貴州富硫高砷煤礦區(qū)苔蘚及土壤典型金屬的分布特征

劉桂華，吳永貴，付天嶺，范成五，秦 松

(1.貴州省土壤肥料研究所,貴州 貴陽 550006；2.貴州省農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所, 貴州 貴陽 550006；3.貴州省農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境工程技術(shù)研發(fā)中心, 貴州 貴陽 550006；4.貴州大學(xué) 應(yīng)用生態(tài)研究所, 貴州 貴陽 550025；5.貴州大學(xué) 新農(nóng)村發(fā)展研究院, 貴州 貴陽 550025)

貴州富硫高砷煤礦區(qū)苔蘚及土壤典型金屬的分布特征

劉桂華1，2，3，吳永貴4*，付天嶺5，范成五1,2,3，秦 松1,2,3

(1.貴州省土壤肥料研究所,貴州 貴陽 550006；2.貴州省農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所, 貴州 貴陽 550006；3.貴州省農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境工程技術(shù)研發(fā)中心, 貴州 貴陽 550006；4.貴州大學(xué) 應(yīng)用生態(tài)研究所, 貴州 貴陽 550025；5.貴州大學(xué) 新農(nóng)村發(fā)展研究院, 貴州 貴陽 550025)

為探明苔蘚植物對礦區(qū)的生態(tài)修復(fù)潛力，選擇國內(nèi)典型的砷高背景區(qū)(貴州省黔西南州)煤礦礦區(qū)廢棄地周邊受污染溪流濱岸的苔蘚植物為研究對象，通過對苔蘚、腐殖層土和底層土中As、Mn、Cu、Zn、Fe、Al等6種典型金屬(類金屬)元素含量的分析，探討耐性植物對有害組分的富集特征。結(jié)果表明：受污染溪流濱岸苔蘚體內(nèi)明顯富集典型金屬，對照(清潔區(qū))區(qū)域苔蘚As、Cu和Fe含量分別為1.89 mg/kg、1.03 mg/kg和1.43 g/kg，污染區(qū)苔蘚As、Cu、Fe含量分別是對照的178.54～300.89、12.56～17.42和17.83～29.82倍，3者在污染區(qū)含量極顯著高于對照區(qū)；污染區(qū)苔蘚Zn、Mn、Al含量分別為42.54～52.05 mg/kg、60.52～74.81 mg/kg和2.60～3.97 g/kg，顯著高于對照區(qū)。相對于底層土，腐殖層土對As、Fe、Al和Mn具有較高富集能力，對Cu、Zn富集作用不明顯。相關(guān)性分析顯示，苔蘚植物體內(nèi)的Fe-As和Cu-As存在顯著正相關(guān)關(guān)系，Mn-Zn存在極顯著正相關(guān)關(guān)系。

高砷煤礦區(qū)；苔蘚植物；富集系數(shù)；土壤；金屬污染

苔蘚植物是高等植物中最原始的陸生類群，與地衣同屬生態(tài)系統(tǒng)演替前期的先鋒物種。其結(jié)構(gòu)簡單，葉片由單層或少數(shù)幾層細(xì)胞構(gòu)成，植物體表面積與生物量比值高，具有分化程度低，細(xì)胞生長勢能相對旺盛等生理和代謝特征，有利于環(huán)境中重金屬在其體內(nèi)的富集[1]。此外，由于苔蘚植物特殊的形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理適應(yīng)機(jī)制，一般認(rèn)為其對環(huán)境因子的反應(yīng)敏感度，被世界各國廣泛應(yīng)用為環(huán)境變化的指示植物。

貴州煤炭資源豐富，煤炭開采過程中伴隨大量的煤矸石產(chǎn)生，一般每開采1 t煤將伴生10 %～30 %的煤矸石[2]，矸石中往往富含硫、鐵、錳、銅、鋅和砷等伴生礦物[3]，嚴(yán)重威脅著生態(tài)環(huán)境和居民身體健康。近年來，關(guān)于污染礦區(qū)適于苔蘚植物繁衍的研究逐漸受到關(guān)注，早在20世紀(jì)60-70年代有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，苔蘚植物能生活在銅礦上，并將之用于銅礦勘探[4-5]。目前，關(guān)于苔蘚植物對重金屬富集及污染修復(fù)的研究較多[6-9]，主要集中在銅礦區(qū)、金礦區(qū)、汞礦區(qū)以及煤礦區(qū)中單一污染元素的累積特征方面，但對于酸、鹽、重金屬復(fù)合污染區(qū)域苔蘚對典型金屬離子富集特征的研究尚未見報道。為此，筆者選擇貴州興仁典型廢棄富硫高砷煤礦區(qū)為研究區(qū)域，對尾礦風(fēng)化產(chǎn)生酸性礦山廢水(AMD)污染的溪流濱岸苔蘚-土壤中典型金屬分布特征進(jìn)行研究，以明晰礦區(qū)早期先鋒修復(fù)物種苔蘚對金屬的吸收固定特征，旨在為礦區(qū)植被恢復(fù)過程中早期先鋒物種的科學(xué)配置提供新的方法與思路。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

1.2 樣品采集

根據(jù)生態(tài)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測學(xué)[13-14]系統(tǒng)取樣的樣地設(shè)置方法，分別沿貓石頭水庫上游的主干河流邊且有煤礦酸性廢水流經(jīng)處設(shè)置3個采樣區(qū)S1、S2、S3(污染區(qū))，在每個采樣區(qū)按S形布點(diǎn)法采集苔蘚及其土壤，以河流上游無煤礦酸性廢水流經(jīng)的相對清潔區(qū)域的苔蘚及土壤作為對照(CK，清潔區(qū))。由于不同種苔蘚植物混合生長，植株較正常環(huán)境的明顯纖細(xì)，按種類區(qū)分較為困難，因此采集苔蘚地上部分混合樣為苔蘚樣品；苔蘚地下部分附著根系的土壤混合樣為腐殖層土、非附著部分距根系10 cm處的土壤混合樣作為底層土樣品。

1.3 樣品處理及分析方法

(1)樣品的處理。將采集的苔蘚樣品用自來水充分洗凈，再用去離子水沖洗3次，自然風(fēng)干，研磨過100目尼龍篩裝入樣品袋備用。腐殖層土和底層土樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后去除石塊，于室內(nèi)自然風(fēng)干，過100目尼龍篩裝入樣品袋備用。

(2)樣品的消解與測定。苔蘚樣品采用硝酸-長管消解法濕法消解(SCP science Digi-pert HT，美國熱電)，準(zhǔn)確稱取過100目的苔蘚樣品1.0 g(精確到0.0001 g)于消解管中，加入10 mL硝酸并搖勻，在石墨消解儀(105 ℃)消解2 h，用蒸餾水定容到50 mL，過濾待測，同時設(shè)置空白。土壤樣品(腐殖層土、底層土)采用王水回流-長管消解法濕法消解(SCP science Digi-pert HT，美國熱電)。準(zhǔn)確稱取過100目的樣品0.5 g(精確到0.0001 g)于消解管中，加入10 mL王水(2.5 mL硝酸+7.5 mL鹽酸)并搖勻，在石墨消解儀(105 ℃)消解2 h，用蒸餾水定容到50 mL，過濾待測，同時設(shè)置空白。采用火焰原子吸收分光光度計(美國熱電，ICE 3500)測定苔蘚、腐殖層土及底層土消解液中的Cu、Zn、Mn、Fe含量；采用原子熒光光譜儀(北京瑞利，AFS-810)測定苔蘚、腐殖層土及底層土消解液中的As含量，苔蘚、腐殖層土及底層土中Al含量采用XRF(Themofisher，NITON XL3t 9500)分析數(shù)據(jù)測定。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

采用DPS2000統(tǒng)計軟件對不同污染區(qū)與清潔區(qū)苔蘚、腐殖層土及底層土中金屬元素含量差異性進(jìn)行分析；采用SPSS20統(tǒng)計軟件包分別對苔蘚、腐殖層土、底層土的金屬元素含量進(jìn)行相關(guān)性分析。富集系數(shù)(C)=植物體內(nèi)某金屬元素的平均含量/植物體生長的土壤基質(zhì)中某金屬元素的平均含量[15]。

2 結(jié)果與分析

2.1 苔蘚及土壤中金屬含量的分布特征

2.1.1 As與Mn 從表1看出，污染區(qū)(S1、S2、S3)和清潔區(qū)(CK)4個區(qū)域的苔蘚、腐殖層土及底層土As含量均為腐殖層土>底層土>苔蘚。表明，腐殖層土對砷的富集強(qiáng)于底層土，可能是由于土壤長期受到外源污染時，As主要集中在表層土壤中[16]。有研究表明[17]，酸性環(huán)境有利于As的吸附，而本研究中腐殖層土pH為2.64～3.43，因而使其As含量較高。污染區(qū)苔蘚、腐殖層土以及底層土的As含量均極顯著高于清潔區(qū)，污染區(qū)As含量分別是對照區(qū)的179～300、29～61和18～64倍。對污染區(qū)3個采樣點(diǎn)，S1區(qū)苔蘚、腐殖層土及底層土中的As含量均極顯著高于S2和S3區(qū)，表明S1區(qū)受到更嚴(yán)重的As污染，同時也看出，苔蘚植物對As的富集受基質(zhì)的影響較為明顯，這與官慶松等研究的結(jié)果基本相一致[9]。

污染區(qū)(S1、S2、S3)和清潔區(qū)(CK)4個區(qū)域內(nèi)，Mn在苔蘚、腐殖層土和底層土的空間分布為苔蘚>腐殖層土>底層土，說明高砷煤礦區(qū)的苔蘚植物對Mn元素具有較強(qiáng)的富集作用。污染區(qū)苔蘚、腐殖層土及底層土的Mn含量明顯高于清潔區(qū)，其中，污染區(qū)苔蘚Mn含量顯著或極顯著高于清潔區(qū)。S1、S2和S3區(qū)苔蘚Mn含量差異不明顯；腐殖層土Mn含量S2和S3區(qū)顯著高于S1區(qū)；底層土Mn含量S3顯著高于S1和S2區(qū)。表明，污染區(qū)腐殖層土和底層土均不同程度受到煤礦區(qū)Mn元素污染，且污染程度隨空間的變化存在一定的差異性。

2.1.2 Cu與Zn 污染區(qū)(S1、S2、S3)苔蘚、腐殖層土及底層土的Cu含量底層土>腐殖層土>苔蘚，清潔區(qū)(CK)則為腐殖層土>底層土>苔蘚(表1)。從不同取樣區(qū)域看，污染區(qū)苔蘚、腐殖層土及底層土的Cu含量明顯高于清潔區(qū)，差異達(dá)極顯著水平。表明，污水流經(jīng)的溪流旁土壤受到煤礦廢水的污染。污染區(qū)苔蘚、腐殖層土以及底層土的Cu含量變化趨勢均為S2>S3>S1。底土中的Cu含量極顯著高于腐殖層土，從而導(dǎo)致苔蘚Cu含量相對較低。由此表明，苔蘚植物對Cu的累積受基質(zhì)中Cu含量的影響較為明顯。

由表1可見，污染區(qū)(S1、S2、S3)中苔蘚、腐殖層土以及底層土的Zn含量整體高于清潔區(qū)(CK)，特別是S2、S3區(qū)中苔蘚、腐殖層土及底層土的Zn含量與清潔區(qū)比較達(dá)顯著或極顯著差異水平。S3區(qū)苔蘚Zn含量顯著高于S1和S2區(qū)，而S1和S2區(qū)差異不明顯；S2中腐殖層土的Zn含量顯著或極顯著高于S3和S1；底土的Zn含量S2區(qū)極顯著高于S1和S3區(qū)。

2.1.3 Fe與Al 從表1看出，污染區(qū)(S1、S2、S3)苔蘚、腐殖層土、底層土的Fe含量極顯著高于清潔區(qū)(CK)。不同空間Fe含量為腐殖層土>底層土>苔蘚，可能是由于污染區(qū)常年受煤礦酸性廢水(AMD)的污染，導(dǎo)致基質(zhì)(腐殖層土、底層土)中含有大量Fe離子。有研究表明，苔鮮對Fe有著良好的沉積和容載能力[18]，因而導(dǎo)致污染區(qū)苔蘚中Fe含量與清潔區(qū)相比明顯較高。從污染區(qū)3個取樣點(diǎn)看，苔蘚Fe含量S1和S3極顯著高于S2；腐殖層土Fe含量表現(xiàn)為S1>S3>S2，且差異極顯著；底土Fe含量S2極顯著低于S1和S3。

污染區(qū)(S1、S2、S3)苔蘚、腐殖層土、底層土的Al含量顯著或極顯著高于清潔區(qū)(CK)，Al元素含量的空間分布表現(xiàn)為腐殖層土>底層土>苔蘚。污染區(qū)苔蘚的Al含量變化趨勢為S2>S3>S1，而腐殖層土、底層土Al含量變化趨勢表現(xiàn)為S2>S1>S3，但差異不顯著。

表1 不同采樣點(diǎn)苔蘚、腐殖層土以及底層土的金屬含量

注：同列數(shù)字后不同大、小寫字母分別表示差異達(dá)極顯著(P≤0.01)、顯著水平(P≤0.05)。

Note: Different capital and lowercase letters in the same column indicated significance at 1 % and 5 % levels respectively.

表2 苔蘚植物相對于土壤中金屬元素的富集系數(shù)

表3 苔蘚植物體內(nèi)6種金屬元素的相關(guān)性

注：由于樣本數(shù)較少，采用原始值進(jìn)行處理。*在0.05水平上達(dá)顯著相關(guān)，**在0.01水平上達(dá)極顯著相關(guān)。

Note: Original data were used for the fewer samples. * and ** indicated significance at 1 % and 5 % levels, respectively.

2.2 苔蘚植物金屬的富集特征

富集系數(shù)是衡量某種植物對金屬富集能力的重要指標(biāo)。富集系數(shù)越大，表明對金屬積累的能力越強(qiáng)，超富集植物的應(yīng)用是礦區(qū)生態(tài)修復(fù)的主要渠道之一[15]。從表2看出，苔蘚植物對Mn的富集系數(shù)大于1，表現(xiàn)出對Mn有較強(qiáng)的富集能力；對Zn的富集系數(shù)相對也較高，表明苔蘚對Zn具有一定的富集能力；而對Fe、Cu、As及Al的富集系數(shù)均小于1，說明苔蘚植物對Fe、Cu、As及Al的富集能力較弱。

2.3 苔蘚植物體內(nèi)金屬元素含量的相關(guān)性

植物體內(nèi)的不同元素間由于存在協(xié)同或拮抗作用，可能互相促進(jìn)或抑制元素的吸收，不同元素間的相關(guān)性可反映元素之間是否存有這種關(guān)系[19]。從表3看出，苔蘚植物體內(nèi)Fe-As存在顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.713(P<0.05)；Mn-Zn存在極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.969(P<0.01)；Cu-As存在顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.741(P<0.05)。

3 結(jié)論與討論

(1)研究結(jié)果表明，在貴州興仁縣富硫高砷煤礦區(qū)受污染溪流濱岸苔蘚體內(nèi)明顯富集典型金屬，對照(清潔區(qū))區(qū)域苔蘚As、Cu和Fe含量分別為1.89 mg/kg、1.03 mg/kg和1.43 g/kg，污染區(qū)苔蘚As、Cu、Fe含量分別是對照的178.54～300.89、12.56～17.42和17.83～29.82倍，極顯著高于對照區(qū)；污染區(qū)苔蘚Zn、Mn、Al含量分別為42.54～52.05 mg/kg、60.52～74.81 mg/kg和2.60～3.97 g/kg，顯著高于對照區(qū)。這可能是由于研究區(qū)常年受到煤礦酸性廢水的污染，溪流區(qū)苔蘚植物的生長土壤均被嚴(yán)重酸化(pH 2.64～3.57)。植物對金屬的富集主要取決于植物從土壤中吸取金屬以及向地上部運(yùn)輸金屬元素的能力，也取決于自由態(tài)離子活度[20]，煤礦酸性廢水中含有大量自由移動的Fe、Mn、Cu、Zn、As等污染離子導(dǎo)致植物體內(nèi)其金屬含量較高。

(2)在貴州興仁縣富硫高砷煤礦區(qū)內(nèi)，腐殖層土的As、Mn、Fe、Al含量較底層土高。原因可能是隨著土壤垂直深度的增加，土壤pH增加，一些金屬離子可形成溶解度較低的碳酸鹽或是氫氧化物[21]，從而使金屬離子沉淀固定，移動性減弱，在腐殖層土中形成鐵的氫氧化物和氧化物沉淀以及鐵、鋁氫氧化物膠體，從而使酸性礦山廢水中的Fe、Mn、Al等金屬離子在垂直深度梯度上的遷移能力減弱[22-23]，因而導(dǎo)致腐殖層土中Fe、Mn、Al含量高于底層土中含量。土壤長期受到外源污染時，As主要集中在表層土壤中[13]，同時酸性環(huán)境有利于As的吸附[14]，研究區(qū)長期受酸性礦山廢水污染，土壤pH較低，導(dǎo)致腐殖層土富集更高含量的As。

(3)苔蘚植物因?yàn)槠涮厥獾慕Y(jié)構(gòu)，具有較強(qiáng)的陽離子交換能力，從周圍的環(huán)境中有效地吸收金屬離子[24]，但由于苔蘚植物的表面具有的多毛分支結(jié)構(gòu)[25]，從而表現(xiàn)出對不同金屬的富集能力又不盡相同。有研究表明[19]，如果植物體內(nèi)兩元素間呈顯著或極顯著的正相關(guān)，則表明這兩種元素存在協(xié)同作用；如呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)，則說明該兩種元素之間有拮抗作用。相關(guān)性分析表明，研究區(qū)內(nèi)的苔蘚植物體內(nèi)的Fe和As、Mn和Zn及Cu和As之間存在顯著或極顯著正相關(guān)性。由此可知，苔蘚植物體內(nèi)Fe和As、Mn和Zn以及Cu和As可能存在協(xié)同作用。而Al與Zn、Mn呈負(fù)相關(guān)性，則表明Al與Zn、Mn的吸收途徑可能不同，或者存在著吸收的拮抗作用。苔蘚植物體內(nèi)元素的這一相關(guān)特性可作為先鋒優(yōu)勢植物應(yīng)用于土壤污染生態(tài)修復(fù)。

(4)本研究中的部分金屬屬于有毒元素，但對苔蘚植物的毒害作用并不明顯，由于苔蘚類植物自身存在某些基因或生理結(jié)構(gòu)變化，其體內(nèi)可能產(chǎn)生了抵抗金屬毒害的防御機(jī)制[8]。此外，苔蘚類植物還能夠在強(qiáng)酸條件下生長良好，是礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)與治理的適宜先鋒物種。因此，在喀斯特背景下，富硫高砷煤礦區(qū)土壤金屬污染綜合治理過程中，可優(yōu)先選用耐受性強(qiáng)的苔蘚類植物，從而增加煤礦區(qū)的植被覆蓋，解決無植被覆蓋的煤礦區(qū)侵蝕作用加劇的難題。同時，金屬耐受性植物可以將金屬固定在植物根系或根際土壤中，從而降低土壤中金屬的遷移能力[26-27]，使金屬的生物可利用性下降、金屬的生物毒性降低[28]。苔蘚植物能遏制煤礦區(qū)土壤污染物的擴(kuò)散，對礦區(qū)環(huán)境的生態(tài)恢復(fù)與治理具有重要的科學(xué)意義。

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(責(zé)任編輯 姜 萍)

Distribution Characteristics of Typical Heavy Metals in Bryophyte and Soil from Rich Sulphur and High Arsenic Coal Mining Area in Guizhou

LIU Gui-hua1,2,3, WU Yong-gui4*, FU Tian-ling5，F(xiàn)AN Cheng-wu1,2,3, QIN Song1,2,3

(1. Guizhou Institute of Soil and Fertilizer, Guizhou Guiyang 550006,China; 2. Guizhou Institute of Agricultural Resources and Environment, Guiyang, Guizhou 550006; 3. Guizhou Province Agricultural Resources and Environmental Engineering Technology Research and Development Center, Guizhou Guiyang 550006,China; 4. Institute of Applied Ecology, Guizhou University, Guizhou Guiyang 550025,China; 5. Institute of New Rural Development Research, Guizhou University, Guizhou Guiyang 550025, China)

In order to explore the ecological remediation potential of bryophyte in mining area, taking bryophyte near polluted stream around the abandoned mining area in Qianxinan Prefecture as the research object, which was a typical background region with high As content in China, the accumulation characteristics of plants tolerant to harmful constituents through analyzing contents of As, Mn, Cu, Zn, Fe and Al in bryophyte, humus layer and underearth soil. Results: Bryophyte significantly accumulated typical heavy metals, the heavy metals As, Cu, Fe in bryophyte in clean area was respectively 1.89 mg/kg, 1.03 mg/kg and 1.43 g/kg, while that in bryophyte near polluted stream were higher obviously, which was 178.54-300.89, 12.56-17.42, 17.83-29.82 times as compared area. Meanwhile, the content of Zn, Mn, Al was 42.54-52.05mg/kg, 60.52-74.81mg/kg, 2.60-3.97g/kg, respectively. Humus layer soil had higher enrichment capability of As, Fe, Al, Mn, compared with the underearth. The bryophyte in coal area had enrichment capability of Mn, Zn, but it refused to absorb As, Cu, Fe, Al. The correlation analysis indicated that Fe-As, Cu-Zn showed significant positive correlation(P<0.05), Mn-Zn showed highly significant positive correlation(P<0.01).

High arsenic mine area; Bryophyte; Enrichment factor; Soil; Heavy metal pollution

1001-4829(2016)09-2201-05

10.16213/j.cnki.scjas.2016.09.032

2016-03-12

貴州省科研機(jī)構(gòu)服務(wù)企業(yè)行動計劃項目“貴州農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地重金屬檢測與控制技術(shù)研發(fā)平臺建設(shè)”[黔科合服企[2015]4007]；貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技成果培育與人才培養(yǎng)項目“重金屬(Cd、As等)污染農(nóng)田土壤固化修復(fù)技術(shù)研究與集成示范”[黔農(nóng)科院CR合字(2014)12]；貴州省科技廳科技計劃項目“鎘低積累作物篩選及土壤鎘污染控制技術(shù)研究與示范”[黔科合NY[2013]3077]

劉桂華(1989-)，女，研究實(shí)習(xí)員，碩士，從事農(nóng)業(yè)環(huán)境重金屬污染治理研究工作，E-mail: 740768802@qq.com，*為通訊作者。

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