全 文 ：收稿日期:2010-02-13;修回日期:2010-04-05
基金项目:贵州省科学技术基金项目(黔科合 J字 [ 2007] 2016号);贵州大学人才科研基金项目(黔科合J字 700322301)
作者简介:邢　丹(1983-),女 ,陕西大荔人 ,硕士研究生。研究方向:土壤化学与环境。 E-mail:2004xingdan@163.com
＊通讯作者:刘鸿雁 ,女 ,教授 ,博士 ,硕士生导师。研究方向:环境污染与生物修复。 E-mail:hongyan.l@163.com
　　　
土法炼锌渣场大叶醉鱼草对重金属的耐性特征＊
邢　丹 1 ,李　瑞 1 ,曹星星2 ,刘鸿雁 2, 3
(1.贵州大学 农学院 ,贵州 贵阳　550025;2.贵州大学 资源与环境工程学院 ,贵州 贵阳　550003;
3.中国科学院 南京土壤研究所土壤环境与污染修复重点实验室 ,江苏 南京　210008)
摘　要:通过对贵州省威宁县金钟镇冒水村典型的土法炼锌渣场进行植物调查和重金属迁移特征分析 ,根据物种
优势度大小 ,筛选自然条件下生态恢复的优势种植物 ,并研究其对重金属的耐性特征 。结果表明:该炼锌区矿渣
Pb(7 164mg/kg)、Zn(4 020mg/kg)、Cd(31.5mg/kg)含量较高 ,均已严重超标 。现有高等植物 11种 ,分属 8科 10
属 ,其中大叶醉鱼草优势度最高 ,为 28.35%,是土法炼锌区植物群落优势种 。在重金属胁迫下 ,大叶醉鱼草形态
特征发生了显著的适应性变化 ,主要表现在主根较长 ,须根量增加;茎的木质化程度高 、硬度大;叶片变小 、光泽度
下降 。矿渣基质营养贫乏 ,大叶醉鱼草 N、P、K含量较低 ,对重金属累积量高 ,转运能力强 ,不影响正常生长 ,并且
生物量高 。因而 ,该植物可作为渣场生态修复的耐性先锋植物 。
关键词:大叶醉鱼草;土法炼锌;形态特征;生理特征;贵州
中图分类号:X503.23(273)　　文献标识码:A　　文章编号:1008-0457(2010)03-0226-05
HeavyMetalToleranceFeaturesofBuddlejadavidiintheIndigenousZincSemeltingArea
XINGDan1 , LIRui1 , CAOXing-xing2 , LIUHong-yan2 , 3(1.AgriculturalColege, GuizhouUniversity, Guiy-
angGuizhou550025, China;2.ColegeofResourcesandEnvironmentalEngineerng, GuizhouUniversity,
GuiyangGuizhou550003, China;3.KeyLabsofSoilandEnvironmentalBioremediation, InstituteofSoilSci-
ence, ChineseAcademyofSciences, NanjingJiangsu210008, China)
Abstract:Basedonplantinvestigationandtransfercharacteranalysisofheavymetalsintheindigenouszinc
semeltingarea, atMaoshuiVilageJinzhongTown, WeiningCounty, GuizhouProvince, theheavymetalstol-
erancefeaturesofdominantspecieswereexaminedusing.TheresultsshowedthatthetotalcontentsofPb, Zn
andCdwere7 164 mg/kg, 4 020 mg/kgand31.5 mg/kg, respectively, whichweremuchhigherthanthe
standards.Therewere11speciesofhigherplants, whichbelongedto8 families10 orders, intheindigenous
zincsemeltingarea.ThedominancevalueofBuddlejadavidiwasthehighest(28.35%).Therefore, Bud-
dlejadavidiwasthedominantspeciesofcommunityintheindigenouszincsemeltingarea.Themorphological
featuresofBuddlejadavididemonstratedsomeremarkablechangesexposedtothisstress, includingdenser
rootsystem, morefibrils, higherlignificationinstem, andsmalerandgloomierleaves.Thenutritionof
dumpwaspoor, andthetotalcontentsofN, PandKofBuddlejadavidiwereverylow.Thelead, zincand
cadmiumwereabsorbedaccumulatedhighlyintheplants.Thus, Buddlejadavidimaybetakenasapioneer
oftolerancespeciesforecologicalrestorationintheindigenouszincsemeltingarea.
Keywords:Buddlejadavidi;Zincsemelting;morphologicalfeatures;physiologicalfeatures;Guizhou
山 地农业 生物学报 29(3):226 ～ 230 , 2010
JournalofMountain Agriculture and Biology
DOI :10.15958/j.cnki.sdnyswxb.2010.03.002
　　贵州省铅锌产量占全国铅锌产量的 10%左右 [ 1] ,而黔西北铅锌矿带 ———水城 、威宁 、赫章是贵州铅锌
的主要产地 ,且煤炭资源丰富 ,为该地区土法炼锌提供了天然条件 。该区域土法炼锌具有 300多年的冶炼
历史 ,但其冶炼工艺简单 ,锌回收率低 ,同其他伴矿重金属 Pb、Cd等变成冶炼废渣堆存 ,对该区域生态系统
和人体安全构成危害 [ 2-3] 。废渣中重金属元素含量过高 ,可对植物产生胁迫 ,一定程度上影响植物的生
长 、发育和繁殖等 。即使如此 ,仍有一些植物可生长在该环境中 ,这些植物自身已从形态和生理特征等方
面形成了一系列特定的耐性机制 ,以适应环境变化 。
为此 ,本研究利用物种优势度筛选出贵州省威宁县金钟镇冒水村土法炼锌区优势种 ,以优势种为研究
对象 ,从形态特征 、生理特征 、转运富集能力等方面 ,反映优势种对重金属 Pb、Zn、Cd的耐性特征 ,从而为
该矿区生态修复的植物选择提供一定的科学依据。
1　研究区概况与研究方法
1.1　研究区概况
研究区位于东经 104°23′、北纬 26°46′的威宁县金钟镇冒水村 ,海拔约 2 140m,年平均气温 11℃(夏季
温凉 ,冬季寒冷),属亚热带季风气候 ,无霜期 211d,年均日照 1 785hr,年降雨量 1 027mm。土法炼锌矿渣
堆置 30年左右。
1.2　样品采集与分析
1.2.1　矿渣样品　矿渣样品采集于 2009年 5月 ,样点采用蛇形布点法 ,按照随机 、等量 、多点混合和样点
分布均匀的原则 ,采集渣场不同位置的 6个混合样品 ,所取样品为 0 ～ 20cm的表层基质样品 ,每个混合样
品包括 5个样点 。以相邻非污染区土壤为对照 ,用同样的布点方法和采样原则 ,采集 6个混合对照样品 ,
并将各样品风干 、研磨 、过筛 。样品理化性质按文献 [ 4]的方法进行 , Pb、Zn、Cd全量分析用盐酸 、硝酸和高
氯酸消解处理 ,有效含量分析用 DTPA浸提 ,最后用 AA800型火焰原子吸收分析仪测定各重金属含量 。
1.2.2　植被调查与样品采集
1.2.2.1　植被调查与样方确定　在自然恢复状态下 ,根据渣场植物群落结构和分布特点 ,确定群落调查
所需要的最小样方面积为 1m×1m。在该群落选取 10个代表性样方 ,分别记录各样方中植物的种类 、个
体数及其盖度 ,采用重要值表示物种优势度[ 5-7] ,从而得到植物群落的物种优势度参数:
相对密度(%)=某种植物的个体数 /所有植物种个体数 ×100
相对盖度(%)=某种植物的盖度 /所有植物盖度之和 ×100
相对频度(%)=某种植物的频度 /所有植物频度之和 ×100
重要值(%)=(相对密度 +相对盖度 +相对频度)/3
1.2.2.2　植物样品的采集与处理　根据物种优势度的大小 ,筛选出土法炼锌区优势种。采集矿渣混合样
品的同时 ,对应采集 2株长势(株高 、茎粗 、叶子大小等)基本相同的优势种样品 ,共采集 12株。以相邻非
污染区土壤上生长的相同品种作为对照。同样 ,采集对照土壤混合样品时 ,对应采集 2株长势基本相同的
该优势种样品。将采集回来的植物样品分为根 、茎 、叶 3部分 ,分别用自来水充分冲洗以去除粘附的泥土
和污物 ,再用去离子水冲洗 ,之后放入烘箱于 105℃下杀青 5min,再于 70℃左右烘干至恒重 。烘干后的样
品经粉碎 、消解等处理后 ,采用 《土壤农化分析 》[ 4]中相关方法测定样品中 N、P、K、Pb、Zn、Cd等含量 。
2　结果与分析
2.1　土法炼锌渣场矿渣基质理化性质
测定了 7个矿渣基本理化指标 ,矿渣速效磷含量未检出 ,不进行分析。从表 1可知 ,渣场矿渣为碱性
渣 ,其营养元素 N、P、K全量与有效量明显低于非污染区对照土含量。
对矿渣 Pb、Zn、Cd的全量与有效量测定发现(表 2),不同位置矿渣中 Pb、Zn、Cd含量标准差较大 ,主
要是由于渣场基质分布不均匀 、性质差异大等造成。 Pb、Zn、Cd全量分别为 7 164mg/kg、4 020mg/kg、
227第 3期　 邢　丹 ,等:土法炼锌渣场大叶醉鱼草对重金属的耐性特征
31.5mg/kg,有效含量分别是 49.9 mg/kg、 101.0 mg/kg、 1.8 mg/kg。与 《国家土壤环境质量标准 》
(GB15618-1995)三级标准相比 , Pb、Zn、Cd全量均已严重超标 ,分别是三级标准的 14、8、31倍;Pb、Zn有
效含量尚未超标 , Cd的有效含量超标 ,表明土法炼锌时有大量的 Pb、Zn、Cd残留于废渣中 ,其中 Cd对该区
生态环境潜在威胁的可能性比较大。
表 1　渣场废弃地矿渣与非污染区对照土的基本理化性质 (平均值 ±标准差 , n=6)
Tab.1　Physicalandchemicalpropertiesbetweenthesoilsofwasteresiduesand
contaminationfreearea(Mean±SD, n=6 )
指　标 矿　渣 对照土
pH值 8.40±0.14 6.41±0.10
全 N(g/kg) 0.27±0.04 1.18±0.07
碱解 N(mg/kg) 40.5±13.4 150.0±3.7
全 P(g/kg) 0.5±0.2 1.3±0.1
全 K(g/kg) 3.1±0.5 15.0±0.7
速效 K(mg/kg) 55.0±6.9 82.0±3.2
表 2　土法炼锌废渣重金属含量(平均值 ±标准差 , n=6) mg/kg
Tab.2　Heavymetalcontentofdumpintheindigenouszincsemeltingarea(Mean±SD, n=6 )
指　标 全　量 有效量 GB15618-1995三级
Pb 7 164±509 49.9±26.3 500
Zn 4 020±2 006 101.0±26.6 500
Cd 31.5±9 1.8±0.4 1.00
2.2　土法炼锌区植物群落优势种的筛选
2.2.1　植物群落物种组成　通过对土法炼锌区植物群落调查 ,经鉴定 ,有高等植物 11种 ,分属 8科 10
属 ,植物名录见表 3。其中 ,蕨类植物1科1属 1种 ,即木贼科木贼属的节节草;被子植物中单子叶植物1科
2属 2种 ,即禾本科的狼尾草属长序狼尾草和甘蔗属甜根子草;其余植物均为双子叶植物 ,有 6科 7属
8种 。
在种级水平上 ,种数最多的为菊科 ,有 3种 ,占总数的 27.27%;其次是禾木科 , 有 2种 ,占总数的
20%;其他植物均是 1科 1属 1种 。
表 3　土法炼锌区植物名录
Tab.3　Catagoryofplantsintheindigenouszincsemeltingarea
科　名 属　名 种　名 重要值(%)
禾本科 Gramineae 狼尾草属 Pennisetum 长序狼尾草 PennisetumlongissimumS.L. 4.69甘蔗属 Saccharum 甜根子草SaccharumspontaneumLinn. 7.74
蒿属 Artemisia 黄花蒿ArtemisiaannuaL. 1.57菊科 Compositae 野艾蒿ArtemisialavandulaefoliaDC. 19.91
香青属 Anaphalis 珠光香青AnaphalismargaritaceaL. 3.98
马前科 Loganiaceae 醉鱼草属 Buddleja 大叶醉鱼草 BuddlejadavidiFranch. 28.35
木贼科 Equisetaceae 木贼属 Equisetum 节节草EquisetumramosissimumDesf 16.57
忍冬科 Caprifoliaceae 接骨木属 Sambucu 接骨草SambucuschinensisLindl. 4.53
石竹科 Caryophylaceae 繁缕属 Stelaria 繁缕 StellariamediaL. 6.89
十字花科 Cruciferae 独行菜属 Lepidium 楔叶独行菜 LepidiumcuneiformeC.Y.Wu 1.42
罂粟科 Papaveraceae 紫堇属 Corydalis 南黄堇CorydalisdavidiFranch. 4.35
2.2.2　土法炼锌区植物群落优势种　优势种指对群落结构和群落环境的形成有明显控制作用的植物种 ,
通常是那些个体数量多 、投影盖度大 、生物量高 、体积较大 、生活能力较强 ,即优势度较大的物种 [ 8] 。从表 3中
看出 ,马前科醉鱼草属大叶醉鱼草重要值(28.35%)最高 ,占据着绝对优势 ,是研究区植物群落的优势种。
228 山地农业生物学报 2010年
2.3　大叶醉鱼草形态特征对重金属胁迫的响应
根据优势度大小 ,筛选出大叶醉鱼草为该研究区的优势种。从表 4可见 ,与非污染区大叶醉鱼草相
比 ,在重金属胁迫下其形态特征发生了显著的适应性变化:主根较长 ,须根量增加;茎较粗 ,木质化程度高 、
硬度大 ,分蘖数较多;叶片变小 ,光泽度下降;生物量大 ,差异不明显 。
表 4　土法炼锌区和非污染区大叶醉鱼草形态特征比较
Tab.4　ComparisonofmorphologicalfeaturesofBuddlejadavidiibetweentheindigenouszinc
semeltingareaandcontaminationfreearea
部　位 土法炼锌区大叶醉鱼草 非污染区大叶醉鱼草
根 根系类型为须根系 ,表面呈灰黑色 ,主根较长 ,可长达 1m,新生根数较多
根系类型为须根系, 表面呈土黄色 ,主根较短 ,长约 20cm,
新生根数较少
茎 茎粗均约 1.6cm,嫩枝被棕黄色星状细毛覆盖 ,老茎呈灰褐色 ,表面木质化 ,茎较硬;分蘖数较多 ,常为 3～ 6
茎粗均约 1.1cm,嫩枝被棕黄色星状细毛覆盖 ,老枝呈灰褐
色 ,茎较软;分蘖数较少 ,常为 1～ 3
叶
叶柄很短 ,单叶对生 ,叶呈披针形 ,渐尖 , 叶缘有密波状小齿 ,
叶面暗绿色无毛 ,叶背密被星状绒毛覆盖 ,叶长均约 6.5cm,
叶宽均约 1.5cm,叶面积均约 7cm2
叶柄很短 ,单叶对生 ,叶呈披针形 ,渐尖 , 叶缘有疏波状小
齿 ,叶面鲜绿色无毛 , 叶背密被星状绒毛覆盖 , 叶长均约
11cm,叶宽均约 3cm,叶面积均约 23cm2
生物量 (168±1.21)g/株 (170±1.34)g/株
2.4　重金属胁迫下大叶醉鱼草的营养状况
从表 5看出 ,在 Pb、Zn、Cd复合污染下 ,大叶醉鱼草的营养状况及对重金属的积累发生了相应的变化。
土法炼锌区大叶醉鱼草对重金属具有累积高的特点 ,而且主要聚集在茎 、叶部位 。土法炼锌区大叶醉鱼草
根部 Pb含量是非污染区的 37倍 ,叶部为 332倍 ,而茎部高达 2 189倍 ,其 Zn、Cd含量也是非污染区的 13
倍以上 。Pb、Zn、Cd含量在土法炼锌区大叶醉鱼草根 、茎 、叶中的关系均为 Zn﹥ Pb﹥ Cd。
N、P、K是植物体内 3大营养元素 ,土法炼锌区与非污染区大叶醉鱼草根 、茎 、叶中 N含量最高 ,其次是
K含量 , P含量最低。与非污染区大叶醉鱼草相比 ,土法炼锌区大叶醉鱼草不同部位 N、P、K含量都下降。
表 5　土法炼锌区和非污染区大叶醉鱼营养状况(平均值 ±标准差 , n=12)
Tab.5　ComparisonofnutritioncontentsofBuddlejadavidiibetweentheindigenouszincsemelting
areaandcontaminationfreearea(Mean±SD, n=12 )
指标 土法炼锌区根 茎 叶
非污染区
根 茎 叶
N(%) 1.87±0.02 4.08±0.05 4.67±0.15 4.56±0.09 5.12±0.11 5.39±0.07
P(%) 0.22±0.01 0.14±0.07 0.29±0.09 0.30±0.02 0.34±0.05 0.35±0.03
K(%) 0.54±0.05 0.54±0.08 0.63±1.01 1.2±0.08 1.3±0.12 1.5±0.17
Pb(mg/kg) 6.25±1.21 197±9.23 53.1±3.13 0.17±0.03 0.09±0.01 0.16±0.02
Zn(mg/kg) 197±4.19 379±12.4 182±6.11 7.04±0.06 11.0±0.13 0.09±0.01
Cd(mg/kg) 1.04±0.09 9.21±0.28 8.02±0.16 0.082±0.02 0.051±0.01 0.063±0.02
2.5　土法炼锌区大叶醉鱼草对重金属的转运 、富集能力
植物对重金属的转运能力是指植物从土壤中提取重金属后 ,由生长周期较长的根部向生长周期较短的
地上部(茎叶)转移能力的大小 ,用转运系数表示 [ 9] 。转运系数越大 ,表明转运能力越强。转运系数即地上部
分某重金属元素含量 /地下部分该元素含量的比值。通过此公式 ,计算出大叶醉鱼草对 Pb、Zn、Cd的转运系
数 ,其中 Pb的转运系数最高(23.92),其次为 Cd(转运系数为 9.28), Zn最低(转运系数为 1.24)。
植物富集系数是指植物体内某种重金属含量与土壤中该元素含量的比值 [ 10] ,反映植物对重金属的富
集能力强弱 [ 11] ,此值越高 ,表明植物对该金属的吸收能力越强。后来有些学者对该富集系数进行修改 ,如
夏汉平等[ 12]将其修改为植物根系中某种重金属含量与土壤中该重金属有效态含量的比值。而陈同斌
等 [ 13] 、杨肖娥等[ 14]将其修改为植物地上部分某种重金属含量与土壤中该重金属含量的比值 。综合考虑 ,
笔者等认为 ,要使富集系数更能反映植物对重金属的吸收能力 ,应将其修改为植物地上部分某种重金属含
量与土壤中该元素有效态含量比值 ,即富集系数 =植物地上部位某种重金属含量 /土壤中该重金属的有效
态含量 。这是因为:(1)植物收割的是地上部位 ,而不是整株植物或植物根部;(2)植物地上部位吸收的是
229第 3期　 邢　丹 ,等:土法炼锌渣场大叶醉鱼草对重金属的耐性特征
重金属元素的有效态 ,而非无效态或其他形态 ,只有当有效态越高时 ,地上部位才可能吸收重金属越多。
根据本研究修改的富集系数公式 ,计算出大叶醉鱼草对 Pb、Zn、Cd的富集系数分别为 3.16、3.38、4.37,富
集能力的强弱为 Cd﹥ Zn﹥ Pb。
大叶醉鱼草生长在重金属含量过高的废渣中 ,与重金属接触的部位首先是根部 。在重金属的胁迫下 ,
主根较长 ,须根量增加 。由转运系数和富集系数发现 ,大叶醉鱼草把吸收的重金属积累在地上部位 ,从而
减轻 Pb、Zn、Cd对其根部的直接毒害。这表明 ,大叶醉鱼草对重金属 Pb、Zn、Cd的耐性可能主要依赖于其
富集重金属的能力 ,这是植物对重金属耐性中的一种非正常的生理反应 。
3　讨论
3.1　土法炼锌区是一类重金属含量较高的生境 ,经过多年的自然恢复 ,渣场上会生长一定数量的植被。
经调查研究发现 ,此炼锌区现有 11种高等植物 ,其中大叶醉鱼草优势度最高 ,重要值为 28.35%,是土法炼
锌区植物群落优势种 。
3.2　大叶醉鱼草为多年生落叶灌木 ,虽然其对重金属的积累量达不到超富集植物的标准 ,但与草本的超
富集植物东南景天(SedumalfrediH.)[ 14] 、遏蓝菜(ThlaspiarvenseL.)[ 15]相比 ,不容易再次污染土壤 ,而
且具有萌发力强 、耐寒 、耐旱 、耐贫瘠 、生物量大等特点 ,对重金属胁迫表现出显著的适应性变化 。因此 ,大
叶醉鱼草可作为典型的耐性先锋植物 ,用于土法炼锌渣场的重金属植物修复 。
3.3　根际是重金属进入植物体内的主要通道和屏障 ,根际土壤环境是土壤 、植物根系和微生物的复合体
系 ,重金属在植物根际土壤中的传输受该系统中多层次微界面的控制。全面掌握大叶醉鱼草的重金属耐
性与解毒机制 ,还需进一步对其根际微环境进行研究 ,研究根际 pH值 、有机质 、根系分泌物 、微生物群落及
菌根真菌等因素对重金属形态的影响 ,探索重金属在矿渣 -植物根系 -微生物微界面上的沉淀 -溶解 、吸
附 -解吸 、络合等反应 ,并分析其反应机理 。
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230 山地农业生物学报 2010年