钒冶炼厂周边陆生植物对重金属的富集特征

工程科学学报，第38卷，第10期：1410-1416,2016年10月 Chinese Journal of Engineering,Vol.38,No.10:1410-1416,October 2016 D0l:10.13374/j.issn2095-9389.2016.10.009:http://journals..ustb.edu.cn 钒冶炼厂周边陆生植物对重金属的富集特征 林海2》，田野12》，董颖博2)区，张海丽2，刘璐璐2》，陈思2) 1)北京科技大学环境工程系，北京1000832)工业典型污染物资源化处理北京市重点实验室，北京100083 ☒通信作者，E-mail:ybdong@usth.edu.cn 摘要对某钒治炼厂周边土壤和植被进行现场采样，共采集到高等植物20科29种，土壤样品7个，采用ICP-MS和ICP- OES分析本土植物和土壤中重金属含量.结果表明，治炼厂周边土壤普遍存在V、C和Cd污染现象，重金属V和Cr的污染 问题突出.29种植物体内均检测到V、Cr、Cd和Pb,其中V含量相对较高.本土植物娱蚣草体内重金属V含量最高，其地上 部分V积累量为86.51mgkg,地下部分为814.25mgkg:野胡萝卜对Cd的富集和转运能力显著高于其他植物，地上部 分和地下部分Cd含量分别为18.56mgkg和5.66mgkg.两种植物表现出对钒冶炼导致周边复合重金属污染极高的耐 性，可作为钒治炼厂周边土壤重金属污染植物修复的先锋物种. 关键词重金属：钒治炼厂：植物富集：生态修复 分类号TF841.3:X53 Phytoaccumulation of heavy metals by terrestrial plants around vanadium smelters LIN Hai),TIAN Ye,DONG Ying-bo,ZHANG Hai-i),LIU Lu-u,CHEN Si) 1)Department of Environmental Engineering.University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Beijing Key Laboratory on Resource-Oriented Treatment of Industrial Pollutants,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:ybdong@ustb.edu.cn ABSTRACT Twenty-nine species samples of higher plants which belong to twenty families and seven soil samples were collected from a vanadium smelter.The contents of heavy metals in the native plants and soil were analyzed by ICP-MS and ICP-OES.The re- sults show that the soil of the smelting plant area has general Cr,Cd and V pollution phenomena;moreover,V and Cr pollution is con- spicuous.V,Cr,Cd and Pb are detected from all these collected polluted higher plants,and the content of V is the highest.Pteris vittata L,the native plant,has the highest V content:the accumulation amounts of the aboveground part and the underground part are 86.51 mg'kg"and 814.25 mgkg",respectively.The enrichment and transport capacity of Daucus carota L is obviously higher than that of other plants:the accumulation amounts of the aboveground part and the underground part are 18.56 mgkgand 5.66 mg kg",respectively.These two kinds of plants show high tolerance to heavy metal pollution in the vanadium smelting plant area,and they can be used as pioneer species of pollution remediation. KEY WORDS heavy metals;vanadium smelters:phytoaccumulation;ecological rehabilitation 重金属毒害是有色金属矿区和治炼厂周边普遍存 某钒矿治炼厂位于南水北调中线工程水源地丹江口 在且最为严重的问题之一，治炼产生的尾渣、废水和烟 水库上游，为了查明该治炼厂周边的重金属污染状 尘中含有的重金属对周边土壤、地下水、河流等产生污 况以及优化选择植物修复物种，本文调查该治炼厂 染.目前对铜、铅、锌、镍等有色金属治炼导致的重金 周边自然定居和人工种植的植物，测试植物及所在 属污染以及植物修复研究较多，而对钒治炼研究较少. 土壤的重金属含量，分析土壤重金属污染特征及其 收稿日期：2015-1-30 基金项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项资助项目(2015ZX07205003)

工程科学学报，第 38 卷，第 10 期: 1410--1416，2016 年 10 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 38，No． 10: 1410--1416，October 2016 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2016． 10． 009; http: / /journals． ustb． edu． cn 钒冶炼厂周边陆生植物对重金属的富集特征 林 海1，2) ，田 野1，2) ，董颖博1，2) ，张海丽1，2) ，刘璐璐1，2) ，陈 思1，2) 1) 北京科技大学环境工程系，北京 100083 2) 工业典型污染物资源化处理北京市重点实验室，北京 100083  通信作者，E-mail: ybdong@ ustb． edu． cn 摘 要 对某钒冶炼厂周边土壤和植被进行现场采样，共采集到高等植物 20 科 29 种，土壤样品 7 个，采用 ICP--MS 和 ICP-- OES 分析本土植物和土壤中重金属含量． 结果表明，冶炼厂周边土壤普遍存在 V、Cr 和 Cd 污染现象，重金属 V 和 Cr 的污染 问题突出． 29 种植物体内均检测到 V、Cr、Cd 和 Pb，其中 V 含量相对较高． 本土植物蜈蚣草体内重金属 V 含量最高，其地上 部分 V 积累量为 86. 51 mg·kg － 1，地下部分为 814. 25 mg·kg － 1 ; 野胡萝卜对 Cd 的富集和转运能力显著高于其他植物，地上部 分和地下部分 Cd 含量分别为 18. 56 mg·kg － 1和 5. 66 mg·kg － 1 ． 两种植物表现出对钒冶炼导致周边复合重金属污染极高的耐 性，可作为钒冶炼厂周边土壤重金属污染植物修复的先锋物种． 关键词 重金属; 钒冶炼厂; 植物富集; 生态修复 分类号 TF841. 3; X53 Phytoaccumulation of heavy metals by terrestrial plants around vanadium smelters LIN Hai1，2) ，TIAN Ye1，2) ，DONG Ying-bo1，2)  ，ZHANG Hai-li1，2) ，LIU Lu-lu1，2) ，CHEN Si1，2) 1) Department of Environmental Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) Beijing Key Laboratory on Ｒesource-Oriented Treatment of Industrial Pollutants，Beijing 100083，China  Corresponding author，E-mail: ybdong@ ustb． edu． cn ABSTＲACT Twenty-nine species samples of higher plants which belong to twenty families and seven soil samples were collected from a vanadium smelter． The contents of heavy metals in the native plants and soil were analyzed by ICP--MS and ICP--OES． The re￾sults show that the soil of the smelting plant area has general Cr，Cd and V pollution phenomena; moreover，V and Cr pollution is con￾spicuous． V，Cr，Cd and Pb are detected from all these collected polluted higher plants，and the content of V is the highest． Pteris vittata L，the native plant，has the highest V content; the accumulation amounts of the aboveground part and the underground part are 86. 51 mg·kg － 1 and 814. 25 mg·kg － 1，respectively． The enrichment and transport capacity of Daucus carota L is obviously higher than that of other plants; the accumulation amounts of the aboveground part and the underground part are 18. 56 mg·kg － 1 and 5. 66 mg· kg － 1，respectively． These two kinds of plants show high tolerance to heavy metal pollution in the vanadium smelting plant area，and they can be used as pioneer species of pollution remediation． KEY WOＲDS heavy metals; vanadium smelters; phytoaccumulation; ecological rehabilitation 收稿日期: 2015--11--30 基金项目: 国家水体污染控制与治理科技重大专项资助项目( 2015ZX07205003) 重金属毒害是有色金属矿区和冶炼厂周边普遍存 在且最为严重的问题之一，冶炼产生的尾渣、废水和烟 尘中含有的重金属对周边土壤、地下水、河流等产生污 染． 目前对铜、铅、锌、镍等有色金属冶炼导致的重金 属污染以及植物修复研究较多，而对钒冶炼研究较少． 某钒矿冶炼厂位于南水北调中线工程水源地丹江口 水库上游，为了查明该冶炼厂周边的重金属污染状 况以及优化选择植物修复物种，本文调查该冶炼厂 周边自然定居和人工种植的植物，测试植物及所在 土壤的重金属含量，分析土壤重金属污染特征及其

林海等：钒冶炼厂周边陆生植物对重金属的富集特征 1411 与本土植物体内重金属的关系，探讨它们用于钒矿 区重金属污染土壤生态修复的可行性，为我国有色 金属治炼（尤其是钒治炼）重金属污染土壤的治理和 生态修复提供科学依据，为南水北调中线工程的水 质安全提供支持 1研究地点概况 调研区域位于某钒矿区冶炼厂，治炼厂的提钒工 艺为“立窑复合焙烧一罐式循环堆浸”，原矿为含钒 煤矸石.该钒治炼厂区坐落于山北坡，地势总体表现 为南高北低.土壤呈弱酸性(pH值约6.8)，属于亚热 图1采样点示意图 带大陆性季风气候，全年平均气温15.4℃，年均总降 Fig.I Sketch map of sampling sites 水量为700~800mm,年均日照为1874h.本区水热条 释至刻度，摇匀，静置.随同做空白实验.于ICP-OES 件优越，有利于植物生长，为植物修复污染土壤提供了 仪器选定条件下进行测试. 良好条件 植物样品先用自来水冲洗数遍，再用去离子水冲 2采样点布置和样品处理方法 洗2~3遍，烘干至恒重后，将其分为地上和地下两部 分，用植物粉碎机分别进行粉碎，过尼龙筛，取0.2000 冶炼厂占地18hm2,根据治炼厂周边土壤重金属 g样品于15mL聚四氟乙烯消解罐中，进行微波消 污染源的不同，将采样点分为原矿堆放区采样点1、沉 解.随同做空白实验.于ICP-MS仪器选定条件下 钒废水池采样点2、焙烧炉采样点3、堆浸废水池采样 进行测试 点4、尾渣库南坡采样点5、尾渣库采样点6和尾渣库 北坡采样点7，具体采样点位置如图1所示.在每个采 3结果与讨论 样区域内按梅花布点法”，随机采集三个土壤样品，将 3.1钒冶炼厂厂区土壤重金属含量 三个土壤样品混合为一个样，采样深度为0~20cm. 7个采样点土壤中重金属平均含量测试结果见表 采集每个采样区域内生长旺盛的本土植物.共采集到 1.结果显示，7个采样点土壤中除重金属Mn外，其他 高等植物20科29种，土壤样品7个，所有样品用聚乙 四种重金属含量均显著高于全国土壤背景值，V污 烯塑封袋封装后运回实验室. 染最严重的为区域1，V含量分别为全国土壤背景值 土壤样品烘干至恒重后碾碎，过尼龙筛，称取 的212倍.Cr、Cd和P%污染最严重的同样是区域1， 0.2000g样品于15mL聚四氟乙烯消解罐中，加入 其Cr含量为全国土壤背景值的63倍，Cd含量为全国 HNO,、HF和H,O2,按设定的溶样程序回，启动微波加 土壤背景值的71倍，P%含量为全国土壤背景值的6 热.待程序执行完毕，进行赶酸处理.用1%稀硝酸稀 倍左右. 表1采样点土壤重金属元素含量 Table 1 Heavy metal concentrations in sampling sites soils mg*kg-1 采样点 采样区域 心 Cd Pb Mn 1 原矿堆放区 17451.7 3842.1 7.11 152.9 404.4 2 沉钒废水池 4431.2 1230.5 1.67 58.2 686.5 3 培烧炉 760.6 498.8 0.53 50.5 706.8 堆浸废水池 1438.8 543.9 1.56 54.3 354.4 5 尾渣库南坡 366.5 220.8 0.55 40.4 764.0 6 尾渣库 1171.0 800.0 1.52 58.6 755.6 7 尾渣库北坡 196.3 168.0 0.43 37.4 656.7 土壤中重金属V含量由高到低依次为原矿堆放 准规定限值的133倍.尾渣库北坡土壤重金属V污染 区>沉钒废水池>堆浸废水池>尾渣库>焙烧炉>尾 相对较轻，其含量超过土壤环境质量二级标准规定限 渣库南坡>尾渣库北坡，原矿堆放区土壤重金属V污 值的0.5倍左右. 染现象最为严重，其V含量超过土壤环境质量二级标 土壤中重金属C含量由高到低依次为原矿堆放

林 海等: 钒冶炼厂周边陆生植物对重金属的富集特征 与本土植物体内重金属的关系，探讨它们用于钒矿 区重金属污染土壤生态修复的可行性，为我国有色 金属冶炼( 尤其是钒冶炼) 重金属污染土壤的治理和 生态修复提供科学依据，为南水北调中线工程的水 质安全提供支持． 1 研究地点概况 调研区域位于某钒矿区冶炼厂，冶炼厂的提钒工 艺为“立窑复合焙烧———罐式循环堆浸”，原矿为含钒 煤矸石． 该钒冶炼厂区坐落于山北坡，地势总体表现 为南高北低． 土壤呈弱酸性( pH 值约 6. 8) ，属于亚热 带大陆性季风气候，全年平均气温 15. 4 ℃，年均总降 水量为 700 ～ 800 mm，年均日照为 1874 h． 本区水热条 件优越，有利于植物生长，为植物修复污染土壤提供了 良好条件． 2 采样点布置和样品处理方法 冶炼厂占地 18 hm2 ，根据冶炼厂周边土壤重金属 污染源的不同，将采样点分为原矿堆放区采样点 1、沉 钒废水池采样点 2、焙烧炉采样点 3、堆浸废水池采样 点 4、尾渣库南坡采样点 5、尾渣库采样点 6 和尾渣库 北坡采样点 7，具体采样点位置如图 1 所示． 在每个采 样区域内按梅花布点法［1］，随机采集三个土壤样品，将 三个土壤样品混合为一个样，采样深度为 0 ～ 20 cm． 采集每个采样区域内生长旺盛的本土植物． 共采集到 高等植物 20 科 29 种，土壤样品 7 个，所有样品用聚乙 烯塑封袋封装后运回实验室． 土壤 样 品 烘 干 至 恒 重 后 碾 碎，过 尼 龙 筛，称 取 0. 2000 g 样 品 于 15 mL 聚 四 氟 乙 烯 消 解 罐 中，加 入 HNO3、HF 和 H2O2，按设定的溶样程序［2］，启动微波加 热． 待程序执行完毕，进行赶酸处理． 用 1% 稀硝酸稀 图 1 采样点示意图 Fig． 1 Sketch map of sampling sites 释至刻度，摇匀，静置． 随同做空白实验． 于 ICP--OES 仪器选定条件下进行测试． 植物样品先用自来水冲洗数遍，再用去离子水冲 洗 2 ～ 3 遍，烘干至恒重后，将其分为地上和地下两部 分，用植物粉碎机分别进行粉碎，过尼龙筛，取 0. 2000 g 样 品 于 15 mL 聚 四 氟 乙 烯 消 解 罐 中，进 行 微 波 消 解［3］． 随同做空白实验． 于 ICP--MS 仪器选定条件下 进行测试． 3 结果与讨论 3. 1 钒冶炼厂厂区土壤重金属含量 7 个采样点土壤中重金属平均含量测试结果见表 1． 结果显示，7 个采样点土壤中除重金属 Mn 外，其他 四种重金属含量均显著高于全国土壤背景值［4］，V 污 染最严重的为区域 1，V 含量分别为全国土壤背景值 的 212 倍． Cr、Cd 和 Pb 污染最严重的同样是区域 1， 其 Cr 含量为全国土壤背景值的 63 倍，Cd 含量为全国 土壤背景值的 71 倍，Pb 含量为全国土壤背景值的 6 倍左右． 表 1 采样点土壤重金属元素含量 Table 1 Heavy metal concentrations in sampling sites soils mg·kg － 1 采样点 采样区域 V Cr Cd Pb Mn 1 原矿堆放区 17451. 7 3842. 1 7. 11 152. 9 404. 4 2 沉钒废水池 4431. 2 1230. 5 1. 67 58. 2 686. 5 3 焙烧炉 760. 6 498. 8 0. 53 50. 5 706. 8 4 堆浸废水池 1438. 8 543. 9 1. 56 54. 3 354. 4 5 尾渣库南坡 366. 5 220. 8 0. 55 40. 4 764. 0 6 尾渣库 1171. 0 800. 0 1. 52 58. 6 755. 6 7 尾渣库北坡 196. 3 168. 0 0. 43 37. 4 656. 7 土壤中重金属 V 含量由高到低依次为原矿堆放 区 ＞ 沉钒废水池 ＞ 堆浸废水池 ＞ 尾渣库 ＞ 焙烧炉 ＞ 尾 渣库南坡 ＞ 尾渣库北坡，原矿堆放区土壤重金属 V 污 染现象最为严重，其 V 含量超过土壤环境质量二级标 准规定限值的 133 倍． 尾渣库北坡土壤重金属 V 污染 相对较轻，其含量超过土壤环境质量二级标准规定限 值的 0. 5 倍左右． 土壤中重金属 Cr 含量由高到低依次为原矿堆放 · 1141 ·

·1412 工程科学学报，第38卷，第10期 区>沉钒废水池>尾渣库>堆浸废水池>焙烧炉>尾 位，共计5种：禾本科植物次之，共计4种 渣库南坡>尾渣库北坡，原矿堆放区土壤重金属C污 3.2.1调研区域优势植物体内重金属含量 染现象最严重，其含量超过土壤环境质量二级标准的 调研区域优势植物体内重金属含量见表2.表2 规定限值18倍.只有尾渣库北坡土壤重金属C未超 的结果表明，本土植物体内V的含量表现出物种间的 过土壤环境质量二级标准的规定限值，但已接近规定 差异性和区域间的差异性.不同的植物对重金属的富 限值，调研时该企业已停产1年，恢复生产后区域2中 集量有着显著的差别：蜈蚣草根部对重金属V的富集 土壤重金属C含量极有可能出现超标现象，国内外实 量最大，能够达到600~800mg·kg1:而其他多数植 例均表明有色金属矿区生产期间会产生一定程度的重 物，如野菊花、白茅和狗尾草，根部对V的富集量只有 金属污染回 30~60mgkg'左右.方维萱等☒在陕西紫阳伴生 土壤中重金属Cd含量由高到低依次为原矿堆放 硒、钼和钒矿的石煤地区发现的钒富集植物群落主要 区>沉钒废水池>堆浸废水池>尾渣库>尾渣库南坡 有薇菜、紫阳春茶、大叶绞股蓝等，植物体内钒含量基 >焙烧炉>尾渣库北坡，原矿堆放区土壤重金属Cd 本在20~30mgkg,远小于蜈蚣草体内钒含量. 污染现象最严重，其含量过土壤环境质量二级标准规 不同采样点的同种植物间，表现出不同的重金属 定限值的15倍.尾渣库北坡中土壤重金属Cd未超过 V富集量.原矿堆放区的蜈蚣草地下部分重金属V含 土壤环境质量二级标准的规定限值. 量接近600mgkg,而焙烧炉周边的蜈蚣草地下部分 7个采样点中，原矿堆放区土壤中Ph含量超标， V含量高达814.25mg·kg,显著高于原矿堆放区的 超过土壤环境质量二级标准规定限值的1倍左右，其 蜈蚣草.但是原矿堆放区土壤中重金属V的平均含量 他6个采样点未出现Ph含量超标现象. (17451.7mgkg)远高于焙烧炉周边土壤中重金属 原矿堆放区土壤中由于掺杂有较多废弃的石煤原 V的平均含量(760.6mgkg),并未表现出富集量随 矿，小的原矿颗粒已经混入表层土壤中因，这是导致原 外界环境中重金属含量升高而升高的趋势.究其原 矿堆放区土壤中V、C、Cd和Ph均超标，且为所有采 因，从调研现场来看，原矿堆放区土壤中掺杂着大量废 样点中污染最严重的重要原因 弃的原矿石，这是导致区域1土壤中V含量极高的主 沉钒废水池周边土壤中V、Cr和Cd污染仅次于 要原因之一，而废弃原矿石中V大部分是以类质同象 原矿堆放区，由于工艺的落后性，沉钒废水污染土壤的 取代硅酸盐矿物（主要是含钒云母和高岭石）中铝和 现象时有发生团，且暴雨季节沉钒废水池池水溢出均 硅，形式非常稳定四，并非植物所能利用的有效态 会造成周边土壤重金属污染.堆浸废水池周边土壤污 V,难被植物所吸收.焙烧炉周边土壤中V污染主 染成因与沉钒废水池周边土壤污染成因基本一致.另 要来自于焙烧炉对钒矿石的焙烧过程，钒矿石经过焙 外沉钒废水池地势低于原矿堆放区，地表径流会造成 烧后V元素易浸出田，变成植物易吸收的有效态V, 尾渣中重金属迁移至此区域网 焙烧炉周边土壤中重金属V含量虽然远低于原矿堆 焙烧炉周边土壤，受焙烧尾渣影响较大，但土壤 放区，但其主要来自于焙烧炉中的钒矿石，植物能够利 中重金属V含量显著低于沉钒废水池采样点，C含量 用的有效态V较多，因此焙烧炉周边的蜈蚣草体内重 略低于沉钒废水池采样点，重要的原因则是该采样点 金属V含量高于原矿堆放区的蜈蚣草体内重金属V 生长有大量的蜈蚣草，蜈蚣草体内重金属V含量高， 含量.同样地，沉钒废水池土壤中重金属V含量显著 C含量较高，大量蜈蚣草的生长对土壤中重金属V和 低于原矿堆放区，沉钒废水池周边矛叶荩草体内重金 C的削减起到了重要的作用.同时，我国研究学者谢 属V含量高于原矿堆放区的矛叶荩草体内重金属V 景千@利用蜈蚣草为修复物种，进行了周期为两年的 含量. 重金属污染土壤原位修复试验，取得良好的效果，在土 其他区域由于重金属污染主要来自原矿碎石、尾 壤重金属As含量高达1000~1400mg·kg的条件下， 渣堆放、厂区扬尘等，土壤中植物能利用的有效态重金 蜈蚣草去除As的平均值为1.55×103kgm2·a. 属无较大差异，因此植物体内的重金属含量基本呈随 尾渣库内长期的尾渣堆放，地表径流侵蚀使重金 外界环境重金属含量增加而增加的趋势 属溶出迁移至土壤中，造成此区域土壤中重金属V、C 以草本植物体内地上部分V含量为第一评价指 和Cd均超标，尾渣堆放是治炼厂尾渣库土壤重金属 标，对所检测草本植物样品进行排序，排名前10的草 污染严重的重要原因四 本植物体内重金属(V、Cr、Cd和Pb)含量如图2所示 3.2钒冶炼厂优势植物体内重金属积累特征 焙烧炉周边蜈蚣草地上部分和地下部分对V的富集 本次调研所取植物样品，经过与中国植物物种信 量均最高，分别达到86.51mgkg和814.25mgkg: 息数据库进行对比分析，均已完成植物物种鉴别，共记 沉钒废水池周边矛叶荩草次之，原矿堆放区蜈蚣草体 录高等植物20科29种，其中菊科植物种类数量居首 内重金属含量略低于前两者.原矿堆放区和焙烧炉周

工程科学学报，第 38 卷，第 10 期 区 ＞ 沉钒废水池 ＞ 尾渣库 ＞ 堆浸废水池 ＞ 焙烧炉 ＞ 尾 渣库南坡 ＞ 尾渣库北坡，原矿堆放区土壤重金属 Cr 污 染现象最严重，其含量超过土壤环境质量二级标准的 规定限值 18 倍． 只有尾渣库北坡土壤重金属 Cr 未超 过土壤环境质量二级标准的规定限值，但已接近规定 限值，调研时该企业已停产 1 年，恢复生产后区域 2 中 土壤重金属 Cr 含量极有可能出现超标现象，国内外实 例均表明有色金属矿区生产期间会产生一定程度的重 金属污染［5］． 土壤中重金属 Cd 含量由高到低依次为原矿堆放 区 ＞ 沉钒废水池 ＞ 堆浸废水池 ＞ 尾渣库 ＞ 尾渣库南坡 ＞ 焙烧炉 ＞ 尾渣库北坡，原矿堆放区土壤重金属 Cd 污染现象最严重，其含量过土壤环境质量二级标准规 定限值的 15 倍． 尾渣库北坡中土壤重金属 Cd 未超过 土壤环境质量二级标准的规定限值． 7 个采样点中，原矿堆放区土壤中 Pb 含量超标， 超过土壤环境质量二级标准规定限值的 1 倍左右，其 他 6 个采样点未出现 Pb 含量超标现象． 原矿堆放区土壤中由于掺杂有较多废弃的石煤原 矿，小的原矿颗粒已经混入表层土壤中［6］，这是导致原 矿堆放区土壤中 V、Cr、Cd 和 Pb 均超标，且为所有采 样点中污染最严重的重要原因． 沉钒废水池周边土壤中 V、Cr 和 Cd 污染仅次于 原矿堆放区，由于工艺的落后性，沉钒废水污染土壤的 现象时有发生［7］，且暴雨季节沉钒废水池池水溢出均 会造成周边土壤重金属污染． 堆浸废水池周边土壤污 染成因与沉钒废水池周边土壤污染成因基本一致． 另 外沉钒废水池地势低于原矿堆放区，地表径流会造成 尾渣中重金属迁移至此区域［8］． 焙烧炉周边土壤，受焙烧尾渣影响较大［9］，但土壤 中重金属 V 含量显著低于沉钒废水池采样点，Cr 含量 略低于沉钒废水池采样点，重要的原因则是该采样点 生长有大量的蜈蚣草，蜈蚣草体内重金属 V 含量高， Cr 含量较高，大量蜈蚣草的生长对土壤中重金属 V 和 Cr 的削减起到了重要的作用． 同时，我国研究学者谢 景千［10］利用蜈蚣草为修复物种，进行了周期为两年的 重金属污染土壤原位修复试验，取得良好的效果，在土 壤重金属 As 含量高达 1000 ～ 1400 mg·kg － 1的条件下， 蜈蚣草去除 As 的平均值为 1. 55 × 10 － 3 kg·m － 2·a － 1 ． 尾渣库内长期的尾渣堆放，地表径流侵蚀使重金 属溶出迁移至土壤中，造成此区域土壤中重金属 V、Cr 和 Cd 均超标，尾渣堆放是冶炼厂尾渣库土壤重金属 污染严重的重要原因［11］． 3. 2 钒冶炼厂优势植物体内重金属积累特征 本次调研所取植物样品，经过与中国植物物种信 息数据库进行对比分析，均已完成植物物种鉴别，共记 录高等植物 20 科 29 种，其中菊科植物种类数量居首 位，共计 5 种; 禾本科植物次之，共计 4 种． 3. 2. 1 调研区域优势植物体内重金属含量 调研区域优势植物体内重金属含量见表 2． 表 2 的结果表明，本土植物体内 V 的含量表现出物种间的 差异性和区域间的差异性． 不同的植物对重金属的富 集量有着显著的差别: 蜈蚣草根部对重金属 V 的富集 量最大，能够达到 600 ～ 800 mg·kg － 1 ; 而其他多数植 物，如野菊花、白茅和狗尾草，根部对 V 的富集量只有 30 ～ 60 mg·kg － 1 左右． 方维萱等［12］ 在陕西紫阳伴生 硒、钼和钒矿的石煤地区发现的钒富集植物群落主要 有薇菜、紫阳春茶、大叶绞股蓝等，植物体内钒含量基 本在 20 ～ 30 mg·kg － 1，远小于蜈蚣草体内钒含量． 不同采样点的同种植物间，表现出不同的重金属 V 富集量． 原矿堆放区的蜈蚣草地下部分重金属 V 含 量接近 600 mg·kg － 1，而焙烧炉周边的蜈蚣草地下部分 V 含量高达 814. 25 mg·kg － 1，显著高于原矿堆放区的 蜈蚣草． 但是原矿堆放区土壤中重金属 V 的平均含量 ( 17451. 7 mg·kg － 1 ) 远高于焙烧炉周边土壤中重金属 V 的平均含量( 760. 6 mg·kg － 1 ) ，并未表现出富集量随 外界环境中重金属含量升高而升高的趋势． 究其原 因，从调研现场来看，原矿堆放区土壤中掺杂着大量废 弃的原矿石，这是导致区域 1 土壤中 V 含量极高的主 要原因之一，而废弃原矿石中 V 大部分是以类质同象 取代硅酸盐矿物( 主要是含钒云母和高岭石) 中铝和 硅，形式 非 常 稳 定［13］，并非植物所能利用的有效态 V［14］，难被植物所吸收． 焙烧炉周边土壤中 V 污染主 要来自于焙烧炉对钒矿石的焙烧过程，钒矿石经过焙 烧后 V 元素易浸出［15］，变成植物易吸收的有效态 V， 焙烧炉周边土壤中重金属 V 含量虽然远低于原矿堆 放区，但其主要来自于焙烧炉中的钒矿石，植物能够利 用的有效态 V 较多，因此焙烧炉周边的蜈蚣草体内重 金属 V 含量高于原矿堆放区的蜈蚣草体内重金属 V 含量． 同样地，沉钒废水池土壤中重金属 V 含量显著 低于原矿堆放区，沉钒废水池周边矛叶荩草体内重金 属 V 含量高于原矿堆放区的矛叶荩草体内重金属 V 含量． 其他区域由于重金属污染主要来自原矿碎石、尾 渣堆放、厂区扬尘等，土壤中植物能利用的有效态重金 属无较大差异，因此植物体内的重金属含量基本呈随 外界环境重金属含量增加而增加的趋势［16］． 以草本植物体内地上部分 V 含量为第一评价指 标，对所检测草本植物样品进行排序，排名前 10 的草 本植物体内重金属( V、Cr、Cd 和 Pb) 含量如图 2 所示． 焙烧炉周边蜈蚣草地上部分和地下部分对 V 的富集 量均最高，分别达到 86. 51 mg·kg － 1和 814. 25 mg·kg － 1 ; 沉钒废水池周边矛叶荩草次之，原矿堆放区蜈蚣草体 内重金属含量略低于前两者． 原矿堆放区和焙烧炉周 · 2141 ·

林海等：钒冶炼厂周边陆生植物对重金属的富集特征 ·1413· 表2调研区域优势植物体内重金属含量 Table 2 Heavy metal concentrations of dominant plants in sampling sites mg.kg-i Cr Cd Pb 采样点 植物名称 地上 地下 地上 地下 地上 地下 地上 地下 蜈蚣草 59.61 591.37 8.01 90.33 0.86 5.23 8.81 26.13 矛叶荩草 49.93 412.37 22.55 69.43 6.05 16.11 7.81 10.75 野胡萝卜 28.80 17.23 14.86 14.45 15.84 3.54 5.86 5.65 地肤 24.55 59.20 9.91 17.31 3.35 6.86 4.38 4.31 泥胡菜 29.69 59.45 6.55 13.21 2.23 2.76 2.77 3.67 野菊花 29.40 51.37 8.73 35.71 5.44 1.93 3.69 4.51 矛叶荩草 60.21 621.55 29.32 72.57 1.89 18.88 8.21 12.56 小飞蓬 59.62 190.55 34.22 60.61 9.31 12.11 7.95 7.88 商陆 39.90 38.81 19.18 15.65 1.77 1.89 4.96 5.11 白茅 26.21 36.42 10.02 15.27 0.62 0.88 4.03 5.79 辣蓼 30.03 30.78 8.41 6.62 1.98 2.01 3.57 5.12 艾蒿 39.97 61.90 9.92 8.51 2.02 1.09 4.92 3.81 蜈蚣草 86.51 814.25 13.81 92.46 0.91 0.97 15.21 9.04 白三叶草 34.21 60.33 10.11 13.33 1.28 1.56 33.51 20.18 鹅观草 26.17 90.07 10.51 12.66 1.08 1.06 11.05 11.25 艾蒿 28.97 41.90 9.92 8.51 2.02 1.09 4.92 3.81 苟麻 39.61 51.77 7.07 11.34 1.07 0.92 11.63 12.86 狗尾草 32.43 35.63 7.12 15.85 0.74 0.78 3.27 3.67 小飞蓬 58.59 170.75 29.60 56.46 8.05 10.61 9.04 9.31 艾高 45.75 100.19 12.85 11.25 5.75 4.12 5.25 4.62 狗尾草 39.21 50.56 8.21 13.66 1.43 1.55 5.33 5.65 野胡萝卜 39.77 27.89 16.68 17.55 18.56 5.66 6.68 6.77 艾蒿 26.10 36.67 4.19 5.91 0.84 0.50 2.41 1.63 边的蜈蚣草体内重金属V含量均位居前三，表明蜈蚣 对于P%的富集，各植物体内Ph含量基本在5~ 草对重金属V有相对较强的富集能力，蜈蚣草根系极 25mgkg'之间，只有蜈蚣草地下部分P%含量略高于 其发达，通过根系分泌物活化根际土壤中重金属，提高 其他植物，但未表现出显著的差异，并未发现对P表 植物所能利用的有效态重金属量7，是蜈蚣草地下部 现突出富集能力的植物物种，此种情况可能与调研区 分能富集大量V可能的原因之一 域土壤Ph污染程度轻有一定关系，当外界土壤环境中 对于C的富集，所列植物地上部分的富集量相差 重金属含量较低时，植物所能吸收的有效态重金属含 不大，但均低于体内V的富集量，而原矿堆放区和焙 量亦相对较低，植物对重金属的吸收量受到限制回. 烧炉周边蜈蚣草地下部分C含量显著高于其他植物， 调研区域乔灌木地上部分重金属含量如图3所 达到了92.46mgkg和90.33mgkg,沉钒废液池周 示.银合欢和构树两种植物地上部分V含量高于其他 边矛叶荩草次之，为72.57mgkg1.蜈蚣草对重金属 3种植物，分别达到36.74mgkg和30.41mg~kg:5 Cr的富集量未达到Cr超富集植物标准，但蜈蚣草所 种乔灌木地上部分重金属C和Cd含量无明显差距， 生长的原矿堆放区和焙烧炉周边土壤中重金属C污 均分别在9mgkg和1.5mgkg左右，对重金属Cr 染严重，其表现出了较强的耐性，正常生长未受到影 和Cd的富集效果不明显.银合欢地上部分P含量最 响，能够维持较大的生物量，形成蜈蚣草群落 高，为18.73mgkg.总体来说，乔灌木对重金属的富 野胡萝卜地上部分对Cd的富集量显著高于其他 集能力弱于草本植物，但乔灌木生物量大于草本植物， 植物，达到了18.56mg·kg1;矛叶荩草地下部分表现 重金属富集总量较大，且乔灌木与草本植物的搭配种 出对Cd较高的富集量，原矿堆放区和沉钒废液池的 植提高了物种多样性网，有利于治炼厂周边的生态恢 矛叶荩草地下部分Cd含量在15~20mg·kg1之间. 复，在治炼厂导致的重金属污染生态削减应用中有一

林 海等: 钒冶炼厂周边陆生植物对重金属的富集特征 表 2 调研区域优势植物体内重金属含量 Table 2 Heavy metal concentrations of dominant plants in sampling sites mg·kg － 1 采样点 植物名称 V Cr Cd Pb 地上 地下 地上 地下 地上 地下 地上 地下 蜈蚣草 59. 61 591. 37 8. 01 90. 33 0. 86 5. 23 8. 81 26. 13 1 矛叶荩草 49. 93 412. 37 22. 55 69. 43 6. 05 16. 11 7. 81 10. 75 野胡萝卜 28. 80 17. 23 14. 86 14. 45 15. 84 3. 54 5. 86 5. 65 地肤 24. 55 59. 20 9. 91 17. 31 3. 35 6. 86 4. 38 4. 31 泥胡菜 29. 69 59. 45 6. 55 13. 21 2. 23 2. 76 2. 77 3. 67 野菊花 29. 40 51. 37 8. 73 35. 71 5. 44 1. 93 3. 69 4. 51 矛叶荩草 60. 21 621. 55 29. 32 72. 57 7. 89 18. 88 8. 21 12. 56 2 小飞蓬 59. 62 190. 55 34. 22 60. 61 9. 31 12. 11 7. 95 7. 88 商陆 39. 90 38. 81 19. 18 15. 65 1. 77 1. 89 4. 96 5. 11 白茅 26. 21 36. 42 10. 02 15. 27 0. 62 0. 88 4. 03 5. 79 辣蓼 30. 03 30. 78 8. 41 6. 62 1. 98 2. 01 3. 57 5. 12 艾蒿 39. 97 61. 90 9. 92 8. 51 2. 02 1. 09 4. 92 3. 81 3 蜈蚣草 86. 51 814. 25 13. 81 92. 46 0. 91 0. 97 15. 21 9. 04 4 白三叶草 34. 21 60. 33 10. 11 13. 33 1. 28 1. 56 33. 51 20. 18 鹅观草 26. 17 90. 07 10. 51 12. 66 1. 08 1. 06 11. 05 11. 25 艾蒿 28. 97 41. 90 9. 92 8. 51 2. 02 1. 09 4. 92 3. 81 5 苘麻 39. 61 51. 77 7. 07 11. 34 1. 07 0. 92 11. 63 12. 86 狗尾草 32. 43 35. 63 7. 12 15. 85 0. 74 0. 78 3. 27 3. 67 小飞蓬 58. 59 170. 75 29. 60 56. 46 8. 05 10. 61 9. 04 9. 31 6 艾蒿 45. 75 100. 19 12. 85 11. 25 5. 75 4. 12 5. 25 4. 62 狗尾草 39. 21 50. 56 8. 21 13. 66 1. 43 1. 55 5. 33 5. 65 7 野胡萝卜 39. 77 27. 89 16. 68 17. 55 18. 56 5. 66 6. 68 6. 77 艾蒿 26. 10 36. 67 4. 19 5. 91 0. 84 0. 50 2. 41 1. 63 边的蜈蚣草体内重金属 V 含量均位居前三，表明蜈蚣 草对重金属 V 有相对较强的富集能力，蜈蚣草根系极 其发达，通过根系分泌物活化根际土壤中重金属，提高 植物所能利用的有效态重金属量［17］，是蜈蚣草地下部 分能富集大量 V 可能的原因之一． 对于 Cr 的富集，所列植物地上部分的富集量相差 不大，但均低于体内 V 的富集量，而原矿堆放区和焙 烧炉周边蜈蚣草地下部分 Cr 含量显著高于其他植物， 达到了 92. 46 mg·kg － 1和 90. 33 mg·kg － 1，沉钒废液池周 边矛叶荩草次之，为 72. 57 mg·kg － 1 ． 蜈蚣草对重金属 Cr 的富集量未达到 Cr 超富集植物标准，但蜈蚣草所 生长的原矿堆放区和焙烧炉周边土壤中重金属 Cr 污 染严重，其表现出了较强的耐性，正常生长未受到影 响，能够维持较大的生物量，形成蜈蚣草群落． 野胡萝卜地上部分对 Cd 的富集量显著高于其他 植物，达到了 18. 56 mg·kg － 1 ; 矛叶荩草地下部分表现 出对 Cd 较高的富集量，原矿堆放区和沉钒废液池的 矛叶荩草地下部分 Cd 含量在 15 ～ 20 mg·kg － 1之间． 对于 Pb 的富集，各植物体内 Pb 含量基本在 5 ～ 25 mg·kg － 1之间，只有蜈蚣草地下部分 Pb 含量略高于 其他植物，但未表现出显著的差异，并未发现对 Pb 表 现突出富集能力的植物物种，此种情况可能与调研区 域土壤 Pb 污染程度轻有一定关系，当外界土壤环境中 重金属含量较低时，植物所能吸收的有效态重金属含 量亦相对较低，植物对重金属的吸收量受到限制［3］． 调研区域乔灌木地上部分重金属含量如图 3 所 示． 银合欢和构树两种植物地上部分 V 含量高于其他 3 种植物，分别达到 36. 74 mg·kg － 1和 30. 41 mg·kg － 1 ; 5 种乔灌木地上部分重金属 Cr 和 Cd 含量无明显差距， 均分别在 9 mg·kg － 1和 1. 5 mg·kg － 1左右，对重金属 Cr 和 Cd 的富集效果不明显． 银合欢地上部分 Pb 含量最 高，为 18. 73 mg·kg － 1 ． 总体来说，乔灌木对重金属的富 集能力弱于草本植物，但乔灌木生物量大于草本植物， 重金属富集总量较大，且乔灌木与草本植物的搭配种 植提高了物种多样性［18］，有利于冶炼厂周边的生态恢 复，在冶炼厂导致的重金属污染生态削减应用中有一 · 3141 ·

·1414 工程科学学报，第38卷，第10期 900 (a) 100 ⑧地上部分 ▣地上部分 800 地下部分 90 园地下部分 50 30 20 0 矛叶草-2 蜈蚣草 飞 飞蓬-6 艾嵩 艾蒿-2 野胡萝卜- 陆-2 矛叶草-2 蜈蚣草3 草 蓬 飞蓬-6 -2 艾嵩-6 矛叶墓草 陆-2 野胡萝卜一 30 日地上部分 ®地上部分 图地下部分 25 圆地下部分 42 20 安 8 5 0题 0 不叶荩草-2 蚣草-3 蜈蚣草-1 飞蓬-6 飞蓬 矛叶袋草-1 2 -6 野胡萝卜 叶荩草-2 蜈蚣草-3 蜈蚣草 飞蓬 飞蓬-6 矛叶草 艾-6 商陆-2 7 N 野胡萝 图210种植物体内重金属含量.(aV:(b)Cr:(c)Cd:(d)% Fig.2 Heavy metal concentrations in ten plant samples:(a)V:(b)Cr:(c)Cd:(d)Pb 定价值 重金属从根部向茎叶部转移的能力. 焙烧炉周边蜈蚣草对V的根富集系数为1.07，大 5 四V 于其他植物，且大于1，其余植物对V的根富集系数均 0 ⑧Cr sCd 远小于1，表明蜈蚣草根部对土壤中V的富集能力显 拉P 著大于其他植物，蜈蚣草根部对V表现出突出的富集 20 能力，可能的原因是蜈蚣草根部通过分泌有机酸来改 变根基土壤环境的pH值，对根基土壤中重金属起到 0 活化的作用，而且有机酸可以通过与根际土壤中重金 属结合，利于植物的吸收四.蜈蚣草在钒治炼厂复合 银合欢 构树 加杨弓茎悬钩子杠柳 重金属污染环境下，能够保持较大的生物量成为优势 植物种类 植物，在钒矿区重金属V生态削减应用中有一定的应 图3乔灌木地上部分重金属含量 用前景.目前，植物对V的富集机理研究尚不够完善， Fig.3 Heavy metal concentrations in the ground part of the trees and shrubs 蜈蚣草可作为进一步研究重金属V富集植物耐性和 富集机理的可靠研究材料. 3.2.2调研区域优势植物富集和转运特征 除商陆和野胡萝卜外，其余植物对V的转运系数 根据调研所取植物样品和土壤样品分析结果，计 均小于1，表明重金属V在植物体内由根部向茎叶部 算得出上述10个优势草本植物样品根部富集系数 转移较困难，体内大部分V积累在植物根部四 (BCF)和转运系数(TF),如表3所示 10个植物样品对Cr和P的根富集系数和转运 富集系数即植物体内某种重金属含量与土壤中同 系数表现基本一致，富集系数均远小于1，在0.01~ 种重金属含量的比值，它反映了植物对土壤重金属元 0.23之间，普遍较小，调研区域植物表现出对土壤中 素的富集能力阿.转运系数为植物地上部分重金属 Cr和Ph较低的富集能力.10个植物样品对Cr和Ph 含量与植物根中该重金属量之比@，它反映了植物将 的转运系数要略高于对V的转运系数，可能的原因是

工程科学学报，第 38 卷，第 10 期 图 2 10 种植物体内重金属含量． ( a) V; ( b) Cr; ( c) Cd; ( d) Pb Fig． 2 Heavy metal concentrations in ten plant samples: ( a) V; ( b) Cr; ( c) Cd; ( d) Pb 定价值． 图 3 乔灌木地上部分重金属含量 Fig． 3 Heavy metal concentrations in the ground part of the trees and shrubs 3. 2. 2 调研区域优势植物富集和转运特征 根据调研所取植物样品和土壤样品分析结果，计 算得出上述 10 个优势草本植物样品根部富集系数 ( BCFroot ) 和转运系数( TF) ，如表 3 所示． 富集系数即植物体内某种重金属含量与土壤中同 种重金属含量的比值，它反映了植物对土壤重金属元 素的富集能力［19］． 转运系数为植物地上部分重金属 含量与植物根中该重金属量之比［20］，它反映了植物将 重金属从根部向茎叶部转移的能力． 焙烧炉周边蜈蚣草对 V 的根富集系数为 1. 07，大 于其他植物，且大于 1，其余植物对 V 的根富集系数均 远小于 1，表明蜈蚣草根部对土壤中 V 的富集能力显 著大于其他植物，蜈蚣草根部对 V 表现出突出的富集 能力，可能的原因是蜈蚣草根部通过分泌有机酸来改 变根基土壤环境的 pH 值，对根基土壤中重金属起到 活化的作用，而且有机酸可以通过与根际土壤中重金 属结合，利于植物的吸收［21］． 蜈蚣草在钒冶炼厂复合 重金属污染环境下，能够保持较大的生物量成为优势 植物，在钒矿区重金属 V 生态削减应用中有一定的应 用前景． 目前，植物对 V 的富集机理研究尚不够完善， 蜈蚣草可作为进一步研究重金属 V 富集植物耐性和 富集机理的可靠研究材料． 除商陆和野胡萝卜外，其余植物对 V 的转运系数 均小于 1，表明重金属 V 在植物体内由根部向茎叶部 转移较困难，体内大部分 V 积累在植物根部［22］． 10 个植物样品对 Cr 和 Pb 的根富集系数和转运 系数表现基本一致，富集系数均远小于 1，在 0. 01 ～ 0. 23 之间，普遍较小，调研区域植物表现出对土壤中 Cr 和 Pb 较低的富集能力． 10 个植物样品对 Cr 和 Pb 的转运系数要略高于对 V 的转运系数，可能的原因是 · 4141 ·