矿区蕨类植物重金属富集性调查研究——以黄石国家矿山公园为例

葛绪广，张欢欢，陈 琳，张亚雄，潘承承，时 宇，丰聪颖，翟伟哲

(1.湖北师范大学 城市与环境学院，湖北 黄石 435002；2.首都师范大学 资源环境与旅游学院，北京 100048)

矿区蕨类植物重金属富集性调查研究
——以黄石国家矿山公园为例

葛绪广1，张欢欢1，陈 琳1，张亚雄1，潘承承1，时 宇1，丰聪颖1，翟伟哲2

(1.湖北师范大学 城市与环境学院，湖北 黄石 435002；2.首都师范大学 资源环境与旅游学院，北京 100048)

人类活动引起的环境污染和生态破坏越来越严重，尤其是干扰强烈的地区，如矿产开发区，矿区生态环境的治理也越来越受到重视。以黄石国家矿山公园蕨类植物及其根系土壤的重金属含量为研究对象，对植物的根、茎、叶及其根系土壤中的重金属进行了测定，结果显示：土壤中某些重金属含量超标，其中Cd最严重，平均污染指数达到 46.30，Cu为11.20；植物对重金属元素的富集作用差别较大，凤尾蕨和贯众对重金属的富集作用较强，在治理当地重金属污染工作中能发挥较大作用；同一植物不同组织对重金属的富集作用有明显差异，多数植物根系对重金属的富集作用比其他组织强。

植物；重金属；富集；组织

0 引言

重金属是指比重大于5的金属(一般来讲密度大于4.5g/cm2的金属)，包括Cr、Cd、Hg、Pb、Cu、Ag和Sn等40多种金属，除此之外，毒性比较相近的Se、As等类金属元素也属于重金属的范畴。重金属是一类具有潜在危害性的重要污染物[1]，其在环境中产生的污染效应具有长期性、隐蔽性和不可逆性的特点[2]，随着食物链的传递具有积累和放大作用，进而会对生物产生更大的负面影响。黄石国家矿山公园前身为我国重要的铁、铜采矿区。长期的矿产资源开发，使得矿区重金属污染问题比较突出。近些年来，植物学家不断地运用藻类、苔藓、蕨类以及种子植物[3～6]，对不同重金属的单一或复合污染处理效果进行深入研究，进而筛选出了几种相关的重金属富集和超富集植物[7]。针对目前有关黄石国家矿山公园植物重金属含量调查研究还未见报道，基于此，对研究区的植物以及它们各自的根系土壤进行了了采集，随后测定了植物各个部位(根、茎和叶)及其根系土壤中五种重金属元素(Cd、Cr、Cu、Zn、Ni)的含量，进而挖掘出可能具有重金属富集能力的植物，以期对植物修复技术的研究有一定的指导作用。

1 材料和方法

1.1 材料和试剂

1.1.1 采集植物样品 在采样区内选择数量较多、生长良好的植物进行采取，植物尽量采集整株，并保持植株的完整性。将采集好的样品用塑料袋装好并附上样品编号，在记录簿上做好记录。同时分别采集各植物相应根系的表层土壤并装袋贴好对应标签。

1.1.2 试剂 硝酸、盐酸、氢氟酸、Cd、Cu、Ni、Cr、Zn的标准液。

1.2 仪器设备

恒温干燥箱、研钵、消解罐、微波消解仪、冷却机、加热仪、ICE 3500系列原子吸收光谱仪等。

1.3 方法

1.3.1 处理土壤样品 将采集的土壤样品用恒温干燥箱70℃烘干，取适量样品用研钵将土样磨细，用天平准确称取0.4000g样品倒入消解罐，加入9mL HNO3、3mL HCl和2mL HF，之后将其放入微波消解仪中消解，消解完成后放在冷却机上冷却15min，然后在加热仪上150℃加热40min进行赶酸，结束后将消解液移至50mL比色管中定容。

1.3.2 处理植物样品 将采集的植物样品先用自来水将表面的泥土等杂物冲洗干净，而后再用去离子水冲洗3遍，沥去水分，将植物分为根(地下部分)、茎和叶(地上部分)，用不锈钢刀切碎，置于恒温干燥箱中120℃杀青30min，然后在70℃下烘干至恒重。将烘干后的植物用研钵研碎，而后每个样品用分析天平准确称取0.2000g，采用和土壤同样的方法消解、定容。

1.3.3 测定 将处理好的样品用ICE 3500系列原子吸收光谱仪测定重金属含量。

1.4 评价方法

1.4.1 土壤重金属污染评价方法 本研究采用常用的单项因子污染指数法对黄石国家矿山公园的土壤进行现状评价。选用湖北省土壤自然背景值和国家土壤环境质量二级标准(GB15618—1995)作为评价标准[8,9](表1)，对黄石国家矿山公园土壤重金属的环境质量状况做出评价。单因子污染指数[10]∶(Pi)=土壤污染物实测值/土壤污染物标准(1)。(1)式中，Pi<1，表示未污染；Pi>1，表示污染。Pi越大，表示污染越严重。

表1 土壤重金属污染评价标准 单位：mg·kg-1

1.4.2 综合富集系数 综合富集系数(BCF)是指某植物体各器官对各重金属元素富集系数的平均值。植物的根、茎、叶是一个整体，其综合富集系数能够更加直观、清晰地反映植物整体富集某种重金属的能力大小。公式如下：

BCF=(BCFR+BCFL+BCFB)/3

其中，BCFR为根富集系数；BCFL为叶富集系数；BCFB为茎富集系数。

2 结果与讨论

2.1 土壤中的重金属污染评价

根据湖北省土壤环境背景值进行单项因子污染指数评价(表2中PB)，6个采样点土壤的Cd、Cu、Zn污染指数值都大于 1.0，表示该地区土壤已受到重金属的污染。不同重金属对各自采样点所造成的污染程度存在较大差异，从污染指数上看 Cd>Cu>Zn>Ni>Cr。其中，所有采样点土壤中的 Cd 都超标，平均污染指数达到 46.30，远大于标准值1.0，Cu为11.20； Zn为4.20。除了T4样点土壤受到Ni的微污染外，其余样点土壤均未受到Cr、Ni污染。

以国家土壤环境质量二级标准为评价标准，结果如表2中PC，Cd 污染依然超标最大，之所以出现此现象，很可能是因为研究区周围矿业活动频繁，使重金属Cd进入土壤而超标严重。此外，由表2可以看出，T1土壤的Cd污染指数明显小于其它土壤，这可能是由于旁边河流流水的冲刷作用造成的。另外，Cu 的污染程度也较严重，平均污染指数值达到6.88 . 与土壤背景值评价不同的是，采用国家二级标准评价时，原本污染程度较高的Zn污染指数由第三位下降至第五位，从平均污染指数来看，并未造成重金属的污染；而Cr 和Ni 以国家二级标准衡量，其平均污染指数分别为0.45和0.75，同样表示未受到污染。

表2 矿山公园土壤重金属环境质量评价

注：T1-T5分别是编号为1-5的植物的根系土壤；PB、PC分别代表以湖北省土壤背景值和国家土壤环境质量二级标准计算得到的单因子污染指数值。

由上面分析可知，基于湖北省自然背景值和国家土壤环境质量二级标准，针对黄石国家矿山公园土壤中的重金属含量都得出了土壤受到重金属不同程度污染的评价结果。这可能是因为多年来黄石矿业发展迅速，在促进经济高速发展的同时，对其周边地区的土壤产生了不同程度的污染，致使土壤重金属含量有了不同程度的增加。

2.2 不同植物对重金属的综合富集系数

由表3可以看出，不同植物对同种重金属富集系数存在显著性差异,同种植物对不同重金属综合富集系数不相同，同种植物在不同生长环境下对重金属的富集效果有较大差异。从综合富集指数上看，蕨菜对5种重金属富集能力比较：Cd>Ni>Zn>Cr>Cu。铁线蕨对5种重金属的富集能力Cd>Ni>Cr>Zn>Cu；凤尾蕨对Zn的富集效果很强，综合富集系数达30.76，而后是Cd>Cu>Cr>Ni；蜈蚣草对5种重金属的富集能力：Zn>Cd>Cr>Ni>Cu；贯众对5种重金属吸收富集能力：Zn>Ni>Cr>Cd>Cu。5种植物里边，蕨菜对Cd的富集效果最大，综合富集系数达到36.60，而对其他4种重金属的富集效果较弱；对Cu富集能力最高的是凤尾蕨，综合富集系数为2.39；对Zn和Ni富集能力最高的是贯众，综合富集系数分别为46.92和2.81；对Cr吸收富集能力最高的是贯众，综合富集系数为1.23。

表3 植物对5种重金属的综合富集系数(BCF)

植物修复技术是土壤重金属污染净化的重要方式，具有较高的生态价值和经济价值。本文在已有研究的基础上，通过实验及分析大体了解了黄石矿山公园土壤重金属污染状况以及该矿区植物对重金属的富集作用，由此得出以下结论：

1)基于湖北省土壤自然背景值和国家土壤环境质量二级标准，黄石国家矿山公园的土壤都受到了不同程度的重金属污染，其中，重金属Cd的污染最为严重，Cu次之。

2)不同的植物对重金属元素的富集作用差别较大。蜈蚣草对Cd的富集作用明显，凤尾蕨、蜈蚣草、贯众对Zn有很好的富集作用；凤尾蕨对Cu的吸收富集效果最好。

3)同一植物的不同器官对各种重金属的吸收富集能力有明显差异。从植物根部和茎叶重金属富集系数来看，植物不同器官对重金属的富集能力有一定的规律，即大多数植物表现为根部的富集系数大于茎叶的富集系数。

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Investigation on heavy metal accumulation of pteridophyta in mine Lot——With Huangshi national mine park for example

GE Xu-guang1, ZHANG Huan-huan1, CHEN Lin1, ZHANG Ya-xiong1,PAN Cheng-cheng1,SHI Yu1,FENG Cong-ying1,ZHAI Wei-zhe2

(1.College of Urban and Environmental Sciences, Hubei Normal University, Huangshi, 435002, China; 2.College of Resource Environment and Tourism, Capital Normal University，Beijing，100048，China)

The environmental pollution and ecological destruction caused by human activities are more and more serious, especially in strongly interferenced region, such as mineral development zone. The management of ecological environment in mining area has focused more and more attention. In Huangshi, the pollution caused by the mineral development brought a serious threat to the health of people who live in the local or surrounding areas. In this paper, we take the heavy metal accumulation of plants collected from Huangshi National Mine Park as the research scope, measure the heavy metal content of the plants’ roots, stems, leaves and root zone soil. In the end, we can come to some conclusions: some heavy metals are existed excessively in soil vary widely on enrichment of heavy metals, enrichment of heavy metal of the plants such as Pteris and Cyrtominm rhizome are stronger, and they can play a great role in the governance of local heavy metal pollution; the enrichment of heavy metals by different tissues of the same plant has significant difference, the majority of the enrichment of heavy metals by plant roots is better than other tissues.

plant; heavy metals; tissue; enrichment

2016—11—17

湖北省教育厅重点项目(D20152501); 湖北省级大学生创新创业项目(201610513037)；湖北师范大学本科生科研项目(ZZ04)

葛绪广(1976— )，男，山东临沂人，博士，副教授，主要从事地理教育和环境生态修复研究.

G502

A

2096-3149(2017)01- 0008-04

10.3969/j.issn.2096-3149.2017.01.002