17种优势植物对pb和zn的吸收富集特点

17种优势植物对pb和zn的吸收富集特点

铅锌尾矿是一个矿产资源含量很高，对植物生长有威胁[1.4]。它的重金属污染引起了国内外的广泛关注。通过物理、化学及生物方法对其加以修复,尤其是通过在尾矿区筛选超富集植物实现其植被恢复与植物修复,并控制它们对周围地区的污染已成为目前环境生态学研究的热点[5~9]。在植物修复过程中,超富集植物的筛选是决定修复工作顺利进行的关键。在铅锌矿区内,Pb和Zn污染较严重,由于长期进化和自然选择的结果,一些植物可能已发育成为对Pb和Zn有较高耐性并可能成为对Pb和Zn污染土壤具有修复能力的物种。如见诸报道的Pb和Zn超富集植物双穗雀稗、银合欢、土荆芥、黄花稔和东南景天等,绝大部分是在采矿区和冶炼厂被发现的[10~13]。因此,在选育Pb和Zn超富集植物的过程中,调查铅锌矿区内自然定居植物具有重要意义[14、15]。然而目前国际上Pb和Zn超富集植物虽有报道但数量较少,大多为十字花科植物,且生长缓慢、生物量小,因此有必要寻找更多、更理想的具有超积累特征的植物,为植物修复提供丰富的种质资源。汉源铅锌矿位于扬子地台西部边缘,赋存于麦地坪组上部的硅质条带结晶白云岩中,铅锌矿体呈似层状产出,矿体含锌20.0~310.5g·kg-1,铅0.2~25.6g·kg-1,估算铅锌资源量约50×104t,矿区开采、冶炼频繁,开采量大。同时,经自然演替,在矿区范围内已经形成独特的植物群落带,植被种类丰富,部分物种生物量大,显然,其中有存在Pb和Zn耐性植物的可能。因此,本文选取汉源普陀山、富泉、唐家3个典型铅锌矿进行实地调查和取样,分析矿区植物体内重金属含量及其分布特征,研究其对Pb和Zn的富集能力,探讨它们作为Pb和Zn污染区修复被选植物的可行性,寻求具有发展为超富集能力的植物,以期为铅锌矿废弃地的生态修复提供一定的科学依据和基础资料。1矿渣pb和zn研究区域包括3个矿区,位于汉源县境内,地理位置东经102°30′~104°45′,北纬29°20′~29°25′,沿大相岭东北、西南分布,矿体主要存在于震旦系洪椿坪组和喇叭岗组地层中,属川西南山地亚热带季风性气候区,南北差异大,年平均气温在14.1~17.9℃,降雨量集中,年降雨量1000mm以上。普陀山铅锌矿位于汉源县富春乡,矿区面积0.3403hm2,铅金属储量为1979t,锌金属储量为8158t,尾矿区土壤Pb平均含量为313.85mg·kg-1,Zn平均含量为1392.01mg·kg-1;富泉铅锌矿位于富泉乡,Pb平均含量为246.26mg·kg-1,Zn平均含量为579.83mg·kg-1;唐家铅锌矿位于汉源县唐家乡小关村,矿区面积0.4994hm2,铅金属储量为17464t,锌金属储量为49883t,Pb平均含量为2588.73mg·kg-1,Zn平均含量为911.51mg·kg-1。根据《土壤环境质量标准》三级标准(GB15618—1995),3个矿区的Zn均超出了污染警戒值(500mg·kg-1),普陀山矿区Zn含量超标最为严重,约为污染警戒值的3倍。而3个矿区中只有唐家矿区的Pb超标,但其余两个矿区的Pb含量同样较高。对研究区域来说,其矿渣可能已成为严重的Zn污染源,部分已经对植物的生长造成了危害。矿体表面均大部分裸露,只是在尾矿库的边缘区域上有植物生长,形成狭长的植物群落带。2学习方法2.1尾矿库区植物选择为反映生长在矿区受污染土壤上的植物对Pb和Zn的吸收能力大小,选取尾矿库区作为研究样区,在样区内根据代表性、典型性和适时性的原则,选取生长较好、数量较多的植株进行随机多株采样,除部分灌木外,所有植物尽量采集整株,尽量保持植株的完整性。2.2pb和zn全量的测定将植物样用蒸馏水冲洗3遍,自然风干后置于烘箱中105℃下杀青0.5h,再在80~90℃下烘干至恒重,按根、茎、叶和花序将样品分开、磨碎,经HNO3∶HClO4=4∶1(体积比)消化处理后,采用美国热电公司的ICP-AES(IRISIntrepidII)光谱测定仪测定其中的Pb和Zn全量。3结果与分析3.1蕨类植物种子调查植物17种,隶属于15科17属(表1)。其中,被子植物15种,隶属于13科15种,其中,双子叶植物菊科3种,其他科属植物相对较少,多为1科1属。蕨类植物有2科2属2种,它们是卷柏科卷柏(Selaginellatamariscina)和凤尾蕨科蜈蚣草(P.vittataL)。菊科植物种子具有较强的传播能力,它们在矿区贫瘠的生长环境中不仅生长较旺盛而且优势度也较大。从植物茎的质地来看,主要以草本植物(10种)为主,灌木4种,乔木3种,这可能与草本植物具有营养繁殖及耐贫瘠、干旱,相对比较容易形成植物的重金属耐性有关。3.2植物的重金属元素吸收能力为了定量探讨该研究区域内植物对Pb和Zn的吸收情况及其超富集积累潜力,寻找耐受Pb和Zn或具有超积累特性的植物,对采集到的优势植株进行Pb和Zn含量分析。Pb和Zn的积累特征,取决于各种植物自身遗传学和生物学特征。总体而言,本研究所采集的植物对Pb和Zn2种重金属元素吸收程度各不相同(表2)。所有植物体对Pb的积累含量较Zn低,Pb平均积累量为94.88mg·kg-1,不足Zn平均积累量395.71mg·kg-1的1/4(以各种植物含量最高的器官计)。植物体内对Pb的积累变异幅度较Zn大,积累含量差异(同种元素在植物中的最大与最小积累量的比)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元素含量就植物对Pb的积累情况而言,物种间植物根部对Pb的平均积累含量顺序为草本>乔木>灌木,含量幅度范围4.76~445.75mg·kg-1,平均为85.22mg·kg-1,变异系数为162.62%。与植物中Pb元素的正常含量0.1~41.7mg·kg-1比较,只有黄鹌菜、大蓟、蜈蚣草、长叶水麻、蓖麻和冬青6种植物积累含量在正常范围内,蔗茅的根中Pb积累量达到最高峰。同时,对Pb积累较好的还有曼陀罗的根,其积累量为253.13mg·kg-1。植物地上部分的Pb平均积累量顺序为草本>灌木>乔木,含量范围9.45~673.52mg·kg-1,变化幅度较大,其中以大乌泡最为突出,超过正常范围上限值的10倍,此外,籽粒苋和星毛角柱花的地上部分对Zn的积累量也较其他植物高,分别为226.44和331.63mg·kg-1。3.2.2植物体内zn元素含量分布从植物对Zn的积累情况研究表明,植物根部和地上部分对Zn的平均积累量顺序分别为乔木>草本>灌木,灌木>乔木>草本;积累含量分别在28.67~1317.62mg·kg-1和78.60~893.34mg·kg-1之间变化,平均分别为380.43和407.55mg·kg-1,在植物组织间的分布较为均匀,变异系数分别为116.92%和62.34%。与植物中Zn元素的正常含量上限值160mg·kg-1比较,除一年蓬、蜈蚣草、长叶水麻、冬青4种植物外其余所有植株体内Zn含量均超过这一临界值,特别是对Pb积累量高的蔗茅根、大乌泡地上部分以及积累较差的新樟根以及银柳的地上部分,其Zn含量分别达到1317.62、893.34、1068.40和823.32mg·kg-1,明显高于其他植物体内的积累含量。此外,对Pb积累含量较好的曼陀罗的根、黄鹌菜的地上部分、籽粒苋的地上部分以及对Pb积累较差的曼陀罗地上部分的Zn积累量也较高,分别为659.32、559.00、552.01和646.93mg·kg-1。3.3植物对pb和zn的抵抗力3.3.1植物对pb和zn的具有很强的抗性土壤中的Pb不易被植物吸收,其可溶性、生物可利用性较差,移动性也差,且常以磷酸盐和碳酸盐形式存在,许多植物吸收Pb后将其保留在根部,只有少量转移到地上收割部分[16、17]。同时,重金属在植物体内的分布还与各种植物对Pb和Zn的耐性有关。土壤中的重金属对植物来说是一种胁迫因素,尤其在金属矿区环境中,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或非金属成矿作用的影响,已适应其生长环境,形成特定的耐性机制,对恶劣环境具有很强的耐性、适应性。在植物对Pb和Zn的耐性机制中,植物通过限制有害Pb和Zn离子由根部向地上部转移,保持地上部较低的Pb和Zn含量;或是采取将有害Pb和Zn离子转移到植物体较易脱落的部位,减少其对植物体的毒害。研究表明,采集植物(除去部分无根植物)对Pb和Zn的迁移能力和耐性情况不尽相同。本研究中,植物对Pb的生物迁移系数均较Zn小(表2),说明植物体内Pb受到的限制作用高于Zn。植物体内对Pb的生物迁移能力由高到低依次为籽粒苋>卷柏>蜈蚣草>冬青>新樟>长叶水麻>蓖麻>大蓟>一年蓬>曼陀罗>蔗茅,对Zn依次为卷柏>籽粒苋>蜈蚣草>冬青>曼陀罗>长叶水麻>蓖麻、大蓟>一年蓬>新樟>蔗茅。其中,籽粒苋、卷柏、蜈蚣草、冬青对Pb和Zn以及新樟对Pb的生物迁移系数均大于1,尤其是新樟对Pb和卷柏对Zn,其生物迁移系数BTC(BiologicalTransferCoefficient)即地上部分和地下部分的比值(S/R)分别高达15.88和8.44,对Pb和Zn的耐性远远强于其他植物,其主要是通过将Pb和Zn聚集在地上部分,然后经叶脱落,减少植物Pb和Zn负荷。它们能把从土壤中吸收的Pb和Zn绝大部分转运到地上组织,通过蒸腾作用或从植物体凋落下而从自身排除掉,达到减轻毒害的作用,因此可以通过多次种植和收割逐渐地降低污染土壤中的Pb和Zn含量,具有良好的修复潜力。而蔗茅对Pb和Zn以及新樟对Zn的吸收积累时,它们将吸收的Pb和Zn滞留在根部,限制有害锌离子由根部向地上部分迁移,保持地上部分较低Pb和Zn含量,减轻其对茎叶组织的毒害。因此,蔗茅对Pb和Zn以及新樟对Pb的生物迁移系数仅分别为0.11、0.30和0.43。3.3.2超富集植物pb和zn的食性重金属耐性植物是指在具重金属毒性的土壤中能正常生长、定居乃至繁殖后代的植物。从植物对Pb和Zn的积累含量来看,按照Brooks对超富集植物的定义,植物地上部分Pb和Zn含量分别大于1000和10000mg·kg-1的植物才被称为超富集植物。虽然本研究所涉及到的植物均未达到超富集植物标准,但是由于自然选择的原因,部分具备了超富集植物一般所具有的积累量为普通植物含量的100倍的基本特征,它们已经适应铅锌尾矿区的特殊生境,能够耐受较高重金属,已成为对Pb和Zn的优势耐性植物(表3)。蔗茅、大乌泡、籽粒苋、星毛角柱花和曼陀罗属于Pb耐性植物,大乌泡、蔗茅、曼陀罗、银柳、新樟属于Zn耐性植物。从植物体内Pb和Zn的生物迁移系数来看,籽粒苋、卷柏、蜈蚣草、冬青树、新樟属于Pb耐性植物,卷柏、籽粒苋、蜈蚣草、冬青树、曼陀罗属于Zn耐性植物。因此,综合来看,蜈蚣草、蔗茅、籽粒苋、大乌泡、卷柏、冬青树、新樟和曼陀罗8种植物体内形成了对Pb和Zn的耐性,属于Pb和Zn的多金属耐性植物;星毛角柱花仅为Pb耐性植物。4植物中pb和zn含量的变化(1)植物对Pb和Zn的吸收、积累取