湘西铅锌矿区土壤和植物重金属污染现状

2023年12月3日发(作者：文员面试)

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JournalofAnhuiAgri．Sci．2011，39（35）：21743－21746安徽农业科学，责任编辑刘月娟责任校对卢瑶湘西铅锌矿区土壤和植物重金属污染现状*刘灿，邹冬生，朱佳文（湖南农业大学生命科学技术学院，湖南长沙410128）Zn和Cd含量和基本理化性质，摘要调查了湖南湘西铅锌矿区植物组成，研究了尾矿区土壤及周围植物根部土壤的Pb、分析了在这些Cd和Zn含量分别区域自然定居的11种优势植物体内的3种重金属元素的耐性、富集特性。结果表明，矿区土壤极端贫瘠，土壤中Pb、159．83和2892．00mg/kg，达2789．00、重金属污染极为严重。该矿区的主要优势物种为禾本科和菊科植物，其中野菊花、狗尾巴草和五节芒3种植物地上部生物量较大且对某些重金属向地上部转运能力较强，对重金属污染土壤有一定的修复潜力；地枇杷的地上部Cd含量最大，达152mg/kg，转运系数为1．03，是潜在的Cd超富集植物。关键词铅锌尾矿；重金属；超积累植物；植物修复中图分类号X131．3文献标识码A文章编号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矿业废弃地尤其是有色金属矿业废弃地一般都含有大量的重金属，其中以尾矿和废弃的低品位矿石的重金属含量最高［1］调查了研者分析了实施生态恢复前矿业废弃地的理化性质，究矿业废弃地的植被组成，同时评价了植物对重金属的耐性以期为重金属污染环境的生态修复筛选理想的和积累能力，工程植物。11．1材料与方法自然概况调查区位于湖南省西北部的湘西土家族苗。矿山含重金属废弃物种类繁多。不同种类的危害方式和污染程度都不一样。污染范围一般以废弃堆为中心向四周扩散。一般的有色金属矿区附近的土壤中，铅、铜、锌5～200、5～10倍含量分别为正常土壤中含量的10～40、［2］。重金属可迁移性差，不能降解，在生态系统中不断积累，毒性导致生态系统的退化，并通过食物链影响人体不断增强，健康。湘西自治州铅锌矿污染已经是一个无法回避的事实。如何有效地治理、恢复这类特殊退化的湘西脆弱地质生态环境的生态系统，充分利用生态学、环境学、资源学、植物学、自然地理学、矿区废弃地恢复生态学等资源，恢复和重建森林形成自我维持、稳定的生态系统，促进矿区生态环植被系统，境的改善和经济的可持续发展，是湖南省乃至全国矿区生态环境建设、国土整治及林业生态工程所面临的重要研究课题。关于矿山环境和生态问题，大量研究表明最根本和有效的方法是以植物为基础的生物措施。植物修复是指利用绿色植物移除环境中的污染物或使这些污染物变为无害［3］28°32'31″N），族自治州花垣镇团结镇（109°22'517″E，地处湖湖北、贵州、重庆边区，属亚热带季风性湿润气候区域的南、典型山地气候特征，多年平均降雨量1419mm，一年中降雨多在夏季，全年平均气温13．5～16．7℃，全年平均日照950～1400h，海拔300～1800m，地形复杂，植物资源丰富，分布针叶树、灌木和草本植物，具有亚热带山区植着多种阔叶树、被的典型特征。1．2植被调查及样品采集调查区为开采历史超过30多年的老铅锌矿，采样点设在选矿的尾砂坝周围。在上述矿区外2km处选择未受干扰的地方，采集无污染土壤作为对照。土样按直线或梅花型布点法随机采集，每个区采集3～4个平行样，每个平行样由5～6个子样混合而成；在各点上用铁5～10、10～20cm的表层土，铲取0～5、再用木勺将未与铁铲接触的土壤剥入洁净的聚乙烯塑料袋中，各样点的土壤取样量尽可能一致。所有样品封装后运回实验室，将采回的土壤样品进行风干。在尾矿坝周围和中间分区采集植物样品。植物样品包括木本植物的叶和草本植物的地上部及其周围土壤。1．3植物样品重金属含量分析植物样品采集后，先用自105再用去离子水清洗3次，风干，根茎叶分离，来水洗干净，。近年来，一系列的研究发现以及各学科的交叉研究使得植物低费用和无污染的修复这一研究领域发展成为一种潜在的、治理环境污染的新途径［4］。Knight等认为，与其他处理方。不同类型的矿业废弃地影响法相比，植物超累积或强耐性植物修复技术所产生废物量较并且可以回收重金属少，［5－6］因此对基质采取相应的改良措施。笔植物定居的因素不同，湖南省科技计划项目（2010NK3020）。刘灿（1986－），女，湖南长沙人，硕士研究生，研究方向：重金属污染植物修复。*通讯作者，教授，博士，博士生导师，E-mail：zoudongsheng2从事农业生态和生态经济方面的研究，@sina．com。09-08收稿日期2011-基金项目作者简介℃杀青30min后置于80℃烘干48h，粉碎，过2mm筛，再烘HClO4（V∶V=4∶1）混合酸消煮完全。植物重干。用HNO3、Cd、Pb）的测定采用硝酸－高氯酸混合酸消化金属元素（Zn、法，用原子吸收光谱仪测定。在样品消煮过程中，以混合酸21744安徽农业科学2011年为试剂空白，同时消煮，以消除消煮和分析过程中的污染度。1．4土壤样品理化性质测定及重金属含量分析土壤样品玛瑙研钵研磨，一小部分过20目采集带回实验室自然风干，筛测pH，其他过100目筛测定理化性质及重金属含量。土壤理化性质测定采用常规方法［7］土壤理化质量。已有的研究表明，土壤pH及有机质含量的降低会引起土壤对金属的吸附量减少，从而使植物的吸收量上升［8］。Zn和Cd总含量均远远超由表2可知，污染土壤中Pb、Pb、湘西铅锌金属矿区Cd、过国家土壤环境质量3级标准，Zn平均值分别为土壤环境质量国家3级标准的159．830、5．578和5．784倍，尤其是Cd的污染已达到相当严重的程铅锌矿和铜铅锌矿的伴生元素，尤其是在浅度。Cd是锌矿、Zn等被提炼后，色闪锌矿中含量较高，可达5%。在Pb、伴生元素Cd较多的残留于尾砂库或碎矿石中［9］。土壤pH测定采用电位3C型精密pH计测定。土样在105土∶水=1∶5，用pHs-法，℃条件下烘2h，称取约0．1g于聚四氟乙烯坩埚中，采用王用原子吸收光谱仪测定矿土土壤重金属水－高氯酸消化法，Cd、Pb）浓度。元素（Zn、22．1结果与分析土壤污染状况由表1可知，各污染土壤样品pH的平，并随着人为原导致矿区及因或降雨等自然原因将重金属带到更远的区域，周边土壤Cd污染。所采土壤均位于花垣铅锌矿区的冶炼厂开采时间将近30年。这表明铅锌矿的开采、选矿和加周边，Zn和Cd污染的主要原因。植工等活动是导致矿区土壤Pb、Zn、Cd含量都低于尾矿渣中的重金物周边的尾矿土样中Pb、尤其是对Cd污染的土壤效果尤其显著，其中五节芒属含量，铁扫帚周边土样的Pb、周边土样Cd含量减少到9倍以下，Zn、Cd含量都明显减少。由此可知，合理利用这些优势植物对重金属污染土壤的生态恢复有一定的作用。均值都在6．00～7．00，表明采样区土壤大多呈弱酸性。与各湘西铅锌矿区的尾矿渣各种理化性质植物周边的土壤相比，P、K含量都极低。这主要土壤有机质含量以及N、都偏低，是由于土壤污染使植物难以在其上定居，加上污染土壤疏孔隙率高，使得土壤中营养元素大量流失。而有植物生松、长的尾矿土样中的各种植物基本所需的有机质及矿质元素五节芒、野菊花、密蒙花、铁都有明显的提高。据现场勘查，说明在尾矿上种植植物能有效改善其扫帚等植物长势较好，表1Table1土壤样品Soilsamples五节芒土样SoilsampleofMiscanthusfloridulus铁扫帚土样SoilsampleofLespedezacuneata密蒙花土样SoilsampleofBuddlejaofficinalisMaxim蓼科植物土样SoilsampleofPolygonaceae混合植物土样Soilsampleofmixedplants尾矿渣Tailingresidues表2Table2含水系数Aquifercoefficients0．0500．0210．0370．0430．0050．003铅锌矿区污染土壤的基本理化性质有机质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全钾量TotalKcontent∥g/kg6．923．718．5410．408．232．18BasicphysicalandchemicalpropertiesofcontaminatedsoilinPb-ZnminingareaspH6．006．006．306．506．306．63Pb和Cd总含量铅锌矿区污染土壤中Zn、mg/kgCd17．8945．4077．3928．1765．57159．831．00Pb2577Zn2500李梅金属矿区生长的主要植物有25科53种，其中禾本科16种，菊科15种，锦葵科3种，其他科属植物较少。李梅金属矿区生长的植物以禾本科和菊科植物居多。这可能与草本干旱，相对比较易形成重金属植物具有营养繁殖及耐贫瘠、耐性以及菊科植物种子具有较强的传播能力和较强的环境适应能力有关［11］TotalcontentofZn，PbandCdincontaminatedsoilinPb-Znminingareas土壤样品Soilsamples五节芒土样SoilsampleofMiscanthusfloridulus6号植物土样SoilsampleofNo．6plants密蒙花土样SoilsampleofBuddlejaofficinalisMaxim蓼科植物土样SoilsampleofPolygonaceae混合植物土样Soilsampleofmixedplants尾矿渣Tailingresidues国家标准（3级）。在采集的54种植物中，根据植物分布范围及分布频率Pb、Zn的富集植物对Cd、筛选出11种优势植物。表3表明，程度各不相同。总体而言，植物体内Zn含量最高，其次是Pb和Cd。地上部和根部的差异较大，而且大多数植物根部重金属含量高于地上部分。这可能与植物对金属的耐性有关。植物通过根部一定结构或生理特性限制金属离子由根部向地上部转移，使得地上部保持较低的重金属含量，或者将重金属转移到落叶，从而将重金属排出体外，以减轻重金属对茎叶等光合作用组织的毒害2．3［12－13］Nationalstandard（grade3）注：土壤3级标准为保障农林业生产和植物正常生长的土壤临界值［10］。Note：Grade3standardofsoilarecriticalvaluesofsoilforensuringagri-cultureandforestryproductionandplantsgrowingnormally［10］．。在重金属污染环。从表3可以看［12］2．2铅锌金属矿区生长植物群落调查结果表明，团结镇Zn和Cd含量及其分布植物中Pb、境中，植物能进化成重金属耐性生态型39卷35期刘灿等湘西铅锌矿区土壤和植物重金属污染现状21745出，调查的优势植物地上部Cd含量的变化范围为1．9～152．0mg/kg，而普通植物Cd含量范围是0．05～0．20mg/kg［13］，所有优势植物比普通植物的Cd含量大37．2～760．0倍。在调查植物中，对Cd富集能力较强的植物有地枇马蓟（HerbacirsiiJaponici）和铁扫帚（Lespe-杷（Ficustikoua）、dezacuneata），其中地枇杷的地上部Cd含量最大，超过Cd超达152．0mg/kg，但其根的富集植物的临界值100．0mg/kg，Cd含量为147．3mg/kg，转运系数为1．03，说明地枇杷有较强的将Cd由根部转移到地上部的能力，是潜在的Cd超富集植物。这初步验证了刘益贵等提出的地枇杷具有超积累Cd的潜力的观点植物［14］［12］mg/kg，是非污染区植物地上部Pb上限的26．0倍，可见生长在矿区这一重金属污染严重的特定环境下的植物对Pb的富集能力要比非污染区植物强。地上部分Pb含量最高的为愉悦蓼（PolygonumjucundumMeisn），达到732．5mg/kg，其次为地枇杷、狗尾巴草（Setairaviridis（L．）Beauv）和玉米（Zeamays），289．5和279．0mg/kg。同时，含量分别为312．0、绝大部分植物根部Pb含量平均值大于地上部分。虽然其地上部分均未达到Pb超富集植物含量的临界值1000mg/kg，但狗尾巴草和玉米不仅生物量大，且地上部铅含量较高，加上其易于种植培养，比较适合用于铅污染环境的植物修复。锌是植物生长发育的必需元素，但过量时仍然会引起植［18］物毒害。普通植物中锌的含量一般为20～150mg/kg。在。此外，鉴于镉的生物毒性，还有文献报道植物地上部组织镉含量只要超过50mg/kg就应该定为镉超积累。那么研究中除鸡矢藤（Paederiascandens）外全都达野菊花（ChrysanthemumindicumL．）的转运系到该标准。其中，数最强，达5．4。要确定这些植物是否真正就是镉超积累植物，还应进一步通过室内土培或水培试验加以验证。表3Table3Zn和Cd含量及分布生长在铅锌矿区的11种植物体内Pb、ThecontentanddistributionofPb，ZnandCdin11plantspeciesinPb-Znminingareas种名Nameofspecies野菊花ChrysanthemumindicumL．狗尾巴草Setairaviridis（L．）Beauv五节芒Miscanthusfloridulu野艾蒿Artemisiaumbrosa愉悦蓼PolygonumjucundumMeisn铁扫帚Lespedezacuneata密蒙花BuddlejaofficinalisMaxim马蓟HerbacirsiiJaponici部位Parts花AUAUAUAUAUAUAU种子AU鸡矢藤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所有调查植物中，只有愉悦蓼地上部Zn含量超过1000mg/kg，但其转移系数较低，只有0．233，仍不能作为Zn的超但都没达到富集植物。其他植物中含量都比普通植物高，1000mg/kg。Zn和Cd该研究也对野菊花的花和马蓟的种子进行Pb、含量的测定，发现花和种子的Cd和Pb含量都比普通植物只有Zn在正常范围内。这说明如果在铅锌矿地上种植高，粮食作物肯定不能食用，其Cd和Pb含量严重超标，危害到人体的健康。3结论通过对湖南湘西李梅铅锌矿区的矿业废弃地的污染状发现由于大量尾矿砂的堆砌及矿毒况及植被组成进行调查，Pb和Zn3种重金属元素水污染，矿区土壤极度贫瘠，且Cd、总量超过国家土壤环境质量标准，严重影响植物在其上的定居和生长。对植物的调查结果表明，虽然并未发现新的重金但都能在污染土壤上生长良好，表现为对复属超富集植物，合重金属污染具有一定的抗性。其中，有些植物如野菊花、愉悦蓼和玉米生物量较大、生长旺盛，并表现出对多种重金属具有较强的积累能力，这些植物可用于重金属污染土壤的植物提取；有些植物如狗尾巴草和五节芒（Miscanthusfloridu-lus），虽然重金属含量相对较低，但能在重金属污染较重的土壤上正常生长并繁殖，这类植物则可用于重金属污染土壤的植物固定。如果辅以特定的农艺调控措施来改善土壤理化性质，则可以更好地促进这几种植物在污染土壤上定居和生长，从而最大限度地降低污染土壤中的重金属含量，为矿区植被恢复和生态重建奠定基础。参考文献［1］黄铭洪，［J］．土壤学报，2003，40（2）：骆永明．矿区土地修复与生态恢复161－167．［2］薛强，［J］．土梁冰，刘晓丽．有机污染物在土壤中迁移转化的研究进展2002，11（1）：90－93．壤与环境，［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］陈英旭．土壤重金属的植物污染化学［M］．北京：科学出版社，2008：211．［7］鲍士旦．土壤农化分析［M］．北京：农业出版社，1999．［8］王学锋，［J］．环境科学与技术，2003，26朱桂芬．重金属污染研究新进展U674．0147．32044．0U分别为地上部、地下部。注：A、Note：AandUareabove-groundpartandunder-groundpart，respectively．Pb在土壤中常以磷酸盐和碳酸盐的形式存在，其可溶因此生物有效性较低，一般植物只能积累少性及移动性差，量的铅于植物地上部部［16－17］［15］。植物吸收的大部分铅都限制在根。非污染区植物地上部铅的含量范围相对较窄，一［18］般为0．1～10．0mg/kg，平均为2．0mg/kg。虽然文献中其铅含量都超过1000已报道过好几种铅超积累植物，mg/kg，但野外采集的样品中铅含量超过500mg/kg的仍很少见。在调查的所有植物中，地上部Pb含量平均值为259．321746安徽农业科学2011年（1）：54－56．［9］雷力，［J］．矿业周兴龙，文书明．我国铅锌矿资源特点及开发利用现状2007（9）：1－4．快报，［10］国家环境保护局．GB15618-1995中华人民共和国土壤环境质量标准［S］．北京：中国标准出版社，1995．［11］陈红琳，张世熔，李婷，等．汉源铅锌矿区植物对Pb和Zn的积累及耐［J］．农业环境科学学报，2007，26（2）：505－509．性研究［12］刘益贵，彭克俭，沈振国．湖南湘西铅锌矿区植物对重金属的积累［J］．生态环境，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］张福金，尤美云，刘建平，等．内蒙古城郊菜地土壤重金属污染状况分［J］．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