龍健 , 冉海燕

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喀斯特山地煤礦廢棄地幾種優(yōu)勢植物的重金屬耐性特征

龍健1,*, 冉海燕2

1. 貴州師范大學(xué)蕎麥產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究中心, 貴陽 550001 2. 貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護研究所, 貴陽 550006

對貴陽花溪區(qū)麥坪鄉(xiāng)煤礦廢棄地進行了野外調(diào)查, 對該地優(yōu)勢植物和土壤進行了采樣, 測定樣品As、Cd、Cu、Hg、Pb和Zn的含量, 發(fā)現(xiàn)當?shù)貎?yōu)勢植物雀稗(Kunth ex Steud.)地上部分Cu含量達到1058.12 mg·kg-1, 轉(zhuǎn)移系數(shù)2.89, 富集系數(shù)16.07。研究了雀稗在銅離子脅迫實驗中的根系活力變化和葉綠素濃度變化, 雀稗根系活力隨實驗進行而逐漸降低, 銅離子濃度為500 μg·mL-1的實驗進行到第四周時TTC還原量達到最低值; 葉綠素濃度隨著銅離子濃度的增加而緩慢降低, 進一步確認當?shù)赝林参锶赴迣︺~離子有一定的耐受性。

煤礦廢棄地; 優(yōu)勢植物; 重金屬耐性

0 前言

重金屬污染土壤問題近年來受到很多的關(guān)注，據(jù)有關(guān)統(tǒng)計, 全國土壤點位超標率為16.1%, 其中受到汞、銅、鉛、砷等重金屬污染的耕地達到了10%以上[1]。在礦山開采過程和尾礦的堆積過程中會產(chǎn)生大量的廢棄物, 它們含有較高濃度的有毒重金屬, 是土壤非常重要的重金屬污染源。煤礦區(qū)由于煤矸石中重金屬遷移轉(zhuǎn)化的影響使得這一地區(qū)的生態(tài)問題復(fù)雜多樣[2]。礦區(qū)土壤中重金屬元素種類繁多, 包括Ｃd、Ｐb、Ｚn、Ｃu等[3]。目前治理土壤重金屬污染的方法有深耕法、客土法、施用石灰或螯合劑、電化學(xué)法、化學(xué)淋溶法和植物修復(fù)法等, 前面這些方法工藝復(fù)雜, 成本高, 土壤結(jié)構(gòu)和肥力易遭破壞, 對于低濃度、大范圍重金屬污染的土壤不適用[4], 而植物修復(fù)法具有對土壤環(huán)境擾動少、無二次污染等優(yōu)點, 是具有發(fā)展?jié)摿Φ木G色修復(fù)技術(shù)[1], 植物修復(fù)是利用植物的耐受、積累某種重金屬離子的能力來減少土壤環(huán)境中的重金屬污染物, 具體方法包括植物篩選, 微生物聯(lián)合植物修復(fù), 農(nóng)藝措施, 水分管理和植物修復(fù)劑, 其中植物篩選超富集植物是首要步驟。目前國內(nèi)用于篩選超富集植物的方法主要是野外調(diào)查法, 根據(jù)植物的一些特性選擇一些特殊的植物來測定它們對重金屬的富集特性, 利用土壤種子庫—重金屬濃度梯度法來篩選超富集植物, 其中土壤種子庫方法操作簡單[5]。相關(guān)研究報道目前已篩選出幾百種重金屬超富集植物[4], 大部分是Ni超富集植物, 其他包括Co、Cu、Se、Zn和Mn的超富集植物都只有幾十種[6], 在中國發(fā)現(xiàn)的有海州香薷()[7]、鴨跖草()[8]、酸模(Linn)[9]、密毛蕨()[10]、印度芥菜(L)[11], 這些已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的銅超富集植物集中在鴨跖草科、唇形科、石竹科、馬齒莧科、莎草科等科屬, 且這些超富集植物均存在分布地域范圍狹小的問題, 僅在特定生境中表現(xiàn)出超累積特性[12]。因此, 銅超富集植物的研究需要考慮生態(tài)型物種的篩選和分析, 喀斯特礦區(qū)土壤重金屬污染治理的植物篩選應(yīng)該在污染地進行野外土著植物篩選, 并通過脅迫實驗確認有效的土著物種及其耐受性、富集性特征。

1 材料與方法

1.1 研究地優(yōu)勢植物調(diào)查

研究地位于貴州省貴陽市花溪區(qū)麥坪鄉(xiāng)煤礦廢棄地, 地理坐標東經(jīng)106°30′35", 北緯26°28′33"。麥坪鄉(xiāng)煤礦資源豐富, 屬亞熱帶季風(fēng)溫潤氣候, 平均氣溫14 ℃, 年均降雨量為1102 mm, 無霜期270 d, 森林資源豐富, 森林覆蓋率達28.6%; 礦藏富儲, 有煤炭、石灰石、重金石、鐵礦石等。麥坪鄉(xiāng)位于貴陽重要水源保護地“兩湖一庫”的阿哈水庫和紅楓湖之間的中間位置, 對該處煤矸石土壤進行改良有助于防范土壤污染對重要水源地產(chǎn)生污染影響。研究地砂質(zhì)壤土, 植被覆蓋率低, 我們對該地采樣點煤矸石土壤及周圍自然定居的優(yōu)勢植物進行調(diào)查, 對煤矸石土壤和優(yōu)勢植物的重金屬含量進行測定分析。野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)采樣地優(yōu)勢植物有薔薇科薔薇屬的野薔薇(Thunb.), 薔薇科懸鉤子屬的懸鉤子(L.f.), 殼斗科櫟屬的白櫟(Hance), 松科松屬的馬尾松(Lamb.), 木犀科女貞屬的大葉女貞(Ait.), 禾本科芒屬的五節(jié)芒((Labill.) Warb.ex Schum.et Laut.), 禾本科雀稗屬的雀稗(ex Steud.), 禾本科白茅屬的白茅((L.)Beauv.)。

1.2 研究地土壤pH值、有效磷、全氮和重金屬含量測定

按照梅花點法采集0—20 cm深度的土壤樣品, 四分法留樣帶回實驗室, 自然風(fēng)干, 過篩, 電位測定法測定pH值, 0.5 mol·L–1NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法測定有效磷含量, 紫外分光光度法測定土壤含氮量, 采用原子吸收分光光度法測定土壤Cd、Cu、Pb、Zn含量, 原子熒光光譜法測定土壤Hg、As含量。同時在該研究點進行植物樣方調(diào)查, 調(diào)查發(fā)現(xiàn)個體數(shù)量較多, 生長較好的優(yōu)勢植物8種, 對這些優(yōu)勢植物物種進行了采樣, 各選取5株, 帶回實驗室進行了重金屬As、Cd、Cu、Hg、Pb和Zn含量的測定。帶回實驗室后, 對植物樣品進行清洗后殺青、風(fēng)干, 用切碎機粉碎過100目尼龍篩后進行消解, 溶液定容搖勻后采用原子吸收分光光度法測定Cd、Cu、Pb、Zn含量, 采用原子熒光光譜法測定Hg、As含量。

1.3 研究地優(yōu)勢植物重金屬含量測定

對在廢棄地采集的八種優(yōu)勢植物進行了野外調(diào)查和采樣, 帶回實驗室后對As、Cd、Cr、Hg、Cu、Hg、Pb和Zn的含量進行了測定, 為了解自然狀態(tài)下這些優(yōu)勢植物對這幾種重金屬的轉(zhuǎn)移及吸收效果, 采用轉(zhuǎn)移系數(shù)和富集系數(shù)進行分析, 公式[13-14]如下:

轉(zhuǎn)移系數(shù)(TF)=植物地上部分(或植物葉)的重金屬含量/植物地下部分的重金屬含量

富集系數(shù)(BCF)=植物地上部分(或植物葉)的重金屬含量/土壤重金屬含量

1.4 銅離子脅迫實驗中雀稗根系活力與雀稗葉綠素含量的變化

在研究地播種雀稗種子一年后采集雀稗帶回實驗室, 用Hoagland營養(yǎng)液進行培養(yǎng), 將采樣回來的植株用自來水洗干凈后進行水培, 預(yù)培養(yǎng)20天后進行銅離子處理, 營養(yǎng)液用0.1 mol·L–1的NaOH、0.1 mol·L–1的HCL調(diào)PH至5.8, 銅離子濃度為0 μmol·L–1、25 μmol·L–1、50 μmol·L–1、75μmol·L–1、100 μmol·L–1、250 μmol·L–1和500 μmol·L–1, 每個濃度梯度3個重復(fù)處理, 營養(yǎng)液每7天更換一次。進行雀稗根系活力的測定和雀稗葉綠素含量的測定。

1.4.1 雀稗根系活力的變化測定

(1)TTC標準曲線的制作: 取0.4% TTC溶液0.2 mL放入大試管中, 加9.8 mL乙酸乙酯, 再加少許Na2SO4粉末搖勻, 則立即產(chǎn)生紅色的TTF。此溶液濃度為每毫升含有TTF80 μg。分別取此溶液0.25 mL、0.50 mL、1.00 mL、1.50 mL、2.00 mL置10 mL刻度試管中, 用乙酸乙酯定容, 即得到含TTF20 μg、40 μg、80 μg、120 μg、160 μg的系列標準溶液, 以乙酸乙酯做參比, 在485 nm波長下測定吸光度, 繪制標準曲線。

(2)稱取根尖樣品0.25 g, 放入小燒杯中, 加入0.4% TTC溶液和磷酸緩沖液(pH7.0)各2.5 mL, 在37℃下暗保溫1.5 h, 此后立即加入1 mol·L–1硫酸1 mL, 以停止反應(yīng)。(與此同時做一空白, 先加硫酸, 再加根樣品, 37 ℃暗保溫后不加硫酸)

(3)把根取出, 用濾紙吸干水分, 放入研缽中, 加乙酸乙酯1—2 mL, 充分壓按, 以提出TTF。把紅色提取液移入刻度試管, 并用少量乙酸乙酯把殘渣洗滌2—3次, 皆移入刻度試管, 最后加乙酸乙酯使總量為5 mL, 用分光光度計在波長485 nm下比色, 以乙酸乙酯做空白對照測出吸光度, 查標準曲線求出TTC還原量。

1.4.2 雀稗葉綠素含量的變化測定

稱取新鮮(或干材料)的洗凈擦于的雀稗葉片0.2 g, 剪碎后放入25 ml容量瓶中, 加4.5:4.5:1(丙酮: 無水乙醇: 水)定容, 然后在低溫避光條件下靜止提取24 h(中間振蕩3次)。以4.5:4.5:1(丙酮: 無水乙醇: 水)為空白對照采用分光光度計測定, 在663 nm波長下讀取吸光度(A)值測量葉綠素A, 663 nm波長下讀取吸光度(A)值測量葉綠素B。

1.5 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)用Excel 2016進行統(tǒng)計和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 研究地土壤pH值、有效磷和全氮以及重金屬含量測定分析

煤礦廢棄地砂質(zhì)壤土, 采樣點煤矸石土壤pH值、有效磷含量和總氮百分比, As、Cd、Cu、Hg、Pb和Zn含量測定結(jié)果如下表。As、Cd、Hg、Pb和Zn含量按《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》GB15618—1995的最低標準均未超標。采樣點土壤酸化嚴重, pH算術(shù)平均值為3.84, 有效磷含量0.29 mg·kg–1, 土壤全氮百分比0.29%, 采樣點土壤銅離子含量算數(shù)平均值為65.83 mg·kg–1, 標準差16.82 mg·kg–1, 超過了土壤環(huán)境質(zhì)量標準(GB 15618-1995)的二級標準。

表1 采樣點土壤pH值、有效磷和全氮以及重金屬含量

注: 土壤環(huán)境質(zhì)量標準(GB 15618—1995)。

2.2 研究地優(yōu)勢植物野外調(diào)查和重金屬含量測定分析

從表2和表3看到研究點優(yōu)勢植物對As、Cd、Cr、Hg、Hg、Pb和Zn的轉(zhuǎn)移能力和富集能力都有不同的表現(xiàn), 對As的轉(zhuǎn)移系數(shù)大于1的有野薔薇、馬尾松、懸鉤子和白茅, 對Cd的轉(zhuǎn)移系數(shù)大于1的有野薔薇、馬尾松和五節(jié)芒, 對Cr的轉(zhuǎn)移系數(shù)大于1的有白茅, 對Cu的轉(zhuǎn)移系數(shù)大于1的有雀稗和白茅, 對Hg的轉(zhuǎn)移系數(shù)大于1的有大葉女貞、野薔薇、馬尾松、懸鉤子和五節(jié)芒, 對Pb的轉(zhuǎn)移系數(shù)大于1的有大葉女貞、白櫟、馬尾松、懸鉤子和白茅, 對Zn的轉(zhuǎn)移系數(shù)大于1的有大葉女貞、白櫟、馬尾松和懸鉤子。土著植物雀稗對銅的富集系數(shù)到達16.07, 轉(zhuǎn)移系數(shù)大于的1的雀稗和白茅都是禾本科, 其中雀稗地上部分銅含量達1058.12 mg·kg–1, 雀稗地下部分銅含量達到366.60 mg·kg–1。白茅地上部分銅含量達918.66 mg·kg–1, 白茅地下部分銅含量達到373.17 mg·kg–1, 這兩種禾本科植物作為當?shù)貎?yōu)勢植物顯示出了良好的銅耐受性。

表2 研究點優(yōu)勢植物對As、Cd和Cr的富集特征

注: BCF為富集系數(shù); TF為轉(zhuǎn)運系數(shù)。

表3 研究地優(yōu)勢植物對Hg、Pb和Zn的富集特征

注: BCF為富集系數(shù); TF為轉(zhuǎn)運系數(shù)。

2.3 銅離子脅迫實驗中的根系活力和葉綠素含量變化

隨著銅離子濃度的增加, TTC還原量(根系活力)急速降低, 銅離子濃度為25 μg·mL–1時, TTC還原量(根系活力)降低幅度減緩, 相同銅離子濃度下雀稗根系活力隨實驗進行而降低, 銅離子濃度為500 μg·mL–1的實驗進行到第四周時TTC還原量達到最低。

圖1 銅離子脅迫對雀稗根系活力變化的影響

Figure1 Effect of copper ion stress on change of roots activity inKunth ex Steud

隨著銅離子濃度的增加, 葉綠素濃度降低, 不同銅離子濃度下的葉綠素含量都隨著實驗的進行而緩慢降低。

圖2 銅離子脅迫對雀稗葉綠素含量變化的影響

Figure2 Effect of copper ion stress on change of Chloro-phyll inKunth ex Steud

3 討論

研究地砂質(zhì)壤土酸化嚴重, pH算術(shù)平均值3.84, 土銅離子含量算數(shù)平均值65.83 mg·kg–1, 超過《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》GB15618—1995的二級標準。在正常土壤中銅的含量一般為20—30 mg·kg–1[15], 在污染較嚴重的地區(qū), 如礦區(qū)附近土壤中的銅含量高達5000 mg·kg–1以上[16], 研究地是煤矸石為主的廢棄地, 銅含量來源可能是煤矸石, 煤矸石是無機質(zhì)和少量有機質(zhì)組成的混合物, 主要成分是SiO2, 其次是AL2O3, 還包括少量的鋇、錳、銅等金屬元素, 煤矸石的化學(xué)成分不穩(wěn)定, 不同地區(qū)的煤矸石成分變化較大[17]。所以, 此類環(huán)境下的土壤理化分析結(jié)果只適用于在該地點開展的分析研究。

植物對重金屬的轉(zhuǎn)運系數(shù)越大, 重金屬從根部向地上部的轉(zhuǎn)運能力越強, 轉(zhuǎn)運系數(shù)大于1說明植物地上部吸收重金屬含量大于地下部。植物對重金屬的轉(zhuǎn)移能力表征植物對重金屬的轉(zhuǎn)移能力, 與植物的生理、生化和遺傳等因素關(guān)系密切。超積累植物與其他植物最大的區(qū)別在于向上部轉(zhuǎn)移重金屬的能力[18], 轉(zhuǎn)移效率大于0.5的可以作為植物修復(fù)備選的物種[19-20-21]。研究點雀稗地上部分Cu含量達到1058.12 mg·kg–1, 轉(zhuǎn)移系數(shù)2.89, 對銅污染具有很好的耐受性和富集性。白茅地上部分的Cu含量達到918.61 mg·kg–1, 接近Cu超富集植物的定義標準, 轉(zhuǎn)移數(shù)2.46, 可作為Cu污染修復(fù)的備選物種。銅污染的土壤較易生長草本植物, 比如湖北黃石市西南20 km的銅綠山冶煉渣堆因自然選擇的作用, 形成了以草本植物為主體的良好植被[22], 這是因為禾本科植物種子具有較強的傳播能力, 植物有較強的適應(yīng)性[23]。本研究中禾本科的五節(jié)芒、雀稗和白茅的銅含量都高于該地其他優(yōu)勢物種。礦業(yè)廢棄地除了具有重金屬污染的特征以外, 土壤貧瘠也是一大特點, 禾本科植物種子具有較強的傳播能力, 有較強的適應(yīng)性, 在礦業(yè)廢棄地常見其作為自然定居的優(yōu)勢植物存在。所以禾本科植物較其他植物更適合用于植物修復(fù)。

植物對重金屬的富集系數(shù)是植物地上部分或葉的重金屬含量與土壤中該重金屬含量的比值, 是評價植物對重金屬富集能力的指標之一[13]。富集系數(shù)用來評價植物將重金屬吸收轉(zhuǎn)移到體內(nèi)的能力大小, 富集系數(shù)越高, 說明植物地上部分重金屬富集質(zhì)量分數(shù)越大[14]。從表2看到, 研究地優(yōu)勢植物的富集系數(shù)各不相同, 大葉女貞對Hg的富集系數(shù)最多為2.34, 野薔薇對Cu的富集系數(shù)最多是5.16, 白櫟對Zn的富集系數(shù)最多是4.29, 馬尾松對Cd的富集系數(shù)最多是19.38, 懸鉤子對Hg的富集系數(shù)最多是6.5, 五節(jié)芒對Cu的富集系數(shù)最多是9.96, 雀稗對Cu的富集系數(shù)最多是16.07, 白茅對Cu的富集系數(shù)最多是13.96?？紤]物種的富集能力以外, 植物生物量大小也是考慮修復(fù)物種的重要因素, 生物量越大, 富集效率越高, 越適合污染土壤的植物修復(fù)。

實驗還發(fā)現(xiàn), Cd的含量測定結(jié)果中轉(zhuǎn)移系數(shù)大于1的物種有野薔薇、馬尾松和五節(jié)芒。轉(zhuǎn)移系數(shù)是否大于1是Brook等對重金屬超富集植物的定義的標準之一, 有學(xué)者根據(jù)實際情況建議降低Cd超富集植物定義中對Cd含量的界定[24]。因此這三種植物可以在Cd污染的植物修復(fù)中給與考慮。另外, 本研究中對Zn的轉(zhuǎn)移系數(shù)大于1的植物有薔薇科、殼斗科、松科和木犀科, 沒有禾本科植物, 這個與聶亞平等總結(jié)的常見Zn超富集植物中沒有禾本科[25]的結(jié)論是一致的, 這兩個研究結(jié)果對于Cd、Zn污染土壤的植物修復(fù)研究有參考意義。

本研究地土著植物雀稗對銅的富集系數(shù)到達16.07, 轉(zhuǎn)移系數(shù)大于的1的兩種植物雀稗和白茅都是禾本科, 其中雀稗地上部分銅含量最大值達1058.12 mg·kg–1, 在銅脅迫實驗中也表現(xiàn)出了雀稗對銅離子有較強的耐受性。目前發(fā)現(xiàn)的銅超積累植物有37種[26], 研究得較詳細的有海州香薷(), 其超積累效果也較好, 但生物量較小是其最大的缺點。鴨跖草()[27], 鴨跖草作為一種喜濕的草本植物, 并不適合在礦區(qū)干燥貧瘠的土壤上生長, 而且與海州香薷一樣, 它的生物量也較少[28]。本研究發(fā)現(xiàn)的自然定居植物雀稗在其他地點進行的銅污染修復(fù)種可以作為備選物種, 因為不同生態(tài)型的同類植物對同種重金屬的耐性和積累特性表現(xiàn)不一, 比如不同地區(qū)的鎘超富集植物龍葵植株體內(nèi)的鎘含量差異很大[29]。

在污染地進行優(yōu)勢植物調(diào)查的眾多研究中出現(xiàn)了一些規(guī)律, 比如空間上超積累植物一般只生長在礦山區(qū)、成礦作用帶或由富含某些化學(xué)元素的巖石風(fēng)化而成的地表土壤上, 構(gòu)成生態(tài)學(xué)島嶼, 且是不均勻分布的[26], 因此在礦山區(qū)對本地優(yōu)勢植物進行分析是礦區(qū)進行植物修復(fù)很重要的一步, 篩選超富集植物, 建立網(wǎng)上數(shù)據(jù)庫實驗資源共享是未來研究的一個方向[30]。本研究的分析結(jié)果適用于在本研究地開展的植物修復(fù), 對于其他地點同類環(huán)境下開展的污染土壤植物修復(fù)具有參考意義, 尤其關(guān)注和利用土著禾本科植物在植物修復(fù)工作中有很好的現(xiàn)實意義。

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Heavy metal tolerance characteristics of several dominant species in coal mine wasteland of Karst mountain

LONG Jian1,*, RAN Haiyan2

1. Buckwheat Industrial Technology Research Center, Guizhou Normal University, Guiyang 550001, China 2. Plant Protection Institute, Guizhou Academy of Agricultural Sciences, Guiyang 550006, China

A field survey was carried out on the abandoned land of Maiping coal mine wasteland in Huaxi district, Guiyang city，by sampling the dominant species and soil and determining the content of As, Cd, Cu, Hg, Pb and Zn. It was found that the content of Cu in the dominant speciesKunth ex Steud. reached to 1058.12 mg·kg-1.The transfer coefficient was 2.89 and enrichment coefficient was 16.07.Effects of copper ion stress on chlorophyll and root activity inKunth ex Steud. were studied. Root activity decreased gradually with the experiment. The reduction amount of TTC reached the lowest value at the fourth week after the experiment with copper ion concentration of 500 g·mL-1was carried out.The chlorophyll concentration decreased slowly with the increase of copper ion concentration.It was further confirmed thatKunth ex Steud. was tolerant to copper ion as a native species.

coal mine wasteland; dominant species; heavy metal tolerance

10.14108/j.cnki.1008-8873.2019.02.028

X53

A

1008-8873(2019)02-212-07

2018-08-03;

2019-01-18

重金屬污染土壤的修復(fù)技術(shù)研究(黔教科2011028號)

龍健(1979—), 女, 貴州貴陽人, 碩士, 副教授, 主要從事環(huán)境生態(tài)學(xué)研究, E-mail: 123714701@qq.com

龍健, 女, 碩士, 副教授, 主要從事環(huán)境生態(tài)學(xué)研究, E-mail: 123714701@qq.com

龍健, 冉海燕. 喀斯特山地煤礦廢棄地幾種優(yōu)勢植物的重金屬耐性特征[J]. 生態(tài)科學(xué), 2019, 38(2): 212-218.

LONG Jian, RAN Haiyan. Heavy metal tolerance characteristics of several dominant species in coal mine wasteland of Karst mountain[J]. Ecological Science, 2019, 38(2): 212-218.