水分調控下4種水生植物對重金屬的吸附與富集作用

方飛 浦晨霞 武帥 周麗佳 鄭曉情 費禹凡 屠旖旎

摘要 [目的] 研究水生植物對土壤重金屬的吸附與富集能力。[方法]選用美人蕉、黃花鳶尾、旱傘草、再力花4種濕地植物進行盆栽試驗，比較其對土壤中4種重金屬Cu、Zn、Pb、Cd的富集特性，分析4種水生植物體內重金屬的富集與遷移特征，研究4種水生植物地上部分和地下部分重金屬的動態分布，評價其對土壤中重金屬的綜合去除能力。[結果]干濕交替處理不僅降低了植物的遷移系數也改變了重金屬的富集能力；干濕交替處理促進了美人蕉、黃花鳶尾、再力花對Cu、Zn、Pb、Cd的富集，抑制了旱傘草對4種重金屬的富集；水淹處理4種水生植物對重金屬的遷移系數明顯高于干濕交替處理。[結論]對于Cu、Zn、Pb、Cd污染的土壤利用美人蕉、黃花鳶尾和再力花進行修復時適合水淹種植，利用旱傘草進行修復時水淹和干濕交替均可。

關鍵詞 干濕交替；水生植物；富集系數

中圖分類號 X173 文獻標識碼

A 文章編號 0517-6611（2018）14-0078-04

Adsorption and Enrichment Effect of Heavy Metals by Four Aquatic Plants under Water Regulation

FANG Fei，PU Chenxia，WU Shuai et al

（ School of Environmental & Resources Science，Zhejiang A&F University，Hangzhou，Zhejiang 311300 ）

Abstract [Objective]To study the adsorption and enrichment of heavy metals in soil by aquatic plants.[Method]Four wetland plants，Canna indica，Iris wilsonii，Cyperus alternifolius，Thalia dealbata，were selected for pot experiment.The enrichment characteristics of four heavy metals，such as Cu，Zn，Pb and Cd in soil，were compared.The enrichment and migration of heavy metals in four aquatic plants were analyzed.The dynamic distribution of heavy metals in the aerial parts and underground parts of four aquatic plants was studied，and its comprehensive removal of heavy metals in the soil was evaluated .[Result]Dry and wet alternation not only reduced the plant's transfer coefficient but also changed the metal's ability to enrich.Dry and wet alternation promoted the enrichment of four heavy metals，Cu，Zn，Pb and Cd，and inhibited the enrichment of four heavy metals by Canna indica，Iris wilsonii，Thalia dealbata；The accumulation of Cyperus alternifolius for four heavy metals was inhibited by dry and wet alternation .The migration coefficient of four aquatic plants to the heavy metals in the flooded treatment was significantly higher than that in the dry and wet alternating treatment.[Conclusion]Submerged plants were beneficial to the remediation of Cu，Zn，Pb and Cd contaminated soil for Canna indica，Iris wilsonii and Thalia dealbata.Dry and wet alternate planting and flooding were beneficial to the repair for Cyperus alternifolius.

Key words Dry and wet alternation；Aquatic plants；Enrichment coefficient

隨著工業化和城市化進程的加快，土壤和水體的重金屬污染問題日益嚴重，含重金屬的外來污染物能通過多種途徑進入水體和土壤，包括大氣中重金屬沉降、金屬冶煉、農業生產等[1-2]。由于重金屬不能自然降解或生物降解，往往能長時間存在于水體和土壤中[3-5]。而水體和土壤中的重金屬又能通過食物鏈進入人體并危害人體健康[5-7]。因此，治理重金屬污染已成為我國環境治理的核心問題之一。傳統的治理方法因其投資大，成本高，易造成二次污染[8]。水生植物修復重金屬污染因其成本低、操作簡單、不造成二次污染、具有景觀性等優點而被廣泛關注[9-10]。

水生植物在處理重金屬廢水和重金屬土壤污染方面已有較多研究[11-15]。研究表明，大多數重金屬元素可以被水生植物吸收和積累。目前，國內外對水生植物地下部分吸附重金屬和重金屬的遷移研究較多，但在干濕交替調控條件下，關于水生植物地下部分對重金屬的吸附和遷移的研究較少。干濕交替是水稻種植過程中最常規的管理方式[16]。筆者以干濕交替為基礎，利用美人蕉（Canna indica）、黃花鳶尾（Iris wilsonii）、旱傘草（Cyperus alternifolius）、再力花（Thalia dealbata）4種水生植物進行大棚盆栽試驗，分析4種水生植物地下部分對4種重金屬Cu、Zn、Pb、Cd的富集系數和遷移系數，以期為水生植物修復重金屬污染土壤提供理論依據，同時為生態修復工程篩選植物提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料 供試土壤：采自浙江省富陽市環山鄉諸佳塢村（119°93′66″ E，29°95′00″ N）鋅鎘復合污染 土壤，采集0～20 cm表層土壤，風干后混勻、磨碎、過2 mm尼龍篩備用。

供試植物：選自浙江烏鎮市河（120°28′55″ E，30°45′16″ N），挑選大小一致、生長健壯的美人蕉、黃花鳶尾、旱傘草、再力花。試驗開始前將部分植物和土壤帶回實驗室用于重金屬的測定。另一部分長勢一致的幼苗栽植于裝有土壤的塑料箱中（70 cm×55 cm×45 cm），土壤高度為20 cm。

1.2 試驗設計 試驗設對照組（CK，水層高于土壤層4 cm）和處理組（TCK，干濕交替12 d一個周期處理），每箱種植6株，各設3個重復（每個桶土壤約為100 kg）。試驗期間，用自來水澆灌供試植物，各組植物長勢良好。試驗從2016年7月1日開始至10月1日結束。

1.3 樣品采集與處理 試驗結束后采集整株植物，將植物樣品先用自來水沖洗干凈，再用去離子水沖洗3遍，然后用剪刀將植物分為地下和地上2部分，置于烘箱中105 ℃殺青30 min后，降至80 ℃烘干至恒重。將烘干后的植物磨碎后置于自封袋中備用。

試驗結束后采集每個桶植物根系附近的土壤，將土壤自然風干，磨碎后過100目篩置于自封袋中備用。

1.4 測定項目與方法 土壤樣品：稱取0.2 g 過100目的土壤樣品于消解管中，分別加入8 mL王水和2 mL高氯酸 ，充分搖勻，在消解儀上進行程序加熱消解，消解至土壤殘留物發白和溶液近干，冷卻后加入10 mL 5%的硝酸，再在消解儀上70 ℃加熱1 h，冷卻后移入50 mL離心管，定容搖勻后過濾上ICP分析測定。每批處理均與標準物質做回收率試驗，并以混酸溶液做空白試驗。

植物樣品：稱取磨碎（1 mm）烘干的植物樣品0.3 g于試管中，加優級純濃HNO3 5 mL，加小漏斗（過夜）140～150 ℃消煮至僅少量（1 mL）為止，過濾待測液，用1%優級純HNO3定容至25 mL。

測定過程中采用的土壤和植物標準物質（GBW07447和GBW10012），由中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所購買，并進行質量控制，標準樣品測定結果在允許誤差范圍（83.5%～115.9%）內。

1.5 數據處理 試驗數據采用SPSS 20.0進行統計與分析，采用Origin9.0進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 4種水生植物富集系數特征

2.1.1 水淹處理4種水生植物富集系數特征。由表1可知，4種濕地植物地上部分對Cu的富集系數以美人蕉最大（0.15）；而地下部分對Cu的富集系數以旱傘草最大（2.09）。4種濕地植物對Zn的富集系數均小于1，地上部分以再力花最大（0.20），地下部分以旱傘草最大（0.83）。4種濕地植物地上部分對Pb的富集系數均較小（0.01～0.08），而地下部分對Pb的富集系數以旱傘草最大（1.81），其余3種植物地下部分對Pb的富集系數均小于1。4種濕地植物地上部分對Cd的富集系數以美人蕉最大（1.21），其余3種植物對Cd的富集系數均小于1。4種濕地植物地下部分對Cd的富集系數除黃花鳶尾小于1（0.19）外，其余3種植物對Cd的富集系數均大于1，其中再力花最大為3.14。在水淹處理中，4種濕地植物對Cu、Zn、Pb、Cd的富集系數均表現為地下部分大于地上部分。

2.1.2 干濕交替處理4種水生植物富集系數特征。由表2可知，4種濕地植物地上部分對Cu的富集系數以再力花最大（0.49）；而地下部分以旱傘草最大（1.18）。4種濕地植物地上部分對Zn的富集系數以再力花最大，為4.86。地下部分以再力花最大（1.57），其他富集系數均大于1。4種濕地植物地上部分對Pb的富集系數均小于1，以再力花最大，為0.20。而地下部分以再力花最大（1.00），其余4種植物地下部分對Pb的富集系數均小于1。4種濕地植物地上部分對Cd的富集系數以美人蕉最大（4.77），再力花次之（1.64），其余2種植物對Cd的富集系數均小于1。4種濕地植物地下部分對Cd的富集系數均大于1，其中以美人蕉最大（4.15），黃花鳶尾最小，為1.00。在干濕交替處理中，4種濕地植物中美人蕉對Cd的富集系數表現為地下部分大于地上部分，其余富集系數均表現為地下部分小于地上部分。

與水淹處理相比，干濕交替處理對美人蕉、黃花鳶尾、再力花地下部分吸收重金屬具有促進作用。美人蕉對Cu、Zn、Pb、Cd的富集系數分別提高了156%、137%、319%、284%；黃花鳶尾對Cu、Zn、Pb、Cd的富集系數分別提高了229%、94%、64%、430%；再力花對Cu、Zn、Pb、Cd的富集系數分別提高了29%、138%、151%、115%。而干濕交替處理抑制了旱傘草地下部分對重金屬的富集效果，其對Cu、Zn、Pb、Cd的富集系數分別下降了43%、35%、70%和45%。

2.2 4種水生植物遷移系數特征

2.2.1 水淹處理4種水生植物遷移系數特征。由表3可知，水淹處理下，4種濕地植物對Cu、Zn、Pb、Cd的遷移系數不同。旱傘草對4種重金屬的遷移系數由大到小依次為Zn、Cd、Cu、Pb，美人蕉對4種重金屬的遷移系數由大到小依次為Cd、Zn、Cu、Pb，黃花鳶尾對4種重金屬的遷移系數由大到小依次為Cu、Zn、Cd、Pb。美人蕉對4種金屬的遷移系數為0.58～1.12，其中對Cd的遷移系數大于1.00，對Cu和Zn的遷移系數均接近1.00，可見美人蕉可將其根部的重金屬有效地遷移至地上部分。黃花鳶尾對Pb的遷移能力較弱，對其他3種金屬的遷移能力較強。

2.2.2 干濕交替處理4種水生植物遷移系數特征。由表4可知，干濕交替處理下，4種濕地植物對Cu、Zn、Pb、Cd的遷移能力和規律不同。美人蕉、黃花鳶尾和旱傘草對4種重金屬的遷移系數由大到小依次為Cd、Zn、Cu、Pb。再力花對4種重金屬的遷移系數由大到小依次為Zn、Cd、Cu、Pb。因此，美人蕉能有效地將Cd和鋅遷移至地上部分。再力花對Zn的遷移系數較強，其余2種水生植物對Cu、Zn、Pb、Cd的遷移能力均較弱。

2.3 Cu、Zn、Pb、Cd在4種水生植物體內的分布特征

2.3.1 Cu、Zn、Pb、Cd在美人蕉體內的分布特征。由圖1可知，與水淹處理相比，干濕交替條件下美人蕉地上部分重金屬含量有所下降，Cu、Zn、Cd分別下降了22%、26%、33%；而Pb含量有所上升，上升了27%。說明干濕交替處理使美人蕉地下部分Cu、Zn、Cd的含量增加；但對于Pb，干濕交替處理下美人蕉地下部分含量降低。說明對于Cu、Zn、Cd污染的土壤利用美人蕉進行生態修復時適合使用水淹的種植方式；對于Pb污染的土壤利用美人蕉進行生態修復時適合使用干濕交替的種植方式。

2.3.2 Cu、Zn、Pb、Cd在黃花鳶尾體內的分布特征。由圖2可知，與水淹處理相比，干濕交替條件下黃花鳶尾地上部分Cu、Zn、Pb、Cd含量均有所下降。其中Cu和Zn下降了16%和5%；Pb、Cd下降不明顯，均為1%。說明干濕交替處理使美人蕉地下部分Cu、Zn、Pb、Cd的含量均有所增加，但Pb、Cd增加不明顯。說明對于Cu、Zn污染的土壤利用黃花鳶尾進行生態修復時適合使用水淹的種植方式。

2.3.3 Cu、Zn、Pb、Cd在旱傘草體內的分布特征。由圖3可知，與水淹處理相比，干濕交替條件下旱傘草地上部分Cu、Pb、Cd含量分別上升了6%、3%、7%，說明干濕交替處理增加了旱傘草地上部分Cu、Pb、Cd的含量，但增加不明顯。而Zn含量有所下降，下降了6%。不同種植方式下，旱傘草地下部分重金屬含量均明顯高于地上部分。說明對于Cu、Pb、Cd污染的土壤利用旱傘草進行生態修復時2種種植方式均可。

2.3.4 Cu、Zn、Pb、Cd在再力花體內的分布特征。由圖4可知，與水淹處理相比，干濕交替條件下再力花地上部分Cu、Zn、Pb、Cd的含量均明顯下降，分別下降了51%、19%、23%、71%。其中Cu和Cd的下降量均超過50%。說明干濕交替處理明顯影響再力花地下部分重金屬的含量，對于Cu、Zn、Pb、Cd污染的土壤利用再力花進行生態修復時適合使用水淹處理的種植方式。

3 討論

3.1 水生植物對重金屬的富集特征 水淹處理下，4種濕地植物對Cu、Zn、Pb、Cd的吸收遵循同一模式，即地下部分重金屬富集系數大于地上部分重金屬富集系數。說明Cu、Zn、Pb、Cd易在4種濕地植物的根部富集，這與以往研究結果基本一致[15-18]。在干濕交替處理下，除美人蕉外，其余3種濕地植物對Cu、Zn、Pb、Cd的吸收同樣遵循地下部分富集系數大于地上部分富集系數；而美人蕉對Cd的吸收表現為地上部分富集系數大于地下部分富集系數。說明美人蕉可將Cd轉移至其可收割的地上部分。

干濕交替處理抑制了旱傘草地下部分對重金屬的富集效果，其對Cu、Zn、Pb、Cd的富集系數均有所下降。研究表明土壤水分狀態的改變會影響植物體內多種基因的表達。植物激素乙烯、脫落酸和赤霉素在響應土壤水分變化過程中起重要作用，因此可以推測干濕交替可能影響這些基因的表達，但其具體過程還需要進一步研究[19-20]。

3.2 水生植物對重金屬的轉運特征 水淹處理的植物遷移系數明顯高于干濕交替處理。美人蕉不管是水淹處理還是干濕交替，其重金屬的遷移系數均為4種水生植物最高，但水淹處理的遷移系數明顯高于干濕交替處理。而旱傘草則是4種水生植物中，2種處理遷移系數最低的植物。旱傘草水淹處理時，其體內重金屬的遷移系數為干濕交替處理的10倍。干旱會使葉片水分含量、水勢、滲透勢、氣體交換指標、葉綠素含量和氮含量等降低[21]。重金屬以游離離子的狀態進入細胞質，水生植物出于自我保護，會對重金屬的吸收過程進行控制[22]。植物體內水勢和水分的降低抑制了重金屬在水生植物體內的遷移。同一種植物對不同重金屬的遷移系數不同[23]。干濕交替處理不僅降低了植物的遷移系數也改變了金屬的富集能力。

3.3 水生植物體內重金屬的分布特征 同一種重金屬在不同水生植物體內的分布根據水生植物的不同而不同。研究表明，與完全好氣條件和長期淹水條件相比，干濕交替更有利于土壤中有機物的分解和轉化，加速土壤中胡敏酸的芳構化和腐殖化，提高土壤原有富里酸組分的轉化和胡敏酸組分的分解，抑制土壤原有有機碳的礦化，改善土壤的理化性質，

增加土壤肥力[24-27]。與水淹處理相比，干濕交替處理改變了重金屬在不同水生植物體內的分布。水分的改變影響了水生植物體內適應各種逆境脅迫的保護酶系統，打破了保護酶系統中各種酶的平衡，影響了重金屬在植物體內的運輸，改變了重金屬在植物體內的分布。

4 結論

（1）干濕交替處理不僅降低了植物的遷移系數也改變了金屬的富集能力。

（2）干濕交替處理促進了美人蕉、黃花鳶尾和再力花對Cu、Zn、Pb、Cd的富集，抑制旱傘草對Cu、Zn、Pb、Cd的富集。

（3）水淹處理下4種水生植物對重金屬的遷移系數明顯高于干濕交替處理，即水淹處理有利于重金屬在植物體內遷移。

（4）對于Cu、Zn、Pb、Cd污染的土壤利用黃花鳶尾、再力花和美人蕉進行修復時適合水淹種植，利用旱傘草進行修復時水淹和干濕交替均可。

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