全 文 ：高 As煤矿区灯心草重金属累积特性研究
刘桂华 1，2，3，胡 岗 1，2，3，秦 松 1，2，3，付天岭 4，范成五 1，2，3，刘小倩 5
（1.贵州省土壤肥料研究所，贵州贵阳550006；2.贵州省农业资源与环境研究所，贵州贵阳550006；
3.贵州省农业资源与环境工程技术研发中心，贵州贵阳550006；4.贵州大学新农村发展研究院，
贵州贵阳550025；5.贵州恒鼎源农业环境科技有限公司，贵州贵阳550025）
摘 要：在实地调查的基础上，采用野外采样与实验室分析相结合的方法，就黔西南州高As煤矿区周边的优势植
物物种——灯心草对重金属（Fe，Mn，Cu，As）的累积特征进行了初步研究，旨在探明灯心草对煤矿区重金属污染
修复的潜力。结果显示，煤矿区受到了Fe，Cu，As的污染，累积指数分别达1.77，4.53和52.94，综合累积指数达
755.98，属于重度累积，表明煤矿区已受到了严重污染。通过富集系数、转移系数、滞留率分析发现，灯心草对Fe，
Mn元素属于富集型植物，对As元素属于根部囤积型植物，而对于Cu元素则属于规避型植物。
关键词：煤矿区；重金属元素；灯心草；累积指数；富集特征
中图分类号：X171.5 文献标识码：A 文章编号：1002-2481（2016）08-1161-05
Study on Heavy Metal Accumulation Characteristics of Juncus effusus
in High Arsenic Coal Mining Area
LIUGuihua1，2，3，HUGang1，2，3，QINSong1，2，3，FUTianling4，FANChengwu1，2，3，LIUXiaoqian5
（1.GuizhouInstituteofSoilandFertilizer，Guiyang550006，China；2.GuizhouInstituteofAgriculturalResourcesandEnvironment，
Guiyang550006，China；3.GuizhouProvinceAgriculturalResourcesandEnvironmentalEngineeringTechnologyResearchand
DevelopmentCenter，Guiyang550006，China；4.InstituteofNewRuralDevelopmentResearch，GuizhouUniversity，
Guiyang550025，China；5.GuizhouHengdingyuanAgriculturalEnvironmentTechnologyCo.,Ltd.，Guiyang550025，China）
Abstract：Combined with the field survey,Juncus effusus wa the dominant species around the coal mining area, then the heavy
metal（Fe, Mn, Cu, As）accumulation characteristics ofJuncus effusus was researched preliminarily by field sampling combining with
laboratoryanalysis,aimedatexploringitspotentialofrepairingheavymetal.Theresultsshowedthatthecoalminingareawaspollutedby
Fe,CuandAs,theaccumulationindexwas1.77,4.53and52.94,respectively,thecomprehensiveaccumulationindexwas755.98.These
indicatedthecoalminingareawasseverecontamination.Theanalysisofaccumulationindex,transferratioandretentionrateshowedthat
Juncus effususwasaccumulationtypeplanttoFe,MnandrootshoardingtypetoAs,butwasevasivetypetoCu.
Key words：coalminingarea;heavymetallicelement;Juncus effusus;accumulatio index; enrichmentcharacteristics
收稿日期：2016-03-29
基金项目：贵州省科研机构服务企业行动计划项目（黔科合服企（2015）4007）；贵州省科技厅科技计划项目（黔科合NY（2013）3077号）；贵州
省农业科学院科技成果培育与人才培养项目（黔农科院CR合字（2014）12）
作者简介：刘桂华（1989-），女，贵州铜仁人，研究实习员，硕士，主要从事农业环境重金属污染治理研究工作。范成五为通信作者。
doi:10.3969/j.issn.1002-2481.2016.08.25
矿山在开采过程中产生的废水、废气及固体废
物所导致的重金属污染对周边生态系统造成了严
重威胁，其所产生的污染能够长时间残留在土壤
中，难以被微生物降解，因此，通过食物链会直接为
害人体的健康[1]，最终引起土壤环境恶化、野生植物
种类及数量的锐减，导致土壤失去使用价值。减轻
矿区重金属对生态环境的为害，植被的重建就成为
矿区生态恢复的最佳途径和急需解决的关键问
题[2-4]。迄今为止，所研究的重金属超富集植物通常
植株矮小，生物量较低，生长速度缓慢，生育周期
长，同时，极易受土壤理化性质如水分、盐度、酸碱
度等的影响，因此不能得到广泛的实际应用[5-6]。
通过对煤矿区周边土壤重金属污染现状的调
查，以筛选出能够适应当地气候、土壤环境的重金
属耐性物种，已成为矿区植被恢复、土壤修复的关
键环节。灯心草（Juncus effusus）又称野席草、灯草、
水灯心，是席草类莎草科蒲草属，多年生草本作物，
分布范围较广。灯心草具有较高的经济、药用价值，
在医药和民用工业等领域应用广泛，常见其在处理
城市污水[7-8]、土壤重金属污染修复[9]等方面的报道。
山西农业科学2016，44（8）：1161-1164，1227 Journal of Shanxi Agricultural Sciences
1161· ·
山西农业科学2016年第44卷第8期
笔者实地调查了煤矿区周围的优势物种，并对
复合重金属富集特征进行了对比分析，筛选耐受性
强、金属含量高、生物量大的植物，以便选出适应性
较强的重金属耐性和超累积原生植物，进而对矿区
周边污染土壤的修复和生态植被恢复具有一定的
指导意义。
1 材料和方法
1.1研究区概况
兴仁县（东经 105.18°，北纬 25.43°）位于贵州
省黔西南州中部。地势西高东低，地形起伏较大，属
于典型的碳酸盐岩区，生态环境非常脆弱，石漠化
较为严重。兴仁境内矿产资源丰富，主要有煤、金、
锑、汞、大理石、石灰石等，其中，煤的远景储量超过
45 亿t，是国家地质储量机构认定的“兴仁煤田”。
煤炭在开采和冶炼过程中留下了大量的废弃煤矿
井及围岩，排放的矿山酸性废水和废渣，严重破坏
了周边植物的多样性。
1.2研究方法
1.2.1 土壤和植物样品采集 首先对煤矿区优势
植物进行调查，结果发现，污染的矿区周边仍有灯
心草生长，之后随机选取一个10m×10m的大样
方，再在这个大样方中采用梅花布点法选取0.5m×
0.5m的5个小样方，然后在小样方内依次选取代
表性强、生长旺盛的灯心草，采集完整植株，分别收
集地上、地下部分，做好标记。同时，采集灯心草对
应根部的表层土壤样品（0～20cm），混匀，并做好
标记。
1.2.2 样品测定与分析方法 植物样品采回后，先
用自来水冲洗干净，然后用纯净水冲洗3次，于干
燥箱中105℃杀青30min，最后60℃烘干至恒质
量，分别将地上部分和地下部分磨碎，过0.149mm
尼龙筛，再采用硝酸-长管消解法湿法消解，定容
过滤待测。土壤样品带回实验室后，去除石块、植物
根系残体，于室内自然风干，过0.149mm尼龙筛，
用王水回流 - 长管消解法湿法消解（SCP science
Digi-pertHT，美国热电），定容过滤后待测。采用火
焰原子吸收分光光度计（美国热电，ICE3500）测定
灯心草及土壤样品消解液中 Fe，Mn，Cu 等特征重
金属元素含量，样品中As含量采用原子荧光光度
计（北京瑞利，AFS-810）测定。
1.2.3 污染评价的方法与标准 污染指数法是较
为普遍的污染评价方法，有单因子污染指数法、内
梅罗综合污染指数法[10]。土壤由于地区背景差异较
大，用土壤污染累积指数更能反映土壤的人为污染
程度。土壤金属的累积状况可通过土壤金属全量测
定值与累积性评价指标值相比较而获得[11]。
土壤单项累积指数计算公式如下。
Pi 全量＝Ci/Si （1）
式中，Pi 全量为土壤中重金属 i 的单项累积指
数；Ci 为土壤中重金属 i 全量的实测质量分数
（mg/kg）；Si为土壤中重金属 i的累积性评价指标值
（mg/kg）。当 Pi 全量≤1.0时，表示该土壤没有累积，仍
在背景水平；当1.0＜Pi 全量≤2.0时，属于轻度累积，
表示该土壤中某种重金属已出现累积现象；当
2.0＜Pi 全量≤3.0时，属于中度累积，表明土壤中某
种重金属已有一定程度的累积；当 Pi 全量＞3.0时，
属于重度累积，表明土壤中某种重金属严重累积。
综合累积指数是污染物对土壤作用的较好反
映，同时能显示高浓度污染物对土壤环境质量的影
响。该评价体系特别考虑了污染最严重的因素，有
效地规避了主观因素的影响，是目前应用较多的一
种环境质量指数。可按综合累积指数划定污染等
级。综合累积指数计算公式如下。
P 综合＝（maxPi 全量 2＋avePi 全量 2）/4 （2）
式中，P 综合表示土壤重金属综合累计指数；
maxPi 全量表示土壤重金属中单项累积指数的最大
值；avePi 全量表示土壤重金属中单项累积指数的平
均值。综合累积指数分级标准列于表1。
表 1 土壤重金属综合累积指数等级划分标准
划定等级
1
2
3
4
P综合
≤0.7
＞0.7～1.4
＞1.4～2.1
＞2.1
累积水平
未累积，被评价的多种重金属均在背景水平
轻度累积，土壤中一种或几种重金属已超过背景值，出现累积现象
中度累积，土壤中一种或几种重金属已明显超过背景值，土壤已有一定程度的累积
重度累积，土壤中一种或几种重金属已远远超过背景值，土壤重金属累积程度严重
1.3数据处理
数据分析、处理采用Excel进行。
富集系数＝植物体内重金属含量 / 土壤中重
金属含量[12]；转运系数＝植物地上部重金属含量 /
地下部重金属含量；滞留率＝（地下部重金属元素
的浓度－地上部重金属元素的浓度）/地下部重金
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刘桂华等：高As煤矿区灯心草重金属累积特性研究
属元素的浓度×100%[13]。
2 结果与分析
2.1土壤中重金属含量与评价
2.1.1 土壤重金属的含量 兴仁高砷煤矿区内优
势植物——灯心草根部pH值及相应土壤重金属含
量列于表2。由表2可知，高As煤矿区灯心草根部
的pH值平均在3.95±0.01，属于强酸性；4种金属
在土壤中含量大小依次为Fe＞As＞Mn＞Cu，但相
对于贵州省土壤背景值[14]，Fe，As，Cu均有不同程度
的超标，分别是贵州省土壤背景值的4.53，52.94，
1.77倍。
表 2 高砷煤矿区优势植物灯心草根部土壤 pH 值及相应重金属含量
Cu/（mg/kg）
56.55±9.16
32.00
As/（mg/kg）
1058.76±10.63
20.00
Mn/（mg/kg）
208.01±45.58
794.00
采样点
灯心草
贵州土壤背景值[13]
pH
3.95±0.01
Fe/（g/kg）
188.82±0.40
41.70
2.1.2 重金属污染指数及等级 煤矿区土壤重金
属的单项累积指数和综合累积指数以及等级划分
列于表3。由表3可知，在高As煤矿区中，Mn元素
的单项累积指数小于1，仅为0.26，属于未累积；Cu
元素的累积指数为1.77，属于轻度累积；而Fe和
As元素的累积指数分别为4.53和52.94，属于重度
累积，说明该煤矿区已受到了Fe，As的严重污染，
其中，As污染较为严重。从综合累积指数来看，P综合
达到755.98，表明矿区的重金属综合累积已达重度
累积水平。
表 3 煤矿区土壤重金属污染指数及污染等级
As
52.94
重度累积
综合累积指数（P综合）
755.98
重度累积
Cu
1.77
轻度累积
项目
累积指数
评价等级
Fe
4.53
重度累积
Mn
0.26
未累积
单项累积指数（Pi全量）
2.2灯心草对几种金属元素的累积特性
2.2.1 灯心草体内重金属含量 由表4可知，重金
属在灯心草体内的含量大小表现为Fe＞Mn＞As＞
Cu；而土壤中重金属含量大小为：Fe＞As＞Mn＞
Cu。除As，Mn之外，植物体内与土壤中重金属含量
基本保持一致，这在一定程度上反映了植物对重金
属的富集作用与土壤中重金属本底含量之间存在
一定的正相关性。灯心草体内4种重金属元素Fe，
Mn，Cu，As中，除地上部分和地下部分的Cu元素
含量的差异性不显著外（P＞0.05），其他 3 种元素
含量在灯心草的地上部分和地下部分之间均达到
了显著或极显著差异水平。此外，在灯心草体内的
重金属含量与正常植物体内含量[15-16]相比，只有重
金属Cu元素在植物正常生长范围内，而Fe，Mn，As
这3种重金属均超标，说明灯心草对这几种重金属
具有一定的富集能力。
表 4 灯心草体内重金属含量 mg/kg
As
4.59±1.18Bb
134.63±3.20Aa
＜1[16]
Cu
18.55±0.16Aa
24.45±5.64Aa
0.4～ 5.8[16]
项目
地上部分
地下部分
植物体内正常含量
Fe
3029.97±162.22Ab
1223.58±70.73Aa
10～500[15]
Mn
944.17± 2.33Aa
311.66±24.72Bb
15～150[15]
注：同列数字后不同大、小写字母分别表示差异达极显著（P≤0.01）、显著水平（P≤0.05）。
2.2.2 灯心草体内重金属富集、转移能力及滞留率
富集系数能够反映植物对土壤中重金属元素吸
收转移能力的强弱，富集系数越大，说明植物对该
金属富集能力越强[17]。其也是反映植物对重金属吸
收潜力的重要指标，从而推断植物的修复潜力[18]。
转移系数即植物地上部分的重金属含量与根部重
金属的含量的比值，表示的是重金属在植物体内由
根部向地上部转移的能力[19]。滞留率即根部重金属
含量和地上部重金属含量之差与根部重金属含量
的比值，可显示出植物对重金属耐性能力的强弱，这
也是植物根部对重金属污染的一种保护性反应[13]。
从表5可以看出，灯心草对Mn元素的富集系
数为6.04，而对Fe，Cu，As的富集系数均小于1，说
明灯心草地上部分中的 Mn 含量大于其所生长的
土壤环境中的Mn含量，因此，灯心草适应受Mn污
染土壤的修复治理。灯心草对Fe，Mn的转运系数
分别为2.48，3.03，而Cu和As则小于1。滞留率则
表现出与转运系数相反的变化规律，即Cu，As的滞
1163· ·
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山西农业科学2016年第44卷第8期
留率较大，特别是对有毒元素As的滞留率可达到
96.59%，这是植物的一种自我保护机制，由于茎叶
部分比根系更容易受到逆境的毒害，这样就有效避
免了植物根部有毒元素进入茎叶中[19]。
3 讨论
煤矿区灯心草根部土壤是呈强酸性的，土壤
3 种重金属（Fe，Cu，As）与贵州省土壤背景值相比，
都有不同程度的超标，尤其As是背景值的50余
倍。煤矿区土壤中Cu属于轻度累积，Fe和As则为
重度累积。从综合累积指数来看，煤矿区重金属累
积指数远远大于2.1，已经达到了重度累积的水平，
可见，该煤矿区主要是由As污染引起的，说明矿山
在开采后产生的As污染最为严重。
煤矿区周边土壤被重金属污染后，会对植物的
生长发育造成严重的损害，但灯心草却能存活下来，
且生长良好，这或许是由于长期的自然选择使植物
产生了对重金属毒害的防卫机制，从而对污染产生
了一定的抵抗能力[20]。有学者研究指出[21]，植物对重
金属的吸收类型：第1类为富集型（Accumulators），
能将重金属元素从土壤中主动吸收并富集[22]，转运
系数大于1，能使重金属元素向地上部转移，灯心
草地上部Fe，Mn含量分别达3029.97，944.17mg/kg，
地下部分含量分别为1223.58，311.66mg/kg，说明
灯心草是Fe，Mn的富集植物，具有修复Fe，Mn污
染土壤的能力；此外，灯心草对Cu和As也具有一
定的耐性，即使在高浓度Cu和As污染的土壤中也
能生长良好。第2类是根部囤积型（RootCompart-
ments），指植物吸收重金属后，很大一部分累积在
根部，极少量会向地上部转移，从而减轻了其对光
合、呼吸作用的毒害[21]，转移系数小于1。灯心草地
下部As含量为134.63mg/kg，而地上部As含量仅
为4.59mg/kg。由此可见，灯心草对于重金属元素As，
属于根部囤积型植物。第3类是规避型（Excluders），
指将土壤重金属主要集中在根系表面，只有少量重
金属被植物吸收，富集、转运系数均小于1，且植物
体内重金属含量都属于正常水平。在本次煤矿区调
查中，灯心草对于Cu的富集系数和转运系数均为
0.76，且灯心草体内铜含量也在植物正常含量范围
内。故对于重金属Cu，灯心草属于规避型植物。
综上所述，灯心草可作为修复高As煤矿区污
染土壤的先锋物种，从而提高煤矿区植被覆盖率、
改善矿区生态环境以及修复矿区重金属污染土壤。
4 结论
煤矿区周边土壤在一定程度上受到了Fe，Cu，
As等重金属元素的污染，重金属的单项累积指数
表明，除了Cu是轻度累积外，其他2种金属元素均
达到了重度累积水平，且综合累积指数为755.98，
属于重度累积。
灯心草中重金属含量除了Cu元素符合植物体
内正常含量外，其他几种重金属元素（Fe，Mn，As）
均远远超出了植物的正常生长含量范围。
灯心草对 Fe，Mn 的转运系数均是大于 1，其
中，Mn的富集系数也大于1，且滞留率均小于0；而
对Cu和As的富集与转运系数均小于1，滞留率达
到20%以上，尤其对As的滞留率高达96.59%。
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表 5 煤矿区灯心草富集、转移系数及滞留率
项目
富集系数
转运系数
滞留率/%
Fe
0.02
2.48
-147.63
Mn
6.04
3.03
-202.95
As
0.13
0.03
96.59
Cu
0.76
0.76
24.13
1164· ·
（上接第 1209 页）
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基地[16]，以此真正实现农民宅基地的用益物权。
3.4.2 进一步完善宅基地的流转机制，统筹城乡建
设用地市场 现阶段由于相关法律法规的规定，使
得农民宅基地的资产价值不能完全显现，不利于城
乡协调发展和资源的最优化配置。新的政策在保障
农民权益的基础上，应该探索完善的宅基地流转机
制，允许农村宅基地在城乡居民之间自由流动，推
动城乡融合，促进城乡一体化，打破城乡二元分隔
的土地利用机制[17]。
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刘斌章：新型城镇化背景下我国农村土地制度改革与创新
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