劉詩(shī)敏 高良敏 邱增羽 黃肖萌 楊茗 雒建偉

摘 要：為了研究采煤沉陷復(fù)墾區(qū)土地中植物重金屬的富集特征，本文采用火焰原子吸收法測(cè)定淮南部分采煤沉陷復(fù)墾區(qū)植物中以及土壤中常見(jiàn)的幾種重金屬含量，計(jì)算出12種植物對(duì)土壤中重金屬的富集系數(shù)與轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)，最終選出適合在淮南復(fù)墾區(qū)種植的富集重金屬的植物種類。研究結(jié)果表明：復(fù)墾區(qū)的12種植物對(duì)不同重金屬具有不同的富集特征。野艾蒿、野豇豆對(duì)銅（Cu）的富集能力較強(qiáng)，最高達(dá)到1.77；野豇豆和鬼針草對(duì)鋅（Zn）的富集能力都超過(guò)了0.50。鬼針草對(duì)鉻（Cr）和鎳（Ni）的富集能力遠(yuǎn)高于其他11種植物，狗尾草對(duì)鎘（Cd）的富集能力最大，為4.00，是最小值的100倍。12種植物對(duì)鉛（Pb）的富集系數(shù)都在0.50以下，富集能力弱。研究區(qū)域適合種植狗尾草、野豇豆、鬼針草和鉆葉紫苑，它們對(duì)重金屬的總富集系數(shù)都超過(guò)了0.50，富集系數(shù)較高。

關(guān)鍵詞：采煤沉陷區(qū)；復(fù)墾區(qū)；植物；重金屬富集

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.02.071

1 研究背景

一直以來(lái)，礦山環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題受區(qū)域地質(zhì)環(huán)境條件的控制以及影響都很大，地質(zhì)環(huán)境的不同導(dǎo)致區(qū)域開(kāi)礦所帶來(lái)的環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題類型也不同，往往差異很大。不同的區(qū)域進(jìn)行開(kāi)礦活動(dòng)造成的影響不同：山地區(qū)域開(kāi)礦易引發(fā)崩塌、滑坡、泥石流等災(zāi)害，而植被被破壞以及地面塌陷等現(xiàn)象則是平原盆地區(qū)開(kāi)礦造成的 [1-2]。我們的地質(zhì)環(huán)境使得礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題備受社會(huì)各界的關(guān)注。為了實(shí)現(xiàn)礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)和治理工作同時(shí)發(fā)展，避免和減少礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題，我們?cè)陂_(kāi)采煤炭資源的同時(shí)解決好采煤沉陷區(qū)的環(huán)境污染，做好礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與治理恢復(fù)工作，對(duì)有效治理生態(tài)破壞問(wèn)題，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)和諧穩(wěn)定具有重大的現(xiàn)實(shí)意義和深遠(yuǎn)的歷史意義[3]。

安徽省淮南市是以一座能源型城市，主要的礦藏為煤炭，作為中國(guó)最重要的煤炭資源城市之一，截止到2014年底，淮南礦業(yè)集團(tuán)公司煤炭開(kāi)采沉陷區(qū)約320萬(wàn)km2，預(yù)計(jì)最終塌陷面積將達(dá)到687萬(wàn)km2，其中沉陷區(qū)積水面積達(dá)最大積水深度將超過(guò)20m，相當(dāng)于100個(gè)西湖大小[4]。面對(duì)如此嚴(yán)峻的礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題，淮南市選取了幾個(gè)礦山環(huán)境問(wèn)題較嚴(yán)重的采礦區(qū)的沉陷區(qū)進(jìn)行復(fù)墾活動(dòng)，重點(diǎn)任務(wù)是研究植物修復(fù)礦區(qū)重金屬污染的土壤方法。

本文針對(duì)于大通復(fù)墾區(qū)、潘一礦復(fù)墾區(qū)以及新莊孜復(fù)墾區(qū)種植的植物對(duì)土壤中重金屬的富集強(qiáng)度比對(duì)，研究適應(yīng)修復(fù)沉陷復(fù)墾區(qū)重金屬污染土壤的植物種類，以期為接下來(lái)此方面的研究工作提供借鑒和研究依據(jù)。

2 樣品的采集

2.1 樣品的采集

實(shí)驗(yàn)研究所用的土壤以及植物樣品主要采集于淮南市大通煤礦沉陷復(fù)墾區(qū)、潘一煤礦沉陷復(fù)墾區(qū)、新莊孜煤礦沉陷復(fù)墾區(qū)。經(jīng)過(guò)實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，三個(gè)復(fù)墾區(qū)中數(shù)量多，占優(yōu)勢(shì)的植物共有12種。采樣點(diǎn)依據(jù)采樣區(qū)域的面積大小均勻分布，同時(shí)根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（HJ/T166-2004）中的布點(diǎn)和采樣規(guī)范，進(jìn)行塌陷復(fù)墾區(qū)土壤樣品的采集。

本次植物以及土壤樣品的采集時(shí)間為夏季及秋季，著重考慮復(fù)墾區(qū)植物與土壤之間的關(guān)聯(lián)對(duì)土壤重金屬的修復(fù)影響。對(duì)研究區(qū)域長(zhǎng)勢(shì)良好、生長(zhǎng)面積較廣的12種植物分地上和地下部分進(jìn)行采集分析研究。在所研究的三個(gè)區(qū)域內(nèi)共采集土壤樣品的工業(yè)垃圾522個(gè)，主要的采集方式是利用特制采樣器采集土壤垂直剖面樣品，樣品的垂直長(zhǎng)度為20cm，同時(shí)記錄采樣點(diǎn)的地理位置坐標(biāo)并對(duì)采樣地點(diǎn)、周圍植物生長(zhǎng)情況和煤矸石具體填埋深度情況等。

2.2 樣品的預(yù)處理與測(cè)試

2.2.1 樣品的預(yù)處理

采集回來(lái)的土壤樣品需要放在聚四氟乙烯的風(fēng)干盤中均勻攤開(kāi)，并放置在陰涼、通風(fēng)、干燥的地方自然風(fēng)干。風(fēng)干之后的樣品需要手動(dòng)撿除樣品中的石子、煤矸石等雜物，最后運(yùn)用四分法選出300g左右的樣品，放入事先準(zhǔn)備好的干凈玻璃瓶中密封保存。把放入玻璃瓶中的土壤樣品拿出，用瑪瑙研缽磨碎，過(guò)篩，最后裝入自封袋密封保存。植物樣品采集回來(lái)之后，先進(jìn)行水洗，除去植物表面的灰塵等物質(zhì)，放在通風(fēng)干燥處自然風(fēng)干。然后根據(jù)研究目的進(jìn)行分部位處理，用塑料刀將植物樣品切碎，稱取200g左右于瓷托盤中。在105℃殺青30min后，在50℃的干燥箱中烘至恒重。取出碾碎，過(guò)60目的樣品篩，放入玻璃瓶中備用。樣品的前處理過(guò)程中，需要寫清楚樣品的標(biāo)簽 [7]。

2.2.2 重金屬含量檢測(cè)

為了保證實(shí)驗(yàn)質(zhì)量符合國(guó)家規(guī)定的實(shí)驗(yàn)要求，本實(shí)驗(yàn)選用了國(guó)家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)土壤標(biāo)準(zhǔn)做為參考樣（GBW-07403），植物樣品利用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)樣品（GBW07604），實(shí)驗(yàn)分析表明，回收率較好，從而為接下來(lái)的實(shí)驗(yàn)提供了數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度的保障。

3 測(cè)試結(jié)果與分析

3.1 分析方法

研究表明，植物對(duì)重金屬的富集能力可以用生物富集系數(shù)（BCF）表示。植物對(duì)重金屬的吸收是有選擇性的，同時(shí)，富集系數(shù)越大代表植物越容易從土壤中吸收該元素，代表該元素的遷移能力越強(qiáng)[5-6]，如果植物地上部分富集系數(shù)越大，則越有利于植物污染的修復(fù)，植物地上部分富集系數(shù)>1即是超積累植物所需具備特征之一[7-9]，2008年，劉足根、楊國(guó)華等[10]研究贛南鎢礦區(qū)的土壤中重金屬含量，發(fā)現(xiàn)了可以用于污染土壤修復(fù)的幾種植物，分別是芒箕、龍葵、酸模等，這些植物的地上部分可富集較多重金屬。魏芳雪、楊金香[11]等人以淮南市某煤礦復(fù)墾區(qū)為研究對(duì)象，根據(jù)不同植物的重金屬富集系數(shù)，研究分析不同植物對(duì)不同重金屬的富集能力。結(jié)果表明：蘆葦和狗尾巴草對(duì)重金屬元素表現(xiàn)出了較強(qiáng)的富集能力，可作為該區(qū)域生態(tài)恢復(fù)的先鋒植物栽種。孟俊[12]研究了淮南市新莊孜礦復(fù)墾區(qū)土壤中重金屬的污染水平以及植物的富集以及修復(fù)潛力，研究結(jié)果表明：研究區(qū)域土壤中Cd、Hg、Zn等7種元素的含量超過(guò)了淮南市土壤背景值。對(duì)重金屬元素As和Hg具有較強(qiáng)的富集能力是油菜和蠶豆；對(duì)As、Cd、Hg具有較強(qiáng)的富集能力的植物分別是小麥、小薊和野蒿。通過(guò)大量的文獻(xiàn)閱讀，可以得出，國(guó)外對(duì)超富集植物已經(jīng)展開(kāi)了一系列的相關(guān)研究與報(bào)道。

富集系數(shù)是指評(píng)價(jià)土壤—植物系統(tǒng)中重金屬元素遷移富集的難易程度，可將重金屬元素在植物各個(gè)部位的濃度與配套土壤中對(duì)應(yīng)元素的濃度作比，可表示為Ai。計(jì)算公式如下：

（1）

式中------Ai為元素i富集系數(shù)； Li為元素i在植物中含量； Ni為元素i在植物生長(zhǎng)介質(zhì)中的含量（全量）。

在生態(tài)修復(fù)中，植物的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)也如同植物的富集系數(shù)一樣，可以顯示植物修復(fù)土壤中重金屬污染能力。同時(shí)，轉(zhuǎn)運(yùn)系也被用來(lái)反映土壤—植物系統(tǒng)中重金屬元素遷移的難易程度，特別對(duì)于一些超積累植物，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)已經(jīng)成為了重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一[13]。

所謂轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)，就是植物富集的某種重金屬元素地上部分含量與根部含量之比，用來(lái)評(píng)價(jià)植物將重金屬?gòu)牡叵赂肯虻厣喜糠值倪\(yùn)輸和富集能力。計(jì)算公式如下：

重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)（F/R）=地上部分重金屬含量/根部重金屬含量 （2）

3.2 結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)三個(gè)采煤沉陷復(fù)墾區(qū)12種長(zhǎng)勢(shì)良好的植物以及植物所生長(zhǎng)的土壤進(jìn)行重金屬含量檢測(cè)，分別計(jì)算出這12種植物的富集系數(shù)。

由表1可以看出，不同植物對(duì)不同重金屬的富集系數(shù)差異很大。對(duì)重金屬Cu具有富集能力的植物從大到小排列分別是野豇豆、鉆葉紫苑、鬼針草等，其中野豇豆的富集系數(shù)高達(dá)1.77，是最小值（狗尾草）的8倍。加拿大一枝黃花與蒼耳的富集系數(shù)接近0.5，最小的是狗尾草和蘆葦，富集系數(shù)僅為0.2；植物對(duì)Zn的富集能力比較強(qiáng)的植物是野艾蒿、狗尾草、苦苣，富集系數(shù)分別0.77、0.66、0.45，相差不大，但其他幾種植物對(duì)Zn的富集系數(shù)都小于0.5；鬼針草對(duì)Cr的富集能力很強(qiáng)，富集系數(shù)達(dá)到1.0，鉆葉紫苑對(duì)Cr的富集能力也比較強(qiáng)，其他幾種植物的富集系數(shù)比較小，僅在0.01～0.16之間；植物對(duì)Ni的富集系數(shù)最大是鬼針草（0.80），其他植物的富集能力都比較弱；12種草本植物對(duì)Pb幾乎沒(méi)有富集能力，富集系數(shù)最大才達(dá)到0.45（野豇豆）；植物對(duì)Cd的富集系數(shù)在0.04～4.00之間，其中狗尾草富集能力最強(qiáng)（4.00），接下來(lái)是鉆葉紫苑（1.83）、鬼針草（1.12）菊芋（1.06）。從不同的重金屬來(lái)看，植物對(duì)銅、鎘的富集能力都比較強(qiáng)，其中鬼針草對(duì)銅、鋅、鉻、鎳、鎘五種重金屬都有較強(qiáng)的富集能力，鉆葉紫苑對(duì)銅、鉻、鎘三種重金屬有較好的富集能力，野豇豆對(duì)銅和鋅兩種重金屬均具有富集能力，分析表明這三種植物對(duì)復(fù)合污染的土壤可能具有比較好的修復(fù)效果。其中狗尾草、野豇豆、鬼針草和鉆葉紫苑的總和富集系數(shù)明顯高出其他植物。其中，鬼針草對(duì)幾種重金屬的總富集系數(shù)高達(dá)5.0。

從表2可以看出，12種植物的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)相對(duì)都比較大，苦苣對(duì)Cu的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)最高達(dá)4.00，說(shuō)明苦苣比較容易對(duì)Cu進(jìn)行遷移，最小是麥冬，僅為0.46；Zn的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)在0.73 ～3.76 之間，其中野豇豆最大，扁竹蘭最??；植物對(duì)Cr的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)最大的是狗尾草，最小的是鉆葉紫苑，說(shuō)明鉆葉紫苑遷移Cr的能力比較??；鉆葉紫苑（0.48）對(duì)Ni的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)也是最小，最大是狗尾草（3.43），說(shuō)明狗尾草對(duì)Ni元素遷移比較容易；12種植物對(duì)Pb的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)都大于0.5，說(shuō)明這些植物將Pb從地下部分向地上部分的運(yùn)輸和富集能力比較強(qiáng)；狗尾草對(duì)Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)未能檢測(cè)出，其他植物遷移Cd的能力都比較強(qiáng)，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)都大于0.5，在0.05～5.65之間，最大是野豇豆（5.65），最小是鉆葉紫苑（0.05）。由這些分析看出，麥冬根部對(duì)Zn、Ni、Pb、Cd四種重金屬向地上部分運(yùn)輸能力比較強(qiáng)，狗尾草對(duì)Cu、Zn、Cr、Ni、Pb五種重金屬較易轉(zhuǎn)運(yùn)，鉆葉紫苑對(duì)Cu、Zn、Pb三種重金屬的轉(zhuǎn)運(yùn)比較好，其他9種植物對(duì)Cu、Zn、Cr、Ni、Pb、Cd六種重金屬的轉(zhuǎn)運(yùn)能力都比較強(qiáng)，表明它們可能較適宜在復(fù)合污染地區(qū)種植。

4 結(jié)論

三個(gè)采煤沉陷復(fù)墾區(qū)中的12種植物，對(duì)Cu具有高富集能力的植物有野艾蒿、野豇豆、菊芋，等。野豇豆和鬼針草對(duì)Zn具有高富集能力。對(duì)Cr和Ni具有高富集能力的植物只有鬼針草。對(duì)Cd具有高富集作用的植物有菊芋、鬼針草和蒼耳。12種植物對(duì)Pb的富集能力都比較弱，說(shuō)明12種植物對(duì)Pb的修復(fù)能力比較差，這些植物都不太適合Pb污染的土壤。這些結(jié)論都較為符合前人的一些研究結(jié)果，從而說(shuō)明：運(yùn)用植物修復(fù)采礦區(qū)土壤的重金屬污染，會(huì)具有較為廣闊的發(fā)展前景。

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項(xiàng)目基金：淮南礦業(yè)集團(tuán)科研項(xiàng)目計(jì)劃“淮南礦區(qū)土壤污染特征與植物修復(fù)適宜性研究”。

作者簡(jiǎn)介：劉詩(shī)敏（1900-），女，安徽淮南人，碩士研究生，主要從事于環(huán)境影響評(píng)價(jià)、生態(tài)環(huán)境修復(fù)等方面研究。