河台金矿矿山土壤-植物系统微量元素地球化学和生物地球化学特征

1、 第1期 苗 莉等 : 河台金矿矿山土壤 - 植物系统微量元素地球化学和生物地球化学特征 69 2. 2. 3 微量元素的生物转移系数和生物吸 收系数 众所周知, 植物中的元素绝大部分是来自土壤 , 少量来自叶片与大气及雨水的物质交换。因此植物 与土壤中的元素有一定关系 , 这种关系有助于评价 土壤对植物的作用 和影响程度。为了解释这种 关 系, 常 使用 生 物 吸 收 系 数 ( Biolo gical A bsorptio n Co ef f icient 表征 元素从土壤转移 到植物体中的 程 度。可用下式来计算 : BAC= P x/ Sx 式中 , Px 表示元素在植物中的含量 ,

2、 Sx 为该元 素在生长该植物的根系土壤中的含量。 由表 5 可以看出, 不同植物在同一生长环境下 对微量元素的生物吸收系数不同 , 同一植物不同器 官的生物吸收系数变幅很大。对于芒萁根而言 , 生 物吸收系数较强的元素有 Cr 、 Mn 、 Ni、 Cu 、 Zn 、 Ge 、 Rb 、 Sr 、 M o、 Cd、 Au、 P b 和 H g , 茎: M n、 Zn 、 Rb 、 Sr 、 Ba 、 Cd、 Pb、 H g, 叶 : M n、 Zn、 Ga、 Ge 、 Rb、 Sr 、 Ba 、 M o、 Cd 、 Sb 和 P b; 马尾松根中生物吸收系数较大的元素 为 M n、 Ni、

3、 Cu 、 Zn 、 Rb、 Sr 、 M o、 Cd、 Au、 Pb 、 H g , 茎: Mn 、 Cu、 Zn、 Sr 、 Cd、 Sb 、 H g, 叶: M n、 N i、 Cu、 Zn、 Rb 、 Sr 、 Cd、 Sb 、 H g 。这些元素生物系数数值在大于 0. 1 范围中, 尤其以 M n 最为突出, 其他元素数值在较低 的数量级内变动。由表 5 还可以看出, 生物吸收系 数大的元素在土壤中的含量可能并不高 , 如 F e、 V、 Cr 、 Co 在土壤中的含量高于 Zn 、 Cd, 但 Z n 和 Cd 的 生物吸收系数高于 F e、 V、 Cr 、 M n 1- 3 个

4、数量级。 这表明微量元素的生物吸收能力是按生物学和地球 化学规律进行, 植物从土壤中富集微量元素的能力 不完全取决于某一元素在土壤中的含量, 植物体中 存在能够调节体内微量元素浓度水平的生理垒 14 或土壤 - 植物壁垒 15 使体内微量元素的吸收富集 在一定范围内, 植物体对稀土元素的吸收也存在类 似特征 16 。因此 , 在污染环境中, 土壤中某一 特定 元素含量稍有变化, 可能会直接影响到植物的正常 生长。相反有些元素变化量虽然较大, 也不会影响 植物的生长发育 , 在评价土壤对植物的影响时 , 应充 分考虑某一元素的生物吸收系数这一指标。 植物对元素的迁移转化能力是指植物从土壤环 境中

5、吸取元素并由生长周期较长的根向生长周期较 短的茎叶转移能力的大小, 具体可以用生物转移系 数( Biolog ical T ransf er Coef ficient, BT C 表示 , 为 植物地上部分元素含量与地下部分相应元素含量的 比值。从生物转移系数来看, 同一种植物对不同的 微量元素有不同的吸收能力和分布状况 ; 不同的植 物种类对同一种重金属元素的吸收以及吸收后在体 内的运输和分布也是不同的。生长在金矿区的芒萁 对微量元素的转移能力分为三类 : % BT C> 1 ( M n、 Zn 、 Ga、 Ge、 Rb、 Sr 、 Cs、 Ba、 P b ; 0. 1< &am

6、p; BT C < 1 ( Sc 、 Co 、 Cu、 Zr 、 Mo 、 Cd 、 Ag 、 A s、 H g、 Sn、 Sb ; BT C< 0. 1( T i、 V、 Cr 、 F e、 Ni、 Nb、 Au , 对马尾松而 言, % BT C> 1 ( M n、 Fe 、 Co 、 Ni、 Cu、 Zn 、 Sr 、 Ba 、 Ag 、 As 、 Sn、 Sb ; 0. 1< & BT C < 1( Sc、 T i、 V、 Cr 、 Ga、 Ge、 Rb 、 Zr 、 N b、 Cs 、 M o、 Cd ; BT C < 0. 1 ( Au

7、。 芒萁和马尾松从金矿土壤中吸收微量元素转移到地 上部分的能力大小依次为 % > & > 。这两种植物 不仅有选择地吸收转移所必需的微量元素 , 同时也 不能完全拒斥其它元素 , 这些元素在植物体内的组 成反映了其生境的地球化学特点。微量元素本身化 学特性以及可溶性和生物可利用性影响其在植物体 内的迁移 , 同时还与植物对微量元素尤其对重金属 的耐性有关。在矿区环境中, 金属对植物是一种很 强的选择压力 , 通过干扰植物组织细胞的正常代谢 过程 , 抑制植物的正常生长发育, 对植物产生毒害作 用。矿区植物长期受到矿 区重金属成矿 作用的影 响, 已适应其生长环境, 形成特定

8、的耐性机制, 对恶 劣环境具有很强的耐性和适应性, 以减少对自身的 危害。在植物的耐性机制 17- 18 中 , 植物将吸收的有 害元素滞留在根部 , 限制有害元素向地上部分转移, 以保持茎叶中较低的有害元素的含量减少对光合和 呼吸系统的破坏, 如在金矿区对于毒性强的重金属 Au 在植物体中的转移系数较低, 以此适应 Au 对植 物体的胁迫。或是采用将有害元素由根转移到植被 较易脱落的部位, 经过蒸腾作用或者枝叶的凋落减少 重金属在植物体内的负荷, 达到减轻其对植物体的毒 害作用。如在金矿区芒萁中 Mn、 Zn、 Pb, 马尾松中 Mn、 Co 、 Ni、 Cu 、 Zn 、 Ag 、 As、

9、 Sn、 Sb 的生物转移系数大 于 1, 意味着越多金属元素被吸收和累积在更新周期 较短的植物地上部分器官中, 只有很小的比例残留在 更新周期较长的植物根系中, 通过生物转移系数的大 小可以看出马尾松对重金属的耐性强于芒萁, 可以利 用这种耐性机制, 马尾松对于降低污染土壤中重金属 含量具有良好的修复潜力。芒萁表现出对重金属的 避性机理拒绝或更多限制重金属在其体内的迁移, 这 种机制可能与植物在长期的进化过程中相应地产生 了多种抵抗重金属毒害的防御机制有关 19- 20 。 70 表5 芒萁 微量元素 Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Rb Sr Z

10、r Nb Mo Ag Cd Sn Sb Cs Ba Hf Ta Au Hg Pb 根 0. 0520 0. 0151 0. 0159 0. 2741 0. 2290 0. 0219 0. 0471 0. 3616 0. 3065 0. 4478 0. 0376 0. 1022 0. 0236 0. 1279 0. 1734 0. 0035 0. 0189 0. 6809 0. 0318 0. 4220 0. 0473 0. 3899 0. 0436 0. 0860 0. 0043 0. 0193 0. 1482 0. 3503 0. 2742 BA C 茎 0. 0022 0. 0005 0.

11、 0005 0. 0058 0. 4365 0. 0014 0. 0053 0. 0178 0. 0365 0. 1844 0. 0044 0. 0062 0. 0058 0. 1037 0. 2799 0. 0002 0. 0008 0. 0638 0. 0123 0. 1754 0. 0054 0. 0706 0. 0180 0. 1157 0. 0002 0. 0007 0. 0041 0. 1670 0. 1273 叶 0. 0180 0. 0012 0. 0014 0. 0096 2. 8562 0. 0023 0. 0185 0. 0434 0. 0557 0. 7371 0. 2

12、687 0. 3993 0. 0065 0. 3586 0. 7779 0. 0006 0. 0015 0. 1100 0. 0201 0. 3257 0. 0488 0. 2255 0. 0807 1. 0095 0. 0023 0. 0016 0. 0056 0. 0592 0. 6499 地 球 与 环 境 2008 年 金矿区微量元素生物吸收和生物转移系数 马尾松 BT C 0. 1935 0. 0564 0. 0603 0. 0281 7. 1893 0. 0826 0. 2526 0. 0846 0. 1503 1. 0289 3. 6295 1. 9837 0. 2616 1.

13、8073 3. 0498 0. 1111 0. 0611 0. 1276 0. 5100 0. 5938 0. 5724 0. 3797 1. 1322 6. 5448 0. 2941 0. 0604 0. 0328 0. 3228 1. 4175 BA C 根 0. 0050 0. 0032 0. 0031 0. 0360 0. 6153 0. 0061 0. 0191 0. 1626 0. 2660 0. 6052 0. 0051 0. 0072 0. 0044 0. 1136 0. 3036 0. 0013 0. 0040 0. 1145 0. 0532 2. 1623 0. 0071

14、0. 0407 0. 0379 0. 0535 0. 0007 0. 0029 0. 1947 0. 1551 0. 1692 茎 0. 0019 0. 0016 0. 0033 0. 0041 1. 2443 0. 0036 0. 0194 0. 0986 0. 3787 0. 4886 0. 0027 0. 0029 0. 0057 0. 0598 0. 6197 0. 0008 0. 0019 0. 0707 0. 0477 2. 1628 0. 0175 0. 1247 0. 0081 0. 0956 0. 0008 0. 0017 0. 0165 0. 1194 0. 0999 叶

15、0. 0018 0. 0007 0. 0011 0. 0035 5. 6330 0. 0012 0. 0454 0. 3206 0. 1779 0. 7382 0. 0020 0. 0016 0. 0094 0. 1176 0. 4974 0. 0005 0. 0005 0. 0813 0. 0688 0. 8279 0. 0204 0. 1293 0. 0300 0. 0680 0. 0004 0. 0005 0. 0120 0. 1323 0. 0535 BT C 0. 3709 0. 3677 0. 7244 0. 1048 5. 5889 0. 3934 1. 6991 1. 2890

16、 1. 0463 1. 0135 0. 4499 0. 3120 1. 7143 0. 7808 1. 8400 0. 5092 0. 3018 0. 6641 1. 0944 0. 6915 2. 6589 3. 1172 0. 5024 1. 5277 0. 8674 0. 3716 0. 0730 0. 8114 0. 4534 T able 5. T he biolo gica l abso rptio n and transpo rtation co efficients of tr ace elements in plants in the g oldf ield 3 结论 ( 1

17、 大量微量元素在金矿矿山土壤中的含量明 特征是: 根> 叶 > 茎, 在 马尾松中为 : 根 > 茎 > 叶。 利用生物转移系数将微量元素在植物体内的迁移能 力分为三类, 反映出各种植物对金矿矿区环境耐性 机制的不同。分析生物吸收系数表明 , 植物对土壤 中微量元素的选择吸收和富集能力并不完全取决于 元素在土壤中含量的高低 , 还与植物生理相关。微 量元素生物转移系数和生物吸收系数在研究土壤植物关系时将作为重要的生物地球化学指标参数。 ( 5 土壤 - 植物系统中的微量元素交换是金矿 矿床和生物圈相互作用的主要界面行为之一, 这一 过程对生态和环境系统有着至关重要的意义

18、, 记录 金矿环境中物质转化和迁移积聚信息 , 矿区土壤中 某些微量元素的 缺乏或过量会导致植物 生长的异 常, 从而可以通过食物链影响生物圈的微量元素的 正常循环。金矿区土壤和植物中金及其伴生元素处 于富集状态, 主要来源于金矿矿床的侵蚀、 淋溶, 是 综合、 长期的环境条件的反应, 影响着金矿区微量元 素的迁移转化和环境生态效应。根据土壤 - 植物系 统中微量元素的含量特征以及矿区植被对微量元素 的生物学特性和耐性机制为金矿区以及矿区废弃的 生态环境的恢复和改善提供理论依据和指导。 显高于背景对照区、 中国土壤背景值和世界土壤中 值, 尤其是 Au 及 Au 的伴生元素 Cu 、 As 、

19、 Pb 等。微 量元素在土壤各层发生分异 , 在表土层和心土层含 量较高。 ( 2 微量元素对比值的变化反映金矿成土过程 元素的迁移和与金矿有关微量元 素的地球化学 行 为, 并为地球化学找矿提供依据。金矿土壤微量元素 与原子序数的对数曲线模式与地壳基本相似, 但出现 Cu、 As、 Hg 的正异常和 Zn、 Ni、 Sr 、 Mo 的亏损。 ( 3 植物中微量元素地球化学特征是土壤中元 素在环境中迁移、 富集和分异的结果。金矿区植物 体内尤其根部含有比对照区高达 30 倍的 Au, 表现 了该地区 Au 生物地球化学的元素效应。同种植物 在不同采样点微量元素的含量不同 , 且同一采样点 的不

20、同植物也具有不同含量的微量元素, 这不仅与 植物本身的生理特性有关, 还有其所在的地质背景 以及各个元素的化学特性有关。 ( 4 大量微量元素在金矿区芒萁各部位的含量 第1期 苗 莉等 : 河台金矿矿山土壤 - 植物系统微量元素地球化学和生物地球化学特征 71 参 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 考 文 献 窦贻俭 , 李春华 . 环境科学原理 M . 南京 : 南京大学出版社 , 1998 许嘉琳 , 杨居荣 . 陆地生态系统中的重金属 M . 北京 : 中国环境科 学出版社 , 1995 何振立 , 周启星 , 谢正苗

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26、NG PROVINCE M IA O L i 1, 2 , XU Rui song , ZH U Zhao yu , WA NG Jie , CA I Rui , CH EN Yu 2 1 1, 2 1, 2 1, 2 ( 1. Guangzhou Institute o f Geochemistr y, Chinese Academ y of Sciences, Guang zho u 510640, China; 2. Gr aduate Scho ol of the Chinese A cademy o f Sciences, Beijing 100039, China Abstract

27、 T he co ncentrat ions of tr ace elements in the soil plant system taken fro m the H etai g oldf ield in G uang dong P rov ince wer e deter mined by the ICP M S method and their g eochemical char act eristics wer e studied. Results show ed that the t race elements in so il pr ofiles hav e been tr anspor ted and accumulated dur ing the mineral fo rmatio n and