劉勝洪，張雅君，楊妙賢，劉文，梁紅

仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院；廣東 廣州510220

稀土資源的開發(fā)和冶煉過程中，由于管理混亂、非法開采、工藝落后、采礦回收率低、資源浪費(fèi)等原因，造成礦區(qū)周邊環(huán)境污染日益嚴(yán)重。生物修復(fù)是近年來國際上興起的一項(xiàng)具有廣闊應(yīng)用前景的治理污染土壤的全新技術(shù)，是指在一定條件下利用植物、動(dòng)物和微生物吸收、降解、轉(zhuǎn)化土壤和水體中的污染物，使環(huán)境中的污染物濃度降低到可接受的水平（王慶仁等，2001）。因生物修復(fù)具有高效低耗、方便簡潔、保持水土和美化環(huán)境等諸多優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)引起土壤學(xué)家、植物學(xué)家和環(huán)境科學(xué)家的廣泛關(guān)注。

礦業(yè)廢棄地尤其是尾礦對(duì)于植物定居而言，是一種極端的生境，植物在廢棄地上的自然定居過程極其緩慢，要達(dá)到良好的植被往往需要幾十年、甚至數(shù)百年的時(shí)間，其演替過程也是基質(zhì)的緩慢改良和耐性物種的逐漸形成過程。礦區(qū)廢棄地重金屬污染一般較重，但在不同的生物體或生物群落對(duì)有毒元素作用的能力和特征不一致（Liu等, 2012；Victor等，2011；Kovács等, 2006；Liu 等, 2006），目前發(fā)現(xiàn)的耐重金屬污染的植物種類較少，因而篩選新的耐重金屬污染或超富集重金屬的植物物種，具有很高的理論意義和應(yīng)用價(jià)值，可以指導(dǎo)廢棄地植被重建中的基質(zhì)改良、物種選擇和群落配置等。本文對(duì)廣東省河源市和平縣下車鎮(zhèn)內(nèi)的稀土礦區(qū)土壤的重金屬污染情況進(jìn)行調(diào)查，并對(duì)該區(qū)優(yōu)勢植物對(duì)重金屬的富集特征進(jìn)行分析，以期對(duì)稀土尾礦區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)和重建提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究的稀土礦區(qū)地處廣東省河源市和平縣下車鎮(zhèn)，位于東經(jīng) 114°41′～115°16′，北緯 24°05′～24°42′之間，屬中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)。氣候溫和，光照充足，四季分明，無霜期長。年均溫度17.9 ℃～20.2 ℃，年均雨量 1536～1845.3 mm，大多數(shù)年份日照在1704.7 h以上，無霜期267～301 d。本區(qū)水熱條件優(yōu)越，有利于植物生長，為植物修復(fù)污染土壤提供了良好的氣候條件。

1.2 樣品采集

本研究在廣東省河源市和平縣稀土礦區(qū)作為土壤采樣和植被調(diào)查的區(qū)域。記錄了其自然定居于礦區(qū)的植物并采集了主要優(yōu)勢植物。采集深度為0～20 cm的4個(gè)土樣混合為1個(gè)樣，即為1個(gè)土壤混合樣品；本實(shí)驗(yàn)隨機(jī)采集3個(gè)土壤混合樣品。對(duì)研究區(qū)內(nèi)有代表性、生長旺盛、數(shù)量較多的優(yōu)勢植物，每種采集4株。采集主要優(yōu)勢植物3種，分別是：馬唐草（Digitaria sanguinalis），香根草（Vetiveria zizanioides），望江南（Cassia occidentalis）。

1.3 樣品處理與分析

植物樣品分為根和地上部(莖、葉，花、果實(shí)和種子)，用自來水充分沖洗以去除黏附在植物樣品上的泥土和污物，地上部分再用去離子水沖洗2～3遍，晾干，105 ℃殺青30 min，70 ℃烘至恒質(zhì)量，粉碎，過80目尼龍篩，過篩后的植物樣品采用HNO3-HClO4法消化，土壤樣品以王水-高氯酸法消化，用原子吸收分光光度法測定樣品中重金屬含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 稀土礦區(qū)土壤重金屬特點(diǎn)

土壤中重金屬平均含量，見表 1。礦區(qū)土壤中Mn、Pb和Zn 3種重金屬元素平均量均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了廣東省和中國土壤背景值(柴世偉等，2004；陳海珍等，2010；王英輝等，2007)，Pb的含量遠(yuǎn)超過土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，而且已經(jīng)超過了污染警戒值（三級(jí)），Zn的含量也接近了二級(jí)污染警戒值。

2.2 礦區(qū)優(yōu)勢植物中重金屬含量

2.2.1 礦區(qū)優(yōu)勢植物對(duì)重金屬元素的吸收

由表1可知，本實(shí)驗(yàn)取樣區(qū)域土壤重金屬元素Mn、Pb和Zn含量相對(duì)偏高，故本文僅就優(yōu)勢植物對(duì)這3種重金屬元素的富集特征進(jìn)行研究，選取該礦區(qū)3種主要優(yōu)勢植物進(jìn)行分析，結(jié)果見表2。

由表2可以看出，3種植物對(duì)土壤中重金屬錳、鉛、鋅的累積部位和累積規(guī)律。馬唐草和望江南都能很好的吸收土壤中的重金屬錳，而且把它輸送貯存到葉子中，對(duì)于鋅也有一定的吸收和固定作用，望江南的根中可以檢測到高濃度的鉛。以上結(jié)果顯示，香根草對(duì)于土壤中重金屬錳、鉛、鋅的累積并無明顯優(yōu)勢。

表1 采樣點(diǎn)土壤重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 1 Heavy metal concentrations of soil samples from contaminated sites

表2 礦區(qū)優(yōu)勢植物重金屬含量Table 2 Heavy metal content of main dominant plants in rare earth mine area

2.2.2 礦區(qū)優(yōu)勢植物重金屬的富集與運(yùn)輸特征

生物富集系數(shù) BAC(Biological Accumulating Coefficient)是指植物體內(nèi)某種重金屬元素含量與土壤中同種重金屬含量的比值，它反映了植物對(duì)土壤重金屬元素的富集能力，富集系數(shù)越大，富集能力就越強(qiáng)。生物轉(zhuǎn)移系數(shù) BTC(Biological Transfer Coefficient)等于植物地上部分重金屬的量除以植物根中該重金屬的量，它反映植物吸收重金屬后，從根部向莖、葉轉(zhuǎn)移的能力（庫文珍等，2012）。

若植物對(duì)某金屬元素的生物富集系數(shù)和生物轉(zhuǎn)移系數(shù)均大于1，說明植物對(duì)該金屬元素具有超富集的潛力，在重金屬超富集植物的篩選中更有意義。

如表3所示，3種草本植物對(duì)于Pb的BAC和BTC均小于1，說明這3種植物對(duì)Pb的富集和運(yùn)輸能力都很弱。香根草對(duì)于Mn和Zn的BAC分別為0.9和0.4，小于1，BTC分別為3.7和1.1，大于1，說明香根草對(duì)Mn和Zn的富集能力不強(qiáng)，但吸收后的運(yùn)輸能力很強(qiáng)。馬唐草對(duì)于 Mn的 BAC和BTC分別為1.2和4.9，對(duì)于Zn的BAC和BTC分別為1.2和1.7。望江南對(duì)于Mn的BAC和BTC分別為4.3和4.3，對(duì)于Zn的BAC和BTC分別為1.6和1.6。馬唐草和望江南2種植物對(duì)于Mn和Zn的BAC和BTC均大于1，是Mn和Zn的超富集植物，具有很好的耐Mn和Zn污染能力，其根系對(duì)重金屬的滯留率低（夏漢平和束文圣，2001）。

表3 3種植物的根系富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)Table 3 BAC and BTC of Pb, Mn and Zn in three plants

2.3 3種植物的生長情況

土壤的物理結(jié)構(gòu)、酸堿度、重金屬等都會(huì)極大地影響植物在尾礦上的定居，楊兵等（2005）認(rèn)為重金屬毒性和極度貧瘠是尾礦上植物生長的主要限制因子。

如圖1所示，3種植物均可在研究區(qū)域正常生長。馬唐的莖節(jié)著地生根，覆蓋率最高，生活力強(qiáng)，其種子邊成熟邊脫落，能產(chǎn)生大量種子繁衍后代。香根草也表現(xiàn)出極強(qiáng)的生態(tài)適應(yīng)性，生長迅速，根系發(fā)達(dá)，是人們熟知的水土保持和斜坡固定植物。望江南為半灌木，分枝少，生長速度相對(duì)緩慢，易受蟲害，在脅迫環(huán)境下不具備生長優(yōu)勢。

3 討論

植物修復(fù)技術(shù)以其成本低、不破壞土壤結(jié)構(gòu)和不造成二次污染等優(yōu)點(diǎn)而成為備受人們推崇的治理土壤污染的生態(tài)技術(shù)?；|(zhì)改良和耐性植物選擇是礦業(yè)廢棄地生態(tài)修復(fù)的關(guān)鍵（Ye等, 1999；Haque等, 2008），國內(nèi)外對(duì)此進(jìn)行了大量的研究，如王紅旗等在土壤中加入EDTA等螯合劑，從而增加植物對(duì)重金屬的富集作用（Wang 等，2007；Wu 等，2004），重金屬的存在形態(tài)是土壤中重金屬活動(dòng)性的重要參數(shù)，研究其對(duì)了解重金屬的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)有重要意義。Byung-Taek Oh等（2013）以蘇云金芽孢桿菌GDB-1作為根際細(xì)菌A，間接促進(jìn)植物修復(fù)以消除污染物。微生物的代謝產(chǎn)物可生物降解，毒性較小，而且有可能產(chǎn)生在根際土壤中就地使用的有益微生物，這一點(diǎn)是化學(xué)修飾無法做到的（Navarro-Noya等，2012；Rajkumar等，2012）。在重金屬脅迫條件下，接種有益微生物能夠增強(qiáng)植物對(duì)營養(yǎng)元素和水分的吸收，增強(qiáng)葉片的光合作用，促進(jìn)植物生長，提高植株生物量（Ali等，2013），經(jīng)過微生物的介導(dǎo)，包括易位，改造，螯合，固定化，增溶等，最終完成對(duì)重金屬的生物修復(fù)（羅巧玉等，2013；Garrido等，2012）。從實(shí)質(zhì)上來說，廢棄地植被重建就是復(fù)制其自然演替，并加快其自然演替過程，增加土壤有機(jī)質(zhì)以改變土壤物理、化學(xué)及生物特性，接種土壤微生物，引種先鋒植物、超富集植物都是很好的思路。退化生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)和重建問題，具有十分強(qiáng)烈的應(yīng)用背景，也是一項(xiàng)十分復(fù)雜的系統(tǒng)工程。

4 結(jié)論

有害金屬在植物體內(nèi)的積累主要分為三步：有害金屬的吸收、轉(zhuǎn)移和生理耐受機(jī)制。本研究表明，馬唐草和望江南兩種植物對(duì)稀土尾礦區(qū)的重金屬M(fèi)n和 Zn具有較強(qiáng)的吸收和轉(zhuǎn)移能力，是 Mn和Zn的超富集植物，對(duì)于其生理耐受機(jī)制還有待進(jìn)一步研究，后續(xù)還要進(jìn)一步利用雜草多樣性消除或減少本研究區(qū)域重金屬Pb的污染。

馬唐草覆蓋率高，抗病蟲能力強(qiáng)，可作為該礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)的先鋒植物，望江南可以間作種植。先鋒植物在礦區(qū)復(fù)墾初期應(yīng)用，能夠迅速提高植物的覆蓋率，保持水土，還能富集一定量的重金屬。本研究利用雜草及雜草多樣性減少或消除土壤污染的方法與途徑，為土壤重金屬的生物修復(fù)提供新思路。

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