全 文 ：收稿日期:2009-11-20
基金项目:广西高校重点建设实验室项目(桂教科研[ 2006] 4 号);广西高校重点建设学科项目(桂教科研[ 2007] 20 号);广西教
育厅科研项目(桂教科研[ 2004] 20 号)
作者简介:刘旭辉(1962-),女 ,四川武胜人 , 副教授 ,主要从事高校分析化学教学与研究。
＊通讯作者:覃勇荣(1963-), 男 ,广西平南人 , 教授 ,博士 , 主要从事生态修复与桂西北特色资源开发利用研究。
E-mail:hcxyqy r@126.com
丛毛羊胡子草修复尾矿坝铅镉污染的初步研究
刘旭辉1 ,许元红2 ,王仁富3 ,覃勇荣1＊
(1.河池学院 化学与生命科学系 ,广西 宜州 546300;2.河池市金城江区三中 ,广西 河池 547000;
3.天峨县高中 ,广西 天峨 547300)
摘要:采集广西南丹长坡尾矿坝自然定居植物优势种丛毛羊胡子草及其根际土 ,利用原子吸收光
谱法测定样品中的铅和镉含量 ,以完全没有植被覆盖的尾矿裸地作为对照 ,对铅 、镉转运系数 、富集
系数及修复系数进行比较 ,分析丛毛羊胡子草对重金属元素铅和镉的吸收特性 ,探讨利用丛毛羊胡
子草修复土壤铅镉污染的可能性 ,为南丹长坡尾矿坝等重金属异常区的植物修复提供理论依据。结
果表明 ,丛毛羊胡子草具有较强的重金属耐性 ,其地上部分铅和镉平均含量分别为 205.77mg/kg 和
7.57mg/kg ,地下部分铅和镉的平均含量分别为 643.66mg/kg 和 21.30mg/kg ,铅和镉的转运系数
均<1 ,富集系数镉>铅 ,修复系数镉>铅 ,说明丛毛羊胡子草清除镉污染的效果比铅好。丛毛羊胡
子草虽不是铅和镉的超富集植物 ,但其耐性强 ,对铅和镉的吸收量较大 ,所以 ,可以作为尾矿坝等重
金属复合污染区植物修复的先锋物种使用。
关键词:丛毛羊胡子草;尾矿坝;重金属污染;植物修复;先锋物种
中图分类号:X131.3 文献标识码:A 文章编号:1004-3268(2010)05-0058-05
Phy toremediation with Eriophorum comosum for Lead and
Cadmium Contaminated Soil in Changpo Mine T ailing Dam
LIU Xu-hui1 ,XU Yuan-hong2 ,WANG Ren-fu3 , QIN Yong-rong1＊
(1.Depar tment of Chemistry and Life Sciences , Hechi Unive rsity , Yizhou 546300 , China;
2.The Third Middle Schoo l o f Jincheng jiang District , Hechi 547000 , China;
3.T ian e County High Schoo l , T ian e 547300 , China)
Abstract:The dominant specie s of the natural recovery vegetation , Eriophorum comosum and i ts
rhizo-soil in Changpo mine tailing dam , Nandan county , Guangxi province w ere collected.Lead
and cadmium contents of the specimens we re de tected by FAAS respectively .T he contro l plo ts
were set up wi th bare land in the m ine tailing dam.Through comparative analy sis of the bio-
t ransfercoef ficient , accumulat ion coef ficient and remediation ef ficiency for lead and cadmium , to
rev eal the abso rption characteristic of E.comosum fo r heavy metal lead and cadmium , and to
search the possibili ty of phy to remedia tion w ith E.comosum fo r lead and cadmium contaminated
soil , so as to provide theoretical basis for the phy to remediat ion of heavy metal abnormal dist ricts ,
such as Changpo mine tailing dam , Nandan county ,Guangxi pro vince , etc.The results showed that
E.comosum has strong heavy metal tolerance ,but it is no t a hyperaccumulator for lead and cadmium.The
content of lead and cadmium absorbed by E.comosum above ground is 205.77 mg/kg and 7.57 mg/kg
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2010年第 5期
DOI :10.15933/j.cnki.1004-3268.2010.05.004
respectively , otherwise , the content of lead and cadmium abso rbed by E.comosum under ground is 643.66
mg/kg and 21.30 mg/kg respectively.The bio-t ransfer coefficient of Pb and Cd are all less than 1.It was
also indicated that the accumulation coefficient was Cd>Pb , and the effect of remediation for Cd was bet-
ter than that of Pb.It was proposed that E.comosum should be used as a pioneer species of phy toremedi-
ation for heavy metal complex pollution areas in mine tailing dam.
Key words:Eriophorum comosum ;Mine tailing dam;Heavy-metal po llution;Phy to remediat ion;
Pioneer species
尾矿坝是指采矿 、浮选及冶炼过程中产生的碎
石 、尾砂等矿业废弃物经堆积 、碾压而成的坝体 ,其
主要组成是尾矿砂。有研究表明 ,尾矿坝的重金属
元素含量高 ,成分复杂 ,并且由于露天堆放时间较
长 ,有害物质渗漏和迁移问题十分严重 ,对坝区周围
环境和人类健康构成极大威胁 ,潜在生态风险大[ 1] 。
近年来 ,随着人们环境意识的增强以及政府对环保
问题的日益重视 ,尾矿坝重金属污染问题引起了越
来越多的关注 ,人们从不同角度对其进行了大量的
研究并取得不少成果 。土壤重金属污染治理主要有
理化法和生物法 ,前者如更换客土 、淋洗 、化学试剂
固定 、热解吸附等 ,后者主要是利用生物(动植物或
微生物)对受污染土壤进行生态修复[ 2] 。从修复的
效果和成本来看 ,理化修复见效快 ,但工程量大 ,设
备要求高 ,成本昂贵 ,有一定的环境风险;生物修复
操作简单 ,投入少 ,成本低廉 ,并且不会造成二次污
染 ,但周期长 ,修复效率较低[ 3 , 4] 。从我国目前的现
实条件来看 ,植物修复是一种比较可行的策略 。
植物修复技术(phy toremediation)是利用植物
能够耐受一定浓度某种污染物的特性 ,原位清除污
染物从而降低其环境风险的一类绿色环保技
术[ 5 , 6] 。植物修复通常分为植物萃取(phy to ext rac-
tion)、植物固定(phy to stabilization)、植物挥发
(phy to volati lization)和根系过滤(rhizo filt ration)
等类型 ,其中 ,植物萃取是目前应用比较广泛的一种
技术 ,但必须找到合适的超富集植物(hyperaccumu-
lato r)或重金属耐性植物(heavy metal tolerant
plant)。理想的超富集植物应具备以下特性:①根
系发达 ,能在体内积累高浓度的污染物;②能同时富
集多种重金属 ,累积效率高;③生长速度快 ,生物量
大;④抗逆性强 ,适应性广 ,成活率高[ 7] 。过去 ,人们
试图利用超富集植物对重金属污染进行治理 ,但由
于超富集植物种类少(全球仅发现 500多种 ,主要集
中在禾本科 、菊科 、豆科和十字花科),生物量小 ,生
长速度慢 ,生境特殊且分布受气候地理条件的限制 ,
尤其是广谱的超富集植物数量极少。因此 ,利用超
富集植物进行规模化修复尚有诸多问题[ 8] 。鉴于上
述原因 ,人们把目光逐步转移到重金属耐性植物上 ,
认为利用耐性植物进行重金属污染土壤的生态修复
是一种比较现实可行的路径[ 9] 。丛毛羊胡子草
(Eriophorum comosum)是广西南丹长坡尾矿坝的
优势物种 ,是一种耐寒 、抗旱的乡土植物[ 10-13] ,但关
于尾矿坝等矿业废弃地中丛毛羊胡子草对重金属元
素吸收和富集的研究甚少 ,鉴此 ,拟对此进行一些探
讨 ,以便对利用丛毛羊胡子草进行土壤重金属污染
治理的可行性进行实践和探索。
1 材料和方法
1.1 研究区概况
长坡尾矿坝位于广西南丹县大厂镇长坡矿区
内 ,北纬 24°59′,东经 107°33′,年均气温 16.9℃,年
均降雨 1 490mm ,海拔 726m 。坝体占地面积约
5 hm2 ,表层结皮龟裂 ,析出白色的盐碱 ,酸性废水呈
深紫红色 ,pH 值<2.0 ,电导率>9 000μs/cm ,土壤
基质(主要是尾矿砂)物理结构差 ,水分含量低 ,生理
干旱严重 ,极度贫瘠 ,并且昼夜温差大 ,重金属含量
高[ 1 4] ,许多植物根本无法定居 ,只有极少数耐性较
强的植物才能生存 。尾矿坝上自然恢复的先锋植物
有丛毛羊胡子草 、五节芒(Miscanthus f loridulus)、
类芦(Neyraudia reynaudiana)、狗牙根(Cynodon
dacty lon)和苔草(Carex d ispalata)等[ 15 , 16] 。
1.2 样品采集及处理
2008年月 3-8月 ,选择长坡尾矿坝自然恢复
的优势物种 ———丛毛羊胡子草作为研究对象 ,根据
其自然分布和生长发育情况 , 按照常规方法采
样[ 1 7] ,共采集了 7个植物样品及其对应的根际土
(采样深度为 0 ～ 20 cm),以长坡尾矿坝上完全没有
植物生长的样地作为对照 ,每个采样点分别平行采
样 5次 。
样品带回实验室后 ,土样过孔径为 2mm 的尼
龙筛 ,然后自然风干 ,备用。植物样品则首先用自来
水冲洗干净 ,然后用去离子水洗涤 3次 ,将其根部和
地上部分开 ,用 20mmo l/L 的 N a2-EDTA溶液将根
浸泡约 15min ,以除去植物表面吸附的重金属离
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河南农业科学
子;之后 ,用去离子水把根淋洗干净 ,晾干 。处理完
毕 ,将植物样品置 65℃烘箱内干燥至恒定质量 ,最
后用微型植物粉碎机粉碎 ,密封保存 ,备用。
1.3 仪器及试验方法
1.3.1 仪器与试剂 仪器:DHG-9070A 型电热恒
温鼓风干燥箱(上海一恒科技有限公司);FZ-102 型
微型植物粉碎机(天津市泰斯特仪器有限公司);
JY10001电子天平(上海民桥精密科学仪器有限公
司);ZXL-2-5型自动消煮炉(沈阳市节能电炉厂);
AA-7020型原子吸收光谱仪(北京东西分析仪器有
限公司)。药品:盐酸 、硝酸 、高氯酸 ,以上药品均为
分析纯(AR)。
1.3.2 试验方法 土壤及植物样品用混合酸(浓
HNO3 ∶HClO4 为5∶1)消化 ,土壤和植物样品重金属
元素(铅 、镉)含量的测定用原子吸收光谱法[ 18 , 19] ,数据
用Excel 2003和SPSS 16.0软件进行处理。表征植物
(丛毛羊胡子草)吸收 、转运或修复土壤中某种重金属
元素能力的相关因子及计算方法如下:①转运系数=
X A/Xu;②富集系数=(X A +Xu)/(2×XRS)、③修复系
数=1-(XRS /XCK)。式中 X A 、Xu 、XRS和 XCK分别表
示植物地上部分重金属元素含量 、植物地下部分重金
属元素含量 、植物根际土重金属元素含量和对照土样
重金属元素的含量[ 20] 。
2 结果与分析
从表 1可知 ,长坡尾矿坝重金属污染十分严重。
按照国家土壤环境质量标准 ,其铅和镉的含量分别超
出了三级土壤质量标准的 6.6倍和 300倍[ 21] 。被测
样品中 ,丛毛羊胡子草地上部分(茎叶)铅 、镉含量分
别为 92.93 ～ 348.56mg/kg 和 5.16 ～ 12.64mg/kg ,
地下部分(根)铅和镉的含量分别为 205.78 ～
1 173.44mg/kg 和 8.91 ～ 32.94mg/kg , 铅和镉的
转运系数均小于 1 ,并且不同采样点(种群)的丛毛
羊胡子草铅和镉的含量有一定的差异 。一方面可能
与其个体大小和生长发育期有关 ,另一方面可能与
尾矿坝的重金属元素分布空间差异也有一定关系。
事实上 ,长坡尾矿坝重金属元素分布的空间差异是
客观存在的[ 14-16] ,其原因可能是人为因素以及大自
然的作用使尾矿坝的重金属元素随机迁移造成的。
从试验结果可知 ,丛毛羊胡子草对重金属元素铅和
镉的吸收主要保留在根部 ,而很少转运到地上部分 ,
其对重金属元素的修复策略可能主要是依靠植物的
固定作用 ,并且 ,其对重金属元素镉的修复效果比铅
略好(表 2)。
表 1 长坡尾矿坝丛毛羊胡子草及其根际土重金属含量 mg/kg
样品编号 Cd含量茎叶 根 土壤
Pb含量
茎叶 根 土壤
1 12.64±0.27 29.03±1.31 174.41±12.61 348.56±5.74 1173.44±9.30 1645.85±98.03
2 5.16±0.88 8.91±4.27 90.77±8.99 155.97±7.18 308.57±4.20 1368.61±82.11
3 5.43±0.04 32.94±1.81 65.33±7.56 261.16±2.07 702.03±0.00 2372.18±94.81
4 8.21±0.22 29.29±21.86 281.95±61.23 92.93±5.74 845.14±13.39 2911.80±44.86
5 7.39±0.14 12.12±1.11 41.88±3.84 136.78±3.33 205.78±4.95 1982.67±51.54
6 6.10±0.27 13.60±4.98 11.13±0.61 155.88±7.32 236.30±14.50 1352.46±13.53
7 8.06±2.18 23.18±0.55 17.80±3.42 289.10±20.43 1034.32±38.95 2977.29±46.31
CK - - 300.17±55.10 - - 3357.49± 141.19
表 2 不同种群丛毛羊胡子草对长坡尾矿坝铅和镉吸收 、转运及修复效果
样品编号 Cd转运系数 富集系数 修复系数
Pb
转运系数 富集系数 修复系数
1 0.44±0.01 0.12±0.01 0.42±0.04 0.30±0.00 0.46±0.03 0.51±0.03
2 0.63±0.20 0.08±0.04 0.70±0.03 0.51±0.03 0.17±0.01 0.59±0.02
3 0.17±0.01 0.30±0.02 0.78±0.03 0.37±0.00 0.20±0.01 0.29±0.03
4 0.39±0.30 0.06±0.03 0.06±0.20 0.11±0.01 0.16±0.01 0.13±0.01
5 0.61±0.05 0.23±0.01 0.84±0.01 0.67±0.00 0.09±0.00 0.41±0.02
6 0.48±0.16 0.89±0.29 0.95±0.00 0.66±0.01 0.15±0.01 0.60±0.00
7 0.35±0.10 0.89±0.13 0.92±0.01 0.28±0.01 0.22±0.01 0.11±0.01
平均 0.44±0.12 0.37±0.07 0.68±0.05 0.41±0.01 0.21±0.01 0.38±0.01
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2010年第 5期
为了进一步说明丛毛羊胡子草富集重金属元素铅
和镉的特性 ,对转运系数 、富集系数以及修复系数的相
关性进行了简单分析 ,结果发现 ,无论是铅或者是镉 ,
其转运系数均与富集系数呈负相关 ,与修复系数呈正
相关;富集系数均与修复系数呈正相关。虽然相关性
的大小有一定差异 ,但并没有达到显著水平(表 3)。说
明影响丛毛羊胡子草吸收和富集重金属元素铅和镉的
因素极为复杂 ,许多问题尚待进一步探讨。
表 3 丛毛羊胡子草对铅和镉吸收的转运系数 、富集系数和修复系数的相关性
项目 Cd转运系数 富集系数 修复系数
Pb
转运系数 富集系数 修复系数
转运系数 1.000 0 1.0000
富集系数 -0.202 5 1.0000 -0.4274 1.0000
修复系数 0.079 1 0.6895 1.0000 0.7128 0.1224 1.0000
3 结论与讨论
因为不同物种的遗传学特性不同 ,所以 ,不同植
物具有不同的重金属耐性 。另外 ,同一物种的不同
生态型对重金属的吸收特性也有一定的差异 ,也就
是说 ,植物对重金属的吸收与其生长环境有密切关
系[ 22] 。通常情况下 ,在一定范围内 ,随着土壤中重
金属元素含量的增加 ,植物根系对重金属的吸收量
也相应增加 ,但是 ,超过了一定的限度之后 ,植物对
重金属元素的吸收反而有所下降 ,如果超出其耐受
范围 ,则会导致植物出现严重的受害症状或者死
亡[ 23] 。因此 ,利用植物进行土壤重金属污染修复
时 ,了解土壤重金属的种类及其相应的背景值 ,筛选
合适的超富集植物或耐性植物作为先锋物种是十分
重要的 ,这是植物修复是否成功的关键之一[ 24-26] 。
由于不同植物的根系具有不同的伸展特性 ,因
此 ,能否根据不同的重金属耐性植物的生物学特性 ,
将深根系和浅根系的物种进行合理配置 ,以提高土
壤重金属污染修复的效果 ,这是在实践中值得探讨
的问题[ 27] 。
乡土植物对当地气候及环境具有良好的适应
性 ,不会引起外来物种入侵等不良后果 ,因此 ,在重
金属污染的植物修复过程中应受到重视[ 28 , 29] 。丛
毛羊胡子草是莎草科羊胡子草属的多年生常绿草本
植物 ,主要分布在我国云南 、贵州 、四川及广西一带 ,
是南丹长坡尾矿坝自然定居植物的优势种 ,性喜温
暖和强光照 ,耐寒 、耐旱 ,对生境要求不严格 ,常生长
在陡壁石缝间 ,茎秆密集丛生 ,须根发达且根外有一
褐色的鞘状层(结构),可有效地保护根部免受不良
环境的危害[ 30] 。因其生长速度快 ,生物量大 ,故常
被用于大型建设工地的道路边坡绿化和植被快速恢
复重建[ 31] 。调查发现 ,长坡尾矿坝自然生长的丛毛
羊胡子草株高可达 140 cm ,根长在 100 cm 以上 ,其
地上 、地下部分铅的平均含量分别为 205.77mg/kg
和 643.66mg/kg ,镉的平均含量分别为 7.57mg/kg
和 21.30mg/kg ,而根际土中铅和镉的平均含量分别
为 2087.26mg/kg 和 97.61mg/kg 。可见 ,丛毛羊胡
子草具有较强的重金属耐性 ,虽然其抵御重金属毒
害的机制还不明了 ,但可以肯定的是 ,它可以作为一
种廉价的修复尾矿坝铅 、镉污染的先锋植物。
按照目前大家认可的超富集植物的选择标
准[ 3 2] ,丛毛羊胡子草不属于铅和镉的超富集植物。
但是 ,作为一种铅和镉的耐性植物 ,并不影响其在尾
矿坝等重金属异常区铅 、镉污染修复中的应用。同
时 ,由于其纤维发达 ,是一种优质的造纸原材料 ,只
要其重金属含量不超过国家环保标准 ,无生态风险 ,
就可以加以开发利用。因此 ,在尾矿坝上规模种植 ,
可以防止铅和镉等有害重金属的扩散 ,并将其主要
固定在植株根部 ,从而达到稳定污染源 ,增强景观效
果 ,改善矿业废弃地生态环境的目的 ,另外 ,通过合
理利用 ,还能从中获得一定的经济效益。
通过以上分析和讨论 ,可以初步得到以下结论:
1)丛毛羊胡子草具有较强的铅 、镉耐性 ,可以
在多种重金属复合污染的长坡尾矿坝等重金属异常
区生存 ,其对土壤重金属污染的修复主要以根部固
定为主 ,吸收和转运镉的能力比铅强 ,修复土壤镉污
染的效果也比铅好 。
2)丛毛羊胡子草对重金属元素铅和镉的吸收
受诸多因素影响 ,其转运系数与富集系数 、修复系数
等有一定的关系 ,但相关性均不显著 。
3)作为一种乡土物种 ,丛毛羊胡子草不仅可以
作为土壤重金属污染修复的先锋物种 ,也可以作为
一种优良的水土保持植物加以开发利用。
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河南农业科学
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2010年第 5期