遼陽弓長(zhǎng)嶺鐵礦區(qū)優(yōu)勢(shì)植物的重金屬耐性評(píng)價(jià)

張曉薇 王恩德 吳 瑤

(1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

隨著我國(guó)工業(yè)和經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，對(duì)礦物的需求日益增大，直接導(dǎo)致礦山開采量直線上升，隨之而來的是超過300萬公頃的礦業(yè)廢棄地[1-2]。而由于我國(guó)礦區(qū)在開采過程中不重視環(huán)境保護(hù)的問題，大量酸性廢水隨意排放以及尾礦隨意堆砌，經(jīng)過長(zhǎng)期的風(fēng)化和淋濾，向環(huán)境中釋放大量的重金屬元素，造成土壤重金屬污染日益嚴(yán)重[3-4]。同時(shí)重金屬隨著河流等途徑遷移，進(jìn)入礦區(qū)周圍農(nóng)田及飲用水中，對(duì)礦區(qū)人民身體健康產(chǎn)生巨大威脅。因此，礦區(qū)重金屬污染是目前亟待解決的環(huán)境問題[5]。

植物修復(fù)(Phytoremediation)是利用重金屬富集植物直接修復(fù)污染的一種原位土壤修復(fù)技術(shù)，具有成本低、無二次污染并且可以美化環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)[6-7]，是重金屬面源污染修復(fù)的首選技術(shù)。因此，植物修復(fù)技術(shù)得到了越來越多的環(huán)保工作者的青睞，成為目前研究熱點(diǎn)之一，現(xiàn)已取得巨大的研究進(jìn)展[8]。但是，高性能的重金屬富集植物的篩選限制著植物修復(fù)的發(fā)展。礦區(qū)植物大多都是在長(zhǎng)期的自然選擇過程中存活下來的，由于受到長(zhǎng)期的“馴化”作用，產(chǎn)生了重金屬解毒基因，往往對(duì)重金屬污染的耐性比較好，是富集植物的重要來源之一[9]?？蒲腥藛T已經(jīng)在礦區(qū)植物中篩選出大量的指示植物和超富集植物，將其在礦區(qū)大規(guī)模原位種植，已取得顯著成果[10]。

因此，本研究對(duì)遼陽弓長(zhǎng)嶺鐵礦區(qū)土壤及植物群落重金屬污染現(xiàn)狀展開調(diào)查，選取獨(dú)木排土場(chǎng)、下部排土場(chǎng)、大拉子尾礦、蘇安大街以及茨溝村5個(gè)采樣區(qū)的土壤及其生長(zhǎng)旺盛的植物群落，測(cè)定土壤以及植物中重金屬含量，考察植物對(duì)重金屬的富集能力和耐性，選擇最適合該地區(qū)重金屬污染修復(fù)的優(yōu)勢(shì)植物，為該地區(qū)生態(tài)恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

遼陽弓長(zhǎng)嶺鐵礦位于遼寧省中部，屬溫帶大陸性氣候，平均氣溫8.4 ℃，降水量708 mm，蒸發(fā)量1 107 mm[11]。礦區(qū)總面積110 km2，露天采場(chǎng)4個(gè)，占用土地面積35 km2。該鐵礦多采用露天開采，開采過程中形成的露天采場(chǎng)、尾礦以及排土場(chǎng)等，形成了大面積的廢棄地，嚴(yán)重破壞當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境。同時(shí)，開采和尾礦廢渣的堆積，造成嚴(yán)重的污染[12]。

2 樣品的采集與分析測(cè)試

2.1 樣品采集

總共設(shè)置下部排土場(chǎng)、獨(dú)木排土場(chǎng)、大拉子尾礦庫、茨溝村和蘇安大街5個(gè)采樣區(qū)，選擇長(zhǎng)勢(shì)旺盛、分布較多的植物，完整取其莖、葉、根，同時(shí)，按4點(diǎn)法采集相應(yīng)植物根際土壤，分別置于樣品袋內(nèi)編號(hào)，帶回實(shí)驗(yàn)室，-20 ℃保存?zhèn)溆谩?/p>

2.2 樣品分析

將土壤樣品風(fēng)干、研磨、過100目篩。植物樣品用去離子水清洗干凈后，在65 ℃下烘干至恒重，剪碎。準(zhǔn)確稱取土樣或植物樣品適量，置于聚四氟乙烯消解罐中，土樣添加HNO3-HCIO4-HCl混合酸，植物樣添加HNO3-HClO4混合酸微波消解。微波消解后將其置于電熱板上加熱揮發(fā)酸，當(dāng)溶液剩1～2 mL的小水珠呈可滾動(dòng)珠狀時(shí)，停止揮酸，冷卻，稀釋定容。立即用原子吸收分光光度法測(cè)定植物和土壤中Cd、Cu、Zn、Cr、Pb的含量。試驗(yàn)同時(shí)做空白對(duì)照試驗(yàn)，每項(xiàng)重復(fù)3次。

3 調(diào)查結(jié)果與討論

3.1 礦區(qū)植物種類

本研究在5個(gè)采樣區(qū)共記錄調(diào)查了18種植物，其中稗草、狗尾草、鬼針草、桃葉蓼、山楊、旱柳、三裂葉豚草、茵陳蒿、一年蓮、小藜、月見草11種植物綜合優(yōu)勢(shì)比占到60%以上，表現(xiàn)為礦區(qū)的優(yōu)勢(shì)植物。該地區(qū)5個(gè)采樣區(qū)的所有植物種別見表1。

表1 弓長(zhǎng)嶺鐵礦區(qū)植物種類組成Table 1 Plant species composition of Gongchangling Iron Mine Area

3.2 礦區(qū)土壤中重金屬含量

各樣點(diǎn)的土壤重金屬(Cd、Cu、Zn、Cr、Pb)含量如表2所示。由表2可知，該礦區(qū)土壤重金屬含量普遍較高，其中Cd、Cu、Zn含量均超過國(guó)家土壤質(zhì)量三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，表現(xiàn)出不同程度的污染。并且各污染物含量變化范圍較大，銅的變化范圍是187.7～ 1 025.0 mg/kg，鋅的變化范圍是51.11～663.5 mg/kg，鉛的變化范圍是34.22～73.34 mg/kg，鎘的變化范圍是2.87～9.00 mg/kg，鉻的變化范圍是35.28～345.5 mg/kg。由該鐵礦區(qū)地積累指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果可知：各重金屬的污染程度Cd>Cu>Zn>Cr>Pb，表明該鐵礦區(qū)的確已經(jīng)受到不同程度的重金屬污染，以Cd和Cu污染為主。其中，大拉子尾礦、獨(dú)木排土場(chǎng)、蘇安大街以及下部排土場(chǎng)的污染因子主要為Cd、Cu和Zn，而茨溝村的污染因子主要為Cd和Zn。

表2 弓長(zhǎng)嶺鐵礦區(qū)土壤樣品重金屬平均含量Table 2 Average heavy metals content in soil samples of Gongchangling Iron Mine Area

3.3 礦區(qū)植物重金屬含量

5個(gè)采樣區(qū)優(yōu)勢(shì)植物地上、地下部重金屬含量分別見表3、表4、表5、表6、表7。

表3 大拉子尾礦庫植物重金屬含量Table 3 Heavy metal concentration in plants from Dalazi tailings pond

表4 獨(dú)木排土場(chǎng)植物重金屬含量Table 4 Heavy metal concentration in plants from Dumu Waste Dump

由表3可知，大拉子尾礦庫11種優(yōu)勢(shì)植物中，地上和地下部Cd含量最高的植物均為茵陳蒿，地上和地下部Cu含量最高的均為狗尾草，地上和地下部Zn含量最高的均為山楊，地上和地下部Pb含量最高的是茵陳蒿，地上和地下部Cr含量最高的均為三裂葉豚草。

由表4可知，獨(dú)木排土場(chǎng)的植物中，地上部Cd、Cu、Zn含量最高的均為茵陳蒿，地上部Pb、Cr含量最高的分別為一年蓮和小藜；地下部Cd、Cu、Zn、Pb、Cr含量最高的分別為一年蓮、稗草、桃葉蓼、稗草和小藜。

表5 茨溝村植物重金屬含量Table 5 Heavy metal concentration in plants from Cigou Village

表6 蘇安大街植物重金屬含量Table 6 Heavy metal concentration in plants from Su′an Street

表7 下部排土場(chǎng)植物重金屬含量Table 7 Heavy metal concentration in plants from Xiabu Waste Dump

由表5可知，茨溝村的植物地上、地下部Cd含量最高的均為鬼針草，地上部、地下部Cu含量最高的分別為鬼針草和狗尾草，地上和地下部Zn、Pb含量最高的均為三裂葉豚草，地上部Cr含量最高的是狗尾草，地下部Cr含量最高的是三裂葉豚草。

由表6可得：蘇安大街的植物中地上和地下部Cd含量最高的分別為桃葉蓼和鬼針草；地上和地下部Cu含量最高的均為桃葉蓼；地上部Zn含量最高的為桃葉蓼，地下部含量最高的為狗尾草；地上部Pb含量最高的為鬼針草，地下部Pb含量最高的為小藜；而地上和地下部Cr含量最高的分別為狗尾草和桃葉蓼。

由表7可知：下部排土場(chǎng)不同植物地上和地下部Cd含量最高的分別是苦荬菜和一年蓮；地上和地下部Cu含量最高的分別為桃葉蓼和茵陳蒿；地上和地下部Zn含量最高的分別為茵陳蒿和山旱柳；地上和地下部Pb含量最高的分別為一年蓮和苦荬菜；地上和地下部Cr含量最高的分別為山楊和山旱柳。

3.4 礦區(qū)優(yōu)勢(shì)植物對(duì)重金屬的富集能力

富集系數(shù)(Enrichment Factor，EF)是衡量植物對(duì)重金屬富集能力的一個(gè)重要指標(biāo)，同時(shí)也能間接反映植物對(duì)重金屬的耐性。富集系數(shù)越大，富集能力越強(qiáng)，耐性越強(qiáng)[13]。富集系數(shù)計(jì)算方法為

EF=C植物/C土壤.

(1)

式中，C植物為植物中重金屬含量，C土壤為土壤中重金屬含量。

各采樣區(qū)優(yōu)勢(shì)植物的富集系數(shù)見圖1～圖5。

圖1 大拉子尾礦庫植物富集系數(shù)Fig.1 Enrichment factors of plants from Dalazi tailings pond

由圖1可知：大拉子尾礦庫各采樣點(diǎn)的優(yōu)勢(shì)植物對(duì)Cd富集系數(shù)大小排序?yàn)橐痍愝?三裂葉豚草>桃葉蓼>山楊>狗尾草>月見草>稗草>旱柳>一年蓮>小藜>鬼針草，其中，茵陳蒿的Cd富集系數(shù)為 1.023 5，是一種潛在的Cd富集植物；三裂葉豚草、狗尾草、旱柳、一年蓮、小藜的Cu富集系數(shù)均大于1，是潛在的Cu富集植物，其中，三裂葉豚草的Cu富集能力最強(qiáng)；對(duì)Zn富集能力最強(qiáng)的是山楊，狗尾草和旱柳也具有一定的Zn富集能力；茵陳蒿、稗草、小藜、旱柳、狗尾草、鬼針草的Pb富集系數(shù)也均大于1，其中，茵陳蒿的Pb富集系數(shù)最高，達(dá)到了2.545 1；對(duì)Cr富集能力最強(qiáng)的為一年蓮，其次為三裂葉豚草。

圖2 獨(dú)木排土場(chǎng)植物富集系數(shù)Fig.2 Enrichment factors of plants from Dumu Waste Dump

圖3 茨溝村植物富集系數(shù)Fig 3 Enrichment factors of plants from Cigou Village

圖4 蘇安大街植物富集系數(shù)Fig.4 Enrichment factors of plants from Su′an Street

圖5 下部排土場(chǎng)植物富集系數(shù)Fig.5 Enrichment factors of plants from Xiabu Waste Dump

由圖2可得：獨(dú)木排土場(chǎng)各采樣點(diǎn)的優(yōu)勢(shì)植物對(duì)Cd富集系數(shù)最大的為茵陳蒿、小藜；對(duì)Cu、Zn富集能力最強(qiáng)的為茵陳蒿；對(duì)Pb富集能力最強(qiáng)的為一年蓮；對(duì)Cr富集能力最強(qiáng)的為小藜。

由圖3可知：茨溝村各采樣點(diǎn)的優(yōu)勢(shì)植物對(duì)Cd、Cu富集能力最強(qiáng)的植物為鬼針草,值得注意的是該地區(qū)植物對(duì) Cd的富集能力都較強(qiáng)，富集系數(shù)均大于1；對(duì)Zn富集能力最強(qiáng)的為三裂葉豚草；對(duì)Pb富集能力最強(qiáng)的為三裂葉豚草；對(duì)Cr富集能力最強(qiáng)的為狗尾草。

由圖4可知：蘇安大街各采樣點(diǎn)優(yōu)勢(shì)植物中桃葉蓼是一種富集能力廣泛的植物，對(duì)Cd的富集系數(shù)為2.163 6；對(duì)Pb富集能力最強(qiáng)的為鬼針草；對(duì)Cr富集能力最強(qiáng)的是狗尾草。

由圖5可知：下部排土場(chǎng)各采樣點(diǎn)優(yōu)勢(shì)植物對(duì)Cd富集能力最強(qiáng)的是苦荬菜；對(duì)Cu富集能力最強(qiáng)的為桃葉蓼；對(duì)Zn富集能力最強(qiáng)的為茵陳蒿；對(duì)Pb富集能力最強(qiáng)的為一年蓮，其富集系數(shù)達(dá)到2.263 3；對(duì)Cr富集能力最強(qiáng)的為山楊。

通過比較可以得出，不同植物對(duì)同種重金屬的富集能力不同，同種植物對(duì)不同重金屬的富集能力不同，甚至同種植物在不同地區(qū)對(duì)同種金屬的富集能力也不同。總體上，從植物對(duì)Cu、Zn、Pb、Cd、Cr的綜合富集能力來看，可以在大拉子尾礦庫選取三裂葉豚草、茵陳蒿和一年蓮，在獨(dú)木排土場(chǎng)選取茵陳蒿、一年蓮和小藜，在茨溝村選取鬼針草、三裂葉豚草和狗尾草，在蘇安大街選取桃葉蓼、鬼針草和狗尾草，在下部排土場(chǎng)選取桃葉蓼、茵陳蒿和一年蓮用于植被修復(fù)，恢復(fù)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境。

3.5 礦區(qū)優(yōu)勢(shì)植物對(duì)重金屬的耐性

重金屬轉(zhuǎn)移系數(shù)(Biological Transfer Factor,BTF)是對(duì)植物重金屬耐性評(píng)價(jià)的另一個(gè)重要指標(biāo)[14]。計(jì)算方法為

BTF=C地上/C地下.

(2)

式中，C地上為植物地上部重金屬含量，C地下為植物地下部重金屬含量。

轉(zhuǎn)移系數(shù)越大說明植物將重金屬從根部運(yùn)送到地上部的能力越強(qiáng)，也就說明植物對(duì)重金屬的耐性越強(qiáng)[15]。弓長(zhǎng)嶺鐵礦區(qū)優(yōu)勢(shì)植物對(duì)Cd、Cu、Zn、Cr、Pb的轉(zhuǎn)移系數(shù)如圖6～圖10所示。

圖6 大拉子尾礦庫植物轉(zhuǎn)移系數(shù)Fig.6 Transfer Factors of plants from Dalazi tailings pond

圖7 獨(dú)木排土場(chǎng)植物轉(zhuǎn)移系數(shù)Fig.7 Transfer Factors of plants from Dumu Waste Dump

圖8 茨溝村植物轉(zhuǎn)移系數(shù)Fig 8 Transfer Factors of plants from Cigou Village

由圖6可知：大拉子尾礦庫地區(qū)，對(duì)Cd耐性最強(qiáng)的植物是狗尾草，轉(zhuǎn)移系數(shù)是7.497 6，其次為旱柳、三裂葉豚草、稗草、山楊等；對(duì)Cu耐性最強(qiáng)的是稗草，轉(zhuǎn)移系數(shù)是3.607 7；對(duì)Zn耐性最強(qiáng)的植物是旱柳，轉(zhuǎn)移系數(shù)高達(dá)8.587 5，桃葉蓼和一年蓮對(duì)Zn的耐性也較強(qiáng)；對(duì)Pb耐性最強(qiáng)的是狗尾草，轉(zhuǎn)移系數(shù)為 3.634 2，稗草、山楊、一年蓮對(duì)Pb的耐性也較強(qiáng)，轉(zhuǎn)移系數(shù)均大于1；對(duì)Cr耐性最強(qiáng)的是一年蓮，轉(zhuǎn)移系數(shù)達(dá)到6.438 1。

圖9 蘇安大街植物轉(zhuǎn)移系數(shù)Fig.9 Transfer Factors of plants from Su′an Street

圖10 下部排土場(chǎng)植物轉(zhuǎn)移系數(shù)Fig.10 Transfer Factors of plants from Xiabu Waste Dump

由圖7可知：在獨(dú)木排土場(chǎng)地區(qū)，對(duì)Zn耐性最強(qiáng)的植物是小藜，轉(zhuǎn)移系數(shù)達(dá)到1.795 9；對(duì)Pb耐性最強(qiáng)的植物是茵陳蒿，轉(zhuǎn)移系數(shù)高達(dá)4.666 7；對(duì)Cd和Cr耐性最強(qiáng)的植物均是桃葉蓼，轉(zhuǎn)移系數(shù)分別是2.100 0和3.333 3；對(duì)Cu耐性最強(qiáng)的植物是桃葉蓼，轉(zhuǎn)移系數(shù)為2.471 9。

由圖8可知，在茨溝村地區(qū)，對(duì)Cd耐性最強(qiáng)的是一年蓮，轉(zhuǎn)移系數(shù)為1.432 0；對(duì)Cu耐性較強(qiáng)的有小藜和一年蓮，其轉(zhuǎn)移系數(shù)分別為1.691 5、1.537 0；對(duì)Zn耐性最強(qiáng)的是小藜，轉(zhuǎn)移系數(shù)為1.396 2；對(duì)Pb耐性最強(qiáng)的是茵陳蒿，轉(zhuǎn)移系數(shù)為3.720 0；對(duì)Cr耐性最強(qiáng)的是小藜，轉(zhuǎn)移系數(shù)為2.263 2。

由圖9可知，在蘇安大街地區(qū)，對(duì)Cu、Zn、Cd耐性最強(qiáng)的植物均為桃葉蓼，其轉(zhuǎn)移系數(shù)分別為 1.112 1、2.123 8和15.200 0；對(duì)Pb耐性最強(qiáng)的植物是鬼針草；而對(duì)Cr耐性較強(qiáng)的植物是小藜和狗尾草，但轉(zhuǎn)移系數(shù)均小于1。

由圖10可知：在下部排土場(chǎng)地區(qū)，對(duì)Cd耐性較強(qiáng)的有苦荬菜、山楊、山旱柳，轉(zhuǎn)移系數(shù)分別為2.469 4，1.583 4，1.351 5；對(duì)Cu耐性最強(qiáng)的植物是山楊，轉(zhuǎn)移系數(shù)達(dá)到13.500 0，其次為小藜和桃葉蓼，轉(zhuǎn)移系數(shù)分別為2.849 1和1.362 5；對(duì)Zn耐性較強(qiáng)的有茵陳蒿、山楊、一年蓮和小藜，其轉(zhuǎn)移系數(shù)均大于1；對(duì)Pb耐性較強(qiáng)的有山楊、一年蓮，但轉(zhuǎn)移系數(shù)均小于1；對(duì)Cr耐性最強(qiáng)的是一年蓮，轉(zhuǎn)移系數(shù)為1.422 1。

通過以上轉(zhuǎn)移系數(shù)的分析比較：在大拉子尾礦庫可選取的修復(fù)植物為稗草、狗尾草、旱柳和一年蓮，獨(dú)木排土場(chǎng)為小藜、茵陳蒿和桃葉蓼，茨溝村為鬼針草、一年蓮和小藜，蘇安大街為桃葉蓼、鬼針草和狗尾草，下部排土場(chǎng)為茵陳蒿、山楊和一年蓮。

3.6 礦區(qū)先鋒植物篩選

弓長(zhǎng)嶺鐵礦區(qū)的主要污染因子為Cd、Cu和Zn，因此，在先鋒植物的選擇過程中，原則上應(yīng)優(yōu)先考慮對(duì)重金屬Cd、Cu、Zn的富集能力和轉(zhuǎn)移能力[16]。其次，富集能力和轉(zhuǎn)移能力是選取重金屬修復(fù)植物必不可少的2個(gè)條件。因此，在選擇先鋒植物時(shí)必須同時(shí)兼顧富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)。在本研究中，綜合各采樣點(diǎn)不同植物對(duì)不同重金屬的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)可得，桃葉蓼、狗尾草、鬼針草、茵陳蒿、小藜、三裂葉豚草具有較強(qiáng)修復(fù)Cd污染的潛能，其中以桃葉蓼修復(fù)能力最強(qiáng)(富集系數(shù)最高，為2.163 6，轉(zhuǎn)移系數(shù)最高，為15.20)，目前，未見對(duì)桃葉蓼修復(fù)重金屬污染土壤相關(guān)的報(bào)道，因此，桃葉蓼是一種新發(fā)現(xiàn)的Cd富集植物，具有深入研究?jī)r(jià)值。已有研究報(bào)道稱鬼針草對(duì)Cd[17]、Pb[18]有較好的富集效果，是一種較為成熟的重金屬富集植物，可作為先鋒植物用于該礦區(qū)Cd污染修復(fù)。一年蓮、狗尾草、山楊、三裂葉豚草具有修復(fù)Cu污染土壤的潛能，旱柳具有修復(fù)Zn污染土壤的潛能。其中，山楊和旱柳雖然富集系數(shù)小于1，但是其轉(zhuǎn)移系數(shù)較高，在一定意義上可用于植物提取方式的污染土壤修復(fù)，同時(shí)，由于山楊的生長(zhǎng)周期長(zhǎng)，生物量大，因此，是一種潛在的永久性高效修復(fù)植物，可用于污染礦區(qū)修復(fù)后期種植，達(dá)到修復(fù)與綠化的雙重效果。

4 結(jié) 論

(1)弓長(zhǎng)嶺鐵礦廢棄地礦區(qū)重金屬污染程度為重度污染，主要重金屬污染物為Cd和Cu。其中，Cd是重度污染，Cu是中度到重度污染，Zn是中度污染，Pb和Cr為無污染到中度污染。

(2)對(duì)弓長(zhǎng)嶺鐵礦礦區(qū)優(yōu)勢(shì)植物重金屬含量進(jìn)行研究分析，從中篩選出桃葉蓼、鬼針草、狗尾草、山楊以及旱柳可以作為該鐵礦廢棄地植被重建的先鋒植物。礦區(qū)表層土壤結(jié)構(gòu)受到嚴(yán)重破壞，部分污染嚴(yán)重地區(qū)甚至不適合植物生長(zhǎng)，因此在種植先鋒植物前應(yīng)進(jìn)行表層土壤復(fù)原，通過施用有機(jī)肥或客土法等，增加土壤肥力，使其適應(yīng)植物生長(zhǎng)。

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