5种植物对重金属的吸收与富集作用

5种植物对重金属的吸收与富集作用
唐欢欢;曹学章;李小青;张赶年
【摘要】根据野外试验采样调查研究,通过5种植物对江西定南县钨矿废渣地土壤的重金属含量的吸收试验,定量分析矿区狗牙根(Cynodondactylon)、弯叶画眉草(Eragrostiscurvula)、百喜草(Paspalumnotatum)、多花木兰(Indigoferaamblyantha)、高羊茅(Festucaarundinacea)5种草本植物对钨矿废渣地重金属As、Zn、Cu的吸收与富集作用各有特点.结果表明:①钨矿废渣地受到As、Zn、Cu的污染严重,狗牙根等植物对As、Zn、Cu作用均有着不同程度的富集;②不同植物类型对重金属吸收与富集作用因重金属种类、植物类型和部位的不同而各异,植物根部对As和Cu的富集作用比根部以上(地上部分)突出,而对Zn相反;③多花木兰地上部分生物量最大,对污染土壤的生物净化能力比其他植物更显著.【期刊名称】《科学技术与工程》
【年(卷),期】2015(015)015
【总页数】5页(P103-106,110)
【关键词】土壤;重金属;迁移系数;富集系数;生物量
【作者】唐欢欢;曹学章;李小青;张赶年
【作者单位】南京信息工程大学地理与遥感学院,南京210044;环保部南京环境科学研究所,南京210042;南京信息工程大学地理与遥感学院,南京210044;南京信息工程大学地理与遥感学院,南京210044
【正文语种】中文
【中图分类】X131.3
近年来，随着工农业生产的快速发展，环境中重金属污染日趋严重。

研究表明，在所有的重金属污染中，矿山的开采对环境造成的污染最为严重[1]。

矿山开采会直
接导致植被大规模破坏，产生的废水、废弃矿石以及尾矿砂等固体废弃物，占据着大量土地面积，是污染矿区周边环境的主要原因[2]。

矿山开采不仅破坏周边植被，污染当地土壤和下游河流，且土壤中有害重金属累积到一定的程度，会对土壤-植
物系统产生危害，导致土壤的退化，影响农作物产量和品质，还会通过径流和淋洗作用污染地表水和地下水，恶化水文环境，危及人类的健康甚至生命[3—7]。

由于重金属对土壤的污染具有隐蔽、长期和不可逆的特点，土壤重金属污染防治一直是国内外的研究的热点课题，利用绿色植物清除土壤重金属污染的修复技术(Phytoremediation)具有不破坏土壤结构、无二次污染、成本较低且操作简单的
优点，是一种可靠并易于被研究学者所接受的，且在重金属土壤污染中最具发展潜力的一种修复技术方法[8，9]。

江西省含有丰富的矿产，如煤矿、铜矿和稀土矿等。

本文通过对江西定南县的钨矿废渣地进行的矿区生态恢复试验，根据野外试验采样调查研究，通过5种植物对重金属含量的吸收试验，来定量分析矿区植物对钨矿
废渣地重金属As、Zn、Cu的吸收、富集及转移的作用，以期为环境生态保护和
植被矿区生态恢复提供一定的科学依据。

1.1 钨矿区概况
定南县(114°53′39.6″E，24°40′43.6″N)位于江西省赣州市最南端，总面积1 318.72 km2，耕地12.72万亩。

以丘陵山地为主，属中亚热带季风湿润气候区，年最高气温38.6 ℃，最低气温-7.2 ℃，年平均温度18.7 ℃，年降雨量1 653 mm，全年无霜期长达301 d，县内矿业、林业、畜牧业和旅游业发达。

岿美山钨矿以红壤、黄壤和冲积土为主，位于定南县老城镇，钨矿区四面为山，其周边地形为丘陵山地，海拔约762 m，矿区一侧有小河流过，中央较为干燥，小部分地势
低处地段较湿润。

通过对岿美山钨矿废渣地主要6个采样点的重金属含量进行统计(见表1)。

结果显示：根据GB 15618—1995《土壤环境质量标准》的三级标准，岿美山钨矿废渣
地重金属污染严重，废渣地的砷、铜和锌的含量很高，其中砷、铜在6个废渣采
样点均超标，砷超标倍数3.16～3.74倍，平均超标3.44倍；铜超标倍数0.26～1.77倍，平均超标1.23倍；锌的含量超标，超标倍数0.08～0.67倍。

1.2 试验方法
试验植物为狗牙根(Cynodondactylon)、弯叶画眉草(Eragrostiscurvula)、百喜草(Paspalumnotatum)、多花木兰(Indigoferaamblyantha)、高羊茅(Festucaarundinacea)。

每种植物设3个试验小区，由于钨矿废渣地地形多变，
为了保证研究的准确性，每个小区面积为1 m×0.5 m，共15个小区，小区之间
相隔0.2 m，并对小区10 cm表层进行整松，清除粒径大于5 cm的石粒。

施基肥：基肥为N+P2O5+K2O≥6%、有机质含量≥45%的大地盛源微生物肥料，肥料用量300 g·m-2(3 t·hm-2)，钨矿废渣地每个小区150 g。

将肥料均匀撒在小区表面，然后用普通农用耙子对3～5 cm的表层进行翻耙，使肥料与表层基质均
匀混合。

种植物：用播种方式进行种植，种子用量20 g·m-2(200 kg·hm-2)，每
个小区10 g。

将干种子均匀撒在小区表面，播后钨矿废渣地从小区周边废渣中选
取细粒物质薄层覆盖。

种植后管理：播后不采取任何人为管理措施(包括在播种当
日也不浇水)。

1.3 采样
播种8个月后对植物进行采样。

植物样品用自来水充分冲洗，去除粘附于植物样
品上的泥土和污物，再用去离子水冲洗，在烘干前先在105 ℃下杀青5 min，然
后在70 ℃下于烘箱中烘至恒重，并剪成地上部和地下部，采用HNO3-HClO4法消化，原子吸收分光光度计测定其重金属含量，重复3次来检测不同植物中砷、
铜和锌的含量[10]。

1.4 数据分析
转移系数(translocation factor，TF)为地上部分重金属质量浓度与根部重金属质
量浓度的比值[11]。

富集系数(bioconcentration factor，BCF)为植物体内某种重金属含量与相应土壤中重金属含量的比值[12]。

其中：地上部分富集系数=地上部分重金属积累量(S)/
土壤中重金属含量(T)；根部富集系数=根部重金属积累量(R)/土壤中重金属含量(T)。

重金属迁移总量(total heavy metal translocation, TMT)为植株地上部分重金属
含量与植株地上部分生物量的乘积[13]。

实验数据采用SPSS 19.0统计分析软件进行数据分析、方差分析和多重比较。

2.1 植物体及不同部位对重金属的吸收特点
由表2可见，高羊茅的根部对铜(Cu)的吸收量最大(287.5，单位为mg/kg，下同)，超出一般植物含Cu量(5～25 mg/kg)的11.5～57.5倍，吸收最小的是百喜草(118.53)；地上部分对Cu吸收最大植被为弯叶画眉草(83)，多花木兰(31.9)最小。

根部对锌(Zn)的吸收最大的是狗牙根(52.6)，最小的是弯叶画眉草(32.47)；地上部分对Zn的吸收最大为百喜草(53.07)，多花木兰(31.4)最低。

植物对砷(As)的吸收
最小，多花木兰的地上部分的吸收量尤其小(0.81)，远低于一般植物金属元素的含量(<10 mg/kg)，而吸收最大的百喜草(6.92)也不超过10 mg/kg；狗牙根的根部(24.82)对As吸收最大，多花木兰(6.53)最小。

由此可见，重金属在植物不同部位的累积不一样，植物体内根部的重金属含量均大于地上部分，这是重金属在吸收到植物体后重新分配的结果，通过方差分析也表明，5种植物地上部分吸收量与根部呈极显著正相关。

植物对Cu元素的吸收高于对
As和Zn的吸收，这与Cu是植物生长必需元素，植被对Cu为主动吸收有关系，由于Zn也是植物的生长元素之一，所以植物只对As的吸收最小。

2.2 不同植物对重金属富集的特征
由表3可见，就植物对Cu的富集而言，转移系数TF均小于1，其大小依次为百喜草(0.67)>弯叶画眉草(0.52)>高羊茅(0.28)>多花木兰(0.2)>狗牙根(0.196)。

地上部分的富集系数范围为0.036～0.093，平均值为0.074，根部范围为0.176～0.323，平均值为0.224，是地上部分的3倍。

就植物对Zn的富集而言，其TF依次为百喜草(1.56)>弯叶画眉草(1.41)>高羊茅(1.24)>狗牙根(1)>多花木兰(0.85)，除多花木兰外，TF均在1以上。

地上部分的富集系数范围为0.05～0.083，平均值为0.073；根部范围为0.052～0.083，平均值为0.062，小于地上部分。

就植物对As的富集而言，TF也均小于1，其大小依次为弯叶画眉草(0.63)>百喜草(0.58)>高羊茅(0.38)>狗牙根(0.24)>多花木兰(0.12)；五种植物地上部的砷的富集系数通常低于根部的富集系数，这与根部的砷含量较高是一致的。

地上部分的富集系数范围为0.005～0.039 3，平均值为0.028，根部范围为0.037～0.14，平均值为0.074，是地上部分的2.6倍。

由此可见，植物类型对重金属吸收与富集作用因重金属种类、植物类型和部位不同而各异，对As和Cu的富集作用，由表3易知，其根部比根部以上(地上部分)富集更大；但对于Zn来说，地上部分的富集作用则比根部更多，与As和Cu恰恰相反。

其中弯叶画眉草和百喜草对于三种重金属均有着较高的转移系数，就其对于重金属的转运能力而言，可作为值得关注的优势植物，然而其富集系数与本文其他植物相差不大，富集效果不明显。

欲进一步探究其重金属富集效果，要结合下文植物对重金属的迁移总量进行分析。

2.3 不同植物对重金属的迁移总量
由表4可知，对As而言，虽然多花木兰地上部分生物量高达2 103.5 g，但由于其转移系数与富集系数明显小于其他植物，且其地上部分重金属含量小(0.81
mg/kg)，其重金属迁移总量小于弯叶画眉草(1.77)，重金属迁移总量大小其次为
百喜草(1.68)>高羊茅(1.44)>狗牙根(1.07)。

对Cu而言，多花木兰重金属迁移总
量最大(67.1)，其后依次为弯叶画眉草(25.64)>高羊茅(23.07)>百喜草(19.18)>狗牙根(9.72)。

对Zn而言，多花木兰的重金属迁移总量仍为最大(66.05)，其后依次为弯叶画眉草(14.16)>高羊茅(13.97)>百喜草(12.91)>狗牙根(9.37)。

由此可见，多花木兰对Cu、Zn和As重金属的吸收作用最为显著，虽然其地上部分对As吸收不到1 mg/kg，但地上生物量高达2 103.5 g，是狗牙根的11倍多，百喜草8倍多，高羊茅7倍多，弯叶画眉草6倍多，且其对Cu、Zn的吸收总量
均为最大，可知其对土壤重金属污染具有良好的修复能力。

由于钨矿废渣地的土壤重金属含量极高，土壤遭到破坏，植物难于生长，更多的考虑是进行自然植被重建，以减小尾矿土壤对周边环境的不利影响。

通常，自然生长的野生植物，其具有很强的适应性，是金属矿区尾矿土壤植被重建的重要植物资源[16，17]。

研究发现狗牙根、弯叶画眉草、百喜草、多花木兰、高羊茅等植物对
水土保持有较好的成效[14]，因此最宜适合进行土壤生态修复的植物选取。

为了提高金属矿区尾矿的修复效率，采用种子容易获得、重金属耐性较强、生长较快、生物量较大、根系较发达的狗牙根、弯叶画眉草、百喜草、多花木兰、高羊茅等植物对金属矿区尾矿进行植被恢复。

江西省钨砂矿区土壤重金属污染严重，Cu、Zn、As均有不同程度的超标。

植物对于重金属As和Cu均大量富集在植物根部(TF<1)，其中地上部部分Cu的吸收量
远低于根部，可见根系向上输送Cu的能力极低。

这是因为在重金属严重污染的条件下，植物具有排斥机制，阻止重金属进入地上部分，减少毒害作用，从而平衡重金属的吸收和转移过程[15]，可见As和Cu比Zn对钨砂矿区土壤污染更多。

植物体内Cu和Zn的含量均较高，而植物体内重金属的含量可以直观地反应出植
物对重金属的吸收能力，通常土壤中金属元素越高，植物中该金属的含量往往也较
高。

虽然所研究的5种植物对As、Zn、Cu 3种重金属的富积量均未达到超累积
植物所规定的临界值，但都能在污染土壤上生长良好，且地上部生物量较大，表现为对重金属具有一定的耐抗性。

从植物对重金属的吸收、富集和转运能力综合考虑，狗牙根等5种植物都不太可能是重金属As、Zn、Cu 3种重金属的超级累植物，
但由于其生物量十分可观，尤其是在高浓度重金属污染下，其生物量没有受到明显的影响，其重金属迁移总量非常高，对重金属污染地的修复作用亦不可忽视[17]。

(1)岿美山钨矿废渣地受到As、Zn、Cu的污染严重，铜、砷均超标，其中砷平均
超标3.44倍；铜平均超标1.23倍；锌超标倍数0.08～0.67倍。

狗牙根等植物对As、Zn、Cu吸收富集作用均程度不同。

(2)岿美山钨矿废渣地的5种植物对重金属污染均具有一定的耐性，但不同植物类
型对重金属吸收与富集作用因重金属种类、植物类型和部位的不同而各异，植物根部对As和Cu的富集作用比根部以上(地上部分)突出，而对Zn相反。

(3)多花木兰生物量达2 103.5 g，为最大，其对As而言地上部分重金属含量小，但对Cu和Zn来说为最大，是岿美山钨矿废渣地重金属污染土壤的净化能力最显
著的植物。

*通信作者简介：曹学章(1967—)。

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