湖南省衡阳市某铅锌尾矿区植物多样性及其重金属富集性研究

付雄略，陈永华，刘文胜，陈展祥，张倩妮

（中南林业科技大学 a.环境科学与工程学院；b.生命科学与技术学院，湖南 长沙 410004）

湖南省衡阳市某铅锌尾矿区植物多样性及其重金属富集性研究

付雄略a，陈永华a，刘文胜b，陈展祥a，张倩妮a

（中南林业科技大学 a.环境科学与工程学院；b.生命科学与技术学院，湖南 长沙 410004）

本研究以衡阳市某铅锌矿尾矿区为样地，首先选取了10个样方，进行多样性统计，然后，选取样地中长势良好且具有多度和频度优势的植物分析重金属的富集性。研究结果表明：（1）样地内共出现植物15科41种，多为草本植物，禾本科和菊科植物为优势植物，两者占草本种数的60%。（2）采样地植物种类较为稀少，群落组成结构单一，物种多样性水平不高，生态较为脆弱，其中，各样方中样方四的植物多样性最佳，丰富度指数R，均匀度指数E以及多样性指数H均为最高，也仅分别为2.299、0.724、1.813。（3）3个采样点中不同深度土壤中重金属Pb、Zn、Cu的含量进行显著差异性分析，Pb、Zn的分布呈现出0～10 cm剖面与另外的5个剖面都有显著性差异，说明污染上升污染到了10～20 cm，Cu的分布呈现出6个剖面没有显著性差异，说明土层已经全部污染。（4）10种长势良好并且具有多度和频度优势的植物中艾蒿、鸭跖草、野大豆这3种植物对Pb的转移系数＞1；艾蒿、鸭跖草、狗牙根和野大豆对Zn的转移系数＞1；芒草、艾蒿、芦苇、野大豆这4种植物对Cu的转移系数＞1。野大豆对Pb的富集系数＞1；辣蓼、鸭趾草与野大豆等3种植物对Zn的富集系数＞1。

铅锌尾矿库 重金属 优势植物 转移 富集

近年来，随着铅、锌等矿产资源开采、金属冶炼等生产活动加快发展，全国铅锌原矿处理量达到2223.2万t/a，尾矿产率为74.74%，排放量为1661.61万t/a[1]。尾矿渣如果处理不当，极易造成矿区周边的水体及土壤重金属污染。湖南铅锌矿产资源丰富，是我国五大铅锌矿采选冶炼和加工配套生产基地之一。然而，随着湖南省铅锌产业的快速发展，导致铅锌尾矿渣数量不断增多，不合理安置、乱堆乱放等现象普遍，生态环境问题接踵而来，危害令人瞩目。

铅锌矿尾砂粒径小，为细砂和粉粒，缺磷无氮、有机质含量低，阳离子代换量低，保水保肥能力较弱而不宜于直接耕作和植树[2]。因此，加强对铅锌矿区尾矿库重金属污染的植物修复研究显得尤为重要，生长在矿山区、成矿作用带、重金属污染区域上的植物对重金属污染具有较强的耐性，因此对矿区废弃地上生长的植物进行调查是寻找重金属耐性植物的有效途径之一[3]。近年来，对铅锌尾矿区植物多样性研究取得了大量成果[4-8]。本研究通过对湖南省衡阳市某铅锌尾矿库植物多样性调查及其重金属富集情况研究，以期为湖南铅锌尾矿的生态治理提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 样地情况

衡阳市某铅锌矿某尾矿库1958年建成投产，属山谷型尾矿库，设计等别为四等，1986年停用，总库容240万m3，2010年7月进行了库闭库治理安全工程治理，覆土30 cm。

1.2 植物多样性分析

沿着尾矿库对角线设置2 m×2 m小样方10个，记录样方内植物的种名、平均高度、盖度和多度等级。

1.2.1 重要性的计算

对灌木层和草本层物种重要值的计算采用以下公式[9]：

重要值=(相对频度+相对密度+相对盖度)/3。

相对频度=（某物种的频度/所有物种的频度）×100%。

相对密度=（某物种的个体数量/所有物种的个体数量）×100%。

相对盖度=（某物种的总盖度/所有物种的总盖度）×100%。

由于采样点各样方内各物种频度较为均一，因此相对频度不作考虑。

1.2.2 多样性的测定

以物种丰富度指数、物种多样性指数、均匀度指数为指标进行物种多样性分析。分别采用Margal ef指数（R）、Shannon-Wiener多样性指数（H）、Simpson多样性指数（D）以及Simpson均匀度指数（E）。

（1）Margal ef指数

（2）Shannon-Wiener多样性指数

（3）Simpson多样性指数

（4）Simpson均匀度指数

式中：Ni为第i个种的个体数；Pi=Ni/N，为第i个种的个体数的比例；S为i所在样地的植物种数；N为总数个体。

1.3 重金属富集分析

1.3.1 土壤重金属分析

随机在样方附近挖土壤剖面3个，记录土壤剖面特征，并以100 cm3的土壤环刀，按0～10 cm、10～ 20 cm、20～ 30 cm、30～ 50 cm、50～70 cm、70～100 cm的土壤深度分层取样5 kg，称取鲜重并编号，用于实验室理化性质分析（重金属Pb、Zn、Cu全量）。测定方法参考[10]。

1.3.2 植物重金属分析

选取样地中长势良好并且具有多度和频度优势的植物分析重金属的富集性，植物样品采用“硝酸-高氯酸”消解法消解[11]。

1.4 数据处理

采用SPSS19.0软件进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 植物多样性分析

2.1.1 植被种类组成及特征

所调查样地的10个样方中共有植物15科41种（见表1），均为亚热带植物种类。调查区的植物以草本为主，数量较多的为芒草Miscanthus sinensis、狗尾草Setaria viridis、狗牙根Cynodon dactylon以及荩草Arthraxon hispidus等禾本科草本植物；灌木种类较为单一，盖度较小，仅有苎麻Boehmeria nivea、菝葜Smilax china；乔木种类较为单一，共3科4种，如乌桕Sapium sebiferum、油桐Vernicia fordii、泡桐Paulownia tomentosa和构树Broussonetia papyrifera，均为耐干旱贫瘠的乔木品种。草本群落物种较为丰富，共12科35种，占植物种数的85%以上且盖度较高。禾本科植物和菊科植物占草本植物种类的多数，共占草本植物种类的60%，其中禾本科植物占草本种数的34%，菊科植物占草本种数的26%，其他草本植物种类占总草本种数40%。由此可知，在调查区域现阶段的植被恢复过程中，禾本科植物和菊科植物有着举足轻重的作用。同时，因为长期的矿石开采，矿山原有的植被群落被严重破坏，调查区域属于自然演替初期阶段，说明禾本科植物和菊科植物是植被群落恢复中自然演替初期的优势植物。从而可知由于水口山铅锌矿是一座开采历史悠久的大型铅锌矿山，在长期的开采过程中，人为的破坏远远快于植被的自我修复更新，植被的自我恢复能力不足以还原区域的生态状况，因此导致调查区域的生态相当脆弱。

2.1.2 植物群落优势种及重要值

根据对十个样方所调查的物种分布情况及相关数据，进行植物群落优势种及其重要值统计分析（见表2）。由表2可知，各个样方中的草本植物群落优势种存在重复现象，芒草在样方1、2、3、7、8中均为优势种或亚优势种；狗尾草在样方1、6、7中均为优势种或亚优势种；荩草在样方5、6中均为优势种；狗牙根在样方8、9中均为优势种；仅在样方4和样方10中优势种没有和其他样方发生重复，分别为芦苇和加拿大飞蓬。调查发现，灌木和乔木在样方中均为少量出现，且盖度较小，因此，调查区域范围内植物群落的构成以草本植物群落为主，说明调查区域在自然演替过程中仍处于初期阶段。

2.1.3 植物群落物种多样性

经过调查可知，调查区域范围内植物群落的构成以草本植物为主，灌木及乔木的物种数量较少、盖度较小且品种少，草本植物的构成情况直接影响整个调查区域的植物群落的构成，草本植物层为优势层，因此，草本植物的物种多样性情况直接反映了植物群落物种多样性。调查区域经过长期的自然演替后，各个样方演变形成了不同的群落类型，其中样方1、7形成了“狗尾草+芒草”群落；样方5形成了“狗尾草+荩草”群落；样方8形成了“狗牙根+芒草”群落；样方2、3、4、9、10均为单一优势物种，样方2、3中芒草为优势物种，荩草、狗牙根、加拿大飞蓬分别为4、9、10样方中的优势物种。通过数据分析对10个样方的物种多样性进行分析（见表3）。

表1 衡阳某铅锌尾矿库主要植物种类及特征Table 1 Main plant species and characteristics in a leadzinc tailings in Hengyang city

表2 各样方植物群落优势种及其重要值Table 2 Dominant species of plant community and its important value

表3 各样方物种多样性比较Table 3 Comparison of species diversity in each quadrat

由表3可知，物种丰富度指数R大小顺序为样方4＞样方1＞样方7＞样方8＞样方10＞样方5＞样方3＞样方6＞样方9＞样方2。均匀度指数E大小顺序为样方4＞样方5＞样方2＞样方7＞样方1＞样方10＞样方3＞样方8＞样方9＞样方6。多样性指数H大小顺序为样方4＞样方1＞样方7＞样方10＞样方8＞样方5＞样方3＞样方9＞样方6＞样方2。多样性指数D大小顺序样方4＞样方1＞样方7＞样方5＞样方10＞样方8＞样方9＞样方3＞样方2＞样方6。其中样方4的各项指标R、E、H、D均为最大，分别为2.299、0.724、1.813、0.862，说明样方4的物种多样性最佳。

2.2 植物的重金属富集能力分析

2.2.1 尾矿库土壤重金属状况

从不同深度土壤中Pb、Zn和Cu该3种重金属元素的含量（见表4）分析，该样地土壤中重金属元素Pb、Zn和Cu的含量符合土壤环境质量标准（GB15618-1995）中的国家一级质量标准，说明该尾矿库在覆土30 cm之后，总体来看，土壤中的重金属污染暂时得到了缓解[12]。分析3个采样点中不同深度土壤中重金属Pb、Zn、Cu的含量进行显著差异性，Pb、Zn的分布呈现出0～10 cm剖面与另外的5个剖面都有显著性差异(P＜0.05)，说明污染上升污染到了10～20 cm，Cu的分布呈现出6个剖面没有显著性差异，说明土层已经全部污染。污染的原因可能为由于植物根系及土壤中多孔颗粒对重金属元素的毛细吸附作用，土壤多孔颗粒对向植物根系迁移的重金属具有动力吸附作用，重金属向上产生迁移。因此，仅仅依靠覆土只能暂缓污染，若要从根本上治理土壤重金属污染，还需进一步实施生态修复措施[13]。

表4 不同深度土壤中重金属含量†Table 4 Heavy metal content in different depth of soil

2.2.2 植物的重金属富集能力分析

根据多样性调查结果分析，样地中长势良好并且具有多度和频度优势的植物有：芒草Miscanthus sinensis、 蓼 Polygonum fl accidum、艾蒿 Artemisia argyi、芦苇 Phragmites australis、荩草Arthraxon hispidus、鸭跖草 Commelina communis、狗牙根Cynodon dactylon、野大豆Glycine soja、狗尾草Setaria viridis、加拿大飞蓬 Conyza canadensis。其均为草本植物，说明草本植物对该铅锌尾矿库恶劣环境有较强的适应能力，具有较强的抗逆性[14]。

对该10种植物体内的Pb、Zn、Cu的含量进行测定（表5），一般植物的正常重金属含量为：Pb 0.1 ～ 41.7 mg·kg-1；Zn 1 ～ 160 mg·kg-1； Cu 0.4～45.8 mg·kg-1[15]，本研究的10种植物体内Pb、Zn、Cu的含量均在正常范围内，说明它们能在此重金属污染严重的环境中生长良好，它们均具有一定的重金属耐性[16-25]，对该环境有较强的适应能力。

2.2.3 10种植物重金属元素的转运与富集特征

由转移系数（TF）[26]（表6）可知：艾蒿、鸭跖草、野大豆这3种植物对Pb的转移系数＞1；艾蒿、鸭跖草、狗牙根和野大豆对Zn的转移系数＞1；芒草、艾蒿、芦苇、野大豆这4种植物对Cu的转移系数＞1。有研究表明，在Pb、Zn含量比较高的铅锌尾砂矿区，选用转移系数较高的植物作为修复选材可防止土壤的二次污染[27]，因此可将艾蒿、鸭跖草、狗牙根、野大豆等4种植物作为植物修复的选材。

表5 铅锌矿尾矿库区10种植物体内重金属含量(mg/kg)Table 5 Contents of heavy metal in 10 plants in a leadzinc tailings (mg/kg)

表6 植物重金属元素的转移系数和富集系数Table 6 Transfer factor and bioaccumulation factor of heavy metal elements in plants

从表6中富集系数（BCF）[28]可知，野大豆对Pb的富集系数＞1；辣蓼、鸭趾草与野大豆等3种植物对Zn的富集系数＞1。说明这3种植物都具有较强的富集能力，同时有研究证明，辣蓼、鸭跖草、野大豆可用于Pb、Zn污染严重地区的生态修复[29-31]。

3 结 论

（1）样地内共出现植物15科41种，多为草本植物，禾本科和菊科植物为优势植物，两者占草本种数的60%。草本植物的物种多样性情况直接反映了植物群落物种多样性。狗尾草和芒在草本群落中为优势种获亚优势种，表现出了很强的生长优势。

（2）采样地植物种类较为稀少，群落组成结构单一，物种多样性水平不高，生态较为脆弱，其中，各样方中样方四的植物多样性最佳，丰富度指数R，均匀度指数E以及多样性指数H均为最高，也仅分别为2.299、0.724、1.813。

（3）3个采样点中不同深度土壤中重金属Pb、Zn、Cu的含量进行显著差异性，Pb、Zn的分布呈现出0～10 cm剖面与另外的5个剖面都有显著性差异，说明污染上升污染到了10～20 cm，Cu的分布呈现出6个剖面没有显著性差异，说明土层已经全部污染。

（4）辣蓼、艾蒿、鸭跖草、狗牙根和野大豆可作为植物修复的选材。在Cu含量较高的矿区，芒草、艾蒿、芦苇和野大豆由于对Cu的富集系数较低，建议这四类植物可作为绿化植物。

4 讨 论

近年来在生态修复研究中，植物修复以在保护表土、控制水土流失、恢复植被景观、丰富生物多样性等诸多方面的优势成为研究热点[32]。在植物修复领域，超富集植物的筛选一直是研究热点，目前已筛选出的超富集植物约500余种[33]。然而由于大多数超富集植物生物量小，富集金属单一的特点，导致其修复效率受到严重限制，其实际应用成功案例少之又少。由此，生物量大但其富集系数和转移系数达不到超累积植物标准的重金属耐性植物成为学术界的研究新热点。并且由于植物修复时间长，研究者逐渐致力于筛选出具有一定经济价值的重金属耐性植物，以此提高修复期间土地的利用价值。例如泡桐、栾树等乔木可作为用材植物[32,34]；蓖麻、黄豆等可作为能源植物[32，35]。研究表明，土壤的重金属污染往往是复合型污染[36]，因此构建修复多种重金属并具有一定经济价值的复合植被群落将成为植物修复技术的发展新趋势。

由于研究时间的限制，本研究仅对湖南省衡阳市某铅锌尾矿库植物多样性调查及其重金属富集情况进行了初步分析。与同行类似研究相比，在植物多样性调查中未涉及植物生活型的统计，缺乏对植物群落稳定性的相关分析[37]。且样地设置较少，样本较为单一。在植物重金属分析方面，未分析植物体各部分重金属富集性的差异。今后的研究可适当增加样地的数量，增加群落稳定性的分析以及植物体各部分重金属富集性的差异分析，以期完善研究，为湖南铅锌尾矿的生态治理提供参考依据。

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Plant diversity and its heavy metal enrichment investigation in a leadzinc tailings in Hengyang city of Hunan province

FU Xionglue, CHEN Yonghua, LIU Wensheng, CHEN Zhanxiang, ZHANG Qianni
(a.College of Environmental Science and Engineering; b.College of Life Science and Technology,Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

In this research, lead zinc mine tailing pond in Hengyang city was taken as sample plot. At fi rst, 10 plots were selected by diversity statistics. Then the plant which grows well and has advantages of abundance and frequentness were selected to analyze the heavy metal enrichment. The results showed that: There were 15 families, 41 species in the sample area. They are mostly herbaceous species. The dominant were the Gramineae and Compositea plants, both accounting for 57% of the herbaceous species.Relatively rare plant species in sample area, community composition and structure was simple, the low level of species diversity and ecological fragile on that sample area. The best plant diversity of sample is the forth. The richness index R, eveness index E and diversity index H in forth sample are the highest.They were only 2.299, 0.724, 1.813. Analyzed the signi fi cant different of the content of heavy metal copper,zinc and lead in soils with different depth in 3 sample plots, the 0～10 cm pro fi le of lead and zinc have a signi fi cant difference with the other 5 pro fi les. It showed that the pollution have extended to10～20 cm depth. There is no signi fi cant difference between the 6 pro fi les of copper. It showed that the whole soil were polluted by copper. In the 10 plants which grows well and has advantages of abundance and frequentness, The lead transfer coef fi cient of Artemisia argyi, Commelina communis and Glycine soja are more than 1. The zinc transfer coef fi cient of Artemisia argyi, Commelina communis, Cynodon dactylon and Glycine soja are more than 1. The copper transfer coef fi cient of Miscanthus sinensis, Artemisia argyi, Phragmites australis and Glycine soja are more than 1.The zinc bioconcentration factor of Polygonum fl accidum, Commelina communis, and Glycine soja are more than 1.

lead-zinc tailings; heavy metal; dominant species; transportation; enrichment

S719

A

1673-923X(2017)07-0130-06

10.14067/j.cnki.1673-923x.2017.07.020

2016-04-21

环保公益性行业科研专项（201509037）；湖南省省级环境保护专项资金环保科技项目（2016-16）；国家水体污染控制与治理科技重大专项（2013ZX07504001）；湖南省环境科学与工程重点学科建设项目

付雄略，硕士研究生

陈永华，教授，博士；E-mail：chenyonghua3333@163.com

付雄略，陈永华，刘文胜，等.湖南省衡阳市某铅锌尾矿区植物多样性及其重金属富集性研究[J].中南林业科技大学学报，2017, 37(7): 130-135.

[本文编校：吴 毅]