17種優(yōu)勢植物對pb和zn的吸收富集特點

17種優(yōu)勢植物對pb和zn的吸收富集特點

鉛鋅尾礦是一個礦產(chǎn)資源含量很高，對植物生長有威脅[1.4]。它的重金屬污染引起了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。通過物理、化學(xué)及生物方法對其加以修復(fù),尤其是通過在尾礦區(qū)篩選超富集植物實現(xiàn)其植被恢復(fù)與植物修復(fù),并控制它們對周圍地區(qū)的污染已成為目前環(huán)境生態(tài)學(xué)研究的熱點[5~9]。在植物修復(fù)過程中,超富集植物的篩選是決定修復(fù)工作順利進行的關(guān)鍵。在鉛鋅礦區(qū)內(nèi),Pb和Zn污染較嚴(yán)重,由于長期進化和自然選擇的結(jié)果,一些植物可能已發(fā)育成為對Pb和Zn有較高耐性并可能成為對Pb和Zn污染土壤具有修復(fù)能力的物種。如見諸報道的Pb和Zn超富集植物雙穗雀稗、銀合歡、土荊芥、黃花稔和東南景天等,絕大部分是在采礦區(qū)和冶煉廠被發(fā)現(xiàn)的[10~13]。因此,在選育Pb和Zn超富集植物的過程中,調(diào)查鉛鋅礦區(qū)內(nèi)自然定居植物具有重要意義[14、15]。然而目前國際上Pb和Zn超富集植物雖有報道但數(shù)量較少,大多為十字花科植物,且生長緩慢、生物量小,因此有必要尋找更多、更理想的具有超積累特征的植物,為植物修復(fù)提供豐富的種質(zhì)資源。漢源鉛鋅礦位于揚子地臺西部邊緣,賦存于麥地坪組上部的硅質(zhì)條帶結(jié)晶白云巖中,鉛鋅礦體呈似層狀產(chǎn)出,礦體含鋅20.0~310.5g·kg-1,鉛0.2~25.6g·kg-1,估算鉛鋅資源量約50×104t,礦區(qū)開采、冶煉頻繁,開采量大。同時,經(jīng)自然演替,在礦區(qū)范圍內(nèi)已經(jīng)形成獨特的植物群落帶,植被種類豐富,部分物種生物量大,顯然,其中有存在Pb和Zn耐性植物的可能。因此,本文選取漢源普陀山、富泉、唐家3個典型鉛鋅礦進行實地調(diào)查和取樣,分析礦區(qū)植物體內(nèi)重金屬含量及其分布特征,研究其對Pb和Zn的富集能力,探討它們作為Pb和Zn污染區(qū)修復(fù)被選植物的可行性,尋求具有發(fā)展為超富集能力的植物,以期為鉛鋅礦廢棄地的生態(tài)修復(fù)提供一定的科學(xué)依據(jù)和基礎(chǔ)資料。1礦渣pb和zn研究區(qū)域包括3個礦區(qū),位于漢源縣境內(nèi),地理位置東經(jīng)102°30′~104°45′,北緯29°20′~29°25′,沿大相嶺東北、西南分布,礦體主要存在于震旦系洪椿坪組和喇叭崗組地層中,屬川西南山地亞熱帶季風(fēng)性氣候區(qū),南北差異大,年平均氣溫在14.1~17.9℃,降雨量集中,年降雨量1000mm以上。普陀山鉛鋅礦位于漢源縣富春鄉(xiāng),礦區(qū)面積0.3403hm2,鉛金屬儲量為1979t,鋅金屬儲量為8158t,尾礦區(qū)土壤Pb平均含量為313.85mg·kg-1,Zn平均含量為1392.01mg·kg-1;富泉鉛鋅礦位于富泉鄉(xiāng),Pb平均含量為246.26mg·kg-1,Zn平均含量為579.83mg·kg-1;唐家鉛鋅礦位于漢源縣唐家鄉(xiāng)小關(guān)村,礦區(qū)面積0.4994hm2,鉛金屬儲量為17464t,鋅金屬儲量為49883t,Pb平均含量為2588.73mg·kg-1,Zn平均含量為911.51mg·kg-1。根據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》三級標(biāo)準(zhǔn)(GB15618—1995),3個礦區(qū)的Zn均超出了污染警戒值(500mg·kg-1),普陀山礦區(qū)Zn含量超標(biāo)最為嚴(yán)重,約為污染警戒值的3倍。而3個礦區(qū)中只有唐家礦區(qū)的Pb超標(biāo),但其余兩個礦區(qū)的Pb含量同樣較高。對研究區(qū)域來說,其礦渣可能已成為嚴(yán)重的Zn污染源,部分已經(jīng)對植物的生長造成了危害。礦體表面均大部分裸露,只是在尾礦庫的邊緣區(qū)域上有植物生長,形成狹長的植物群落帶。2學(xué)習(xí)方法2.1尾礦庫區(qū)植物選擇為反映生長在礦區(qū)受污染土壤上的植物對Pb和Zn的吸收能力大小,選取尾礦庫區(qū)作為研究樣區(qū),在樣區(qū)內(nèi)根據(jù)代表性、典型性和適時性的原則,選取生長較好、數(shù)量較多的植株進行隨機多株采樣,除部分灌木外,所有植物盡量采集整株,盡量保持植株的完整性。2.2pb和zn全量的測定將植物樣用蒸餾水沖洗3遍,自然風(fēng)干后置于烘箱中105℃下殺青0.5h,再在80~90℃下烘干至恒重,按根、莖、葉和花序?qū)悠贩珠_、磨碎,經(jīng)HNO3∶HClO4=4∶1(體積比)消化處理后,采用美國熱電公司的ICP-AES(IRISIntrepidII)光譜測定儀測定其中的Pb和Zn全量。3結(jié)果與分析3.1蕨類植物種子調(diào)查植物17種,隸屬于15科17屬(表1)。其中,被子植物15種,隸屬于13科15種,其中,雙子葉植物菊科3種,其他科屬植物相對較少,多為1科1屬。蕨類植物有2科2屬2種,它們是卷柏科卷柏(Selaginellatamariscina)和鳳尾蕨科蜈蚣草(P.vittataL)。菊科植物種子具有較強的傳播能力,它們在礦區(qū)貧瘠的生長環(huán)境中不僅生長較旺盛而且優(yōu)勢度也較大。從植物莖的質(zhì)地來看,主要以草本植物(10種)為主,灌木4種,喬木3種,這可能與草本植物具有營養(yǎng)繁殖及耐貧瘠、干旱,相對比較容易形成植物的重金屬耐性有關(guān)。3.2植物的重金屬元素吸收能力為了定量探討該研究區(qū)域內(nèi)植物對Pb和Zn的吸收情況及其超富集積累潛力,尋找耐受Pb和Zn或具有超積累特性的植物,對采集到的優(yōu)勢植株進行Pb和Zn含量分析。Pb和Zn的積累特征,取決于各種植物自身遺傳學(xué)和生物學(xué)特征?？傮w而言,本研究所采集的植物對Pb和Zn2種重金屬元素吸收程度各不相同(表2)。所有植物體對Pb的積累含量較Zn低,Pb平均積累量為94.88mg·kg-1,不足Zn平均積累量395.71mg·kg-1的1/4(以各種植物含量最高的器官計)。植物體內(nèi)對Pb的積累變異幅度較Zn大,積累含量差異(同種元素在植物中的最大與最小積累量的比)是不同的:Pb根(93.64倍)>Pb地上部分(71.72倍)>Zn根(45.96倍)>Zn地上部分(11.45倍)。3.2.1正常植物中pb元素含量就植物對Pb的積累情況而言,物種間植物根部對Pb的平均積累含量順序為草本>喬木>灌木,含量幅度范圍4.76~445.75mg·kg-1,平均為85.22mg·kg-1,變異系數(shù)為162.62%。與植物中Pb元素的正常含量0.1~41.7mg·kg-1比較,只有黃鵪菜、大薊、蜈蚣草、長葉水麻、蓖麻和冬青6種植物積累含量在正常范圍內(nèi),蔗茅的根中Pb積累量達到最高峰。同時,對Pb積累較好的還有曼陀羅的根,其積累量為253.13mg·kg-1。植物地上部分的Pb平均積累量順序為草本>灌木>喬木,含量范圍9.45~673.52mg·kg-1,變化幅度較大,其中以大烏泡最為突出,超過正常范圍上限值的10倍,此外,籽粒莧和星毛角柱花的地上部分對Zn的積累量也較其他植物高,分別為226.44和331.63mg·kg-1。3.2.2植物體內(nèi)zn元素含量分布從植物對Zn的積累情況研究表明,植物根部和地上部分對Zn的平均積累量順序分別為喬木>草本>灌木,灌木>喬木>草本;積累含量分別在28.67~1317.62mg·kg-1和78.60~893.34mg·kg-1之間變化,平均分別為380.43和407.55mg·kg-1,在植物組織間的分布較為均勻,變異系數(shù)分別為116.92%和62.34%。與植物中Zn元素的正常含量上限值160mg·kg-1比較,除一年蓬、蜈蚣草、長葉水麻、冬青4種植物外其余所有植株體內(nèi)Zn含量均超過這一臨界值,特別是對Pb積累量高的蔗茅根、大烏泡地上部分以及積累較差的新樟根以及銀柳的地上部分,其Zn含量分別達到1317.62、893.34、1068.40和823.32mg·kg-1,明顯高于其他植物體內(nèi)的積累含量。此外,對Pb積累含量較好的曼陀羅的根、黃鵪菜的地上部分、籽粒莧的地上部分以及對Pb積累較差的曼陀羅地上部分的Zn積累量也較高,分別為659.32、559.00、552.01和646.93mg·kg-1。3.3植物對pb和zn的抵抗力3.3.1植物對pb和zn的具有很強的抗性土壤中的Pb不易被植物吸收,其可溶性、生物可利用性較差,移動性也差,且常以磷酸鹽和碳酸鹽形式存在,許多植物吸收Pb后將其保留在根部,只有少量轉(zhuǎn)移到地上收割部分[16、17]。同時,重金屬在植物體內(nèi)的分布還與各種植物對Pb和Zn的耐性有關(guān)。土壤中的重金屬對植物來說是一種脅迫因素,尤其在金屬礦區(qū)環(huán)境中,金屬對植物是一種很強的選擇壓力,通過干擾植物組織細胞的正常代謝過程,抑制植物的正常生長發(fā)育,對植物產(chǎn)生毒害作用。礦區(qū)植物長期受到礦區(qū)重金屬或非金屬成礦作用的影響,已適應(yīng)其生長環(huán)境,形成特定的耐性機制,對惡劣環(huán)境具有很強的耐性、適應(yīng)性。在植物對Pb和Zn的耐性機制中,植物通過限制有害Pb和Zn離子由根部向地上部轉(zhuǎn)移,保持地上部較低的Pb和Zn含量;或是采取將有害Pb和Zn離子轉(zhuǎn)移到植物體較易脫落的部位,減少其對植物體的毒害。研究表明,采集植物(除去部分無根植物)對Pb和Zn的遷移能力和耐性情況不盡相同。本研究中,植物對Pb的生物遷移系數(shù)均較Zn小(表2),說明植物體內(nèi)Pb受到的限制作用高于Zn。植物體內(nèi)對Pb的生物遷移能力由高到低依次為籽粒莧>卷柏>蜈蚣草>冬青>新樟>長葉水麻>蓖麻>大薊>一年蓬>曼陀羅>蔗茅,對Zn依次為卷柏>籽粒莧>蜈蚣草>冬青>曼陀羅>長葉水麻>蓖麻、大薊>一年蓬>新樟>蔗茅。其中,籽粒莧、卷柏、蜈蚣草、冬青對Pb和Zn以及新樟對Pb的生物遷移系數(shù)均大于1,尤其是新樟對Pb和卷柏對Zn,其生物遷移系數(shù)BTC(BiologicalTransferCoefficient)即地上部分和地下部分的比值(S/R)分別高達15.88和8.44,對Pb和Zn的耐性遠遠強于其他植物,其主要是通過將Pb和Zn聚集在地上部分,然后經(jīng)葉脫落,減少植物Pb和Zn負荷。它們能把從土壤中吸收的Pb和Zn絕大部分轉(zhuǎn)運到地上組織,通過蒸騰作用或從植物體凋落下而從自身排除掉,達到減輕毒害的作用,因此可以通過多次種植和收割逐漸地降低污染土壤中的Pb和Zn含量,具有良好的修復(fù)潛力。而蔗茅對Pb和Zn以及新樟對Zn的吸收積累時,它們將吸收的Pb和Zn滯留在根部,限制有害鋅離子由根部向地上部分遷移,保持地上部分較低Pb和Zn含量,減輕其對莖葉組織的毒害。因此,蔗茅對Pb和Zn以及新樟對Pb的生物遷移系數(shù)僅分別為0.11、0.30和0.43。3.3.2超富集植物pb和zn的食性重金屬耐性植物是指在具重金屬毒性的土壤中能正常生長、定居乃至繁殖后代的植物。從植物對Pb和Zn的積累含量來看,按照Brooks對超富集植物的定義,植物地上部分Pb和Zn含量分別大于1000和10000mg·kg-1的植物才被稱為超富集植物。雖然本研究所涉及到的植物均未達到超富集植物標(biāo)準(zhǔn),但是由于自然選擇的原因,部分具備了超富集植物一般所具有的積累量為普通植物含量的100倍的基本特征,它們已經(jīng)適應(yīng)鉛鋅尾礦區(qū)的特殊生境,能夠耐受較高重金屬,已成為對Pb和Zn的優(yōu)勢耐性植物(表3)。蔗茅、大烏泡、籽粒莧、星毛角柱花和曼陀羅屬于Pb耐性植物,大烏泡、蔗茅、曼陀羅、銀柳、新樟屬于Zn耐性植物。從植物體內(nèi)Pb和Zn的生物遷移系數(shù)來看,籽粒莧、卷柏、蜈蚣草、冬青樹、新樟屬于Pb耐性植物,卷柏、籽粒莧、蜈蚣草、冬青樹、曼陀羅屬于Zn耐性植物。因此,綜合來看,蜈蚣草、蔗茅、籽粒莧、大烏泡、卷柏、冬青樹、新樟和曼陀羅8種植物體內(nèi)形成了對Pb和Zn的耐性,屬于Pb和Zn的多金屬耐性植物;星毛角柱花僅為Pb耐性植物。4植物中pb和zn含量的變化(1)植物對Pb和Zn的吸收、積累取