遼陽弓長嶺鐵礦區優勢植物的重金屬耐性評價

張曉薇 王恩德 吳 瑤

(1.東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819；2.遼寧工程技術大學環境科學與工程學院，遼寧 阜新 123000)

隨著我國工業和經濟的飛速發展，對礦物的需求日益增大，直接導致礦山開采量直線上升，隨之而來的是超過300萬公頃的礦業廢棄地[1-2]。而由于我國礦區在開采過程中不重視環境保護的問題，大量酸性廢水隨意排放以及尾礦隨意堆砌，經過長期的風化和淋濾，向環境中釋放大量的重金屬元素，造成土壤重金屬污染日益嚴重[3-4]。同時重金屬隨著河流等途徑遷移，進入礦區周圍農田及飲用水中，對礦區人民身體健康產生巨大威脅。因此，礦區重金屬污染是目前亟待解決的環境問題[5]。

植物修復(Phytoremediation)是利用重金屬富集植物直接修復污染的一種原位土壤修復技術，具有成本低、無二次污染并且可以美化環境的優點[6-7]，是重金屬面源污染修復的首選技術。因此，植物修復技術得到了越來越多的環保工作者的青睞，成為目前研究熱點之一，現已取得巨大的研究進展[8]。但是，高性能的重金屬富集植物的篩選限制著植物修復的發展。礦區植物大多都是在長期的自然選擇過程中存活下來的，由于受到長期的“馴化”作用，產生了重金屬解毒基因，往往對重金屬污染的耐性比較好，是富集植物的重要來源之一[9]。科研人員已經在礦區植物中篩選出大量的指示植物和超富集植物，將其在礦區大規模原位種植，已取得顯著成果[10]。

因此，本研究對遼陽弓長嶺鐵礦區土壤及植物群落重金屬污染現狀展開調查，選取獨木排土場、下部排土場、大拉子尾礦、蘇安大街以及茨溝村5個采樣區的土壤及其生長旺盛的植物群落，測定土壤以及植物中重金屬含量，考察植物對重金屬的富集能力和耐性，選擇最適合該地區重金屬污染修復的優勢植物，為該地區生態恢復提供科學依據。

1 研究區概況

遼陽弓長嶺鐵礦位于遼寧省中部，屬溫帶大陸性氣候，平均氣溫8.4 ℃，降水量708 mm，蒸發量1 107 mm[11]。礦區總面積110 km2，露天采場4個，占用土地面積35 km2。該鐵礦多采用露天開采，開采過程中形成的露天采場、尾礦以及排土場等，形成了大面積的廢棄地，嚴重破壞當地生態環境。同時，開采和尾礦廢渣的堆積，造成嚴重的污染[12]。

2 樣品的采集與分析測試

2.1 樣品采集

總共設置下部排土場、獨木排土場、大拉子尾礦庫、茨溝村和蘇安大街5個采樣區，選擇長勢旺盛、分布較多的植物，完整取其莖、葉、根，同時，按4點法采集相應植物根際土壤，分別置于樣品袋內編號，帶回實驗室，-20 ℃保存備用。

2.2 樣品分析

將土壤樣品風干、研磨、過100目篩。植物樣品用去離子水清洗干凈后，在65 ℃下烘干至恒重，剪碎。準確稱取土樣或植物樣品適量，置于聚四氟乙烯消解罐中，土樣添加HNO3-HCIO4-HCl混合酸，植物樣添加HNO3-HClO4混合酸微波消解。微波消解后將其置于電熱板上加熱揮發酸，當溶液剩1～2 mL的小水珠呈可滾動珠狀時，停止揮酸，冷卻，稀釋定容。立即用原子吸收分光光度法測定植物和土壤中Cd、Cu、Zn、Cr、Pb的含量。試驗同時做空白對照試驗，每項重復3次。

3 調查結果與討論

3.1 礦區植物種類

本研究在5個采樣區共記錄調查了18種植物，其中稗草、狗尾草、鬼針草、桃葉蓼、山楊、旱柳、三裂葉豚草、茵陳蒿、一年蓮、小藜、月見草11種植物綜合優勢比占到60%以上，表現為礦區的優勢植物。該地區5個采樣區的所有植物種別見表1。

表1 弓長嶺鐵礦區植物種類組成Table 1 Plant species composition of Gongchangling Iron Mine Area

3.2 礦區土壤中重金屬含量

各樣點的土壤重金屬(Cd、Cu、Zn、Cr、Pb)含量如表2所示。由表2可知，該礦區土壤重金屬含量普遍較高，其中Cd、Cu、Zn含量均超過國家土壤質量三級標準，表現出不同程度的污染。并且各污染物含量變化范圍較大，銅的變化范圍是187.7～ 1 025.0 mg/kg，鋅的變化范圍是51.11～663.5 mg/kg，鉛的變化范圍是34.22～73.34 mg/kg，鎘的變化范圍是2.87～9.00 mg/kg，鉻的變化范圍是35.28～345.5 mg/kg。由該鐵礦區地積累指數法評價結果可知：各重金屬的污染程度Cd>Cu>Zn>Cr>Pb，表明該鐵礦區的確已經受到不同程度的重金屬污染，以Cd和Cu污染為主。其中，大拉子尾礦、獨木排土場、蘇安大街以及下部排土場的污染因子主要為Cd、Cu和Zn，而茨溝村的污染因子主要為Cd和Zn。

表2 弓長嶺鐵礦區土壤樣品重金屬平均含量Table 2 Average heavy metals content in soil samples of Gongchangling Iron Mine Area

3.3 礦區植物重金屬含量

5個采樣區優勢植物地上、地下部重金屬含量分別見表3、表4、表5、表6、表7。

表3 大拉子尾礦庫植物重金屬含量Table 3 Heavy metal concentration in plants from Dalazi tailings pond

表4 獨木排土場植物重金屬含量Table 4 Heavy metal concentration in plants from Dumu Waste Dump

由表3可知，大拉子尾礦庫11種優勢植物中，地上和地下部Cd含量最高的植物均為茵陳蒿，地上和地下部Cu含量最高的均為狗尾草，地上和地下部Zn含量最高的均為山楊，地上和地下部Pb含量最高的是茵陳蒿，地上和地下部Cr含量最高的均為三裂葉豚草。

由表4可知，獨木排土場的植物中，地上部Cd、Cu、Zn含量最高的均為茵陳蒿，地上部Pb、Cr含量最高的分別為一年蓮和小藜；地下部Cd、Cu、Zn、Pb、Cr含量最高的分別為一年蓮、稗草、桃葉蓼、稗草和小藜。

表5 茨溝村植物重金屬含量Table 5 Heavy metal concentration in plants from Cigou Village

表6 蘇安大街植物重金屬含量Table 6 Heavy metal concentration in plants from Su′an Street

表7 下部排土場植物重金屬含量Table 7 Heavy metal concentration in plants from Xiabu Waste Dump

由表5可知，茨溝村的植物地上、地下部Cd含量最高的均為鬼針草，地上部、地下部Cu含量最高的分別為鬼針草和狗尾草，地上和地下部Zn、Pb含量最高的均為三裂葉豚草，地上部Cr含量最高的是狗尾草，地下部Cr含量最高的是三裂葉豚草。

由表6可得：蘇安大街的植物中地上和地下部Cd含量最高的分別為桃葉蓼和鬼針草；地上和地下部Cu含量最高的均為桃葉蓼；地上部Zn含量最高的為桃葉蓼，地下部含量最高的為狗尾草；地上部Pb含量最高的為鬼針草，地下部Pb含量最高的為小藜；而地上和地下部Cr含量最高的分別為狗尾草和桃葉蓼。

由表7可知：下部排土場不同植物地上和地下部Cd含量最高的分別是苦荬菜和一年蓮；地上和地下部Cu含量最高的分別為桃葉蓼和茵陳蒿；地上和地下部Zn含量最高的分別為茵陳蒿和山旱柳；地上和地下部Pb含量最高的分別為一年蓮和苦荬菜；地上和地下部Cr含量最高的分別為山楊和山旱柳。

3.4 礦區優勢植物對重金屬的富集能力

富集系數(Enrichment Factor，EF)是衡量植物對重金屬富集能力的一個重要指標，同時也能間接反映植物對重金屬的耐性。富集系數越大，富集能力越強，耐性越強[13]。富集系數計算方法為

EF=C植物/C土壤.

(1)

式中，C植物為植物中重金屬含量，C土壤為土壤中重金屬含量。

各采樣區優勢植物的富集系數見圖1～圖5。

圖1 大拉子尾礦庫植物富集系數Fig.1 Enrichment factors of plants from Dalazi tailings pond

由圖1可知：大拉子尾礦庫各采樣點的優勢植物對Cd富集系數大小排序為茵陳蒿>三裂葉豚草>桃葉蓼>山楊>狗尾草>月見草>稗草>旱柳>一年蓮>小藜>鬼針草，其中，茵陳蒿的Cd富集系數為 1.023 5，是一種潛在的Cd富集植物；三裂葉豚草、狗尾草、旱柳、一年蓮、小藜的Cu富集系數均大于1，是潛在的Cu富集植物，其中，三裂葉豚草的Cu富集能力最強；對Zn富集能力最強的是山楊，狗尾草和旱柳也具有一定的Zn富集能力；茵陳蒿、稗草、小藜、旱柳、狗尾草、鬼針草的Pb富集系數也均大于1，其中，茵陳蒿的Pb富集系數最高，達到了2.545 1；對Cr富集能力最強的為一年蓮，其次為三裂葉豚草。

圖2 獨木排土場植物富集系數Fig.2 Enrichment factors of plants from Dumu Waste Dump

圖3 茨溝村植物富集系數Fig 3 Enrichment factors of plants from Cigou Village

圖4 蘇安大街植物富集系數Fig.4 Enrichment factors of plants from Su′an Street

圖5 下部排土場植物富集系數Fig.5 Enrichment factors of plants from Xiabu Waste Dump

由圖2可得：獨木排土場各采樣點的優勢植物對Cd富集系數最大的為茵陳蒿、小藜；對Cu、Zn富集能力最強的為茵陳蒿；對Pb富集能力最強的為一年蓮；對Cr富集能力最強的為小藜。

由圖3可知：茨溝村各采樣點的優勢植物對Cd、Cu富集能力最強的植物為鬼針草,值得注意的是該地區植物對 Cd的富集能力都較強，富集系數均大于1；對Zn富集能力最強的為三裂葉豚草；對Pb富集能力最強的為三裂葉豚草；對Cr富集能力最強的為狗尾草。

由圖4可知：蘇安大街各采樣點優勢植物中桃葉蓼是一種富集能力廣泛的植物，對Cd的富集系數為2.163 6；對Pb富集能力最強的為鬼針草；對Cr富集能力最強的是狗尾草。

由圖5可知：下部排土場各采樣點優勢植物對Cd富集能力最強的是苦荬菜；對Cu富集能力最強的為桃葉蓼；對Zn富集能力最強的為茵陳蒿；對Pb富集能力最強的為一年蓮，其富集系數達到2.263 3；對Cr富集能力最強的為山楊。

通過比較可以得出，不同植物對同種重金屬的富集能力不同，同種植物對不同重金屬的富集能力不同，甚至同種植物在不同地區對同種金屬的富集能力也不同。總體上，從植物對Cu、Zn、Pb、Cd、Cr的綜合富集能力來看，可以在大拉子尾礦庫選取三裂葉豚草、茵陳蒿和一年蓮，在獨木排土場選取茵陳蒿、一年蓮和小藜，在茨溝村選取鬼針草、三裂葉豚草和狗尾草，在蘇安大街選取桃葉蓼、鬼針草和狗尾草，在下部排土場選取桃葉蓼、茵陳蒿和一年蓮用于植被修復，恢復當地的生態環境。

3.5 礦區優勢植物對重金屬的耐性

重金屬轉移系數(Biological Transfer Factor,BTF)是對植物重金屬耐性評價的另一個重要指標[14]。計算方法為

BTF=C地上/C地下.

(2)

式中，C地上為植物地上部重金屬含量，C地下為植物地下部重金屬含量。

轉移系數越大說明植物將重金屬從根部運送到地上部的能力越強，也就說明植物對重金屬的耐性越強[15]。弓長嶺鐵礦區優勢植物對Cd、Cu、Zn、Cr、Pb的轉移系數如圖6～圖10所示。

圖6 大拉子尾礦庫植物轉移系數Fig.6 Transfer Factors of plants from Dalazi tailings pond

圖7 獨木排土場植物轉移系數Fig.7 Transfer Factors of plants from Dumu Waste Dump

圖8 茨溝村植物轉移系數Fig 8 Transfer Factors of plants from Cigou Village

由圖6可知：大拉子尾礦庫地區，對Cd耐性最強的植物是狗尾草，轉移系數是7.497 6，其次為旱柳、三裂葉豚草、稗草、山楊等；對Cu耐性最強的是稗草，轉移系數是3.607 7；對Zn耐性最強的植物是旱柳，轉移系數高達8.587 5，桃葉蓼和一年蓮對Zn的耐性也較強；對Pb耐性最強的是狗尾草，轉移系數為 3.634 2，稗草、山楊、一年蓮對Pb的耐性也較強，轉移系數均大于1；對Cr耐性最強的是一年蓮，轉移系數達到6.438 1。

圖9 蘇安大街植物轉移系數Fig.9 Transfer Factors of plants from Su′an Street

圖10 下部排土場植物轉移系數Fig.10 Transfer Factors of plants from Xiabu Waste Dump

由圖7可知：在獨木排土場地區，對Zn耐性最強的植物是小藜，轉移系數達到1.795 9；對Pb耐性最強的植物是茵陳蒿，轉移系數高達4.666 7；對Cd和Cr耐性最強的植物均是桃葉蓼，轉移系數分別是2.100 0和3.333 3；對Cu耐性最強的植物是桃葉蓼，轉移系數為2.471 9。

由圖8可知，在茨溝村地區，對Cd耐性最強的是一年蓮，轉移系數為1.432 0；對Cu耐性較強的有小藜和一年蓮，其轉移系數分別為1.691 5、1.537 0；對Zn耐性最強的是小藜，轉移系數為1.396 2；對Pb耐性最強的是茵陳蒿，轉移系數為3.720 0；對Cr耐性最強的是小藜，轉移系數為2.263 2。

由圖9可知，在蘇安大街地區，對Cu、Zn、Cd耐性最強的植物均為桃葉蓼，其轉移系數分別為 1.112 1、2.123 8和15.200 0；對Pb耐性最強的植物是鬼針草；而對Cr耐性較強的植物是小藜和狗尾草，但轉移系數均小于1。

由圖10可知：在下部排土場地區，對Cd耐性較強的有苦荬菜、山楊、山旱柳，轉移系數分別為2.469 4，1.583 4，1.351 5；對Cu耐性最強的植物是山楊，轉移系數達到13.500 0，其次為小藜和桃葉蓼，轉移系數分別為2.849 1和1.362 5；對Zn耐性較強的有茵陳蒿、山楊、一年蓮和小藜，其轉移系數均大于1；對Pb耐性較強的有山楊、一年蓮，但轉移系數均小于1；對Cr耐性最強的是一年蓮，轉移系數為1.422 1。

通過以上轉移系數的分析比較：在大拉子尾礦庫可選取的修復植物為稗草、狗尾草、旱柳和一年蓮，獨木排土場為小藜、茵陳蒿和桃葉蓼，茨溝村為鬼針草、一年蓮和小藜，蘇安大街為桃葉蓼、鬼針草和狗尾草，下部排土場為茵陳蒿、山楊和一年蓮。

3.6 礦區先鋒植物篩選

弓長嶺鐵礦區的主要污染因子為Cd、Cu和Zn，因此，在先鋒植物的選擇過程中，原則上應優先考慮對重金屬Cd、Cu、Zn的富集能力和轉移能力[16]。其次，富集能力和轉移能力是選取重金屬修復植物必不可少的2個條件。因此，在選擇先鋒植物時必須同時兼顧富集系數和轉移系數。在本研究中，綜合各采樣點不同植物對不同重金屬的富集系數和轉移系數可得，桃葉蓼、狗尾草、鬼針草、茵陳蒿、小藜、三裂葉豚草具有較強修復Cd污染的潛能，其中以桃葉蓼修復能力最強(富集系數最高，為2.163 6，轉移系數最高，為15.20)，目前，未見對桃葉蓼修復重金屬污染土壤相關的報道，因此，桃葉蓼是一種新發現的Cd富集植物，具有深入研究價值。已有研究報道稱鬼針草對Cd[17]、Pb[18]有較好的富集效果，是一種較為成熟的重金屬富集植物，可作為先鋒植物用于該礦區Cd污染修復。一年蓮、狗尾草、山楊、三裂葉豚草具有修復Cu污染土壤的潛能，旱柳具有修復Zn污染土壤的潛能。其中，山楊和旱柳雖然富集系數小于1，但是其轉移系數較高，在一定意義上可用于植物提取方式的污染土壤修復，同時，由于山楊的生長周期長，生物量大，因此，是一種潛在的永久性高效修復植物，可用于污染礦區修復后期種植，達到修復與綠化的雙重效果。

4 結 論

(1)弓長嶺鐵礦廢棄地礦區重金屬污染程度為重度污染，主要重金屬污染物為Cd和Cu。其中，Cd是重度污染，Cu是中度到重度污染，Zn是中度污染，Pb和Cr為無污染到中度污染。

(2)對弓長嶺鐵礦礦區優勢植物重金屬含量進行研究分析，從中篩選出桃葉蓼、鬼針草、狗尾草、山楊以及旱柳可以作為該鐵礦廢棄地植被重建的先鋒植物。礦區表層土壤結構受到嚴重破壞，部分污染嚴重地區甚至不適合植物生長，因此在種植先鋒植物前應進行表層土壤復原，通過施用有機肥或客土法等，增加土壤肥力，使其適應植物生長。

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