能源植物生长对铜尾矿砂重金属形态的影响

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1、能源植物生长对铜尾矿砂重金属形态的影响张飚飚，生命科学学院摘 要：在2012年的3月份我们对安徽铜陵狮子山铜矿杨山冲尾矿库能源植物稳定化修复基地的植物进行了野外实地考察。针对不同种类的能源植物根部土壤分别取样，并取裸地材料作为对照，将所有的材料运用经过改进的BCR连续提取法进行，然后检测其中的重金属含量的差异。最终结果表明，将4种能源植物根际土壤与裸地的土壤对照后发现，Cd、Cu、Zn等重金属都是远远高于裸地的标准，Pb的则是略高。重金属其中Zn的可氧化态（OM）和可还原态（Fe-Mn）含量较高，而Cd、Cu、Pb的处理中残渣态（Res）含量较高。尾矿区的重金属含量非常高，能源植物具有很好的重

2、金属富集能力，使用能源植物对于尾矿区的修复具有重要的作用，这些为更好地进行铜尾矿废弃地的植被恢复与污染治理提供理论依据关键词：能源植物；铜尾矿；重金属形态Energy plant growth to copper ore, the influence of the heavy metal formZhangBiaoBiao，College of Life Sciences, Anhui Normal UniversityAbstract：In the month of March 2012 to us in tongling, anhui shizishan copper mine taili

3、ngs ShanChong Yang energy plant stabilization of repair base plants on the field on-site inspection. According to different kinds of energy plant root soil sampling respectively, and take LuoDe materials as a comparison, will all use of materials through improved BCR successive extraction, then test

4、 the heavy metal content of the differences. Final result indicates that the four energy plant rhizosphere and LuoDe soil found after comparison, Cd, Cu, Zn and other heavy metals are far higher than LuoDe standard, Pb is slightly higher. Heavy metals which of Zn oxidation state (OM) and can also Yu

5、anTai (Fe, Mn) high, but the content of Cu and Pb Cd, the processing of residual state (Res) content is higher. The heavy metal content of the tailings is very high，Energy plant has the very good heavy metal enrichment skills, use energy plant for the repair of the tailings has an important role，The

6、se for better copper tailings lands of vegetation restoration and pollution control to provide the theory basis.Key Word: Energy plant; Copper tailings ; heavy metal form引 言能源植物是指直接用于提供能源为目的的植物。广义的能源植物包含所有的陆地和海洋的植物, 狭义的能源植物是指能量富集型的植物。其中生产燃料乙醇的能源植物主要包括（1）、富含糖类能源植物：甘蔗是热带、亚热带作物，是发展能源植物的首选材料；（2）富含淀粉的能源植

7、物：主要有玉米、木薯、马铃薯和小麦等。生产生物柴油的能源植物主要包括大豆和油菜。此外还有许多富含纤维和油脂类的能源植物。尾矿（tailings），有事又称尾沙，属于固体废弃物的一种，他是矿石经粉碎、浮选精矿后余下的微粒状固体粉末。尾矿形成的尾矿库不仅占用大量的土地，污染环境，是生物多样性锐减，破坏生态环境，产生严重的重金属污染，尾矿修复问题引起了人们的关注。尾矿修复包括物理修复、化学修复和植物修复，而植物修复使我们的研究重点。土壤环境处于大气圈、水圈、岩石圈及生物圈的交接地带，它是地表环境系统中各种物理、化学以及生物过程、界面反应、物质与能量交换、迁移转化过程最为复杂和最为频繁的地带。而重金属

8、土壤污染对食品安全和人类健康存在严重威胁。因此，研究土壤中重金属的形态尤为重要。重金属元素以不同的地球化学形态存在于土壤中，这些形态及其与土壤物质的结合形式是影响其迁移活动性和生物有效性的主要因素。连续提取法是研究土壤重金属元素形态的主要方法，运用连续提取法研究土壤重金属存在的形态，可以了解土壤中重金属的转移和迁移，还可以预测其生物有效性，间接地评价重金属的环境效应。欧共体参比司的三步连续提取法（BCR法）1-3能较好反映土壤重金属元素的形态分布情况，且重现性强、易标准化，已被逐步用于环境样品中重金属CU、PB、ZN、CD等形态分析。目前，重金属污染已经成为影响生态系统的重要问题（卢瑛，200

9、2；王庆人等，2002）4。有关根际环境对土壤重金属形态变化的研究早已有了大量的报道，在根际土壤溶液重金属的形态变化与植物有效性、根际土壤固相重金属形态的变化及超富集植物对重金属的吸收过程等方面取得了较大进展(Chaignon V et al，2002；Kirk G D et al，1995；McGrath S P，1997；林琦等，1998,2000a；陈有镒等，2003；王美娥等，2003)5-11，单根际重金属形态变化作为植物与重金属共同作用的结果，收到植物种类差异及重金属对根际环境响应差异2个方面的影响而现有的关于根际环境变化的研究，较多地集中在根际土壤溶液中重金属含量变化和重金属的植

10、物有效态变化上，对于土壤固相重金属形态变化的研究又较多的采用了根际袋、根际箱等人工制造的根际环境而进行(林琦等，2000b；YoussefR A et a1，1997)912。由于我国重金属尾矿污染问题日渐突出，其中一些尾矿污染地区土壤一植物系统的重金属污染问题仍在加剧，其治理与持续利用研究引起了研究人员的广泛关注(滕应等，2004；Tang S R et a1，1999)13-14铜陵是我国重要的铜矿开采和冶炼基地之一，位于安徽省南部，长江中下游南岸，属亚热带湿润气候区，目前主要存有五公里尾矿库、黑沙河尾矿库、铜官山尾矿库、凤凰山尾矿库、狮子山尾矿库等规模较大的尾矿库(场)5个，占地面积28

11、0 hm ，大量尾矿的堆积，对周围生物生长、居民生活、经济发展等带来了严重影响王友保15等(2003；2004)对铜陵尾矿库的植被恢复与生物群落重建、土壤酶活性与植物生长等进行了大量研究，显示出人工参与能够引导尾矿库区植物群落的演替方向，有利于加速尾矿废弃地的生态修复进程，但有关植物对土壤重金属形态影响的研究至今未见报道为此，我们于2012年3月对安徽省铜陵市狮子山杨山冲铜尾矿库进行实地调查，以尾矿库区前期种植的修复植物芦苇、芦竹、五节芒、荻和裸地的根际土壤为研究对象，探讨Cu、cd、Pb、zn在大型铜尾矿库区根际环境中的形态、含量与分布状况及其影响因素，以期为更好地进行铜尾矿废弃地的植被恢复

12、与污染治理提供理论依据1 材料与方法1.1研究区域概况狮子山铜矿杨山冲尾矿库位于安徽铜陵西湖镇朝山村，地处N305642，E1174328。库区总面积20hm2，海拔高度83m，于1966年启用，1990年闭库，至今已停用19年。1997年的调查发现，库区东北部约30000m2的区域被比邻金矿的选矿废水污染，主要污染物包括As、Cd、Pb、Cr等。污染深度达30cm，污染区地表氰化物含量高达25 mg/kg。图1 铜陵狮子山铜矿杨山冲尾矿库能源植物生产基地示意图Fig 1 Sketch map of the study area选择库区植被稀少的西北角为修复试点基地（图1）。基地呈长方形，长9

13、6m，宽30m。场地内地形、地貌、尾砂和植被变化明显，西南部地势稍高，相对高差约0.5m；西南部尾砂质地松散，呈土黄色，有少量禾本科、菊科等植被覆盖，而沿尾矿库排水井方向，东北部表层尾砂则呈赤色或褐色，严重板结，基本无植被覆盖。1.2能源植物种植库区土壤经适当改良后种植能源植物荻、芦苇、芦竹和五节芒。其中，荻、芦苇和芦竹在安徽和县进行育苗，五节芒则在尾矿库附近采集。荻 (Miscanthus sacchariflorus (Maxim.) Benth)：多年生高大草本，高1.2米至1.8米。秆直立，无毛，多节。花果期8 10月。适应性强，在干燥山坡和水湿地均可生长。多生于河滩、沼泽、山坡草地和

14、平原岗地。五节芒 (Miscanthus floridulus (Labill.) Warb)：五节芒具耐寒性、耐热性、耐荫蔽、耐土石压埋。适应的温度范围为年均温14.1 20、年降水范围为800 1700mm、海拔高度为数米至1700m、土壤pH值范围为4.5 8。芦竹 (Arundo donax L)：多年生草本。具粗壮的根状茎，秆直立，有分枝。叶片条状披针形，扁平，长30 60cm，宽 2 6cm叶稍无毛，生于河堤两旁及池塘边。芦苇 (Phragmites australis (Cav.) Trin) ：多年水生或湿生的高大禾草，生长在灌溉沟渠旁、河堤沼泽地等。芦苇的植株高大，地下有发达

15、的匍匐根状茎。茎秆直立，秆高1 3米。具长、粗壮的匍匐根状茎，以为主。完成能源植物种植后，基地周围树立木桩栅栏，安装了铁丝围栏，避免人畜破坏。1.3样品采集及项目测定1.3.1 样品采集2012年3月25日，在分别种植荻、五节芒、芦苇和芦竹的样地中（同时设置未定居裸地作对照），随机选择5株相应植株，分别用镐头挖出植物根系，根际土壤采用手抖法进行收集，即拔出根系，抖掉与根系粘附程度较小的土，紧密附着在根上的土即为根际土1。将5株植株根际土混合，并就地过筛(2 mm)，装在塑料封口袋中。运回实验室后，放在室温下风干，研磨后用于分析土壤重金属形态。1.3.2 重金属形态分析土壤重金属(Cu、Cd、Z

16、n、Pb)总含量的测定采用Lindsay和Norvell2建议的方法进行，即浓硝酸和浓盐酸浸泡过夜，顺序升温消化(90-180)，最后，经过滤获得清亮浅黄色消解液，储存于50mL塑料瓶中，留待分析。重金属的形态分析参照Tessier等3的逐级连续提取方法，分别以1molL-1 MgC12 、1 molL-1 NaAc(用1 molL-1 HAc调节至pH 为5.0)、0.04 molL-1 NH2OHHC1 + 25 HAc、0.02 molL-1 HNO3 + 30H202 + 3.2 molL-1 HAc提取Cu、Cd、Zn、Pb的交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态和有机结合态。以上所

17、用容器均用2 HNO3 浸泡24 h后使用，以避免重金属的各种可能性污染。土壤重金属总量提取液和重金属形态分析提取液分别用日本岛津AA6800型原子吸收分光光度计测定，并换算成mgkg1干土。基于上述重金属总量和结合态分析，分别计算不同重金属各结合态占重金属总量的比例。1.4 数据分析数据均为平均值标准差，基本处理用Excel2007软件进行，结果用SPSS19软件中的one-way ANOVA 模块进行方差分析和显著性检验，多重比较用Duncan 法。2.结果与分析2.1重金属含量特征 在荻的根际土壤中重金属Cd、Cu、Zn和Pb的含量分别高达9.038438、646000、39631和17

18、3.125mgkg-1；在芦苇的根际土壤中重金属d、Cu、Zn和Pb的含量分别高达13.05438、1055922、67212.5和588.75 mgkg-1；在芦竹的根际土壤中重金属Cd、Cu、Zn和Pb的含量分别高达10.68688、1002203、32800和512.8152 mgkg-1；在五节芒的根际土壤中重金属Cd、Cu、Zn和Pb的含量分别高达8.590813、1149891、59562.5和470.9375 mgkg-1；在裸地中重金属Cd、Cu、Zn和Pb的含量分别为8.940313、1712719、34556.25和254.375 mgkg-1，是国家土壤环境质量二级标准（

19、GB156181995，pH酸提取态可还原态可氧化态，芦苇的各形态含量的分配顺序为酸提取态可还原态残渣态可还原态，芦竹的各形态含量的分配顺序为酸提取态可还原态残渣态可还原态，五节芒的各形态含量的分配顺序为酸提取态可还原态残渣态可还原态，裸地的各形态含量的分配顺序为酸提取态可还原态残渣态可还原态。对于重金属Cu，荻的为可氧化态残渣态可还原态酸提取态，芦苇的为残渣态可氧化态可还原态酸提取态，芦竹的为残渣态可氧化态可还原态酸提取态，五节芒的为残渣态可氧化态可还原态酸提取态，裸地的为残渣态可氧化态可还原态酸提取态。对于重金属Zn，荻的为可还原态可氧化态残渣态酸提取态，芦苇的为可氧化态残渣态可还原态酸提

20、取态，芦竹的为可氧化态残渣态可还原态酸提取态，五节芒的为可氧化态残渣态可还原态酸提取态，裸地的为可氧化态残渣态可还原态酸提取态。对于重金属Pb来说，荻的为酸提取态可氧化态残渣态可还原态，芦苇的为可还原态残渣态可氧化态酸提取态；芦竹的为残渣态酸提取态可氧化态可还原态；五节芒的为残渣态酸提取态可氧化态可还原态；裸地的为可还原态残渣态酸提取态可氧化态。 从上述分析可知，裸地的Pb酸提取态含量最低，说明实验的4种能源植物都有富集重金属Pb的能力。Cd在植物体内常与蛋白质结合，干扰和影响酶的活性，进而对植物体产生危害17,19,20,21，荻的Cd酸提取态含量最高，说明荻对于重金属Cd的富集效果较好。其

21、中Pb在各样品土壤中主要以残渣态和可还原态为主，说明Pb与样品土壤形成了稳定的晶格结构或与粘土矿物牢固结合，表明其在土壤中的迁移能力较弱，Cu在各样品土壤中以残渣态和可氧化态为主，这些活性较低的Cu是这些能源植物的主要存在形式，这可能是它们长时间生长在含Cu量很高的铜尾矿库区，而形成的一种适应方式18。3.讨论铜陵铜尾矿库区土壤重金属浓度过高，其中Pb污染浓度超过国家标准0.5倍，Cd污染浓度超过国家标准28倍，Zn污染浓度超过国家标准170倍，Cu更是污染浓度超过国家标准高达几千倍。 污染十分严重，如上面表1到表5所示。各重金属元素有机态和交换态是对植物有效的化学形态，其中交换态尺对植物的营

22、养或毒害影响关键的形态，矿物态和结合态的Cu、Pb、Cd、Zn元素只有通过一些转化作用，转变为交换态和小分子有机态，才可以被植物所利用。重金属其中Zn的可氧化态（OM）和可还原态（Fe-Mn）含量较高，而Cd、Cu、Pb的处理中残渣态（Res）含量较高。能源植物具有很好的重金属富集能力，使用能源植物对于尾矿区的修复具有重要的作用。参考文献 1、Adamo P, Denaix I, Terribile F, et al. Characterization of heavy metals incontaminatedvolcanic soils of the Solofrana river val

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