肖乃川 張云霞 宋 波,2# 朱亮亮 龐 瑞

(1.桂林理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.桂林理工大學(xué)巖溶地區(qū)水污染控制與用水安全保障協(xié)同創(chuàng)新中心，廣西 桂林 541004)

土壤是人類生存的基石[1-2]。近年來報道的有關(guān)糧食、環(huán)境與資源問題很多都與土壤污染密切相關(guān)。隨著工農(nóng)業(yè)的飛速發(fā)展，土壤重金屬污染已成為全球性的問題。改革開放后，廣東省經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)成為我國重要的工業(yè)基地。由于發(fā)展過程中缺乏合理利用資源和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的意識，目前廣東省土壤重金屬污染已經(jīng)相當(dāng)嚴(yán)重[3]。據(jù)有關(guān)報道顯示，珠江河口周邊約1萬km2范圍內(nèi)，受到人為原因?qū)е碌挠泻χ亟饘傥廴就寥婪秶鷱V且重金屬含量高，鎘、銅、鎳和鉛等重金屬污染土壤面積達(dá)到5 500 km2，污染深度達(dá)40 cm[4]。另有研究顯示，在珠三角地區(qū)城市農(nóng)用土壤中，銅、鉛、鋅和鎘的平均含量都超過了廣東省土壤背景值和全國土壤背景值[5]。廣東省的蔬果、稻米中鎘、鉛、鋅和銅等存在不同程度的超標(biāo)[6]。由此可見，廣東省土壤中重金屬鎘、銅、鎳、鉛和鋅等重金屬的污染已經(jīng)對農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全及人類健康構(gòu)成了潛在威脅。

植物修復(fù)技術(shù)具有效果好、無二次污染等優(yōu)點[7-8]，已成為當(dāng)今土壤修復(fù)研究者關(guān)注的熱點[9-10]。目前，國內(nèi)外已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的重金屬富集植物超過400種，但有許多植物由于生物量小或具有地方特異性等問題，在工程應(yīng)用上受到很大限制，因此重金屬污染土壤的植物修復(fù)技術(shù)難點在于篩選生物量大、富集能力強(qiáng)并且能夠適應(yīng)修復(fù)地區(qū)氣候條件的重金屬富集植物[11]。礦區(qū)生長的植物是在長期的重金屬自然選擇中留存下來的，對重金屬有較好的耐受性，因此在礦區(qū)尋找重金屬富集植物不失為一個有效途徑[12]。

鉛鋅礦是我國的優(yōu)勢礦種之一。僅廣東省內(nèi)鉛鋅礦區(qū)就達(dá)100個，合計礦石儲量達(dá)到1 077萬t，其中開采規(guī)模大、歷史久的典型鉛鋅礦區(qū)就有4個，分別是連南縣雞麻坑礦區(qū)[13]、連南縣坪頭嶺礦區(qū)[14]、仁化縣凡口礦區(qū)[15]、陽山縣鐵屎坪礦區(qū)[16]，都是礦石儲量大、鉛和鋅品位高且都富含鎘的礦區(qū)，同時銅和鎳的含量也較高。

因此，在這些典型的富鎘鉛鋅礦區(qū)調(diào)查優(yōu)勢植物，篩選出適宜廣東省自然環(huán)境條件、重金屬耐受性強(qiáng)且生物量大的植物物種，以期找到可以用于廣東省重金屬土壤植物修復(fù)的植物，對廣東省土壤重金屬污染治理和生態(tài)修復(fù)研究具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 樣品的采集與分析

在4個典型富鎘鉛鋅礦區(qū)，采集生長良好且生物量大的優(yōu)勢植物完整植株，同時采集表層土壤。植物與土壤樣品各采得75個，其中雞麻坑礦區(qū)各18個，坪頭嶺礦區(qū)各14個，凡口礦區(qū)各17個，鐵屎坪礦區(qū)各26個。采集到共41種優(yōu)勢植物品種(見表1)。

表1 優(yōu)勢植物品種Table 1 Dominant plant species

植物樣品帶回實驗室后將地上部和地下部分開，分別用自來水沖洗干凈，然后用去離子水沖洗3遍，自然晾干后于70 ℃下烘干至恒重，粉碎，備用；土壤樣品剔除動植物殘骸、石塊等雜物后，置于室內(nèi)自然風(fēng)干，研磨過100目篩后備用。

土壤樣品和植物樣品分別采用美國環(huán)境保護(hù)署(USEPA)《Acid digestion of sediments,sludges and soils》(Method 3050B)推薦的HNO3-H2O2體系和HNO3-HClO4體系進(jìn)行消解后，使用石墨爐原子吸收分光光度計(AA-700型)測定鎘含量，使用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(5300DV型)測定銅、鉛、鋅、鎳含量。在分析樣品時做了15%的平行樣，并分析了空白樣品、國家標(biāo)準(zhǔn)土壤樣品(GSS-4、GFS-4)、國家標(biāo)準(zhǔn)植物樣品(GSV-1)，各樣品測得含量減去空白樣品測得含量即為樣品真實含量，平行樣品間相對標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于5%，標(biāo)準(zhǔn)樣品的各重金屬回收率符合質(zhì)量控制要求[17]。

超富集植物地上部重金屬質(zhì)量濃度需達(dá)到臨界值(鎘100 mg/kg，銅、鎳、鉛1 000 mg/kg，鋅10 000 mg/kg)[18]。在實際的工程應(yīng)用中，要求并不需要這么嚴(yán)苛。本研究中，地上部重金屬含量達(dá)到臨界值一半及以上或超過正常植物重金屬質(zhì)量濃度(鎘3.0 mg/kg、銅45.8 mg/kg、鎳5.0 mg/kg、鉛41.7 mg/kg、鋅160.0 mg/kg)[19]兩倍的植物，便被認(rèn)為已具備良好的修復(fù)潛力[20-21]，定義為富集植物。

1.2 數(shù)據(jù)處理

通過計算植物地上部重金屬含量與對應(yīng)土壤中重金屬含量之比得到富集系數(shù)(BCF)，用來表征植物從土壤吸收重金屬的能力[22]；通過計算植物地上部重金屬含量與地下部重金屬含量之比得到轉(zhuǎn)運系數(shù)(TF)，用來表征植物從地下部向地上部運輸重金屬的能力[23]，TF越大，說明植物從地下部向地上部運輸重金屬的能力越強(qiáng)[24]。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤重金屬含量

土壤重金屬質(zhì)量濃度見表2。土壤中鎘、銅、鎳、鉛和鋅質(zhì)量濃度分別為0.10～323.80、23.23～2 449.00、2.04～56.54、61.75～18 230.00、68.17～23 834.00 mg/kg，平均值分別是廣東省土壤背景值[25]的1 345、39、2、134、85倍，選擇這樣的土壤篩選優(yōu)勢植物作為重金屬富集植物具有合理性。

表2 土壤重金屬質(zhì)量濃度Table 2 Heavy metals concentrations in soils mg/kg

2.2 優(yōu)勢植物地上部重金屬含量

考慮到植物中重金屬含量受土壤中重金屬含量影響，若采用平均值表征植物地上部重金屬含量可能會低估植物對重金屬的富集能力，因此植物地上部重金屬含量采用最大值表征，結(jié)果見表3。鎘質(zhì)量濃度最高的植物為藿香薊，達(dá)到77.02 mg/kg，已經(jīng)接近鎘超富集植物地上部質(zhì)量濃度臨界值100 mg/kg，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過正常植物鎘質(zhì)量濃度3.0 mg/kg的兩倍，無疑可以認(rèn)為藿香薊為鎘富集植物；鉛質(zhì)量濃度最高的植物為粗葉懸鉤子，達(dá)到336.90 mg/kg，雖然沒有達(dá)到或接近鉛超富集植物地上部質(zhì)量濃度臨界值，但已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了正常植物鉛質(zhì)量濃度的兩倍，表明粗葉懸鉤子是鉛富集植物；鋅質(zhì)量濃度最高的植物也是藿香薊，達(dá)到769.80 mg/kg，是正常植物鋅質(zhì)量濃度的4.81倍，也可以認(rèn)定藿香薊為鋅富集植物；4個典型礦區(qū)中未篩選到銅和鎳的富集植物。

表3 植物地上部重金屬質(zhì)量濃度Table 3 Heavy metals mass concenterations in up-ground part of the plants mg/kg

2.3 優(yōu)勢植物對重金屬的轉(zhuǎn)運特征

41種優(yōu)勢植物對5種重金屬的TF見表4。對鎘的TF大于1的優(yōu)勢植物較多，其中轉(zhuǎn)運能力最強(qiáng)的5種優(yōu)勢植物依次是蟛蜞菊、藿香薊、艾納香、鬼針草、豚草，其TF分別為4.94、2.92、2.46、2.46、2.39；對銅的TF大于1的優(yōu)勢植物也不少，其中轉(zhuǎn)運能力最強(qiáng)的5種優(yōu)勢植物依次是廣東蛇葡萄、綠葉地錦、土牛膝、黃瓜菜、豚草，其TF分別為1.85、1.66、1.62、1.53、1.46；對鎳的TF大于1的優(yōu)勢植物有8種，其中轉(zhuǎn)運能力最強(qiáng)的5種優(yōu)勢植物依次是野生紫蘇、土牛膝、綠葉地錦、糯米團(tuán)、廣防風(fēng)，其TF分別為2.51、1.87、1.78、1.39、1.38；對鉛的TF大于1的優(yōu)勢植物只有蟛蜞菊和苧麻，其TF分別為5.39、2.90；對鋅的TF大于1的優(yōu)勢植物有11種，其中轉(zhuǎn)運能力最強(qiáng)的5種優(yōu)勢植物依次是蟛蜞菊、苧麻、豚草、野生紫蘇、土牛膝，其TF分別為7.84、2.13、2.13、2.00、1.61。其中，蟛蜞菊、苧麻、豚草、野生紫蘇、土牛膝、東風(fēng)草、野艾蒿、黃瓜菜、綠葉地錦等對不止1種重金屬的TF大于1，這些植物表現(xiàn)出較強(qiáng)的向地上部轉(zhuǎn)運重金屬的能力，都可以根據(jù)需要作為廣東省重金屬污染土壤植物修復(fù)的備選物種。

表4 優(yōu)勢植物對重金屬的TFTable 4 TF of dominant plants for heavy metals

3 討 論

由于鎘富集植物最多，并且BCF也是評價植物富集能力的一個重要參數(shù)[26]，因此進(jìn)一步以41種優(yōu)勢植物地上部鎘質(zhì)量濃度與超富集植物鎘質(zhì)量濃度臨界值之比、BCF、TF為參數(shù)進(jìn)行聚類分析，結(jié)果見圖1。41種優(yōu)勢植物可以分為5類：蟛蜞菊自成一類；藿香薊和艾納香為一類，它們對鎘的BCF分別為1.53、1.81，它們對鎘的TF分別為2.92、2.46，其中藿香薊地上部鎘質(zhì)量濃度高達(dá)77.02 mg/kg，這類植物對鎘有很強(qiáng)的富集和轉(zhuǎn)運能力；鬼針草、豚草也為一類，它們對鎘的BCF分別為0.48、0.43，它們對鎘的TF分別為2.46、2.39，這類植物對鎘的富集能力不強(qiáng)，但向地上部轉(zhuǎn)運的能力較強(qiáng)；野茼蒿也自成一類，具有潛在的鎘富集能力；其他植物歸為另一類。

圖1 聚類分析結(jié)果Fig.1 Result of cluster analysis

按照雷梅等[27]對重金屬耐性植物的分類，藿香薊和野茼蒿是鎘的富集型植物；矛葉藎草和節(jié)節(jié)草是5種重金屬的囤積型植物，寸金草是鎘、鋅的根部囤積型植物；葛、漆樹是5種重金屬的規(guī)避型植物。一般而言，富集型植物相比其他兩類植物對重金屬的耐性更強(qiáng)，可以在礦區(qū)復(fù)墾時作為先鋒植物種植，而在礦區(qū)附近的居民生活區(qū)應(yīng)主要種植根部囤積型和規(guī)避型植物。

藿香薊是典型的鎘富集植物。張云霞等[28]的研究也顯示，鎘污染農(nóng)田中生長的藿香薊鎘質(zhì)量濃度均值達(dá)到21.13 mg/kg，BCF達(dá)到6.93，使用藿香薊修復(fù)鎘污染土壤，鎘的去除率為13.2%～15.6%。

重金屬污染土壤的植物修復(fù)材料選擇，除了考慮較強(qiáng)的富集能力和轉(zhuǎn)運能力以及地上部重金屬含量外，能否適應(yīng)修復(fù)地氣候環(huán)境、生長是否迅速、生物量大小等也是需要考慮的因素[29]。藿香薊是一種根系發(fā)達(dá)、性喜溫暖濕潤環(huán)境、對土壤質(zhì)地要求不嚴(yán)的植物，在海拔低于2 800 m的地區(qū)都有分布。廣東省屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，夏季高溫多雨、冬季溫和少雨，熱量高，雨量大，且多丘陵地帶，海拔為200～800 m，符合藿香薊的生長需求。在本次調(diào)查中，采集到的藿香薊樣品數(shù)為6，每株干質(zhì)量為16.35 g，相比其他鎘富集植物，如東南景天(每株鮮質(zhì)量均值3.0 g)[30]和印度芥菜(每株鮮質(zhì)量均值8.1 g)[31]等生物量大得多。由此可見，在廣東省使用藿香薊修復(fù)富鎘污染土壤具有很好的工程應(yīng)用前景。

4 結(jié) 論

在廣東省的4個典型富鎘鉛鋅礦區(qū)，土壤中鎘、銅、鎳、鉛和鋅質(zhì)量濃度分別為0.10～323.80、23.23～2 449.00、2.04～56.54、61.75～18 230.00、68.17～23 834.00 mg/kg，平均值分別是廣東省土壤背景值的1 345、39、2、134、85倍；采集到的41種優(yōu)勢植物中，藿香薊可以作為鎘和鋅的富集植物，粗葉懸鉤子可以作為鉛的富集植物，特別是藿香薊生物量大，而且適應(yīng)當(dāng)?shù)氐淖匀画h(huán)境條件，對于修復(fù)廣東省的富鎘污染土壤具有較好的工程應(yīng)用前景。此外，蟛蜞菊、苧麻、豚草、野生紫蘇、土牛膝、東風(fēng)草、野艾蒿、黃瓜菜、綠葉地錦等對不止1種重金屬的TF大于1，表現(xiàn)出較強(qiáng)的向地上部轉(zhuǎn)運重金屬的能力，都可以根據(jù)需要作為廣東省重金屬污染土壤植物修復(fù)的備選物種。