采煤塌陷區(qū)土壤重金屬污染及植物吸收富集特征

楊瑞卿， 肖 揚(yáng)， 申 晨

(1.徐州工程學(xué)院環(huán)境工程學(xué)院，江蘇徐州 221008； 2.江蘇省徐州市九州生態(tài)園林股份有限公司，江蘇徐州 221008)

土壤是人類生產(chǎn)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，也是人居環(huán)境的重要組成部分。隨著城市化和工業(yè)化進(jìn)程的加快，礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用以及化學(xué)產(chǎn)品的大量使用，土壤重金屬污染日趨嚴(yán)重，成為威脅人類可持續(xù)發(fā)展的重要因素[1]。植物修復(fù)技術(shù)是利用自然生長植物或遺傳工程培育植物修復(fù)污染土壤特別是重金屬污染土壤的環(huán)境技術(shù)的總稱[2]，它通過植物系統(tǒng)及其根際微生物吸收、轉(zhuǎn)移、揮發(fā)或穩(wěn)定土壤重金屬，由于效果好、費(fèi)用低、易于管理與操作、不產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點(diǎn)而得到越來越多的關(guān)注[3-4]。而具有非凡的積累重金屬元素能力的超富集植物是土壤重金屬污染植物修復(fù)的主要材料，因此，篩選超富集植物，使其能適用于實(shí)際應(yīng)用，是當(dāng)前土壤重金屬植物修復(fù)的一項(xiàng)重要任務(wù)，有多位學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了相關(guān)研究[5-8]，而關(guān)于采煤塌陷區(qū)的植物重金屬吸收富集特征的研究并不多見。

江蘇省徐州市作為我國重要的煤炭工業(yè)基地，煤炭的大量開采不僅造成了地表塌陷、大氣污染、水污染等問題，還對(duì)所在區(qū)域土壤產(chǎn)生了污染。本研究選擇徐州市典型的采煤塌陷區(qū)潘安湖采煤塌陷區(qū)，采用野外調(diào)查與室內(nèi)試驗(yàn)分析相結(jié)合的方法，對(duì)土壤重金屬鉻(Cr)、銅(Cu)、鋅(Zn)、鎘(Cd)、鉛(Pb)的污染狀況進(jìn)行分析，對(duì)毛白楊等10種鄉(xiāng)土植物對(duì)重金屬的吸收富集能力進(jìn)行研究，其目的是了解徐州市采煤塌陷區(qū)土壤重金屬的污染情況，發(fā)現(xiàn)其中的主要污染元素，同時(shí)篩選出適合徐州市采煤塌陷區(qū)生長的、重金屬吸收富集能力強(qiáng)的植物，為徐州市采煤塌陷區(qū)土壤重金屬的植物修復(fù)提供科學(xué)借鑒。

1 材料與方法

1.1 樣品的采集

樣品采集分為土壤采集和植物采集。土壤共選擇5個(gè)樣區(qū)采集，分別為毛白楊1生長區(qū)域土壤、毛白楊2生長區(qū)域土壤、臭椿和構(gòu)樹生長區(qū)域土壤、旱柳和刺槐生長區(qū)域土壤、草本植物生長區(qū)域土壤。土壤分3個(gè)深度進(jìn)行采集：0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm，植物樣品選擇在土壤樣點(diǎn)附近采集，每個(gè)樣點(diǎn)隨機(jī)選取3～5株健康、無病蟲害的植物。按照均勻分散多點(diǎn)的原則，采集根、莖、葉。樣品采集后裝標(biāo)本袋密封，帶實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行處理。

1.2 試驗(yàn)方法

土壤風(fēng)干后磨碎，過120目塑料篩，備用。植物樣品先用自來水沖洗，去除表面污垢，再用蒸餾水、去離子水沖洗3遍，烘干后的樣品磨碎，過120目篩，在干燥器中保存。

稱取過篩后的樣品0.500 g于聚四氟乙烯坩堝中，用HNO3-HF-HClO4法消解，每批樣品做1個(gè)試劑空白對(duì)照[9-10]。

消解后的樣品用美國Perkin Elmer公司的電感耦合等離子儀分別測(cè)定Cr、Cu、Zn、Cd、Pb的含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤重金屬元素的含量及相關(guān)性分析

2.1.1 土壤重金屬元素的含量 土壤中重金屬元素的含量既與母巖及成土母質(zhì)有密切的關(guān)系，又受到局部環(huán)境質(zhì)量狀況等因素的影響[11]。不同植物生長地段土壤重金屬元素含量測(cè)定結(jié)果見表1?？梢?，木本植物4種土壤中，5種重金屬的平均含量表現(xiàn)為Zn>Cr>Pb>Cu>Cd，平均含量分別為67.33、61.58、24.99、24.50、0.22 mg/kg。草本植物土壤中，5種重金屬的平均含量表現(xiàn)為Zn>Cr>Cu>Pb>Cd，與木本植物排序基本相同，平均含量分別為 70.06、63.38、27.21、26.76、0.24 mg/kg，均高于木本植物。就同一區(qū)域土壤，不同層次重金屬含量存在明顯差異，基本表現(xiàn)為表層土壤重金屬含量大于中下層土壤，這在一定程度上說明土壤重金屬含量受地表環(huán)境影響較大。草本植物生長區(qū)域土壤也表現(xiàn)出同樣的特征。

2.1.2 土壤重金屬元素含量的相關(guān)性分析 土壤中不同重金屬元素含量之間的相關(guān)性可以推測(cè)重金屬的來源是否相同，如果重金屬含量有顯著的相關(guān)性，說明其同源的可能性較大，否則來源不同[12]。運(yùn)用SPSS 20.0對(duì)土壤重金屬元素平均含量進(jìn)行相關(guān)性分析，由表2可知，除Cd含量與Cr含量顯著相關(guān)外，其余3種重金屬含量之間無顯著相關(guān)性，在一定程度說明Cd與Cr的來源可能相同，其余3種重金屬同源的可能性不大，來源可能不同。

表1 土壤重金屬元素含量

表2 土壤重金屬含量元素的相關(guān)分析

注：“*”表示不同土壤重金屬元素含量顯著相關(guān)(P<0.05)。

2.2 土壤重金屬的富集特征分析

2.2.1 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) 土壤重金屬富集特征常采用富集指數(shù)進(jìn)行分析。富集指數(shù)分為單因子指數(shù)法和綜合指數(shù)法[13-14]，參考標(biāo)準(zhǔn)采用研究區(qū)土壤重金屬含量的自然背景值[15]，本研究采用徐州地區(qū)土壤重金屬自然背景值[16]，相應(yīng)的評(píng)價(jià)結(jié)果稱之為元素富集。

(1)單因子指數(shù)法

而這兩天的瑞典事件，本質(zhì)上仍是以上“套路”的重演：先是一些媒體拋出部分事實(shí)帶動(dòng)情緒，反轉(zhuǎn)后網(wǎng)民在情緒落差之下開始轉(zhuǎn)向紛紛指責(zé)中國駐瑞典大使館……

Pi=Ci/Si。

式中：Pi為土壤重金屬i的單因子指數(shù)；Ci為土壤重金屬i的實(shí)測(cè)濃度；Si為土壤重金屬i的土壤環(huán)境背景值。

(2)綜合指數(shù)法即內(nèi)梅羅指數(shù)法

式中：Pi為土壤中各種所測(cè)重金屬的單因子指數(shù)平均值；max(Pi)為土壤中各重金屬元素單因子指數(shù)的最大值；n為重金屬種類。

Pi≤1，表示無富集(無污染)；13，表示過度富集[17]。

2.2.2 土壤富集指數(shù)分析 由表3可知，5種土壤中，Cd、Cu、Cr、Pb、Zn平均單因子富集指數(shù)分別為2.39、1.15、1.03、1.00、0.93，表明5種重金屬中Cd為中度富集，Cu、Cr為輕度富集，Pb、Zn無富集，這就說明該區(qū)域土壤以Cd污染為主。綜合富集指數(shù)為1.94，說明該區(qū)域土壤總體表現(xiàn)為輕度富集，其中毛白楊1所在區(qū)域土壤、旱柳和刺槐所在區(qū)域土壤、草本植物所在區(qū)域土壤的綜合富集指數(shù)分別為2.37、2.14、2.02，屬中度富集，其余2個(gè)區(qū)域土壤屬輕度富集。

草本植物所在區(qū)域土壤中各重金屬富集指數(shù)、富集指數(shù)平均值和綜合富集指數(shù)與木本植物相比，基本都大于木本植物，在一定程度說明草本植物所在區(qū)域土壤重金屬富集大于木本植物所在區(qū)域土壤。

同一區(qū)域土壤，不同深度重金屬含量存在明顯差異，基本表現(xiàn)為表層土壤綜合富集指數(shù)大于中下層土壤。

表3 土壤的重金屬富集指數(shù)

2.3 不同植物重金屬的吸收系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)分析

2.3.1 不同植物重金屬的吸收系數(shù)分析 吸收系數(shù)是植物器官重金屬含量與土壤中重金屬含量的比值，也稱富集系數(shù)，能夠反映植物對(duì)重金屬的吸收(富集)能力。相關(guān)研究認(rèn)為，木本植物吸收系數(shù)大于0.4可以認(rèn)定為修復(fù)土壤重金屬能力較強(qiáng)的植物；吸收系數(shù)在0.1～0.4之間的為有一定的修復(fù)能力的植物；吸收系數(shù)小于0.1的為低修復(fù)能力植物[18-19]。

2.3.1.1 木本植物的吸收系數(shù)分析 測(cè)定的木本植物中，平均吸收系數(shù)為0.42，其中吸收系數(shù)大于0.4的為毛白楊1、毛白楊2和旱柳，說明毛白楊和旱柳對(duì)重金屬的吸收能力較強(qiáng)，其次為臭椿、刺槐和構(gòu)樹，說明這3種植物對(duì)重金屬有一定吸收能力。木本植物對(duì)不同重金屬的平均吸收系數(shù)表現(xiàn)為 Cd>Zn>Pb>Cu>Cr。不同植物對(duì)不同重金屬的吸收能力存在差異。對(duì)Cr吸收能力強(qiáng)的樹種為毛白楊、構(gòu)樹；對(duì)Cu吸收能力強(qiáng)的樹種為毛白楊、臭椿和旱柳，對(duì)Zn吸收能力強(qiáng)的樹種為毛白楊和旱柳，對(duì)Cd吸收能力強(qiáng)的樹種為旱柳和毛白楊，對(duì)Pb吸收能力強(qiáng)的樹種為毛白楊、旱柳和臭椿。同一種木本植物，對(duì)不同重金屬的吸收能力也存在差異，毛白楊1對(duì)重金屬的吸收系數(shù)表現(xiàn)為Pb>Cd>Zn>Cu>Cr，毛白楊2表現(xiàn)為Cd>Zn>Cu>Cr>Pb，旱柳表現(xiàn)為Cd>Zn>Cu>Cr>Pb，構(gòu)樹表現(xiàn)為Cr>Cd>Zn>Cu>Pb，臭椿表現(xiàn)為Cd>Zn>Cu>Cr>Pb，刺槐表現(xiàn)為Zn>Cd>Cu>Cr>Pb。

2.3.1.2 草本植物的吸收系數(shù)分析 5種草本植物對(duì)重金屬的平均吸收系數(shù)為0.51，大于木本植物，在一定程度上說明草本植物的重金屬吸收能力大于木本植物。其吸收系數(shù)從大到小依次為一年蓬、艾蒿、牛膝、黃花蒿、狗尾草，吸收系數(shù)分別為0.57、0.55、0.51、0.49、0.42，均大于0.4，說明這5種草本植物吸收土壤重金屬能力強(qiáng)。5種草本植物對(duì)不同重金屬的平均吸收系數(shù)表現(xiàn)為Cd>Zn>Cu>Pb>Cr。同一種草本植物對(duì)不同重金屬的吸收能力存在差異，黃花蒿對(duì)重金屬的吸收系數(shù)表現(xiàn)為Cd>Cu>Zn>Pb>Cr，艾蒿表現(xiàn)為Cd>Cu>Zn>Cr>Pb，一年蓬表現(xiàn)為Cu>Cd>Zn>Pb>Cr，牛膝表現(xiàn)為Zn>Cd>Cu>Pb>Cr，狗尾草表現(xiàn)為Zn>Cd>Cu>Pb>Cu。不同草本植物，對(duì)同種重金屬的吸收能力有明顯差別，對(duì)Cr吸收能力強(qiáng)的為狗尾草和牛膝；對(duì)Cu吸收能力強(qiáng)的為一年蓬和黃花蒿，對(duì)Zn吸收能力強(qiáng)的為牛膝和一年蓬，對(duì)Cd吸收能力強(qiáng)的為艾蒿和黃花蒿，對(duì)Pb吸收能力強(qiáng)的為一年蓬、艾蒿和黃花蒿。

2.3.1.3 同一種植物不同器官對(duì)重金屬的吸收系數(shù)分析 5種木本植物不同器官對(duì)不同重金屬的吸收系數(shù)比較見表4。同一種植物，不同器官對(duì)同一種重金屬的吸收系數(shù)也不盡相同。如毛白楊1表現(xiàn)為根對(duì)Cr的吸收系數(shù)大，說明根對(duì)Cr的吸收能力大于葉和莖，對(duì)其他4種重金屬則表現(xiàn)為葉的吸收能力大于根和莖；旱柳對(duì)重金屬吸收能力強(qiáng)的分別表現(xiàn)為根或莖；構(gòu)樹對(duì)重金屬吸收能力強(qiáng)的分別表現(xiàn)為根或葉；臭椿對(duì)重金屬吸收能力強(qiáng)的分別表現(xiàn)為莖或葉；刺槐除對(duì)Pb外，對(duì)其他4種重金屬則表現(xiàn)為根的吸收能力最強(qiáng)。毛白楊1和毛白楊2相比，同一種植物器官對(duì)不同重金屬的吸收能力也表現(xiàn)不同，側(cè)面反映即使同一種植物，在不同生長階段，不同的器官對(duì)重金屬的吸收能力表現(xiàn)不同。

表4 植物不同器官對(duì)重金屬的吸收系數(shù)比較

2.3.2 木本植物的轉(zhuǎn)移系數(shù)分析 轉(zhuǎn)移系數(shù)是植物地上部分元素的含量與地下部分同種元素含量的比值，用來評(píng)價(jià)植物將重金屬從地下向地上的運(yùn)輸和富集能力，其值越大，則重金屬從根系向地上器官轉(zhuǎn)運(yùn)的能力越強(qiáng)[20]。本研究采用植物葉片中元素含量與植物根系中元素含量的比值作為該元素的轉(zhuǎn)移系數(shù)。在5種木本植物中，平均轉(zhuǎn)移系數(shù)從大到小依次為臭椿、構(gòu)樹、毛白楊、刺槐、旱柳，與吸收系數(shù)有一定差異。對(duì)不同重金屬元素，植物的遷移系數(shù)存在差別，對(duì)于Cr轉(zhuǎn)移系數(shù)最大的是毛白楊2，對(duì)于Cu轉(zhuǎn)移能力較較強(qiáng)的是構(gòu)樹、臭椿和毛白楊；對(duì)于Zn轉(zhuǎn)移能力較強(qiáng)的是構(gòu)樹、毛白楊1、臭椿；對(duì)于Cd轉(zhuǎn)移能力較強(qiáng)的依次為構(gòu)樹、毛白楊、臭椿；對(duì)于Pb，臭椿、毛白楊1、構(gòu)樹、旱柳、刺槐的轉(zhuǎn)移能力均較強(qiáng)。

3 結(jié)論與討論

江蘇省徐州市潘安湖采煤塌陷區(qū)土壤中5種重金屬的平均富集指數(shù)由高到低依次為Cd、Cu、Cr、Pb、Zn，Cd為中度富集，Cu、Cr為輕度富集，Pb、Zn無富集，土壤以Cd污染為主。

木本植物中，吸收系數(shù)大于0.4的為毛白楊和旱柳，草本植物的吸收系數(shù)均大于0.4；木本植物對(duì)不同重金屬的平均吸收系數(shù)表現(xiàn)為Cd>Zn>Pb>Cu>Cr；平均轉(zhuǎn)移系數(shù)較大的為臭椿、構(gòu)樹、毛白楊。

土壤重金屬富集植物的篩選應(yīng)同時(shí)考慮植物的吸收能力和轉(zhuǎn)移能力。Salt等認(rèn)為，地上部分重金屬含量大于根部，且地上部分重金屬含量大于土壤重金屬含量的植物對(duì)于重金屬超富集植物的篩選更有意義[21]?？紤]到研究區(qū)的土壤污染以Cd為主，因此植物的篩選應(yīng)主要考慮Cd的富集和轉(zhuǎn)移能力。綜合以上因素，推薦木本植物毛白楊、旱柳、構(gòu)樹、臭椿，草本植物艾蒿、黃花蒿、一年蓬、牛膝、狗尾草在采煤塌陷區(qū)土壤重金屬富集治理中推廣使用。