羅 洋, 劉 方, 任 軍, 朱 健, 羅緒強

(1.貴州大學 資源與環(huán)境工程學院, 貴州 貴陽 550025; 2.貴州師范學院 地理與資源學院, 貴州 貴陽 550018)

由于技術和設備落后、礦石品位低和管理不善等原因，在錳礦的開采和加工過程中產生了大量的廢渣[1]。錳渣大多采取露天堆積方式，其中仍殘留一定數(shù)量的Mn，在雨水淋溶、風力搬運等作用下進入周圍環(huán)境介質中造成污染[2-3]。黃小娟等[4]的研究結果表明，重慶溶溪錳礦尾渣堆積區(qū)土壤受到Mn的嚴重污染，其平均含量達48 382.5 mg/kg；楊勝香等[5]以花垣礦區(qū)4個錳礦點為現(xiàn)場，采用污染指數(shù)法對礦區(qū)土壤污染狀況進行了評價，發(fā)現(xiàn)礦區(qū)土壤Mn含量較高，是湖南省土壤背景值的8.7倍；陳紅亮[6]的研究結果也證實電解錳渣在堆存過程中，Mn會不斷從渣中溶出進入周圍環(huán)境，對動植物生長和人類健康造成危害。因此，采取經濟有效的措施對錳渣堆場中的Mn進行治理是生態(tài)環(huán)境保護的一項基本任務，對當?shù)氐目沙掷m(xù)發(fā)展具有重要意義。

植物在生長過程中既可以通過吸收作用將重金屬元素轉運累積至地上部分，也可以通過根際效應改變土壤或沉積物中重金屬的化學形態(tài)，在重金屬元素的地球化學循環(huán)過程中扮演著重要角色[7]。優(yōu)勢植物是指在一定的地區(qū)，植物群落的各個層或層片中數(shù)量最多，蓋度最大，在群落中作用最為明顯的植物種[8]。錳渣堆場雖然存在著基質結構性差，養(yǎng)分缺乏，Mn含量仍然較高等限制條件，但由于長期的物理、化學和生物風化過程，加上自然選擇的作用，總有一些優(yōu)勢植物能夠適應這種特殊的環(huán)境而在堆場上生長[9]。

因此，對錳渣堆場內定居的優(yōu)勢植物Mn富集特征及作用機制進行調查研究，是在該區(qū)域開展Mn污染治理工作的前提。優(yōu)勢植物的類型以及對Mn的吸收特點因地理分布的不同而不同。目前，國內對于錳礦廢棄地植物修復的研究多集中于湖南、重慶和廣西等區(qū)域，研究內容主要是Mn脅迫下植物的生理響應、礦區(qū)植物種類調查和Mn超富集植物篩選等[10-12]，缺乏優(yōu)勢植物生長條件下其根際和非根際基質中Mn含量狀況的對比研究。

對礦區(qū)基質中Mn形態(tài)的探討也多以無機酸、中性鹽和DTPA等單一提取或傳統(tǒng)的連續(xù)提取法為主，采用模擬植物根系分泌的低分子量有機酸為提取劑的研究鮮見報道。貴州省東部地區(qū)錳礦資源豐富，約占全國錳礦資源的50%，錳產業(yè)主要以錳礦開采，錳粉加工和電解金屬錳為主[13]。該區(qū)域已有的研究包括礦區(qū)廢棄地Mn含量調查與風險評價、錳渣中Mn的溶出規(guī)律與改良劑篩選以及錳渣毒性效應等方面[14-16]，缺乏植物生長對堆場內Mn遷移的調控效應及作用機理的相關研究。因此，本研究選取貴州省東部地區(qū)的松桃縣孟溪錳礦采選渣堆場和鎮(zhèn)遠縣青溪電解錳渣堆場上自然生長的優(yōu)勢植物作為研究對象，對植株的Mn含量和基質Mn含量進行了測定。在此基礎上，以檸檬酸、蘋果酸和草酸等作為提取劑對Mn形態(tài)進行分析，探討植物根系分泌物對基質中Mn有效性的影響，旨在為該區(qū)域錳渣堆場的生態(tài)修復提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

貴州省東部地區(qū)屬中亞熱帶季風氣候，年均氣溫在14～19 ℃之間，雨季明顯，降水較多，年降雨量在1 000～1 600 mm，日照年均約1 200 h，無霜期長，為260～220 d；地貌以低山、丘陵為主。該區(qū)礦產資源豐富，主要有錳、磷、汞、鉛、石煤等，其中以錳礦得天獨厚，是我國三大錳礦基地之一。調查的采選渣堆放區(qū)(錳礦石開采過程中留下的殘渣)位于貴州省松桃縣孟溪鎮(zhèn)，廢渣堆放年限大約3～10 a；電解錳渣堆放區(qū)(錳礦冶煉過程中在碳酸錳礦粉中加入硫酸溶液后電解錳生產的濾渣)位于貴州省鎮(zhèn)遠縣青溪鎮(zhèn)，堆放時間大概為10～15 a。

1.2 樣品采集與預處理

(1) 植物樣品。課題組于2020年7月對貴州省東部地區(qū)的孟溪和青溪錳渣堆場生長的野生植物進行了調查。孟溪錳礦采選渣堆場內自然定居的植物較少，覆蓋度為20%左右，全部為草本植物，主要物種有狗牙根(Cynodondactylon)、五節(jié)芒(Miscanthusfloridulu)、白三葉(Trifoliumrepens)、一年蓬(Erigeronannuns)和繁縷(Stellariamedia)，其中優(yōu)勢種為五節(jié)芒和一年蓬；青溪電解錳渣堆場內自然定居的植物相對較多，覆蓋度為60%左右，主要物種有草本植物狗牙根、夏枯草(Prunellavulgaris)、五節(jié)芒、蒲兒根(Sinoseneciooldhamianus)、一年蓬、野艾蒿(Artemisialavandulifolia)、看麥娘(Alopecurusaequalis)和灌木植物醉魚草(Buddlejalindleyana)，其中優(yōu)勢種分別是五節(jié)芒、一年蓬和醉魚草。在每個堆場內根據與錳渣堆距離的遠近分別設置3個樣點，每個樣點選取6～8株上述優(yōu)勢種植物，用聚乙烯塑料袋封裝后帶回實驗室。根據植物特征，將五節(jié)芒分為根、莖和葉3部分，將一年蓬和醉魚草分為根、莖、枝、葉和花5部分。先用自來水沖洗干凈后，再用去離子水清洗3次，待植物表面水分風干后，于105 ℃殺青30 min，然后在60 ℃烘箱中烘至恒重，粉碎后過60目篩裝袋備用。

(2) 基質樣品。參考文獻[17—18]方法，收集0—30 cm厚度層次中根表面5 mm以內的生長基質進行混合，獲得根際樣品；在相同區(qū)域采集距離根表面 10 cm以外的基質混合，即非根際樣品。將采集的基質密封后帶回室內自然風干，剔除雜物后磨碎過147 μm尼龍篩，裝袋備用。

1.3 測定指標與方法

1.3.1 重金屬全量 準確稱取廢渣基質樣品0.15～0.30 g(精確到0.000 1 g)，在HNO3-HCL-HF-H2O2體系(體積比為3∶1∶1∶1) 下，按120 ℃(7 min)-150 ℃(9 min)-190 ℃(25 min)程序進行微波消解至液體透明澄清[19]；準確稱取植物樣品0.1～0.3 g(精確到0.000 1 g)，采用HNO3-H2O2消解體系(體積比為5∶2)，按120 ℃(20 min)-160 ℃(20 min)-190 ℃(40 min)程序進行微波消解至液體透明澄清[20]。消解溶液經轉移、定容、過濾等程序后，Mn元素采用火焰原子吸收光譜儀(novAA 350)測定，其他重金屬元素采用電感耦合等離子質譜儀(ICP-MS)測定。在所有的樣品處理過程中，利用標準物質(土壤為GSS系列，植物為GSV系列)、平行樣、空白對照等進行質量控制試驗，所用試劑均為優(yōu)級純。

1.3.2 轉移系數(shù)和富集系數(shù) 植株地上部重金屬含量=(莖干重×莖中重金屬含量+枝干重×枝中重金屬含量+葉干重×葉中重金屬含量+花干重×花中重金屬含量)/(莖干重+枝干重+葉干重+花干重)；生物富集系數(shù)(BCF)=植物各器官重金屬含量/土壤中重金屬含量；轉移系數(shù)(BTF)=植物地上部分重金屬含量/植物根部平均重金屬含量。

1.3.3 Mn形態(tài) 參考盧豪良等[21]的方法，采用檸檬酸、蘋果酸、草酸以及這3種酸的混合液(體積比為1∶1∶1)模擬植物根系分泌低分子量有機酸作為基質可交換態(tài)Mn的提取劑，以歐共體標準物質局(BCR)對重金屬的連續(xù)提取法作為參照，即0.5 g基質中分別加入20 ml 0.11 mol/L的上述有機酸，22 ℃條件下連續(xù)振蕩16 h，離心(3 000 r/min)。上清液過0.45 μm濾膜后用火焰原子吸收光譜儀(novAA 350)測定其中的Mn，同時設置空白對照。

1.4 數(shù)據處理與分析

用Excel 2007進行數(shù)據的處理分析，相關指標數(shù)據以平均值表示，運用SPSS 26對植株Mn含量和基質Mn含量進行相關分析和顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 優(yōu)勢植物對Mn的吸收及分布特點

對兩個堆場內優(yōu)勢植物各器官中的Mn及其他重金屬含量進行了測定，結果詳見表1。植物體Mn含量介于34.47～680.70 mg/kg，其中孟溪堆場的五節(jié)芒和一年蓬根部、青溪堆場的醉魚草根部Mn濃度超過了一般植物的正常含量水平上限(400 mg/kg)[22]。植物體內其他重金屬元素含量大小順序為：Zn>Cu>Pb>Cd，均在植物正常含量范圍內(Pb 0.1～41.7 mg/kg，Zn 1～160 mg/kg，Cu 0.4～45.8 mg/kg，Cd 0.2～0.8 mg/kg)[23-24]。從分布來看，Mn在一年蓬、五節(jié)芒和醉魚草各器官中的含量均為：根>葉>莖或枝，除五節(jié)芒各部位Mn含量均超過100 mg/kg以外，其余植物體內Mn的累積波動較大。在調查期內一年蓬已大量開花，其Mn含量僅次于根部。此外，研究還發(fā)現(xiàn)調查區(qū)內一年蓬和五節(jié)芒對Cu的分布與Mn相似，以根部吸收為主，醉魚草對Pb，Zn和Cu等元素主要以地上部吸收為主，說明Mn和其他重金屬元素在植物體內的分布主要受植物類型的影響。

表1 錳渣堆場優(yōu)勢植物各器官重金屬含量

2.2 植物根際效應對基質Mn有效性的影響

由表2可知，調查區(qū)內基質中重金屬平均含量從大到小順序依次為：Mn>Zn>Cu>Pb>Cd。其中Mn在松桃孟溪錳渣堆場基質中含量為68 149.50～75 115.58 mg/kg，是貴州省背景值的85.83～94.60倍，在青溪電解錳渣堆場基質中含量在20 217.14～38 045.75 mg/kg之間，是貴州省土壤背景值的25.46～47.92倍。土壤環(huán)境質量標準未對Mn元素作出規(guī)定，但有研究表明，土壤中Mn含量的適中標準為170～1 200 mg/kg[25]，則堆場內基質Mn含量是此適中標準上限值的16.85～62.60倍。因此調查區(qū)內Mn嚴重超標，是最主要的污染元素。此外，兩個采樣點基質中的Zn和Cu元素也高于貴州省土壤背景值，分別是其含量的1.39～3.17，1.01～2.39倍。在青溪錳渣堆場，還存在Pb局部超過背景值的現(xiàn)象。調查還發(fā)現(xiàn)調基質中Zn元素濃度的最大值分別是《農用地風險管控標準》管制值的1.05倍，其余元素含量均在規(guī)定值以下。從分布來看，一年蓬、五節(jié)芒和醉魚草根際基質中的Mn含量均低于非根際。除了青溪堆場的醉魚草(Pb)、一年蓬(Zn)和五節(jié)芒(Zn)生長區(qū)少部分元素外，其余重金屬元素在幾種優(yōu)勢植物對應生長基質中的分布均為：非根際>根際，說明在優(yōu)勢植物根系生長條件下，其根際基質中的Mn及其他重金屬元素含量與非根際相比總體上表現(xiàn)為下降趨勢。

表2 優(yōu)勢植物根際及非根際基質重金屬含量的變化

利用4種低分子量有機酸作為提取劑對錳渣堆場基質中Mn的有效性進行了分析，結果詳見表3。檸檬酸、蘋果酸、草酸和混合酸對孟溪堆場基質Mn的提取效率為分別26.39%～62.85%，39.03%～65.55%，25.72%～64.26%和42.04%～60.47%，表明單一有機酸在該采樣點優(yōu)勢植物生長區(qū)基質上的提取能力相差較大，而混合酸整體效率較高，變化范圍也較小。相比之下，青溪堆場基質中4種有機酸提取態(tài)Mn占總Mn含量的比例分別為39.79%～68.71%，26.12%～43.36%，41.57%～78.30%和45.26%～67.28%，除蘋果酸外，整體高于孟溪堆場，而蘋果酸對青溪堆場所有基質樣品中Mn的提取能力均為最弱，說明基質性質是影響該區(qū)域Mn形態(tài)的主要因素之一。從表3還可以看出，一年蓬和五節(jié)芒作為調查區(qū)共有的優(yōu)勢植物，其生長基質中低分子量有機酸提取態(tài)Mn的含量及比例在兩個采樣點有所不同。其中孟溪堆場一年蓬生長基質中Mn提取能力的大小順序為：檸檬酸>混合酸>蘋果酸>草酸，而青溪堆場一年蓬生長區(qū)提取能力大小則為：混合酸>草酸>檸檬酸>蘋果酸。五節(jié)芒生長基質Mn提取能力最弱的是混合酸和檸檬酸，最強的在孟溪是蘋果酸，在青溪則為草酸。從分布來看，一年蓬根際基質的檸檬酸和蘋果酸提取態(tài)Mn低于非根際，而草酸和混合酸提取態(tài)Mn則大于非根際基質；五節(jié)芒根際基質的4種低分子量有機酸提取態(tài)Mn占比均大于非根際基質；醉魚草根際基質的蘋果酸和混合酸提取態(tài)Mn百分比分別為39.65%和57.08%，大于非根際，而另外兩種酸提取態(tài)含量則低于非根際基質，各種酸在根際基質的提取能力大小順序為：混合酸>檸檬酸>草酸>蘋果酸，而非根際基質為：草酸>檸檬酸>混合酸>蘋果酸。綜上所述，在優(yōu)勢植物根系生長條件下Mn的有效性發(fā)生了變化，表現(xiàn)為根際基質中的低分子量有機酸提取態(tài)Mn所占比例普遍大于非根際基質。

表3 錳渣堆場土壤有機酸提取態(tài)Mn含量及比例

2.3 植株Mn的累積與基質Mn含量的關聯(lián)性

富集系數(shù)是反映植物吸收重金屬能力大小的重要評價指標，轉移系數(shù)是反映植物由地下部向地上部轉移重金屬能力大小的重要評價指標[28]。通過計算發(fā)現(xiàn)(表4)，錳渣堆場內幾種優(yōu)勢植物各器官中重金屬含量以Mn元素最高，但對Mn的吸收能力卻不強，其富集系數(shù)最高為0.031，最低僅有0.001，明顯低于Cd，Pb，Zn和Cu等元素。除了青溪堆場五節(jié)芒莖部和醉魚草莖部對Cd的富集系數(shù)分別1.091，2.300以外，幾種優(yōu)勢植物各器官對其他重金屬元素的富集系數(shù)都小于1。表4中的數(shù)據還顯示，調查區(qū)內優(yōu)勢植物對Mn的轉移系數(shù)都低于1，其中由根部轉移Mn到地上部能力最強的是醉魚草，轉移系數(shù)為0.62，最弱的是一年蓬，在兩個堆場的轉移系數(shù)分別只有0.08，0.23。除了五節(jié)芒對Cd、醉魚草對Cd，Pb，Zn和Cu外，優(yōu)勢植物對其他重金屬元素的遷移能力與Mn趨勢一致，轉移系數(shù)均小于1。

表4 優(yōu)勢植物對重金屬的富集系數(shù)和轉移系數(shù)

對4種優(yōu)勢植物各器官中的Mn含量與根際基質中的Mn含量進行相關性分析。由表5可知，植物根部Mn含量與基質中的總Mn和混合酸提取態(tài)Mn含量呈顯著正相關關系(p<0.05)，相關系數(shù)分別為0.908，0.819；植物根部Mn含量和基質中的檸檬酸提取態(tài)Mn的相關系數(shù)達0.969，為極顯著水平(p<0.01)，說明隨著基質Mn含量及形態(tài)的變化，植株根部的Mn含量也呈現(xiàn)相同趨勢的變化。此外，還發(fā)現(xiàn)植物莖和枝部Mn與基質中草酸提取態(tài)Mn也呈顯著正相關關系(p<0.05)。植物葉和花中Mn濃度雖然也較高，但是由于在不同類型植物(尤其是醉魚草)內分布波動較大，因此這兩部分Mn含量和基質中的Mn含量之間并沒有顯示出顯著的相關性。

表5 植物Mn與基質Mn含量的相關分析

3 討 論

3.1 優(yōu)勢植物對錳的累積特點

Mn是植物體的必需微量元素，但過量Mn會影響細胞代謝和礦質養(yǎng)分吸收，對植物造成極大損害[29]。唐文杰等[30]對廣西3錳個礦區(qū)20種主要優(yōu)勢植物組織重金屬含量進行了測定，發(fā)現(xiàn)植物體內各組織中重金屬含量大小順序趨勢為:Mn>Zn>Cr>Cu>Pb>Cd，其中商陸和油茶表現(xiàn)出很強的Mn累積特征。本研究也證實一年蓬、五節(jié)芒和醉魚草等生長在錳渣堆場內的優(yōu)勢植物各器官中的Mn濃度均高于Cd，Pb，Zn和Cu等其他重金屬，甚至在個別樣品中出現(xiàn)了超過一般植物Mn正常含量范圍的現(xiàn)象[31]。Mn在3種優(yōu)勢植物組織中的分布趨勢與其他重金屬基本一致，主要為:根>花>葉>枝>莖，說明植物根部對Mn的吸收能力相對較強，而被轉移到地上的部分主要集中在葉或花等組織上，莖、枝作為輸導組織并未有大量的Mn富集[32]。

雷梅等[33]將植物對重金屬的吸收機制分為富集型(accumulators)、根部囤積型(root compartments)和規(guī)避型(excluders)3類，其具體狀況和錳渣特性、植物種類以及自然地理環(huán)境等有關。李禮等[34]在對重慶秀山錳礦廢棄地進行植物調查時，發(fā)現(xiàn)優(yōu)勢植物對Mn的轉移系數(shù)達0.52～2.86，但富集系數(shù)只有0.008～0.025，屬于根部囤積型；余光輝等[35]對湘潭錳礦紅旗分礦開采區(qū)的研究表明，商陸的地上部分Mn含量達到1 564.5 mg/kg，屬于富集型。在本研究中，優(yōu)勢植物對Mn的富集系數(shù)只有0.001～0.027，對Mn的轉移系數(shù)也全部低于1，各器官中Mn含量離Mn超富集植物的標準(10 000 mg/kg)也相差甚遠，因此所調查的優(yōu)勢植物全部為Mn規(guī)避型植物，可通過自身的排斥機制，減少錳渣堆場Mn向植株體內的遷移和富集，降低Mn的毒害作用。在3種優(yōu)勢植物中，五節(jié)芒在兩個堆場均生長旺盛，具有根系發(fā)達、地上部生物量大、各部位Mn含量較高等特點，可作為堆場生態(tài)恢復的先鋒植物。

3.2 植物根際效應對基質中Mn的作用機制

對優(yōu)勢植物根際和非根際生長基質中的重金屬進行研究，既能反映堆場環(huán)境的污染狀況，又能揭示植物根系活動對基質中重金屬總量和有效性的影響。本次調查的兩個不同類型的錳渣堆場優(yōu)勢植物生長基質中重金屬含量均以Mn最高，遠超過貴州省土壤背景值和一般土壤適中范圍上限值，潛在生態(tài)危害較大，這與朱佳文等人[36]的研究一致。此外，Zn和Cu元素在調查區(qū)內也存在超過貴州省土壤背景值以及農用地風險管控篩選值的情況，具有一定污染風險。從分布來看，孟溪錳礦采選渣堆場基質的Mn含量要高于青溪電解錳渣堆場，可能是因為兩地的冶煉礦石類型、礦石品位、冶煉工藝、堆存時間和氣候條件等因素不同，導致廢渣中Mn的含量和遷移特征不同[37-38]。

同一堆場內，一年蓬、五節(jié)芒和醉魚草根際基質中的Mn和其他重金屬元素含量均低于非根際基質，其原因可歸結為兩點： ①植物的吸收作用。優(yōu)勢植物在生長過程中，各器官對Mn和其他重金屬均有一定的吸收作用，使植株根際基質中的重金屬遷移到根部或地上部，而凋落部分并未完全腐殖質化返回基質，因此造成了總量的減少； ②植物的根際效應改變了Mn的狀態(tài)，增加了其遷移速率。前人研究表明，植物根系分泌的有機酸等物質可通過低環(huán)境pH值、改變氧化還原電位和微生物狀態(tài)等途徑來對重金屬元素進行活化反應，使其移動性增加，導致根際土壤或基質中各類或者某一類重金屬含量得以下降[39-40]。表3的數(shù)據顯示，錳渣堆場的Mn形態(tài)在根際和非根際基質中存在差異。模擬植物根系分泌的低分子量有機酸對根際生長基質樣品的提取率整體上高于非根際基質，說明不同植物的根系在生長過程中通過根際效應活化了基質中的Mn[41-43]，促進了植物根部和地上部對Mn的富集，使根際基質Mn含量低于非根際基質。

本研究對貴州省東部地區(qū)兩個不同類型錳渣堆場內的優(yōu)勢植物和生長基質Mn含量進行了調查，初步分析了優(yōu)勢植物對Mn的富集特點及其作用機制。然而，在分析Mn形態(tài)時所采用的有機酸濃度為0.11 mol/L，和實際根際土壤溶液中的含量不一定匹配，也缺乏關于在優(yōu)勢植物不同生育期內堆場Mn的動態(tài)監(jiān)測及Mn耐性機制等問題的探討。因此，在今后研究中，還需要從植物根系分泌物測定、植物生長條件下堆場基質理化性質和微生物特性變化、植物生理、改良劑—植物聯(lián)合運用、植物群落修復模式等方面進一步開展工作，為錳渣堆場的污染治理和生態(tài)恢復提供依據。

4 結 論

(1) 錳渣堆場上生長的優(yōu)勢植物體內Mn含量在34.47～680.70 mg/kg之間，在一年蓬、五節(jié)芒和醉魚草各器官中的分布順序為：根>葉>莖或枝。

(2) 錳渣堆場優(yōu)勢植物生長基質中的總Mn含量在20 217.14～75 115.58 mg/kg之間，其分布主要表現(xiàn)為：根際基質>非根際基質；植物的根際效應提高了Mn的有效性，使根際基質中的低分子量有機酸提取態(tài)Mn百分比普遍高于非根際基質。

(3) 錳渣堆場優(yōu)勢植物對Mn的富集系數(shù)和轉移系數(shù)均小于1，為Mn規(guī)避型植物；優(yōu)勢植物各器官中，以根部Mn含量與生長基質中的總Mn含量以及檸檬酸提取態(tài)Mn含量相關性最高，分別達顯著和極顯著水平。