紫穗槐修復尾礦土的重金屬縱向遷移、生物富集及轉運特性研究

陳娜 郝喆* 王曉明 滕達 吳超君

（1. 遼寧大學環境學院，遼寧沈陽 110036；2. 遼寧有色勘察研究院，遼寧沈陽 110013）

1 引言

金屬礦山尾礦庫不但占用大量土地，還是潛在的污染源。重金屬在礦山開采過程中會被釋放出來，導致礦山土壤重金屬含量水平高，然后通過地表徑流途徑擴散至土壤和水中，受風雨天氣影響污染物極易擴散，會引發一系列的生態環境問題和安全隱患問題，并通過生物富集和放大效應對人類健康構成威脅［1］。因此，尾礦庫重金屬治理研究勢在必行，在植物修復尾礦土重金屬的遷移、富集、轉運的影響等領域，國內外學者展開了研究工作。Ghassen Daldoul 等對突尼斯北部受舊尾礦庫污染的碳化土壤中重金屬進行了評價與遷移研究［2］。Laxman Singh K等對鈾礦尾礦池及其影響區植物富集和主要污染物修復的本地優良植物種類進行了鑒定研究［3］。宋鳳敏對陜西典型鐵尾礦庫區土壤重金屬遷移及其修復進行了研究［4］，證明植物對重金屬有轉運、富集等作用。張會敏等分析了相思谷尾礦8 種定居植物對重金屬吸收及富集特性，對不同植物根、莖對重金屬的吸收、富集等影響給出的相應規律，證明植物根吸收、富集重金屬能力高于莖［5］。

紫穗槐是北方寒冷地區礦山生態修復常用的灌木植物之一，目前有關紫穗槐修復尾礦庫的重金屬遷移規律尚缺乏深入研究。本文利用自制尾礦庫模型裝置，針對紫穗槐修復尾礦土過程中重金屬在不同深度的分布和縱向遷移情況，以及重金屬在植物根、莖中的分布、富集、轉運特征展開了實驗研究，為尾礦庫重金屬污染治理和生態修復提供參考。

2 材料和方法

2.1 樣品的采集與處理

2.1.1 樣品采集

2.1.1.1 實驗裝置研制

為開展金屬礦山尾礦庫下墊面結構穩定及生態修復研究，自主研制了尾礦庫基質改善及生態修復模擬實驗裝置。參考尾礦庫實際壩體、灘面結構和水面位置，建立縮尺寸相似模型、堆填初期壩和尾礦堆積壩模型，見圖1。

圖1 尾礦庫生態修復模型

實驗尾礦土來源于本溪歪頭山尾礦庫，開展基質改良試驗及紫穗槐栽植實驗（見圖2），為尾礦庫生態修復研究提供參數和依據。

圖2 紫穗槐栽植模型實驗

2.1.1.2 土壤樣品采集

在尾礦庫模型（70%尾礦土和30%黃土）中，對修復齡期1.5 年的紫穗槐根際尾礦土進行分層取樣，采樣層分為A，B，C 3 層，采樣深度分別為20，40，60 cm，剖面每層土樣采集1 kg 左右，裝入樣品袋，并標明采樣監測項目、采樣深度。首先挖掘土壤采樣剖面（使觀察面向陽），然后用竹片去除與金屬采樣器接觸部分的土壤，再用竹片進行取樣，采樣順序自下而上，先采剖面底層土樣，再采中間土樣，最后采上層土樣［6］。

2.1.1.3 植物樣品采集

對紫穗槐進行全株植物和對應根系土采樣。將所有植物連同根須整體挖出，并迅速將根須包裹，以防水分散失。再迅速轉移至實驗室待用［7］，并標明樣品編號和檢測項目。

2.1.2 樣品處理

2.1.2.1 土壤樣品處理

將所采集的土壤樣品于風干室中風干（不可加熱或陽光直射），將風干后的樣品用木棒或皮錘敲碎，并于模板上用木棒盡量碾碎，挑出石子、砂礫和動植物殘骸，然后通過2 mm 尼龍篩除去2 mm以上的砂礫，混勻土樣。再用瑪瑙研缽將通過2 mm尼龍篩的土樣進行研磨，最后通過100 目（孔徑0.149 mm）尼龍篩，混勻土樣，裝入密封袋中備用［8］。

2.1.2.2 植物樣品處理

首先將植物樣品進行清洗，分為根部和莖部，于65 ℃烘箱內烘干至質量恒定，用打碎機將植物根、莖分別打碎后，分別過20，100 目篩，將過100 目篩的植物樣品混勻裝袋，備用。

2.2 重金屬檢測及數據分析方法

對紫穗槐根際尾礦土分層土樣中Cu，Zn，Cr，Pb，Cd 5 種重金屬進行含量測定。考慮檢測結果的準確性，每組樣品均做3 組平行樣。

2.2.1 重金屬檢測方法

2.2.1.1 土壤重金屬檢測

依據《土壤和沉積物 銅、鋅、鉛、鎳、鉻的測定 火焰原子吸收分光光度法》（HJ 491—2019）中石墨電熱消解法對處理好的土樣進行消解、定容、搖勻，待測［9］。調整好電感耦合等離子體發射光譜儀（5100 ICP－OES），繪出各重金屬的標準曲線，然后依次測量待測樣品，做好記錄。

2.2.1.2 植物重金屬檢測

準確稱取2.00 g 樣品，裝入25 mL 瓷坩堝中，加入4 mL 1%HNO3，放置通風櫥內的電熱板上緩慢加熱至炭化，蓋子半開，煙冒盡時停止加熱。將炭化后的樣品轉置馬弗爐內，逐漸升溫至500 ℃，然后恒溫加熱8～9 h，冷卻后取出，加入4 mL 5%HNO3溶解灰狀物，然后轉移至100 mL 容量瓶，用蒸餾水定容至標線，搖勻待測［10］。調整好火焰原子吸收光譜儀（novAA350 型），輸入各重金屬標準曲線，然后依次測量待測樣品，做好記錄。本實驗將待試樣品稱樣量和試劑量各增加1 倍，最后用5%NHO3溶解灰狀物等實驗改進，提高了實驗的精度和效率。

2.2.2 數據分析方法

對檢測數據進行整理統計，然后采用SPSS，EXCEL2010 軟件進行處理，并計算相應的富集系數（BF）和轉運系數（TF）［11］。

富集系數的計算公式為：

重金屬富集系數在一定程度上反映了紫穗槐植物系統中重金屬元素遷移的難易程度，說明重金屬在紫穗槐體內的富集情況。富集系數越大，說明紫穗槐吸收該重金屬能力越強。若富集系數大于1，則說明紫穗槐對該重金屬具有超富集能力。

轉運系數的計算公式為：

轉運系數的高低將直接影響富集植物能否應用于重金屬污染土壤的修復。轉運系數小于1 時，說明紫穗槐對該重金屬的富集主要在根部，向莖部轉運能力弱。轉運系數越大，表明紫穗槐莖部重金屬的富集量越大。轉運系數大于1 時，說明紫穗槐對該重金屬的富集主要在莖部，對該重金屬具有超轉運能力，有利于植物吸取技術的應用［12］。

通過尾礦土和植物重金屬含量數據及富集系數和轉運系數計算結果，分析紫穗槐根際尾礦土中每種重金屬在不同深度的分布情況和縱向遷移規律，以及植物修復尾礦土重金屬分布、富集及轉運特性。

3 結果分析

3.1 重金屬在尾礦土中的縱向遷移分析

紫穗槐根際尾礦土中Cu，Zn，Cr，Pb，Cd 5 種重金屬含量的縱向分布見圖3。

圖3 5 種重金屬在紫穗槐根際尾礦土中的縱向遷移情況

如圖3 所示，紫穗槐根際尾礦土中Cu，Cd 含量隨深度的增加無明顯變化。Cr 含量隨深度改變波動比較大，在20～40 cm 深度區間內由43.8 mg/kg 降低至17.2 mg/kg；在40～60 cm 深度范圍內，又升高至38.2 mg/kg。尾礦土中重金屬的縱向空間分異的影響因素為尾砂質地、重金屬特性等，致使縱向遷移規律存在較大差異［1］。Zn 含量在20～40 cm 深度范圍內呈遞減趨勢，40～60 cm 深度范圍內含量變化不大。Pb 含量隨深度的增加而減少。從紫穗槐根際尾礦土中各種重金屬含量隨深度增加的變化情況來看，紫穗槐對Pb 的富集能力最強，其次是Zn，對修復尾礦土中Cu，Cd 的影響不大。

3.2 重金屬在分層土壤和植物根、莖中的分布情況

分析Cu，Zn，Cr，Pb，Cd 5 種重金屬在分層尾礦土和紫穗槐根、莖中的分布情況，見圖3 和圖4。

圖4 5 種重金屬在紫穗槐根、莖中的含量分布情況

由圖3 可知，利用紫穗槐修復尾礦土，5 種重金屬在20 cm 深度時，含量由高到低排序為Zn＞Cr＞Cu＞Pb＞Cd；在40 cm 深度時，含量由高到低順序為Zn＞Cu＞Cr＞Pb＞Cd；在60 cm 深度時，含量由高到低排序為Zn＞Cr＞Cu＞Pb＞Cd。總體來看，不同深度尾礦土中Zn，Cu，Cr，Pb 含量明顯高于Cd 含量，其中，Zn含量均最高，分別為57.5，46.9，47.8 mg/kg；Cd 含量均最低，分別為0.6，0.5，0.7 mg/kg。

由圖4 可知，紫穗槐根中5 種重金屬含量由高到低順序為Cr＞Zn＞Cu＞Pb＞Cd，吸收Cr 含量最高，為106.82 mg/kg；Cd 含量最少，為0.21 mg/kg。紫穗槐莖中重金屬含量由高到低順序為Cr＞Zn＞Cu＞Pb＞Cd，吸收Cr 最多，為57.57 mg/kg；吸收Cd 含量最少，為0.77 mg/kg。由圖4 還可看出，紫穗槐根吸收Cu 和Cr 的含量高于莖，吸收Zn，Cd 和Pb 的含量低于莖。根和莖中Cu，Zn，Cd，Pb，Cr 5 種重金屬的差量值分別為3.39，-6.56，-0.56，-0.11，49.25。

3.3 植物對重金屬的富集和轉運特性分析

依據植物根、莖和紫穗槐根際尾礦土（40 cm）的重金屬含量數據，根據公式（1），（2）來計算植物對土壤的富集系數和轉運系數，分析植物修復尾礦土重金屬分布、富集及轉運特性，結果見表1。

表1 紫穗槐不同部位的重金屬富集系數和轉運系數

植物富集和轉運重金屬的效率因重金屬的種類不同而異。由表1 可知，紫穗槐根對5 種重金屬的富集系數順序為Cr＞Zn＞Cd＞Cu＞Pb，說明根對Cr 的富集能力最強，富集系數大于1，對Pb 的富集能力最弱。紫穗槐莖對重金屬的富集系數順序為Cr＞Cd＞Zn＞Pb＞Cu，說明莖對Cr 的富集能力最強，富集系數大于1，其次是Cd，富集系數大于1，對Cu 的富集能力最差。地上部分富集系數超過1 的植物具備超富集植物的一般特征［13］，因此紫穗槐對Cr 和Cd 2 種重金屬有超富集能力。總體來看，紫穗槐根富集Cu和Cr 的能力均高于莖，富集Zn，Cd 和Pb 的能力低于莖。根和莖的Cu，Zn，Cd，Pb，Cr 富集系數差分別為0.10，-0.14，-1.12，-0.01，2.86，其中紫穗槐根、莖對Cr的富集能力最為顯著。

紫穗槐根莖間對5 種重金屬的轉運能力由強到弱為Cd＞Zn＞Pb＞Cu＞Cr，說明紫穗槐對Cd 的轉運能力最強，其次是Zn，然后是Pb，轉運Cr 能力最差。根據計算結果來看，紫穗槐對Cd，Zn 和Pb 3 種重金屬的轉運系數均大于1，具備超富集植物的轉移系數特征［11］，說明紫穗槐對Cd，Zn 和Pb 3 種重金屬具有超轉運能力，有利于紫穗槐莖部對重金屬的獲取和回收，以免重金屬遷移擴散造成二次污染。

3.4 重金屬遷移機理分析

紫穗槐根際修復尾礦土重金屬遷移機理主要包括雨水淋濾作用、土壤吸附作用以及植物富集和轉運作用。

（1）雨水淋濾作用。某些重金屬元素以離子鍵形式存在，在水介質作用下發生水解反應而溶于水［14］，受雨水淋濾作用發生遷移。本研究基地模型前期設有遮雨棚，待紫穗槐植株成活后卸除遮雨棚，屬于露天式模型，春、夏、秋三季受降雨影響及冬季受降雪影響，尾礦土中各重金屬隨之而產生縱向遷移。

（2）土壤吸附作用。尾礦土中存在一些對重金屬元素有吸附固定作用的有機質、鐵鋁等水合氧化物和碳酸鹽等，而且各組分之間也存在較為復雜的相互作用，特別是鐵氧化物，在發生化學反應后會形成各種對重金屬元素有吸附作用的膠體和黏性物質，從而影響重金屬的遷移能力［14］。本研究中尾礦土中Pb 含量隨深度的增加而減少，且縱向遷移變化尤為顯著，這是因為Pb 元素被尾砂風化過程中產生的鐵錳氫氧化物吸附而殘留在表層，下層尾砂含氧量低且鐵錳的氫氧化物含量少，所以被吸附的Pb 含量少［1］。

（3）植物富集和轉運作用。植物富集和轉運作用主要是通過植物根系對重金屬元素的富集、吸收，然后向莖、葉部分運移，進而影響重金屬的遷移。植物的生長所需水分和營養元素要從土壤中攝取，而土壤中重金屬元素會發生水解反應，進而被植物根系所富集和吸收，被根系所吸收的重金屬繼續向莖、葉遷移［14］。由本研究中植物對重金屬的富集和轉運特性分析結果可以看出，紫穗槐對重金屬的轉運能力以及根、莖對重金屬的富集能力隨重金屬種類的不同而異，紫穗槐對Cd，Zn 和Pb 3 種重金屬具有超轉運能力，紫穗槐的根對Cr、莖對Cd 和Cr 具有超富集能力，進而影響重金屬的遷移能力。

由實驗結果可見，Cu 受土壤吸附作用在尾礦土中隨深度的增加而減少，但受雨水淋濾影響變化趨勢不明顯，而紫穗槐對Cu 的富集和轉運能力很弱，因此Cu 受雨水淋濾作用影響最大，其次是土壤吸附作用，植物富集和轉運作用最小；Cd 和Zn 受雨水淋濾作用和土壤吸附作用影響隨尾礦土深度的增加不明顯，紫穗槐對Cd 和Zn 具有超轉運能力，且紫穗槐莖對Cd 具有超富集能力，因此各因素對Cd 和Zn遷移影響由大到小順序為植物吸收作用＞雨水淋濾作用＞土壤吸附作用；Pb 受土壤吸附作用影響隨尾礦土深度的增加而減少，變化顯著，所以Pb 受降雨影響較小，紫穗槐對Pb 具有超轉運能力，但植物中Pb 含量低于尾礦土中Pb 含量，因此Pb 的遷移影響因素由大到小順序為土壤吸附作用＞植物轉運作用＞雨水淋濾作用；Cr 含量隨尾礦土深度的增加呈現先減后增的趨勢，變化趨勢顯著，影響因素較復雜，但紫穗槐中Cr 含量遠遠大于土壤中Cr 含量，且紫穗槐根和莖對Cr 均具有超富集能力，因此植物富集作用對Cr 遷移的影響要高于雨水淋濾和土壤吸附作用。

4 結論

以鐵尾礦庫模型已完成生態修復中紫穗槐修復尾礦土為例，進行紫穗槐根際尾礦土20，40，60 cm深度的分層采樣，對紫穗槐根際尾礦土中Cu，Zn，Pb，Cd，Cr 5 種重金屬在不同深度的含量分布情況和縱向遷移規律進行分析，得出主要結論如下：

（1）紫穗槐根際不同深度尾礦土中Zn，Cu，Cr，Pb 含量明顯高于Cd 含量，其中，Cd 含量均最低，Zn含量均最高，Zn 含量比Cd 含量分別高56.9，46.4，47.1 mg/kg。

（2）紫穗槐根際尾礦土中Cr 含量隨深度改變波動比較大，呈現出先降低后增高的趨勢。Zn 含量在20～40 cm 深度范圍內隨深度的增加而降低，40～60 cm 深度范圍內含量約為47 mg/kg，Pb 含量隨深度的增加而減少，由14.1 mg/kg 降至5.4 mg/kg，說明紫穗槐對Pb 的富集能力最強，其次是Zn。

（3）紫穗槐根對Cu 和Cr 的吸收能力均高于莖，對Zn，Cd 和Pb 的吸附能力低于莖。其中，根對Cu，Zn，Cd，Pb，Cr 的吸收量分別為9.40，23.37，0.21，2.59，106.82 mg/kg，莖對Cu，Zn，Cd，Pb，Cr 的吸收量分別為6.01，29.35，0.77，2.70，57.57 mg/kg。

（4）紫穗槐根富集Cu 和Cr 能力高于莖，富集Zn，Cd 和Pb 的能力低于莖。其中，根對Cr 的富集系數大于1，為6.21，莖對Cd 和Cr 的富集系數均大于1，分別為1.54，3.35，表明紫穗槐根對Cr 具有超富集能力，莖對Cd 和Cr 具有超富集能力。

（5）紫穗槐對Cu，Zn，Cd，Pb，Cr 5 種重金屬的轉運系數分別為0.64，1.28，3.67，1.04，0.54，紫穗槐轉運重金屬能力順序為Cd＞Zn＞Pb＞Cu＞Cr。其中，紫穗槐對Zn，Cd 和Pb 的轉運系數均大于1，表明紫穗槐對這3 種重金屬具有超轉運能力。

（6）紫穗槐根際修復尾礦土重金屬縱向遷移、生物富集及轉運，主要來源于雨水淋濾作用、土壤吸附作用以及植物富集和轉運作用。Cu 遷移影響因素由大到小順序為雨水淋濾作用＞土壤吸附作用＞植物富集和轉運作用，Cd 和Zn 遷移影響因素由大到小順序為植物吸收作用＞雨水淋濾作用＞土壤吸附作用，Pb 的遷移影響因素由大到小順序為土壤吸附作用＞植物轉運作用＞雨水淋濾作用，植物富集作用對Cr遷移的影響要高于雨水淋濾作用和土壤吸附作用。

本文分析了紫穗槐修復尾礦土的縱向遷移、富集和轉運規律，對尾礦庫重金屬污染植物修復工程具有參考價值。