王 琳 周紅韻 徐曉航 蒲 帥 楊晨東 仇廣樂 錢曉莉#

(1.貴州大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,貴州 貴陽 550025;2.貴州大學(xué)喀斯特地質(zhì)資源與環(huán)境教育部重點(diǎn)實驗室,貴州 貴陽 550025;3.貴州理工學(xué)院建筑與城市規(guī)劃學(xué)院,貴州 貴陽 550003;4.中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所,貴州 貴陽 550081)

植物修復(fù)技術(shù)因綠色、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保等特性而倍受關(guān)注。蜈蚣草(PterisvittataL.)作為As的超富集植物,已有大量研究揭示了As在蜈蚣草中的富集、轉(zhuǎn)移和分布特征[1-2],同時也有研究發(fā)現(xiàn)蜈蚣草對Hg、Zn、Cd、Pb等重金屬具有一定的富集能力[3-5]。我國汞資源十分豐富,貴州省大規(guī)模汞礦山開發(fā)活動長達(dá)630年,在汞資源的開采過程中除了產(chǎn)生汞污染之外,還存在許多伴生重金屬的釋放,例如Pb、Sb等[6]。有研究表明,土壤重金屬污染往往都有兩種或兩種以上重金屬共存[7]。因此了解汞礦區(qū)土壤Cd、Pb、As、Sb等重金屬的分布特征,對于廢棄汞礦區(qū)的生態(tài)治理十分重要。本研究以貴州省典型汞礦區(qū)為研究對象,通過野外調(diào)查,采集貴州省萬山汞礦(記為WS)、銅仁汞礦(記為TR)、松桃汞礦(記為ST)、務(wù)川汞礦(記為WC)、開陽汞礦(記為KY)自然生長的蜈蚣草以及根際土壤樣品,分析Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Sb、Pb含量,旨在研究汞礦區(qū)蜈蚣草及其根際土壤中重金屬的分布特征,對汞礦區(qū)復(fù)合重金屬污染土壤的修復(fù)提供數(shù)據(jù)支撐和科學(xué)依據(jù)。

1 方 法

1.1 樣品采集

在5個汞礦區(qū)分別采集蜈蚣草樣品。將植物連同土壤一起挖出,利用自來水和超純水洗凈植物后,用陶瓷刀將植株分為根部和地上部分,然后將樣品冷凍干燥后粉碎過80目篩,密封保存?zhèn)溆?。采集植物樣品時同步采集對應(yīng)植物根際土壤,根際土壤樣品為根際混合樣和非根際混合樣混合得到的土樣,根際混合樣為距植物0～50 cm水平范圍內(nèi),0～30 cm厚度土層中根表面的土壤混合樣,非根際混合樣為距植物10～50 cm水平范圍內(nèi),0～30 cm厚度的土壤混合樣。土壤樣品風(fēng)干后研磨過200目篩,密封保存?zhèn)溆谩９膊杉参飿颖緮?shù)和土壤樣本數(shù)各51個,WS、TR、ST、WC、KY分別為13、11、5、14、8個。

1.2 分析方法

有機(jī)質(zhì)的測定參考文獻(xiàn)[8],采用DDS-11A型電導(dǎo)率儀測定電導(dǎo)率(EC),用ZD-2精密自動電位滴定儀測定氧化還原電位(Eh)。Ni、Sb的測定參考文獻(xiàn)[9],Cr、Cu、Zn、Pb、Cd的測定參考文獻(xiàn)[3],As的測定參考文獻(xiàn)[10]。

1.3 富集系數(shù)

富集系數(shù)可確定植物是否富集重金屬以及富集重金屬能力的大小。一般而言富集系數(shù)越大,植物從土壤吸收重金屬到其體內(nèi)的能力越強(qiáng)[11],計算公式如下:

B地上部分=C地上部分/C土壤

(1)

B根部=C根部/C土壤

(2)

式中:B地上部分、B根部分別為植物地上部分的富集系數(shù)、植物根部的富集系數(shù);C地上部分、C根部和C土壤分別為植物地上部分、植物根部和土壤中重金屬質(zhì)量濃度,mg/kg。

1.4 地累積指數(shù)法

地累積指數(shù)計算公式[12]為:

Igeo=log2[C土壤/(k×B)]

(3)

式中:Igeo為地累積指數(shù);B為土壤中重金屬的地球化學(xué)背景值(本研究按貴州省背景值[13-15]計算),mg/kg;k為考慮巖石差異可能引起背景值變動的系數(shù)(一般取值為1.5)。

地累積指數(shù)分級見表1。

表1 地累積指數(shù)分級Table 1 Geo-accumulation index classification

2 結(jié)果與討論

2.1 根際土壤中重金屬

汞礦區(qū)根際土壤不同重金屬質(zhì)量濃度見表2。由表2可知,Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Sb和Pb的質(zhì)量濃度均值為9.38～204.03 mg/kg。其中,Zn的質(zhì)量濃度均值最高,為204.03 mg/kg,其次是Pb,均值為167.45 mg/kg。

表2 根際土壤重金屬質(zhì)量濃度Table 2 Heavy mental concentrations in rhizosphere soil mg/kg

不同汞礦區(qū)根際土壤的重金屬質(zhì)量濃度(均值)及其地累積指數(shù)分別如表3、表4所示。5個汞礦區(qū)中,WS根際土壤中的Cd、Sb和Pb污染程度較高,其地累積指數(shù)分別達(dá)到6.62、4.58、3.15;TR根際土壤中Cd和Sb污染程度較高,其地累積指數(shù)分別達(dá)到4.56和3.29;ST根際土壤中Cd污染程度較高,其地累積指數(shù)高達(dá)5.29;WC根際土壤中Sb和Cd的污染程度較高,其地累積指數(shù)分別達(dá)到4.80和3.05;KY根際土壤中的Sb、Cd、As污染程度較高,其地累積指數(shù)分別為4.14、2.34、2.13。分析結(jié)果表明,貴州省典型汞礦區(qū)根際土壤存在一定程度的Cd和Sb污染,部分礦區(qū)的根際土壤還存在一定程度的Pb和As污染。

表3 不同汞礦區(qū)根際土壤的重金屬質(zhì)量濃度Table 3 The heavy metal concentrations of rhizosphere soil in different mercury mining areas mg/kg

表4 不同汞礦區(qū)根際土壤的重金屬地累積指數(shù)Table 4 The geo-accumulation index of heavy metals of rhizosphere soil in different mercury mining areas

汞礦區(qū)Cd、Pb、Sb和As主要是汞礦開采、冶煉等過程伴生產(chǎn)生的。其中Pb、Sb、As的地球化學(xué)性質(zhì)與Hg相似[16],在汞礦成礦過程中與Hg共消共長,密切伴生;Cd、As還可能來源于廢棄汞礦區(qū)的農(nóng)業(yè)活動,有研究表明農(nóng)業(yè)肥料和畜禽糞便中都含有較高濃度的Cd和As[17-18];另外As的超標(biāo)還可能與汞礦區(qū)土法煉汞燃煤有關(guān),燃煤過程中產(chǎn)生的含As粉塵隨著燃煤煙氣排放到大氣,并沉降積累到土壤中,造成As超標(biāo)。

2.2 蜈蚣草中重金屬

汞礦區(qū)蜈蚣草中各重金屬質(zhì)量濃度(5個汞礦區(qū)的均值)見圖1。蜈蚣草對As的總富集量(254.52 mg/kg)最大,其次是Zn(39.87 mg/kg)、Pb(25.22 mg/kg)。8種重金屬中,Zn、Cd和Pb主要富集在蜈蚣草的地上部分。Cr、Ni、Cu、As和Sb主要富集在蜈蚣草的根部。

圖1 蜈蚣草中重金屬質(zhì)量濃度Fig.1 Heavy metal concentrations in Pteris vittata L.

不同汞礦區(qū)蜈蚣草地上部分、根部對重金屬的富集系數(shù)分別如表5、表6所示。蜈蚣草地上部分和根部對As的富集能力最強(qiáng),5個汞礦區(qū)中有4個汞礦區(qū)的蜈蚣草對As的富集系數(shù)都大于1。

表5 蜈蚣草地上部分對重金屬的富集系數(shù)Table 5 The bioconcentration factors of heavy metals in up-ground part of Pteris vittata L.

表6 蜈蚣草根部對重金屬的富集系數(shù)Table 6 The bioconcentration factors of heavy metals in down-ground part of Pteris vittata L.

從整體來看,蜈蚣草地上部分對Zn和As的富集能力略大于其根部,即蜈蚣草能將富集到的大部分Zn、As遷移到地上部分,可以有效回收這些重金屬,與文獻(xiàn)[1]、[19]的研究結(jié)果相似。綜合判斷,蜈蚣草對汞礦區(qū)As、Zn污染土壤修復(fù)有一定作用,這對重金屬復(fù)合污染土壤的修復(fù)具有一定的參考價值。

相關(guān)性分析顯示,蜈蚣草地上部分Zn、Cd、Pb含量和根部As、Cd、Pb含量都與根際土壤EC存在顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)正相關(guān)關(guān)系,EC對土壤中重金屬有效態(tài)的影響比較復(fù)雜,本研究結(jié)果顯示土壤EC的升高可以促進(jìn)蜈蚣草地上部分或根部對這些重金屬的富集。蜈蚣草地上部分Cu和根部Sb、Pb含量都與根際土壤有機(jī)質(zhì)存在顯著(P<0.05)正相關(guān)關(guān)系,有研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)對重金屬有效態(tài)含量有較大正向作用[20],與本研究結(jié)果相同。蜈蚣草根部Cr含量與根際土壤Eh存在顯著(P<0.05)正相關(guān)關(guān)系,可能是因為土壤的氧化還原條件對土壤中Cr(Ⅴ)遷移能力的影響較大[21]。蜈蚣草植株中的重金屬含量受根際土壤的理化性質(zhì)共同影響,且蜈蚣草對不同重金屬吸收和遷移機(jī)制有所不同。

3 結(jié) 論

1) 不同汞礦區(qū)根際土壤中Zn(204.03 mg/kg)和Pb(167.45 mg/kg)質(zhì)量濃度均值最高,依據(jù)地累積指數(shù)法評價,貴州省典型汞礦區(qū)根際土壤存在一定程度的Cd和Sb污染,部分礦區(qū)的根際土壤還存在一定程度的Pb和As污染。

2) 蜈蚣草對As(254.52 mg/kg)的總富集量最高。

3) EC等理化性質(zhì)是影響蜈蚣草地上部分和根部分別累積Zn、Cd、Pb和As、Cd、Pb的重要因素。

4) 蜈蚣草對汞礦區(qū)As和Zn污染土壤修復(fù)有一定作用。