北京典型矿区重金属污染土壤的植物修复能力研究_姜昱聪.pdf

北京典型矿区重金属污染土壤的植物修复能力研究姜昱聪，赵云峰*，张 涛，田志君，韩娟娟(北京市矿产地质研究所，北京 101520)摘要为寻找适用于北京周边矿区土壤重金属污染积累能力较强的植物，在北京周边典型金矿、铁矿、铜矿采集重金属污染土壤后，选用 12 种各矿区常见的草本植物和 4 种常见蔬菜进行室外模拟种植，分析其中长势较好的 6 种草本植物和 4 种蔬菜，结果表明，铜矿以Cu、As、Cd 污染为主;金矿污染以 Cd、Pb 污染为主;铁矿以 Cu 污染为主。植物修复后，3 类矿区土壤中重金属 Cd、Hg、Cu、Pb、Cr、Zn、As的含量分别降低了 831%、772%、728%、487%、455%、421%、331%。印度芥菜、黑麦草、龙葵和苍耳等草本植物及番茄、小白菜、辣椒和小葱 4 种蔬菜均能够适应金矿、铁矿和铜矿 3 类矿山土壤环境。印度芥菜和龙葵属于富集型植物，对多种重金属的富集和转运系数均大于 1，可作为优势植物分别用于北京周边金矿和铁矿污染土壤修复;黑麦草、地肤和苍耳属于根部囤积型植物，对部分重金属的富集系数大于 1，转运系数小于 1，可根据需要作为北京周边金矿和铜矿污染土壤植物修复备选物种;番茄、小白菜、辣椒、小葱 4 类蔬菜对矿山土壤重金属的富集和转运能力较强，矿山恢复早期不宜种植，以免矿物重金属通过食物链累积并危害人体健康。关键词重金属;植物修复;富集;转运;北京矿区中图分类号X53文献标识码A文章编号05176611(2023)07005608doi:103969/jissn05176611202307015开放科学(资源服务)标识码(OSID):Study on Phytoremediation Ability of Heavy Metal Contaminated Soils in Beijing Typical Mining AreasJIANG Yu-cong，ZHAO Yun-feng，ZHANG Tao et al(Beijing Institute of Mineral esources and Geology，Beijing 101520)AbstractIn order to search for plants suitable for remediation of heavy metal pollution in soils of mining areas around Beijing，soils whichcontaminated by heavy metal were collected from typical gold mines，iron mines and copper mines around Beijing，and selected 12 kinds ofcommon herbaceous plants and 4 kinds of common vegetables in mining areas for outdoor simulated planting，and 6 kinds of herbs and 4 kindsof vegetables with good growth were analyzedThe results showed that copper mine was mainly polluted by Cu，As and Cd;gold mine was main-ly polluted by Cd and Pb;iron mine was mainly polluted by CuThe contents of heavy metals Cd，Hg，Cu，Pb，Cr，Zn and As in the soil of thethree types of mining areas after phytoremediation were decreased by 831%，772%，728%，487%，455%，421%and 331%Brassica jun-cea，Lolium perenne，Solanum nigrum and Xanthium sibiricum and other herbs as well as Lycopersicon esculenyum，Brassica chinensis，Capsicumspp and Allium ascalonicum could adapt to the soil environment of gold mine，iron mine and copper mineBrassica juncea and Solanum nigrumwere enrichment plants with enrichment and transport coefficients of heavy metals greater than 1，which could be used as the dominant plantspecies for remediation of contaminated soil of gold mine and iron mine，respectivelyLolium perenne，Kochia scoparia and Xanthium sibiricumwere root-hoarding plants with enrichment coefficient greater than 1 and transport coefficient less than 1 for some heavy metals，which could beused as candidate plants for remediation of contaminated soil of gold and copper mines around BeijingLycopersicon esculenyum，Brassica chinen-sis，Capsicum spp and Allium ascalonicum had a strong ability to enrich and transport heavy metals in the soil of the mine，so they were not suit-able to be planted in the early stage of mine recovery to avoid the accumulation of mineral heavy metals through the food chain and endangeringhuman healthKey wordsHeavy metals;Phytoremediation;Enrichment;Transport;Beijing mining area基金项目北京市地质矿产勘查院专项经费(PXM2020_158303_000003)。作者简介姜昱聪(1995)，女，山东德州人，助理工程师，硕士，从事矿山地质环境监测与修复研究。*通信作者，教授级高级工程师，从事水工环地质研究。收稿日期20220606北京市矿产资源开采历史悠久，长期开采使得北京矿山地质环境问题日益严重1。过度采矿及尾矿随意堆放不仅损毁土地资源，造成地形地貌景观破坏，还会使得矿渣中的重金属向矿山及其周边土壤中扩散和迁移，对环境造成不可逆的污染24。针对矿山土壤环境存在的重金属污染问题，植物修复具有土壤绿化和净化的双重效果，在矿山土壤修复治理过程中应用颇多58。近年来，国内外学者致力于研究适用于矿区重金属污染土壤植物修复的优势物种，以寻找环境、经济效益最佳的植物修复技术。Salt 等9 研究表明，印度芥菜是矿山土壤中长势较好的 Cd 富集植物。肖乃川等10 研究表明，苎麻和鬼针草对 Cd 和 Zn 转运系数较强，可作为优势物种用于矿区污染土壤植物修复。程俊伟等11 通过对13 种植物修复效果对比发现，苍耳和苎麻对矿山土壤中多类重金属(如 Cd、Pb 等)的积累能力较强。温丽等12 研究表明，黑麦草对 Cd、Pb 和 Zn 复合污染土壤植物修复效果显著，是修复 Cd、Pb 和 Zn 污染土壤的理想植物。Vaculk 等13 和Antiochia 等14 研究表明，苍耳和香根草对 Pb 的富集系数高，可累积矿山土壤中大量的 Pb。邓小鹏等15 研究表明，矿山污染土壤环境下龙葵的根、茎、叶中 Cd 的质量浓度最高，分别达 1770、1970、1870 mg/kg，分别是国际 Cd 超积累植物标准(100 mg/kg)的 177、197 和 187 倍，证明龙葵可作为Cd 污染土壤的有效修复植物。陈碧华等16 利用地肤对土壤中 Zn、Pb、Cu、Cd 等重金属进行植物修复，修复效率分别为2566%、2564%、2111%、978%。因此，研究矿区重金属污染土壤环境中植物修复的优势物种对植物修复技术的实际应用具有重要的指导意义。除具有富集能力的草本植物外，蔬菜作物也对土壤中重金属具有一定的积累作用。重金属进入蔬菜体内，会对蔬菜自身产生毒害作用而影响产量，也会通过食物链进入人体从而对人体健康产生严重的影响17。顾燕青等18 和王玉洁等19 研究了杭州市重金属污染土壤中 30 多种蔬菜富集特征，结果表明番茄、辣椒、小葱和白菜对 Cu、Zn、Cd、Cr、Pb 的富集能力较强，不宜种植在重金属污染较为严重的土壤中。因此，开展矿区周边常见蔬菜对土壤中重金属的富集和抗污安徽农业科学，JAnhui AgricSci 2023，51(7):5663染能力的研究也尤为重要。目前关于矿山重金属污染土壤的植物修复和蔬菜积累能力的研究多针对鞍山铁矿、湘潭锰矿等矿区，对北京矿山的研究也多集中于地形整治和植被修复等方面，而针对北京周边重点矿山重金属污染土壤植物修复和蔬菜抗污染能力的研究较少。因此，为筛选出适宜北京市气候条件和土壤环境的优势富集植物，也为给矿山周边蔬菜种植品种的选择提供依据，该研究最终以长势较好的 6 种草本植物和 4 种蔬菜以及 3 类矿区土壤为研究对象，通过对比植物种植前后土壤中重金属含量、植物生长量和植物体内重金属含量的变化情况，分析矿区土壤污染状况，探究植物对重金属的富集和积累能力，初步筛选出适用于北京不同典型矿区土壤重金属污染修复的草本植物种类和不宜种植的蔬菜品种，以期为北京典型矿区重金属污染土壤植物修复技术的实际应用和矿山周边环境蔬菜种植物种优化提供科学依据。1材料与方法11试验用土的选取供试土壤分别取自北京北部的金矿、铁矿和铜矿 3 个典型矿区，土壤类型为粉质黏土，矿区分别位于密云区、密云区和延庆区，重金属冶炼和开采活动历史悠久，重金属在矿山及其周边土壤累积严重。根据前期矿山环境监测结果，选择污染较为严重区域土壤为研究对象。矿区土壤样品的采集、保存及运输均按照 环境影响评价技术导则 土壤环境(HJ 6942018)20 中相关要求进行。将各矿区运回的样品去除石块和植物根系等杂质，初步研磨过 200 mm PVC 塑料尼龙筛。取少量样品二次研磨过060 mmPVC 塑料尼龙筛用以测试矿山土壤初始理化性质，其余样品保存至聚氯乙烯袋备用。3 类矿区土壤理化性质如表 1 所示。表 1土壤理化性质Table 1Soil physical and chemical properties矿区Mine area总氮 TNg/kg总磷 TPg/kg总钾 TKg/kg有机质 OMg/kg速效钾Olsen-Kmg/kg有效磷Olsen-Pmg/kgpH金矿 Gold mine04251181351038414680795铁矿 Iron mine019215191010481200236804铜矿 Copper mine022002111518404700103083612试验设计如表 2 所示，设计针对北京金矿、铁矿和铜矿三大