贵州牛角塘铅锌矿区优势植物的重金属富集特征

顿梦杰 张云霞 宋波 盛昕 周浪 宾娟

摘 要：為筛选适合贵州喀斯特地区重金属污染土壤修复治理以及矿区生态复垦的植物材料，该研究在贵州牛角塘铅锌矿区采集30种优势植物及其根系土壤，测定其地上部、地下部和根系土壤的Cd、Cu、Ni、Pb、Zn含量，计算植物对重金属的富集和转运系数，并通过聚类分析综合评估植物的应用潜力。结果表明：（1）千里光、鬼针草地上部Cd含量高达40.33、43.26 mg·kg-1，富集系数（地上部分）分别为0.20和0.37，转运系数分别为1.35和1.16，有较强富集Cd的能力，对Cd污染土壤有一定的修复潜力。（2）头花蓼地上部Cd、Zn含量分别为77.49、3 557.96 mg·kg-1，均为本次调查30种植物中的最大值，是一种修复Cd、Zn复合污染土壤的潜在植物材料。（3）醉鱼草地上部Ni含量为0.62 mg·kg-1，富集系数（地上部分）和转运系数高达6.16和1.37，醉鱼草是否是Ni的一种富集植物，还需进一步研究加以验证。（4）紫茉莉、节节草根部Cd、Cu、Pb和Zn含量远大于地上部，属于根部囤积型植物;河北木蓝地上部、地下部Cd、Cu和Zn等重金属含量都较低，属于规避型植物。因此，千里光、鬼针草和头花蓼可用于修复土壤重金属污染，紫茉莉、节节草、河北木蓝可用于矿区复垦。

关键词： 牛角塘铅锌矿区， 富集植物， 矿区复垦， 根部囤积型植物， 规避型植物

中图分类号：Q948.116

文献标识码：A

文章编号：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

近年来，随着铅、锌等矿产资源开采、金属冶炼等生产活动的快速发展，在金属冶炼和大力开采矿山的过程中，由于管理不当及自然灾害等原因，使矿山开采和金属冶炼所产生的废水、废渣排入矿区和周围农田土壤，因此导致土壤重金属污染（李俊凯等，2018）。土壤的污染导致农产品重金属超标，同时农产品随食物链进入人体，对长期生活在矿区周围居民的身体健康产生了严重的危害（王学礼等，2010;董彬，2012;Sharifinia et al.，2016）。贵州矿产资源丰富，随着科技发展和社会进步，在对矿山快速开采的过程中，对周围环境也造成了难以估量的损害，特别是Cd污染，因其具有高毒性、易致癌、快迁移而引起人们的高度重视（张芳等，2018）。因此，不仅需要加大矿区的治理力度，尽快恢复矿区植被，控制矿区重金属对周围环境的影响，而且矿区周围被重金属污染农田的修复治理也迫在眉睫。

植物修復一般是指绿色植物利用自身的新陈代谢来转移、转换和固定土壤环境中的重金属元素，进而使土壤中重金属的含量减少或生物毒性降低，从而使被污染的土壤环境得到净化的过程。植物修复具有适合大面积推广、治理成本低且操作相对简单的特点逐渐成为国内外学者的研究热点（Sun et al.，2016;Sarwar et al.，2017）。近年来许多学者对长于矿区的植物进行了调查。张会敏等（2015）通过对相思谷矿区8种优势植物对Cd、Pb、Cu和Zn的富集能力的研究认为，芒（Miscanthus sinensis）可用于尾矿的植被修复。付广义等（2019）对东江湖铅锌矿渣堆场的9种优势植物进行调查发现，马尾松（Pinus massoniana）对Pb有很强的的富集能力。Wan等（2017）对湖南4个矿山上的植物进行调查发现，柔毛堇菜（Viola principis）对As、Pb和Cd都具有很强的富集能力。李思亮等（2016）通过研究浙江省4个铅锌矿中自然生长的优势植物对重金属的富集特性发现，紫花香薷（ Elsholtzia argyi） 具有 Cd 超富集植物的特征。另外，毛海立等（2011）研究发现，贵州铅锌矿区的桑科植物对 Pb、Cd具有显著的富集效应。因此，对生长在矿区周围的植物进行调查和筛选，初步筛选出对重金属具有富集和耐性且生物量大的优势植物，对矿区土壤的修复和植被恢复具有重大意义。

虽然目前发现的超富集植物已有400余种，但大多数存在生物量小和较差的区域适应性等缺点。因此，本研究通过对地处喀斯特地区的贵州牛角塘铅锌矿区进行优势植物调查，研究优势植物对重金属的富集特性，筛选出能大量富集重金属的优势植物和不易富集重金属的耐性植物，以期为牛角塘矿区和其他同类矿区的土壤修复提供植物材料。

1 材料与方法

1.1 材料和研究区概况

贵州牛角塘铅锌矿区，坐落在贵州东部铅锌成矿带的南端。矿山开采产生的尾矿，大多以灰白色、灰色和灰褐色铅锌细粒堆放在人们修建的大型尾矿库内（张建等，2018）。本次调查的菜园河分矿区、大坪分矿区、马坡分矿区、狮子洞分矿区和新桥分矿区均已停止开采多年，该矿区为以铅和锌为主的多金属矿床。

在该区域内，植物资源极其丰富且长势良好，同时草本植物和体型小的灌木在矿区分布区域广、数量多，为本地的优势物种，分别在这5个分矿区内选择优势植物作为研究材料。

1.2 样品采集和处理

2017年6月，利用手持式重金属快速检测仪（Innov-X Delta CGSM）进行初筛，选择土壤重金属含量高的区域为采样区。选择矿区中自然生长的、生物量较大的植物种类，多为草本植物，其中生物量较大的物种在体型上明显大于周围其他植物。对于矿区分布较多的植物采集的样本较多，局部分布的植物采集混合植物样，采集3～5株，混合成一个样品，植物样品尽量保持完整。土壤样品采集与植物同时进行，植物根系附着了大量的土壤，用力抖动将土壤抖下后混合均匀，四分法后，取大约1 kg土壤装入布袋，带回实验室进行下一步处理。

所有植物样品均用聚乙烯塑料袋密封好带回实验室，先用自来水将附着在植物表面的泥土冲洗干净，再用超纯水将植物润洗3～5遍，在通风处自然晾干后称鲜重;将植物置于恒烘箱内，105 ℃杀青30 min，并于80 ℃烘干到恒重后称其干重;计算各优势植物的含水率。将烘干的植物放入不锈钢粉碎机内粉碎充分后装入聚乙烯袋，记上编号待测。将土壤样品内的各种杂物剔除后自然风干，用研钵充分研磨后，过0.841 mm和0.149 mm尼龙筛，分别装入牛皮信封袋，记上对应编号保存待测。

1.3 测定方法

采用美国国家环保署（US EPA）推荐的HNO3-H2O2体系来消解土壤样品，采用HNO3-HClO4方法（EPA 3050B）来消解植物样品，有效态采用DTPA浸提法。使用石墨炉原子吸收分光光度计（AA-700）测定样品Cd含量，用ICP-OES测定各样品Cu、Pb、Zn、Ni含量。同时，在处理的样品中随机加入10%～15%的重复数，来验证实验方法的准确性和操作人员对实验过程的干扰。在样品中分别加入国家标准土壤样品（GSS-4、GSF-4）、国家标准植物样品（GSV-1）进行质量控制，以确保实验数据的可靠性。Cd回收率为82.3%～105.3%，Pb的回收率为92.1%～99.5%，Cu的回收率为95.0%～105.3%，Zn的回收率为89.6%～91.3%，Ni的回收率为97.3%～104.6%，符合分析质量控制要求，分析过程中所用试剂均为优级纯，所用的水均为超纯水（亚沸水）。

1.4 数据处理

富集系数（bio-enrichment coefficient，BCF）（地上部分）反映植物从土壤中吸收重金属能力（魏树和等，2003），计算方法如（1）所示：

BCF =Cp / Cs（1）

式中：Cp为植物地上部各重金属含量（mg·kg-1）;Cs为土壤各重金属含量（mg·kg-1）。

转运系数（transport coefficient，TF）用来评价重金属从植物根部向地上部的转移能力 （邹春萍等，2015），计算方法如（2）所示：

TF =Cp / Cr（2）

式中：Cp为植物地上部各重金属含量（mg·kg-1）;Cr为地下部各重金属含量（mg·kg-1）。

试验数据使用软件Excel 2016整理，图形使用软件SigmaPlot 15.0绘制，使用软件SPSS 18.0进行方差分析，应用ANOVA进行差异性检验，P<0.05表示存在显著性差异。使用软件SPSS 18.0进行聚类分析，根据不同样品的特征，对其进行分类，将性质相近的植物归为一类。

2 结果与分析

2.1 优势植物组成

本次调查采集优势植物共30种，分属16科，28属。其中，菊科12種（占40%），豆科2种（占6.7%），蓼科2种（占6.7%），荨麻科2种（占6.7%），车前科、唇形科、马钱科、木贼科、茄科、商陆科、松科、苋科、旋花科、罂粟科、鸢尾科和紫茉莉科各1种（分别占3.3%）。牛角塘铅锌矿区优势植物种类组成见表1。

由表1可知，草本植物25种，占比83%，说明在牛角塘铅锌矿区的复杂生存条件下，草本植物具有较强的抗性，同时也说明草本植物对重金属有很强的耐性。另外，在本次采样中，部分样本在多个矿区均有采集，其中旋花分别采于狮子洞分矿区和新桥分矿区，鬼针草分别采于大坪分矿区、菜园河分矿区和狮子洞分矿区，河北木蓝分别采于菜园河分矿区和狮子洞分矿区，藿香蓟分别采于菜园河分矿区和狮子洞分矿区，千里光分别采于大坪分矿区和狮子洞分矿区，小蓬草分别采于狮子洞分矿区和马坡分矿区，野艾蒿分别采于菜园河分矿区和狮子洞分矿区，醉鱼草分别采于狮子洞分矿区、马坡分矿区和新桥分矿区。

2.2 土壤重金属含量状况

测定分析牛角塘铅锌矿5个分矿区土壤的重金属含量（表2）。由表2可知，5个分矿区土壤中Cd、Pb、Zn的含量均出现较大程度的超标现象，说明牛角塘铅锌矿5个分矿区土壤受到Cd、Pb、Zn等3种元素的污染十分严重。另外，5个分矿区土壤Cd、Cu、Ni、Pb、Zn含量的变化范围很大，变异系数大多数都在30%以上，说明5个分矿区重金属污染都存在较大的空间变异性，矿区土壤是一种复杂的多重金属复合污染土壤。矿区土壤重金属有效态含量如表3所示，相关性分析结果发现，有效态Cu与全量Cu、有效态Ni与全量Ni、有效态Pb与全量Pb和有效态Zn与全量Zn都在0.01水平上有显著的相关性。

2.3 植物重金属含量特征

牛角塘铅锌矿5个分矿区30种优势植物体内重金属含量见表4。从表4可以看出，不同植物体内重金属含量差别较大，结合表2中不同分矿区土壤中的重金属含量，从整体上看植物体内重金属的含量与其生长环境处的土壤重金属含量成正比，这与熊云武等（2016）的研究相一致。植物地上部各重金属含量范围分别是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。地下部各重金属含量范围分别是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。相比各重金属在植物体内的正常含量，5种重金属都不同程度地超出了正常范围值，一般植物体内重金属的正常含量（龙新宪等，2000;Gerber & Léonard，2002）为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。

为了能更好地筛选出对重金属有富集能力的优势植物，选取各植物地上部含量的最大值与超富集植物临界值进行对比（图1），其中超富集植物各重金属的临界值分别为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。从表4和图1可以看出，马坡分矿区的头花蓼、鬼针草和大坪分矿区的千里光地上部Cd含量分别为77.49、43.26、40.33 mg·kg-1，远超普通植物体内Cd含量，与Cd超富集植物临界值的比值分别为0.77、0.43、0.40，这说明头花蓼、鬼针草、千里光对Cd都有较强的富集能力，同时头花蓼地上部Zn含量为3 558 mg·kg-1，与Zn超富集植物临界值的比值分别为0.36，说明头花蓼对Cd和Zn都有较强的富集能力。其余植物体内这5种重金属含量与超富集植物临界值的比值都相对较小，尤其是采于菜园河分矿区的河北木蓝，地上部和根部Cd、Cu、Zn含量都很低，说明它们对所处环境都有很强的适应性，具有良好的重金属耐性。

2.4 矿区植物对重金属的富集与转运特征

富集系数（地上部分）用来评价植物从土壤中吸收重金属的能力（李俊凯等，2018）。由图2可知，土壤中Ni和Cu含量较低，虽然鬼针草、醉鱼草、地盘松对Ni的富集系数（地上部分）大于1，鬼针草和千里光对Cu的富集系数（地上部分）也大于1，但这几种植物是否对Ni、Cu有较强的富集能力，还需进一步的实验加以验证。所有植物对Cd、Pb、Zn的富集系数（地上部分）均小于1，可能与本次调查区域土壤中Cd、Pb、Zn含量过高有关。其中，野艾蒿对Cd、Zn的富集系数（地上部分）分别达到0.77、0.56，表明野艾蒿对Cd、Zn具有良好的富集能力;节节草对Cd、Pb、Zn的富集系数（地上部分）均为此次调查的30种优势植物的最小值，其值分别为0.0003、0.0040、0.0005。

转运系数表征植物对重金属在体内的转运能力（杨成等，2010）。从图2和图3可以看出，Cu、Zn、Cd在30种优势植物中的富集能力和转运能力存在一定的一致性，而Pb和Ni在30种优势植物中的富集能力与转运能力相差较大。其中，鬼针草、藿香蓟、千里光、野艾蒿、醉鱼草、苦苣、龙葵、豚草和博落回对多种重金属的转运系数均超过1，鬼针草、野艾蒿对5种重金属的转运系数均大于1。另外，节节草对Cd、Ni、Zn的转运系数均是本次调查30种植物中的最低值，分别为0.007、0.069、0.008，紫茉莉对Pb和Cu的转运系数是本次调查30种植物中的最低值， 其值分别为0.010、0.029。

2.5 聚类分析

本次调查中，没有一种植物体内重金属的含量达到超富集植物的临界值，但对Cd而言，已经有超过普通植物含量数十倍的植物，其已具备重金属富集植物的某些特征，有可能从中筛选出一些潜在的富集植物。为能更好地筛选出对重金属具有富集潜力的优势植物，选取每种植物地上部Cd含量的最大值和对应的富集转运系数作为参数，对30种优势植物进行聚类分析（图4）。根据图4，可将其划分为4个等级，Ⅰ级中的植物对Cd的转运系数均大于2，Ⅱ级中的植物对Cd的转运系数介于1～2之间，Ⅲ级植物对Cd的转运系数介于0.5～1之间，Ⅳ级中植物对Cd的转运系数均小于0.5，地上部Cd含量与Cd超富集植物临界值的比值均小于0.04。其中，Ⅰ级植物有龙葵和商陆，Ⅱ级植物有千里光、藿香蓟、鬼针草、野艾蒿，Ⅲ级植物有黄瓜菜、河北木蓝等10种，Ⅳ级植物有节节草、紫茉莉等12种。其中，Ⅰ级中的龙葵和商陆地上部Cd含量较小，分别为3.72 mg·kg-1和7.81 mg·kg-1，Ⅱ级植物中的千里光、鬼针草、藿香蓟、野艾蒿地上部Cd含量分别为40.33、43.26、21.60、22.89 mg·kg-1，转运系数和富集系数（地上部分）分别为1.35和0.20、1.16和0.37、1.65和0.28、1.61和0.77。

3 讨论与结论

富集植物一般是指植物的地上部分对重金属的吸收量比普通植物高十倍以上，且不影响正常的生命活动的植物。一些植物常年生活在重金属高背景区域，经过不断地驯化后，对重金属具有很强的耐性，能在重金属含量比较高的土壤中正常生长，这些植物被称为耐性植物。

植物为了适应矿区复杂的生存环境，逐渐对重金属具备一定的抗性，但每种植物对不同重金属的适应能力和抵抗能力各不相同。根据植物对土壤重金属的不同耐性将植物划分为富集型植物、根部囤积型植物和规避型植物三种（雷梅等，2005;Vaculík et al.，2012）。

富集型植物能够大量吸收重金属并将其运移到地上部。对于土壤重金属的治理与修复， 关键是找到合适的富集植物，目前许多学者在这方面已做了大量研究。印度芥菜（杨卓等，2011;麦笑桃等，2019）、宝山堇菜（刘威等，2003;邓培雁等，2007）等具有很好的Cd富集能力，但其生物量较小，故在实际的工程应用中也无法推广。本研究中鬼针草和千里光作为一种田间杂草，具有生命力强、易培育、生物量大等优点。采于马坡分矿区的鬼针草和采于大坪分矿区的千里光地上部Cd含量分别为43.26、40.33 mg·kg-1，远大于重金属在植物体内的正常含量，转运系数分别为1.35和1.16，富集系數（地上部分）分别为0.20和0.37，表明千里光和鬼针草可以分别用于大坪分矿区和马坡分矿区土壤Cd污染的治理和修复。采于马坡分矿区的头花蓼地上部Cd、Zn含量均为30种植物的最大值，表明头花蓼是一种Cd、Zn复合污染潜在修复植物，可用于马坡分矿区土壤Cd、Zn污染的治理。采于狮子洞分矿区的醉鱼草对Ni的富集系数（地上部分）和转运系数分别为6.16和1.37，均大于1，其地上部Ni含量仅为0.62 mg·kg-1，导致富集系数（地上部分）大于1的原因是醉鱼草根系土壤中Ni含量过低，虽然醉鱼草对Ni有较大的富集转运系数，但醉鱼草是否能用来治理狮子洞分矿区土壤Ni污染，还需进一步的研究加以验证。

根部囤积型植物则是被动地吸收土壤中的重金属，虽然能将重金属吸收至体内，但大部分重金属只囤积在根部，而不向地上部转移，从而减少对植物体的伤害。采于狮子洞分矿区的节节草和采于菜园河分矿区的紫茉莉，均属于Ⅳ级植物，其中节节草和紫茉莉根部Cd、Cu、Pb的含量介于20.44～611.1 mg·kg-1之间，地上部Cd、Cu、Pb的含量介于0.15～6.19 mg·kg-1之间，根部Zn含量均超过1 600 mg·kg-1，地上部Zn含量均小于140 mg·kg-1，表明节节草和紫茉莉能够适应不同程度的污染土壤， 并将重金属吸收到地下部根系中， 属于根部囤积型植物。

规避型植物则是能抵制对重金属的吸收，将土壤重金属沉积在根系表面，植物体内则很少吸收重金属。采于菜园河分矿区的河北木蓝，属于Ⅲ级植物，根部Cd、Cu、Zn的含量分别为0.72、5.41、72.85 mg·kg-1，地上部Cd、Cu、Zn的含量分别为0.39、4.77、36.90 mg·kg-1，表明河北木蓝不易从土壤中吸收重金属，属于规避型植物。

根部囤积型和规避型植物，可用于矿区的复垦，减少矿区对周围环境的伤害。因此，节节草可用于狮子洞分矿区，紫茉莉和河北木蓝可用于菜园河分矿区的矿区复垦工作，从而实现矿区的可持续发展。

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（责任编辑 蒋巧媛）

收稿日期：2020-08-24

基金项目：广西科技重大专项 （桂科AA17204047）;广西自然科学基金（2013GXNSFEA053002）[ Supported by Major Science and Technology Project in Guangxi （GuiKe AA17204047）; Guangxi Natural Science Foundation （2013GXNSFEA053002）]。

第一作者： 頓梦杰（1992-），硕士，主要研究方向为区域环境调查与风险评估，（E-mail）623382673@qq.com。

通信作者：宋波，博士，教授，博士研究生导师，研究方向为重金属污染土壤修复治理，（E-mail）songbo@glut.edu.cn。