野櫻桃和紫穗槐對礦區土壤重金屬耐受特征分析

土壤重金屬污染一直以來備受人們關注。關于土壤重金屬污染問題，諸多學者做了相關研究。目前，土壤重金屬污染修復有很多方法，例如化學淋洗、客土、植物修復等，其中植物修復被認為是減少尾礦環境危害最有前景的方法[1]。近年來學界發現許多超累積植物，一些草本植物如Sedum alfredii （Kunth） Greene， Teloxys grave‐olens （Willd）等能夠在含有重金屬的礦土中正常生長，對受重金屬污染的土壤具有較強的吸收與富集能力，但是這些草本植物生命周期短，富集能力明顯受限制[2]。而速生的木本植物也具備對重金屬的富集和吸收能力，可克服草本植物的不足，它具有發達的根系、較長的生命周期，但是用速生木本植物來進行土壤重金屬污染修復的報道較少[3]。部分綜述類報道表明，木本植物紫穗槐（Amorpha fruticosa Linn）和野櫻桃（Cera‐sus szechuanica. Batal）對重金屬具有一定的吸收作用，但對于其生長狀況及吸收論證性研究較少。本文通過對紫穗槐和野櫻桃這2種木本植物在受污染的重金屬土壤介質中的生長狀況及吸收富集特征進行研究，以期揭示這2種木本植物對重金屬污染的修復潛力。

1材料與方法

1.1試驗材料

試驗以野櫻桃和紫穗槐幼苗作為研究對象，其中野櫻桃被廣泛用于水土保持、生態修復方面，對中國西北地區氣候具有較強的適應性，紫穗槐則具有較強的耐旱性、耐鹽堿性。試驗所用的幼苗購置于四川鼎森農業科技有限公司，幼苗生長所用的土壤樣品分別采自神府東勝煤田礦區表層（0～30 cm）土壤，對照土壤則采自遠離礦區的農田表層（0～30 cm）的土壤，理化性狀如表1所示。

1.2試驗方法

試驗前將3種不同類型的土壤樣品置于陰涼處，分別經過風干、破碎、攪拌均勻后，裝入在容積為（直徑25 cm×高30 cm）內的培養器內，體積占比達到3/4[4]。選擇長勢基本一致的野櫻桃和紫穗槐幼苗分別移植在培養器內，且每個培養器內栽3株同一類型的幼苗，設3個重復，合計共18盆。每48 h設置自動澆灌1次，確保植物正常生長。試驗培養時長共計180 d。試驗過程中，將培養溫度穩定在25～35℃。培養結束后，收獲所有植物，測定植物生物量及各器官中的重金屬含量。

1.3樣品分析

植物整株收獲后，將其分為地上部分和根系。根系用去離子水洗凈。然后經105℃殺青30 min后，75℃烘干、破碎后，放置在干燥器中，3 d后稱其生物量[5]。測試前，稱取0.3 g粉末狀樣品，加入3 mLHNO3和3 mL HClO4，采用微波消解法消解，消解過程中要趕酸、趕氣，防止影響測量結果和引起爆炸[6]。土壤樣品則經風干、研磨、破碎、過篩后，放置于干燥器中，土壤樣品有機質采用K2Cr2O7外加熱法、速效氮的測定采用堿解擴散法、速效磷用鉬藍比色法測定[7]。由于土壤樣品成分復雜，因此消解過程采用HCL、HF、HNO3、HClO4多種酸加入混合消解，體積比為2∶4∶2∶2。消解的液體經稀釋、定容等處理后，重金屬的元素采用電感耦合等離子原子發射光譜ICP-OES測定[8]；pH值采用PHS-3C酸度計測定；葉片葉綠素含量采用分光光度法測定[9]。

1.4數據分析

將2種木本植物在活雞兔礦土和農田土壤中的生長狀況及生物量與重金屬之間的關系進行分析比對，并采用統計軟件SPSS V13.0進行數據分析處理，探討植物體內葉綠素含量及植物體內重金屬的吸收、富集狀況。

2結果與分析

2.1植物生物量

野櫻桃、紫穗槐在3種不同類型的供試土壤中培養，其生物量如圖1所示。野櫻桃地上部分與根系生物量均明顯下降。與對照相比，活雞兔礦土和上灣礦土中栽植的野櫻桃地上部分生物量分別減少23.1和16.8 g，根系則分別減少18.7和17.4 g。總體上，在這3種不同類型的培養土壤中，野櫻桃單株地上部分生物量維持在80～110 g。與對照相比，紫穗槐在3種不同類型的培養土壤中長勢較好，生長在污染較重的礦土中的紫穗槐其地上部分生物量與對照相比，地上部分減少1.3和6.1 g，根系生物量與對照相比，根系減少了1.3和10.2 g。生長在上灣礦土中的紫穗槐，地上部分生物量低于根系。通過數據比對可以發現，紫穗槐對活雞兔礦土和上灣礦土均具有較強的耐受性，且對活雞兔礦土的耐受性更強。

2.2植物葉綠素相對含量

2種木本植物葉綠素含量如圖2所示。在活雞兔礦土和上灣礦土中，紫穗槐植株葉片葉綠素含量與對照相比沒有顯著性差異，生長在活雞兔礦土上的紫穗槐葉綠素含量略微高于對照；生長在上灣礦土上的紫穗槐葉片葉綠素含量則低于對照，但二者均未出現明顯黃化現象。與對照相比，生長在活雞兔礦土和上灣礦土上的野櫻桃植株葉片葉綠素含量存在顯著性差異，葉片內葉綠素含量均值明顯偏低，在活雞兔礦土上生長的野櫻桃葉片相對狹小，植株纖細，葉片卷縮，部分葉片出現明顯的黃化現象。與對照相比，葉綠素平均含量分別下降了34.7%（活雞兔礦土）和23.5%（上灣礦土）。

2.3植物對重金屬元素的吸收

經過180 d培養后，2種木本植物根系及地上部分組織中鉛、鋅和銅的含量如表2所示。生長在活雞兔礦土和上灣礦土中的野櫻桃和紫穗槐根系及地上部分均能檢測到重金屬。野櫻桃根系中鉛、鋅、銅含量均高于地上部分，野櫻桃對重金屬鉛和銅的富集能力小，對鉛的富集范圍在27.28 ～ 38.46 mg/kg，對銅的吸收富集范圍在28.84 ～ 44.22 mg/kg，其吸收富集能力遠達不到超累積植物水平。野櫻桃對重金屬鋅具有一定的吸收富集能力，體內重金屬鋅含量可達221.32 mg/kg。與野櫻桃相比，紫穗槐對重金屬鉛、鋅的吸收能力較強，生長在活雞兔礦土上的紫穗槐體內重金屬鋅的富集量達到273.08 ～ 550.32 mg/kg；重金屬鉛的富集量達到124.56 ～ 136.77 mg/kg；且重金屬鉛、鋅主要累積在根系。與活雞兔礦土相比，生長在上灣礦土上的紫穗槐體內重金屬鉛、鋅含量有所減少，但在上灣礦土上生長的紫穗槐根系對銅的富集含量相較與野櫻桃根系要高，根系累積量達到37.31 mg/kg，但對銅的富集量也未達到超累積植物的富集水平。

總體顯示，野櫻桃對重金屬鋅有一定的富集能力，對鉛、銅的富集能力比較弱，且表現出不相適應的狀況。紫穗槐在受重金屬污染的土壤中生長較好，對重金屬鉛、鋅富集能力較強，且主要累積在根部。

2種植物在活雞兔礦土和上灣礦土中的生物富集系數（bioconcentration factors，BCF）和轉移系數（translocation factors，TF）如表3所示。生長在活雞兔礦土中的野櫻桃對鉛的BCF為0.085 ～ 0.089，富集系數相對較小；對鉛的TF數值也只有0.260。生長在活雞兔礦土中野櫻桃體內鋅的BCF值較小，只有0.021 ～ 0.023，而對鋅的TF數值卻達到了0.738。生長在上灣礦土中野櫻桃體內鋅的BCF值為0.157 ～ 0.181，對鋅的TF值達到了0.676。通過對比可以看出，野櫻桃在受污染嚴重的活雞兔礦土中生長受到明顯抑制，根系及地上部分富集能力明顯受限制，分析可能是供試土壤中鉛、鋅產生協同效應，其毒性要比銅、鋅毒性更強，使得生長在活雞兔礦土中的野櫻桃對重金屬鋅的BCF較小。這也說明野櫻桃對重金屬鋅的富集能力會隨供試土壤特性的差異而發生改變，而轉運能力受到的影響相對較小。

生長在活雞兔礦土中的紫穗槐體內鉛的BCF為0.111 ～ 0.225，鋅的BCF為0.042 ～ 0.046，其活雞兔富集量是野櫻桃體內活雞兔富集量的2倍左右。生長在上灣礦土中的紫穗槐體內鋅的BCF值為0.222 ～ 0.400，遠比生長在上灣礦土中野櫻桃體內富集的鋅含量高。紫穗槐對重金屬鋅的TF值遠小于野櫻桃對重金屬鋅的TF值。二者對重金屬銅具有相近的富集能力，但紫穗槐對重金屬銅的TF值明顯高于野櫻桃。總體上，生長在活雞兔礦土和上灣礦土中的2種木本植物體內根系重金屬活雞兔銅含量均大于地上部分。生長在活雞兔礦土中的紫穗槐對重金屬活雞兔的富集能力強于野櫻桃，而野櫻桃則對重金屬鋅表現出了更強的轉運能力。野櫻桃在受污染嚴重的活雞兔礦土中生長受到明顯抑制，根系及地上部分富集能力明顯受限制，可能是供試土壤中鉛、鋅產生協同效應，其毒性要比銅、鋅毒性更強，使得生長在活雞兔礦土中的野櫻桃對重金屬鋅的BCF較小。這也說明野櫻桃對重金屬鋅的富集能力會隨供試土壤特性的差異而發生改變，而轉運能力受到的影響相對較小。

3討論與結論

2種木本植物均能在選用的供試土壤中生長，但受到的損害程度不同，這反映出不同植物對重金屬耐受性表現出的差異性。一方面可能與植物本身體內酶的特性有關，也可能由于供試土壤中過量的重金屬鉛、鋅、銅抑制了植物根系的生長發育，對植物起到毒害作用。本次研究顯示，紫穗槐的正常生長說明對重金屬鉛、鋅和銅有較好的耐受性。相比于紫穗槐，生長在不同污染類型土壤介質中的野櫻桃則明顯受限制，2種木本植物組織中地上部分重金屬含量均高于根系。總體上，表現出對重金屬富集能力不足。從本試驗結果可以看出，紫穗槐對于礦區土壤的修復具有潛在的利用價值。研究發現在未經過營養液處理下，紫穗槐根系、莖和葉中的重金屬含量分別為47.5、51.2和323.0 mg/kg（Pb）；18.2、5.1和215.7 mg/kg（Cu）。而在本次試驗中紫穗槐體內富集的重金屬含量與之相近；野櫻桃作為參照對象則表現對重金屬的富集能力的欠缺，一是可能因培養條件受限及環境條件差異，二是也可能野櫻桃本身對于重金屬的毒性的抵抗性較低。這2種木本植物不同的組織部分對重金屬的吸收能力也不一樣，根系表現出更強的累積作用。

試驗結果表明，2種木本植物均能在供試礦土中生長，紫穗槐對重金屬污染修復具備一定的潛力，野櫻桃可用于礦區土壤綠化栽植。紫穗槐在3種不同類型的土壤介質中的生長無顯著性差異。野櫻桃在受污染的活雞兔礦土中出現了黃化癥狀，但在上灣礦土中長勢良好。只有少部分重金屬通過植物根系轉移到地上部組織。

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基金項目：國家重點研發計劃資助項目（No.2016YFC0501100）；國家重點研發計劃課題“深部煤礦安全綠色開采理論與技術”（No. 2016YFC0600708）

（1煤炭開采水資源保護與利用國家重點實驗室劉剛，張偉龍；2神華神東煤炭集團有限責任公司張偉龍）