北京典型矿区重金属污染土壤的植物修复能力研究

摘要 为寻找适用于北京周边矿区土壤重金属污染积累能力较强的植物，在北京周边典型金矿、铁矿、铜矿采集重金属污染土壤后，选用12种各矿区常见的草本植物和4种常见蔬菜进行室外模拟种植，分析其中长势较好的6种草本植物和4种蔬菜，结果表明，铜矿以Cu、As、Cd污染为主；金矿污染以Cd、Pb污染为主；铁矿以Cu污染为主。植物修复后，3类矿区土壤中重金属Cd、Hg、Cu、Pb、Cr、Zn、As的含量分别降低了8.31%、7.72%、7.28%、4.87%、4.55%、4.21%、3.31%。印度芥菜、黑麦草、龙葵和苍耳等草本植物及番茄、小白菜、辣椒和小葱4种蔬菜均能够适应金矿、铁矿和铜矿3类矿山土壤环境。印度芥菜和龙葵属于富集型植物，对多种重金属的富集和转运系数均大于1，可作为优势植物分别用于北京周边金矿和铁矿污染土壤修复；黑麦草、地肤和苍耳属于根部囤积型植物，对部分重金属的富集系数大于1，转运系数小于1，可根据需要作为北京周边金矿和铜矿污染土壤植物修复备选物种；番茄、小白菜、辣椒、小葱4类蔬菜对矿山土壤重金属的富集和转运能力较强，矿山恢复早期不宜种植，以免矿物重金属通过食物链累积并危害人体健康。

关键词 重金属；植物修复；富集；转运；北京矿区

中图分类号 X 53  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2023）07-0056-08

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.07.015

Study on Phytoremediation Ability of Heavy Metal Contaminated Soils in Beijing Typical Mining Areas

JIANG Yu-cong， ZHAO Yun-feng， ZHANG Tao et al

（Beijing Institute of Mineral Resources and Geology， Beijing 101520）

Abstract In order to search for plants suitable for remediation of heavy metal pollution in soils of mining areas around Beijing，soils which contaminated  by heavy metal were collected from typical gold mines，iron mines and copper mines around Beijing，and selected 12 kinds of common herbaceous plants and 4 kinds of common vegetables in mining areas for outdoor simulated planting， and 6 kinds of herbs and 4 kinds of vegetables with good growth were analyzed.The results showed that copper mine was mainly polluted by Cu，As and Cd; gold mine was mainly polluted by Cd and Pb;iron mine was mainly polluted by Cu.The contents of heavy metals Cd，Hg，Cu，Pb，Cr，Zn and As in the soil of the three types of mining areas after phytoremediation were decreased by 8.31%，7.72%，7.28%，4.87%，4.55%，4.21% and 3.31%.Brassica juncea， Lolium perenne， Solanum nigrum and Xanthium sibiricum and other herbs as well as Lycopersicon esculenyum，Brassica chinensis，Capsicum spp. and Allium ascalonicum could adapt to the soil environment of gold mine，iron mine and copper mine.Brassica juncea and Solanum nigrum were enrichment plants with enrichment and transport coefficients of heavy metals greater than 1，which could be used as the dominant plant species for remediation of contaminated soil of gold mine and iron mine，respectively.Lolium perenne， Kochia scoparia and Xanthium sibiricum were root-hoarding plants with enrichment coefficient greater than 1 and transport coefficient less than 1 for some heavy metals，which could be used as candidate plants for remediation of contaminated soil of gold and copper mines around Beijing.Lycopersicon esculenyum，Brassica chinensis，Capsicum spp. and Allium ascalonicum had a strong ability to enrich and transport heavy metals in the soil of the mine，so they were not suitable to be planted in the early stage of mine recovery to avoid the accumulation of mineral heavy metals through the food chain and endangering human health.

Key words Heavy metals;Phytoremediation;Enrichment;Transport;Beijing mining area

基金项目 北京市地质矿产勘查院专项经费（PXM2020_158303_000003）。

作者简介 姜昱聪（1995—），女，山东德州人，助理工程师，硕士，从事矿山地质环境监测与修复研究。通信作者，教授级高级工程师，从事水工环地质研究。

收稿日期 2022-06-06

北京市矿产资源开采历史悠久，长期开采使得北京矿山地质环境问题日益严重［1］。过度采矿及尾矿随意堆放不仅损毁土地资源，造成地形地貌景观破坏，还会使得矿渣中的重金属向矿山及其周边土壤中扩散和迁移，对环境造成不可逆的污染［2-4］。

针对矿山土壤环境存在的重金属污染问题，植物修复具有土壤绿化和净化的双重效果，在矿山土壤修复治理过程中应用颇多［5-8］。近年来，国内外学者致力于研究适用于矿区重金属污染土壤植物修复的优势物种，以寻找环境、经济效益最佳的植物修复技术。Salt等［9］研究表明，印度芥菜是矿山土壤中长势较好的Cd富集植物。肖乃川等［10］研究表明，苎麻和鬼针草对Cd和Zn转运系数较强，可作为优势物种用于矿区污染土壤植物修复。程俊伟等［11］通过对13种植物修复效果对比发现，苍耳和苎麻对矿山土壤中多类重金属（如Cd、Pb等）的积累能力较强。温丽等［12］研究表明，黑麦草对Cd、Pb和Zn复合污染土壤植物修复效果显著，是修复Cd、Pb和Zn污染土壤的理想植物。Vaculík等［13］和Antiochia等［14］研究表明，苍耳和香根草对Pb的富集系数高，可累积矿山土壤中大量的Pb。邓小鹏等［15］研究表明，矿山污染土壤环境下龙葵的根、茎、叶中Cd的质量浓度最高，分别达177.0、197.0、187.0 mg/kg，分别是国际Cd超积累植物标准（100 mg/kg）的1.77、1.97和1.87倍，证明龙葵可作为Cd污染土壤的有效修复植物。陈碧华等［16］利用地肤对土壤中Zn、Pb、Cu、Cd等重金属进行植物修复，修复效率分别为25.66%、25.64%、21.11%、9.78%。因此，研究矿区重金属污染土壤环境中植物修复的优势物种对植物修复技术的实际应用具有重要的指导意义。

除具有富集能力的草本植物外，蔬菜作物也对土壤中重金属具有一定的积累作用。重金属进入蔬菜体内，会对蔬菜自身产生毒害作用而影响产量，也会通过食物链进入人体从而对人体健康产生严重的影响［17］。顾燕青等［18］ 和王玉洁等［19］研究了杭州市重金属污染土壤中30多种蔬菜富集特征，结果表明番茄、辣椒、小葱和白菜对Cu、Zn、Cd、Cr、Pb的富集能力较强，不宜种植在重金属污染较为严重的土壤中。因此，开展矿区周边常见蔬菜对土壤中重金属的富集和抗污染能力的研究也尤为重要。

目前关于矿山重金属污染土壤的植物修复和蔬菜积累能力的研究多针对鞍山铁矿、湘潭锰矿等矿区，对北京矿山的研究也多集中于地形整治和植被修复等方面，而针对北京周边重点矿山重金属污染土壤植物修复和蔬菜抗污染能力的研究较少。因此，为筛选出适宜北京市气候条件和土壤环境的优势富集植物，也为给矿山周边蔬菜种植品种的选择提供依据，该研究最终以长势较好的6种草本植物和4种蔬菜以及3类矿区土壤为研究对象，通过对比植物种植前后土壤中重金属含量、植物生长量和植物体内重金属含量的变化情况，分析矿区土壤污染状况，探究植物对重金属的富集和积累能力，初步筛选出适用于北京不同典型矿区土壤重金属污染修复的草本植物种类和不宜种植的蔬菜品种，以期为北京典型矿区重金属污染土壤植物修复技术的实际应用和矿山周边环境蔬菜种植物种优化提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验用土的选取

供试土壤分别取自北京北部的金矿、铁矿和铜矿3个典型矿区，土壤类型为粉质黏土，矿区分别位于密云区、密云区和延庆区，重金属冶炼和开采活动历史悠久，重金属在矿山及其周边土壤累积严重。根据前期矿山环境监测结果，选择污染较为严重区域土壤为研究对象。

矿区土壤样品的采集、保存及运输均按照《环境影响评价技术导则 土壤环境》（HJ 694—2018）［20］中相关要求进行。将各矿区运回的样品去除石块和植物根系等杂质，初步研磨过2.00 mm PVC塑料尼龙筛。取少量样品二次研磨过0.60 mm PVC塑料尼龙筛用以测试矿山土壤初始理化性质，其余样品保存至聚氯乙烯袋备用。3类矿区土壤理化性质如表1所示。

1.2 试验设计

如表2所示，设计针对北京金矿、铁矿和铜矿三大典型废弃矿区表层土壤环境分别选择12种优势草本植物及北京矿区周边较为常见的4种蔬菜作物，对3类典型矿山重金属污染土壤进行针对性植物修复研究。于2020年5月上旬将预处理的各类矿山土壤搅拌均匀后分别铺陈于24个65 cm×48 cm×30 cm的聚氯乙烯样品箱内，每箱装土约75 kg，对土壤浇水并静置7 d。根据试验设计，将预培养好的幼苗种植于各处理，保证每个样品箱有3株植物。试验期间，除必要养护管理措施确保植物正常生长外，尽量减少对植物扰动。试验过程中，每3 d观察植物生长情况，并进行文字和影像记录。60 d后可陆续获取成熟植株及土壤，测试相关指标。

1.3 样品采集和测试

8月份开始，陆续对长势较好且可用于分析的6种本地常见植物和4种蔬菜作物进行样本采集，主要采集植物的地下部、地上部（包括果实）等部位，用于植物生长情况、各部位生物量、体内重金属含量的测试。同时对植物种植前后的土壤进行采集，测试土壤理化性质及土壤重金属含量。

参考第四版《岩石矿物分析》［21］，土壤样品中的重金属含量采用NexION300Q型电感耦合等离子体质谱仪（美国珀金埃尔默股份有限公司）和AFS-680型原子荧光光谱仪进行测试；植物样品中的重金属含量在经过MD8H型微波消解仪前处理后，使用NexION300Q型电感耦合等离子体质谱仪进行测试。土壤pH和有机质含量分别采用PXSJ-216F型离子计和CS-902型高频红外碳硫仪测定；土壤中全氮含量经过分析纯硫酸溶解后，采用UPT-K1600型凯氏定氮管测定；土壤中全磷、全钾的含量采用NexION300Q型电感耦合等离子体质谱仪测试；采用碳酸氢钠-钼锑抗比色法和乙酸铵浸提-火焰光度法分别测定有效磷和速效钾，分别使用pH为8.5的0.5 mol/L碳酸氢钠溶液和1 mol/L的中性乙酸铵溶液提取土壤样品后，再使用NexION300Q型电感耦合等离子体质谱仪测试［22］。