金礦周圍樹木對土壤重金屬的吸收1)

李庚飛 程書強(qiáng)

(陜西省多河流濕地重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(渭南師范學(xué)院)，渭南，714000)

近年來，隨著我國工業(yè)化的迅速發(fā)展，土壤重金屬污染日益嚴(yán)重［1］。重金屬一旦進(jìn)入土壤，不易分解、轉(zhuǎn)化、富集，其污染具有隱蔽性、長期性和不可逆轉(zhuǎn)性［2］，因此，重金屬污染的治理已成為全球環(huán)境科學(xué)研究的熱點(diǎn)［3－5］。植物修復(fù)技術(shù)因其經(jīng)濟(jì)、高效且不造成二次污染的優(yōu)點(diǎn)得到越來越多的認(rèn)可［6］。然而傳統(tǒng)的植物修復(fù)材料因其生物量低、生長緩慢等特點(diǎn)，使其在具體實(shí)踐應(yīng)用中受到很大制約［7］。而木本植物具有生長迅速、生物量大、根系發(fā)達(dá)等特點(diǎn)，用于修復(fù)受重金屬污染土壤的可行性引起了廣泛關(guān)注［7－9］。樹木修復(fù)被認(rèn)為是環(huán)境保護(hù)研究領(lǐng)域一項(xiàng)應(yīng)用前景廣闊的新興環(huán)境友好技術(shù)，國內(nèi)外相繼開展重金屬污染環(huán)境的樹木修復(fù)相關(guān)研究［10－11］。當(dāng)前，利用樹木修復(fù)土壤重金屬污染的研究集中在小面積的盆栽試驗(yàn)、水培試驗(yàn)和田間栽培試驗(yàn)上［1，12］，對自然生長于污染土壤上的樹木的研究較少，且缺少野外試驗(yàn)數(shù)據(jù)的支持。而本研究測定了峒峪金礦區(qū)污染土壤上生長的6種樹木體內(nèi)的Cu、Cd和Zn質(zhì)量分?jǐn)?shù)，及其在樹木不同器官中的分布、轉(zhuǎn)運(yùn)特征，旨在從長期生長于污染土壤的樹木中尋找、挖掘可能具有重金屬污染修復(fù)潛力的樹種，并為建立人工濕地生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)土壤重金屬污染提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于距潼關(guān)縣峒峪鎮(zhèn)金礦排水溝沿岸區(qū)域，地理坐標(biāo)34°23＇～34°35＇N，110°15＇～110°25＇E。海拔為400～500 m，土壤主要為黃土質(zhì)棕壤，屬暖溫帶大陸性半干旱季風(fēng)氣候。光能資源較充足，熱量和降水量偏少，年平均日照時(shí)數(shù)2 269 h。年平均氣溫12.8℃，年平均降水量為625 mm，年植被蒸發(fā)量1 193 mm，四季多風(fēng)，年平均風(fēng)速3.2 m/s。

2 研究方法

植物樣品的采集與處理:于2011年10月，沿潼關(guān)縣桐峪鎮(zhèn)金礦廢水溝，選擇3～5年生、健康、無病蟲害的桑樹(Morus albaL.)、杠柳(Periploca sepiumBunge)、洋槐(Robinia pseudoacaciaL.)、酸棗(Ziziphus jujubavar.spinosa(Bunge)Hu)、毛白楊(Populus tomentosaCarr.)、枸 樹 (Broussonetiapapyrifera(L.)vent.)6種樹木采樣。在所選樹木的向陽方向分別采集1年生枝條3～5枝、外圍枝條中部功能葉片3～5片及地下細(xì)根，分別做好標(biāo)簽并裝入PE塑料袋為待測植物樣品。將采集回的植物樣品先用自來水沖洗，去除表面污垢，再用去離子水沖洗3遍，105℃下殺青5 min，然后在70℃下烘干至恒質(zhì)量，用粉碎機(jī)粉碎過60目篩，用 HNO3－HCIO4消解，用WFX－120型的原子分光光度計(jì)測定Cu、Cd、Zn質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

土壤樣品的采集與處理:以植物樣品的根系為中心，在其周圍2 m半徑范圍內(nèi)，按照“X”法采集0～20 cm的表層土壤，混合均勻，經(jīng)四分法保留0.5 kg，裝入PE塑料袋內(nèi)作為待測土樣。采回的土壤樣品在室內(nèi)常溫風(fēng)干，去除動植物殘?bào)w、石塊等雜物，用瑪瑙研缽將其研碎，過100目的尼龍篩，稱取1.0 g進(jìn)行消解，消解處理過程及土壤測定過程同植物樣品處理。

污染指數(shù)的計(jì)算:單項(xiàng)元素污染指數(shù)采用Pi=Ci/Si計(jì)算。式中，Ci為土壤中污染元素i的實(shí)測值;Si為土壤中污染元素i的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。所有元素均采用《中國土壤元素背景值》(中國環(huán)境檢測總站，1990)中的中國土壤元素平均含量為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。P≤0.7 表示清潔，0.7＜P≤1.0 表示尚清潔，1.0＜P≤2.0表示輕污染，2.0＜P≤3.0 表示中污染，P＞3.0表示重污染。

3 結(jié)果與分析

3.1 各樹種根際土壤重金屬污染指數(shù)

由表1可知，各樹種根際土壤中Cu和Cd都達(dá)到了重度污染狀態(tài)，特別是根際土壤中Cd的單項(xiàng)污染指數(shù)都已超過400，Cu的均已經(jīng)超過4，超過重度污染的最低限。除毛白楊根際土壤Zn達(dá)到重度污染外，其它樹種根際土壤均為中度污染。礦區(qū)周圍排水溝沿岸除了生長各種樹木和雜草外，當(dāng)?shù)鼐用襁€種植玉米、黃豆、小麥和各種青菜等農(nóng)作物，雜草及各種農(nóng)作物產(chǎn)品中含有的重金屬通過各級食物鏈在人體內(nèi)富集，嚴(yán)重威脅著人類的健康，所以，該地區(qū)土壤重金屬污染已經(jīng)達(dá)到了必須治理的程度。

表1 不同樹種根際土壤重金屬的污染程度

3.2 各樹種根、枝、葉中重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)的差異

由表2可以看出，植物體內(nèi)各種重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯存在 Zn＞Cu＞Cd的趨勢，這與參考文獻(xiàn)［13］的結(jié)果相一致。不同樹木不同部位重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同，各樹種枝中重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯低于根部和葉片。洋槐體內(nèi)Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于其余樹種，其根部質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，為76.43 mg/kg，葉片次之，為74.81 mg/kg;桑樹枝內(nèi)Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6種樹木不同部位中最低的，為4.49 mg/kg。各樹種不同部位Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)多數(shù)小于10 mg/kg，但桑樹葉片、洋槐根和洋槐葉片除外，特別是洋槐葉片中Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)55.69 mg/kg，是建立人工生態(tài)系統(tǒng)篩選吸收Cd可以考慮的植物種類。各樹種不同部位Zn質(zhì)量分?jǐn)?shù)均較高，其中以洋槐葉片最高，為 1 987.70 mg/kg。

表2 不同樹種各部位重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù) mg·kg－1

3.3 各樹種對重金屬富集能力的差異

3.3.1 對Cu的富集能力

由表3可知，各樹種對Cu的富集系數(shù)均較低，特別是桑樹(0.08)、酸棗(0.09)和白毛楊(0.11)對Cu的富集系數(shù)近0.10左右，枸樹(0.56)和洋槐(0.52)對Cu的富集能力相對較高，但均小于1。不同樹種對Cu的轉(zhuǎn)移能力也存在較大差異，枸樹(0.87)、白毛楊(0.78)和杠柳(0.71)相對于其它樹種的轉(zhuǎn)移系數(shù)較高，但均小于1，而桑樹的轉(zhuǎn)移系數(shù)最低，僅為0.44。所以，6種樹木中枸樹對Cu的富集能力最強(qiáng)，桑樹和酸棗對Cu的富集能力較弱。

表3 不同樹種對重金屬元素的富集能力

3.3.2 對Cd的富集能力

由表3可知，各樹種對Cd的轉(zhuǎn)移系數(shù)存在較大差異，桑樹的轉(zhuǎn)移系數(shù)遠(yuǎn)高于其余5種植物，其值高達(dá)8.90，且Cd主要儲存在葉片中。洋槐對Cd的轉(zhuǎn)移系數(shù)次之，為1.44，而其它4種樹木對Cd的轉(zhuǎn)移系數(shù)均小于1。不同樹種對Cd的富集系數(shù)也存在很大差異，但總體不高，均小于0.50。洋槐、酸棗對Cd的富集系數(shù)相對其它樹木較高，而其它樹木的富集系數(shù)均小于0.10?？梢姡?種樹木中洋槐對Cd的吸收能力最強(qiáng)。

3.3.3 對Zn的富集能力

被測樹種對重金屬Zn的轉(zhuǎn)移能力要高于對Cu和Cd的轉(zhuǎn)移能力，轉(zhuǎn)移系數(shù)均大于0.70，洋槐的轉(zhuǎn)移系數(shù)高達(dá)1.40，杠柳的轉(zhuǎn)移系數(shù)(0.98)也較高，接近1，且洋槐和杠柳地上部分對Zn主要富集在葉片中。6種樹木對Zn的富集系數(shù)均大于2，特別是洋槐對Zn的富集系數(shù)高達(dá)10.61。所以，6種樹木對土壤中Zn的富集能力均較強(qiáng)，其中以洋槐最強(qiáng)(表3)。

4 結(jié)論與討論

Brooks等1977年提出了超富集植物這一概念［14］，現(xiàn)在公認(rèn)超富集植物應(yīng)同時(shí)滿足以下3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)［15］:①植物地上部分富集的某種元素含量達(dá)到生長在同一介質(zhì)非超富集植物地上部分含量的100倍以上，其臨界含量標(biāo)準(zhǔn)(以干質(zhì)量計(jì))Pb、Cu、Ni、Mn和Co等多數(shù)金屬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1 000 mg/kg，Zn為10 000 mg/kg，Au 為1 mg/kg，Cd 為100 mg/kg;②地上部重金屬含量大于根部含量;③植物的生長沒有出現(xiàn)明顯的毒害癥狀。當(dāng)然，理想的超富集植物還應(yīng)具有生長周期短、抗病蟲能力強(qiáng)、地上部分生物量大、能同時(shí)富集2種或2種以上重金屬的特點(diǎn)。但在利用植物修復(fù)重金屬污染時(shí)，若植物對某金屬元素的轉(zhuǎn)移系數(shù)和地上部分富集系數(shù)均大于1，說明該植物對金屬元素具有超富集的潛力，對重金屬超富集植物的篩選更有意義［16］。本試驗(yàn)地區(qū)污染均沒有對植物造成明顯毒害癥狀，6種樹木對3種重金屬的吸收結(jié)果中，只有洋槐對Zn的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)均大于l，因此，洋槐可能是金屬Zn的超富集植物，對重金屬Zn的修復(fù)具有重要意義。

Baker等認(rèn)為，利用超富集植物進(jìn)行植物修復(fù)是原位清除污染土壤中重金屬的有效方法之一［17］。從不同部位對重金屬的積累特點(diǎn)來看(表2)，6種樹木對不同重金屬的吸收大多數(shù)表現(xiàn)為根部高于地上部分，不具備重金屬超積累植物的一般特征，即與其它大部分普通植物對重金屬積累的特點(diǎn)相似［18－19］。但桑樹對 Cd、洋槐對 Cd和 Zn的地上富集高于根部。桑樹對Cd的富集系數(shù)雖然僅為0.09，但其轉(zhuǎn)移系數(shù)高達(dá) 8.90，洋槐對 Cd的富集系數(shù)為0.39，但其轉(zhuǎn)移系數(shù)為1.44，且桑樹和洋槐吸收的Cd主要富集在葉片中，有利于回收，可避免造成二次污染，且桑樹和洋槐的葉片生物量遠(yuǎn)高于其它雜草類生物，所以桑樹和洋槐也是吸收Cd的較好樹種。另外，雖然枸樹對Cu的轉(zhuǎn)移系數(shù)(0.87)和富集系數(shù)(0.56)都沒有達(dá)到1，但地上部分富集的Cu主要儲存在葉片中，且枸樹葉片年生長量為6種樹木中最大的，有利于回收處理Cu污染，所以對污染區(qū)的植物修復(fù)具有重要意義。

在治理礦區(qū)重金屬污染問題中，不僅需要研究工作者篩選與搭配建立人工修復(fù)生態(tài)系統(tǒng)的植物種類，還需要工廠認(rèn)識到自己的責(zé)任所在，注重排放前處理，以及政府相關(guān)部門的干預(yù)和全社會環(huán)保人士的支持和努力。

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