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摘要：应用原子吸收法对九台营城煤矿废弃地修复前后土壤中五种重金属元素（Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｂ、Ｃｄ、Ｚｎ）含量进行了测定，并利用内梅罗综合污染指数法评价其重金属污染强度，比较了三种牧草（黄花草木樨，Ｍｅｌｉｌｏｔｕｓｓｕａｖｅｏｌｅｎｓ；紫花苜蓿，Ｍｅｄｉｃａｇｏｓａｔｉｖａ；白花三叶草，Ｔｒｉｆｏｌｉｕｍｒｅｐｅｎｓ）的适应能力、修复效应及富集特征。结果表明，引进品种黄花草木樨“斯列金１号”修复效应较好，适应能力较强，种植两年后土壤由重度污染降为轻度污染，污染严重的镉（Ｃｄ）降为中度污染，生物量增长较大，其次是紫花苜蓿，白花三叶草不能生长；黄花草木樨、紫花苜蓿对５种重金属的富集转移规律不尽相同，且随着种植时间的变化而变化，其中黄花草木樨的富集能力及转移能力均大于紫花苜蓿，并随着种植时间的延长而增强，对五种重金属元素中镉（Ｃｄ）、铜（Ｃｕ）的富集能力和转移能力较强；紫花苜蓿的富集能力和转移能力随着种植时间的延长而降低，其对Ｃｄ的富集能力较强，种植第一年对Ｐｂ转移能力强，种植第二年对Ｃｕ的转移能力较强。

 

　　关键词：牧草；煤矿废弃地；重金属；植物修复效应

 

　　我国煤炭资源较为丰富，近年来，煤炭资源的开发与利用缓解了能源短缺的局面，促进了国民经济的发展，但也引起了一系列生态环境问题［１－４］，严重危害到区域内的人畜安全，阻碍区域的可持续发展。因此，对矿区废弃物及区域生态环境的治理与恢复已成为一项刻不容缓的任务。自从Ｃｈａｎｎｙ提出利用超富集植物清除重金属污染的思想以来，重金属污染土壤的植物修复研究已成为环境科学的热点和前沿领域［５－9］，植物修复被认为是一种较为理想的治理废弃地的途径，重金属超富集植物的筛选更是倍受国内外科技工作者的广泛关注，有关植物对土壤重金属元素吸收富集特征的研究在不断增多，但多数研究集中在金属矿区，对煤矿区研究较少［１０－１８］。选择黄花草木樨（Ｍｅｌｉｌｏｔｕｓｓｕａｖｅｏｌｅｎｓ）“斯列金１号”、紫花苜蓿（Ｍｅｄｉｃａｇｏｓａｔｉｖａ）、白花三叶草（Ｔｒｉｆｏｌｉｕｍｒｅｐｅｎｓ）三种豆科牧草对吉林省九台营城煤矿废弃地进行了小区修复试验研究，以期丰富植物修复的种质资源，为吉林省煤矿废弃地的整治与功能恢复提供技术支持。

 

　　１材料与方法

 

　　１．１材料

 

　　１．１．１研究区域概况吉林省九台营城煤矿位于松辽盆地内，地理坐标为东经１２５°４５′，北纬４４°０９′。该区属于北温寒带大陆季风性气候，四季分明，年平均气温４．７℃，最低气温－３３．６℃，最高气温３５．６℃，最大积雪深度２４ｃｍ。雨季集中在７、８、９三个月，年平均降雨量５８９ｍｍ，蒸发量为降雨量的２．４倍，属于湿度不足区。

 

　　１．１．２供试土壤及草种供试土壤为吉林省九台营城煤矿废弃地土壤，供试草种紫花苜蓿、白花三叶草由吉林省农业科学院提供，黄花草木樨“斯列金１号”从俄罗斯西伯利亚地区引进。

 

　　１．２方法

 

　　１．２．１小区试验小区试验地选在无人为干扰、无重金属污染且与示范区气候相近的吉林大学试验地，试验采用随机区组设计，试验面积３０ｍ２，野外采集煤矿区０～５０ｃｍ深土壤，运到试验地上，进行种植试验，同时设置对照组，并以生长期为起点，对土壤重金属元素（Ｃｕ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｃｄ、Ｐｂ）含量变化及植物生长变化进行观测，观测周期为２年。

 

　　１．２．２样品分析取试验区１０～３０ｃｍ深土壤，风干，磨碎，过１００目筛，用混合酸消化，Ｃｕ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｃｄ采用原子吸收-火焰法进行测定；Ｐｂ采用原子吸收-石墨炉法进行测定。

 

　　１．２．３修复效应评价标准与方法本研究采用的土壤环境质量评价标准为土壤环境质量标准（ＧＢ１５６１８－１９９５）二级标准，评价方法是目前国内外普遍采用的内梅罗综合污染指数法，计算公式为：

 

　　内梅罗综合污染指数

 

　　ＰＮ＝｛［（Ｐａｖｅ２）＋（Ｐｍａｘ２］／２｝１／２（１）

 

　　式中Ｐａｖｅ和Ｐｍａｘ分别是平均单项污染指数和最大单项污染指数。

 

　　内梅罗综合污染指数反映了各污染物对土壤的作用，同时突出了高浓度污染物对土壤环境质量的影响，根据内梅罗综合污染指数分级标准，划定污染等级见表１。

 

　　２结果与分析

 

　　２．１三种豆科植物对煤矿废弃地适应性分析

 

　　三种植物种植后，结合植物样品采集，分别对三种植物的株高、根长及生物量进行观测，确定三种植物对煤矿废弃地土壤的适应能力，植物观测指标测定结果见表２。

 

　　由表２可知，三种植物中，黄花草木樨、紫花苜蓿生长良好，其株高、根长、生物量随时间而增长，种植第二年与种植第一年相比，黄花草木樨的株高增长了３５．３４％，根长增长６３．１１％，生物量增长５９．５６％；紫花苜蓿株高增长１３．４５％，根长增长２０．０９％，生物量增长３０．８２％；白花三叶草未见出苗，由此可见，黄花草木樨更适应煤矿废弃地土壤环境。

 

　　２．２三种豆科植物对煤矿废弃地重金属富集特征

 

　　植物对土壤中的元素吸收转移能力可以用富集系数（ＢＡＣ）和转移系数（ＢＴＣ）来评价，富集系数越大，植物的富集能力越强，而转移系数越大，说明植物从根部向地上部分运输重金属的能力越强。计算公式如下：

 

　　富集系数（ＢＡＣ）＝植物体内污染物浓度／土壤内同种污染物浓度

 

　　转移系数（ＢＴＣ）＝地上部分重金属含量／根部该重金属含量

 

　　由于白花三叶草未出苗，只对黄花草木樨、紫花苜蓿的富集特征进行研究。

 

　　２．２．１黄花草木樨、紫花苜蓿的富集特征及年际变化特征按照富集系数的计算公式计算黄花草木樨、紫花苜蓿种植1年、2年的富集系数（ＢＡＣ）如表３所示，黄花草木樨和紫花苜蓿对５种重金属元素的平均富集系数随着种植时间不同而不同，种植第一年时分别为１．６１、１．３４，种植第二年时分别为１．９４、１．３３，两年内黄花草木樨的富集系数均大于紫花苜蓿，并随着种植时间的延长而增大，而紫花苜蓿的富集系数随着种植时间的延长而降低。

 

　　黄花草木樨、紫花苜蓿对５种重金属元素的富集规律也不尽相同。黄花草木樨种植1年对５种重金属元素的富集能力从高到低的次序为Ｃｄ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｂ、Ｚｎ，种植两年其富集能力从高到低的次序为Ｃｄ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｐｂ；紫花苜蓿种植1年对５种重金属元素的富集能力从高到低的次序为Ｃｄ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｂ，种植两年对５种重金属元素的富集能力从高到低的次序为Ｃｄ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｐｂ；两种植物均对镉富集能力最强，对镉的富集系数黄花草木樨在种植第一年、第二年分别为２．４１、２．４０，紫花苜蓿分别为１．７９、１．６９，黄花草木樨富集系数大于紫花苜蓿，富集能力较强。

 

　　２．２．２黄花草木樨、紫花苜蓿转移能力及年际变化特征黄花草木樨、紫花苜蓿的转移系数（ＢＴＣ）如表４所示，两种植物对重金属元素的平均转移系数两年均大于１，转移能力较强，黄花草木樨的平均转移系数种植第一年为５．７２，种植第二年为６．１１，随着种植时间的延长而增大，紫花苜蓿的平均转移系数第一年为４．１１，第二年为３．９０，随着种植时间的延长而降低，种植时间内黄花草木樨的平均转移系数均大于紫花苜蓿，转移能力较强，两种植物对５种重金属的转移规律不同，黄花草木樨种植一年对５种重金属的转移能力从高到低的次序为Ｃｕ、Ｃｄ、Ｐｂ、Ｎｉ、Ｚｎ，第二年为Ｃｕ、Ｃｄ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｐｂ；紫花苜蓿种植第一年对５种重金属的转移能力从高到低的次序为Ｐｂ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｎｉ，第二年为Ｃｕ、Ｃｄ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｐｂ。

 

　　综上所述，由于研究区土壤重金属Ｃｄ为重度污染，而黄花草木樨对重金属Ｃｄ的富集能力及转移能力均强于紫花苜蓿，认为黄花草木樨为研究区理想的修复植物。

 

　　２．３三种豆科植物对煤矿废弃地土壤重金属污染的修复效应

 

　　２．３．１修复前土壤重金属污染评价选择重金属锌（Ｚｎ）、铅（Ｐｂ）、铜（Ｃｕ）、镉（Ｃｄ）、镍（Ｎｉ）作为研究区重金属污染评价指标，其含量测定结果见表５。

 

　　将表５中数据计算土壤的重金属污染指数，评价土壤重金属污染，计算结果见表６。由表６可知，Ｃｕ、Ｚｎ、Ｐｂ的含量均未超标，单项污染指数分别为０．４６５０、０．５９５５、０．０９７６，污染等级为安全；而Ｎｉ和Ｃｄ则严重超标，其单项污染指数分别为１．０８０９、１７．４１５０，污染水平分别为轻度污染和重度污染。

 

　　从内梅罗综合污染指数来看，污染指数为１７．８５３１，说明该煤矿废弃地污染等级属于重度污染，主要是Ｃｄ的严重超标所致。

 

　　２．３．２修复后土壤重金属污染评价利用公式（１）的方法评价修复后土壤重金属污染，由于白花三叶草未出苗，因此只对种植黄花草木樨、紫花苜蓿的土壤进行重金属污染评价，单项污染指数及内梅罗综合污染指数计算结果见表７，并与修复前内梅罗综合污染指数比较，比较两种植物的修复效应。由表７可知，两种豆科植物修复土壤重金属污染效应明显，土壤重金属污染程度明显降低，种植黄花草木樨后土壤重金属污染程度降至轻度污染，内梅罗综合污染指数降低１５．９１９０，种植紫花苜蓿后污染程度虽为重度污染，但内梅罗综合污染指数呈下降趋势，降低１３．９９５８，修复效应黄花草木樨大于紫花苜蓿。

 

　　３结论与讨论

 

　　１）三种植物对煤矿废弃地土壤的适应能力不同，其中黄花草木樨适应性最强，根长、生物量、株高的增长率最大；其次是紫花苜蓿；白花三叶草最差，未出苗。

 

　　２）三种植物的富集特征不同，黄花草木樨对５种重金属的平均富集系数及转移系数均大于紫花苜蓿，并随着种植时间的延长而增大，其对镉、铜的富集能力和转移能力较强；紫花苜蓿的富集能力和转移能力随着种植时间的延长而降低，其对镉的富集能力较强，种植第一年对铅的转移能力较强，种植第二年对铜的转移能力较强。

 

　　３）三种植物修复效应不同，种植后，研究区土壤的重金属污染程度明显降低，其中以种植黄花草木樨“斯列金１号”对土壤的修复效果最好，土壤污染程度由修复前的重度污染降为修复后的轻度污染；其次为紫花苜蓿，修复后虽仍为重度污染，但污染指数大幅降低；白花三叶草未出苗，没有修复效果。

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