黃河濕地小白河片區優勢植物重金屬的富集特征

高靜湉，杜方圓，李衛平*，韓劍宏，王曉云，鮑交琦，樊愛萍

（1.內蒙古科技大學能源與環境學院,內蒙古 包頭 014010；2.包頭市黃河濕地管理中心,內蒙古 包頭 014010）

黃河濕地小白河片區優勢植物重金屬的富集特征

高靜湉1，杜方圓1，李衛平1*，韓劍宏1，王曉云1，鮑交琦2，樊愛萍2

（1.內蒙古科技大學能源與環境學院,內蒙古 包頭 014010；2.包頭市黃河濕地管理中心,內蒙古 包頭 014010）

通過對采集的植物和對應土壤的監測分析，研究了包頭黃河濕地小白河片區優勢植物和土壤對重金屬的富集作用。以優勢植物虉草（Phalaris arundinacea）、香蒲（Typha orientalis）、蘆葦（Phragmites australis）為研究對象，通過對植物和土壤的野外采樣分析，檢測了黃河濕地小白河片區濕地植物及相應土壤中As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn等重金屬元素含量，對土壤重金屬污染程度進行了單因子分析及綜合分析，同時分析了3種優勢植物對重金屬的吸收與富集特征。研究結果表明：三種植被區土壤均受到中度污染，其中As、Cd、Zn污染最為嚴重。該濕地優勢植物富集特征顯示：香蒲地上部和地下部對Ni的富集系數均大于1，對土壤中Ni污染具有修復作用；香蒲和蘆葦對重金屬As、Cd、Zn的轉運系數相對較高，耐性較好；三種優勢植物對As、Cd、Zn等污染程度高的重金屬的富集系數和轉運系數均小于1，對土壤中As、Cd、Zn污染沒達到修復效果；不同植物體內重金屬間的相互作用關系不同，其作用結果會對植物重金屬的富集產生一定的影響。

黃河濕地；植被；重金屬；富集系數

重金屬污染是我國面臨的重要環境問題之一，已經受到各界的廣泛關注[1-3]。受工業化及人類活動的影響，其污染日益加劇[4-6]，隨之而引發的生態環境問題越來越突出[7-8]。修復重金屬污染的方法有很多，其中利用植物的修復方法操作簡便、更為經濟有效[9-11]。

包頭段黃河濕地處于黃河流域最北端，緊鄰城市，屬于干旱內陸且緯度較高但僅有的一處保護區，具有多樣的濕地類型和原生的濕地生態系統，生物資源極為豐富，是包頭市乃至西北寒旱區一個得天獨厚的寶貴資源。包頭黃河濕地分布著多種群落，包括蘆葦草塘、沼澤、水域、灘涂、闊葉灌叢、楊樹林、鹽堿地、先鋒植物等。包頭黃河濕地的小白河片區堤北有大面積的蓄滯洪區，水面廣闊，為游禽提供了覓食和嬉戲的場所，堤南分布有由蘆葦和香蒲以及莎草科植物構成的多類型的濕地群落，該片區既有黃河濕地的縮影，又具有獨特的人工濕地。

本研究通過對黃河濕地小白河片區蘆葦、香蒲及虉草三個典型植被區土壤與植物重金屬的累積分析，了解該濕地的土壤污染程度及植物生存能力，為小白河片區生態景觀建設提供理論支持，并為黃河濕地今后的保護和修復提供基礎理論數據。

1 材料與方法

1.1 采樣

內蒙古包頭黃河濕地位于包頭市南側，四至界限為：東至八里彎，南臨鄂爾多斯市，西接巴彥淖爾市，北至黃河大堤以北2km。地理坐標為109°25′51″～111°1′36″E，40°14′39″～40°33′20″N，總面積30 000 hm2，其中包頭黃河國家濕地公園的面積為12 222 hm2，由昭君島、小白河、南海、共中海、敕勒川五個片區組成（圖1）。本研究以黃河濕地小白河片區為主要對象（圖2），研究小白河片區蘆葦、香蒲、虉草三種主要植物群落的重金屬累積特征。

圖1 黃河濕地包頭段地理位置與區域圖Figure 1 The wetland of the Yellow River in Baotou sectio lnocation and regional figure

2015年6月，在黃河濕地的小白河片區設置了蘆葦、香蒲、虉草的3個10 m×10 m植物群落調查樣地，每個樣地設置5個1 m×1 m×1 m樣方，采集植物及土壤。將每個群落每個樣方土壤自然風干、磨碎、過篩、混合均勻，實驗做3個平行樣，最終取每個群落15個土樣的平均值。每個樣方采集5株約為平均高度的植物，分別混合這5株植物的地上部和地下部，烘干、磨碎、過篩。實驗做3個平行，最終分別取每個植物群落15個植物地上部的平均值和地下部的平均值。參照《土壤農化分析》[12]消解經過處理的土壤和植物，并采用ICP-AES（Inductive Coupled Plasma-Atomic Emission Spectrometer）測定土壤和植物的Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Ni、As共7種重金屬元素的含量。應用統計分析軟件SPSS和Excel進行描述性統計分析。通過對小白河片區土壤基本理化性質分析可知3個區域土壤的pH值在7.99～8.34之間，整體偏堿性，土壤含水率在6.55%～7.97%之間，含水率相對較低。

1.2 評價方法

1.2.1 富集系數

富集系數（Bioconcentration factor，BCF）可反映植物對土壤中不同元素具有的選擇性吸收能力[13]，生物富集系數高，表明地上部植物體內重金屬富集質量分數大。其公式為：

式中：Zi為植物中重金屬元素含量；Ti為土壤重金屬元素含量。

圖2 黃河濕地小白河片區區域圖Figure 2 Xiao Bai He section areal of the wetland in Yellow River

1.2.2 單因子指數和內梅羅綜合指數評價法

單因子污染指數Pi=Ci/Si

式中：Pi為土壤中重金屬元素i的污染指數；Ci為土壤中重金屬元素i的實測值，mg·kg-1；Si為土壤中重金屬元素i的評價標準，mg·kg-1。

式中：Pj綜合為樣點j表層土壤中重金屬的綜合污染指數；Pijmax為樣點j表層土壤中重金屬元素i所有單因子污染指數的最大值；Pijave為樣點j表層土壤中重金屬元素i所有單因子污染指數的平均值。

根據污染指數劃分的土壤質量標準見表1。

表1 土壤質量分級標準[11]Table 1 Classification standard of soil quality

2 結果與討論

2.1 濕地3個植被區植物及土壤重金屬含量

對黃河濕地小白河片區的虉草區、香蒲區及蘆葦區植物及土壤重金屬含量的監測結果如表2所示。

由3個植物群落的監測結果可知，除虉草和香蒲對Ni的累積及蘆葦對Zn的累積為地上部高于地下部外，3種植物對其他重金屬的累積均為地下部高于地上部。虉草地上部重金屬的累積含量為Zn＞Ni＞Cr＞Pb＞As＞Cu＞Cd；香蒲地上部為Zn＞Ni＞Cr＞Pb＞As＞Cd＞Cu；蘆葦地上部為Zn＞Cr＞Ni＞Pb＞As＞Cu＞Cd。三種植物地下部對重金屬的累積含量均為Zn＞Ni＞Cr＞Cu＞Pb＞As＞Cd。

3 個植被區域土壤中As、Cd、Zn含量高于國家一級標準值，Cr、Pb含量低于國家一級標準值。虉草區土壤中Cd、Cr、Cu、Zn含量高于其他區域，香蒲區土壤中As、Ni、Pb含量高于其他區域，蘆葦區土壤重金屬平均含量整體處于3個區域的中等水平。

2.2 濕地土壤污染評價

對黃河濕地小白河片區虉草區、香蒲區及蘆葦區的土壤重金屬進行監測，并進行單因子分析及內梅羅綜合指數分析，結果如表3所示。

由綜合污染指數可知，三個區域的土壤綜合污染指數在2.546～2.677之間，顯示均已受到中度污染，污染程度最重的為As，其次為Cd和Zn。由單因子分析可知：虉草區土壤重金屬污染為As＞Cd＞Zn＞Pb＞Cr＞Ni＞Cu；香蒲區土壤重金屬污染為As＞Cd＞Zn＞Pb＞Ni＞Cr＞Cu；蘆葦區土壤重金屬污染為As＞Zn＞Cd＞Pb＞Cr＞Ni＞Cu。因此，對小白河片區土壤中As、Cd、Zn的污染，需要加強治理和防范。

2.3 濕地植物生物富集系數

富集系數在一定程度上反應了土壤-植物系統中重金屬遷移的難易程度，說明重金屬在植物體內的積累能力[15-16]。富集系數越大，說明重金屬在該植物體內的積累能力越強。當土壤受到重金屬污染時，植物地上部富集系數越大，越有利于修復受重金屬污染的土壤[17-18]。植物地上與地下部分相應重金屬含量的比值為轉移系數，用來表示植株對重金屬從根部到地上部的有效轉移程度[3]。對于濕地虉草、香蒲、蘆葦的富集系數及轉運系數的分析結果如表4所示。

由表4可知，虉草和香蒲地上部對Ni的富集效果較好，兩種植物對Ni的轉運系數均大于1，香蒲對Ni的富集效果比虉草更好，其地上部和地下部的富集系數均大于1，有利于植物對土壤中Ni的修復。蘆葦對Zn的富集效果相對較好。三種植物地上部對Cu的富集能力均為最差，植物將Cu富集于根部，限制其向地上部轉運，使地上部Cu含量較小，減輕重金屬對植物光合作用的有害影響。

虉草和香蒲地上部對重金屬的富集強弱為Ni＞Zn＞Cr＞Cd＞Pb＞As＞Cu，蘆葦地上部對重金屬的富集能力為Zn＞Ni＞Cd＞Cr＞Pb＞As＞Cu。香蒲和虉草對Ni的轉運系數最高，其次為Cr、Pb、Zn；蘆葦對Zn的轉運系數最高，其次為Cd、Cr。

從表2和表3可知，三個區域土壤中As、Cd、Zn的含量和污染程度均較高。而植物對某重金屬的轉運系數可間接衡量植物對重金屬的耐性，轉運系數越大則植物對重金屬的耐性越強[19]。由表4可知，香蒲對As的耐性相對較高，蘆葦對重金屬Zn的耐性較好，虉草和香蒲對Ni的耐性較好。因此，相對而言，香蒲和蘆葦對重金屬As、Cd、Zn的耐性較好，有利于該區域的濕地覆蓋率的提高。但該區域優勢植物對污染程度較高的As、Cd元素的富集、轉運系數均小于1，對該區域重金屬的污染治理并不具有優勢，因此建議濕地管理部門嘗試栽培一些對As、Cd具有超富集作用的植物，以治理該區域As、Cd的污染。

表2 濕地植物及土壤重金屬含量（mg·kg-1）Table 2 Content of heavy metals in wetland plants and soil

表3 濕地3個植被區土壤單因子指數及綜合指數Table 3 Single factor index and comprehensive index of soil in the three wetland vegetation areas

2.4 植物與土壤重金屬間相關性

運用SPSS軟件分析三個區域土壤與植物整體的體內相應重金屬的相關性，結果如表5～表7所示。

2.4.1 虉草區重金屬相關性

由表5可知，虉草區土壤與植物間具有一定的相關關系。土壤中Zn元素與植物地上部和地下部的Zn都為顯著負相關，其相關系數分別為-0.914和-0.831，表明土壤中超標的Zn元素對虉草Zn元素的吸收具有顯著的影響；并且由表4可知，虉草對Zn元素的富集系數和轉運系數都小于1，長此以往，Zn元素將在土壤中累積，對生態系統造成危害。因此，應加強對外源Zn的控制，以避免Zn元素的增加對小白河濕地造成生態危害。土壤中的Ni、Pb元素對虉草地上部Ni、Pb的吸收具有一定的影響，土壤中Cd元素含量與虉草根部Cd含量呈正相關。

虉草區土壤中重金屬元素不僅影響植物對該重金屬的吸收，還影響植物對其他重金屬元素的吸收。如土壤中As元素與虉草地上部的Pb含量具有顯著的相關性，與虉草地下部Zn含量具有顯著的負相關性。土壤中Cd元素與虉草地上及地下部分的Zn含量均具有顯著的負相關性。這表明土壤中超標的As、Cd影響植物對其他元素的富集，對虉草區造成了不利的影響。

表4 濕地3種優勢植物的富集系數及轉運系數Table 4 Enrichment coefficient of three dominant wetland plants

表5 土壤與虉草重金屬間相關系數Table 5 The correlation coefficient between soil and Phalaris arundinacea heavy metals

2.4.2 香蒲區重金屬相關性

由表6可知，香蒲區土壤中Zn元素與香蒲地上部及地下部的相關系數分別為-0.745和-0.837，土壤中Zn元素對香蒲根部Zn的吸收影響更大。土壤中Cu元素與香蒲地上部Cd含量呈顯著負相關，土壤中Zn元素與香蒲地上部Cr含量呈顯著負相關；土壤中Pb元素與植物地下部Zn含量呈顯著負相關。

2.4.3 蘆葦區重金屬相關性

從表7可知，蘆葦區土壤中Zn元素與蘆葦地上部及地下部的Zn元素均呈顯著負相關，其相關系數分別為-0.910和-0.913，可見相關程度要高于虉草區和香蒲區。由表2可知，三個區域中，蘆葦區土壤中Zn元素并不為最高，但蘆葦對Zn元素的吸收量卻高于虉草和香蒲，因此蘆葦對土壤中Zn元素的耐性更好。

蘆葦區土壤中Cd元素與蘆葦地上部Cr含量呈顯著負相關，與蘆葦地上及地下部Zn含量均呈現顯著負相關。土壤中Ni元素與蘆葦地上部Pb含量為顯著的負相關，土壤中Pb元素與蘆葦地上部As、Cr具有顯著的相關性。在蘆葦區，土壤中重金屬元素對蘆葦地上部重金屬富集的影響更為顯著。

表6 土壤與香蒲重金屬間相關系數Table 6 The correlation coefficient between soil and Typha orientalis heavy metals

表7 土壤與蘆葦重金屬間相關系數Table 7 The correlation coefficient between soil and Phragmites australis heavy metals

3 結論

（1）黃河濕地小白河片區3種優勢植被區內土壤均受到重金屬的中度污染，其中As、Cd、Zn含量超過國家一級標準，濕地土壤受As、Cd、Zn污染程度較為嚴重。

（2）小白河片區香蒲對Ni的富集效果最好，虉草對Ni的耐性較好，蘆葦對Zn耐性較好，整體而言，該區域優勢植物對As、Cd、Zn具有一定的耐性，但未達到修復效果。

（3）土壤中重金屬元素與植物體內重金屬元素具有一定的相關性，土壤中重金屬含量會影響植物對重金屬的富集和轉運。

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Content and accumulation characteristics of heavy metals in dominant plants in Xiao Bai He Area of the Yellow River Wetland

GAO Jing-tian1,DU Fang-yuan1,LI Wei-ping1*,HAN Jian-hong1,WANG Xiao-yun1,BAO Jiao-qi2,FAN Ai-ping2
（1.The College of Environment and Energy Resources,Inner Mongolia University of Science and Technology,Baotou 014010,China;2.The Yellow River Wetland Management Center of Baotou,Baotou 014010,China）

The contents of heavy metals such as As,Cd,Cr,Cu,Ni,Pb and Ni were measured in the three dominant plants（Phalaris arundinacea,Typha orientalis and Phragmites australis）and the corresponding soil samples,and the contamination levels of heavy metal in soil were carried out by the single factor analysis and comprehensive analysis.At the same time,the characteristics of absorption and accumulation of heavy metals in 3 dominant plants were analyzed in Xiao Bai He Area of the Yellow River Wetland,Baotou.The results showed：the three vegetation soils were moderate polluted,and the contamination levels of As,Cd and Zn were relatively serious.The Ni concentration coefficient of aboveground and underground parts of Typha orientalis is greater than 1,and has positive effect on the recovery of Ni in polluted soils.Transfer coefficient of As,Cd and Zn in Typha orientalis and Phragmites australis is relatively high,means that the two plants have good patience to As,Cd and Zn of soils,but the concentration coefficient and transfer coefficient of As,Cd and Zn,which in high contamination levels,in the three dominant plants were less than 1,means that the three dominant plants can′t repair soils polluted by As,Cd and Zn. The interaction of heavy metals in different plants is different,and the effect of the results will have a certain effect on the accumulation of heavy metals in plants.

Yellow River Wetland;vegetation;heavy metal;enrichment coefficient

X171.5

A

1672-2043（2016）11-2180-07

10.11654/jaes.2016-0335

2016-03-14

國家自然科學基金項目（41263010）；內蒙古包頭黃河濕地生態系統國家定位觀測研究站補助項目（2015-LYPT-DW-037）；內蒙古科技大學創新基金項目（2015QDL16）

高靜湉（1988—），女，碩士，講師，從事濕地生態修復研究。E-mail：nkdgjtsmile@163.com

*通信作者：李衛平E-mail：sjlwp@163.com

高靜湉，杜方圓，李衛平，等.黃河濕地小白河片區優勢植物重金屬的富集特征[J].農業環境科學學報,2016,35（11）：2180-2186.

GAO Jing-tian,DU Fang-yuan,LI Wei-ping,et al.accumulation characteristics of heavy metals in dominant plants in Xiao Bai He Area of the Yellow River Wetland[J].Journal of Agro-Environment Science,2016,35（11）：2180-2186.