礦區(qū)蕨類植物重金屬富集性調(diào)查研究
——以黃石國家礦山公園為例

葛緒廣，張歡歡，陳 琳，張亞雄，潘承承，時(shí) 宇，豐聰穎，翟偉哲

(1.湖北師范大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院，湖北 黃石 435002；2.首都師范大學(xué) 資源環(huán)境與旅游學(xué)院，北京 100048)

礦區(qū)蕨類植物重金屬富集性調(diào)查研究
——以黃石國家礦山公園為例

葛緒廣1，張歡歡1，陳 琳1，張亞雄1，潘承承1，時(shí) 宇1，豐聰穎1，翟偉哲2

(1.湖北師范大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院，湖北 黃石 435002；2.首都師范大學(xué) 資源環(huán)境與旅游學(xué)院，北京 100048)

人類活動(dòng)引起的環(huán)境污染和生態(tài)破壞越來越嚴(yán)重，尤其是干擾強(qiáng)烈的地區(qū)，如礦產(chǎn)開發(fā)區(qū)，礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的治理也越來越受到重視。以黃石國家礦山公園蕨類植物及其根系土壤的重金屬含量為研究對象，對植物的根、莖、葉及其根系土壤中的重金屬進(jìn)行了測定，結(jié)果顯示：土壤中某些重金屬含量超標(biāo)，其中Cd最嚴(yán)重，平均污染指數(shù)達(dá)到 46.30，Cu為11.20；植物對重金屬元素的富集作用差別較大，鳳尾蕨和貫眾對重金屬的富集作用較強(qiáng)，在治理當(dāng)?shù)刂亟饘傥廴竟ぷ髦心馨l(fā)揮較大作用；同一植物不同組織對重金屬的富集作用有明顯差異，多數(shù)植物根系對重金屬的富集作用比其他組織強(qiáng)。

植物；重金屬；富集；組織

0 引言

重金屬是指比重大于5的金屬(一般來講密度大于4.5g/cm2的金屬)，包括Cr、Cd、Hg、Pb、Cu、Ag和Sn等40多種金屬，除此之外，毒性比較相近的Se、As等類金屬元素也屬于重金屬的范疇。重金屬是一類具有潛在危害性的重要污染物[1]，其在環(huán)境中產(chǎn)生的污染效應(yīng)具有長期性、隱蔽性和不可逆性的特點(diǎn)[2]，隨著食物鏈的傳遞具有積累和放大作用，進(jìn)而會(huì)對生物產(chǎn)生更大的負(fù)面影響。黃石國家礦山公園前身為我國重要的鐵、銅采礦區(qū)。長期的礦產(chǎn)資源開發(fā)，使得礦區(qū)重金屬污染問題比較突出。近些年來，植物學(xué)家不斷地運(yùn)用藻類、苔蘚、蕨類以及種子植物[3～6]，對不同重金屬的單一或復(fù)合污染處理效果進(jìn)行深入研究，進(jìn)而篩選出了幾種相關(guān)的重金屬富集和超富集植物[7]。針對目前有關(guān)黃石國家礦山公園植物重金屬含量調(diào)查研究還未見報(bào)道，基于此，對研究區(qū)的植物以及它們各自的根系土壤進(jìn)行了了采集，隨后測定了植物各個(gè)部位(根、莖和葉)及其根系土壤中五種重金屬元素(Cd、Cr、Cu、Zn、Ni)的含量，進(jìn)而挖掘出可能具有重金屬富集能力的植物，以期對植物修復(fù)技術(shù)的研究有一定的指導(dǎo)作用。

1 材料和方法

1.1 材料和試劑

1.1.1 采集植物樣品 在采樣區(qū)內(nèi)選擇數(shù)量較多、生長良好的植物進(jìn)行采取，植物盡量采集整株，并保持植株的完整性。將采集好的樣品用塑料袋裝好并附上樣品編號(hào)，在記錄簿上做好記錄。同時(shí)分別采集各植物相應(yīng)根系的表層土壤并裝袋貼好對應(yīng)標(biāo)簽。

1.1.2 試劑 硝酸、鹽酸、氫氟酸、Cd、Cu、Ni、Cr、Zn的標(biāo)準(zhǔn)液。

1.2 儀器設(shè)備

恒溫干燥箱、研缽、消解罐、微波消解儀、冷卻機(jī)、加熱儀、ICE 3500系列原子吸收光譜儀等。

1.3 方法

1.3.1 處理土壤樣品 將采集的土壤樣品用恒溫干燥箱70℃烘干，取適量樣品用研缽將土樣磨細(xì)，用天平準(zhǔn)確稱取0.4000g樣品倒入消解罐，加入9mL HNO3、3mL HCl和2mL HF，之后將其放入微波消解儀中消解，消解完成后放在冷卻機(jī)上冷卻15min，然后在加熱儀上150℃加熱40min進(jìn)行趕酸，結(jié)束后將消解液移至50mL比色管中定容。

1.3.2 處理植物樣品 將采集的植物樣品先用自來水將表面的泥土等雜物沖洗干凈，而后再用去離子水沖洗3遍，瀝去水分，將植物分為根(地下部分)、莖和葉(地上部分)，用不銹鋼刀切碎，置于恒溫干燥箱中120℃殺青30min，然后在70℃下烘干至恒重。將烘干后的植物用研缽研碎，而后每個(gè)樣品用分析天平準(zhǔn)確稱取0.2000g，采用和土壤同樣的方法消解、定容。

1.3.3 測定 將處理好的樣品用ICE 3500系列原子吸收光譜儀測定重金屬含量。

1.4 評(píng)價(jià)方法

1.4.1 土壤重金屬污染評(píng)價(jià)方法 本研究采用常用的單項(xiàng)因子污染指數(shù)法對黃石國家礦山公園的土壤進(jìn)行現(xiàn)狀評(píng)價(jià)。選用湖北省土壤自然背景值和國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(GB15618—1995)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[8,9](表1)，對黃石國家礦山公園土壤重金屬的環(huán)境質(zhì)量狀況做出評(píng)價(jià)。單因子污染指數(shù)[10]∶(Pi)=土壤污染物實(shí)測值/土壤污染物標(biāo)準(zhǔn)(1)。(1)式中，Pi<1，表示未污染；Pi>1，表示污染。Pi越大，表示污染越嚴(yán)重。

表1 土壤重金屬污染評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) 單位：mg·kg-1

1.4.2 綜合富集系數(shù) 綜合富集系數(shù)(BCF)是指某植物體各器官對各重金屬元素富集系數(shù)的平均值。植物的根、莖、葉是一個(gè)整體，其綜合富集系數(shù)能夠更加直觀、清晰地反映植物整體富集某種重金屬的能力大小。公式如下：

BCF=(BCFR+BCFL+BCFB)/3

其中，BCFR為根富集系數(shù)；BCFL為葉富集系數(shù)；BCFB為莖富集系數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤中的重金屬污染評(píng)價(jià)

根據(jù)湖北省土壤環(huán)境背景值進(jìn)行單項(xiàng)因子污染指數(shù)評(píng)價(jià)(表2中PB)，6個(gè)采樣點(diǎn)土壤的Cd、Cu、Zn污染指數(shù)值都大于 1.0，表示該地區(qū)土壤已受到重金屬的污染。不同重金屬對各自采樣點(diǎn)所造成的污染程度存在較大差異，從污染指數(shù)上看 Cd>Cu>Zn>Ni>Cr。其中，所有采樣點(diǎn)土壤中的 Cd 都超標(biāo)，平均污染指數(shù)達(dá)到 46.30，遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)值1.0，Cu為11.20； Zn為4.20。除了T4樣點(diǎn)土壤受到Ni的微污染外，其余樣點(diǎn)土壤均未受到Cr、Ni污染。

以國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果如表2中PC，Cd 污染依然超標(biāo)最大，之所以出現(xiàn)此現(xiàn)象，很可能是因?yàn)檠芯繀^(qū)周圍礦業(yè)活動(dòng)頻繁，使重金屬Cd進(jìn)入土壤而超標(biāo)嚴(yán)重。此外，由表2可以看出，T1土壤的Cd污染指數(shù)明顯小于其它土壤，這可能是由于旁邊河流流水的沖刷作用造成的。另外，Cu 的污染程度也較嚴(yán)重，平均污染指數(shù)值達(dá)到6.88 . 與土壤背景值評(píng)價(jià)不同的是，采用國家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)時(shí)，原本污染程度較高的Zn污染指數(shù)由第三位下降至第五位，從平均污染指數(shù)來看，并未造成重金屬的污染；而Cr 和Ni 以國家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)衡量，其平均污染指數(shù)分別為0.45和0.75，同樣表示未受到污染。

表2 礦山公園土壤重金屬環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)

注：T1-T5分別是編號(hào)為1-5的植物的根系土壤；PB、PC分別代表以湖北省土壤背景值和國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得到的單因子污染指數(shù)值。

由上面分析可知，基于湖北省自然背景值和國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，針對黃石國家礦山公園土壤中的重金屬含量都得出了土壤受到重金屬不同程度污染的評(píng)價(jià)結(jié)果。這可能是因?yàn)槎嗄陙睃S石礦業(yè)發(fā)展迅速，在促進(jìn)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的同時(shí)，對其周邊地區(qū)的土壤產(chǎn)生了不同程度的污染，致使土壤重金屬含量有了不同程度的增加。

2.2 不同植物對重金屬的綜合富集系數(shù)

由表3可以看出，不同植物對同種重金屬富集系數(shù)存在顯著性差異,同種植物對不同重金屬綜合富集系數(shù)不相同，同種植物在不同生長環(huán)境下對重金屬的富集效果有較大差異。從綜合富集指數(shù)上看，蕨菜對5種重金屬富集能力比較：Cd>Ni>Zn>Cr>Cu。鐵線蕨對5種重金屬的富集能力Cd>Ni>Cr>Zn>Cu；鳳尾蕨對Zn的富集效果很強(qiáng)，綜合富集系數(shù)達(dá)30.76，而后是Cd>Cu>Cr>Ni；蜈蚣草對5種重金屬的富集能力：Zn>Cd>Cr>Ni>Cu；貫眾對5種重金屬吸收富集能力：Zn>Ni>Cr>Cd>Cu。5種植物里邊，蕨菜對Cd的富集效果最大，綜合富集系數(shù)達(dá)到36.60，而對其他4種重金屬的富集效果較弱；對Cu富集能力最高的是鳳尾蕨，綜合富集系數(shù)為2.39；對Zn和Ni富集能力最高的是貫眾，綜合富集系數(shù)分別為46.92和2.81；對Cr吸收富集能力最高的是貫眾，綜合富集系數(shù)為1.23。

表3 植物對5種重金屬的綜合富集系數(shù)(BCF)

植物修復(fù)技術(shù)是土壤重金屬污染凈化的重要方式，具有較高的生態(tài)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。本文在已有研究的基礎(chǔ)上，通過實(shí)驗(yàn)及分析大體了解了黃石礦山公園土壤重金屬污染狀況以及該礦區(qū)植物對重金屬的富集作用，由此得出以下結(jié)論：

1)基于湖北省土壤自然背景值和國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，黃石國家礦山公園的土壤都受到了不同程度的重金屬污染，其中，重金屬Cd的污染最為嚴(yán)重，Cu次之。

2)不同的植物對重金屬元素的富集作用差別較大。蜈蚣草對Cd的富集作用明顯，鳳尾蕨、蜈蚣草、貫眾對Zn有很好的富集作用；鳳尾蕨對Cu的吸收富集效果最好。

3)同一植物的不同器官對各種重金屬的吸收富集能力有明顯差異。從植物根部和莖葉重金屬富集系數(shù)來看，植物不同器官對重金屬的富集能力有一定的規(guī)律，即大多數(shù)植物表現(xiàn)為根部的富集系數(shù)大于莖葉的富集系數(shù)。

[1]周啟星.鎘的生物地球化學(xué)循環(huán)和污染生態(tài)學(xué)研究[D].沈陽:中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所,1992.

[2]Zhang N M. The present situation and prospect of research on heavy metal pollution in soil plant systems[J].Advances in Environment Science,1999,7(4):30～33.

[3]Gao Y, Yan X. Response of chara globularis and hydrodictyon reticu-latum to lead pollution: their survival, bioaccumulation and defense[J]. Journal of Applied Phycology, 2012,24(2):245～251.

[4]Lang I, Wernitznig S. Sequestration at the cell wall and plasma mem-branefacilitates zinc tolerance in the moss Pohlia drummondii[J].Environmental and Experimental Botany,2011,74:186～193.

[5]Rozentsvet O A, Guschina I A, Bogdanova E S. The effect of copper and lead ions on growth and lipid composition of the fern Matteuccia sthruthiopteris[J].Bioremediation Journal,2012,16(1):38～47.

[6]Hu R, Sun K, Su X, et al.. Physiological responses and tolerance mechanisms to Pb in two xerophils: Salsola passerina Bunge and Chenopodium album L[J]. Journal of Hazardous Materials, 2012, 205:131～138.

[7]唐世榮.超積累植物在時(shí)空、科屬內(nèi)的分布特點(diǎn)及尋找方法[J].農(nóng)村生態(tài)環(huán)境, 2001, 17(4):56～60.

[8]薛生國,陳英旭.中國首次發(fā)現(xiàn)的Mn超積累植物[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2003,23(5):935～937.

[9]謝正苗,李 靜,徐建明,等.杭州市郊蔬菜基地土壤和蔬菜中Pb、Zn和Cu含量的環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)[J].環(huán)境科學(xué), 2006, 27(4):742～747.

[10]黃國鋒,吳啟堂.綠色食品產(chǎn)地土壤環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的修正[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù), 2000, 19(2):123～125.

Investigation on heavy metal accumulation of pteridophyta in mine Lot——With Huangshi national mine park for example

GE Xu-guang1, ZHANG Huan-huan1, CHEN Lin1, ZHANG Ya-xiong1,PAN Cheng-cheng1,SHI Yu1,FENG Cong-ying1,ZHAI Wei-zhe2

(1.College of Urban and Environmental Sciences, Hubei Normal University, Huangshi, 435002, China; 2.College of Resource Environment and Tourism, Capital Normal University，Beijing，100048，China)

The environmental pollution and ecological destruction caused by human activities are more and more serious, especially in strongly interferenced region, such as mineral development zone. The management of ecological environment in mining area has focused more and more attention. In Huangshi, the pollution caused by the mineral development brought a serious threat to the health of people who live in the local or surrounding areas. In this paper, we take the heavy metal accumulation of plants collected from Huangshi National Mine Park as the research scope, measure the heavy metal content of the plants’ roots, stems, leaves and root zone soil. In the end, we can come to some conclusions: some heavy metals are existed excessively in soil vary widely on enrichment of heavy metals, enrichment of heavy metal of the plants such as Pteris and Cyrtominm rhizome are stronger, and they can play a great role in the governance of local heavy metal pollution; the enrichment of heavy metals by different tissues of the same plant has significant difference, the majority of the enrichment of heavy metals by plant roots is better than other tissues.

plant; heavy metals; tissue; enrichment

2016—11—17

湖北省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目(D20152501); 湖北省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目(201610513037)；湖北師范大學(xué)本科生科研項(xiàng)目(ZZ04)

葛緒廣(1976— )，男，山東臨沂人，博士，副教授，主要從事地理教育和環(huán)境生態(tài)修復(fù)研究.

G502

A

2096-3149(2017)01- 0008-04

10.3969/j.issn.2096-3149.2017.01.002