云南临沧某煤矿区土壤及优势植物中重金属含量特征分析

崔世展，谢 佳，缪德仁

(1．昆明学院 农学与生命科学学院，云南 昆明 650214；2．昆明学院 化学化工学院，云南 昆明 650214)

土壤作为人类赖以生存的物质基础，与当今人类面临的粮食安全、资源和环境等许多问题密切相关[1]．我国可利用的土地资源极其匮乏，而采矿活动产生的尾矿不仅占用了大量的土地资源，而且还带来严重的环境污染[2-3]．因此，近年来人们对矿区土壤重金属污染修复的关注力度越来越大[4]．目前，土壤重金属污染修复技术主要为物理、化学等修复技术．然而，这些方法虽然对重金属和放射性物质污染的修复效率高，但是仍不能解决大面积土壤环境污染的根本问题[5]．而植物修复技术与传统修复方法相比较，具有修复成本低、对环境干扰少、环保等优势，该方法为土壤重金属污染治理提供了一种新途径．

研究区域位于云南省临沧市临翔区博尚镇，该区域处于多金属矿产资源带，矿产资源丰富，但是矿山开采往往会造成多金属复合重金属污染土壤的现象，加之雨水冲刷以及人类活动的影响，大大提高了重金属扩散的风险．考虑研究区域道路交通不便，且受到重金属污染威胁的土壤面积规模较小，采用植物修复技术的方式更加合理．但由于矿山重金属污染主要是多种重金属元素引起的复合污染，植物的生长及其在工程中的应用受到极大限制[6]．因此，植物修复技术的关键是筛选出具有同时累积多种重金属的植物．基于此，本研究选取云南省临沧市临翔区具有代表性的煤矿区为研究对象，通过对该区域内的优势植物和土壤进行采样分析，探讨土壤重金属污染的状况以及优势植物对重金属的吸收和积累特征，筛选出适宜该矿区生态环境的恢复植被，以期为植物修复技术在矿山重金属污染治理中的应用提供理论依据．

1 材料与方法

1.1 样品的采集与制备

按照随机取样法采集煤矿区内多个点位的表土，然后将其混匀备用．同时在研究区域内调查植物的种类和生长状况，选取生长量大的植物为研究区域中的代表性优势植物，共选取9种优势植物(表1)，每种植物采集3～6株，并收集植物根际土壤备用．所采集的土壤样品去除植物残根和大颗粒石子后，经风干、研磨并全部通过100目尼龙孔筛，存放于密封袋，并置于干燥器中备用．植物样品冲洗干净，分地上、地下部分晾干后转移至烘箱内杀青(100 ℃)，研磨过60目尼龙孔筛后封装、贴标、备用．

表1 9种优势植物

1.2 重金属元素的测定

土壤样品和植物样品采用微波消解仪消解，其中土壤样品采用HNO3-HF-HClO4(m(HNO3)∶m(HF)∶m(HClO4)=5∶2∶2)消解，植物样品采用m(HNO3)∶m(HClO4)=8∶2 消解.并采用ICP-OES(Thermo，iCAP 6300)法对消解液中各重金属元素含量进行测定[7]．每一样品均设置3次平行试验与空白对照，最终结果表示为平均值．若无特别说明，本研究所采用的试剂均为优级纯，水为超纯水．

2 结果与讨论

2.1 土壤中重金属元素的含量分布

采用微波消解-ICP-OES法对土壤中的As，Cd，Cr，Cu，Pb和Zn的含量进行测定，并将结果列于表2之中．

重金属元素含量分析结果表明，尾矿区土壤中As和Cd两种重金属离子的含量均超过我国《土壤环境质量-农用地土壤污染风险管控标准》[8]规定的农用土壤污染风险筛选值的阈值(40.0 mg/kg 和0.3 mg/kg)，因此要求修复植物能够同时对As和Cd具有富集能力．另外，虽然尾矿区中As的含量未超出该标准中所规定的农用土壤污染风险管制值的阈值，但Cd的含量则显著高于土壤污染风险管制值的阈值(1.5 mg/kg)．显然，该尾矿区的土壤已失去了基本的生产能力，原则上应当采取禁止种植食用农产品、退耕还林等严格管控措施．

表2 土壤中重金属元素的含量

通过对比优势植物根际土壤的重金属含量可以看出，桤木根际土壤中As，Cr和Zn的含量高于尾矿区表土2倍以上；积雪草根际土壤中As的含量也高于尾矿区表土的2倍以上；蜈蚣蕨根际土壤中的As和Cd含量大都明显高于其他植物根际土壤，说明蜈蚣蕨的根系可能对As和Cd同时具有富集效果．

2.2 植物重金属元素的含量分布

采用微波消解-ICP-OES法分别对植物样品的地上与地下部位进行重金属测定，并通过对比不同部位中重金属的含量，可以体现植物从根部向地上部转运重金属的能力．另外，通过测定结果对比，还可研究不同植物对重金属的富集差异．植物不同部位中各重金属元素的含量分析结果如表3所示.

表3 植物不同部位中重金属元素的含量

通过对比可知，桤木对As的富集量不大，但地上部As的含量高于地下部4.5倍，并且在9种植物中最高，桤木的生物量很大，可作为该区域生态恢复植物的备选；积雪草对Cd的转运能力最强，但富集能力弱，且生物量不大，难以应用于植物修复工程中；伏地卷柏与黄毛草莓的地下部虽然对Pb和Zn的富集量较多，但只能表现出各自对相应重金属元素的耐性高，无法对污染场地进行有效修复；蜈蚣蕨的地上、地下部对As和Cd的富集量远高于其他植物，分别为1 798.00，1 333.00 mg/kg 和39.69，29.55 mg/kg，地下部向地上部的转运系数超过了1，但是根据超累积植物的定义，需要植物体内Cd的含量超过 100.0 mg/kg，该植物才能称为超累积植物．然而，有研究[9]表明，在砷含量高达1 500 mg/kg的土地上，凤尾蕨属植物、蜈蚣蕨地上部分富集砷的含量高达 22 630 mg/kg (超过干质量的2%)，比土壤中的砷含量高10倍以上．因此，考虑本研究采集的植物样本均为矿区野外的优势植物，土壤中重金属的含量远低于室内实验，所以植物对重金属的富集量不能达到盆栽或室内试验的效果．通过对9种优势植物进行重金属测定，发现9种优势植物对Cd的转运效果最好，对Cr的转运能力最差．

2.3 植物样品对重金属的富集能力分析

为探讨优势植物对土壤重金属的富集情况，本研究采用富集系数(BCF)计算公式：BCF=(植体重金属元素含量/土壤重金属元素含量)[10-11]，对各重金属元素在植物不同部位中的BCF进行计算，计算结果汇总于表4之中．

富集系数计算结果表明，蜈蚣蕨的地上部对As和Cd的富集能力最强，BCF分别为17.670和10.510，远高于同为凤尾蕨科的另外两种植物；对Cr富集效果最好的是蜈蚣蕨的地下部，BCF为2.005，说明蜈蚣蕨对Cr具有较高的耐性；伏地卷柏的地下部对Cu与Pb富集能力最强，BCF分别为1.630和1.524，地上部对Zn富集效果最好，BCF为3.051，因此可以作为该区的生态恢复植物备用．

表4 重金属元素在植物中的富集系数

在本研究中，蜈蚣蕨地上部与地下部中As和Cd的含量都远超于其他植物，尽管根据超累积植物的定义[12]，蜈蚣蕨尚不能称为Cd的“超累积植物”．但是，由于生长环境和土壤中Cd的含量对蜈蚣蕨富集Cd的能力有着巨大影响，且与同科的凤尾蕨和西南凤尾蕨相比，蜈蚣蕨对As和Cd的富集效果十分突出．因此蜈蚣蕨在对As和Cd重金属复合污染土壤的治理及矿山复垦方面依然具有较好的应用前景．

3 结论

本研究对云南省临沧市临翔区某煤矿区的土壤及周边优势植物中重金属的含量和植物不同部位中各重金属元素的富集系数进行了分析和计算，可以得出如下结论：

1)矿区土壤中As和Cd的含量已超出我国农用土壤污染风险筛选值的阈值，且Cd的含量已达1.68 mg/kg，超过了1.5 mg/kg的风险管制阈值，原则上该区域土壤应禁止种植食用农产品，并采取一定的措施来进行管控与修复．

2)蜈蚣蕨中As和Cd两种重金属的含量远高于其他植物，但由于生长环境因素影响，其体内Cd的含量不足100 mg/kg，尚不能将其定义为超累积植物．后期可采取盆栽试验改变土壤pH值、增加土壤中有机质来验证蜈蚣蕨对As和Cd复合污染重金属的富集效果．

3)As和Cd在蜈蚣蕨地上部的BCF分别为17.670和10.510，远高于同科的凤尾蕨与西南凤尾蕨，且在尾矿区的长势良好，说明其对As和Cd两种重金属同时具有富集效果．但是对于蜈蚣蕨富集两种重金属的相互作用机理仍需进一步研究．