李庚飛

(渭南師范學(xué)院 陜西省多河流濕地重點實驗室，陜西 渭南 714000)

近年來，由于工業(yè)、農(nóng)業(yè)和礦業(yè)的迅速發(fā)展，土壤污染日益嚴(yán)重，特別是重金屬污染已經(jīng)成為國內(nèi)外研究的焦點[1-3]。長期以來，很多學(xué)者對重金屬污染治理進(jìn)行大量研究，并達(dá)到了一定的治理效果，傳統(tǒng)的物理方法和化學(xué)方法等治理重金屬投資大，且需要影響土壤結(jié)構(gòu)，僅適合于小面積治理污染[4-5]。而植物修復(fù)技術(shù)克服了上述缺點，對環(huán)境擾動少、修復(fù)成本低且能大面積推廣應(yīng)用，為土壤重金屬污染的治理開辟了新的途徑，且具有廣闊的應(yīng)用前景[6-7]。本研究以治理金礦周圍土壤中重金屬污染為主要目標(biāo)，利用植物修復(fù)的方法，以金礦周圍4種雜草中富集的Cu、Cd和Zn等重金屬為研究對象，分析不同草類植物各部位的各種重金屬含量，探討不同植物對3種重金屬元素的富集能力，及其在植物不同器官中的分布、轉(zhuǎn)運特征，為建立人工植物修復(fù)系統(tǒng)，篩選修復(fù)土壤中超量重金屬的雜草種類提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及研究方法

1.1研究區(qū)概況 研究區(qū)域位于潼關(guān)縣桐峪鎮(zhèn)金礦周圍。地理坐標(biāo)34°23′～34°35′ N, 110°15′～110°25′ E。海拔高度400～500 m，土壤主要為黃土質(zhì)棕壤，屬暖溫帶大陸性半干旱季風(fēng)氣候。光能較充足，年平均日照時數(shù)2 269 h。年均溫12.8 ℃，年均降水量625 mm，四季多風(fēng)。

1.2樣品采集 2011年10月，于潼關(guān)縣桐峪鎮(zhèn)金礦周圍，選擇生長期一致、健康的4種草類植物[苘麻(Abutilontheophrasti)、鵝絨藤(Cynanchumchinense)、裸菀(Gymnasterpiccolii)和紫花地丁(Violaphilippica)]采樣。每一樣區(qū)隨機(jī)選擇3～5株，并在所選植物的不同方向分別采集葉、枝及地下細(xì)根，分別做好標(biāo)簽，為待測植物樣品。

1.3樣品處理與測定

1.3.1植物樣品的處理與測定 將采集回的植物樣品先用自來水沖洗，去除表面污垢，再用去離子水沖洗3遍，烘干前先在105 ℃下殺青5 min，然后在70 ℃下烘至質(zhì)量不變，用粉碎機(jī)粉碎過0.25 mm篩，稱取1 g粉碎樣品，用HNO3-HClO4消解，并采用WFX-120型的原子分光光度計進(jìn)行Cu、Cd和Zn含量測定。

1.3.2土樣處理與測定 在所選植物根際周圍1 m2范圍內(nèi)，采用“S”法或“X”法，除去表土，采集地表以下0～20 cm深度土壤，每個區(qū)域樣地分別由5個樣品混合，四分法保留0.5 kg樣土為待測土樣，并對采樣地進(jìn)行編號。土樣室內(nèi)常溫風(fēng)干，去除動植物殘體、石塊等雜物，并用瑪瑙研缽將其粉碎后過0.15 mm的尼龍篩，稱取1 g左右土樣進(jìn)行消解，消解及土壤測定過程同植物樣品。

1.4數(shù)據(jù)分析

單項元素污染指數(shù)：Pi=Ci/Si，式中，Ci為土壤中污染元素i的實測值；Si為土壤中污染元素i的評價標(biāo)準(zhǔn)，3種元素評價標(biāo)準(zhǔn)均參照參考文獻(xiàn)[8]。P≤0.7表示清潔， 0.73.0表示重污染。

富集系數(shù)[9]：EC=CPi/CSi，式中，CPi指植物中某污染物含量；CSi指土壤中該污染物含量。它反映了植物將土壤中重金屬元素轉(zhuǎn)移到植物體內(nèi)的能力,富集系數(shù)越大，則植物對該種重金屬從土壤向體內(nèi)的遷移能力越強(qiáng)。

轉(zhuǎn)移系數(shù)：TF=Coi/Cui，式中，Coi指植物地上部分重金屬的量；Cui指植物根中該重金屬的量。它反映了植物將該重金屬從根部向地上部分轉(zhuǎn)移能力的大小。若某金屬元素的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)均大于1，說明該植物對金屬元素具有超富集能力，對重金屬超富集植物的篩選更有意義。

2 結(jié)果與分析

2.1根際土壤中各種重金屬的污染指數(shù) 不同植物根際土壤中3種重金屬含量均超過土壤污染的最低限值，特別是根際土壤中Cu和Cd均處理重污染狀態(tài)，尤以Cd的單項污染指數(shù)均已超過400；Cu的單項污染指數(shù)都大于6，在紫花地丁根際土壤中高達(dá)13.1；除紫花地丁根際土壤Zn達(dá)到重污染外，其他植物根際Zn均為中污染，單項污染指數(shù)小于3(表1)。礦區(qū)周圍除生長各種雜草外，當(dāng)?shù)鼐用襁€種植玉米(Zeamays)、黃豆(Glycinemax)和小麥(Triticumaestivum)等各種農(nóng)作物，各種雜草及農(nóng)作物中含有的重金屬通過食物鏈富集在人體內(nèi)，嚴(yán)重威脅著人類的健康。因此，該地區(qū)土壤重金屬污染已達(dá)到必須治理的程度。

2.2不同植物莖和葉中各種金屬元素含量 從總體來看，植物體內(nèi)各種重金屬含量存在Zn>Cu>Cd的趨勢(表2)。不同植物不同部位重金屬含量不同，各種重金屬含量在莖中明顯低于根部和葉片，莖主要起運輸物質(zhì)的功能，重金屬主要儲存在根部或葉片[10]。

4種草類植物體內(nèi)Cu的含量以裸菀最高(表2)。其根部最高，為93.20 mg·kg-1，葉片含量次之，為92.47 mg·kg-1。苘麻莖內(nèi)Cu含量為植物不同部位中最低，僅為15.18 mg·kg-1。4種雜草不同部位Cd含量大多數(shù)都很低，小于10 mg·kg-1，而鵝絨藤葉片中Cd含量卻高達(dá)22.41 mg·kg-1(表2)。4種植物中不同部位Zn含量均較高，其中以裸菀葉片中含量最高，其值為1 005.00 mg·kg-1(表2)，地上部分高含量的重金屬元素有利于回收，避免二次污染。

2.3不同植物對不同重金屬元素富集能力比較

2.3.1不同植物對Cu的富集能力的比較 4種植物中紫花地丁對Cu的富集系數(shù)最低，僅為0.08，而裸菀對Cu的富集系數(shù)(0.38)相對于其他植物較高，但其值也小于1(圖1)。說明這4種雜草對Cu的富集能力均較弱。不同植物對Cu的轉(zhuǎn)移能力不同(圖1)，紫花地丁(0.72)和鵝絨藤(0.67)的轉(zhuǎn)移系數(shù)相對于裸菀和苘麻較高，但均小于1，特別是苘麻的轉(zhuǎn)移系數(shù)最低，僅為0.44。

表1 不同植物根際土壤重金屬含量Table 1 The contents of heavy metals in rhizosphere soils of different weeds

表2 不同植物各器官重金屬含量的比較Table 2 The contents of heavy metals of different organs in different weeds

圖1 不同植物對Cu的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)Fig.1 Cu bioconcentration and transfer factors in different plant species

2.3.2不同植物對Cd的富集能力的比較 苘麻(0.14)、裸菀(0.14)和紫花地丁(0.16)對Cd的富集系數(shù)差異不明顯，且其值均較低，而鵝絨藤對Cd的富集系數(shù)相對其他3種植物較高，其值為0.31(圖2)；4種植物對Cd的轉(zhuǎn)移系數(shù)均較高，其值均大于1(圖2)，其中以鵝絨藤的轉(zhuǎn)移系數(shù)最高，其值高達(dá)1.89，裸菀最低。

圖2 不同植物對Cd的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)Fig.2 Cd bioconcentration and transfer factors in different plant species

2.3.3不同植物對Zn的富集能力的比較 4種植物對Zn的富集系數(shù)均較高，其中以苘麻對Zn的富集能力最弱，但其值也大于1，為1.46，4種雜草中裸菀對Zn的富集系數(shù)最高，高達(dá)3.71(圖3)。而鵝絨藤(2.08)和紫花地丁(2.26)處于二者之間。4種植物中裸菀對Zn的轉(zhuǎn)移系數(shù)最高，為1.20，雖然其他3種植物對Zn的轉(zhuǎn)移系數(shù)均小于1，但鵝絨藤(0.97)和紫花地丁(0.95)的轉(zhuǎn)移系數(shù)接近1(圖3)。

圖3 不同植物對Zn的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)Fig.3 Zn bioconcentration and transfer factors in different plant species

3 討論

本研究所選的4種植物在對3種重金屬的富集能力研究中，多數(shù)都體現(xiàn)出普通雜草所具有的一般特征，即地下部分的重金屬富集能力大于地上部分，不具備超富集植物的一般特征[11]。但裸菀對Zn的富集能力卻體現(xiàn)了地上部分富集能力大于地下部分，即轉(zhuǎn)移系數(shù)為1.20，且富集系數(shù)高達(dá)3.71，裸菀在當(dāng)?shù)厣L狀況良好，符合超富集植物應(yīng)具備的條件[6]，所以，裸菀是礦區(qū)重金屬Zn植物修復(fù)的首選植物。鵝絨藤和紫花地丁對Zn的轉(zhuǎn)移系數(shù)雖然小于1，但分別為0.97和0.95，都接近1，且它們的富集系數(shù)都大于1，因此，鵝絨藤和紫花地丁對于礦區(qū)重金屬Zn的植物修復(fù)也具有重要意義。

對重金屬污染地區(qū)的生態(tài)恢復(fù)，利用一些植物的超積累特性進(jìn)行原位清除是重金屬污染治理的方法之一[12]。而有效利用一些生物量較大且對重金屬有較高耐性和吸收性的植物是今后植物修復(fù)研究的重要內(nèi)容之一。本研究中鵝絨藤對Cd的富集系數(shù)雖然僅為0.31，沒有達(dá)到超富集植物所具有的一般特征，但其轉(zhuǎn)移系數(shù)高達(dá)1.89，且地上部分的含量較其他植物大，即鵝絨藤從土壤中吸收的重金屬Cd能夠不斷地被運送到地上部分，通過地上部分收割去除土壤中的重金屬Cd，防止二次污染，所以，鵝絨藤對含重金屬Cd的土壤修復(fù)中具有一定意義。

草類植物具有耐不良生長環(huán)境、繁殖力極強(qiáng)、條件適宜即生長迅速等特點，而且能夠彌補(bǔ)植物修復(fù)過程中某些植物難于栽培和管理等缺點與不足，所以雜草對于植物修復(fù)來說是一類較理想的植物資源[13]。本研究是以當(dāng)?shù)厣L較多的雜草為對象，其中有些雜草(如苘麻)雖然對3種重金屬的富集能力均較弱，但由于成熟苘麻的地上部分生物量較大，對于調(diào)節(jié)和改善當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件，增加生物多樣性也具有一定作用。

[1] Eleonora P,Grazia M,Cristina M,etal.Heavy metal fractionation and organic matter stabilization in sewage sludge treatment wetlands[J].Ecological Engineering,2011,37:771-778.

[2] Wong S C,Li X D,Zhang G,etal.Heavy metal in agricultural soils of the Pearl River Delta,South China[J].Environmental Pollution,2000,119(1):33-44.

[3] 張芳，方溪，張麗靜.草類對重金屬脅迫的生理生化響應(yīng)機(jī)制[J].草業(yè)科學(xué)，2012，29(4)：534-541.

[4] 韓照祥．植物修復(fù)污染水體和土壤的研究進(jìn)展[J]．水資源保護(hù)，2007，23(1)：9-12．

[5] 張建梅．植物修復(fù)技術(shù)在環(huán)境污染治理中的應(yīng)用[J]．環(huán)境科學(xué)技術(shù)，2003，26(6)：55-57．

[6] Chaney R L,Minnie M,Li Y M,etal.Phytoremediation of soil metals[J].Current Opinion in Biotechnology,1997,8:279-284.

[7] 袁敏，鐵柏清，唐美珍，等.四種草本植物對鉛鋅尾礦土壤重金屬的抗性與吸收特性研究[J]．草業(yè)科學(xué)，2005，14(6)：57-62.

[8] 中國環(huán)境監(jiān)測總站.中國土壤元素背景值[M].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社,1990.

[9] Salt D E,Blaylock M,Kumar N P B A,etal.Phytoremediation: A novel strategy for the removal of toxic metals from the environment using plants[J].Nature Biotechnology,1995,13(5):468-474.

[10] 武維華.植物生理學(xué)[M].第二版.北京：科學(xué)出版社,2008：97-98.

[11] Mattina M I,Lannucci B W,Mussante C,etal.Concurrent plant uptake of heavy metals and persistent organic pollutant from soil[J].Environmental Pollution,2003,124(3):375-378.

[12] Baker A J M,McGrath S P,Sidoli C M D,etal.The possibility of in situ heavy metal decontamination of polluted soils using crops of metal-accumulating plants[J].Resource,Conservation and Recycling,1994,11(1):41-49.

[13] 魏樹和,周啟星,劉睿.重金屬污染土壤修復(fù)中雜草資源的利用[J].自然資源學(xué)報,2005,20(3):432-440.