廣東省典型富鎘鉛鋅礦區中優勢植物重金屬富集特性與應用潛力*

肖乃川 張云霞 宋 波,2# 朱亮亮 龐 瑞

(1.桂林理工大學環境科學與工程學院，廣西 桂林 541004；2.桂林理工大學巖溶地區水污染控制與用水安全保障協同創新中心，廣西 桂林 541004)

土壤是人類生存的基石[1-2]。近年來報道的有關糧食、環境與資源問題很多都與土壤污染密切相關。隨著工農業的飛速發展，土壤重金屬污染已成為全球性的問題。改革開放后，廣東省經過幾十年的發展，已經成為我國重要的工業基地。由于發展過程中缺乏合理利用資源和保護生態環境的意識，目前廣東省土壤重金屬污染已經相當嚴重[3]。據有關報道顯示，珠江河口周邊約1萬km2范圍內，受到人為原因導致的有害重金屬污染土壤范圍廣且重金屬含量高，鎘、銅、鎳和鉛等重金屬污染土壤面積達到5 500 km2，污染深度達40 cm[4]。另有研究顯示，在珠三角地區城市農用土壤中，銅、鉛、鋅和鎘的平均含量都超過了廣東省土壤背景值和全國土壤背景值[5]。廣東省的蔬果、稻米中鎘、鉛、鋅和銅等存在不同程度的超標[6]。由此可見，廣東省土壤中重金屬鎘、銅、鎳、鉛和鋅等重金屬的污染已經對農產品質量安全及人類健康構成了潛在威脅。

植物修復技術具有效果好、無二次污染等優點[7-8]，已成為當今土壤修復研究者關注的熱點[9-10]。目前，國內外已經發現的重金屬富集植物超過400種，但有許多植物由于生物量小或具有地方特異性等問題，在工程應用上受到很大限制，因此重金屬污染土壤的植物修復技術難點在于篩選生物量大、富集能力強并且能夠適應修復地區氣候條件的重金屬富集植物[11]。礦區生長的植物是在長期的重金屬自然選擇中留存下來的，對重金屬有較好的耐受性，因此在礦區尋找重金屬富集植物不失為一個有效途徑[12]。

鉛鋅礦是我國的優勢礦種之一。僅廣東省內鉛鋅礦區就達100個，合計礦石儲量達到1 077萬t，其中開采規模大、歷史久的典型鉛鋅礦區就有4個，分別是連南縣雞麻坑礦區[13]、連南縣坪頭嶺礦區[14]、仁化縣凡口礦區[15]、陽山縣鐵屎坪礦區[16]，都是礦石儲量大、鉛和鋅品位高且都富含鎘的礦區，同時銅和鎳的含量也較高。

因此，在這些典型的富鎘鉛鋅礦區調查優勢植物，篩選出適宜廣東省自然環境條件、重金屬耐受性強且生物量大的植物物種，以期找到可以用于廣東省重金屬土壤植物修復的植物，對廣東省土壤重金屬污染治理和生態修復研究具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 樣品的采集與分析

在4個典型富鎘鉛鋅礦區，采集生長良好且生物量大的優勢植物完整植株，同時采集表層土壤。植物與土壤樣品各采得75個，其中雞麻坑礦區各18個，坪頭嶺礦區各14個，凡口礦區各17個，鐵屎坪礦區各26個。采集到共41種優勢植物品種(見表1)。

表1 優勢植物品種Table 1 Dominant plant species

植物樣品帶回實驗室后將地上部和地下部分開，分別用自來水沖洗干凈，然后用去離子水沖洗3遍，自然晾干后于70 ℃下烘干至恒重，粉碎，備用；土壤樣品剔除動植物殘骸、石塊等雜物后，置于室內自然風干，研磨過100目篩后備用。

土壤樣品和植物樣品分別采用美國環境保護署(USEPA)《Acid digestion of sediments,sludges and soils》(Method 3050B)推薦的HNO3-H2O2體系和HNO3-HClO4體系進行消解后，使用石墨爐原子吸收分光光度計(AA-700型)測定鎘含量，使用電感耦合等離子體發射光譜儀(5300DV型)測定銅、鉛、鋅、鎳含量。在分析樣品時做了15%的平行樣，并分析了空白樣品、國家標準土壤樣品(GSS-4、GFS-4)、國家標準植物樣品(GSV-1)，各樣品測得含量減去空白樣品測得含量即為樣品真實含量，平行樣品間相對標準偏差均小于5%，標準樣品的各重金屬回收率符合質量控制要求[17]。

超富集植物地上部重金屬質量濃度需達到臨界值(鎘100 mg/kg，銅、鎳、鉛1 000 mg/kg，鋅10 000 mg/kg)[18]。在實際的工程應用中，要求并不需要這么嚴苛。本研究中，地上部重金屬含量達到臨界值一半及以上或超過正常植物重金屬質量濃度(鎘3.0 mg/kg、銅45.8 mg/kg、鎳5.0 mg/kg、鉛41.7 mg/kg、鋅160.0 mg/kg)[19]兩倍的植物，便被認為已具備良好的修復潛力[20-21]，定義為富集植物。

1.2 數據處理

通過計算植物地上部重金屬含量與對應土壤中重金屬含量之比得到富集系數(BCF)，用來表征植物從土壤吸收重金屬的能力[22]；通過計算植物地上部重金屬含量與地下部重金屬含量之比得到轉運系數(TF)，用來表征植物從地下部向地上部運輸重金屬的能力[23]，TF越大，說明植物從地下部向地上部運輸重金屬的能力越強[24]。

2 結果與分析

2.1 土壤重金屬含量

土壤重金屬質量濃度見表2。土壤中鎘、銅、鎳、鉛和鋅質量濃度分別為0.10～323.80、23.23～2 449.00、2.04～56.54、61.75～18 230.00、68.17～23 834.00 mg/kg，平均值分別是廣東省土壤背景值[25]的1 345、39、2、134、85倍，選擇這樣的土壤篩選優勢植物作為重金屬富集植物具有合理性。

表2 土壤重金屬質量濃度Table 2 Heavy metals concentrations in soils mg/kg

2.2 優勢植物地上部重金屬含量

考慮到植物中重金屬含量受土壤中重金屬含量影響，若采用平均值表征植物地上部重金屬含量可能會低估植物對重金屬的富集能力，因此植物地上部重金屬含量采用最大值表征，結果見表3。鎘質量濃度最高的植物為藿香薊，達到77.02 mg/kg，已經接近鎘超富集植物地上部質量濃度臨界值100 mg/kg，遠遠超過正常植物鎘質量濃度3.0 mg/kg的兩倍，無疑可以認為藿香薊為鎘富集植物；鉛質量濃度最高的植物為粗葉懸鉤子，達到336.90 mg/kg，雖然沒有達到或接近鉛超富集植物地上部質量濃度臨界值，但已經遠遠超過了正常植物鉛質量濃度的兩倍，表明粗葉懸鉤子是鉛富集植物；鋅質量濃度最高的植物也是藿香薊，達到769.80 mg/kg，是正常植物鋅質量濃度的4.81倍，也可以認定藿香薊為鋅富集植物；4個典型礦區中未篩選到銅和鎳的富集植物。

表3 植物地上部重金屬質量濃度Table 3 Heavy metals mass concenterations in up-ground part of the plants mg/kg

2.3 優勢植物對重金屬的轉運特征

41種優勢植物對5種重金屬的TF見表4。對鎘的TF大于1的優勢植物較多，其中轉運能力最強的5種優勢植物依次是蟛蜞菊、藿香薊、艾納香、鬼針草、豚草，其TF分別為4.94、2.92、2.46、2.46、2.39；對銅的TF大于1的優勢植物也不少，其中轉運能力最強的5種優勢植物依次是廣東蛇葡萄、綠葉地錦、土牛膝、黃瓜菜、豚草，其TF分別為1.85、1.66、1.62、1.53、1.46；對鎳的TF大于1的優勢植物有8種，其中轉運能力最強的5種優勢植物依次是野生紫蘇、土牛膝、綠葉地錦、糯米團、廣防風，其TF分別為2.51、1.87、1.78、1.39、1.38；對鉛的TF大于1的優勢植物只有蟛蜞菊和苧麻，其TF分別為5.39、2.90；對鋅的TF大于1的優勢植物有11種，其中轉運能力最強的5種優勢植物依次是蟛蜞菊、苧麻、豚草、野生紫蘇、土牛膝，其TF分別為7.84、2.13、2.13、2.00、1.61。其中，蟛蜞菊、苧麻、豚草、野生紫蘇、土牛膝、東風草、野艾蒿、黃瓜菜、綠葉地錦等對不止1種重金屬的TF大于1，這些植物表現出較強的向地上部轉運重金屬的能力，都可以根據需要作為廣東省重金屬污染土壤植物修復的備選物種。

表4 優勢植物對重金屬的TFTable 4 TF of dominant plants for heavy metals

3 討 論

由于鎘富集植物最多，并且BCF也是評價植物富集能力的一個重要參數[26]，因此進一步以41種優勢植物地上部鎘質量濃度與超富集植物鎘質量濃度臨界值之比、BCF、TF為參數進行聚類分析，結果見圖1。41種優勢植物可以分為5類：蟛蜞菊自成一類；藿香薊和艾納香為一類，它們對鎘的BCF分別為1.53、1.81，它們對鎘的TF分別為2.92、2.46，其中藿香薊地上部鎘質量濃度高達77.02 mg/kg，這類植物對鎘有很強的富集和轉運能力；鬼針草、豚草也為一類，它們對鎘的BCF分別為0.48、0.43，它們對鎘的TF分別為2.46、2.39，這類植物對鎘的富集能力不強，但向地上部轉運的能力較強；野茼蒿也自成一類，具有潛在的鎘富集能力；其他植物歸為另一類。

圖1 聚類分析結果Fig.1 Result of cluster analysis

按照雷梅等[27]對重金屬耐性植物的分類，藿香薊和野茼蒿是鎘的富集型植物；矛葉藎草和節節草是5種重金屬的囤積型植物，寸金草是鎘、鋅的根部囤積型植物；葛、漆樹是5種重金屬的規避型植物。一般而言，富集型植物相比其他兩類植物對重金屬的耐性更強，可以在礦區復墾時作為先鋒植物種植，而在礦區附近的居民生活區應主要種植根部囤積型和規避型植物。

藿香薊是典型的鎘富集植物。張云霞等[28]的研究也顯示，鎘污染農田中生長的藿香薊鎘質量濃度均值達到21.13 mg/kg，BCF達到6.93，使用藿香薊修復鎘污染土壤，鎘的去除率為13.2%～15.6%。

重金屬污染土壤的植物修復材料選擇，除了考慮較強的富集能力和轉運能力以及地上部重金屬含量外，能否適應修復地氣候環境、生長是否迅速、生物量大小等也是需要考慮的因素[29]。藿香薊是一種根系發達、性喜溫暖濕潤環境、對土壤質地要求不嚴的植物，在海拔低于2 800 m的地區都有分布。廣東省屬于亞熱帶季風氣候區，夏季高溫多雨、冬季溫和少雨，熱量高，雨量大，且多丘陵地帶，海拔為200～800 m，符合藿香薊的生長需求。在本次調查中，采集到的藿香薊樣品數為6，每株干質量為16.35 g，相比其他鎘富集植物，如東南景天(每株鮮質量均值3.0 g)[30]和印度芥菜(每株鮮質量均值8.1 g)[31]等生物量大得多。由此可見，在廣東省使用藿香薊修復富鎘污染土壤具有很好的工程應用前景。

4 結 論

在廣東省的4個典型富鎘鉛鋅礦區，土壤中鎘、銅、鎳、鉛和鋅質量濃度分別為0.10～323.80、23.23～2 449.00、2.04～56.54、61.75～18 230.00、68.17～23 834.00 mg/kg，平均值分別是廣東省土壤背景值的1 345、39、2、134、85倍；采集到的41種優勢植物中，藿香薊可以作為鎘和鋅的富集植物，粗葉懸鉤子可以作為鉛的富集植物，特別是藿香薊生物量大，而且適應當地的自然環境條件，對于修復廣東省的富鎘污染土壤具有較好的工程應用前景。此外，蟛蜞菊、苧麻、豚草、野生紫蘇、土牛膝、東風草、野艾蒿、黃瓜菜、綠葉地錦等對不止1種重金屬的TF大于1，表現出較強的向地上部轉運重金屬的能力，都可以根據需要作為廣東省重金屬污染土壤植物修復的備選物種。