草海濕地蘆葦對(duì)土壤重金屬富集特征研究

涂聲蕾，冉景丞，張 旭，蒙文萍，吳明康

（1.貴州師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.貴州草海濕地生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，貴州 威寧 553114；3.貴州省林業(yè)科學(xué)研究院，貴州 貴陽 550005；4.貴州省植物園，貴州 貴陽 550001；5.陜西人文探索影視文化傳播有限公司，陜西 西安 710100）

0 引言

重金屬污染是我國乃至全球面臨的重要生態(tài)環(huán)境問題之一，受到各界的廣泛關(guān)注。重金屬污染指由重金屬或其化合物造成的環(huán)境污染，主要由采礦、廢氣排放、污水灌溉和使用重金屬超標(biāo)制品等人為因素所致。不同種類的重金屬毒性不同，化學(xué)性質(zhì)也存在差異，重金屬一旦進(jìn)入食物鏈很難再被排出，隨著食物鏈級(jí)別的升高累積程度不斷加強(qiáng)，最終流向食物鏈頂端的動(dòng)物和人體內(nèi)。當(dāng)重金屬的累積量在動(dòng)物體內(nèi)和人體內(nèi)達(dá)到一定程度時(shí)，就會(huì)表現(xiàn)出病癥，危害到健康。

濕地生態(tài)系統(tǒng)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)和水生生態(tài)系統(tǒng)的交接地帶，是重金屬污染物的重要儲(chǔ)存庫。濕地植物對(duì)環(huán)境的污染修復(fù)作用和指示作用也是近年來學(xué)者們研究的熱點(diǎn)。國內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)不同區(qū)域、不同種類植物對(duì)重金屬的富集作用開展了廣泛的研究，探究了多種濕地植物對(duì)重金屬污染修復(fù)的可能性。研究濕地植物對(duì)重金屬的富集對(duì)濕地環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)和植物修復(fù)具有重要的意義。植物對(duì)重金屬的吸附作用通常用于土壤重金屬污染修復(fù)中［1］。植物對(duì)重金屬元素的吸附作用和轉(zhuǎn)化積累過程與生長環(huán)境中的重金屬濃度、pH值、鹽度、無機(jī)鹽、Eh值等因素有關(guān)［2］。有研究表明，濕地湖濱帶配置一定的蘆葦群帶對(duì)濕地氨氮具有一定的消解作用［3］。濕地不同的水生植物配置對(duì)濕地土壤重金屬污染具有一定的降解和吸附能力，美人蕉、香蒲、蘆葦、燈芯草、水蓼等植物的營養(yǎng)器官在不同程度上對(duì)某種特定的水環(huán)境重金屬污染具有一定的去除效果［4-8］。相關(guān)的研究結(jié)果表明，蘆葦在濕地土壤重金屬污染區(qū)域的生態(tài)修復(fù)中具有較好的抗逆性和吸收污染物功能［9-11］。

草海濕地的蘆葦作為污水治理的一種生物被引入，隨后沿濕地湖濱北岸—東北—東南—南部擴(kuò)張，并呈現(xiàn)連續(xù)性的帶狀、片狀、叢狀、條狀蘆葦群落斑塊擴(kuò)張。目前草海濕地蘆葦群落已經(jīng)演替為單一優(yōu)勢(shì)種，廣泛分布在濕地北岸淺水區(qū)域、周邊農(nóng)耕地和水溝。探討草海濕地蘆葦植株對(duì)典型重金屬的富集特征，旨在為草海濕地環(huán)境保護(hù)及植物修復(fù)提供科學(xué)支撐。

1 研究地概況

草海濕地是貴州高原最大的天然喀斯特淡水湖泊，資源優(yōu)勢(shì)得天獨(dú)厚，具有豐富的水生動(dòng)植物資源和珍稀鳥類，是完整典型的高原濕地生態(tài)系統(tǒng)，是以高原特有鶴類國家Ⅰ級(jí)保護(hù)動(dòng)物黑頸鶴為代表的228種鳥類的越冬地和中轉(zhuǎn)站。草海濕地面積120 hm2，常年水域面積25 hm2，平均水深2 m，平均水位2171.7 m。草海屬于長江流域金沙江支流橫江的洛澤河上源湖泊，草海水源補(bǔ)給主要是大氣降水。擁有“高原明珠”“陽光城”“中國黑頸鶴之鄉(xiāng)”等美譽(yù)。

草海北岸緊鄰?fù)幙h城，容易受重金屬等污染。周邊的工業(yè)廢水和生活污水違規(guī)排放，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過量施用化肥、農(nóng)藥，大量含有重金屬的廢水匯入草海，對(duì)草海造成了一定程度的重金屬污染。近年來，草海實(shí)施土地退耕還濕項(xiàng)目后，大量耕地處于棄荒狀態(tài)，沒有得到合理、科學(xué)的規(guī)劃利用，導(dǎo)致沿草海濕地北岸生長的高稈植物蘆葦嚴(yán)重?cái)U(kuò)張，替代了原來的土著植物水蔥、香蒲等植物群落。

2 研究方法

2.1 樣品采集與處理

以位于草海北岸湖濱帶的農(nóng)耕地、溝渠縱橫穿過的淺水區(qū)域?yàn)檠芯繀^(qū)域，北岸湖濱帶3個(gè)典型區(qū)域（江家灣、劉家巷、朱家灣）設(shè)置6個(gè)平行樣地，每個(gè)樣地為2 m×2 m樣方，共18個(gè)樣地，采集蘆葦?shù)母?、莖、葉、土壤等72個(gè)樣品。分別采集每個(gè)樣地具有代表性的蘆葦植株，從根部割起，根和土壤用鋤頭挖出，清理雜物，把蘆葦?shù)母?、莖、葉各部位分別裝進(jìn)樣品袋，蘆葦根部的土壤一起采集，分別進(jìn)行樣品信息記錄并帶回實(shí)驗(yàn)室備用（圖1）。

圖1 草海濕地蘆葦重金屬監(jiān)測樣地示意圖

蘆葦?shù)厣喜糠值娜~和莖以及地下部分的根樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，用去離子水沖洗干凈，然后放置于烘箱中95 ℃烘干36 h。干燥的植物樣品磨碎后過50目篩備用。土壤樣品去除較大的石塊，自然風(fēng)干。風(fēng)干的土壤樣品研磨后過100目篩待用。

2.2 樣品檢測

植物樣品的消解采用干灰化法：稱取約1 g植物樣品放入瓷坩堝中加入2 mL濃硝酸過夜，第2天將其放在烘箱內(nèi)95 ℃烘干2 h至無水分，然后將其置于馬弗爐里450 ℃保持4 h，冷卻至室溫后取出樣品，在坩堝中加入2 mL濃度為20%的硝酸溶液消解樣品中的無機(jī)鹽，加去離子水定容。

土壤樣品使用濕法消解：稱取約1 g土壤樣品放入聚四氟乙烯坩堝中加8～10 mL反王水（硝酸∶鹽酸＝3∶1）搖勻并隔夜，第2天在電熱板上加熱消解，加熱過程中再分次加入5 mL反王水促使土壤樣品消解更充分，最后趕酸至近干，定容待測。

每批樣品設(shè)置程序空白、3個(gè)平行樣及標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)ESS4進(jìn)行質(zhì)量控制，標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)回收率在69%以上，平行樣標(biāo)準(zhǔn)偏差低于10%。使用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀測定植物及土壤/底泥樣品中的Hg、Cr、Mn、Cu、As、Cd、Pb等7種重金屬含量。

2.3 數(shù)據(jù)分析

利用生物富集系數(shù)描述植物/土壤中重金屬向植物體內(nèi)遷移的難易程度，解釋重金屬在植物體內(nèi)的累積趨勢(shì)，計(jì)算公式為：

式（1）中，BCF為生物富集系數(shù)，CP為蘆葦某一部位的重金屬含量（mg/kg），Cs為相應(yīng)土壤中對(duì)應(yīng)的重金屬含量（mg/kg）。

利用轉(zhuǎn)移系數(shù)描述重金屬元素由植物地下部位向地上部位轉(zhuǎn)移的難易程度，計(jì)算公式為：

式（2）中，TF為轉(zhuǎn)移系數(shù)，Cu為植物地上部位對(duì)應(yīng)的重金屬含量（mg/kg），Cd為植物地下部位對(duì)應(yīng)的重金屬含量（mg/kg）。用SPASS 數(shù)據(jù)分析軟件和ArcGIS 制圖軟件對(duì)測定的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 蘆葦不同部位和土壤中重金屬含量對(duì)比

對(duì)各樣地中蘆葦?shù)牟煌课灰约巴寥乐兄亟饘俸康臋z測結(jié)果進(jìn)行綜合分析可知（表1）：蘆葦?shù)母?、莖、葉各部位重金屬含量均表現(xiàn)為Mn＞Cr＞Cu＞Pb＞As＞Cd＞Hg；土壤中重金屬含量表 現(xiàn) 為Mn＞Pb＞Cd＞Cr＞As＞Cu＞Hg；蘆 葦植株不同部位和土壤中Mn元素的含量均表現(xiàn)為最高，在土壤中均值為535.3333 mg/kg，極大值為631.5000 mg/kg，極小值為428.5000 mg/kg。

表1 草海濕地蘆葦不同部位和土壤中重金屬含量 mg/kg

蘆葦植株不同部位重金屬含量與土壤中重金屬含量均存在差異性。

Hg、As、Cd這3種重金屬的含量均表現(xiàn)為土壤＞根＞莖＞葉；Cr、Cu這2種重金屬的含量均表現(xiàn)為根＞葉＞莖＞土壤；Mn元素的含量表現(xiàn)為土壤＞葉＞莖＞根；Pb元素的含量表現(xiàn)為土壤＞根＞葉＞莖。

Hg、As、Cd、Mn、Pb這5種重金屬主要集中在土壤中；Cr和Cu這2種重金屬主要集中在蘆葦?shù)母?，均值分別為109.1111和26.5858 mg/kg。

3.2 蘆葦不同部位重金屬含量區(qū)域差異

在不同樣地中，7種重金屬在蘆葦植株各部位的含量表現(xiàn)略有不同（圖2）：3個(gè)區(qū)域內(nèi)蘆葦?shù)母?、莖、葉各部位中重金屬含量均表現(xiàn)為Mn＞Cr＞Cu＞Pb＞As＞Cd＞Hg。

圖2 不同區(qū)域蘆葦各部位重金屬含量

Mn元素含量最高出現(xiàn)在朱家灣樣地的蘆葦莖中，Cr元素含量最高出現(xiàn)在朱家灣樣地的蘆葦根部，Cu元素含量最高出現(xiàn)在劉家巷樣地的蘆葦根部。

朱家灣樣地蘆葦?shù)母⑶o、葉各部位中重金屬含量均表現(xiàn)為Mn＞Cr＞Cu＞Pb＞As＞Cd＞Hg。

江家灣樣地中蘆葦?shù)娜~和莖中重金屬含量均表現(xiàn)為Mn＞Cr＞Cu＞Pb＞Cd＞As＞Hg；蘆葦根部重金屬含量表現(xiàn)為Mn＞Cr＞Cu＞Pb＞As＞Cd＞Hg。

劉家巷樣地蘆葦根部和莖中重金屬含量均表現(xiàn)為Mn＞Cr＞Cu＞Pb＞As＞Cd＞Hg；蘆葦葉片中重金屬含量表現(xiàn)為Mn＞Cr＞Cu＞Pb＞Cd＞As＞Hg。

在不同樣地中，7種重金屬在土壤中的含量表現(xiàn)略有不同（圖3）：3個(gè)區(qū)域內(nèi)土壤重金屬含量均表 現(xiàn) 為Mn＞Pb＞Cd＞Cr＞As＞Cu＞Hg，土 壤中Mn和Cr元素含量最高出現(xiàn)在江家灣樣地，土壤中Cd、As和Cu這3種元素含量最高出現(xiàn)在劉家巷樣地，土壤中Hg和Pb元素含量最高出現(xiàn)在朱家灣樣地。

圖3 不同區(qū)域土壤重金屬含量

3.3 蘆葦不同部位對(duì)重金屬的富集能力

由表2可知：蘆葦?shù)母亢腿~片對(duì)7種重金屬的富集能力表現(xiàn)為Cu＞Cr＞Mn＞As＞Pb＞Cd＞Hg；蘆葦莖部對(duì)7種重金屬的富集能力表現(xiàn)為Cu＞Cr＞Mn＞As＞Pb＞Hg＞Cd。蘆葦莖部對(duì)Cu元素的富集能力最大，極小值為8.5440，極大值為8.9460，富集系數(shù)均大于1。

表2 蘆葦根、莖、葉各部位對(duì)7種重金屬的富集系數(shù)

蘆葦植株不同部位對(duì)7種重金屬元素的富集能力表現(xiàn)不同：Hg和Cu這2種重金屬在蘆葦不同部位富集能力表現(xiàn)為莖＞根＞葉；Cr、Mn、Pb這3種重金屬在蘆葦不同部位的富集能力表現(xiàn)為根＞葉＞莖；As和Cd這2種重金屬在蘆葦不同部位富集能力表現(xiàn)為根＞莖＞葉。蘆葦?shù)母?、莖、葉各部位對(duì)Hg、Mn、Cu這3種重金屬的富集能力沒有顯著的差異性，As、Cd、Pb、Cr這4種重金屬的富集能力具有差異性。

蘆葦植株對(duì)不同重金屬元素的富集系數(shù)存在差異：其中對(duì)Hg、As、Cd、Pb 、Mn這5種重金屬的富集系數(shù)均小于1，分別為0.0273、0.1487、0.0247、0.0737、0.5663；對(duì)Cr和Cu這2種重金屬的富集系數(shù)均大于1，分別為2.2550、6.7340。

不同樣地中，蘆葦?shù)母⑶o、葉各部位對(duì)7種重金屬富集能力略有不同（圖4）。

圖4 不同區(qū)域蘆葦各部位對(duì)7種重金屬的富集能力

蘆葦莖部對(duì)Cu元素富集能力最強(qiáng)，不同區(qū)域樣地蘆葦莖部對(duì)Cu元素富集能力表現(xiàn)為劉家巷＞朱家灣＞江家灣。

蘆葦植株Cr元素富集能力在3個(gè)區(qū)域樣地存在差異性，劉家巷樣地蘆葦植株的根、莖、葉各部位對(duì)Cr元素富集能力較朱家灣和江家灣2個(gè)樣地強(qiáng)，其根、莖、葉各部位對(duì)Cr元素富集系數(shù)分別為5.5754、3.0498、4.2028，富集系數(shù)均大于2。

蘆葦植株根、莖、葉各部位對(duì)Mn、Hg、Pb、As、Cd這5種重金屬元素的富集能力在3個(gè)區(qū)域樣地均表現(xiàn)較低，富集系數(shù)均小于1。

3.4 蘆葦不同部位對(duì)重金屬的轉(zhuǎn)移系數(shù)

蘆葦對(duì)7種重金屬的轉(zhuǎn)移能力整體表現(xiàn)為（表3）：Mn＞Hg＞Cu＞Cr＞Pb＞Cd＞As；7種重金屬由蘆葦?shù)叵虏课幌虻厣喜课晦D(zhuǎn)移的能力不同：Hg、Mn、Cu這3種重金屬的轉(zhuǎn)移系數(shù)均大于1，分別為2.0263、2.4937、1.7937。Cr、As、Cd、Pb這4種重金屬的轉(zhuǎn)移系數(shù)均小于1，分別為0.6763、0.1350、0.3840、0.5077。

表3 7種重金屬從蘆葦?shù)叵虏课幌虻厣喜课坏霓D(zhuǎn)移能力

4 結(jié)論與討論

試驗(yàn)分析結(jié)果表明：草海濕地蘆葦不同部位的重金屬含量存在差異性，7種重金屬元素在草海濕地的蘆葦植株和土壤環(huán)境中的含量均表現(xiàn)為地下部分大于地上部分。蘆葦?shù)母?、莖、葉各部位重金屬含量均表現(xiàn)為Mn＞Cr＞Cu＞Pb＞As＞Cd＞Hg；土壤中重金屬含量表現(xiàn)為Mn＞Pb＞Cd＞Cr＞As＞Cu＞Hg；蘆葦植株不同部位和土壤中Mn元素的含量均表現(xiàn)為最高。其中Cr、Cu這2種重金屬的含量表現(xiàn)為根＞葉＞莖＞土壤；Mn元素的含量表現(xiàn)為土壤＞葉＞莖＞根；Pb元素的含量表現(xiàn)為土壤＞根＞葉＞莖，且在土壤中含量均值為135.0556 mg/kg。從蘆葦植株和土壤中的7種重金屬含量結(jié)果可以看出：草海流域的Mn、Cr、Cu、Pb、As、Cd、Hg等重金屬污染程度相對(duì)較高，對(duì)人體和環(huán)境的污染危害較大，本研究結(jié)論與相關(guān)研究結(jié)果表現(xiàn)一致。葛光環(huán)等［12］研究濕地基質(zhì)和植物中重金屬分布規(guī)律得出，蘆葦各部位中Cr濃度表現(xiàn)為根＞莖＞葉，而Cu濃度則表現(xiàn)為根＞葉＞莖。魏星宇等［13-14］在研究貴州草海流域下不同土地類型重金屬污染空間分布特征時(shí)得出，草海流域土壤Pb含量是貴州省土壤背景值的3.56倍。丁玉娟等［15］在研究貴州草海耕地土壤重金屬污染特征及安全評(píng)價(jià)中得出：草海濕地土壤環(huán)境中的Hg、Cd、Cr、Pb、As、Zn等重金屬元素的累積和污染程度較高，可能是由于過去草海的土法煉鋅企業(yè)污染所致。張珍明等［16］對(duì)草海湖濕地重金屬分布特征及污染負(fù)荷得出，草海流域土壤Cd、Zn、Hg含量明顯高于貴州省土壤背景值。草海土壤重金屬和植物重金屬研究中，極少研究Mn元素的含量。

蘆葦不同部位對(duì)7種重金屬富集能力表現(xiàn)為Cu＞Cr＞Mn＞As＞Pb＞Cd＞Hg，蘆葦莖部對(duì)Cu元素的富集能力最大，均值為8.7867，富集系數(shù)大于1；蘆葦植株不同部位對(duì)7種重金屬元素的富集能力不同。Hg和Cu這2種重金屬在蘆葦不同部位富集能力表現(xiàn)為莖＞根＞葉；Cr、Mn、Pb這3種重金屬在蘆葦不同部位的富集能力表現(xiàn)為根＞葉＞莖；As和Cd這2種重金屬在蘆葦不同部位富集能力表現(xiàn)為根＞莖＞葉，該結(jié)論與相關(guān)研究結(jié)論一致。董志成等［17］研究得出:蘆葦對(duì)有毒重金屬元素具有良好的抗性；Zn、Cu、Cd這3種重金屬元素在蘆葦植物體內(nèi)含量分配百分比表現(xiàn)為根＞葉＞莖；Pb和Cr這2種重金屬在蘆葦植物體內(nèi)含量分配百分比表現(xiàn)為根＞莖＞葉；根組織的生物富集能力最大，且Pb和Cd這2種重金屬最容易富集；而莖、葉組織的生物富集能力較低，易富集Pb。高詩倩［6］在研究蘆葦根系富集土壤鉛鎘性能及根際生物群落結(jié)構(gòu)特征時(shí)得出，蘆葦對(duì)土壤重金屬污染的吸附能力與土壤重金屬濃度呈正比，土壤受重金屬污染程度越高，蘆葦?shù)母患芰υ綇?qiáng)。郭成久等［18］在研究雙臺(tái)河口濕地蘆葦對(duì)造紙廢水中重金屬凈化效果時(shí)發(fā)現(xiàn)，蘆葦在不同生長期對(duì)Cu、Zn、Pb、Cd這4種重金屬的凈化效果存在差異，在蘆葦拔節(jié)期對(duì)這4種重金屬的吸收效果最好，蘆葦根系對(duì)這4種重金屬的吸收量高于莖和葉的吸收量。

可見，蘆葦在修復(fù)濕地土壤和水質(zhì)污染方面效果非常顯著，不僅可以明顯吸收土壤高濃度重金屬，還能去除水體中的氮、磷元素以及其他有害物質(zhì)［19-20］。蘆葦對(duì)土壤重金屬的富集作用對(duì)濕地生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)具有一定的科學(xué)利用價(jià)值，也為水質(zhì)凈化的研究提供了借鑒。