湘西鉛鋅礦區土壤和植物重金屬污染現狀

2023年12月3日發(作者：文員面試)

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JournalofAnhuiAgri．Sci．2011，39（35）：21743－21746安徽農業科學，責任編輯劉月娟責任校對盧瑤湘西鉛鋅礦區土壤和植物重金屬污染現狀*劉燦，鄒冬生，朱佳文（湖南農業大學生命科學技術學院，湖南長沙410128）Zn和Cd含量和基本理化性質，摘要調查了湖南湘西鉛鋅礦區植物組成，研究了尾礦區土壤及周圍植物根部土壤的Pb、分析了在這些Cd和Zn含量分別區域自然定居的11種優勢植物體內的3種重金屬元素的耐性、富集特性。結果表明，礦區土壤極端貧瘠，土壤中Pb、159．83和2892．00mg/kg，達2789．00、重金屬污染極為嚴重。該礦區的主要優勢物種為禾本科和菊科植物，其中野菊花、狗尾巴草和五節芒3種植物地上部生物量較大且對某些重金屬向地上部轉運能力較強，對重金屬污染土壤有一定的修復潛力；地枇杷的地上部Cd含量最大，達152mg/kg，轉運系數為1．03，是潛在的Cd超富集植物。關鍵詞鉛鋅尾礦；重金屬；超積累植物；植物修復中圖分類號X131．3文獻標識碼A文章編號0517－6611（2011）35－21743－04InvestigationofContaminatedSoilandPlantsbyHeavyMetalsinXiangxiPb-ZnMiningAreaLIUCanetal（CollegeofLifeScienceandTechnology，HunanAgriculturalUniversity，Changsha，Hunan410128）AbstractTheabilityofplantspeciestoaccumulateheavymetalswasinvestigatedinXiangxiPb-Znminingarea．TheconcentrationsofCd，PbandZninrootsandshootsof11dominantspeciesandsoilwereanalyzed．TheresultshowedthatthesoilwasriousleanandcontaminatedwithCdandZnrespectivelyduetothePb-Znminingtailings，whichreached2789．00，159．83，aextremelyhighheavymetalsconcentrationofPb，2892．00mg/kg．ThedominantspecieswereGramineaeandCompositaeontheinvestigatedfield．Thebiomassofabove-groundpartandabilityofheavymetalsuptotransportofChrysanthemumindicumL．，Setairaviridis（L．）BeauvandMiscanthusfloriduluswerehigherthanotherplantspe-cies，andthecontentsofsomeheavymetalsinstemsandleavesofabove-mentionedthreespecieswerehigherthanthatinroots，whichindicatingthatthespecieshadcertainpotentialabilitytoremediatecontaminatedsoil．TheCdconcentrationinshootsofFicustikouareached152mg/kg，andthetransfercoefficientwas1．03，whichexceededthethresholdofCdhyperaccumulator．KeywordsPb-Znminingtail；Heavymetal；Hyperaccumulator；Phytoremediation礦業廢棄地尤其是有色金屬礦業廢棄地一般都含有大量的重金屬，其中以尾礦和廢棄的低品位礦石的重金屬含量最高［1］調查了研者分析了實施生態恢復前礦業廢棄地的理化性質，究礦業廢棄地的植被組成，同時評價了植物對重金屬的耐性以期為重金屬污染環境的生態修復篩選理想的和積累能力，工程植物。11．1材料與方法自然概況調查區位于湖南省西北部的湘西土家族苗。礦山含重金屬廢棄物種類繁多。不同種類的危害方式和污染程度都不一樣。污染范圍一般以廢棄堆為中心向四周擴散。一般的有色金屬礦區附近的土壤中，鉛、銅、鋅5～200、5～10倍含量分別為正常土壤中含量的10～40、［2］。重金屬可遷移性差，不能降解，在生態系統中不斷積累，毒性導致生態系統的退化，并通過食物鏈影響人體不斷增強，健康。湘西自治州鉛鋅礦污染已經是一個無法回避的事實。如何有效地治理、恢復這類特殊退化的湘西脆弱地質生態環境的生態系統，充分利用生態學、環境學、資源學、植物學、自然地理學、礦區廢棄地恢復生態學等資源，恢復和重建森林形成自我維持、穩定的生態系統，促進礦區生態環植被系統，境的改善和經濟的可持續發展，是湖南省乃至全國礦區生態環境建設、國土整治及林業生態工程所面臨的重要研究課題。關于礦山環境和生態問題，大量研究表明最根本和有效的方法是以植物為基礎的生物措施。植物修復是指利用綠色植物移除環境中的污染物或使這些污染物變為無害［3］28°32'31″N），族自治州花垣鎮團結鎮（109°22'517″E，地處湖湖北、貴州、重慶邊區，屬亞熱帶季風性濕潤氣候區域的南、典型山地氣候特征，多年平均降雨量1419mm，一年中降雨多在夏季，全年平均氣溫13．5～16．7℃，全年平均日照950～1400h，海拔300～1800m，地形復雜，植物資源豐富，分布針葉樹、灌木和草本植物，具有亞熱帶山區植著多種闊葉樹、被的典型特征。1．2植被調查及樣品采集調查區為開采歷史超過30多年的老鉛鋅礦，采樣點設在選礦的尾砂壩周圍。在上述礦區外2km處選擇未受干擾的地方，采集無污染土壤作為對照。土樣按直線或梅花型布點法隨機采集，每個區采集3～4個平行樣，每個平行樣由5～6個子樣混合而成；在各點上用鐵5～10、10～20cm的表層土，鏟取0～5、再用木勺將未與鐵鏟接觸的土壤剝入潔凈的聚乙烯塑料袋中，各樣點的土壤取樣量盡可能一致。所有樣品封裝后運回實驗室，將采回的土壤樣品進行風干。在尾礦壩周圍和中間分區采集植物樣品。植物樣品包括木本植物的葉和草本植物的地上部及其周圍土壤。1．3植物樣品重金屬含量分析植物樣品采集后，先用自105再用去離子水清洗3次，風干，根莖葉分離，來水洗干凈，。近年來，一系列的研究發現以及各學科的交叉研究使得植物低費用和無污染的修復這一研究領域發展成為一種潛在的、治理環境污染的新途徑［4］。Knight等認為，與其他處理方。不同類型的礦業廢棄地影響法相比，植物超累積或強耐性植物修復技術所產生廢物量較并且可以回收重金屬少，［5－6］因此對基質采取相應的改良措施。筆植物定居的因素不同，湖南省科技計劃項目（2010NK3020）。劉燦（1986－），女，湖南長沙人，碩士研究生，研究方向：重金屬污染植物修復。*通訊作者，教授，博士，博士生導師，E-mail：zoudongsheng2從事農業生態和生態經濟方面的研究，@sina．com。09-08收稿日期2011-基金項目作者簡介℃殺青30min后置于80℃烘干48h，粉碎，過2mm篩，再烘HClO4（V∶V=4∶1）混合酸消煮完全。植物重干。用HNO3、Cd、Pb）的測定采用硝酸－高氯酸混合酸消化金屬元素（Zn、法，用原子吸收光譜儀測定。在樣品消煮過程中，以混合酸21744安徽農業科學2011年為試劑空白，同時消煮，以消除消煮和分析過程中的污染度。1．4土壤樣品理化性質測定及重金屬含量分析土壤樣品瑪瑙研缽研磨，一小部分過20目采集帶回實驗室自然風干，篩測pH，其他過100目篩測定理化性質及重金屬含量。土壤理化性質測定采用常規方法［7］土壤理化質量。已有的研究表明，土壤pH及有機質含量的降低會引起土壤對金屬的吸附量減少，從而使植物的吸收量上升［8］。Zn和Cd總含量均遠遠超由表2可知，污染土壤中Pb、Pb、湘西鉛鋅金屬礦區Cd、過國家土壤環境質量3級標準，Zn平均值分別為土壤環境質量國家3級標準的159．830、5．578和5．784倍，尤其是Cd的污染已達到相當嚴重的程鉛鋅礦和銅鉛鋅礦的伴生元素，尤其是在淺度。Cd是鋅礦、Zn等被提煉后，色閃鋅礦中含量較高，可達5%。在Pb、伴生元素Cd較多的殘留于尾砂庫或碎礦石中［9］。土壤pH測定采用電位3C型精密pH計測定。土樣在105土∶水=1∶5，用pHs-法，℃條件下烘2h，稱取約0．1g于聚四氟乙烯坩堝中，采用王用原子吸收光譜儀測定礦土土壤重金屬水－高氯酸消化法，Cd、Pb）濃度。元素（Zn、22．1結果與分析土壤污染狀況由表1可知，各污染土壤樣品pH的平，并隨著人為原導致礦區及因或降雨等自然原因將重金屬帶到更遠的區域，周邊土壤Cd污染。所采土壤均位于花垣鉛鋅礦區的冶煉廠開采時間將近30年。這表明鉛鋅礦的開采、選礦和加周邊，Zn和Cd污染的主要原因。植工等活動是導致礦區土壤Pb、Zn、Cd含量都低于尾礦渣中的重金物周邊的尾礦土樣中Pb、尤其是對Cd污染的土壤效果尤其顯著，其中五節芒屬含量，鐵掃帚周邊土樣的Pb、周邊土樣Cd含量減少到9倍以下，Zn、Cd含量都明顯減少。由此可知，合理利用這些優勢植物對重金屬污染土壤的生態恢復有一定的作用。均值都在6．00～7．00，表明采樣區土壤大多呈弱酸性。與各湘西鉛鋅礦區的尾礦渣各種理化性質植物周邊的土壤相比，P、K含量都極低。這主要土壤有機質含量以及N、都偏低，是由于土壤污染使植物難以在其上定居，加上污染土壤疏孔隙率高，使得土壤中營養元素大量流失。而有植物生松、長的尾礦土樣中的各種植物基本所需的有機質及礦質元素五節芒、野菊花、密蒙花、鐵都有明顯的提高。據現場勘查，說明在尾礦上種植植物能有效改善其掃帚等植物長勢較好，表1Table1土壤樣品Soilsamples五節芒土樣SoilsampleofMiscanthusfloridulus鐵掃帚土樣SoilsampleofLespedezacuneata密蒙花土樣SoilsampleofBuddlejaofficinalisMaxim蓼科植物土樣SoilsampleofPolygonaceae混合植物土樣Soilsampleofmixedplants尾礦渣Tailingresidues表2Table2含水系數Aquifercoefficients0．0500．0210．0370．0430．0050．003鉛鋅礦區污染土壤的基本理化性質有機質Organicmatter∥g/kg9．5542．0018．7411．8824．613．04全氮量TotalNcontent∥g/kg1．802．141．711．881．790．51全磷量TotalPcontent∥g/kg0．780．310．541．000．810．15全鉀量TotalKcontent∥g/kg6．923．718．5410．408．232．18BasicphysicalandchemicalpropertiesofcontaminatedsoilinPb-ZnminingareaspH6．006．006．306．506．306．63Pb和Cd總含量鉛鋅礦區污染土壤中Zn、mg/kgCd17．8945．4077．3928．1765．57159．831．00Pb2577Zn2500李梅金屬礦區生長的主要植物有25科53種，其中禾本科16種，菊科15種，錦葵科3種，其他科屬植物較少。李梅金屬礦區生長的植物以禾本科和菊科植物居多。這可能與草本干旱，相對比較易形成重金屬植物具有營養繁殖及耐貧瘠、耐性以及菊科植物種子具有較強的傳播能力和較強的環境適應能力有關［11］TotalcontentofZn，PbandCdincontaminatedsoilinPb-Znminingareas土壤樣品Soilsamples五節芒土樣SoilsampleofMiscanthusfloridulus6號植物土樣SoilsampleofNo．6plants密蒙花土樣SoilsampleofBuddlejaofficinalisMaxim蓼科植物土樣SoilsampleofPolygonaceae混合植物土樣Soilsampleofmixedplants尾礦渣Tailingresidues國家標準（3級）。在采集的54種植物中，根據植物分布范圍及分布頻率Pb、Zn的富集植物對Cd、篩選出11種優勢植物。表3表明，程度各不相同。總體而言，植物體內Zn含量最高，其次是Pb和Cd。地上部和根部的差異較大，而且大多數植物根部重金屬含量高于地上部分。這可能與植物對金屬的耐性有關。植物通過根部一定結構或生理特性限制金屬離子由根部向地上部轉移，使得地上部保持較低的重金屬含量，或者將重金屬轉移到落葉，從而將重金屬排出體外，以減輕重金屬對莖葉等光合作用組織的毒害2．3［12－13］Nationalstandard（grade3）注：土壤3級標準為保障農林業生產和植物正常生長的土壤臨界值［10］。Note：Grade3standardofsoilarecriticalvaluesofsoilforensuringagri-cultureandforestryproductionandplantsgrowingnormally［10］．。在重金屬污染環。從表3可以看［12］2．2鉛鋅金屬礦區生長植物群落調查結果表明，團結鎮Zn和Cd含量及其分布植物中Pb、境中，植物能進化成重金屬耐性生態型39卷35期劉燦等湘西鉛鋅礦區土壤和植物重金屬污染現狀21745出，調查的優勢植物地上部Cd含量的變化范圍為1．9～152．0mg/kg，而普通植物Cd含量范圍是0．05～0．20mg/kg［13］，所有優勢植物比普通植物的Cd含量大37．2～760．0倍。在調查植物中，對Cd富集能力較強的植物有地枇馬薊（HerbacirsiiJaponici）和鐵掃帚（Lespe-杷（Ficustikoua）、dezacuneata），其中地枇杷的地上部Cd含量最大，超過Cd超達152．0mg/kg，但其根的富集植物的臨界值100．0mg/kg，Cd含量為147．3mg/kg，轉運系數為1．03，說明地枇杷有較強的將Cd由根部轉移到地上部的能力，是潛在的Cd超富集植物。這初步驗證了劉益貴等提出的地枇杷具有超積累Cd的潛力的觀點植物［14］［12］mg/kg，是非污染區植物地上部Pb上限的26．0倍，可見生長在礦區這一重金屬污染嚴重的特定環境下的植物對Pb的富集能力要比非污染區植物強。地上部分Pb含量最高的為愉悅蓼（PolygonumjucundumMeisn），達到732．5mg/kg，其次為地枇杷、狗尾巴草（Setairaviridis（L．）Beauv）和玉米（Zeamays），289．5和279．0mg/kg。同時，含量分別為312．0、絕大部分植物根部Pb含量平均值大于地上部分。雖然其地上部分均未達到Pb超富集植物含量的臨界值1000mg/kg，但狗尾巴草和玉米不僅生物量大，且地上部鉛含量較高，加上其易于種植培養，比較適合用于鉛污染環境的植物修復。鋅是植物生長發育的必需元素，但過量時仍然會引起植［18］物毒害。普通植物中鋅的含量一般為20～150mg/kg。在。此外，鑒于鎘的生物毒性，還有文獻報道植物地上部組織鎘含量只要超過50mg/kg就應該定為鎘超積累。那么研究中除雞矢藤（Paederiascandens）外全都達野菊花（ChrysanthemumindicumL．）的轉運系到該標準。其中，數最強，達5．4。要確定這些植物是否真正就是鎘超積累植物，還應進一步通過室內土培或水培試驗加以驗證。表3Table3Zn和Cd含量及分布生長在鉛鋅礦區的11種植物體內Pb、ThecontentanddistributionofPb，ZnandCdin11plantspeciesinPb-Znminingareas種名Nameofspecies野菊花ChrysanthemumindicumL．狗尾巴草Setairaviridis（L．）Beauv五節芒Miscanthusfloridulu野艾蒿Artemisiaumbrosa愉悅蓼PolygonumjucundumMeisn鐵掃帚Lespedezacuneata密蒙花BuddlejaofficinalisMaxim馬薊HerbacirsiiJaponici部位Parts花AUAUAUAUAUAUAU種子AU雞矢藤Paederiascandens玉米Zeamays地枇杷FicustikouaAUAUAPb14．984．8139．5289．5214．6235．01725．066．0293．3732．53243．0197．2150．0238．0347．438．8180．0169．0238．0507．3279．0304．0312．0Cd1．973．013．581．432．863．733．373．080．085．654．099．4106．056．072．510．890．0102．042．049．057．0105．0152．0mg/kgZn50．8445．2552．0474．0421．0678．02017．0423．0587．21080．04627．0516．0498．0507．6764．056．8328．0405．0537．0685．3609．0784．71088．0所有調查植物中，只有愉悅蓼地上部Zn含量超過1000mg/kg，但其轉移系數較低，只有0．233，仍不能作為Zn的超但都沒達到富集植物。其他植物中含量都比普通植物高，1000mg/kg。Zn和Cd該研究也對野菊花的花和馬薊的種子進行Pb、含量的測定，發現花和種子的Cd和Pb含量都比普通植物只有Zn在正常范圍內。這說明如果在鉛鋅礦地上種植高，糧食作物肯定不能食用，其Cd和Pb含量嚴重超標，危害到人體的健康。3結論通過對湖南湘西李梅鉛鋅礦區的礦業廢棄地的污染狀發現由于大量尾礦砂的堆砌及礦毒況及植被組成進行調查，Pb和Zn3種重金屬元素水污染，礦區土壤極度貧瘠，且Cd、總量超過國家土壤環境質量標準，嚴重影響植物在其上的定居和生長。對植物的調查結果表明，雖然并未發現新的重金但都能在污染土壤上生長良好，表現為對復屬超富集植物，合重金屬污染具有一定的抗性。其中，有些植物如野菊花、愉悅蓼和玉米生物量較大、生長旺盛，并表現出對多種重金屬具有較強的積累能力，這些植物可用于重金屬污染土壤的植物提取；有些植物如狗尾巴草和五節芒（Miscanthusfloridu-lus），雖然重金屬含量相對較低，但能在重金屬污染較重的土壤上正常生長并繁殖，這類植物則可用于重金屬污染土壤的植物固定。如果輔以特定的農藝調控措施來改善土壤理化性質，則可以更好地促進這幾種植物在污染土壤上定居和生長，從而最大限度地降低污染土壤中的重金屬含量，為礦區植被恢復和生態重建奠定基礎。參考文獻［1］黃銘洪，［J］．土壤學報，2003，40（2）：駱永明．礦區土地修復與生態恢復161－167．［2］薛強，［J］．土梁冰，劉曉麗．有機污染物在土壤中遷移轉化的研究進展2002，11（1）：90－93．壤與環境，［3］SALTDE，SMITHRD，RASKINI．Phytoremediation［J］．AnnuRevPlantPhysiolPlantBiol，1998，49：643－668．［4］GLASSD．The1998UnitedstatesMarketforPhytoremediation［R］．DGlassAssociates，Inc，1998：1－20．［5］KNIGHTB，ZHAOFJ，MCGRATHSP，etal．ZincandcadmiumuptakebythehyperaccumulatorThlaspicaerulescensincontaminatedsoilsanditffectsontheconcentrationandchemicalspeciationofmetalsinsoilssolu-tion［J］．PlantandSoil，1997，197：71－78．［6］陳英旭．土壤重金屬的植物污染化學［M］．北京：科學出版社，2008：211．［7］鮑士旦．土壤農化分析［M］．北京：農業出版社，1999．［8］王學鋒，［J］．環境科學與技術，2003，26朱桂芬．重金屬污染研究新進展U674．0147．32044．0U分別為地上部、地下部。注：A、Note：AandUareabove-groundpartandunder-groundpart，respectively．Pb在土壤中常以磷酸鹽和碳酸鹽的形式存在，其可溶因此生物有效性較低，一般植物只能積累少性及移動性差，量的鉛于植物地上部部［16－17］［15］。植物吸收的大部分鉛都限制在根。非污染區植物地上部鉛的含量范圍相對較窄，一［18］般為0．1～10．0mg/kg，平均為2．0mg/kg。雖然文獻中其鉛含量都超過1000已報道過好幾種鉛超積累植物，mg/kg，但野外采集的樣品中鉛含量超過500mg/kg的仍很少見。在調查的所有植物中，地上部Pb含量平均值為259．321746安徽農業科學2011年（1）：54－56．［9］雷力，［J］．礦業周興龍，文書明．我國鉛鋅礦資源特點及開發利用現狀2007（9）：1－4．快報，［10］國家環境保護局．GB15618-1995中華人民共和國土壤環境質量標準［S］．北京：中國標準出版社，1995．［11］陳紅琳，張世熔，李婷，等．漢源鉛鋅礦區植物對Pb和Zn的積累及耐［J］．農業環境科學學報，2007，26（2）：505－509．性研究［12］劉益貴，彭克儉，沈振國．湖南湘西鉛鋅礦區植物對重金屬的積累［J］．生態環境，2008，17（3）：1042－1048．［13］DAHMANI，MULLERH，VanOORTFGLIEB，etal．Strategiesofheavymetaluptakebythreeplantspeciesgrowingnearametalsmelter［J］．En-2000，109：231－238．vironmentalPollution，［14］WENZELWW，JOCKWERF．AccumulationofheavymetalsinplantsJ］．EnvironmentalPollu-grownonmineralizedsoilsoftheAustrianAlps［1999，104：145－155．tion，［15］MCBRIDEMB．EnvironmentalChemistryofSoils［M］．NewYork：OxfordUniversityPress，1994．［16］SHENZG，LIXD，CHENHM，etal．Leadphytoextractionfromcontami-J］．JournalofEnvironmentalnatedsoilwithhigh-biomassplantspecies［2002，31：1893－1900．Quality，［17］STOLTZE，GREGERM．AccumulationprpopertiesofAs，Cd，Cu，PbandZnbyfourwetlandplantspeciesgrowingonsubmergedminetailings［J］．EnvironmentalandExpermentalBotany，2002，47：271－280．［18］KABATA-PENDIASA，PENDIASH．TraceElementsinSoilsandPlantsM］．BocaRaton，FL：CRCPress，1992．andEdition［［19］張福金，尤美云，劉建平，等．內蒙古城郊菜地土壤重金屬污染狀況分［J］．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