采煤塌陷區土壤重金屬污染及植物吸收富集特征

楊瑞卿， 肖 揚， 申 晨

(1.徐州工程學院環境工程學院，江蘇徐州 221008； 2.江蘇省徐州市九州生態園林股份有限公司，江蘇徐州 221008)

土壤是人類生產的重要物質基礎，也是人居環境的重要組成部分。隨著城市化和工業化進程的加快，礦產資源的開發利用以及化學產品的大量使用，土壤重金屬污染日趨嚴重，成為威脅人類可持續發展的重要因素[1]。植物修復技術是利用自然生長植物或遺傳工程培育植物修復污染土壤特別是重金屬污染土壤的環境技術的總稱[2]，它通過植物系統及其根際微生物吸收、轉移、揮發或穩定土壤重金屬，由于效果好、費用低、易于管理與操作、不產生二次污染等優點而得到越來越多的關注[3-4]。而具有非凡的積累重金屬元素能力的超富集植物是土壤重金屬污染植物修復的主要材料，因此，篩選超富集植物，使其能適用于實際應用，是當前土壤重金屬植物修復的一項重要任務，有多位學者對其進行了相關研究[5-8]，而關于采煤塌陷區的植物重金屬吸收富集特征的研究并不多見。

江蘇省徐州市作為我國重要的煤炭工業基地，煤炭的大量開采不僅造成了地表塌陷、大氣污染、水污染等問題，還對所在區域土壤產生了污染。本研究選擇徐州市典型的采煤塌陷區潘安湖采煤塌陷區，采用野外調查與室內試驗分析相結合的方法，對土壤重金屬鉻(Cr)、銅(Cu)、鋅(Zn)、鎘(Cd)、鉛(Pb)的污染狀況進行分析，對毛白楊等10種鄉土植物對重金屬的吸收富集能力進行研究，其目的是了解徐州市采煤塌陷區土壤重金屬的污染情況，發現其中的主要污染元素，同時篩選出適合徐州市采煤塌陷區生長的、重金屬吸收富集能力強的植物，為徐州市采煤塌陷區土壤重金屬的植物修復提供科學借鑒。

1 材料與方法

1.1 樣品的采集

樣品采集分為土壤采集和植物采集。土壤共選擇5個樣區采集，分別為毛白楊1生長區域土壤、毛白楊2生長區域土壤、臭椿和構樹生長區域土壤、旱柳和刺槐生長區域土壤、草本植物生長區域土壤。土壤分3個深度進行采集：0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm，植物樣品選擇在土壤樣點附近采集，每個樣點隨機選取3～5株健康、無病蟲害的植物。按照均勻分散多點的原則，采集根、莖、葉。樣品采集后裝標本袋密封，帶實驗室進行處理。

1.2 試驗方法

土壤風干后磨碎，過120目塑料篩，備用。植物樣品先用自來水沖洗，去除表面污垢，再用蒸餾水、去離子水沖洗3遍，烘干后的樣品磨碎，過120目篩，在干燥器中保存。

稱取過篩后的樣品0.500 g于聚四氟乙烯坩堝中，用HNO3-HF-HClO4法消解，每批樣品做1個試劑空白對照[9-10]。

消解后的樣品用美國Perkin Elmer公司的電感耦合等離子儀分別測定Cr、Cu、Zn、Cd、Pb的含量。

2 結果與分析

2.1 土壤重金屬元素的含量及相關性分析

2.1.1 土壤重金屬元素的含量 土壤中重金屬元素的含量既與母巖及成土母質有密切的關系，又受到局部環境質量狀況等因素的影響[11]。不同植物生長地段土壤重金屬元素含量測定結果見表1。可見，木本植物4種土壤中，5種重金屬的平均含量表現為Zn>Cr>Pb>Cu>Cd，平均含量分別為67.33、61.58、24.99、24.50、0.22 mg/kg。草本植物土壤中，5種重金屬的平均含量表現為Zn>Cr>Cu>Pb>Cd，與木本植物排序基本相同，平均含量分別為 70.06、63.38、27.21、26.76、0.24 mg/kg，均高于木本植物。就同一區域土壤，不同層次重金屬含量存在明顯差異，基本表現為表層土壤重金屬含量大于中下層土壤，這在一定程度上說明土壤重金屬含量受地表環境影響較大。草本植物生長區域土壤也表現出同樣的特征。

2.1.2 土壤重金屬元素含量的相關性分析 土壤中不同重金屬元素含量之間的相關性可以推測重金屬的來源是否相同，如果重金屬含量有顯著的相關性，說明其同源的可能性較大，否則來源不同[12]。運用SPSS 20.0對土壤重金屬元素平均含量進行相關性分析，由表2可知，除Cd含量與Cr含量顯著相關外，其余3種重金屬含量之間無顯著相關性，在一定程度說明Cd與Cr的來源可能相同，其余3種重金屬同源的可能性不大，來源可能不同。

表1 土壤重金屬元素含量

表2 土壤重金屬含量元素的相關分析

注：“*”表示不同土壤重金屬元素含量顯著相關(P<0.05)。

2.2 土壤重金屬的富集特征分析

2.2.1 評價標準 土壤重金屬富集特征常采用富集指數進行分析。富集指數分為單因子指數法和綜合指數法[13-14]，參考標準采用研究區土壤重金屬含量的自然背景值[15]，本研究采用徐州地區土壤重金屬自然背景值[16]，相應的評價結果稱之為元素富集。

(1)單因子指數法

而這兩天的瑞典事件，本質上仍是以上“套路”的重演：先是一些媒體拋出部分事實帶動情緒，反轉后網民在情緒落差之下開始轉向紛紛指責中國駐瑞典大使館……

Pi=Ci/Si。

式中：Pi為土壤重金屬i的單因子指數；Ci為土壤重金屬i的實測濃度；Si為土壤重金屬i的土壤環境背景值。

(2)綜合指數法即內梅羅指數法

式中：Pi為土壤中各種所測重金屬的單因子指數平均值；max(Pi)為土壤中各重金屬元素單因子指數的最大值；n為重金屬種類。

Pi≤1，表示無富集(無污染)；13，表示過度富集[17]。

2.2.2 土壤富集指數分析 由表3可知，5種土壤中，Cd、Cu、Cr、Pb、Zn平均單因子富集指數分別為2.39、1.15、1.03、1.00、0.93，表明5種重金屬中Cd為中度富集，Cu、Cr為輕度富集，Pb、Zn無富集，這就說明該區域土壤以Cd污染為主。綜合富集指數為1.94，說明該區域土壤總體表現為輕度富集，其中毛白楊1所在區域土壤、旱柳和刺槐所在區域土壤、草本植物所在區域土壤的綜合富集指數分別為2.37、2.14、2.02，屬中度富集，其余2個區域土壤屬輕度富集。

草本植物所在區域土壤中各重金屬富集指數、富集指數平均值和綜合富集指數與木本植物相比，基本都大于木本植物，在一定程度說明草本植物所在區域土壤重金屬富集大于木本植物所在區域土壤。

同一區域土壤，不同深度重金屬含量存在明顯差異，基本表現為表層土壤綜合富集指數大于中下層土壤。

表3 土壤的重金屬富集指數

2.3 不同植物重金屬的吸收系數和轉移系數分析

2.3.1 不同植物重金屬的吸收系數分析 吸收系數是植物器官重金屬含量與土壤中重金屬含量的比值，也稱富集系數，能夠反映植物對重金屬的吸收(富集)能力。相關研究認為，木本植物吸收系數大于0.4可以認定為修復土壤重金屬能力較強的植物；吸收系數在0.1～0.4之間的為有一定的修復能力的植物；吸收系數小于0.1的為低修復能力植物[18-19]。

2.3.1.1 木本植物的吸收系數分析 測定的木本植物中，平均吸收系數為0.42，其中吸收系數大于0.4的為毛白楊1、毛白楊2和旱柳，說明毛白楊和旱柳對重金屬的吸收能力較強，其次為臭椿、刺槐和構樹，說明這3種植物對重金屬有一定吸收能力。木本植物對不同重金屬的平均吸收系數表現為 Cd>Zn>Pb>Cu>Cr。不同植物對不同重金屬的吸收能力存在差異。對Cr吸收能力強的樹種為毛白楊、構樹；對Cu吸收能力強的樹種為毛白楊、臭椿和旱柳，對Zn吸收能力強的樹種為毛白楊和旱柳，對Cd吸收能力強的樹種為旱柳和毛白楊，對Pb吸收能力強的樹種為毛白楊、旱柳和臭椿。同一種木本植物，對不同重金屬的吸收能力也存在差異，毛白楊1對重金屬的吸收系數表現為Pb>Cd>Zn>Cu>Cr，毛白楊2表現為Cd>Zn>Cu>Cr>Pb，旱柳表現為Cd>Zn>Cu>Cr>Pb，構樹表現為Cr>Cd>Zn>Cu>Pb，臭椿表現為Cd>Zn>Cu>Cr>Pb，刺槐表現為Zn>Cd>Cu>Cr>Pb。

2.3.1.2 草本植物的吸收系數分析 5種草本植物對重金屬的平均吸收系數為0.51，大于木本植物，在一定程度上說明草本植物的重金屬吸收能力大于木本植物。其吸收系數從大到小依次為一年蓬、艾蒿、牛膝、黃花蒿、狗尾草，吸收系數分別為0.57、0.55、0.51、0.49、0.42，均大于0.4，說明這5種草本植物吸收土壤重金屬能力強。5種草本植物對不同重金屬的平均吸收系數表現為Cd>Zn>Cu>Pb>Cr。同一種草本植物對不同重金屬的吸收能力存在差異，黃花蒿對重金屬的吸收系數表現為Cd>Cu>Zn>Pb>Cr，艾蒿表現為Cd>Cu>Zn>Cr>Pb，一年蓬表現為Cu>Cd>Zn>Pb>Cr，牛膝表現為Zn>Cd>Cu>Pb>Cr，狗尾草表現為Zn>Cd>Cu>Pb>Cu。不同草本植物，對同種重金屬的吸收能力有明顯差別，對Cr吸收能力強的為狗尾草和牛膝；對Cu吸收能力強的為一年蓬和黃花蒿，對Zn吸收能力強的為牛膝和一年蓬，對Cd吸收能力強的為艾蒿和黃花蒿，對Pb吸收能力強的為一年蓬、艾蒿和黃花蒿。

2.3.1.3 同一種植物不同器官對重金屬的吸收系數分析 5種木本植物不同器官對不同重金屬的吸收系數比較見表4。同一種植物，不同器官對同一種重金屬的吸收系數也不盡相同。如毛白楊1表現為根對Cr的吸收系數大，說明根對Cr的吸收能力大于葉和莖，對其他4種重金屬則表現為葉的吸收能力大于根和莖；旱柳對重金屬吸收能力強的分別表現為根或莖；構樹對重金屬吸收能力強的分別表現為根或葉；臭椿對重金屬吸收能力強的分別表現為莖或葉；刺槐除對Pb外，對其他4種重金屬則表現為根的吸收能力最強。毛白楊1和毛白楊2相比，同一種植物器官對不同重金屬的吸收能力也表現不同，側面反映即使同一種植物，在不同生長階段，不同的器官對重金屬的吸收能力表現不同。

表4 植物不同器官對重金屬的吸收系數比較

2.3.2 木本植物的轉移系數分析 轉移系數是植物地上部分元素的含量與地下部分同種元素含量的比值，用來評價植物將重金屬從地下向地上的運輸和富集能力，其值越大，則重金屬從根系向地上器官轉運的能力越強[20]。本研究采用植物葉片中元素含量與植物根系中元素含量的比值作為該元素的轉移系數。在5種木本植物中，平均轉移系數從大到小依次為臭椿、構樹、毛白楊、刺槐、旱柳，與吸收系數有一定差異。對不同重金屬元素，植物的遷移系數存在差別，對于Cr轉移系數最大的是毛白楊2，對于Cu轉移能力較較強的是構樹、臭椿和毛白楊；對于Zn轉移能力較強的是構樹、毛白楊1、臭椿；對于Cd轉移能力較強的依次為構樹、毛白楊、臭椿；對于Pb，臭椿、毛白楊1、構樹、旱柳、刺槐的轉移能力均較強。

3 結論與討論

江蘇省徐州市潘安湖采煤塌陷區土壤中5種重金屬的平均富集指數由高到低依次為Cd、Cu、Cr、Pb、Zn，Cd為中度富集，Cu、Cr為輕度富集，Pb、Zn無富集，土壤以Cd污染為主。

木本植物中，吸收系數大于0.4的為毛白楊和旱柳，草本植物的吸收系數均大于0.4；木本植物對不同重金屬的平均吸收系數表現為Cd>Zn>Pb>Cu>Cr；平均轉移系數較大的為臭椿、構樹、毛白楊。

土壤重金屬富集植物的篩選應同時考慮植物的吸收能力和轉移能力。Salt等認為，地上部分重金屬含量大于根部，且地上部分重金屬含量大于土壤重金屬含量的植物對于重金屬超富集植物的篩選更有意義[21]。考慮到研究區的土壤污染以Cd為主，因此植物的篩選應主要考慮Cd的富集和轉移能力。綜合以上因素，推薦木本植物毛白楊、旱柳、構樹、臭椿，草本植物艾蒿、黃花蒿、一年蓬、牛膝、狗尾草在采煤塌陷區土壤重金屬富集治理中推廣使用。