崔世展，謝 佳，繆德仁

(1．昆明學(xué)院 農(nóng)學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，云南 昆明 650214；2．昆明學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，云南 昆明 650214)

土壤作為人類(lèi)賴(lài)以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，與當(dāng)今人類(lèi)面臨的糧食安全、資源和環(huán)境等許多問(wèn)題密切相關(guān)[1]．我國(guó)可利用的土地資源極其匱乏，而采礦活動(dòng)產(chǎn)生的尾礦不僅占用了大量的土地資源，而且還帶來(lái)嚴(yán)重的環(huán)境污染[2-3]．因此，近年來(lái)人們對(duì)礦區(qū)土壤重金屬污染修復(fù)的關(guān)注力度越來(lái)越大[4]．目前，土壤重金屬污染修復(fù)技術(shù)主要為物理、化學(xué)等修復(fù)技術(shù)．然而，這些方法雖然對(duì)重金屬和放射性物質(zhì)污染的修復(fù)效率高，但是仍不能解決大面積土壤環(huán)境污染的根本問(wèn)題[5]．而植物修復(fù)技術(shù)與傳統(tǒng)修復(fù)方法相比較，具有修復(fù)成本低、對(duì)環(huán)境干擾少、環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，該方法為土壤重金屬污染治理提供了一種新途徑．

研究區(qū)域位于云南省臨滄市臨翔區(qū)博尚鎮(zhèn)，該區(qū)域處于多金屬礦產(chǎn)資源帶，礦產(chǎn)資源豐富，但是礦山開(kāi)采往往會(huì)造成多金屬?gòu)?fù)合重金屬污染土壤的現(xiàn)象，加之雨水沖刷以及人類(lèi)活動(dòng)的影響，大大提高了重金屬擴(kuò)散的風(fēng)險(xiǎn)．考慮研究區(qū)域道路交通不便，且受到重金屬污染威脅的土壤面積規(guī)模較小，采用植物修復(fù)技術(shù)的方式更加合理．但由于礦山重金屬污染主要是多種重金屬元素引起的復(fù)合污染，植物的生長(zhǎng)及其在工程中的應(yīng)用受到極大限制[6]．因此，植物修復(fù)技術(shù)的關(guān)鍵是篩選出具有同時(shí)累積多種重金屬的植物．基于此，本研究選取云南省臨滄市臨翔區(qū)具有代表性的煤礦區(qū)為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)該區(qū)域內(nèi)的優(yōu)勢(shì)植物和土壤進(jìn)行采樣分析，探討土壤重金屬污染的狀況以及優(yōu)勢(shì)植物對(duì)重金屬的吸收和積累特征，篩選出適宜該礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)植被，以期為植物修復(fù)技術(shù)在礦山重金屬污染治理中的應(yīng)用提供理論依據(jù)．

1 材料與方法

1.1 樣品的采集與制備

按照隨機(jī)取樣法采集煤礦區(qū)內(nèi)多個(gè)點(diǎn)位的表土，然后將其混勻備用．同時(shí)在研究區(qū)域內(nèi)調(diào)查植物的種類(lèi)和生長(zhǎng)狀況，選取生長(zhǎng)量大的植物為研究區(qū)域中的代表性?xún)?yōu)勢(shì)植物，共選取9種優(yōu)勢(shì)植物(表1)，每種植物采集3～6株，并收集植物根際土壤備用．所采集的土壤樣品去除植物殘根和大顆粒石子后，經(jīng)風(fēng)干、研磨并全部通過(guò)100目尼龍孔篩，存放于密封袋，并置于干燥器中備用．植物樣品沖洗干凈，分地上、地下部分晾干后轉(zhuǎn)移至烘箱內(nèi)殺青(100 ℃)，研磨過(guò)60目尼龍孔篩后封裝、貼標(biāo)、備用．

表1 9種優(yōu)勢(shì)植物

1.2 重金屬元素的測(cè)定

土壤樣品和植物樣品采用微波消解儀消解，其中土壤樣品采用HNO3-HF-HClO4(m(HNO3)∶m(HF)∶m(HClO4)=5∶2∶2)消解，植物樣品采用m(HNO3)∶m(HClO4)=8∶2 消解.并采用ICP-OES(Thermo，iCAP 6300)法對(duì)消解液中各重金屬元素含量進(jìn)行測(cè)定[7]．每一樣品均設(shè)置3次平行試驗(yàn)與空白對(duì)照，最終結(jié)果表示為平均值．若無(wú)特別說(shuō)明，本研究所采用的試劑均為優(yōu)級(jí)純，水為超純水．

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤中重金屬元素的含量分布

采用微波消解-ICP-OES法對(duì)土壤中的As，Cd，Cr，Cu，Pb和Zn的含量進(jìn)行測(cè)定，并將結(jié)果列于表2之中．

重金屬元素含量分析結(jié)果表明，尾礦區(qū)土壤中As和Cd兩種重金屬離子的含量均超過(guò)我國(guó)《土壤環(huán)境質(zhì)量-農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》[8]規(guī)定的農(nóng)用土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值的閾值(40.0 mg/kg 和0.3 mg/kg)，因此要求修復(fù)植物能夠同時(shí)對(duì)As和Cd具有富集能力．另外，雖然尾礦區(qū)中As的含量未超出該標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的農(nóng)用土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管制值的閾值，但Cd的含量則顯著高于土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管制值的閾值(1.5 mg/kg)．顯然，該尾礦區(qū)的土壤已失去了基本的生產(chǎn)能力，原則上應(yīng)當(dāng)采取禁止種植食用農(nóng)產(chǎn)品、退耕還林等嚴(yán)格管控措施．

表2 土壤中重金屬元素的含量

通過(guò)對(duì)比優(yōu)勢(shì)植物根際土壤的重金屬含量可以看出，榿木根際土壤中As，Cr和Zn的含量高于尾礦區(qū)表土2倍以上；積雪草根際土壤中As的含量也高于尾礦區(qū)表土的2倍以上；蜈蚣蕨根際土壤中的As和Cd含量大都明顯高于其他植物根際土壤，說(shuō)明蜈蚣蕨的根系可能對(duì)As和Cd同時(shí)具有富集效果．

2.2 植物重金屬元素的含量分布

采用微波消解-ICP-OES法分別對(duì)植物樣品的地上與地下部位進(jìn)行重金屬測(cè)定，并通過(guò)對(duì)比不同部位中重金屬的含量，可以體現(xiàn)植物從根部向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)重金屬的能力．另外，通過(guò)測(cè)定結(jié)果對(duì)比，還可研究不同植物對(duì)重金屬的富集差異．植物不同部位中各重金屬元素的含量分析結(jié)果如表3所示.

表3 植物不同部位中重金屬元素的含量

通過(guò)對(duì)比可知，榿木對(duì)As的富集量不大，但地上部As的含量高于地下部4.5倍，并且在9種植物中最高，榿木的生物量很大，可作為該區(qū)域生態(tài)恢復(fù)植物的備選；積雪草對(duì)Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)能力最強(qiáng)，但富集能力弱，且生物量不大，難以應(yīng)用于植物修復(fù)工程中；伏地卷柏與黃毛草莓的地下部雖然對(duì)Pb和Zn的富集量較多，但只能表現(xiàn)出各自對(duì)相應(yīng)重金屬元素的耐性高，無(wú)法對(duì)污染場(chǎng)地進(jìn)行有效修復(fù)；蜈蚣蕨的地上、地下部對(duì)As和Cd的富集量遠(yuǎn)高于其他植物，分別為1 798.00，1 333.00 mg/kg 和39.69，29.55 mg/kg，地下部向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)超過(guò)了1，但是根據(jù)超累積植物的定義，需要植物體內(nèi)Cd的含量超過(guò) 100.0 mg/kg，該植物才能稱(chēng)為超累積植物．然而，有研究[9]表明，在砷含量高達(dá)1 500 mg/kg的土地上，鳳尾蕨屬植物、蜈蚣蕨地上部分富集砷的含量高達(dá) 22 630 mg/kg (超過(guò)干質(zhì)量的2%)，比土壤中的砷含量高10倍以上．因此，考慮本研究采集的植物樣本均為礦區(qū)野外的優(yōu)勢(shì)植物，土壤中重金屬的含量遠(yuǎn)低于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，所以植物對(duì)重金屬的富集量不能達(dá)到盆栽或室內(nèi)試驗(yàn)的效果．通過(guò)對(duì)9種優(yōu)勢(shì)植物進(jìn)行重金屬測(cè)定，發(fā)現(xiàn)9種優(yōu)勢(shì)植物對(duì)Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)效果最好，對(duì)Cr的轉(zhuǎn)運(yùn)能力最差．

2.3 植物樣品對(duì)重金屬的富集能力分析

為探討優(yōu)勢(shì)植物對(duì)土壤重金屬的富集情況，本研究采用富集系數(shù)(BCF)計(jì)算公式：BCF=(植體重金屬元素含量/土壤重金屬元素含量)[10-11]，對(duì)各重金屬元素在植物不同部位中的BCF進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果匯總于表4之中．

富集系數(shù)計(jì)算結(jié)果表明，蜈蚣蕨的地上部對(duì)As和Cd的富集能力最強(qiáng)，BCF分別為17.670和10.510，遠(yuǎn)高于同為鳳尾蕨科的另外兩種植物；對(duì)Cr富集效果最好的是蜈蚣蕨的地下部，BCF為2.005，說(shuō)明蜈蚣蕨對(duì)Cr具有較高的耐性；伏地卷柏的地下部對(duì)Cu與Pb富集能力最強(qiáng)，BCF分別為1.630和1.524，地上部對(duì)Zn富集效果最好，BCF為3.051，因此可以作為該區(qū)的生態(tài)恢復(fù)植物備用．

表4 重金屬元素在植物中的富集系數(shù)

在本研究中，蜈蚣蕨地上部與地下部中As和Cd的含量都遠(yuǎn)超于其他植物，盡管根據(jù)超累積植物的定義[12]，蜈蚣蕨尚不能稱(chēng)為Cd的“超累積植物”．但是，由于生長(zhǎng)環(huán)境和土壤中Cd的含量對(duì)蜈蚣蕨富集Cd的能力有著巨大影響，且與同科的鳳尾蕨和西南鳳尾蕨相比，蜈蚣蕨對(duì)As和Cd的富集效果十分突出．因此蜈蚣蕨在對(duì)As和Cd重金屬?gòu)?fù)合污染土壤的治理及礦山復(fù)墾方面依然具有較好的應(yīng)用前景．

3 結(jié)論

本研究對(duì)云南省臨滄市臨翔區(qū)某煤礦區(qū)的土壤及周邊優(yōu)勢(shì)植物中重金屬的含量和植物不同部位中各重金屬元素的富集系數(shù)進(jìn)行了分析和計(jì)算，可以得出如下結(jié)論：

1)礦區(qū)土壤中As和Cd的含量已超出我國(guó)農(nóng)用土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值的閾值，且Cd的含量已達(dá)1.68 mg/kg，超過(guò)了1.5 mg/kg的風(fēng)險(xiǎn)管制閾值，原則上該區(qū)域土壤應(yīng)禁止種植食用農(nóng)產(chǎn)品，并采取一定的措施來(lái)進(jìn)行管控與修復(fù)．

2)蜈蚣蕨中As和Cd兩種重金屬的含量遠(yuǎn)高于其他植物，但由于生長(zhǎng)環(huán)境因素影響，其體內(nèi)Cd的含量不足100 mg/kg，尚不能將其定義為超累積植物．后期可采取盆栽試驗(yàn)改變土壤pH值、增加土壤中有機(jī)質(zhì)來(lái)驗(yàn)證蜈蚣蕨對(duì)As和Cd復(fù)合污染重金屬的富集效果．

3)As和Cd在蜈蚣蕨地上部的BCF分別為17.670和10.510，遠(yuǎn)高于同科的鳳尾蕨與西南鳳尾蕨，且在尾礦區(qū)的長(zhǎng)勢(shì)良好，說(shuō)明其對(duì)As和Cd兩種重金屬同時(shí)具有富集效果．但是對(duì)于蜈蚣蕨富集兩種重金屬的相互作用機(jī)理仍需進(jìn)一步研究．