个旧冶炼废水污灌区野豌豆对土壤重金属富集作用的研究

周金华，王奕舒，余 浪，宗世荣，肖亚楠，施 矞，李云驹

(云南磷化集团有限公司，云南 昆明 650600)

0 引言

重金属在土壤中大量积累导致土壤性质恶化，影响土壤的物理特性和营养元素的供应[1]，影响植物对营养元素的吸收和利用[2]，扰乱代谢，使细胞生长发育停止[3]。重金属的积累也会影响微生物群落结构、种群增长特征及遗传特征等，降低微生物多样性和土壤酶活性[4]。重金属的稳定性和难迁移性使其污染作用具有长期持续性，现已成为当前生态健康关注的热点问题[5]。现主要采用物理[6]、化学[7]及生物[8]等手段对重金属污染土壤进行修复，其中生物修复主要是通过超富集植物对重金属进行富集和携出[9]。因此，通过筛选具有强力富集和转移重金属能力的植物对于缓解重金属污染及土壤修复具有重要意义。同时，研究发现野豌豆(ViciasepiumLinn)作为豆科植物之一，生长过程中产生根瘤菌，形成豆科植物-根瘤菌复合系统，不仅增强了其对重金属的富集[10]和转移[11]的能力，而且具有恢复土壤养分，提高生物多样性，促进生态系统的平衡和发展的作用[12]。

本研究通过云南个旧市乍甸镇休闲农田野豌豆对不同污染重金属积累的含量分析测定，对野豌豆用于该地区重金属植物修复的可行性和野豌豆对重金属的富集转移特征进行探究，为当地土壤重金属修复提供理论依据和品种来源。

1 实验材料及方法

1.1 研究地区概况

研究地点位于云南省个旧市北郊乍甸镇牛奶小镇。乍甸镇东接大屯镇，南连锡城镇，西与建水县接壤，北与倘甸乡毗邻。研究地点选择重金属超标休闲地块，面积约为6hm2(103°9′40.81″E～103°9′53.47″E、23°27′26.24″N～23°27′34.95″N)，距省道212公路约370m，距冶金废水排放渠约170m。

1.2 样品采集及处理

2020年1月中旬，在研究地点采集野豌豆(ViciasepiumLinn)的根、茎、叶样品及生长区域的土壤样品。采用多点混合法进行采样，设置5个样点，采用梅花型布点随机取样，每个采样点采集1～2株，并将5个点获得的植株样品合成一个样，每个样品3次重复。采集植物样品同时采集根区0～40cm土壤，每5个点混合均匀成一个样，3次重复。将采集到的植物样按根部、茎部和叶部进行分离，最终获得根样、茎样、叶样各3个，共9个，采集土壤样品共3个。植物和土壤样品采集后带回实验室进行分析。

将采回的植物样先用自来水洗净，再用去离子水淋洗2～3遍，吸干表面水分称其鲜重，然后在105℃烘箱中杀青30min，并于65～70℃烘干至恒重，称其干重以测定植物样含水率。烘干后的样品分别用玛瑙磨碎机粉碎，过0.25mm筛后保存备用。土壤样品去除其中的岩石和植物残留等杂物，自然风干后用四分法取样，磨碎过0.15mm筛后保存备用。

1.3 测定指标及方法

准确称量过筛后的土壤样品与植物样品0.200g置于100mL消煮管中，先用水润湿样品，然后加浓H2SO45mL，消解至棕黑色时，取下消煮管，稍冷后逐滴加入300g/LH2O210 滴，并不断摇动消煮管，再加热至微沸10～20min，稍冷后再加入H2O25～10滴。如此反复2～3次，至消煮液呈无色或清凉色后，再加热5～10min，以除尽过剩的H2O2。取出冷却，用水定容至100mL，取过滤液作为目标样品进行电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)元素分析测定，消煮时同时做空白试验以校正试剂误差。取10g风干土样，以1∶1液土比加蒸馏水，静置30min，使用pH计测定上层清液pH值。

植物体重金属含量分为叶部含量 (leaf content, LC) 、茎部含量 (stem content, SC) 、地下部分含量(root content, RC) 、地上部分含量 (aboveground content, AC) 和全株含量 (total plant content, TPC) ，其相互间换算关系如下：

叶部含量 (LC) = 叶部总含量/叶部生物量；

茎部含量 (SC) =茎部总含量/茎部生物量；

根部含量 (RC) =根部总含量/根部生物量；

地下部分含量(RC) =根部总含量/根部生物量；

地上部分含量(AC) = (叶部属总含量+茎部总含量)/(叶部生物量+茎部生物量)；

全株含量 (TPC) = (叶部总含量+茎部总含量+根部总含量)/(叶部生物量+茎部生物量+根部生物量)。

植物重金属累积特征用富集系数(enrichment coefficient，EC) 、转移系数(transfer coefficient，TC)和生物转移系数(biological transfer coefficient，BTC) 表示:

富集系数(EC)=植物体内重金属含量/土壤中重金属含量;

转运系数(TC)=植物地上部重金属含量/地下部重金属含量;

生物转移系数(BTC) = (植物地上部重金属含量 × 地上部生物量)/ (根部重金属含量 × 根部生物量) 。

1.4 数据处理

采用Excel、SPSS 19.0软件进行统计分析，采用LSD多重比较进行差异性检验。

2 结果与分析

2.1 土壤元素组成特性

该地块位于冶炼废水排水渠，因长期使用冶炼废水灌溉，该地区总砷、总镉、总铅分别达到146.75、4.58、134.74mg/kg，见表1。该地区重金属含量超出GB 15618-1995国家土壤环境卫生标准(总砷≤40mg/kg、总镉≤1.0mg/kg、总铅≤500mg/kg)，铜、锌、铬等元素含量较高但未超国家土壤环境卫生标准。同时，该地区土壤富含磷、钾、钙、镁、硅等植物所需的大、中量元素，土壤为红壤土，pH为6.8～7.3，适宜于植物生长。该休闲地块上生长有多种原生植物，生长状况良好，其对该地区的重金属具有非常强的适应性，对重金属的耐受性和富集能力较强。

表1 土壤环境质量标准值 (mg/kg)

2.2 野豌豆(Vicia sepium Linn)对磷、钾、钙、镁元素的吸收利用

磷、钾是植物生长所需的营养成分，野豌豆生长过程中不同器官对磷、钾等养分的需求存在差异，其中叶部磷的含量最大，分别为4.59、11.17g/kg，其次是根部，含量为2.74、8.70g/kg，如表2所示。钙在植物叶部的积累的含量高于根部与茎部，叶部、茎部及根部的含量分别为18.25、12.26、6.96g/kg。镁在茎部积累的含量为4.01，高于根部、叶部，而根部、叶部的含量分别为3.36、2.94g/kg。

表2 磷、钾、钙、镁元素在野豌豆体内的含量 (g/kg)

2.3 野豌豆(Vicia sepium Linn)对重金属元素的富集含量

不同重金属在野豌豆体内富集的含量不同，在野豌豆不同部位积累的含量也存在差异，其中在叶部含量最大。镉在土壤、野豌豆根部、茎部、叶部积累的含量分别为3.95、1.77、1.53、1.92mg/kg；砷在土壤、野豌豆根部、茎部、叶部的含量分别为120.02、4.41、11.93、22.18mg/kg；铬在土壤、野豌豆根部、茎部、叶部的含量分别为62.46、3.38、5.6、9.8mg/kg；铜在土壤、野豌豆根部、茎部、叶部的含量分别为88.66、19.61、17.81、22.66mg/kg；铅在土壤、野豌豆根部、茎部、叶部的含量分别为92.28、3.78、12.71、18.19mg/kg；锌在土壤、野豌豆根部、茎部、叶部的含量分别为81.78、29.46、40.33、62.31mg/kg。

注：不同小写字母代表显著性差异水平(P<0.05)

2.4 野豌豆(Vicia sepium Linn)对重金属的累积特征

由表3可知，野豌豆对镉、锌元素富集系数显著高于其他元素，其中富集系数分别为0.52、0.54，其次为铜，富集系数为0.23，较砷、铬、铅差异显著。而砷、铬、铅富集系数低，但转移系数及生物转移系数显著高于其他元素，转移系数分别为3.87、2.28、4.09，生物转移系数为31.48、18.38、32.18。镉、铜、锌能大量富集于植物体中，而砷、铬、铅等元素转移能力及生物转移能力强，可从植物地下部分转移至地上部分茎叶等组织。

表3 野豌豆对重金属元素的累积特征

3 讨论

磷钾作为植物生长所必需的营养元素，在植株中的含量均较高，该试验地有足够的养分供给野豌豆生长。而钙镁作为植物细胞的功能性元素，对植物生长发挥重要作用，如稳定细胞膜、稳固细胞壁，并且镁是叶绿素的重要组成部分[13]。野豌豆茎部积累大量的钙镁元素，含量大于根部、叶部。镉、砷、铬、铜、铅、锌等重金属元素在野豌豆体内的富集的含量不同，镉、铜、锌富集的含量较高，富集系数分别达到了0.52、0.23、0.54，而砷、铬、铅在野豌豆内的富集的含量较低，富集系数分别为0.11、0.10、0.13。砷、铬、铅虽在植物体内的富集系数低于其他重金属元素，但在植物体内往地上部分转移的含量高，主要在野豌豆植株的叶片中积累，生物转移系数较高，铅的生物转移系数达到了32.18，显著高于其他重金属元素。其余重金属在野豌豆体内的生物转移系数虽小于铅，但其转移系数均>1，6种重金属元素均往野豌豆叶片中转移，转移系数因重金属种类差异而存在差异。

该地区总砷(>30mg/kg)、总镉(>0.5mg/kg)、总铅(>80mg/kg)超标，在植株叶片中，镉积累的含量达到了2.92mg/kg，超出土壤卫生标准，而砷、铅累积的含量虽未超出土壤卫生标准，但含量也较高，达到了22.18、18.19mg/kg。野豌豆将土壤重金属富集到植株体内，通过生物转移，由植株的地下部分转移至植株地上部分，通过对地上部分植株的收集和处置，不断将土壤中的重金属携出，减少土壤中的重金属含量，修复受重金属污染土壤。野豌豆对重金属的富集和生物转移能将重金属元素进行不断的积累和去除，达到对重金属的植物富集修复效果。

4 结论

试验地块具有良好的气候条件和植物生长所需的各种大量元素、中量元素和微量元素，同时因为长期使用冶炼废水进行灌溉，导致重金属含量较高，其中砷、镉、铅等重金属元素超出限值，分别达到了146.75、4.58、134.74mg/kg。原生植物野豌豆不仅可以在该重金属地块上很好地利用试验地块的营养元素及钙镁等大量元素供给植物的生长和器官的正常发育；而且野豌豆对重金属均具有一定的富集和生物转移能力，其中对镉、铜、锌具有比较强的富集能力，对砷、铬、铅具有非常强的生物转移能力，野豌豆能够将重金属富集于根系中，再将其转运至茎叶。野豌豆对不同重金属具有良好的富集转运修复能力，尤其对镉的富集以及铅的生物转移表现突出。