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土壤重金属污染已经成为当今世界重要的环境问题之一,已经受到世界各国人们的关注。土壤污染不仅会带来生态环境问题,还会给人体健康造成伤害。矿山开采,带来经济效益的同时也带来了很多环境污染问题,排放的废水、乱堆放的废渣,空气中的污染物随着降雨沉降在周边的土壤中,造成土壤重金属污染,土壤中的重金属随着食物链进入人体,严重威胁人体健康,因此,土壤重金属污染修复问题亟待解决[1-2]。矿产资源开采是迄今为止人类最大规模破坏地表生态系统的有组织的人类活动[3]。据统计,全世界的矿区废弃地面积共有 6.7×106 hm2,我国现有国营矿山企业8 000多个,矿区破坏地面积达2.88×106 hm2,且每年以4.67×104 hm2的速度增长[4]。矿产资源的开发和利用引发了许多环境问题,比如水土流失、重金属污染、生态系统破坏等,这些问题使矿山废弃地的土壤结构发生改变,重金属含量偏高,土壤有机质含量偏少,植物所需的营养元素缺乏,严重影响植物的生长和其他生物的活动[5]。土壤污染会导致农产品中重金属含量超标且通过食物链进入人体,会对长期生活在矿区周围居民的身体健康产生严重的危害[6]。海南省昌江县昌化镇为滨海沙地平原地带,地势东高西低,是典型的热带季风气候区,光照充足,年平均降水为900~1200 mm,属严重干旱地区[7]。海南昌化铅锌矿由于在其开发利用过程中没有采取环境保护措施,造成了矿区生态环境的严重破坏,当地现已停止农业种植。对海南昌化铅锌矿区废弃地的土壤调查发现,重金属Cd、Pb、Zn、Cu含量严重超标,为重度污染土壤。虽然土壤重金属含量很高,但仍能生长出一些植物,这些植物种类较为单一,多以灌木和草本为主,乔木零星分布。本研究拟通过对海南昌化铅锌矿区废弃地污染土壤和植物现状进行分析,旨在找出适合矿区废弃地土壤修复的重金属耐性植物,为今后矿区污染治理提供科学依据。
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矿区周边土壤pH为5.82,整体呈弱酸性,土壤中重金属Pb含量640.50 mg·kg−1、Cd含量13.53 mg·kg−1、Cu含量94.47 mg·kg−1、Zn含量448.54 mg·kg−1。参照《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》(GB15618—2018),对矿区周边土壤污染水平进行评价,通过对矿区周边土壤中重金属元素含量的测定和分析,结合本研究重金属污染的特点,选择单因子污染指数法、内梅罗综合污染指数法对矿区周边重金属污染情况用单项污染指标和综合污染指数法进行评价[10],结果(表1)表明,该矿区周边土壤普遍受到Pb、Cd、Zn和Cu的污染,矿区周边土壤受Pb的轻度污染,单项污染指数为2.56;受到重金属Cd的重度污染,单项污染指数是45.12;Cu是轻微污染,单项污染指数1.89;Zn是轻度污染,其单项污染指数是2.24。矿区周边重金属综合污染指数为19.86,按照土壤综合评价分级标准可知该矿区周边土壤污染等级属于重度污染,污染水平为土壤、植物均受到严重污染。如表2所示,矿区周边土壤污染情况为Cd污染最严重,Pb的污染指数次之,然后是Zn污染,Cu污染最低。矿区周边土壤中Pb含量高于风险管制值(500 mg·kg−1)1.28倍,土壤中Cd含量高于风险管制值(2 mg·kg−1)的6.77倍,土壤中Cu含量高于风险筛选值(50 mg·kg−1)的0.90倍,土壤中Zn含量高于风险筛选值(200 mg·kg−1)的0.24倍,土壤污染风险极高,应当采取严格管控措施。
等级划分
GradingPN 污染等级
Contamination
level污染水平
Contamination
level1 ≤0.7 安全 清洁 2 0.7<PN≤1.0 禁戒线 尚清洁 3 1.0<PN≤2.0 轻污染 土壤轻污染,
植物开始受污染4 2.0<PN≤3.0 中污染 土壤、植物均
受中度污染5 PN>3.0 重污染 土壤、植物均
受严重污染Table 1. Grading standards for comprehensive soil heavy metal contamination evaluation
Pb/
(mg·kg−1)Cd/
(mg·kg−1)Cu/
(mg·kg−1)Zn/
(mg·kg−1)土壤实测值A 640.50 13.53 94.47 448.54 风险筛选值B 90.0 0.3 50.0 200.0 风险管制值C 500 2 400 500 A/C 1.28 6.77 0.24 0.90 Table 2. Soil heavy metal contamination risk management and control standards around the lead-zinc mine
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本次调查共采集矿区周边常见植物13种,分属12科,12属。其中桃金娘科(占16.67%);菊科、木麻黄科、番荔枝科、禾本科、樟科、唇形科、无患子科、锦葵科、芸香科和仙人掌科各一种,分别占7.69%。海南昌化铅锌矿区自然常见植物种类见表3。由表3可知,乔木7种,占比53.85%,草本4种,占比30.77%,说明在海南昌化铅锌矿区的复杂生存条件下,乔木和草本植物都具有很强的抗性。
植物名称 Plant 科 Family 属 Genus 生活型 Biotype 飞机草 Chromolaena odorata 菊科 Compositae 泽兰属 Eupatorium 草本 Herbal 木麻黄 Casuarina equisetifolia 木麻黄科 Casuarinaceae 木麻黄属 Casuarina 乔木 Arbor 窿缘桉 Eucalyptus exserta 桃金娘科 Myrtaceae 桉属 Eucalyptus 乔木 Arbor 细基丸 Polyalthia cerasoides 番荔枝科 Annonaceae 暗罗属 Polyalthia 乔木 Arbor 斑茅 Saccharum arundinaceum 禾本科 Poaceae(Gramineae) 甘蔗属 Saccharum 草本 Herbal 仙人掌 Opuntia stricta 仙人掌科 Cactaceae 仙人掌属 Opuntia 灌木 Shrubs 潺槁木姜子 Litsea glutinosa 樟科 Lauraceae 木姜子属 Litsea 乔木 Arbor 心叶黄花稔 Corchorus aestuans 锦葵科 Malvaceae 黄花稔属 Sida 草本 Herbal 山香 Hyptis suaveolens 唇形科 Labiatae 山香属 Hyptis 草本 Herbal 赤才 Erioglossum rubiginosum 无患子科 Sapindaceae 鳞花木属 Lepisanthes 乔木 Arbor 酒饼簕 Atalantia buxifolia 芸香科 Rutaceae 芸香属 Ruta 灌木 Shrubs 破布叶 Microcos paniculata 椴树科 Tiliaceae 破布叶属 Microcos 乔木 Arbor 细叶桉 Eucalyptus tereticornis 桃金娘科 Myrtaceae 桉属 Eucalyptus 乔木 Arbor Table 3. Common natural plant species around the Changhua lead-zinc mine in Hainan
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在矿区周边采集的自然生长植物体内重金属Pb含量如图2所示,植物地上部分重金属Pb含量从大到小依次仙人掌9.20 mg·kg−1>山香8.09 mg·kg−1>赤才7.04 mg·kg−1>细基丸6.57 mg·kg−1>酒饼簕6.33 mg·kg−1>潺槁木姜子5.17 mg·kg−1>心叶黄花稔4.93 mg·kg−1>木麻黄3.07 mg·kg−1>细叶桉2.89 mg·kg−1>破布叶2.83 mg·kg−1>窿缘桉2.71 mg·kg−1>斑茅2.09 mg·kg−1>飞机草1.57 mg·kg−1,一般植物体内重金属的正常含量参照GB 2762—2017《食品安全国家标准食品中污染物限量》[11]为: Pb 0.10~41.70 mg·kg−1,所有植物地上部分重金属Pb含量均在正常范围值内[12-13]。
从图3得出,植物地上部分重金属Zn含量从大到小依次是酒饼簕1053.81 mg·kg−1>赤才530.42 mg·kg−1>山香499.00 mg·kg−1>仙人掌383.00 mg·kg−1>细叶桉292.83 mg·kg−1>破布叶269.00 mg·kg−1>心叶黄花稔260.00 mg·kg−1>斑茅176.65 mg·kg−1>细基丸173.53 mg·kg−1>窿缘桉147.82 mg·kg−1>木麻黄78.63 mg·kg−1>潺槁木姜子65.87 mg·kg−1>飞机草45.73 mg·kg−1。非污染区植物中 Zn 含量一般在 20~150 mg·kg−1范围内[14],植物地上部分重金属 Zn 积累量最高的是酒饼簕,其地上部分含量超出普通植物范围最大值7倍。
Cd是矿区重金属污染治理的重点,普通植物中Cd含量范围是 0.05~0.2 mg·kg−1[15]。从图4得出,植物地上部分重金属Cd含量从大到小依次是心叶黄花稔10.02 mg·kg−1>酒饼簕7.32 mg·kg−1>破布叶7.19 mg·kg−1>赤才6.08 mg·kg−1>仙人掌5.27 mg·kg−1>山香2.49 mg·kg−1>细叶桉2.14 mg·kg−1>窿缘桉1.48 mg·kg−1>木麻黄0.67 mg·kg−1>潺槁木姜子0.63 mg·kg−1>飞机草0.57 mg·kg−1>斑茅0.29 mg·kg−1>细基丸0.21 mg·kg−1,所有植物地上部分重金属Cd含量均超出正常范围,心叶黄花稔地上部分重金属Cd含量超出普通植物范围最大值50倍。Cu在植物体内的含量一般为 5~30 mg·kg−1[16],从图5得出,植物地上部分重金属Cu的含量依次是山香33.10 mg·kg−1>破布叶23.71 mg·kg−1>心叶黄花稔20.22 mg·kg−1>细基丸17.05 mg·kg−1>酒饼簕16.52 mg·kg−1>窿缘桉12.54 mg·kg−1>飞机草8.22 mg·kg−1>赤才8.00 mg·kg−1>木麻黄7.23 mg·kg−1>细叶桉6.80 mg·kg−1>潺槁木姜子5.99 mg·kg−1>仙人掌4.58 mg·kg−1>斑茅4.00 mg·kg−1,植物体内Cu的含量均在正常范围内,没有超标。
为探究矿区周边不同自然植物地上部分不同重金属间的相关性的内在联系,利用SPSS软件进行相关性检验得到,如表4 所示,不同植物与Cd含量、不同植物与Cu含量、不同植物与Zn含量、Pb含量与Cd含量、Pb含量与Zn含量、Cd含量与Cu含量、Cd含量与Zn含量呈显著正相关(P<0.05)。
指标
Index不同植物
Different plantsPb全量
Pb Full amountCd全量
Cd Full amountCu全量
Cu Full amountZn全量
Zn Full amount不同植物 Pearson 相关性 1 0.262 0.590** 0.333* 0.583** 显著性(双侧) - 0.107 0.000 0.038 0.000 Pb全量 Pearson 相关性 1 0.333* 0.269 0.5078* 显著性(双侧) - 0.038 0.097 0.001 Cd全量 Pearson 相关性 1 0.363* 0.558** 显著性(双侧) - 0.023 0.000 Cu全量 Pearson 相关性 1 0.302 显著性(双侧) - 0.061 Zn全量 Pearson 相关性 1 显著性(双侧) - 注:* 差异显著P < 0.05,* *差异极显著P < 0.01。
Note: *Significant difference at P < 0.05; ** Highly significant difference at P < 0.01.Table 4. Correlation analysis of different heavy metals in the plants around the lead-zinc mine
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富集系数是指植物地上部分从土壤中富集重金属的系数,当植物地上部分的富集系数大于1时,说明植物地上部分重金属含量大于土壤中相应有效态重金属含量,且富集系数越大,表明植物修复、提取土壤中重金属的能力越强[17]。从表5 可知,13 种植物对重金属Cd富集系数均小于1,Cd富集能力表现为心叶黄花稔>酒饼簕>破布叶>赤才;13 种植物对重金属Pb富集系数均小于1,Pb富集能力表现为仙人掌>山香>赤才>细基丸>酒饼簕;Zn富集能力表现为酒饼簕>赤才>山香>仙人掌>细叶桉>破布叶,其中酒饼簕、赤才、山香对重金属Zn富集系数大于1;13 种植物对重金属Cu富集系数均小于1,Cu富集能力表现为山香>破布叶>心叶黄花稔>细基丸>酒饼簕>窿缘桉。由此可知,酒饼簕、赤才对重金属Cd、Pb、Zn有较好的富集能力,破布叶对重金属Cd、Zn、Cu有富集能力,山香对重金属Pb、Zn、Cu有富集能力。
植物名称 Plant Cd Pb Zn Cu 飞机草 0.001±0.000 0.120±0.024 0.107±0.030 0.090±0.202 木麻黄 0.001±0.000 0.236±0.061 0.183±0.050 0.079±0.017 窿缘桉 0.002±0.001 0.206±0.038 0.345±0.096 0.138±0.034 细基丸 0±0 0.501±0.100 0.405±0.122 0.186±0.039 斑茅 0±0 0.161±0.043 0.413±0.177 0.044±0.101 仙人掌 0.010±0.002 0.705±0.164 0.898±0.260 0.050±0.011 潺槁木姜子 0.001±0.000 0.402±0.130 0.154±0.044 0.066±0.015 心叶黄花稔 0.019±0.003 0.378±0.088 0.608±0.174 0.221±0.048 山香 0.005±0.001 0.619±0.147 1.162±0.298 0.362±0.081 赤才 0.012±0.002 0.539±0.128 1.238±0.342 0.087±0.019 酒饼簕 0.016±0.004 0.486±0.121 2.679±0.756 0.181±0.044 破布叶 0.014±0.003 0.220±0.074 0.631±0.184 0.260±0.063 细叶桉 0.004±0.001 0.222±0.053 0.685±0.198 0.074±0.017 Table 5. The enrichment coefficients of Pb, Cd, Cu, and Zn in the plants around the Changhua lead-zinc mine
Heavy Metal Contamination in the Soil and Enrichment Characteristics in the Plants around the Abandoned Lead-zinc Mine
doi: 10.15886/j.cnki.rdswxb.2021.04.013
- Received Date: 2021-04-20
- Rev Recd Date: 2021-06-30
- Available Online: 2021-12-18
- Publish Date: 2021-12-25
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Key words:
- lead-zinc mine /
- contamination in soil /
- heavy metals /
- enrichment in plant
Abstract: A survey was made of the soil and plants around the abandoned lead-zinc mine in Changhua Town, Changjiang County, Hainan Province, and three sampling sites were arranged. The soil and 13 species of plants in the sampling sites were collected to determine and analyze their contents of heavy metals. The results showed that the soil around the lead-zinc mine is generally contaminated by Pb, Cd, Zn and Cu, with a comprehensive heavy metal contamination index of 19.86, indicating the soil contamination level around the lead-zinc mine is high according to the grading standard for the comprehensive soil heavy metal contamination evaluation. Of the 13 species of plants sampled around the lead-zinc mine, Artemisia chinensis showed an enrichment potential for the heavy metal Cd, and Atalantia buxifolia showed an enrichment potential for the heavy metal Zn.
Citation: | YANG Ning, LI Donghai, YANG Xiaobo, ZUO Yongling, TIAN Lujia, CHEN Lin. Heavy Metal Contamination in the Soil and Enrichment Characteristics in the Plants around the Abandoned Lead-zinc Mine[J]. Journal of Tropical Biology, 2021, 12(4): 500-507. doi: 10.15886/j.cnki.rdswxb.2021.04.013 |