宁， 田璐嘉， 李 龙， 梁彩群， 左永令， 张培春， 李东海

(1. 海南大学生态与环境学院， 海南570228; 2. 海南大学热带作物学院， 海南570228)

近年来，由于各类工业产业链的快速发展，人们对重金属的应用愈加广泛，这也导致重金属对环境的污染日益严重。因此，人们开始广泛关注重金属的污染状况，尤其是有关土壤重金属的污染[1-3]。开采矿产资源、排放工业废水、灌溉农田等人类活动都会增加土壤的重金属污染，其中开采矿产是土壤污染的主要来源[4-6]。生长在重金属含量过高地区的植物，会通过根部对营养物质的吸收作用将重金属吸收到自身的器官内，随之富集的重金属又沿着食物链和食物网传递富集，从而对人体造成危害[7]。人们对各类富含金属元素的矿产资源进行开发，常常忽视对环境的影响，由此产生尾矿污染的问题[8-9]。尾矿污染可能会通过食物链和食物网的传递影响食品和饲料安全。因此，识别和减轻重金属污染对人类健康造成的风险是重要的科学问题。

植物修复是一种既有成本效益又不会对环境造成破坏的方法，即使是持久性重金属也能通过植物的富集作用有效去除[10-11]。植物修复主要是利用一些对重金属有耐受性并且能从土壤中吸收重金属特性的植物，这类能富集重金属的植物可分为一般植物、耐性植物和超富集植物[12]。守宫木(Sauropusandrogynus)[13]、鬼针草(Bidenspilosa)[14]以及龙葵(Solanumnigrum)[15]等植物都对重金属有富集作用。

海南昌化铅锌矿矿山四周的农用地和林地土壤污染情况严峻，其表层土壤Pb、Zn、Cd等重金属全量平均值均超过土壤环境质量三级标准[16]。由于尾矿渣的随意丢弃使得植物很难较好地生长，该地区的植被以草本植物为主[17]。守宫木，别名树仔菜、越南菜、泰国枸杞菜、五指山野菜等，主产于南洋群岛和东南亚，地上部分可食，海南常有栽培。据研究，守宫木在无重金属污染的土壤中生长后，其体内的Cd含量仍然超过国家的标准限值[18]。赤才，木材坚实，可作农具，果皮肉质，味甜可食，为海南常见树种，生于灌丛或疏林中。这两种植物均为多年生木本植物，具有对不利环境耐受性高、生物量大以及生长速度快等生物学特性。本实验以这两种多年生灌木为研究对象，通过田间试验的方式，研究赤才和守宫木对海南昌化铅锌矿附近农用地土壤中重金属的富集能力，为治理和修复海南昌化铅锌矿产生的土壤重金属污染提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

试验区位于海南省昌江族自治县昌化镇昌城村昌化铅锌矿厂附近的农用地(108 °42 ′13 ″E，19 °19 ′13 ″N)。昌化镇属热带海洋性季风气候，四季不明显，年平均气温24.3 ℃，年降水量 902～1 805 mm，太阳辐射年总量130～140 kcal/cm2(1 kcal=4.186 kJ)，年中大于10 ℃积温8 800 ℃以上，冬春6个月降水量仅占年雨量的15%，为全省春旱最严重的地区之一[19]。试验区土壤呈酸性，pH 5.82；有机质含量极低，每千克仅0.29 g。试验区土壤重金属含量如表 1所示，在《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618—2018)中，Cd的农业土壤允许含量为0.3 mg/kg，试验地检测出的Cd总含量为5.02 mg/kg，是农业土壤允许含量16倍以上。Pb和Zn的含量分别是限量标准的6.5和1.7倍。其中Cd和Pb的含量均超过风险筛选值与风险管控值；Zn的含量超过了风险筛选值但并未超过风险管控值；Cu的污染状况较轻，低于风险筛选值。这表明试验区受到镉、铅和锌的高度共同污染，其中Cd、Pb污染风险较高，如果种植食用农产品，产品质量不符合质量安全标准，原则上应禁止种植食用农产品，并进行退耕还林等管控措施。

试验区面积为49.5 m2，分为3个小区，每个小区16.5 m2(图1)，小区与小区间隔1 m防止各个小区相互影响，小区内又分为两个子区，每个子区之间设置0.5 m的保护行；筛选长势一致(20～30 cm)的赤才苗与守宫木苗(20～30 cm)移至试验小区，按照株距0.5 m、行距0.5 m，以每小区9株的密度进行种植，其间进行除草、浇水以及施肥等日常管理。复合有机肥以大约1 250 kg/hm2的低剂量低频率施用，地块于2020年12月24日收获。将每个处理小区采集的植物样品用清水洗净，吸水纸吸干表面水分,分别测定其鲜重，后将根茎叶分离；装于牛皮纸内，放入烘箱105 ℃杀青1 h，杀青后经75 ℃烘至恒质量。将处理后的植物样本以及样品送到检测中心进行检测分析。

图1 试验地设计图Figure 1 Design drawing of the test site

1.2 数据处理

利用Excel 2019和SPSS 25.0进行数据处理与作图。其中，植物器官的重金属富集系数(BCF)、转运系数(TF)计算公式如下[20]：

富集系数(BCF)=植物器官重金属含量/土壤重金属含量

转运系数(TF)=植物前一器官某重金属含量/植物后一器官该重金属含量

2 结果与分析

2.1 植物的生物量

赤才与守宫木各器官的生物量(DW)如表2所示。经过5个月的生长，赤才地上部分的生物量占总生物量的58.69 %，整体生物量为2.198 t/hm2；守宫木的生物量>赤才，为9.273 t/hm2，地上部分的生物量占总生物量的65.02%。赤才不同器官的生物产量依次为根>茎>叶；守宫木不同器官的生物产量依次为茎>根>叶。尽管土壤重金属污染严重，但各小区的赤才和守宫木并没有出现死亡和药害的症状，表明赤才和守宫木对高重金属污染均具有相当大的耐受性，并且对其有一定的富集能力。

表2 植物生物量

2.2 植物各器官重金属富集量

不同器官中赤才叶内Cd、Pb、Cu和Zn的含量均高于根和茎(表3)，而根茎中这4种重金属含量差异不明显(P>0.05)。守宫木器官间金属含量差异明显(P<0.05)；Cd和Zn在茎中的含量最多，达到55.78 mg/kg和1 820.16 mg/kg；Cd在根中的含量最少，为13.69 mg/kg；Zn则在叶中含量最少，为717.34 mg/kg。Pb和Cu在根中的含量最高，分别为14.79 mg/kg和8.61 mg/kg；在茎中的含量最少，分别为5.20 mg/kg和5.00 mg/kg。

表3 植物生物量和器官中重金属含量

守宫木根、茎和叶中的Cd和Zn含量分别高于它们在赤才根、茎和叶内的含量；赤才茎和叶中Pb和Cu的含量则高于守宫木的茎和根。

根据表3的数据计算，每公顷赤才和守宫木不同器官内所积累的金属量如表4所示。两种植物均为种植5个月后(2020年12月)收获并进行器官分析。各器官生物量不一，赤才叶对Cu的富集量高于根和茎但积累的Cu最少，Cd在根中的积累量最多，Pb和Zn积累量为叶>根>茎；守宫木各器官中，Cd积累量为茎>叶>根，Pb积累量为根>叶>茎，Cu积累量为根>茎>叶，Zn积累量为茎>根>叶。

表4 植物器官内的重金属含量

赤才根、茎和叶中富集的重金属总量按多少顺序排列为Zn>Pb>Cu>Cd；守宫木茎和叶中富集的重金属总量按多少顺序排列为Zn>Cd>Pb>Cu，根中富集的重金属总量按多少顺序排列则为Zn>Pb>Cd>Cu。这与土壤重金属含量和植株各部位的生物量差异相关。

从植物整体而言，赤才总共从每公顷土壤中提取Cd 6.64 g、Pb 22.76 g、Cu 12.72 g和Zn 542.23 g，守宫木则从每公顷土壤中提取Cd 306.28 g、Pb 92.82 g、Cu 63.02 g和Zn 12 795.64 g，可以看出，在相同的种植面积下，因为守宫木生物量高和单位重量中重金属含量高于守宫木，守宫木体内积累的重金属量远高于赤才。

2.3 植物各器官生物富集系数

赤才和守宫木各器官的生物富集系数如表5所示。植物富集和转运重金属的效率因重金属的种类、植物种类和器官的不同而出现差异(P<0.05)。在赤才中，Cd、Pb、Zn的富集系数按大小顺序排列为叶>根>茎，Cu的富集系数按大小顺序排列为叶>根>茎，说明赤才的叶对这4种重金属的富集能力要高于根和茎。守宫木不同器官对这4种重金属的富集能力差异较明显(P<0.05)，根对Pb和Cu的富集能力要强于叶，叶又强于茎，茎对Cd和Zn的富集能力强于叶和根，根对Zn的富集能力强于叶，但根富集Cd的能力又弱于叶。

表5 植物的富集系数

赤才根中4种重金属富集系数按大小顺序排列为Cd>Zn>Cu>Pb，茎和叶中为Zn>Cd>Cu>Pb，这说明赤才根对Cd的富集能力强于富集其他3种重金属，茎和叶富集Zn的能力要强于富集Cd、Cu、和Pb。与赤才相反，守宫木根中4种重金属富集系数按大小顺序排列为Zn>Cd>Cu>Pb，茎和叶中为Cd>Zn>Cu>Pb。赤才和守宫木所有器官Pb和Cu的生物富集系数均低于0.2，Zn的富集系数均大于1，说明两种植物不同器官对Pb和Cu的富集能力都弱于富集Zn。

守宫木除了茎叶中Pb和Cu的富集系数低于赤才外，其他的富集系数均高于赤才，这说明守宫木根富集4种重金属的能力要强于赤才，赤才茎叶富集Pb和Cu的能力要强于守宫木的茎叶。

2.4 植物各器官转运系数

重金属经由植物的根部吸收而富集在根系，再从根系运输至其地上部分；转运系数是植物后一部位中重金属含量与前一部位中重金属含量的比值(包括根到茎、茎到叶) ,用于评估植物各部位对重金属的转运能力。表6为赤才和守宫木不同部位对4种重金属的转运系数。赤才不同部位转运4种重金属的能力差异显著(P<0.05)；赤才根部运输Cu的能力强于运输其他3种重金属，茎运输Pb的能力最强；守宫木根部运输Cd的能力最强，茎运输Pb的能力最强。

表6 植株的转运系数

3 讨论与结论

3.1 守宫木和赤才对土壤重金属富集的能力

3.1.1 守宫木对土壤重金属的富集能力

在经过5个月的生长后，守宫木的生物量为9.273 t/hm2，各个器官中金属含量差异明显：Cd和Zn在茎中的含量最多，达到55.78 mg/kg和1 820.16 mg/kg；Cd在根中的含量最少，为13.69 mg/kg；Zn则在叶中含量最少，为717.34 mg/kg；Pb和Cu在根中的含量最高，分别为14.79 mg/kg和8.61 mg/kg，而在茎中的含量最少，分别为5.20 mg/kg和5.00 mg/kg；Cd和Zn的富集系数分别为16.061和7.537，大于1，说明守宫木对Cd和Zn具有较强的富集作用；这两种重金属由根到茎的转运系数为4.102和1.320，由茎到叶的转运系数为0.448和0.396，说明守宫木由根部转运Cd和Zn到茎的能力要强于茎转运至叶的能力；守宫木Pb和Cu的富集系数分别为0.027和0.099，这两种重金属由根到茎的转运系数为0.351和0.580，由茎到叶的转运系数为2.104和1.429，这说明虽然守宫木富集Pb和Cu的能力要弱于富集Cd和Zn的能力，但它能将富集到的重金属更多地转运到地上部分，而茎转运Pb和Cu至叶的能力又强于根转运Pb和Cu至茎的能力。

守宫木对Cd有富集作用，与姚全胜等[18]的研究结果吻合，因此不建议将守宫木作为野生蔬菜长期食用，尤其是居住在昌化铅锌矿附近的村民，但可以作为修复受Cd污染土壤的目标植物。守宫木对Cu的富集能力不强，这与Xia等[21]的研究是相吻合的，但在他的研究中，种植在广西上坝村的守宫木对Pb和Zn的富集能力和自身的生物量均高于本实验(表7)，对Cd的富集能力又小于本实验，这可能是由于试验地土壤中各重金属含量不同和田间试验的环境因子不同而具有差异。

表7 两个区域守宫木富集能力和生物量比较

3.1.2 赤才对土壤重金属的提取能力

赤才经生长后，生物量为2.198 t/hm2；Cd、Pb、Cu和Zn的含量在叶中最多，分别为4.30 mg/kg、27.57 mg/kg、8.15 mg/kg和529.01 mg/kg。Cd和Zn的地上富集系数分别为1.244和2.041，大于1，说明赤才对Cd和Zn具有较强的富集作用。Cd和Zn由根到茎的转移系数为0.572和0.933，茎到叶的转移系数分别为2.377和3.592，说明赤才将Cd和Zn转运到茎的能力弱于茎将Cd和Zn转运至叶的能力。Pb和Cu的富集系数为0.056和0.286，说明虽然赤才对Pb和Cu具有一定的富集能力，但富集这两种重金属的能力不如富集Cd和Zn。Pb和Cu根到茎的转运系数为0.986和1.180，茎到叶的转运系数为5.026和1.464，说明赤才将Pb和Cu由茎转运至叶的能力要强于根将其转运至茎的能力。

3.2 守宫木和赤才对重金属富集能力的差异

超富集植物目前采用较多的是Baker和Brooks在1983年提出的参考值标准：能够同时积累一种或多种重金属元素的植物，且植物地上部分(茎或叶)重金属含量是普通植物在同一生长条件下的100倍,即把植物叶片或地上部分(干重)Cd含量达100 mg/kg, Zn含量达到10 000 mg/kg，Pb、Cu 含量达到1 000 mg/kg以上的植物称为重金属超富集植物[22]，如李氏禾(Leersiahexandra)[23]、东南景天(Sedumalfredii)[24]和有翅星蕨(Microsorumpteropus)[25]。赤才和守宫木两者体内所积累的重金属含量没有达到超富集植物的临界值，因此它们不是超富集植物，但可以在被多种重金属污染的农用地良好生长，说明它们对土壤中的多种重金属具有很强的适应能力和耐受能力。根据试验，赤才和守宫木均具有从土壤中富集Cd和Zn两种重金属的潜力，并且根部能将富集的重金属有效地转运到植株的地上部分，同时还具有较大的生物量。

守宫木除了茎叶中Pb和Cu的富集系数低于赤才外，其他的富集系数均高于赤才，这说明守宫木根富集4种重金属的能力要强于赤才，赤才茎叶富集Pb和Cu的能力要强于守宫木的茎叶。在相同种植时间下，赤才生物量为2.198 t/hm2，守宫木生物量9.273 t/hm2，赤才总共从每公顷土壤中提取Cd 6.64 g、Pb 22.76 g、Cu 12.72 g和Zn 542.23 g，守宫木则从每公顷土壤中提取Cd 306.28 g、Pb 92.82 g、Cu 63.02 g和Zn 12 795.64 g。总体而言，守宫木比赤才在修复土壤重金属污染方面更具有优势。

3.3 赤才和守宫木修复重金属污染的可行性

本试验研究表明，赤才和守宫木不是超富集植物，但可以在被多种重金属污染的农用地良好生长，说明它们对土壤中的多种重金属具有很强的适应能力和耐受能力。赤才和守宫木还具有较大的生物量，现在发现的一些超积累植物虽然具有较高的富集系数，但是它们的生物量相对较低，如Arabidopsishelleri和Thlaspicaerulescens虽对Cd和Zn有超富集作用，但生物量均小于1.000 t/hm2，并且栽培困难[26]。试验区年平均气温24.3 ℃，水热在月份上分配不均，不适宜非耐旱的植物生长。因此，在考虑生物量和存活率的情况下，赤才和守宫木用于种植修复土壤重金属污染的潜力也是相当可观的。试验区土壤中Cd和Pb的含量均超过风险筛选值与风险管控值，Zn的含量超过了风险筛选值但并未超过风险管控值，原则上应当采取退耕还林等严控管控措施，赤才和守宫木作为海南的常见木本植物，对干旱气候和多种重金属均有很强的适应能力，可以作为潜力植物修复受尾矿污染的土壤，这样既可以修复土壤污染又可以促进当地的植被恢复。