湘潭锰矿区植物资源调查及超富集植物筛选_李有志

摘 要 通过设置样地， 对湘潭锰矿区的植物资源进行了全面调查。 结果表明： 锰矿区植 53 种， 物丰富， 共有 28 科， 植物以自然定居种为主， 少见人工栽培种； 生活史以多年生植物 为主， 少见 1 年生植物。群落结构上， 以草灌丛为主， 少见乔木种； 当前锰矿区形成的以多 年生草灌丛为主的局部群落， 是原锰矿区植被在开采中被彻底破坏后， 处在逐步向亚热带 常绿阔叶林演替的一种初级阶段； 其次， 对矿区植物锰富集能力进行的分析表明 ， 植物各组 织（ 根、 茎、 叶） 之间锰富集量差异明显， 大部分物种地下部分锰含量大于地上部分， 表现出 一般植物的共性， 只有少部分植物地上部分锰含量大于地下部分， 表现出其特殊性； 此外， 植物种之间富集锰能力差异显著； 莎草地上与地下部分锰含量均大于超富集植物 10000 mg·kg －1 的临界浓度且富集系数与转移系数均大于 1 的超富集植物评价标准， 表明其具有 －2 超强的富集锰能力。调查还发现， 位于中高锰矿区莎草生物量高达 507． 06 g·m ， 符合超 富集植物应具有较高生物量的标准。 可见， 莎草可作为中高锰污染区生态修复的首先超 富集植物种。 锰； 超富集植物； 富集系数； 转移系数 中图分类号 X173 文献标识码 A 文章编号 1000－4890 （ 2012 ） 1－0016－07 Plant resources investigation and hyperaccumulator screening in Xiangtan manganese mine area of Hunan Province， central-south China． LI Youzhi1 ， LUO Jia1 ， ZHANG Canming1＊＊ ，LIU Qing2 ，GUO Dandan2 （ 1 Hunan Academy of Forestry，Changsha 410004 ，Chi2 na； Central South University of Forestry and Technology，Changsha 410004 ，China ） ． Chinese Journal of Ecology， 2012 ， 31 （ 1 ） ： 16－22． Abstract： A sampling plot investigation was conducted on the plant resources in the Xiangtan manganese mine area of Hunan Province． In the study area，the plant resources were abundant， with 53 species belonging to 28 families． Most of the plant species were wild，and a few were cultivated． The majority of the plants were perennial，and the fewer were annual． Most plants were shrub and grass，and a few were tree． These results indicated that the current local communities were dominated by perennial shrub and grass，which were at the primary stage of succession towards subtropical evergreen broadleaved forest after the original plants were completely damaged by digging exploitation． The analysis on the Mn enrichment by the plant species showed that there was a significant difference in the Mn concentration between roots and stems or leaves． Most plant species had higher Mn concentration in their underground parts than in their aboveground parts，and only a few was in adverse． Moreover，different plant species had significant differences in their capability of enriching Mn． The Mn concentrations in Cyperus rotundus aboveground and underground parts were higher than 10000 mg · kg －1 （ the critical concentration for hyperaccumulators） ，and the biological concentration factor （ BCF ） and translocation factor （ TF） were larger than 1 （ the assessment criteria of hyperaccumulators ） ，indicating that C． rotundus had a super capability in enriching Mn． It was also found that the biomass of C． rotundus in medium and high Mn mine areas was 507． 06 g·m －2 ，which met the requirement of hyperac关键词
被调查与取样。选取样地的范围基本覆盖了整个矿 区的不同立地类型， 包含了矿渣堆积区、 尾矿区、 生 活垃圾区、 恢复区等区域， 选取的乔木样地大小为 2 2 2 600 m ， 灌木样地为 16 m ， 草本样地为 2 m 。 共调 查了乔木样地 10 个， 其中含灌木样地 20 个， 草本样 记录大小样地生长的植物种， 包括 地 50 个。 首先， 自然生长与人工种植的植物， 并对其丰富度进行了 统计。对植物 （ 主要是草本 ） 进行生物量测定。 其 次， 对样地内植物分地上（ 茎叶） 与地下部分 （ 根 ） 分 别进行取样， 且在对应的取样植物根部周围进行土 壤取样， 以获取土壤锰背景值， 取样深度为 0 ～ 20 cm， 植物与土壤均取 3 次平行样。 将样品带回实验 室， 植物样用水反复洗净， 风干、 杀青后， 置 80℃ 烘 粉碎， 过 1 mm 筛， 再烘干， 放于真空干燥 干至恒重， 器内备用。所采集土样在室内风干， 剔除动植物残 体， 过 1 mm 筛， 再烘干， 用于测定锰含量。 植物及 土壤锰含量采用原子吸收光谱仪法进行测定 。
湘 潭 锰 矿 区 位 于 湖 南 省 湘 潭 市 北 郊， 112°45'E —112°55' E ， 27° 53' N—28° 03' N。 气 候 属 典 型 的 亚 热 带 湿 润 季 风 气 候， 年平均温度为 17. 4℃ ， 年降水量为 1185. 5 ～ 1912. 2 mm， 且主要集 中于 4 —7 月， 年相对湿度约为 80% ， 海拔高度 60 ～ 165 m， 相对高度在 100 m 左右， 为低山丘陵地貌类 型。区域内矿藏以沉积碳酸锰矿及其次生氧化锰矿 为主， 储量丰富。 此外， 还有煤、 石灰石、 白云石、 石 英砂岩及石膏等非金属矿藏。该锰矿矿渣废弃地形 成于 20 世纪 60 年代初， 由矿石废弃物、 矿渣和选矿 煤气灰、 城市生活生产垃圾等形成的一 后的尾矿泥、 2007 ） 。 种特殊的退化生态系统（ 方晰等， 1. 2 研究方法 2010 年 7 月对湘潭锰矿区设置样地， 进行了植
* 国家环保部公益性行业科研专项（ 200909066 ） 资助。 mail： zhang6664733@ yahoo． com． cn ＊＊通讯作者 E0622 0920 收稿日期： 2011接受日期： 2011-
李有志等： 湘潭锰矿区植物资源调查及超富集植物筛选
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cumulators，i． e． ，hyperaccumulator should have high biomass，and suggested that C． rotundus could be the first selection of hyperaccumulator for the ecological restoration of moderately and highly Mnpolluted areas． Key words： Mn； hyperaccumulators； biological concentration factor； translocation factor． 土壤重金属污染是指因矿产资源开采与冶炼 、 城市化、 农业集约化等人类活动所引起的有害元素 在土壤中沉积与富集并达到危害生物生存的一种环 境。因重金属污染土壤极低的保水保肥能力及超强 而使之成为中国当前主要的生态环 的重金属毒害， 2004 ） 。 传统的重金 境问题之一（ 李永庚和蒋高明， 属污染土壤修复措施有淋滤法、 客土法等物理方法 及石灰改良法、 络合浸提法等化学方法 （ 陈怀满， 1996 ） 。然而， 以上方法由于实际应用上的某些局 2001 ； 王松良 限而未被广泛应用 （ 韦朝阳和陈同斌， 2007 ） 。 植物修复方法是利用植物对某 和郑金贵， 些重金属元素具有超强的吸收与富集能力将土壤重 金属转移到植物体内， 通过对植物的收获与妥善处 理， 可将该种重金属移出土壤， 以达到污染治理与生 （ ， 2001 ； 李文一， 2006 ） 。 因 态恢复的目的 刘秀梅等 此， 植物修复技术具有投资少、 不破坏土壤结构、 不 、 引起二次污染等优点而成为了一种可靠 安全的重 2002 ； 单孝 备受关注 （ 武正华等， 金属污染修复法， 2004 ） 。 全， 由于重金属污染矿区土壤物理结构差， 保水保 加之有机质与植物必需的营养元素低及 肥能力弱， 重金属含量高等特点， 不利于大部分植物的生长， 生 2005 ； Li， 2006 ； 罗亚平等， 态恢复难度大（ Shu et al． ， 2007 ） 。而超富集植物因对某些重金属具有超强的 吸收能力， 自身又能抗重金属毒害， 耐缺水与贫瘠的 2008 ） 。 环境， 而成为植物修复的关键因子 （ 鲍桐等， 1983 ； 通常， 超富集植物具有以下特征（ Baker et al． ， 2001 ； 刘 秀 梅 等， 2001 ； Krmer ＆ 韦朝阳和陈同斌， Chardonnens， 2001 ； 吴 双 桃 等， 2004 ； 石 汝 杰 和 陆 引 2007 ； 刘宇等； 2009 ） ： （ 1 ） 植物地上部分富集重 罡， 金属的量要达到一定的临界标准， 如锰为 10000 mg －1 ·kg ； （ 2 ） 转运系数 TF （ TF = 茎叶中重金属的含 量 / 根部重金属的含量 ） 和富集系数 BCF （ BCF = 地 上部器官中重金属的含量 / 土壤中重金属的含量 ） 都大于 1 ， 转运系数和富集系数越大， 表明该植物作 为超积累植物就越理想； （ 3 ） 在污染地生长旺盛， 生 物量大， 能够正常完成生活史。因此， 在重金属污染 区， 如何选取与之相应的超富集植物是生态恢复技 术的前提与核心环节。本文以湘潭锰矿区为研究区 域， 通过对废弃矿区植被的调查及分析 ， 筛选出锰的 超富集植物， 为锰矿废区及锰污染土壤的生态修复 提供理论依据。 1 1. 1 研究地区与研究方法 自然概况
DOI:10.13292/j.1000-4890.2012.0001
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湘潭锰矿区植物资源调查及超富集植物筛选
李有志
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张灿明
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（ 1 湖南省林业科学院，长沙 410004 ； 2 中南林业科技大学，长沙 410004 ）