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摘要 矿产资源的开发对国民经济发展起着重要推动作用的同时也带来了严峻的环境问题，因此筛选出适合当地矿区生长且能够富集重金属的植物进行生态修复尤为重要。通过选取生长在银铅矿区的植物，对其调查采样分析，分别测定植物样品中地上部分和地下部分的Cu、Zn、Pb、Cd、Ni、Cr含量，计算其转运系数来初步分析对应植物的重金属转运能力。结果表明：调查的多种植物中，羽衣甘蓝、高羊茅、桔梗、黑沙蒿、丝路蓟等对于Pb、Cd、Cu、Zn、Ni、Cr都具有一定的转运能力，可为筛选当地潜在的可富集重金属植物提供参考。
关键词 土壤;重金属;植物
中图分类号 X 53 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2021）16-0090-03
doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.16.024 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
Study on the Absorption and Transportation of Heavy Metals in Soil by the Plants in Daqingshan
ZHANG Wei， LUO Chun-guang
（The R&D Center of Inner Mongolia Sunture Environmental Technology Co.， Ltd.，Hohhot， Inner Mongolia 010000）
Abstract While the development of mineral resources plays an important role in promoting the development of the national economy， it also brings about severe environmental problems. Therefore， it is particularly important to select plants suitable for growth in local mining areas and capable of enriching heavy metals for ecological restoration. In this study， we selected plants that grow in the silver-lead mining area， surveyed， sampled and analyzed the heavy metal content of Cu， Zn， Pb， Cd， Ni， and Cr in the above-ground and underground parts of the plant samples， and calculated the transport coefficient for preliminary analysis. The results showed that among the plants investigated， Brassica oleracea var. acephala f.tricolor， Festuca elata Keng ex E. Alexeev， Platycodon grandiflorus （Jacq.） A. DC.， Artemisia ordosica Krasch.， Cirsium arvense and so on all have certain transfer ability to Pb， Cd， Cu， Zn， Ni， Cr， the results can be used as a reference for the screening of local potential heavy metal-accumulating plants.
Key words Soil;Heavy metals;Plant
矿产资源是人类生产和生活的基本源泉之一，但矿产资源的开发对国民经济发展起着重要的推动作用，与此同时也产生严峻的环境问题。矿山开采过程中，由于采矿废水和选矿废液中的重金属进入土壤，废石和尾矿等固体废弃物随雨水淋滤进入地下水系统，造成矿区周围土壤重金属污染。对重金属产品的不当处理、处置，已经对人类的生产生活环境造成了严重影響[1]。重金属可以通过空气、水、土壤等途径进入动植物体，并经由食物链放大富集进入人体，损害人体健康。而最引起人们关注和担忧的是其危害的隐蔽性、不可逆性和长期性[2-3]，对生态环境以及人类生存构成了严重威胁[4-5]。由于环境中的重金属不能被自然降解，因此土壤一旦被重金属污染，就很难彻底消除。
目前，用于治理重金属污染土壤有传统的理化法，如玻璃化、热解吸及土壤冲洗等，近年来的研究热点是植物修复法[6]。植物修复技术是直接利用绿色植物及与其共存的微生物系统来吸收、富集环境污染物的一项新技术[7]。重金属对植物的毒害作用表现在影响植物的萌芽、生长发育、光合作用、生理代谢和植物体内化学物质含量的改变等方面[8]。近年来的研究表明，植物修复是一种更经济更易于操作的污染修复技术[8-10]。该研究的研究区域为内蒙古呼和浩特市大青山区域某银铅矿，通过研究矿区植物体内重金属含量和转运特征，初步筛选潜在的可富集重金属的植物。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
该银铅矿区位于呼和浩特市武川县，位于内蒙古自治区中部，属大陆性季风气候，气候干燥，地理特点为丘陵构成的山区，山地面积大，平均海拔1 700 m。矿山毗邻大青山国家级自然保护区和呼和浩特市城区饮用水源地。银铅矿采选过程中含重金属废弃物的堆积、废气中重金属的扩散，对周围环境产生潜在危害。 1.2 植物材料
于2019年8—10月在银铅矿区周边野生植被区及农田展开植物群落调查并采样。采集有代表性、生长旺盛的主要优势植物为测试材料。将不同植物样品编号后在内蒙古新创环境科技有限公司进行材料后期处理。
将采集的植物样品用去离子水冲洗，擦拭水分，分装。之后将样品于105 ℃灭菌约10 min;再于75 ℃烘2 d，取出备用。
1.3 植物样品分析与测定
将烘干后的植物样品取出，用HNO 3-HClO 4消煮、定容。以试剂空白为空白对照。用原子吸收分光光度法测定植物中Cu、Zn、Pb和Cd含量，用二苯碳酰二肼分光光度法测定Cr含量[11]，3次重复。
1.4 评价方法
用转运系数作为植物对重金属的吸收转移能力的评价标准，转运特征：植物地上部分的重金属含量应高于地下部分，其转运系数大于1.00[12-14]。
1.5 数据处理
采用Excel 2007软件进行数据分析和作图;用SPSS 17.0统计分析软件进行方差分析;采用单因素方差分析、LSD、Duncan新复极差法进行差异显著性多重比较，统计 P 值为0.05水平上的差异。
转运系数TF= C 1/C 2
式中， C 1为植物地上部重金属含量（mg/kg）; C 2为植物地下部重金属含量（mg/kg）。
2 结果与分析
2.1 植物体重金属的吸收特征
由表1可知，在大青山地区有色金属矿山遗迹重金属污染场地的植物对Pb积累最少的是沙葱地上部分，仅0.38 mg/kg，对Pb吸收量最多的植物是桔梗地上部分，达67.63 mg/kg。
地上部分對Cd吸收量最大的是白刺4.60 mg/kg，地下部分对Cd吸收最大的是菊1.91 mg/kg。
地上部分对Cu吸收量最大的是沙葱3.52 mg/kg，地下部分对Cu吸收量最大的是菊4.97 mg/kg。地上部分Zn吸收量最大的是白刺540.44 mg/kg，地下部分对Zn吸收量最大的是灰藜247.79 mg/kg，最小的是变异黄蓍 6.64 mg/kg。地上部分对Ni吸收量最大的是沙葱8.15 mg/kg，最小的是黑麦草1.42 mg/kg;地下部分对Ni吸收量最大的是白刺8.00 mg/kg，最小的是黑麦草0.98 mg/kg。地上部分对Cr吸收量最大的是沙葱9.35 mg/kg，最小的是 白刺1.66 mg/kg;地下部分对Cr吸收量最大的是白刺12.11 mg/kg，最小的是丝路蓟2.33 mg/kg。
2.2 植物对重金属元素的转运特征
通过利用植物对重金属的吸收和在植株地上部积累，从而降低重金属污染。由表2可知，地上部分与地下部分的比值越大，地上部分积累的重金属含量越多，地下部分重金属含量就越低，说明植物对重金属的吸收能力越强。对Pb的转运系数大于1.00的植物有黑麦草2.23，高羊茅1.94，羽衣甘蓝6.57，沙旋覆花2.49，黑沙蒿7.12，刺叶柄棘豆3.15，丝路蓟7.09。这些植物会把Pb向地上部分运输，这可为筛选Pb的超富集植物提供参考。对Cd的转运系数大于1.00的植物有高羊茅6.39，黑麦草3.89，沙旋覆花3.56，黑沙蒿4.10，丝路蓟4.49，刺叶柄棘豆3.54等。对重金属Cu的转运系数大于1.00的有黑麦草1.83，沙葱1.23，高羊茅2.35，羽衣甘蓝1.46，桔梗3.29，沙旋覆花2.26，紊蒿1.32，黑沙蒿5.91，变异黄蓍2.30，刺叶柄棘豆1.58，丝路蓟2.51等。对Zn的转运系数大于1.00的有黑麦草1.83，沙葱2.00，高羊茅4.64，羽衣甘蓝2.18，桔梗4.92，沙旋覆花3.24，紊蒿5.55，变异黄蓍20.76，黑沙蒿36.75，刺叶柄棘豆3.76，丝路蓟6.17。对Ni的转运系数大于1.00的有黑麦草1.44，沙葱3.14，高羊茅2.57，羽衣甘蓝1.89，桔梗4.83，沙旋覆花1.30，紊蒿1.14，变异黄蓍2.63，黑沙蒿2.22，刺叶柄棘豆2.25，丝路蓟4.08。对Cr的转运系数大于1.00的植物有黑麦草1.26，沙葱2.52，高羊茅1.74，羽衣甘蓝1.56，桔梗3.79，紊蒿1.07，变异黄蓍1.99，黑沙蒿1.84，刺叶柄棘豆2.12，丝路蓟2.36。
3 讨论与结论
该调查结果表明，羽衣甘蓝、高羊茅、桔梗、黑沙蒿、丝路蓟、桔梗等对Pb、Cd、Cu、Zn、Ni、Cr都具有一定的转运能力。近年来，有关植物富集重金属已有多方面、多方向的研究，然而，针对不同地理位置自然环境下的植物修复效果和机制研究仍较缺乏，即使植物的生理生化系统基本相同，单一种类植物修复也不可能适用于所有土壤和自然立地条件[15-17]。该研究所选取采样区域的植物能够正常生存繁衍，说明其自身可以适应当地的自然环境，且具备一定的重金属耐受性。因此，研究不同立地条件下的植物对于重金属的吸收及转运能力对于矿区重金属污染植物修复有着重要意义。
参考文献
[1] 李顺，史忠诚，赵玉龙.场地土壤重金属污染及其修复技术研究现状[J].环境研究与监测，2009（1）：43-47.
[2] 张璐.微生物强化重金属污染土壤植物修复的研究[D].长沙：湖南大学，2007：3-4.
[3] 王义，黄先飞，胡继伟，等.重金属污染与修复研究进展[J].河南农业科学，2012，41（4）：1-6.
[4] MULLIGAN C N，YONG R N，GIBBS B F.Remediation technologies for metal-contaminated soils and groundwater：An evaluation[J].Engineering geology，2001，60（1/2/3/4）：193-207. [5] DARMAWAN，WADA S I.Effect of clay mineralogy on the feasibility of elect rokinetic soil decontamination technology[J].Applied clay science，2002，20（6）：283-293.
[6] 金一凡，周连杰，杰克，等.污染土壤修复技术的探讨[J].环境科技，2012，25（5）：68-72.
[7] 李坤陶.生物修复技术及其应用[J].生物学教学，2007，32（1）：4-6.
[8] 梁芳，郭晋平.植物重金属毒害作用机理研究进展[J].山西农业科学，2007，35（11）：59-61.
[9] 张溪，周爱国，甘义群，等.金属矿山土壤重金属污染生物修复研究进展[J].环境科学与技术，2010，33（3）：106-112.
[10] 高洁，周举军，李桂芳，等.抗多元重金属植物的有效筛选及生态修复研究：以湖南柿竹園有色金属矿区为例[J].安徽农业科学，2017，45（27）：90-92，242.
[11] 路畅，王英辉，杨进文.广西铅锌矿区土壤重金属污染及优势植物筛选[J].土壤通报，2010，41（6）：1471-1475.
[12] TASSI E L，PEDRON F，BARBAFIERI M.Evaluating the absorption of boron by plants-A potential tool to remediate contaminated sediments from Cecina river basin in Italy[J].Water，air，& soil pollution，2011，216（1/2/3/4）：275-287.
[13] GARC A M ，ALONSO J，MELGAR M J.Lead in edible mushrooms：Levels and bioaccumulation factors[J].Journal of hazardous materials，2009，167（1/2/3）：777-783.
[14] MELGAR M J，ALONSO J，GARC A M A.Mercury in edible mushrooms and underlying soil：Bioconcentration factors and toxicological risk[J].Science of the total environment，2009，407（20）：5328-5334.
[15] RASCIO N，NAVARI-IZZO F.Heavy metal hyperaccumulating plants：How and why do they do it？ And what makes them so interesting？ [J].Plant science，2011，180（2）：169-181.
[16] 石润，吴晓芙，李芸，等.应用于重金属污染土壤植物修复中的植物种类[J].中南林业科技大学学报，2015，35（4）：139-146.
[17] 陈永华，吴晓芙，郝君，等.4 种木本植物在潜流人工湿地环境下的适应性与去污效果[J].生态学报，2014，34（4）：916-924.
关键词 土壤;重金属;植物
中图分类号 X 53 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2021）16-0090-03
doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.16.024 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
Study on the Absorption and Transportation of Heavy Metals in Soil by the Plants in Daqingshan
ZHANG Wei， LUO Chun-guang
（The R&D Center of Inner Mongolia Sunture Environmental Technology Co.， Ltd.，Hohhot， Inner Mongolia 010000）
Abstract While the development of mineral resources plays an important role in promoting the development of the national economy， it also brings about severe environmental problems. Therefore， it is particularly important to select plants suitable for growth in local mining areas and capable of enriching heavy metals for ecological restoration. In this study， we selected plants that grow in the silver-lead mining area， surveyed， sampled and analyzed the heavy metal content of Cu， Zn， Pb， Cd， Ni， and Cr in the above-ground and underground parts of the plant samples， and calculated the transport coefficient for preliminary analysis. The results showed that among the plants investigated， Brassica oleracea var. acephala f.tricolor， Festuca elata Keng ex E. Alexeev， Platycodon grandiflorus （Jacq.） A. DC.， Artemisia ordosica Krasch.， Cirsium arvense and so on all have certain transfer ability to Pb， Cd， Cu， Zn， Ni， Cr， the results can be used as a reference for the screening of local potential heavy metal-accumulating plants.
Key words Soil;Heavy metals;Plant
矿产资源是人类生产和生活的基本源泉之一，但矿产资源的开发对国民经济发展起着重要的推动作用，与此同时也产生严峻的环境问题。矿山开采过程中，由于采矿废水和选矿废液中的重金属进入土壤，废石和尾矿等固体废弃物随雨水淋滤进入地下水系统，造成矿区周围土壤重金属污染。对重金属产品的不当处理、处置，已经对人类的生产生活环境造成了严重影響[1]。重金属可以通过空气、水、土壤等途径进入动植物体，并经由食物链放大富集进入人体，损害人体健康。而最引起人们关注和担忧的是其危害的隐蔽性、不可逆性和长期性[2-3]，对生态环境以及人类生存构成了严重威胁[4-5]。由于环境中的重金属不能被自然降解，因此土壤一旦被重金属污染，就很难彻底消除。
目前，用于治理重金属污染土壤有传统的理化法，如玻璃化、热解吸及土壤冲洗等，近年来的研究热点是植物修复法[6]。植物修复技术是直接利用绿色植物及与其共存的微生物系统来吸收、富集环境污染物的一项新技术[7]。重金属对植物的毒害作用表现在影响植物的萌芽、生长发育、光合作用、生理代谢和植物体内化学物质含量的改变等方面[8]。近年来的研究表明，植物修复是一种更经济更易于操作的污染修复技术[8-10]。该研究的研究区域为内蒙古呼和浩特市大青山区域某银铅矿，通过研究矿区植物体内重金属含量和转运特征，初步筛选潜在的可富集重金属的植物。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
该银铅矿区位于呼和浩特市武川县，位于内蒙古自治区中部，属大陆性季风气候，气候干燥，地理特点为丘陵构成的山区，山地面积大，平均海拔1 700 m。矿山毗邻大青山国家级自然保护区和呼和浩特市城区饮用水源地。银铅矿采选过程中含重金属废弃物的堆积、废气中重金属的扩散，对周围环境产生潜在危害。 1.2 植物材料
于2019年8—10月在银铅矿区周边野生植被区及农田展开植物群落调查并采样。采集有代表性、生长旺盛的主要优势植物为测试材料。将不同植物样品编号后在内蒙古新创环境科技有限公司进行材料后期处理。
将采集的植物样品用去离子水冲洗，擦拭水分，分装。之后将样品于105 ℃灭菌约10 min;再于75 ℃烘2 d，取出备用。
1.3 植物样品分析与测定
将烘干后的植物样品取出，用HNO 3-HClO 4消煮、定容。以试剂空白为空白对照。用原子吸收分光光度法测定植物中Cu、Zn、Pb和Cd含量，用二苯碳酰二肼分光光度法测定Cr含量[11]，3次重复。
1.4 评价方法
用转运系数作为植物对重金属的吸收转移能力的评价标准，转运特征：植物地上部分的重金属含量应高于地下部分，其转运系数大于1.00[12-14]。
1.5 数据处理
采用Excel 2007软件进行数据分析和作图;用SPSS 17.0统计分析软件进行方差分析;采用单因素方差分析、LSD、Duncan新复极差法进行差异显著性多重比较，统计 P 值为0.05水平上的差异。
转运系数TF= C 1/C 2
式中， C 1为植物地上部重金属含量（mg/kg）; C 2为植物地下部重金属含量（mg/kg）。
2 结果与分析
2.1 植物体重金属的吸收特征
由表1可知，在大青山地区有色金属矿山遗迹重金属污染场地的植物对Pb积累最少的是沙葱地上部分，仅0.38 mg/kg，对Pb吸收量最多的植物是桔梗地上部分，达67.63 mg/kg。
地上部分對Cd吸收量最大的是白刺4.60 mg/kg，地下部分对Cd吸收最大的是菊1.91 mg/kg。
地上部分对Cu吸收量最大的是沙葱3.52 mg/kg，地下部分对Cu吸收量最大的是菊4.97 mg/kg。地上部分Zn吸收量最大的是白刺540.44 mg/kg，地下部分对Zn吸收量最大的是灰藜247.79 mg/kg，最小的是变异黄蓍 6.64 mg/kg。地上部分对Ni吸收量最大的是沙葱8.15 mg/kg，最小的是黑麦草1.42 mg/kg;地下部分对Ni吸收量最大的是白刺8.00 mg/kg，最小的是黑麦草0.98 mg/kg。地上部分对Cr吸收量最大的是沙葱9.35 mg/kg，最小的是 白刺1.66 mg/kg;地下部分对Cr吸收量最大的是白刺12.11 mg/kg，最小的是丝路蓟2.33 mg/kg。
2.2 植物对重金属元素的转运特征
通过利用植物对重金属的吸收和在植株地上部积累，从而降低重金属污染。由表2可知，地上部分与地下部分的比值越大，地上部分积累的重金属含量越多，地下部分重金属含量就越低，说明植物对重金属的吸收能力越强。对Pb的转运系数大于1.00的植物有黑麦草2.23，高羊茅1.94，羽衣甘蓝6.57，沙旋覆花2.49，黑沙蒿7.12，刺叶柄棘豆3.15，丝路蓟7.09。这些植物会把Pb向地上部分运输，这可为筛选Pb的超富集植物提供参考。对Cd的转运系数大于1.00的植物有高羊茅6.39，黑麦草3.89，沙旋覆花3.56，黑沙蒿4.10，丝路蓟4.49，刺叶柄棘豆3.54等。对重金属Cu的转运系数大于1.00的有黑麦草1.83，沙葱1.23，高羊茅2.35，羽衣甘蓝1.46，桔梗3.29，沙旋覆花2.26，紊蒿1.32，黑沙蒿5.91，变异黄蓍2.30，刺叶柄棘豆1.58，丝路蓟2.51等。对Zn的转运系数大于1.00的有黑麦草1.83，沙葱2.00，高羊茅4.64，羽衣甘蓝2.18，桔梗4.92，沙旋覆花3.24，紊蒿5.55，变异黄蓍20.76，黑沙蒿36.75，刺叶柄棘豆3.76，丝路蓟6.17。对Ni的转运系数大于1.00的有黑麦草1.44，沙葱3.14，高羊茅2.57，羽衣甘蓝1.89，桔梗4.83，沙旋覆花1.30，紊蒿1.14，变异黄蓍2.63，黑沙蒿2.22，刺叶柄棘豆2.25，丝路蓟4.08。对Cr的转运系数大于1.00的植物有黑麦草1.26，沙葱2.52，高羊茅1.74，羽衣甘蓝1.56，桔梗3.79，紊蒿1.07，变异黄蓍1.99，黑沙蒿1.84，刺叶柄棘豆2.12，丝路蓟2.36。
3 讨论与结论
该调查结果表明，羽衣甘蓝、高羊茅、桔梗、黑沙蒿、丝路蓟、桔梗等对Pb、Cd、Cu、Zn、Ni、Cr都具有一定的转运能力。近年来，有关植物富集重金属已有多方面、多方向的研究，然而，针对不同地理位置自然环境下的植物修复效果和机制研究仍较缺乏，即使植物的生理生化系统基本相同，单一种类植物修复也不可能适用于所有土壤和自然立地条件[15-17]。该研究所选取采样区域的植物能够正常生存繁衍，说明其自身可以适应当地的自然环境，且具备一定的重金属耐受性。因此，研究不同立地条件下的植物对于重金属的吸收及转运能力对于矿区重金属污染植物修复有着重要意义。
参考文献
[1] 李顺，史忠诚，赵玉龙.场地土壤重金属污染及其修复技术研究现状[J].环境研究与监测，2009（1）：43-47.
[2] 张璐.微生物强化重金属污染土壤植物修复的研究[D].长沙：湖南大学，2007：3-4.
[3] 王义，黄先飞，胡继伟，等.重金属污染与修复研究进展[J].河南农业科学，2012，41（4）：1-6.
[4] MULLIGAN C N，YONG R N，GIBBS B F.Remediation technologies for metal-contaminated soils and groundwater：An evaluation[J].Engineering geology，2001，60（1/2/3/4）：193-207. [5] DARMAWAN，WADA S I.Effect of clay mineralogy on the feasibility of elect rokinetic soil decontamination technology[J].Applied clay science，2002，20（6）：283-293.
[6] 金一凡，周连杰，杰克，等.污染土壤修复技术的探讨[J].环境科技，2012，25（5）：68-72.
[7] 李坤陶.生物修复技术及其应用[J].生物学教学，2007，32（1）：4-6.
[8] 梁芳，郭晋平.植物重金属毒害作用机理研究进展[J].山西农业科学，2007，35（11）：59-61.
[9] 张溪，周爱国，甘义群，等.金属矿山土壤重金属污染生物修复研究进展[J].环境科学与技术，2010，33（3）：106-112.
[10] 高洁，周举军，李桂芳，等.抗多元重金属植物的有效筛选及生态修复研究：以湖南柿竹園有色金属矿区为例[J].安徽农业科学，2017，45（27）：90-92，242.
[11] 路畅，王英辉，杨进文.广西铅锌矿区土壤重金属污染及优势植物筛选[J].土壤通报，2010，41（6）：1471-1475.
[12] TASSI E L，PEDRON F，BARBAFIERI M.Evaluating the absorption of boron by plants-A potential tool to remediate contaminated sediments from Cecina river basin in Italy[J].Water，air，& soil pollution，2011，216（1/2/3/4）：275-287.
[13] GARC A M ，ALONSO J，MELGAR M J.Lead in edible mushrooms：Levels and bioaccumulation factors[J].Journal of hazardous materials，2009，167（1/2/3）：777-783.
[14] MELGAR M J，ALONSO J，GARC A M A.Mercury in edible mushrooms and underlying soil：Bioconcentration factors and toxicological risk[J].Science of the total environment，2009，407（20）：5328-5334.
[15] RASCIO N，NAVARI-IZZO F.Heavy metal hyperaccumulating plants：How and why do they do it？ And what makes them so interesting？ [J].Plant science，2011，180（2）：169-181.
[16] 石润，吴晓芙，李芸，等.应用于重金属污染土壤植物修复中的植物种类[J].中南林业科技大学学报，2015，35（4）：139-146.
[17] 陈永华，吴晓芙，郝君，等.4 种木本植物在潜流人工湿地环境下的适应性与去污效果[J].生态学报，2014，34（4）：916-924.