貴州牛角塘鉛鋅礦區優勢植物的重金屬富集特征

頓夢杰 張云霞 宋波 盛昕 周浪 賓娟

摘 要：為篩選適合貴州喀斯特地區重金屬污染土壤修復治理以及礦區生態復墾的植物材料，該研究在貴州牛角塘鉛鋅礦區采集30種優勢植物及其根系土壤，測定其地上部、地下部和根系土壤的Cd、Cu、Ni、Pb、Zn含量，計算植物對重金屬的富集和轉運系數，并通過聚類分析綜合評估植物的應用潛力。結果表明：（1）千里光、鬼針草地上部Cd含量高達40.33、43.26 mg·kg-1，富集系數（地上部分）分別為0.20和0.37，轉運系數分別為1.35和1.16，有較強富集Cd的能力，對Cd污染土壤有一定的修復潛力。（2）頭花蓼地上部Cd、Zn含量分別為77.49、3 557.96 mg·kg-1，均為本次調查30種植物中的最大值，是一種修復Cd、Zn復合污染土壤的潛在植物材料。（3）醉魚草地上部Ni含量為0.62 mg·kg-1，富集系數（地上部分）和轉運系數高達6.16和1.37，醉魚草是否是Ni的一種富集植物，還需進一步研究加以驗證。（4）紫茉莉、節節草根部Cd、Cu、Pb和Zn含量遠大于地上部，屬于根部囤積型植物;河北木藍地上部、地下部Cd、Cu和Zn等重金屬含量都較低，屬于規避型植物。因此，千里光、鬼針草和頭花蓼可用于修復土壤重金屬污染，紫茉莉、節節草、河北木藍可用于礦區復墾。

關鍵詞： 牛角塘鉛鋅礦區， 富集植物， 礦區復墾， 根部囤積型植物， 規避型植物

中圖分類號：Q948.116

文獻標識碼：A

文章編號：1000-3142（2022）03-0479-12

Heavy metal enrichment of dominant plants in Niujiaotang mining area of Guizhou Province

DUN Mengjie1， ZHANG Yunxia1， SONG Bo1，2*， SHENG Xin1， ZHOU Lang1， BIN Juan1

（ 1. School of Environmental Science and Engineering， Guilin University of Technology， Guilin 541004， Guangxi， China; 2. Guilin University of Technology， Collaborative Innovation Center for Water Pollution Control and Water Safety in Karst Areas， Guilin 541004， Guangxi， China ）

Abstract：To select suitable materials for remediation of heavy metal pollution in karst areas of Guizhou Province and ecological reclamation of mining area. A total of 30 dominant plants and their root soils were collected in Niujiaotang lead-zinc mining area of Guizhou Province for testing of the contents of Cd， Cu， Ni， Pb and Zn in aboveground， underground? and root soils. The enrichment and transport coefficients of heavy metals by plants were calculated， and the application potential of plants was comprehensively evaluated by cluster analysis. The results were as follows： （1） Cd contents in the aerial part of Senecio scandens and Bidens Pilosa were respetively 40.33 mg·kg-1and 43.26 mg·kg-1， the enrichment coefficients （aboveground part） were respectively 0.20 and 0.37， and the transport coefficients were respectively 1.35 and 1.16， and they had strong ability to enrich Cd and had certain remediation potential for Cd contaminated soil. （2） The contents of Cd and Zn in aboveground of Polygonum capitatum were 77.49 mg·kg-1 and 3 557.96 mg·kg-1 respectively， which were the maximum values among the 30 plants investigated in this survey. It is a potential plant material for remediation of Cd and Zn contaminated soil. （3） The content of Ni in aboveground of Buddleja lindleyana was 0.62 mg·kg-1， and the enrichment coefficient （aerial part） and transport coefficient were 6.16 and 1.37 respectively. However， a further study need to be done to test whether the plant for Ni enrichment. （4） The contents of Cd， Cu， Pb and Zn in the roots of Mirabilis jalapa and Equisetum ramosissimum were much higher than those in aboveground， which were root-hoarding plants. The contents of Cd， Cu， Zn and other heavy metals in aboveground and underground parts of Indigofera bungeana were relatively low， which belonged to evading plant. Therefore， Senecio scandens， Bidens pilosa， and Polygonum capitatum can be used to remediate heavy metal pollution in soil， and Mirabilis jalapa， Equisetum ramosissimum， and Indigofera bungeana can be used for reclamation of mining area.

Key words： Niujiaotang lead-zinc mining area， enrichment， heavy metal， root-hoarding plant， evading plant

近年來，隨著鉛、鋅等礦產資源開采、金屬冶煉等生產活動的快速發展，在金屬冶煉和大力開采礦山的過程中，由于管理不當及自然災害等原因，使礦山開采和金屬冶煉所產生的廢水、廢渣排入礦區和周圍農田土壤，因此導致土壤重金屬污染（李俊凱等，2018）。土壤的污染導致農產品重金屬超標，同時農產品隨食物鏈進入人體，對長期生活在礦區周圍居民的身體健康產生了嚴重的危害（王學禮等，2010;董彬，2012;Sharifinia et al.，2016）。貴州礦產資源豐富，隨著科技發展和社會進步，在對礦山快速開采的過程中，對周圍環境也造成了難以估量的損害，特別是Cd污染，因其具有高毒性、易致癌、快遷移而引起人們的高度重視（張芳等，2018）。因此，不僅需要加大礦區的治理力度，盡快恢復礦區植被，控制礦區重金屬對周圍環境的影響，而且礦區周圍被重金屬污染農田的修復治理也迫在眉睫。

植物修復一般是指綠色植物利用自身的新陳代謝來轉移、轉換和固定土壤環境中的重金屬元素，進而使土壤中重金屬的含量減少或生物毒性降低，從而使被污染的土壤環境得到凈化的過程。植物修復具有適合大面積推廣、治理成本低且操作相對簡單的特點逐漸成為國內外學者的研究熱點（Sun et al.，2016;Sarwar et al.，2017）。近年來許多學者對長于礦區的植物進行了調查。張會敏等（2015）通過對相思谷礦區8種優勢植物對Cd、Pb、Cu和Zn的富集能力的研究認為，芒（Miscanthus sinensis）可用于尾礦的植被修復。付廣義等（2019）對東江湖鉛鋅礦渣堆場的9種優勢植物進行調查發現，馬尾松（Pinus massoniana）對Pb有很強的的富集能力。Wan等（2017）對湖南4個礦山上的植物進行調查發現，柔毛堇菜（Viola principis）對As、Pb和Cd都具有很強的富集能力。李思亮等（2016）通過研究浙江省4個鉛鋅礦中自然生長的優勢植物對重金屬的富集特性發現，紫花香薷（ Elsholtzia argyi） 具有 Cd 超富集植物的特征。另外，毛海立等（2011）研究發現，貴州鉛鋅礦區的桑科植物對 Pb、Cd具有顯著的富集效應。因此，對生長在礦區周圍的植物進行調查和篩選，初步篩選出對重金屬具有富集和耐性且生物量大的優勢植物，對礦區土壤的修復和植被恢復具有重大意義。

雖然目前發現的超富集植物已有400余種，但大多數存在生物量小和較差的區域適應性等缺點。因此，本研究通過對地處喀斯特地區的貴州牛角塘鉛鋅礦區進行優勢植物調查，研究優勢植物對重金屬的富集特性，篩選出能大量富集重金屬的優勢植物和不易富集重金屬的耐性植物，以期為牛角塘礦區和其他同類礦區的土壤修復提供植物材料。

1 材料與方法

1.1 材料和研究區概況

貴州牛角塘鉛鋅礦區，坐落在貴州東部鉛鋅成礦帶的南端。礦山開采產生的尾礦，大多以灰白色、灰色和灰褐色鉛鋅細粒堆放在人們修建的大型尾礦庫內（張建等，2018）。本次調查的菜園河分礦區、大坪分礦區、馬坡分礦區、獅子洞分礦區和新橋分礦區均已停止開采多年，該礦區為以鉛和鋅為主的多金屬礦床。

在該區域內，植物資源極其豐富且長勢良好，同時草本植物和體型小的灌木在礦區分布區域廣、數量多，為本地的優勢物種，分別在這5個分礦區內選擇優勢植物作為研究材料。

1.2 樣品采集和處理

2017年6月，利用手持式重金屬快速檢測儀（Innov-X Delta CGSM）進行初篩，選擇土壤重金屬含量高的區域為采樣區。選擇礦區中自然生長的、生物量較大的植物種類，多為草本植物，其中生物量較大的物種在體型上明顯大于周圍其他植物。對于礦區分布較多的植物采集的樣本較多，局部分布的植物采集混合植物樣，采集3～5株，混合成一個樣品，植物樣品盡量保持完整。土壤樣品采集與植物同時進行，植物根系附著了大量的土壤，用力抖動將土壤抖下后混合均勻，四分法后，取大約1 kg土壤裝入布袋，帶回實驗室進行下一步處理。

所有植物樣品均用聚乙烯塑料袋密封好帶回實驗室，先用自來水將附著在植物表面的泥土沖洗干凈，再用超純水將植物潤洗3～5遍，在通風處自然晾干后稱鮮重;將植物置于恒烘箱內，105 ℃殺青30 min，并于80 ℃烘干到恒重后稱其干重;計算各優勢植物的含水率。將烘干的植物放入不銹鋼粉碎機內粉碎充分后裝入聚乙烯袋，記上編號待測。將土壤樣品內的各種雜物剔除后自然風干，用研缽充分研磨后，過0.841 mm和0.149 mm尼龍篩，分別裝入牛皮信封袋，記上對應編號保存待測。

1.3 測定方法

采用美國國家環保署（US EPA）推薦的HNO3-H2O2體系來消解土壤樣品，采用HNO3-HClO4方法（EPA 3050B）來消解植物樣品，有效態采用DTPA浸提法。使用石墨爐原子吸收分光光度計（AA-700）測定樣品Cd含量，用ICP-OES測定各樣品Cu、Pb、Zn、Ni含量。同時，在處理的樣品中隨機加入10%～15%的重復數，來驗證實驗方法的準確性和操作人員對實驗過程的干擾。在樣品中分別加入國家標準土壤樣品（GSS-4、GSF-4）、國家標準植物樣品（GSV-1）進行質量控制，以確保實驗數據的可靠性。Cd回收率為82.3%～105.3%，Pb的回收率為92.1%～99.5%，Cu的回收率為95.0%～105.3%，Zn的回收率為89.6%～91.3%，Ni的回收率為97.3%～104.6%，符合分析質量控制要求，分析過程中所用試劑均為優級純，所用的水均為超純水（亞沸水）。

1.4 數據處理

富集系數（bio-enrichment coefficient，BCF）（地上部分）反映植物從土壤中吸收重金屬能力（魏樹和等，2003），計算方法如（1）所示：

BCF =Cp / Cs（1）

式中：Cp為植物地上部各重金屬含量（mg·kg-1）;Cs為土壤各重金屬含量（mg·kg-1）。

轉運系數（transport coefficient，TF）用來評價重金屬從植物根部向地上部的轉移能力 （鄒春萍等，2015），計算方法如（2）所示：

TF =Cp / Cr（2）

式中：Cp為植物地上部各重金屬含量（mg·kg-1）;Cr為地下部各重金屬含量（mg·kg-1）。

試驗數據使用軟件Excel 2016整理，圖形使用軟件SigmaPlot 15.0繪制，使用軟件SPSS 18.0進行方差分析，應用ANOVA進行差異性檢驗，P<0.05表示存在顯著性差異。使用軟件SPSS 18.0進行聚類分析，根據不同樣品的特征，對其進行分類，將性質相近的植物歸為一類。

2 結果與分析

2.1 優勢植物組成

本次調查采集優勢植物共30種，分屬16科，28屬。其中，菊科12種（占40%），豆科2種（占6.7%），蓼科2種（占6.7%），蕁麻科2種（占6.7%），車前科、唇形科、馬錢科、木賊科、茄科、商陸科、松科、莧科、旋花科、罌粟科、鳶尾科和紫茉莉科各1種（分別占3.3%）。牛角塘鉛鋅礦區優勢植物種類組成見表1。

由表1可知，草本植物25種，占比83%，說明在牛角塘鉛鋅礦區的復雜生存條件下，草本植物具有較強的抗性，同時也說明草本植物對重金屬有很強的耐性。另外，在本次采樣中，部分樣本在多個礦區均有采集，其中旋花分別采于獅子洞分礦區和新橋分礦區，鬼針草分別采于大坪分礦區、菜園河分礦區和獅子洞分礦區，河北木藍分別采于菜園河分礦區和獅子洞分礦區，藿香薊分別采于菜園河分礦區和獅子洞分礦區，千里光分別采于大坪分礦區和獅子洞分礦區，小蓬草分別采于獅子洞分礦區和馬坡分礦區，野艾蒿分別采于菜園河分礦區和獅子洞分礦區，醉魚草分別采于獅子洞分礦區、馬坡分礦區和新橋分礦區。

2.2 土壤重金屬含量狀況

測定分析牛角塘鉛鋅礦5個分礦區土壤的重金屬含量（表2）。由表2可知，5個分礦區土壤中Cd、Pb、Zn的含量均出現較大程度的超標現象，說明牛角塘鉛鋅礦5個分礦區土壤受到Cd、Pb、Zn等3種元素的污染十分嚴重。另外，5個分礦區土壤Cd、Cu、Ni、Pb、Zn含量的變化范圍很大，變異系數大多數都在30%以上，說明5個分礦區重金屬污染都存在較大的空間變異性，礦區土壤是一種復雜的多重金屬復合污染土壤。礦區土壤重金屬有效態含量如表3所示，相關性分析結果發現，有效態Cu與全量Cu、有效態Ni與全量Ni、有效態Pb與全量Pb和有效態Zn與全量Zn都在0.01水平上有顯著的相關性。

2.3 植物重金屬含量特征

牛角塘鉛鋅礦5個分礦區30種優勢植物體內重金屬含量見表4。從表4可以看出，不同植物體內重金屬含量差別較大，結合表2中不同分礦區土壤中的重金屬含量，從整體上看植物體內重金屬的含量與其生長環境處的土壤重金屬含量成正比，這與熊云武等（2016）的研究相一致。植物地上部各重金屬含量范圍分別是Cd 0.15～77.49 mg·kg-1、Cu 1.26～21.33 mg·kg-1、Ni 0.16～6.39 mg·kg-1、Pb 2.25～139.1 mg·kg-1、Zn 13.48～3 558 mg·kg-1。地下部各重金屬含量范圍分別是Cd 0.57～45.45 mg·kg-1、Cu 3.73～173.6 mg·kg-1、Ni 0.29～12.45 mg·kg-1、Pb 0.01～611.1 mg·kg-1、Zn 52.39～1 983 mg·kg-1。相比各重金屬在植物體內的正常含量，5種重金屬都不同程度地超出了正常范圍值，一般植物體內重金屬的正常含量（龍新憲等，2000;Gerber & Léonard，2002）為Pb 0.10～41.70 mg·kg-1、Zn 1.00～160.00 mg·kg-1、Cd 0. 20～3.00 mg·kg-1、Ni 1.00～5.00 mg·kg-1和Cu 0.40～45.80 mg·kg-1。

為了能更好地篩選出對重金屬有富集能力的優勢植物，選取各植物地上部含量的最大值與超富集植物臨界值進行對比（圖1），其中超富集植物各重金屬的臨界值分別為Cd 100 mg·kg-1、Pb 1 000 mg·kg-1、Cu 1 000 mg·kg-1、Ni 1 000 mg·kg-1、Zn 10 000 mg·kg-1。從表4和圖1可以看出，馬坡分礦區的頭花蓼、鬼針草和大坪分礦區的千里光地上部Cd含量分別為77.49、43.26、40.33 mg·kg-1，遠超普通植物體內Cd含量，與Cd超富集植物臨界值的比值分別為0.77、0.43、0.40，這說明頭花蓼、鬼針草、千里光對Cd都有較強的富集能力，同時頭花蓼地上部Zn含量為3 558 mg·kg-1，與Zn超富集植物臨界值的比值分別為0.36，說明頭花蓼對Cd和Zn都有較強的富集能力。其余植物體內這5種重金屬含量與超富集植物臨界值的比值都相對較小，尤其是采于菜園河分礦區的河北木藍，地上部和根部Cd、Cu、Zn含量都很低，說明它們對所處環境都有很強的適應性，具有良好的重金屬耐性。

2.4 礦區植物對重金屬的富集與轉運特征

富集系數（地上部分）用來評價植物從土壤中吸收重金屬的能力（李俊凱等，2018）。由圖2可知，土壤中Ni和Cu含量較低，雖然鬼針草、醉魚草、地盤松對Ni的富集系數（地上部分）大于1，鬼針草和千里光對Cu的富集系數（地上部分）也大于1，但這幾種植物是否對Ni、Cu有較強的富集能力，還需進一步的實驗加以驗證。所有植物對Cd、Pb、Zn的富集系數（地上部分）均小于1，可能與本次調查區域土壤中Cd、Pb、Zn含量過高有關。其中，野艾蒿對Cd、Zn的富集系數（地上部分）分別達到0.77、0.56，表明野艾蒿對Cd、Zn具有良好的富集能力;節節草對Cd、Pb、Zn的富集系數（地上部分）均為此次調查的30種優勢植物的最小值，其值分別為0.0003、0.0040、0.0005。

轉運系數表征植物對重金屬在體內的轉運能力（楊成等，2010）。從圖2和圖3可以看出，Cu、Zn、Cd在30種優勢植物中的富集能力和轉運能力存在一定的一致性，而Pb和Ni在30種優勢植物中的富集能力與轉運能力相差較大。其中，鬼針草、藿香薊、千里光、野艾蒿、醉魚草、苦苣、龍葵、豚草和博落回對多種重金屬的轉運系數均超過1，鬼針草、野艾蒿對5種重金屬的轉運系數均大于1。另外，節節草對Cd、Ni、Zn的轉運系數均是本次調查30種植物中的最低值，分別為0.007、0.069、0.008，紫茉莉對Pb和Cu的轉運系數是本次調查30種植物中的最低值， 其值分別為0.010、0.029。

2.5 聚類分析

本次調查中，沒有一種植物體內重金屬的含量達到超富集植物的臨界值，但對Cd而言，已經有超過普通植物含量數十倍的植物，其已具備重金屬富集植物的某些特征，有可能從中篩選出一些潛在的富集植物。為能更好地篩選出對重金屬具有富集潛力的優勢植物，選取每種植物地上部Cd含量的最大值和對應的富集轉運系數作為參數，對30種優勢植物進行聚類分析（圖4）。根據圖4，可將其劃分為4個等級，Ⅰ級中的植物對Cd的轉運系數均大于2，Ⅱ級中的植物對Cd的轉運系數介于1～2之間，Ⅲ級植物對Cd的轉運系數介于0.5～1之間，Ⅳ級中植物對Cd的轉運系數均小于0.5，地上部Cd含量與Cd超富集植物臨界值的比值均小于0.04。其中，Ⅰ級植物有龍葵和商陸，Ⅱ級植物有千里光、藿香薊、鬼針草、野艾蒿，Ⅲ級植物有黃瓜菜、河北木藍等10種，Ⅳ級植物有節節草、紫茉莉等12種。其中，Ⅰ級中的龍葵和商陸地上部Cd含量較小，分別為3.72 mg·kg-1和7.81 mg·kg-1，Ⅱ級植物中的千里光、鬼針草、藿香薊、野艾蒿地上部Cd含量分別為40.33、43.26、21.60、22.89 mg·kg-1，轉運系數和富集系數（地上部分）分別為1.35和0.20、1.16和0.37、1.65和0.28、1.61和0.77。

3 討論與結論

富集植物一般是指植物的地上部分對重金屬的吸收量比普通植物高十倍以上，且不影響正常的生命活動的植物。一些植物常年生活在重金屬高背景區域，經過不斷地馴化后，對重金屬具有很強的耐性，能在重金屬含量比較高的土壤中正常生長，這些植物被稱為耐性植物。

植物為了適應礦區復雜的生存環境，逐漸對重金屬具備一定的抗性，但每種植物對不同重金屬的適應能力和抵抗能力各不相同。根據植物對土壤重金屬的不同耐性將植物劃分為富集型植物、根部囤積型植物和規避型植物三種（雷梅等，2005;Vaculík et al.，2012）。

富集型植物能夠大量吸收重金屬并將其運移到地上部。對于土壤重金屬的治理與修復， 關鍵是找到合適的富集植物，目前許多學者在這方面已做了大量研究。印度芥菜（楊卓等，2011;麥笑桃等，2019）、寶山堇菜（劉威等，2003;鄧培雁等，2007）等具有很好的Cd富集能力，但其生物量較小，故在實際的工程應用中也無法推廣。本研究中鬼針草和千里光作為一種田間雜草，具有生命力強、易培育、生物量大等優點。采于馬坡分礦區的鬼針草和采于大坪分礦區的千里光地上部Cd含量分別為43.26、40.33 mg·kg-1，遠大于重金屬在植物體內的正常含量，轉運系數分別為1.35和1.16，富集系數（地上部分）分別為0.20和0.37，表明千里光和鬼針草可以分別用于大坪分礦區和馬坡分礦區土壤Cd污染的治理和修復。采于馬坡分礦區的頭花蓼地上部Cd、Zn含量均為30種植物的最大值，表明頭花蓼是一種Cd、Zn復合污染潛在修復植物，可用于馬坡分礦區土壤Cd、Zn污染的治理。采于獅子洞分礦區的醉魚草對Ni的富集系數（地上部分）和轉運系數分別為6.16和1.37，均大于1，其地上部Ni含量僅為0.62 mg·kg-1，導致富集系數（地上部分）大于1的原因是醉魚草根系土壤中Ni含量過低，雖然醉魚草對Ni有較大的富集轉運系數，但醉魚草是否能用來治理獅子洞分礦區土壤Ni污染，還需進一步的研究加以驗證。

根部囤積型植物則是被動地吸收土壤中的重金屬，雖然能將重金屬吸收至體內，但大部分重金屬只囤積在根部，而不向地上部轉移，從而減少對植物體的傷害。采于獅子洞分礦區的節節草和采于菜園河分礦區的紫茉莉，均屬于Ⅳ級植物，其中節節草和紫茉莉根部Cd、Cu、Pb的含量介于20.44～611.1 mg·kg-1之間，地上部Cd、Cu、Pb的含量介于0.15～6.19 mg·kg-1之間，根部Zn含量均超過1 600 mg·kg-1，地上部Zn含量均小于140 mg·kg-1，表明節節草和紫茉莉能夠適應不同程度的污染土壤， 并將重金屬吸收到地下部根系中， 屬于根部囤積型植物。

規避型植物則是能抵制對重金屬的吸收，將土壤重金屬沉積在根系表面，植物體內則很少吸收重金屬。采于菜園河分礦區的河北木藍，屬于Ⅲ級植物，根部Cd、Cu、Zn的含量分別為0.72、5.41、72.85 mg·kg-1，地上部Cd、Cu、Zn的含量分別為0.39、4.77、36.90 mg·kg-1，表明河北木藍不易從土壤中吸收重金屬，屬于規避型植物。

根部囤積型和規避型植物，可用于礦區的復墾，減少礦區對周圍環境的傷害。因此，節節草可用于獅子洞分礦區，紫茉莉和河北木藍可用于菜園河分礦區的礦區復墾工作，從而實現礦區的可持續發展。

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（責任編輯 蔣巧媛）

收稿日期：2020-08-24

基金項目：廣西科技重大專項 （桂科AA17204047）;廣西自然科學基金（2013GXNSFEA053002）[ Supported by Major Science and Technology Project in Guangxi （GuiKe AA17204047）; Guangxi Natural Science Foundation （2013GXNSFEA053002）]。

第一作者： 頓夢杰（1992-），碩士，主要研究方向為區域環境調查與風險評估，（E-mail）623382673@qq.com。

通信作者：宋波，博士，教授，博士研究生導師，研究方向為重金屬污染土壤修復治理，（E-mail）songbo@glut.edu.cn。