高寒干旱區觀賞植物的重金屬富集特征研究*

段 杰 羅少輝,2 盛海彥#

(1.青海大學農牧學院，青海 西寧 810016；2.青海省雷電災害防御中心，青海 西寧 810001)

高寒干旱區觀賞植物的重金屬富集特征研究*

段 杰1羅少輝1,2盛海彥1#

(1.青海大學農牧學院，青海 西寧 810016；2.青海省雷電災害防御中心，青海 西寧 810001)

對適宜在青海高寒環境下生長的12種觀賞植物進行了研究。結果表明：參試的12種觀賞植物中，對鎘和鋅積累量較大的植物有紅花(Carthamus)、荷蘭菊(Asternovi-belgii)和3種向日葵(Helianthusannuus)。其中，多花向日葵對鎘的凈化率最高，為3.56%，其次是紅花(3.47%)；對鋅凈化率最高的是紅花，為0.66%，其次為多花向日葵(0.65%)。因此，紅花與向日葵可作為綠化帶種植首選的修復植物。

高寒干旱區 觀賞植物 重金屬 富集

Abstract: 12 ornamental plant species historically grown well in the cold climate and high altitude environment were conducted in Qinghai Province. Results indicated thatCarthamus,Asternovi-belgiiand 3 kinds ofHelianthusannuusachieved higher purifying rate of cadmium and zinc than others,and the maximum purifying rate of cadmium was 3.56%,which was occurred in theHelianthusannuuswith many flowers,followed byCarthamus(3.47%). Furthermore,the highest purifying rate of zinc was 0.66%,which was observed inCarthamus,followed byHelianthusannuuswith many flowers (0.65%). As a consequence,CarthamusandHelianthusannuuswere considered as the preferred plant species for remediation in green belt.

Keywords: alpine arid areas; ornamental plant; heavy metal; enrichment

土壤是人類生存發展的基礎，隨著工業城市的發展，土壤污染問題日益嚴重。除了自然地質活動會造成土壤重金屬污染外，各種工業廢水、廢氣、化肥農藥等人為因素也成為了土壤重金屬污染的來源[1-2]。其中，鎘、鋅、鉛和砷等重金屬造成的土壤污染尤為突出，我國近1/5的耕地面積受到這些重金屬的污染[3-6]。由于重金屬污染的長期性和不可逆性，對土壤重金屬污染的防治和修復顯得尤為重要[7]。歐美國家很早展開了對重金屬污染土壤的修復[8]，各種土壤重金屬污染的方法也逐漸被發現，BROOKS等[9]提出了超富集植物的概念，植物修復的方法開始在我國逐漸發展起來。

植物修復主要有植物穩定、植物揮發和植物提取3種類型[10]。鳳尾蕨屬的蜈蚣草(PterisvittataL.)是世界上首次發現的砷超富集植物[11]。隨著植物修復技術的發展，鉛、鋅、鎘等超富集植物的文獻報道隨之出現[12-15]，但關于觀賞性的重金屬富集植物的研究目前報道較少。本研究針對青海氣候寒冷、海拔高的環境特點，對適宜在青海生長的12種觀賞植物進行了研究，以期為環境惡劣地區土壤重金屬植物修復提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于36°32′2″N～36°35′39″N、101°30′42″E～101°32′25″E，海拔2 576～2 846 m，近30年年平均氣溫4.3～11.0 ℃，晝夜溫差大，屬于半干旱內陸高原氣候；多年平均降水量364～582 mm，年積雪日數33.8 d，多年平均日照時數2 570 h。研究區屬于青海重要的有色金屬冶煉區，以鉛、鋅、鋁等有色金屬和鎳、銦、金、銀等貴重金屬加工為主。

1.2 試驗材料

1.2.1 供試土壤

供試土壤為研究區內客土和污染土，土壤類型為栗鈣土，其理化性質見表1。

表1 田間試驗土壤理化性質

1.2.2 供試植物

供試植物為3種向日葵(Helianthusannuus，包括多花向日葵、高向日葵、矮向日葵)、紅花(Carthamus)、錦葵(MalvacathayensisM.G. Gilbert,Y. Tang & Dorr)、荷蘭菊(Asternovi-belgii)、波斯菊(CosmosbipinnatusCav.)、三七景天(Phedimusaizoon(Linnaeus)’t Hart)、反曲景天(SedumrupestreL.)、德國景天(Sedumhyriduncv.Immergrunchett)、鄉巴佬景天(Sedumspectabilecv.Mossback)、八寶景天(SedumspectabileBoreau)，其中5種景天幼苗由西寧市城南苗圃提供，紅花種子由青海農林科學院提供，其余種子由西寧花卉市場購得。

1.3 試驗設計

在研究區內設置2個小區，其規格為2 m×18 m，一小區鋪設客土(對照)，另一小區鋪設污染土。每一小區均勻分為12塊，分別種植12種植物。5種景天的株行距均為15 cm×15 cm，3種向日葵和錦葵的株行距均為25 cm×15 cm，紅花的株行距均為10 cm×15 cm，荷蘭菊、波斯菊的株行距均為8 cm×10 cm。按正常管理除草、澆水。

待植株生長130 d后，分別對2個小區的植物進行隨機采樣，3種向日葵、5種景天及錦葵采集5株，荷蘭菊、紅花采集7株，波斯菊采集10株，采集時植物連根挖出，用自來水充分沖洗以去除粘附于植物樣品上的泥土，瀝干水分。采集的植物樣品分割為地上部(莖、葉和花序)和地下部(根系)，分別測量這兩部分的高度和鮮質量，在70 ℃下于烘箱中烘至恒質量。將烘干后的植物樣品分別稱重，再將地上部磨碎(莖、葉、花序混合在一起磨碎)并充分混合均勻，整個根系也磨碎并充分混合均勻備用。

1.4 樣品處理

收獲的土壤樣品風干后，用瑪瑙研缽研磨，過100目篩。

植物樣品消解采用HNO3-H2O2微波消煮法；土壤樣品消解采用HCl-HNO3-HClO4消煮法；植物、土壤消解液及浸提液中鎘、鋅的測定方法為火焰原子吸收分光光度法。

1.5 植物富集性評價方法

富集系數(BCF)依照文獻[16]計算：

(1)

式中：D為地上部重金屬質量濃度，mg/kg；T為土壤中重金屬質量濃度，mg/kg。

轉運系數(TF)依照文獻[17]計算：

(2)

式中：G為地下部重金屬質量濃度，mg/kg。

一般認為，超富集植物的富集系數和轉運系數均大于1。

凈化率(MER，%)指植物地上部富集的重金屬與土壤中重金屬的百分比，如式(3)所示：

(3)

式中：P為單位面積上植物地上部的重金屬質量，mg/cm2；R為單位面積土壤中的重金屬質量，mg/cm2。

2 結果與分析

2.1 觀賞植物對重金屬的積累性能

轉運系數是超富集植物區別于普通植物對重金屬積累的一個重要特征。將12種觀賞植物地上部及地下部富集的鋅和鎘進行統計，結果見表2。由表2可見，12種觀賞植物的鋅、鎘轉運系數均大于1，說明其從地下部向地上部運輸鋅、鎘的能力很強，具備了重金屬超富集植物的基本特征。其中，矮向日葵、鄉巴佬景天、八寶景天、紅花對鋅的轉運能力較強，其轉運系數大于3，錦葵、德國景天、矮向日葵、鄉巴佬景天、八寶景天的鎘轉運系數大于3。

12種觀賞植物中，鋅富集系數大于1的有波斯菊、高向日葵、多花向日葵、荷蘭菊、矮向日葵，其富集系數依次為1.01、1.16、1.35、1.36、1.66。除反曲景天外，其余11種觀賞植物的鎘富集系數均大于1，其中鎘富集系數大于2的有鄉巴佬景天、紅花、八寶景天、高向日葵、荷蘭菊、波斯菊、多花向日葵、矮向日葵，其富集系數依次為2.28、2.39、2.91、3.50、3.53、3.66、4.22、4.29。

表2 觀賞植物的鋅、鎘質量濃度及積累特征

表3 觀賞植物生物量及其鋅鎘吸收量

表4 觀賞植物的鋅、鎘積累量及凈化率

注：1)鋅、鎘積累量分別以單位面積上所種觀賞植物的整株鋅、鎘吸收量總和計。

2.2 植物對重金屬吸收性能

能用于重金屬污染土壤修復的植物不僅要具備轉運系數和富集系數高的特點，其生物量也是重要的影響因素。只有植物生物量高，積累的重金屬濃度大，植物收獲后從土壤中提取的重金屬多，才能有較好的凈化作用。表3統計了12種觀賞植物的生物量及鋅、鎘吸收量。從表3可以看出，相比其他7種觀賞植物，5種景天的地下生物量占其總生物量的比例較高，達到40%～55%。這是由于景天為多年生植物，肉質根發達，儲存的干物質多。對于鋅吸收量較高的是3種向日葵、錦葵、紅花和八寶景天，其中多花向日葵的整株鋅吸收量(地上部與地下部鋅吸收量的加和)達到22.93 mg/株。整株鎘吸收量較高是多花向日葵、高向日葵、矮向日葵、八寶景天、紅花，其中多花向日葵的整株鎘吸收量達954.1 μg/株。

2.3 觀賞植物對污染土壤的修復效果

12種觀賞植物的鎘、鋅凈化率見表4。由表4可見，鎘和鋅積累量較大的5種觀賞植物是多花向日葵、紅花、高向日葵、荷蘭菊、矮向日葵，其鎘凈化率分別為3.56%、3.47%、2.69%、2.29%、2.12%，鋅凈化率分別為0.65%、0.66%、0.50%、0.52%、0.49%。12種觀賞植物的鋅凈化率低于鎘凈化率，一方面是由于鋅污染程度低于鎘(鋅含量符合《土壤環境質量標準》(GB 15618—1995)三級標準，鎘含量遠超過GB 15618—1995三級標準)，另一方面是由于12種觀賞植物對鋅的富集能力大體上弱于鎘(見表2)。

3 討 論

本研究主要針對研究區鎘和鋅污染土，篩選適宜園區綠化觀賞的超富集植物。在植物選擇上兼顧觀賞性、種源以及對鎘、鋅的富集能力。楊肖娥等[18]研究表明，東南景天(SedumalfrediiH)是鋅超富集植物，據此，本研究選擇了適宜在研究區種植的5種景天。此外，選擇了向日葵等6種生物量大的植物。同時選擇了適合在庭院廣泛種植的錦葵作為試驗材料。

12種觀賞植物中，多花向日葵的鎘凈化率最高，達到3.56%，其次是紅花(3.47%)。對鋅凈化率最高的是紅花，為0.66%，其次為多花向日葵(0.65%)。紅花為栽培植物，且在青海廣泛種植，其抗病性強，可與向日葵作為綠化帶種植首選的修復植物。八寶景天對鎘、鋅的凈化率分別為1.87%、0.31%，與超富集植物印度芥菜(Brassicajuncea)對鎘的凈化能力相當。景天為多年生植物，在污染區種植，每年秋后將地上部分收割集中處置，以后不需再種植，可降低成本。12種觀賞植物的鎘、鋅富集能力雖未完全達到超富集植物的標準，但是利用其對鎘、鋅污染土壤進行修復仍有特殊的意義。結合當地氣候條件考慮，多花向日葵、高向日葵、矮向日葵、紅花和八寶景天均可作為土壤鎘、鋅污染修復植物進行種植，其中多花向日葵修復效果最好；紅花可與向日葵作為綠化帶種植首選的修復植物；景天作為多年生植物，具有重金屬修復成本低的特點。

重金屬污染土壤植物修復后的生物量處理問題始終是植物修復中的難點，常用的方法是將生物量灰化，并將灰分填埋。也可以考慮先將生物量貯存于金屬礦區尾礦庫中，待技術成熟時再將尾礦庫中的重金屬加以回收。

4 結 論

(1) 12種觀賞植物中對鎘凈化率最高的為多花向日葵，凈化率為3.56%，其次為紅花，凈化率為3.47%；對鋅凈化率最高的是紅花，為0.66%，其次為多花向日葵，凈化率為0.65%。

(2) 12種觀賞植物對鎘的凈化率整體高于對鋅的凈化率。

(3) 多花向日葵、高向日葵、矮向日葵、紅花和八寶景天均可作為土壤鎘、鋅污染修復植物進行種植，其中多花向日葵修復效果最好；紅花可與向日葵作為綠化帶種植首選的修復植物；景天作為多年生植物，具有重金屬修復成本低的特點。

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Studyontheaccumulationcharacteristicsofheavymetalinornamentalplantspeciesinalpinearidareas

DUANJie1,LUOShaohui1,2,SHENGHaiyan1.

(1.CollegeofAgricultureandAnimalHusbandry,QinghaiUniversity,XiningQinghai810016;2.QinghaiThunderResistCenter,XiningQinghai810001)

段 杰，女，1992年生，碩士研究生，研究方向為生態環境工程。#

。

*國家自然科學基金資助項目(No.41461077)；青海省科學技術研究項目(No.2009-J-803)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.09.008

2016-05-16)