文章信息
- 魏光普, 闫伟, 于晓燕, 魏杰, 肖凤洁.
- Wei Guangpu, Yan Wei, Yu Xiaoyan, Wei Jie, Xiao Fengjie.
- 轻稀土尾矿库区植被修复的镧、铈富集植物筛选
- Selection of La and Ce Hyper-Tolerant Plants for Vegetation Rehabilitation in Light Rare Earth Tailing
- 林业科学, 2019, 55(5): 20-26.
- Scientia Silvae Sinicae, 2019, 55(5): 20-26.
- DOI: 10.11707/j.1001-7488.20190503
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文章历史
- 收稿日期:2018-01-23
- 修回日期:2019-04-09
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作者相关文章
2. 内蒙古科技大学 包头 014010
2. Inner Mongolia University of Science and Technology Baotou 014010
稀土被称为“工业维生素”,广泛应用于航天、电子等各个领域,其在中国的储量、产量、用量均居世界第一(程建忠等,2010)。稀土含有17种元素,分为重稀土和轻稀土2类。重稀土包括钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)、钪(Sc)和钇(Y)这10种元素,主要分布于我国南方地区;轻稀土包括镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钐(Sm)、钷(Pm)和铕(Eu)这7种元素,主要分布于我国北方地区。轻稀土因萃取难度大,在开发过程中产生大量废渣,常年堆积使得轻稀土元素进入到土壤、地下水及植物中,轻稀土污染导致多种环境问题,严重威胁着人类健康和生态安全。
目前,稀土尾矿库区环境污染严重,土壤和植被的稀土污染问题已引起国内外学者广泛关注。土壤稀土污染修复主要分为化学、物理和生物3种方法,生物修复又包括微生物修复和植物修复等方法。植物修复属于原位修复技术,具有修复成本低、二次污染易于控制等优点,且修复植被群落形成后具有保护表土、减少侵蚀和水土流失的功效,可大面积应用于矿山的复垦、重金属及稀土污染场地的植被与景观修复。植物修复技术的关键是筛选污染物耐受性植物或富集植物。耐受性植物是指克服污染物胁迫而长期存活的植物,最终达到植物与污染物长期平衡的状态;富集植物是将土壤中污染物通过根的富集作用转移到植物地上器官,减少土壤中污染物含量。目前重金属富集植物的筛选研究较为广泛,如发现马唐草(Digitaria sanguinalis)和望江南(Cassia occidentalis)是重金属Mn和Zn的超富集植物(刘胜洪等,2014),油葵(Helianthus annuus)和棉花(Gossypium spp.)可作为重金属Cd的富集植物(孙月美等,2015),而La和Ce轻稀土元素富集植物筛选鲜有研究,仅发现沙蒿(Artemisia desertorum)、沙打旺(Astragalus adsurgens)、沙蓬(Agriophyllum squarrosum)、青蒿(Artemisia carvifolia)、小叶杨(Populus simonii)和猪毛菜(Salsola collina)的植物体内轻稀土总含量较高,可作为轻稀土耐受性植物使用;柔毛山核桃(Carya tomentosa)、山核桃(Carya cathayensis)、乌毛蕨(Blechnum orientale)和芒萁(Dicranopteris dichotoma)这些植物体内重稀土元素总含量超过其他植物10倍,可作为重稀土耐受性植物使用(李凡庆等,1992)。但截至目前我国轻稀土元素富集植物的发现仍未有报道,因此筛选La,Ce轻稀土元素富集植物对轻稀土污染土壤的修复具有重要意义。
北方轻稀土尾矿库是国内最大的平地型围坝尾矿库(苗莉等,2008)。尾矿库内无防渗漏和防扬尘设施,因目前矿石冶炼技术导致90%以上的轻稀土未被利用,库内堆积物中至少有930万t轻稀土废渣(郑春丽等,2016)。2011年青岛冠中生态股份有限公司对稀土尾矿库坑坝外围300 m边坡进行了团粒喷播生态修复工程,植物成活率达95%(李春林等,2015)。虽然成活率较高,但由于是生长在人工客土层,不能确定这6种植物是否为轻稀土富集植物。本研究于2017年6月测定尾矿库区表层土壤中所含的7种轻稀土元素含量,确定主要污染元素为La和Ce元素,然后分析2011年修复工程使用的6种植物中轻稀土La和Ce元素的含量及分布,分析植物对表层土壤中La和Ce元素的吸收系数和转移系数,以期发现La和Ce富集植物,为尾矿库景观生态恢复提供理论依据。
1 研究区概况轻稀土尾矿库地处我国北方某市西北15 km处(40°11′23″E,123°22′32″N)(潘洋等,2015)。轻稀土尾矿库外墙为长方形,南北长3.5 km,东西宽3.2 km,内部分为尾矿坑和坑坝(边坡300 m, 已绿化)。常年气候干燥,属半干旱中温带大陆性季风气候,年均降水量300 mm,年日照3 155 h,2007—2017年的年均风速为1.31~1.95 m·s-1,西北风为主导风向(李小飞,2015)。库区土壤质地粗糙,含沙量大,物理性结构差,土壤类型均以栗钙土为主。2011年尾矿库内实施修复工程,60 cm客土后种植梭梭(Haloxylon ammodendron)、小叶锦鸡儿(Caragana microphylla)、花棒(Hedysarum scoparium)、胡枝子(Lespedeza bicolor)、白刺(Nitraria tangutorum)和毛白杨(Populus tomentosa)6种植物。
2 研究方法 2.1 土壤及植物样品采集根据风向将采样点设置在东南、西北、东北和西南4个方向,距矿坑由近及远依次设置在50,100和300 m边坡处,共计12个采样点。采集0~20 cm表层土壤。采用五点采集-四分法采集0~20 cm表层土壤,即每采样点采集5份1.6 kg土壤,均匀混合后分为4等份,每份2 kg,随机留1份土壤装入无菌自封袋备用,并做好记录。植物采样点与土壤采集点相同,每采样点采集6种植物,每种植物采集3株(长势中等,生长一致),从根部完整挖出后(毛白杨取高度0.8 m的幼苗)带回实验室,每种植物样品分为根和地上器官(含茎、叶)两部分,每份样品大于40 g,尾矿库内12个采样点共采集216份植物地上器官样品和216份植物根样品,装入无菌自封袋中备用。上述样品于2017年6月采样。
2.2 样品测定土壤样品在实验室环境下自然风干,然后在105 ℃条件下烘干4 h,除去杂物后过100目筛网,称取备用土壤样品和标准土样各0.20 g,装到聚四氟乙烯坩埚中,加水润湿并加入3 mL硝酸和2 mL氢氟酸,将坩埚放到加热仪上130 ℃加热2 h;再加入2 mL氢氟酸和3 mL王水(硝基盐酸)加热2 h,再加入0.5 mL高氯酸,150 ℃开口蒸干至坩埚不再冒白烟。再两次加入王水3 mL和0.5 mL高氯酸, 200 ℃蒸干,残渣呈黑色,加入3 mL王水完全溶解后,温度降低后定溶到25 mL聚乙烯瓶;采用智能消解炉HYP-320消解,ICP(inductively coupled plasma optical emission spectrometer,Optima 7000 DV)测定样品消解液中轻稀土La, Ce, Pr, Nd, Sm, Pm和Eu元素含量。
植物分别用蒸馏水、离子水各冲洗3次,用105 ℃烘干4 h,将植物地上器官和根分别细磨,过100目筛,分别称取备用样品0.25 g,微波消解,ICP(PE 7000)测定样品消解液中植物体内轻稀土La和Ce元素含量。
2.3 数据处理采用N. L. Nemerow综合指数法,计算单因子污染指数(刘巍等,2016):
${P_{ij}} = {C_{ij}}/{S_i} $ |
式中:Pij为j监测点i污染物的污染指数;Cij为j监测点i污染物的实测值(mg·kg-1);Si为i污染物的评价标准。Pij < 1表示土壤中的污染物未超标,土壤环境良好;3>Pij>1表示土壤中污染物超过了土壤环境质量标准,此时土壤中该污染物超标,对植被的生长发育有不良影响,会进而影响其健康;Pij>3表示土壤中该污染物严重超标,属重度污染。
生物转移系数BTC(Salt et al., 2016)计算公式为:
${\rm{BTC}} = {T_{\rm{u}}}/{T_{{\rm{r}}^\circ }} $ |
式中:Tu为植物地上部分轻稀土La,Ce元素的含量;Tr为植物根中轻稀土La,Ce元素的含量。BTC反映植物吸收轻稀土La,Ce元素后,从根部向地上器官的转移能力,当BTC < 1时,轻稀土La,Ce元素集中在根部,转移能力弱,当BTC>1时,植物地上器官轻稀土La和Ce元素含量大于根系,植物属于主动吸收,转移能力强,符合富集植物筛选的初步特征。
生物吸收系数BAC(Salt et al., 2016)计算公式为:
${\rm{BAC}} = {C_{\rm{p}}}/{C_{{\rm{s}}}}。$ |
式中:Cp为植物体内La,Ce轻稀土元素含量;Cs为土壤中La,Ce轻稀土元素含量。BAC反映了植物对土壤中La,Ce轻稀土元素的富集能力,当BAC < 1时,植物从土壤中富集污染物的能力弱,当BAC>1时,符合富集植物标准,系数越大,富集能力越强(库文珍等,2012)。
用SPSS19.0和Excel2013软件包进行数据统计与方差分析。
3 结果与分析 3.1 表层土壤轻稀土元素含量及分布稀土尾矿库内东南、东北、西南和西北4个方位表层土壤中轻稀土元素含量见表 1。由表 1可知,采样点土壤中轻稀土La,Ce,Pr,Nd,Sm,Pm和Eu平均含量依次为2 762.46,5 440.42,1 308.42,1 604.11,133.96,28.12和40.53 mg·kg-1,尾矿库表层土壤中的轻稀土含量均极显著(P < 0.01)高于内蒙古土壤轻稀土含量几何平均值(背景值)25.10~230.56倍,表明库内表层土壤中轻稀土元素积累和污染严重,且各元素含量表现为Ce>La>Nd>Pr>Sm>Eu>Pm,距离尾矿坑越远含量越小。表层土壤轻稀土含量值表现为东南>东北>西南>西北,即东南方向污染最重。轻稀土La和Ce元素含量之和占测试样品轻稀土总量的72%,因此将植物体内稀土La和Ce元素含量作为该地区轻稀土富集植物筛选的评价指标。
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表 2表明,7种轻稀土元素单因子污染指数Pij均大于3,可见,该区属于重度污染区;东南方向单因子污染指数平均值最高,为69.06~544.10;西北单因子污染指数平均值最低,为5.99~19.75。
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稀土尾矿库植被修复工程实施6年后,对6种修复植物进行轻稀土La和Ce含量测定(表 3)。结果符合Hormesis规则(Fraser et al., 2016),即距尾矿库越远,植物体内轻稀土La和Ce含量越低;胡枝子地上器官轻稀土La和Ce含量均为最高,其中La含量从50~300 m依次为2 947.87,2 225.41和631.02 mg·kg-1,Ce含量依次为5 199.21,3 678.35和1 199.76 mg·kg-1;梭梭、胡枝子和白刺体内La和Ce含量均表现为地上器官>根,小叶锦鸡儿、花棒和毛白杨体内La和Ce含量均表现为根>地上器官。
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表 4表明,小叶锦鸡儿、花棒和毛白杨对稀土La, Ce的生物转移系数均小于1,其从根向地上器官转移能力弱,将大量元素滞留在根部;而梭梭、胡枝子和白刺对轻稀土La, Ce的生物转移系数为1.03~1.76。
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表 5表明,6种植物生物吸收系数表现为胡枝子>白刺>花棒>梭梭>小叶锦鸡儿>毛白杨。胡枝子吸收系数为1.00~1.72(表 5)。
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郑春丽等(2016)分析了稀土尾矿库表层土壤和地下水中稀土元素的含量分布。本研究与该研究在同一尾矿库,研究结果显示轻稀土在表层土壤中的含量分布相似。与2013年相比,本研究轻稀土La和Ce元素含量最高值分别增加了2 461.50和786 mg·kg-1,表明尾矿库内表层土壤轻稀土元素污染持续加重。此外西北风为主导风向,城区在尾矿库东南侧,威胁着城区居民安全,因此轻稀土元素污染的防治重点区域为尾矿库的东南侧。
本研究发现尾矿库内植物体内轻稀土La和Ce元素含量与其它研究测定的轻稀土尾矿库外植物体内轻稀土总含量分布规律相同,即距尾矿库越远植物体内轻稀土含量越低,这是因为距尾矿库越远的表层土壤中轻稀土元素含量越低。
富集生物转移系数和生物吸收系数都大于1的植物为富集植物。生物转移系数可评价植物根部的La、Ce轻稀土元素向地上器官转移的能力;生物吸收系数可评价植物从土壤中转移La、Ce轻稀土元素到植物体内的能力。本研究表明,小叶锦鸡儿、花棒和毛白杨的La、Ce生物转移系数均小于1,表明其从根向地上器官的转移能力弱,大量元素滞留在根部,属于被动转移;而梭梭、胡枝子和白刺的轻稀土La、Ce生物转移系数均大于1,属于主动转移。除胡枝子,其他5种植物吸收系数均小于1,不满足富集植物特征,只有胡枝子满足生物转移系数和生物吸收系数都大于1的富集植物特征。因此,轻稀土尾矿库内的6种植物中只有胡枝子可作为La、Ce轻稀土元素的富集植物。
5 结论本研究表明胡枝子为轻稀土La、Ce元素的富集植物,但对其耐受机理还有待继续研究。梭梭和白刺转移系数超过1,可作为镧、铈元素耐受性植物,与胡枝子混交配植可以有效提高植被覆盖率。今后还需加强轻稀土元素超富集植物的筛选工作。
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