平远稀土尾矿植物重金属富集特性的研究

Study on the Heavy Metal Accumulation Characteristics of Plants in Pingyuan Rare Earth Tailings

摘要: 本研究以梅州市平远县仁居镇废弃稀土矿区为对象，分析5种优势植物，五节芒(Miscanthus floridulus (Lab.) Warb. ex Schum. et Laut.)、芒萁(Dicranopteris pedate (Houtt.) Nakaike)、雀稗(Paspalum thunbergii Kunth ex Steud.)、黑莎草(Gahnia tristis Nees Hooker & Arnott)对Pb、Cu、Zn、Cd、As等重金属及稀土元素的吸收、转运与富集特性，并评价土壤污染程度及植物食用安全性。结果表明，尾矿土与复垦土均存在Pb、Mn、Zn轻度污染，稀土元素以轻稀土为主且复垦土污染略重；芒萁对Cu (BCF = 2.936)和As (BCF = 2.881)富集能力最强，对Mn (TF = 7.29)、As (TF = 2.24)转运能力突出；黑莎草对Cd (BCF = 1.826)富集优势显著；五节芒对Cr、Ni转移系数较高。5种植物地上部重金属含量均低于国家饲料卫生标准，食用风险低。研究可为粤东北稀土尾矿土壤植物修复与植被重建提供科学依据，对区域生态可持续修复具有参考价值。

Abstract: This study taken the abandoned rare earth mining area in Renju Town, Pingyuan County, Meizhou City as the object, analyzed the absorption, transport, and enrichment characteristics of five dominant plants, Miscanthus floridulus (Lab.) Warb. ex Schum. et Laut., Dicranopteris pedata (Houtt.) Nakaike, Paspalum thunbergii Kunth ex Steud., and Gahnia tristis Nees Hooker & Arnott, on heavy metals and rare earth elements such as Pb, Cu, Zn, Cd, As, and evaluated the degree of soil pollution and plant food safety. The results showed that both tailings soil and reclaimed soil were mildly polluted with Pb, Mn, and Zn, and rare earth elements were mainly light rare earth elements, with reclaimed soil being slightly more polluted; Dicranopteris pedata had the strongest enrichment ability for Cu (BCF = 2.936) and As (BCF = 2.881), and outstanding transport ability for Mn (TF = 7.29) and As (TF = 2.24); Gahnia tristis had a significant advantage in Cd (BCF = 1.826) enrichment; Miscanthus floridulus had a higher transfer coefficient for Cr and Ni. The heavy metal content in the aboveground parts of 5 plant species was lower than the national feed hygiene standard, indicating low food risk. The research can provide scientific basis for soil vegetation restoration and vegetation reconstruction of rare earth tailings in northeastern Guangdong, and has reference value for regional ecological sustainable restoration.

1. 引言

广东省梅州市平远县仁居镇废弃稀土矿区位于粤东北丘陵山区，属南亚热带季风气候，但因历史稀土开采导致地表植被破坏、尾矿砂裸露，水土流失严重[1]。矿区土壤为砂质红壤(pH 5.8~6.5)，土层薄且贫瘠，已遭受Pb、Zn、Cd等多种重金属复合污染，部分地段尾矿土及复垦土中Pb、Zn、Cd含量均显著超出广东省土壤背景值，生态风险突出[2] [3]。

重金属污染土壤修复中，植物修复技术因环境友好、成本低廉且能维持土壤结构完整性，成为重金属污染修复的研究热点[4]。理想的修复植物需满足“地上部重金属含量高、地上部含量高于根部、生长未受显著抑制且富集系数(BCF) > 1”等特征[5]。目前国内已筛选出蜈蚣草(Pteris vittata) (As富集)、龙葵(Solanum nigrum) (Cd富集)等典型植物，同时发现藿香蓟(Ageratum conyzoides)也可富集Cd、Zn，小鳞苔草(Carex gentilis)对Pb的富集系数高达11.79 [6] [7]。但重金属污染具有强地域性，粤东北尾矿土壤酸性、养分匮乏的特殊环境对植物的耐性及富集能力提出了更高要求，而针对该区域的本土植物筛选研究仍较薄弱[5] [6]。离子型稀土尾矿的复垦当前主要采用客土法，这是经济有效的修复方法[3]-[7]。尽管客土复垦已在梅州尾矿区展开，但对于尾矿土壤复垦前后理化性质变化的研究并不多。本研究聚焦粤东北稀土尾矿，通过调查土壤重金属污染特征，分析本土优势植物对重金属的富集与转运能力，筛选适宜修复物种，为矿区生态修复提供本土化技术支撑。

2. 材料与方法

2.1. 研究区概况

研究区位于广东省梅州市平远县仁居镇(E115˚56', N24˚47')，年均温20.5℃，年降水量 ≥ 1600 mm。土壤类型为砂质红壤，pH值5.8~6.5；因稀土开采历史，地表植被覆盖率低，尾矿砂裸露导致水土流失严重，土壤重金属复合污染突出。

2.2. 样品采集与处理

2.2.1. 土壤样品采集

参照《土壤环境监测技术规范》(HJ/T 166-2004)，在尾矿区和复垦区(相距300~500 m，复垦土来自矿区周围林地)各选取4个代表性采样点，每个采样点布设5个子样点，采集0~20 cm表层土壤。剔除杂质后混合为1 kg复合样，密封保存。

2.2.2. 植物样品采集

在每个土壤采样点周边，选取自然生长的5种优势植物：五节芒(Miscanthus floridulus (Lab.) Warb. ex Schum. et Laut.)、芒萁(Dicranopteris pedata (Houtt.) Nakaike)、雀稗(Paspalum thunbergii Kunth ex Steud.)、黑莎草(Gahnia tristis Nees in Hooker & Arnott)和乌毛蕨(Blechnopsis orientalis (L.) C. Presl)。整株挖取后剥离根部土壤，将植株分为地上部(茎、叶)和地下部(根和根状茎)，分别装入密封袋；每种植物地上部及根部鲜样采集量均 ≥ 100 g。

2.3. 样品分析

参考目前常用检测方法[8]-[10]。土壤样品经自然风干后研磨过100目筛，采用电位法测定pH值、重铬酸钾氧化法测定有机质、乙酸铵交换法测定CEC；采用DTPA浸提法提取有效态Pb、Zn、Cd、Cu，使用原子吸收分光光度计(AA-7000)测定含量。植物样品经自来水冲洗后用去离子水淋洗3次，105℃杀青30 min、70℃烘干至恒重，粉碎过0.25 mm筛。采用HNO₃-HF-HClO₄消解体系处理后，用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS，PerkinElmer NexION 350D)测定植物地上部和根部的镉(Cd)、铅(Pb)、铜(Cu)、锌(Zn)、砷(As)含量。土壤和植物样品中16种稀土元素：镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)、钪(Sc)、钇(Y)均采用电感耦合等离子光谱–质谱联用仪(ICP-MS)测定。质量控制：每批次样品设空白对照及国家标准物质(GBW07429)，回收率控制在85%~115%。

2.3.1. 土壤评价方法

(1) 重/轻稀土比

根据稀土元素的化学、物理和地球化学性质差异及矿物处理需求，将其分为轻稀土组(LREEs，包括La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu)和重稀土组(HREEs，包括Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Sc、Y)。

重轻稀土比计算公式为：$\text{HREE}/\text{LREE}=\frac{{{\displaystyle \sum }}_{\text{i=1}}^{\text{n}}\text{w}\left(\text{HRRE}\right)}{{{\displaystyle \sum }}_{\text{i=j}}^{\text{m}}\text{w}\left(\text{LRRE}\right)}$ 。

其中$\text{w}\left({\text{HRRE}}_{\text{i}}\right)$ 表示重稀土元素中第i个元素的含量，$\text{w}\left({\text{HRRE}}_{\text{j}}\right)$ 表示轻稀土元素中第j个元素的含量，n和m分别为重稀土元素和轻稀土元素的个数。

(2) 内梅罗综合污染指数法

内梅罗综合污染指数法是国内外广泛用于评价土壤多种不同重金属元素污染水平的评价方法[9] [10]。其计算公式为：${\text{P}}_{\text{Nem}}=\sqrt{\frac{{\text{P}}_{\text{max}}^{\text{2}}{\text{+P}}_{\text{ave}}^{\text{2}}}{\text{2}}}$ 。

上式中：P_Nem为土壤重金属复合污染指数；P_ave为所有单项污染指数的平均值；P_max为最大单项污染指数。根据P_Nem值对非稀土重金属污染水平分级：P_Nem ≤ 0.7为安全；0.7 < P_Nem ≤ 1为警戒线；1 < P_Nem ≤ 2为轻度污染；2 < P_Nem ≤ 3为中度污染；P_Nem > 3为重污染。

(3) 地累积指数法

采用地累积指数法进行重金属污染评价，其计算公式为：I_geo = log₂[C_i/(k∙B_i)]。式中：I_geo为地积累指数；C_i为重金属元素i的实测含量；k为岩石背景值差异常数(取1.5)；Bi为重金属元素i的地球化学背景值(本文分别采用广东省和中国土壤背景值)。根据I_geo值分级：I_geo ≤ 0为无污染；0 < I_geo ≤ 1为无污染–中度污染；1 < I_geo ≤ 2为中度污染；2 < I_geo ≤ 3为中度污染–强污染；3 < I_geo ≤ 4为强污染；4 < I_geo≤ 5为强污染–极强污染；I_geo > 5为极强污染。

2.3.2. 植物重金属富集和转移评价指标计算

富集系数(Bioaccumulation Factor, BCF)：BCF = 植物地上部重金属含量/土壤中该重金属含量(BCF > 1表示具有富集潜力)。

转移系数(Translocation Factor, TF)：TF = 植物地上部重金属含量/根部重金属含量(TF > 1表示重金属向地上部迁移能力强)。

污染指数(Pollution index, PI)：PI = S_i/C_i。Ci：土壤中重金属i的实测浓度(mg/kg)；S_i：广东区域土壤背景值。

2.4. 数据分析

应用Microsoft Excel软件计算分析和作图，SPSS软件进行数据方差分析(LSD法)。

3. 结果与分析

3.1. 重金属元素

3.1.1. 两种土壤中的含量及污染指数

由表1可知，尾矿土和复垦土中Pb、Zn含量较高(尾矿土Pb 54 mg∙kg⁻¹、Zn 86 mg∙kg⁻¹；复垦土Pb 67 mg∙kg⁻¹、Zn 86 mg∙kg⁻¹)，且均高于中国和广东省土壤背景值[11]。Cd、As含量较低，远低于背景值；Cr、Ni浓度均低于检测限(<2 mg∙kg⁻¹)，无显著污染；两种土壤的Mn含量均高于广东省背景值，但远低于中国背景值[11] [12]。对比两种土壤，复垦土中Pb、Mn、Cd、As含量高于尾矿土，Cr、Ni、Zn含量相近。

Table 1. Soil Heavy Metal Concentration (mg∙kg⁻¹)

表1. 土壤重金属浓度(mg∙kg⁻¹)

浓度Concentration (mg∙kg^−^1)	Pb	Cr	Ni	Mn	Zn	Cd	As
尾矿土Tailings soil	54	<2	<2	298	86	0.05	1.6
复垦土Reclaimed soil	67	<2	<2	501	86	0.09	1.8
广东土壤元素的环境背景值 Environmental background values of soil elements in Guangdong Province	36	50.5	14.4	279	47.3	0.056	8.90
中国土壤元素的环境背景值 Environmental background values of soil elements in China	26	61	26.9	583	74.2	0.097	11.2
农用地土壤污染风险管控标准 Risk Control Standards for Soil Pollution in Agricultural Land (Environmental quality standards grade Ⅱ)	90	150	70	1000	200	0.30	40

注：表中的广东和中国的土壤元素背景值均来自于《中国土壤背景值》(1990)。参照2018年颁布实施的《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618-2018)，各项土壤重金属含量远低于规定的风险筛选值，土壤污染风险低，Mn的管控标准参考GB 15618-1995土壤环境质量二级标准。

由表2可知，复垦土的Pb、Mn、Cd污染指数(1.86, 1.80, 1.61)高于尾矿土(1.50, 1.07, 0.89)，表明复垦后Pb、Mn、Cd污染仍需重点关注；Zn污染指数在两种土壤中均为1.82，复垦前后无变化；As污染指数较低(≤0.2)。综上，两种土壤中Cr、Ni、As无显著污染；Pb、Mn、Zn为轻度污染(单污染指数1~2)；复垦土存在轻度Cd污染，尾矿土Cd污染处于安全水平。

与土壤环境质量二级标准(GB15618-1995)相比，所有土壤重金属含量均远低于标准限值，Cr、Ni、As单项污染指数均 < 0.1，单个元素均不超标。内梅罗综合评价显示，不同类型土壤P_Nem均<0.7，重金属污染等级为安全水平。

Table 2. Single pollution index of heavy metals

表2. 重金属的单污染指数

土壤类型Soil type	Pb	Cr	Ni	Mn	Zn	Cd	As
尾矿土Tailings soil	1.50	--	--	1.07	1.82	0.89	0.18
复垦土Reclaimed soil	1.86	--	--	1.80	1.82	1.61	0.20

注：污染指数以广东省土壤背景值计算；Cr、Ni因含量极低未检出，以“--”表示。

3.1.2. 植物体中重金属含量及富集系数

由表3、表4可知，七种重金属在植物体内的分布存在差异：Mn含量最高，其次是Zn，Ni、Cd含量最低。5种植物对重金属的吸收特征显著不同：Pb在地下部浓度普遍高于地上部，其中乌毛蕨地下部Pb浓度最高(22.7 mg∙kg⁻¹)；五节芒地上部Cr浓度显著高于其他植物(33.1 mg∙kg⁻¹)；芒萁地上部Mn浓度最高(875 mg∙kg⁻¹)，显示较强的富集能力；黑莎草地下部Cd浓度最高(0.244 mg∙kg⁻¹)；乌毛蕨和芒萁地上部As浓度较高(分别为3.30、4.61 mg∙kg⁻¹)，推测与其As富集特性相关。

Table 3. Concentration of heavy metals in plants

表3. 植物重金属浓度

植物种类Plant species	部位Part	Pb	Cr	Ni	Mn	Zn	Cd	As
乌毛蕨Blechnopsis orientali	地上部分Aboveground	1.75	2.11	1.71	47.40	16.70	0.0112	3.30
	地下部分Underground	22.70	31.1	8.80	202.00	14.70	0.1530	2.85
五节芒Miscanthus floridulus	地上部分Aboveground	3.34	33.1	15.60	309.00	24.00	0.0186	0.069
	地下部分Underground	16.40	9.84	2.29	101.00	26.20	0.0368	0.910
芒萁Dicranopteris dichotoma	地上部分Aboveground	8.96	1.92	0.561	875.00	29.20	0.0197	4.61
	地下部分Underground	17.9	1.26	0.571	120.00	8.29	0.0277	2.06
雀稗Paspalum thunbergii	地上部分Aboveground	1.56	2.64	1.46	335.00	17.20	0.0345	2.06
	地下部分Underground	8.59	7.77	2.88	224.00	10.60	0.1510	1.15
黑莎草Gahnia tristis	地上部分Aboveground	0.746	1.32	0.945	585.00	14.70	0.0913	0.0579
	地下部分Underground	8.140	15.50	6.090	297.00	31.10	0.244	0.3850

Table 4. Enrichment factor (BCF) of plant heavy metals

表4. 植物重金属的富集系数(BCF)

植物种类Plant species	部位	Pb	Cr	Ni	Mn	Zn	Cd	As
乌毛蕨Blechnopsis orientali	部位Part	0.05	0.04	0.12	0.17	0.35	0.20	0.37
	地上部分Aboveground	0.63	0.62	0.61	0.72	0.31	2.73	0.32
五节芒Miscanthus floridulus	地下部分Underground	0.09	0.66	1.08	1.11	0.51	0.33	0.01
	地上部分Aboveground	0.46	0.19	0.16	0.36	0.55	0.66	0.10
芒萁Dicranopteris dichotoma	地下部分Underground	0.25	0.04	0.04	3.14	0.62	0.35	0.52
	地上部分Aboveground	0.50	0.02	0.04	0.43	0.18	0.49	0.23
雀稗Paspalum thunbergii	地下部分Underground	0.04	0.05	0.10	1.20	0.36	0.62	0.23
	地上部分Aboveground	0.24	0.15	0.20	0.80	0.22	2.70	0.13
黑莎草Gahnia tristis	地下部分Underground	0.02	0.03	0.07	2.10	0.31	1.63	0.01
	地上部分Aboveground	0.23	0.31	0.42	1.06	0.66	4.36	0.04

注：富集系数以广东省土壤背景值计算。

多数植物地上部和地下部的重金属富集系数 < 1，其中Pb、Cr、Zn、As在五种植物的地上部和地下部均<1。乌毛蕨地下部及黑莎草地上部、地下部的Cd富集系数 > 1；五节芒、芒萁、雀稗、黑莎草的地上部及黑莎草的地下部的Mn富集系数 > 1；五节芒地上部对Ni的富集系数 > 1。

3.1.3. 重金属的转移系数

由表5可知，5种植物对重金属的转移能力存在显著差异。所有植物对Pb、Cd的转移系数均<1，表明Pb、Cd向地上部的转移性较弱。Mn相对易转移，除乌毛蕨外，其他四种植物的Mn转移系数均>1；Zn在乌毛蕨、芒萁和雀稗中的转移系数 > 1；芒萁对Mn的转移系数最高(7.29)，表明其将Mn从地下部向地上部转运的能力最强；五节芒和芒萁对Cr、乌毛蕨和芒萁对As的转移系数也>1。部分植物可同时转移多种重金属：芒萁对Cr、Mn、Zn、As，五节芒对Cr、Ni和Mn，乌毛蕨对Zn、As，雀稗对Mn、Zn的转移系数均>1，而黑莎草仅对Mn的转移系数 > 1。

Table 5. Transfer coefficient (TF) of heavy metals

表5. 重金属的转移系数(TF)

植物种类Plant species	Pb	Cr	Ni	Mn	Zn	Cd	As
乌毛蕨Blechnopsis orientali	0.08	0.07	0.19	0.23	1.14	0.07	1.16
五节芒Miscanthus floridulus	0.20	3.36	6.81	3.06	0.92	0.51	0.08
芒萁Dicranopteris dichotoma	0.50	1.52	0.98	7.29	3.52	0.71	2.24
雀稗Paspalum thunbergii	0.18	0.34	0.51	1.50	1.62	0.23	0.06
黑莎草Gahnia tristis	0.09	0.09	0.16	1.97	0.47	0.37	0.15

3.2. 稀土元素污染

研究区土壤中16种稀土元素含量及背景值见表6。从重轻稀土比来看，尾矿土和复垦土的重轻稀土之比分别为1:4.67和1:5.99，轻稀土占比高于重稀土，且均低于广东省(1:3.67)、中国(1:3.92)土壤背景值及稀土矿区平均值(1:3.35)。重稀土中，Y占重稀土总量的49.35%、占稀土总量的8.71%，表明该矿区为富钇型稀土矿；轻稀土中，Ce、La的含量最高(分别为162、68.8 mg/kg)，占轻稀土总量的49.93%、21.21%，占稀土总量的17.46%、21.21%。

前人研究证实，平远稀土矿区稀土元素以离子形式吸附于黏土矿物表面，主要赋存于花岗岩和熔结凝灰岩风化壳中，稀土配分以轻稀土为主(约77%)，重稀土占23%，具有“中钇富铕”特征，Y含量较高(约30%)，伴生Eu等中重稀土。平远稀土矿区稀土总含量(REO)一般为900~1700 mg/kg (0.09~0.17%)，其中轻稀土855~1540 mg/kg (占比70~85%)，重稀土95~190 mg/kg (10~20%) [13] [14]。已有研究显示平远部分稀土尾矿中Eu占总稀土的3~5%、占轻稀土的3.9~6.5%，但本调查区域尾矿土中Eu占比仅为0.26%、0.35%。

对比尾矿土和复垦土，尾矿区的轻稀土总量、重稀土总量及稀土总量均低于复垦土；尾矿土重轻稀土比(1:4.67)高于复垦土(1:5.99)；尾矿土中6种轻稀土元素La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu的含量均低于复垦土，重稀土元素Y、Gd、Tb、Dy的含量均低于复垦土。这表明研究区土壤的稀土组成是以轻稀土为主，推测稀土提取过程中重稀土提取比例更高，导致轻稀土残余比例较高。尾矿区土中轻稀土总量分别为广东省、中国背景值的1.23、1.39倍，复垦土则为2.79、2.89倍；尾矿区重稀土总量分别为背景值的1.23、1.39倍，复垦土为1.24、1.41倍；尾矿区稀土总量分别为背景值的1.90、2.01倍，复垦土为2.37、2.51倍。两种土壤中轻稀土、重稀土和稀土部含量均高于背景值，且尾矿土中含量较高的稀土元素依次为Ce、La、Nd、Y、Pr，五种元素含量之和占稀土总量的87.88%~89.67%。

Table 6. The rare earth element contents of different soils in the mining area (mg∙kg⁻¹)

表6. 矿区土壤的稀土元素含量(mg∙kg⁻¹)和地累积指数

土壤 类型 Soil type	尾矿土壤 Tailing soil			复垦土壤 Reclamation soil			广东省 背景值 Background value in Guangdong	中国土壤 背景值 Soil background value in China
	含量 Content	地累积指数Geoaccumulation index I	地累积指数Geoaccumulation index II	含量 Content	地累积指数Geoaccumulation index I	地累积指数Geoaccumulation index II
Y	34.30	−0.35	0.00	35.0	−0.32	0.03	29.10	22.90
Sc	6.00	−1.02	−1.47	5.41	−1.17	−1.62	8.13	11.10
Gd	9.03	0.38	0.39	10.6	0.61	0.62	4.64	4.60
Tb	1.30	0.55	0.46	1.45	0.71	0.62	0.59	0.63
Dy	7.63	0.00	0.30	7.76	0.02	0.32	5.09	4.13
Ho	1.49	−0.09	0.19	1.43	−0.15	0.13	1.06	0.87
Er	4.36	−0.22	0.19	3.90	−0.38	0.03	3.39	2.54
Tm	0.64	−0.17	0.21	0.57	−0.34	0.04	0.48	0.37
Yb	4.16	−0.31	0.18	3.55	−0.54	−0.04	3.45	2.44
Lu	0.59	−0.46	0.13	0.52	−0.64	−0.05	0.54	0.36
∑HREES	69.5	−0.29	−0.11	70.19	−0.27	−0.09	56.47	49.94
La	68.80	0.29	0.29	92.5	0.72	0.72	37.50	37.40
Ce	162.00	0.44	0.66	209.0	0.81	1.03	79.4	68.40
Pr	17.10	0.94	0.67	22.3	1.32	1.05	5.95	7.17
Nd	64.0	0.95	0.69	81.0	1.29	1.03	22.1	26.40
Sm	11.50	0.63	0.55	14.1	0.92	0.85	4.96	5.22
Eu	1.04	−0.11	−0.57	1.39	0.31	−0.15	0.75	1.03
∑LREES	324.44	0.52	0.57	420.29	0.90	0.94	150.66	145.62
∑REEs	393.94	0.34	0.43	490.48	0.66	0.74	207.13	195.56

注：表中的地累积指数I、II分别是以广东省、中国重金属的土壤背景值计算的。

因稀土元素污染尚无国家环境质量标准，本研究采用地累积指数(I_geo)评价其污染程度(表6)。结果显示，以广东省或中国土壤背景值为标准，尾矿土和复垦土的稀土总体污染及轻稀土污染均为“无污染–中度污染”，重稀土为“无污染”。从单元素来看，尾矿土中轻稀土La、Ce、Pr、Nd、Sm及重稀土Gd、Tb、Dy为“无污染–中度污染”，Y、Sc、Eu为“无污染”；Ho、Er、Tm、Yb、Lu以广东省背景值为标准为“无污染”，以中国背景值为标准为“无污染–中度污染”。复垦土中Pr、Nd为“中度污染”，Gd、Tb、Dy、La、Sm为“无污染–中度污染”，Sc、Yb、Lu为“无污染”；Y、Ho、Er、Tm以广东省背景值为标准为“无污染”，以中国背景值为标准为“无污染–中度污染”；Ce以两种背景值为标准均为“中度污染”，Eu分别为“无污染–中度污染”“无污染”。总体而言，复垦土地累积指数高于尾矿土，除了Ce达到“中度污染”之外，其他稀土元素的污染并不严重，推测与尾矿土中稀土元素经提取后含量降低有关。

3.3. 四种植物的食用安全性分析

乌毛蕨的幼嫩茎叶在粤东北常作为野生蔬菜，五节芒、雀稗、黑莎草为当地牛羊猪等家畜的牧草(地上部茎叶用于饲喂家畜、家禽)。由表7可知，四种植物地上部的七种重金属含量均远低于安全限值，符合食用安全标准。由于乌毛蕨仅食用嫩茎(重金属含量通常低于成熟茎叶)，且只在春季偶尔食用，其他三种植物仅被畜禽偶尔少量食用，因此总体食用风险较低。

Table 7. Analysis of heavy metal content and edible safety of aboveground parts of four plants

表7. 四种植物的地上部分重金属含量及其食用安全性分析

植物种类Plant species	Pb	Cr	Ni	Mn	Zn	Cd	As
乌毛蕨Blechnopsis orientali	0.05	0.04	0.12	0.17	0.35	0.20	0.37
五节芒Miscanthus floridulus	0.09	0.66	1.08	1.11	0.51	0.33	0.01
雀稗Paspalum thunbergii	0.04	0.05	0.10	1.20	0.36	0.62	0.23
黑莎草Gahnia tristis	0.02	0.03	0.07	2.10	0.31	1.63	0.01
国家饲料卫生标准National feed hygiene standards	30	5	20	150	110	1	4

注：根据《GB 13078-2017饲料卫生标准》，饲草中Pb、Cr、Cd、As限量分别为30 mg/kg、5 mg/kg、1 mg/kg、4 mg/kg；Zn参考农业部公告(第2625号)；Mn安全限值参考欧盟标准(150 mg/kg)。

4. 讨论

在重金属污染土壤的修复领域，富集系数与转移系数是衡量植物修复潜力的关键指标[15]-[17]。富集系数反映植物对土壤中重金属的吸收累积能力，其值越大，植物从土壤中摄取重金属并在体内积累的能力越强；当植物地上部富集系数大于1时，意味着植物地上部分能够高效积累重金属，便于通过收割地上部实现对土壤重金属的移除[7] [8]，极大地提升了植物提取修复的可行性与效率。转移系数则侧重于表征植物将根系吸收的重金属向地上部分转运的能力，当转移系数大于1，表明植物能够主动且有效地将重金属从地下根系转移至地上的茎、叶等部位，这对于以地上部收获为主要修复手段的植物提取修复技术而言至关重要；若转移系数小于1，重金属则倾向于滞留在根系，此时植物更适用于稳定化修复，即通过根系固定重金属，降低其在土壤环境中的迁移性与生物有效性[16]-[18]。

本研究深入剖析了五节芒、芒萁、雀稗、黑莎草和乌毛蕨这5种粤东北稀土尾矿区域的优势植物对重金属的吸收、转运及富集特性，发现不同植物对重金属的响应呈现出显著的种间差异。五节芒对Cr、Ni、Mn展现出较高的转移系数，意味着其在吸收这些重金属后，具备将它们高效运输至地上部分的能力，这可能与其根系对重金属的选择性吸收机制以及体内运输通道的特异性相关。芒萁在富集Cu、As方面优势明显，其对Cu的富集系数高达2.936，对As的富集系数为2.881，且对Mn (TF = 7.29)、As (TF = 2.24)的转移系数也较高，这表明芒萁不仅能够大量摄取Cu、As并存储于体内，还能将吸收的Mn、As有效转运至地上部分，在Cu、As污染土壤的提取修复中具有巨大的应用潜力。乌毛蕨对As具有较强的富集倾向，地上部As浓度较高，这或许与乌毛蕨进化出的适应As胁迫环境的生理生化机制有关，例如通过合成特定的螯合蛋白或增强细胞区隔化作用来应对As的毒性[19]。雀稗对Cu的富集能力突出，而黑莎草则在富集Cu、Cd方面表现优异，其对Cd的富集系数达到1.826。

这些植物对重金属吸收、转运及富集特性的差异，很大程度上源于植物自身的生理特性以及根系与土壤环境的交互作用。在粤东北酸性尾矿环境中，土壤的低pH值、高金属离子活性以及贫瘠的养分状况对植物生存构成严峻挑战。部分植物通过根系分泌特殊的有机酸、质子等物质，改变根际微环境的酸碱度和氧化还原电位，进而影响重金属的形态与生物有效性[20] [21]。以乌毛蕨为例，研究表明其可能通过细胞壁的修饰以及分泌胞外聚合物来固定Pb，降低Pb向细胞内的运输，从而减轻Pb对植物的毒害[19]。雀稗则可能通过根系铁膜的形成，阻碍As进入根系内部，减少As的吸收，这是其应对As污染的一种重要防御机制[22]。此外，植物细胞内的液泡区隔化作用也在重金属耐性与富集过程中发挥关键作用，一些植物能够将吸收的重金属离子转运至液泡中进行区隔化存储，降低重金属在细胞质中的浓度，避免其对细胞代谢活动产生干扰[23] [24]。

从植物修复的实际应用视角出发，本研究中的植物具有重要的应用价值。芒萁凭借其对Cu、As出色的富集与转运能力，有望成为Cu、As污染土壤修复的核心植物材料。在实际修复工程中，可以大规模种植芒萁，定期收割其地上部分，逐步降低土壤中Cu、As的含量，实现污染土壤的净化。黑莎草对Cd的高富集系数使其成为Cd污染土壤修复的理想选择，通过种植黑莎草，能够有效富集土壤中的Cd，降低土壤Cd污染风险。五节芒对Cr、Ni的高转移系数，可辅助提升Cr、Ni污染土壤的修复效率，与其他对Cr、Ni具有富集能力的植物搭配种植，构建复合修复植物群落，能够更全面、高效地修复Cr、Ni污染土壤。

尽管本研究中的植物未达到严格意义上超富集植物的标准(如芒萁对Cu、As的富集未达到超富集植物临界含量：Cu ≥ 1000 mg/kg，As ≥ 1000 mg/kg)，但由于其富集系数和转移系数均大于1，依然具备显著的修复潜力。在实际应用中，可以结合土壤改良措施进一步强化植物修复效果。例如，向土壤中添加有机肥，有机肥中的有机质能够增加土壤阳离子交换量，改善土壤结构，提高土壤保肥保水能力，同时促进土壤微生物的生长繁殖，微生物的代谢活动可将土壤中难溶性的重金属转化为植物可吸收的有效态，从而增强植物对重金属的吸收与富集能力。此外，合理调控土壤的pH值、氧化还原电位等理化性质，也有助于优化植物生长环境，提升植物修复效率。复垦土中植物重金属富集系数略低于尾矿土，可能是由于复垦过程中采取的客土、平整土地等措施改变了土壤的理化性质和重金属的赋存形态，导致重金属有效态含量降低，进而影响了植物对重金属的吸收。后续研究可针对复垦土的特性，进一步探究适宜的土壤改良与植物修复协同策略，以提高复垦土地的生态修复效果。

基金项目

广东省科技创新和乡村振兴战略专项(2021A0305)、高等教育“冲补强”提升计划重点建设学科(农业资源与环境)建设项目(粤科教函[2018] 81号)、教育厅自然科学研究项目(2019KTSCX171)、嘉应学院2025年大学生创新训练计划项目。

NOTES

^*通讯作者。