李華娟等

摘要：于2008～2009年采取吉林省九臺營城煤礦廢棄地的復墾土和矸石土作為種植土壤，分別于試驗小區(qū)內(nèi)種植黃花草木樨（Melilotus officinalis Lam.）和紫花苜蓿（Medicago sativa L.），研究植物不同營養(yǎng)器官對煤礦廢棄地土壤重金屬的富集轉化規(guī)律。結果表明，兩種植物對不同土壤重金屬的富集能力不同。復墾土種植條件下，黃花草木樨的葉和莖、紫花苜蓿的根和葉對Zn、Cd、Ni和Cu富集能力較強；矸石土種植條件下，黃花草木樨的葉對Ni、Cd及Cu的富集能力較強，根對Zn的富集能力較強，紫花苜蓿的葉對4種重金屬的富集能力均較強，且莖對Cu和Ni、根對Zn也存在一定的富集能力。

關鍵詞：煤礦廢棄地；重金屬；植物修復效應；營養(yǎng)器官

中圖分類號：S156.99；X173 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2014）16-3784-04

Abstract： Taking the reclamation soil and rock soil as planting conditions， Melilotus suaveolens Lam. and Trifolium repens L. were selected to study the accumulation and transformation of soil heavy metals in 2008～2009. The results showed that two plants for phytoremediation of heavy metal had different capacity in different soils. The stems， leaves of Melilotus suaveolens and the leaves and roots of Trifolium repens had a strong enrichment ability towards Zn， Cd， Ni and Cu. The leaves of Melilotus suaveolens had a strong enrichment ability to Ni，Cd and Cu， the root of which had a strong enrichment ability against Zn. The leaves of Melilotus suaveolens enriched four metals while the stems of Trifolium repens enriched Cu， Ni and Zn.

Key words： abandoned coal mine； heavy metals； plants repair effects； vegetative organ

近年來，煤炭資源的開發(fā)與利用緩解了能源短缺的局面，促進了國民經(jīng)濟的發(fā)展，但也引起了一系列生態(tài)環(huán)境問題[1-4]，嚴重危害到區(qū)域內(nèi)的人畜安全，阻礙區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展。因此，對礦區(qū)廢棄物及影響區(qū)域生態(tài)環(huán)境的治理與恢復已成為一項刻不容緩的任務。自從Channy[5]提出利用重金屬超富集植物清除重金屬污染的思想以來，重金屬污染土壤的植物修復研究已成為環(huán)境科學研究的熱點和前沿領域[6-8]。植物修復技術被認為是一種較為理想的治理廢棄地的途徑，重金屬超富集植物的篩選更是倍受國內(nèi)外科學家們的廣泛關注。植物對土壤中重金屬富集轉化程度的研究一直是土壤重金屬修復的熱點，傳統(tǒng)研究大多局限于植物根系對重金屬的富集，對植物莖、葉是否能富集重金屬及其富集效果研究較少。

因此，本試驗研究了2種豆科植物的根、莖、葉3個營養(yǎng)器官對供試土壤重金屬的富集轉化規(guī)律及其特異性，以期為正確利用植物修復重金屬污染土壤提供科學依據(jù)，為吉林省煤礦廢棄地的土地整治與功能恢復提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

吉林省九臺營城煤礦位于松遼盆地內(nèi)，地理坐標為東經(jīng)125°45′，北緯44°09′。該區(qū)屬于中溫帶大陸季風性氣候，四季分明，年平均氣溫4.7 ℃，年最低溫度-33.6 ℃，最高溫度35.6 ℃，最大積雪深度24 cm。雨季集中在7～9月，年平均降雨量589 mm，蒸發(fā)量為降雨量的2.4倍，屬于濕度不足區(qū)。

1.2 供試材料與方法

供試植物：黃花草木樨（Melilotus officinalis Lam.）斯列金1號，從俄羅斯西伯利亞地區(qū)引進草種；紫花苜蓿（Medicago sativa L.），由吉林省農(nóng)業(yè)科學院提供。

供試土壤：復墾土和矸石土。

本研究選取與示范區(qū)氣候相近的吉林大學試驗地作為小區(qū)試驗場，采用隨機區(qū)組設計，試驗面積30 m2。野外采集煤礦區(qū)0～50 cm深的復墾土和矸石土，運到吉林大學試驗地進行種植試驗，播種方式為行播，播種量為10 g/m2。同時以生長期為起點，每4個月觀測1次，觀測周期為2年（2008～2009年），觀測內(nèi)容主要為重金屬元素含量變化和植物生長狀況。在整個種植期間定期對小區(qū)試驗、示范區(qū)進行澆水、除草、病蟲害防治等田間管理，使種植作物健康生長。

1.3 樣品分析

采用梅花點法分別對種植1年和2年的兩種豆科植物的無病蟲害的根、莖、葉進行采樣，植物樣品采集后用水洗干凈，風干、殺青后置于80 ℃烘干，粉碎，過2 mm篩，再烘干，放入干燥箱備用。植物重金屬元素（Zn、Ni、Cd、Cu）含量測定方法為經(jīng)過消煮后用原子吸收分光光度計測定[9]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

測定不同土壤上兩種豆科植物的根、莖、葉中4種重金屬含量，轉換為富集系數(shù)并運用SPSS軟件進行方差分析，確定根、莖、葉富集重金屬的差異。其中，富集系數(shù)=植物體內(nèi)重金屬濃度/土壤內(nèi)同種重金屬濃度。

2 結果與分析

2.1 兩種豆科植物對復墾土重金屬的修復效果

2.1.1 兩種豆科植物對復墾土重金屬的富集量比較 利用復墾土種植黃花草木樨和紫花苜蓿，于每年種植季結束后收集植物根、莖、葉，預處理后進行重金屬檢測，結果見表1。由表1可知，在復墾土中種植黃花草木樨和紫花苜蓿對重金屬均有一定的吸附效果。

2.1.2 兩種豆科植物對復墾土重金屬的富集能力比較 對兩種豆科植物的營養(yǎng)器官的富集規(guī)律進行研究，利用公式計算黃花草木樨、紫花苜蓿對4種重金屬元素的富集系數(shù)，并進行方差分析，結果顯示兩種豆科植物根、莖、葉對4種重金屬元素的富集能力差異均達顯著或極顯著水平（表2）。

植物不同營養(yǎng)器官對重金屬的富集能力不同，為比較方便，依據(jù)植物營養(yǎng)器官對重金屬的富集系數(shù)對其富集能力賦予數(shù)值，1為富集能力最大，2次之，3為最小，將賦予的數(shù)值整理為表3，以比較兩種植物不同營養(yǎng)器官富集重金屬的能力。由表3可知，黃花草木樨根、莖、葉在種植1年時對Zn、Cd、Ni元素的富集能力為葉>根>莖，Cu元素為葉>莖>根；種植2年時對Zn和Cu元素的富集能力為莖>葉>根，Cd和Ni元素均為莖>根>葉。紫花苜蓿根、莖、葉在種植1年時對重金屬元素的富集能力規(guī)律與黃花草木樨相同；種植2年時對Zn、Ni、Cu元素的富集能力為根>葉>莖，而Cd元素僅在根部有所富集。

2.1.3 兩種豆科植物對復墾土重金屬富集的器官特異性 由復墾土重金屬元素的富集轉化特征可知，植物各營養(yǎng)器官對不同重金屬的富集能力不同，即植物營養(yǎng)器官對重金屬富集的特異性不同。依據(jù)各營養(yǎng)器官對重金屬的富集系數(shù)將富集能力最強的植物營養(yǎng)器官總結列于表4中，以分析黃花草木樨、紫花苜蓿各營養(yǎng)器官對重金屬的富集特異性。由表4可知，黃花草木樨的葉和莖、紫花苜蓿的根和葉對Zn、Cd、Ni和Cu的富集能力較強。

2.2 兩種豆科植物對矸石土重金屬的修復效果

2.2.1 兩種豆科植物對矸石土重金屬的富集量比較 矸石土種植條件下，黃花草木樨和紫花苜蓿各營養(yǎng)器官對4種重金屬元素的富集量結果見表5。由表5可知，兩種豆科植物各營養(yǎng)器官對各重金屬的富集量存在明顯差異，且對Cd的富集較差。

2.2.2 兩種豆科植物對矸石土重金屬的富集能力比較 按“2.1.2”的方法對矸石土上種植的黃花草木樨、紫花苜蓿富集重金屬的能力進行方差分析，結果表明，除種植1年的黃花草木樨各營養(yǎng)器官對Cd的富集能力差異不顯著外，其他各條件下兩種豆科植物各營養(yǎng)器官對重金屬的富集能力差異均達顯著或極顯著水平（表6）。

按“2.1.2”所述方法得到矸石土種植條件下兩種豆科植物各營養(yǎng)器官富集重金屬的能力，結果如表7所示。由表7可知，黃花草木樨根、莖、葉對Zn的富集順序在種植期間均為根>莖>葉；對Cd、Ni、Cu元素的富集順序在種植1年時為葉>根>莖，在種植2年時為葉>莖>根。紫花苜蓿根、莖、葉在種植1年時對Zn元素的富集能力為葉>根>莖，在種植2年時為根>莖>葉；對Cd元素基本沒有富集能力，僅在種植2年時的葉中有所富集；對Ni元素的富集能力表現(xiàn)為在種植1年時僅莖有所富集，種植2年時為葉>根>莖；對Cu元素的富集能力表現(xiàn)為在種植1年時僅根有所富集，種植2年時為葉>莖>根。

2.2.3 兩種豆科植物對矸石土重金屬富集的器官特異性 對矸石土上生長的兩種豆科植物各營養(yǎng)器官的重金屬富集的特異性進行分析，結果見表8。由表8可知，黃花草木樨的葉對Cd、Ni及Cu的富集能力較強，根對Zn的富集能力較強；紫花苜蓿的葉對4種重金屬的富集能力均較強，且莖對Cu和Ni、根對Zn也存在一定的富集能力。

3 結論

在該試驗條件下，黃花草木樨和紫花苜對不同土壤的重金屬修復能力不同，但均可以在一定程度上富集土壤中的重金屬，達到修復土壤的目的。復墾土種植條件下，黃花草木樨的葉和莖、紫花苜蓿的根和葉對Zn、Cd、Ni和Cu的富集能力較強；矸石土種植條件下，黃花草木樨的葉對Cd、Ni及Cu的富集能力較強，根對Zn的富集能力較強，紫花苜蓿的葉對4種重金屬的富集能力均較強，且莖對Cu和Ni、根對Zn也存在一定的富集能力。

參考文獻：

[1] 孫泰森，白中科.大型露天煤礦廢棄地生態(tài)重建的理論與方法[J].水土保持學報，2001，15（5）：56-60.

[2] 王心義，楊 建，郭慧霞.礦區(qū)煤矸石堆放引起土壤重金屬污染研究[J].煤炭學報，2006，31（6）：808-812.

[3] 崔龍鵬.對淮南礦區(qū)采煤沉陷地生態(tài)環(huán)境修復的思考[J].中國礦業(yè)，2007，16（6）：46-48，52.

[4] BRADSHAW A D. The reconstruction of ecosystems[J]. Journal of Applied Ecology， 1983， 20（1）：1-17.

[5] CHANNY R L. Plant uptake of inorganic waste constituents[A]. PARR J F. Land Treatment of Hazardous Waste[C]. Park Ridge， New Jersey： Noyes Date Corporation， 1983.

[6] JAMALI M K， KZAI T G， ARAIN M B， et al. Heavy metals from soil and domestic sewage sludge and their transfer to Sorghum plants[J]. Environ Chem Lett， 2008， 5（4）：209-218.

[7] FIGUEROA J A L， WROBEL K， AFTON S. Effect of some heavy metals and soil humic substances on the phytochelatin production in wild plants from silver mine areas of Guanajuato， Mexico[J]. Chemosphere， 2008， 70（11）：2084-2091.

[8] GRYTSYUK N， ARAPIS G， PEREPElYATNIKOVA L，et al. Heavy metals effects on forage crops yields and estimation of elements accumulation in plants as affected by soil[J]. Science of the Total Environment， 2006， 354（2/3）：224-231.

[9] 林 琦.重金屬污染土壤植物修復的根際機理[D].杭州：浙江大學，2002.

（責任編輯 呂海霞）

2 結果與分析

2.1 兩種豆科植物對復墾土重金屬的修復效果

2.1.1 兩種豆科植物對復墾土重金屬的富集量比較 利用復墾土種植黃花草木樨和紫花苜蓿，于每年種植季結束后收集植物根、莖、葉，預處理后進行重金屬檢測，結果見表1。由表1可知，在復墾土中種植黃花草木樨和紫花苜蓿對重金屬均有一定的吸附效果。

2.1.2 兩種豆科植物對復墾土重金屬的富集能力比較 對兩種豆科植物的營養(yǎng)器官的富集規(guī)律進行研究，利用公式計算黃花草木樨、紫花苜蓿對4種重金屬元素的富集系數(shù)，并進行方差分析，結果顯示兩種豆科植物根、莖、葉對4種重金屬元素的富集能力差異均達顯著或極顯著水平（表2）。

植物不同營養(yǎng)器官對重金屬的富集能力不同，為比較方便，依據(jù)植物營養(yǎng)器官對重金屬的富集系數(shù)對其富集能力賦予數(shù)值，1為富集能力最大，2次之，3為最小，將賦予的數(shù)值整理為表3，以比較兩種植物不同營養(yǎng)器官富集重金屬的能力。由表3可知，黃花草木樨根、莖、葉在種植1年時對Zn、Cd、Ni元素的富集能力為葉>根>莖，Cu元素為葉>莖>根；種植2年時對Zn和Cu元素的富集能力為莖>葉>根，Cd和Ni元素均為莖>根>葉。紫花苜蓿根、莖、葉在種植1年時對重金屬元素的富集能力規(guī)律與黃花草木樨相同；種植2年時對Zn、Ni、Cu元素的富集能力為根>葉>莖，而Cd元素僅在根部有所富集。

2.1.3 兩種豆科植物對復墾土重金屬富集的器官特異性 由復墾土重金屬元素的富集轉化特征可知，植物各營養(yǎng)器官對不同重金屬的富集能力不同，即植物營養(yǎng)器官對重金屬富集的特異性不同。依據(jù)各營養(yǎng)器官對重金屬的富集系數(shù)將富集能力最強的植物營養(yǎng)器官總結列于表4中，以分析黃花草木樨、紫花苜蓿各營養(yǎng)器官對重金屬的富集特異性。由表4可知，黃花草木樨的葉和莖、紫花苜蓿的根和葉對Zn、Cd、Ni和Cu的富集能力較強。

2.2 兩種豆科植物對矸石土重金屬的修復效果

2.2.1 兩種豆科植物對矸石土重金屬的富集量比較 矸石土種植條件下，黃花草木樨和紫花苜蓿各營養(yǎng)器官對4種重金屬元素的富集量結果見表5。由表5可知，兩種豆科植物各營養(yǎng)器官對各重金屬的富集量存在明顯差異，且對Cd的富集較差。

2.2.2 兩種豆科植物對矸石土重金屬的富集能力比較 按“2.1.2”的方法對矸石土上種植的黃花草木樨、紫花苜蓿富集重金屬的能力進行方差分析，結果表明，除種植1年的黃花草木樨各營養(yǎng)器官對Cd的富集能力差異不顯著外，其他各條件下兩種豆科植物各營養(yǎng)器官對重金屬的富集能力差異均達顯著或極顯著水平（表6）。

按“2.1.2”所述方法得到矸石土種植條件下兩種豆科植物各營養(yǎng)器官富集重金屬的能力，結果如表7所示。由表7可知，黃花草木樨根、莖、葉對Zn的富集順序在種植期間均為根>莖>葉；對Cd、Ni、Cu元素的富集順序在種植1年時為葉>根>莖，在種植2年時為葉>莖>根。紫花苜蓿根、莖、葉在種植1年時對Zn元素的富集能力為葉>根>莖，在種植2年時為根>莖>葉；對Cd元素基本沒有富集能力，僅在種植2年時的葉中有所富集；對Ni元素的富集能力表現(xiàn)為在種植1年時僅莖有所富集，種植2年時為葉>根>莖；對Cu元素的富集能力表現(xiàn)為在種植1年時僅根有所富集，種植2年時為葉>莖>根。

2.2.3 兩種豆科植物對矸石土重金屬富集的器官特異性 對矸石土上生長的兩種豆科植物各營養(yǎng)器官的重金屬富集的特異性進行分析，結果見表8。由表8可知，黃花草木樨的葉對Cd、Ni及Cu的富集能力較強，根對Zn的富集能力較強；紫花苜蓿的葉對4種重金屬的富集能力均較強，且莖對Cu和Ni、根對Zn也存在一定的富集能力。

3 結論

在該試驗條件下，黃花草木樨和紫花苜對不同土壤的重金屬修復能力不同，但均可以在一定程度上富集土壤中的重金屬，達到修復土壤的目的。復墾土種植條件下，黃花草木樨的葉和莖、紫花苜蓿的根和葉對Zn、Cd、Ni和Cu的富集能力較強；矸石土種植條件下，黃花草木樨的葉對Cd、Ni及Cu的富集能力較強，根對Zn的富集能力較強，紫花苜蓿的葉對4種重金屬的富集能力均較強，且莖對Cu和Ni、根對Zn也存在一定的富集能力。

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[9] 林 琦.重金屬污染土壤植物修復的根際機理[D].杭州：浙江大學，2002.

（責任編輯 呂海霞）

2 結果與分析

2.1 兩種豆科植物對復墾土重金屬的修復效果

2.1.1 兩種豆科植物對復墾土重金屬的富集量比較 利用復墾土種植黃花草木樨和紫花苜蓿，于每年種植季結束后收集植物根、莖、葉，預處理后進行重金屬檢測，結果見表1。由表1可知，在復墾土中種植黃花草木樨和紫花苜蓿對重金屬均有一定的吸附效果。

2.1.2 兩種豆科植物對復墾土重金屬的富集能力比較 對兩種豆科植物的營養(yǎng)器官的富集規(guī)律進行研究，利用公式計算黃花草木樨、紫花苜蓿對4種重金屬元素的富集系數(shù)，并進行方差分析，結果顯示兩種豆科植物根、莖、葉對4種重金屬元素的富集能力差異均達顯著或極顯著水平（表2）。

植物不同營養(yǎng)器官對重金屬的富集能力不同，為比較方便，依據(jù)植物營養(yǎng)器官對重金屬的富集系數(shù)對其富集能力賦予數(shù)值，1為富集能力最大，2次之，3為最小，將賦予的數(shù)值整理為表3，以比較兩種植物不同營養(yǎng)器官富集重金屬的能力。由表3可知，黃花草木樨根、莖、葉在種植1年時對Zn、Cd、Ni元素的富集能力為葉>根>莖，Cu元素為葉>莖>根；種植2年時對Zn和Cu元素的富集能力為莖>葉>根，Cd和Ni元素均為莖>根>葉。紫花苜蓿根、莖、葉在種植1年時對重金屬元素的富集能力規(guī)律與黃花草木樨相同；種植2年時對Zn、Ni、Cu元素的富集能力為根>葉>莖，而Cd元素僅在根部有所富集。

2.1.3 兩種豆科植物對復墾土重金屬富集的器官特異性 由復墾土重金屬元素的富集轉化特征可知，植物各營養(yǎng)器官對不同重金屬的富集能力不同，即植物營養(yǎng)器官對重金屬富集的特異性不同。依據(jù)各營養(yǎng)器官對重金屬的富集系數(shù)將富集能力最強的植物營養(yǎng)器官總結列于表4中，以分析黃花草木樨、紫花苜蓿各營養(yǎng)器官對重金屬的富集特異性。由表4可知，黃花草木樨的葉和莖、紫花苜蓿的根和葉對Zn、Cd、Ni和Cu的富集能力較強。

2.2 兩種豆科植物對矸石土重金屬的修復效果

2.2.1 兩種豆科植物對矸石土重金屬的富集量比較 矸石土種植條件下，黃花草木樨和紫花苜蓿各營養(yǎng)器官對4種重金屬元素的富集量結果見表5。由表5可知，兩種豆科植物各營養(yǎng)器官對各重金屬的富集量存在明顯差異，且對Cd的富集較差。

2.2.2 兩種豆科植物對矸石土重金屬的富集能力比較 按“2.1.2”的方法對矸石土上種植的黃花草木樨、紫花苜蓿富集重金屬的能力進行方差分析，結果表明，除種植1年的黃花草木樨各營養(yǎng)器官對Cd的富集能力差異不顯著外，其他各條件下兩種豆科植物各營養(yǎng)器官對重金屬的富集能力差異均達顯著或極顯著水平（表6）。

按“2.1.2”所述方法得到矸石土種植條件下兩種豆科植物各營養(yǎng)器官富集重金屬的能力，結果如表7所示。由表7可知，黃花草木樨根、莖、葉對Zn的富集順序在種植期間均為根>莖>葉；對Cd、Ni、Cu元素的富集順序在種植1年時為葉>根>莖，在種植2年時為葉>莖>根。紫花苜蓿根、莖、葉在種植1年時對Zn元素的富集能力為葉>根>莖，在種植2年時為根>莖>葉；對Cd元素基本沒有富集能力，僅在種植2年時的葉中有所富集；對Ni元素的富集能力表現(xiàn)為在種植1年時僅莖有所富集，種植2年時為葉>根>莖；對Cu元素的富集能力表現(xiàn)為在種植1年時僅根有所富集，種植2年時為葉>莖>根。

2.2.3 兩種豆科植物對矸石土重金屬富集的器官特異性 對矸石土上生長的兩種豆科植物各營養(yǎng)器官的重金屬富集的特異性進行分析，結果見表8。由表8可知，黃花草木樨的葉對Cd、Ni及Cu的富集能力較強，根對Zn的富集能力較強；紫花苜蓿的葉對4種重金屬的富集能力均較強，且莖對Cu和Ni、根對Zn也存在一定的富集能力。

3 結論

在該試驗條件下，黃花草木樨和紫花苜對不同土壤的重金屬修復能力不同，但均可以在一定程度上富集土壤中的重金屬，達到修復土壤的目的。復墾土種植條件下，黃花草木樨的葉和莖、紫花苜蓿的根和葉對Zn、Cd、Ni和Cu的富集能力較強；矸石土種植條件下，黃花草木樨的葉對Cd、Ni及Cu的富集能力較強，根對Zn的富集能力較強，紫花苜蓿的葉對4種重金屬的富集能力均較強，且莖對Cu和Ni、根對Zn也存在一定的富集能力。

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（責任編輯 呂海霞）