人工濕地香蒲中重金屬分布規(guī)律研究

葛光環(huán) ，寇 坤 ，喻蘇慧 ，汪 洋 ，溫智亮 ，李 想

（1.安康學院旅游與資源環(huán)境學院，陜西 安康 725000；2.安康學院陜西省院士專家工作站，陜西 安康 725000）

人工濕地是由人工建造和控制運行，與沼澤地類似的地面，將污水、污泥有控制地投配到經(jīng)人工建造的濕地上，污水與污泥沿一定方向流動，利用土壤、人工介質(zhì)、植物、微生物協(xié)同作用，對污水、污泥進行處理的一種技術(shù)［1］。該工藝具有投入少、能耗低、管理成本低和抗沖擊能力強等優(yōu)點。中國水體重金屬污染較嚴重，傳統(tǒng)處理方法過于昂貴且效果一般，因此利用人工濕地凈化廢水中的重金屬具有優(yōu)勢。

植物在凈化污水方面發(fā)揮著重要作用。一方面，植物可以直接吸收污水中的有機物，為自身的生長發(fā)育提供養(yǎng)分，還可以富集游離的重金屬，從而減少污水中污染物的類型和濃度。另一方面，植物的合理配置也可以美化環(huán)境。周海蘭等［2］研究表明重金屬離子可以通過濕地植物來完成吸附和遷移。董志成等［3］研究顯示蘆葦對有毒重金屬的抗性較好，蘆葦根莖葉中 Zn、Cu、Cd 為根＞葉＞莖，根和莖葉中的含量相差較大；蘆葦根莖葉中Pb 和Cr 為根＞莖＞葉且其中的含量都相似。Scholes 等［4］研究表明香蒲能有效吸收鋅、鉛、鉻，相反蘆葦能有效吸收銅。同時，Greenway 等［5］和 Mungur 等［6］指出濕地中重金屬表現(xiàn)為根尖＞根莖＞根狀莖。Hadad 等［7］研究發(fā)現(xiàn)濕地植物中各部位重金屬分布特征不同。

重金屬銅（Cu）和鉻（Cr）是污染環(huán)境的主要重金屬之一，當其在土壤中含量超過臨界值時，會對土壤系統(tǒng)產(chǎn)生毒性。為了研究人工濕地植物中Cu 和Cr 的分布規(guī)律，選取皂河人工濕地和皂河人工濕地示范基地作為研究場地，測定香蒲不同部位中重金屬Cu 和Cr 的濃度，研究香蒲中重金屬的空間分布規(guī)律及其對重金屬的富集性，為濕生植物修復重金屬污染提供一定的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

1）皂河人工濕地。皂河是渭河的一級支流，全長約 30 km，流域面積 300 km2［8］。利用渭河河灘進行水質(zhì)凈化，該人工濕地2012 年4 月竣工，同年5 月至 9 月調(diào)試及驗收并開始運行［9］。

2）皂河人工濕地示范基地。試驗地為二級表流人工濕地，該濕地栽植蘆葦和香蒲，即沿進水方向左右兩邊分別種植香蒲和蘆葦；濕地長約107 m，填充的基質(zhì)為沙子和鋁污泥，其中濕地前段基質(zhì)為沙子，靠近出水位置30 m 段基質(zhì)為鋁污泥。

1.2 采樣點分布

1）采樣點位置。采樣點具體位置如圖1 所示。

圖1 采樣點示意

2）樣品采集。采樣點位于濕地的進水口、中間配水池和出水口，共設有5 個香蒲采樣點，分別為進水口、進水口與中間配水池之間、中間配水池、中間配水池與出水口之間、出水口5 處（分別為采樣點Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ）。采樣點間距約20 m，基質(zhì)的采樣點與香蒲一致。對照樣本在人工濕地外沒有經(jīng)過河水浸漫的區(qū)域進行采集。

3）采樣方法。①植物采集：在每個采樣點采集長勢旺盛、植株高度、生長速率大致相同的4 株植物，間隔性取樣，同時確保樣品的完整性。將香蒲植株放進不同的塑料袋中寫好標簽，記下取樣點位置和標簽編號。②基質(zhì)采集：在與植物一致的采樣點，應用底泥采樣器在水底取少許樣品進行混合。

采樣時先清除根部附近的落葉等雜物，基質(zhì)采樣時需小心謹慎，避免斷根情況的出現(xiàn)，所有接觸樣品的工具均為木片、聚乙烯等材料，避免因為使用金屬工具而帶來其他干擾和污染。

1.3 樣品的預處理

將樣品用自來水沖洗干凈，再用去離子水沖洗3 次。自然干燥后，分別將每個取樣點處香蒲的根、莖和葉均勻攪拌然后剪碎、烘干、殺青、再烘干、測定。香蒲樣品的消解采用干灰化法。

1.4 重金屬測定

運用ICP-OES 電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀對樣品中Cr、Cu 重金屬進行測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 人工濕地香蒲根部重金屬沿水流方向分布的特征分析

人工濕地香蒲根部中重金屬沿水流方向分布如表1 所示。由表1 可知，皂河人工濕地中香蒲根部的重金屬含量除了對照組外，Cr 的含量為2.729 4～7.895 0 mg/kg，平均值為 5.927 1 mg/kg。Cu 的含量為7.201 9～13.768 8 mg/kg，平均值為10.889 8 mg/kg。皂河人工濕地示范基地香蒲中Cr 的含量為1.336 9～2.792 5 mg/kg，平均值為2.099 5 mg/kg；香蒲中Cu的含量范圍為5.045 0～10.383 8 mg/kg，平均值為7.737 9 mg/kg。香蒲中Cu 含量的平均值比Cr 含量的平均值要高。綜合兩個人工濕地的結(jié)果，香蒲根部重金屬的含量Cu＞Cr。

表1 人工濕地香蒲根部重金屬含量 （單位：mg/kg）

人工濕地香蒲根部中重金屬沿水流方向的變化趨勢如圖2 所示。由圖2 可知，皂河人工濕地香蒲中兩種重金屬不同距離的含量變化大致相似，都是在濕地（進水口）較高，在樣點Ⅲ（中間配水池）最低，最后在樣點Ⅴ（出水口）達到最高。與Lesage 等［10］對人工濕地中基質(zhì)和植物對重金屬的延程積累情況的研究結(jié)果一致，即不同距離處的大多數(shù)金屬在植物中的濃度差異不大。

圖2 香蒲根中不同距離重金屬分布特征

由圖2 可知，皂河人工濕地示范基地香蒲中Cu在采樣點Ⅰ（進水口）處較高，經(jīng)采濕地（進水口與中間配水池中間）下降，在采樣點Ⅲ（中間配水池）處降到最低5.045 0 mg/kg，又經(jīng)采樣點Ⅳ（中間配水池與出水口之間）增加，在采樣點Ⅴ（出水口）到達峰值10.383 8 mg/kg；皂河人工濕地示范基地香蒲中Cr 在采樣點Ⅰ（進水口）含量最低為1.336 9 mg/kg，經(jīng)采樣點Ⅱ（進水口與中間配水池之間）緩慢增長，在采樣點Ⅲ（中間配水池）到達最大值2.792 5 mg/kg，在采樣點Ⅳ（中間配水池與出水口中間）下降，采樣點Ⅴ（出水口）又增加到2.491 9 mg/kg。

與對照相比，在進水口，香蒲中Cr 濃度是對照組的數(shù)倍，說明香蒲對高濃度Cr 具有很好的吸收能力，香蒲對有毒重金屬有良好的吸收能力。皂河人工濕地示范基地香蒲中兩種重金屬不同距離的含量變化不一致，可能與濕地運行狀況、基質(zhì)組成、溫度等因素影響香蒲對重金屬的吸收有關(guān)。

2.2 人工濕地香蒲中重金屬垂直分布的特征分析

為分析香蒲體內(nèi)各部位中重金屬濃度，取5 個香蒲采樣點處各部位重金屬濃度平均值作為整個濕地中香蒲各部位重金屬濃度，香蒲不同部位重金屬含量如表2 所示。

表2 人工濕地香蒲不同部位重金屬含量 （單位：mg/kg）

從表2 可以看出，兩個人工濕地中兩種重金屬Cu 和Cr在香蒲的根、莖、葉中含量都是依次遞減，在香蒲的根和莖中，重金屬Cu 的含量都比Cr 的含量高，且高出一倍。而在香蒲的葉中，Cu 的含量比Cr高出4 倍。香蒲體內(nèi)（不含根際底泥）對兩種重金屬的富集能力Cu＞Cr，兩個人工濕地香蒲的根際底泥中Cr的含量比Cu 的含量高。

在皂河人工濕地中，Cr 在香蒲莖中占35%，葉中占11%，根中最多，占54%；Cu 在香蒲莖中占30%，葉中占23%，根中最多，占47%。兩種重金屬都是隨香蒲的垂直分布根、莖、葉依次遞減。

在皂河人工濕地示范基地中，重金屬Cr 在香蒲莖中占31%，葉中最少，占9%，根中最多，占60%；Cu在香蒲莖占29%，葉中占12%，根中最多，占59%。在香蒲體內(nèi)根、莖、葉中的含量大體是依次遞減的，且香蒲對Cu 的吸收能力比對Cr的吸收能力強。

隨著香蒲體內(nèi)（不含根際底泥）的垂直高度根、莖、葉依次增高，香蒲體內(nèi)的重金屬含量大體逐漸降低。在香蒲體內(nèi)的各部位，Cu 含量＞Cr 含量，香蒲（不含根際底泥）對兩種重金屬的富集能力Cu＞Cr。在香蒲的根際底泥中Cr 的含量比Cu 的含量高，結(jié)果與陽承勝等［11］研究結(jié)果一致。

2.3 人工濕地香蒲對重金屬的富集和遷移能力分析

重金屬在根部進行積累后，通過植物體內(nèi)的組織進行運輸轉(zhuǎn)移，將重金屬富集于植物體內(nèi)的各個部位。為了探究人工濕地中植物不同部位重金屬的富集及轉(zhuǎn)移特性，引入生物富集系數(shù)（BCF）和生物轉(zhuǎn)移系數(shù)（BTF）進行分析。

其中，C根/莖/葉為植物根、莖或葉中重金屬的濃度，C基質(zhì)為基質(zhì)中重金屬的濃度。

其中，C莖/葉為水生植物莖或葉中重金屬濃度，C根為水生植物根中重金屬濃度。

2.3.1 人工濕地重金屬的生物富集系數(shù) 由表3 可知，香蒲中不同部位對重金屬的富集能力Cu＞Cr，但皂河人工濕地示范基地香蒲中各部位對重金屬Cr 的富集能力都較弱，均為0.01。香蒲的各部位中Cu 較Cr容易富集，且兩種重金屬由根、莖、葉的富集能力逐漸降低，主要富集于植物的根系部位。重金屬在植物新陳代謝旺盛的器官富集較多，而在營養(yǎng)儲存器官莖、葉則較少。這可能因為植物根系部位產(chǎn)生了一種缺鐵性物質(zhì)，能夠活化Cu 等其他重金屬，從而促進根系部位對這些重金屬元素的吸收，使得基質(zhì)中的重金屬被吸收［12］。皂河人工濕地和皂河人工濕地示范基地中，同種重金屬在香蒲中不同部位的富集系數(shù)有一定差異，可能與根際微生物群落［13］等因素有關(guān)。

表3 人工濕地香蒲各部位重金屬的富集系數(shù)

從表3 可以看出，根際底泥中Cu 和Cr 含量遠大于香蒲中各部位Cu 和Cr 含量，重金屬的富集系數(shù)均＜1，對于重金屬的去除，主要為基質(zhì)吸附和植物吸收，而大多數(shù)情況下，根際底泥中基質(zhì)吸附重金屬量＞植物吸收重金屬量。大量重金屬依然保留在濕地中，通過季節(jié)性收割將重金屬從濕地中去除的方法效率不高，成果不明顯，可以嘗試增加香蒲生物量去除重金屬，當植物對重金屬的富集濃度一定時，生物量越大，其對重金屬的富集能力也越高［14］。還可種植莖葉富集系數(shù)較大的植物、栽培重金屬大量富集在果實或易脫落部分中，可通過季節(jié)性采摘去除［15］的植物等。

2.3.2 人工濕地重金屬的生物轉(zhuǎn)移系數(shù) 由表4 可知，兩種重金屬都較容易將重金屬轉(zhuǎn)移到莖部，香蒲莖的轉(zhuǎn)移系數(shù)大小為Cr＞Cu，說明重金屬Cr 相比于重金屬Cu 較容易轉(zhuǎn)移至香蒲的莖部。葉的轉(zhuǎn)移系數(shù)大小為Cu＞Cr，說明重金屬Cu 更易轉(zhuǎn)移至香蒲葉部。

香蒲根、莖、葉中Cu 含量比Cr 含量分布更為均衡，重金屬Cr 在兩樣地的香蒲根中含量在50%以上，莖中含量在30%左右，葉中含量10%。Cu 的轉(zhuǎn)移系數(shù)較大，可能由于Cu 作為植物的營養(yǎng)元素，對重金屬Cu 元素的吸收能力較強。由此可見，兩個濕地中香蒲能更好地去除重金屬Cu。香蒲在生長過程中都表現(xiàn)出了較強的耐銅能力，仍可用來修復水體重金屬污染。

表4 人工濕地香蒲中不同部位重金屬的轉(zhuǎn)移系數(shù)

3 結(jié)論

1）皂河人工濕地不同距離處的重金屬在香蒲中的濃度差異不大，而皂河人工濕地示范基地香蒲中兩種重金屬不同距離的含量呈現(xiàn)先下降后略上升的趨勢，可能與濕地基質(zhì)組成（鋁污泥）、溫度等因素影響香蒲對重金屬的吸收有關(guān)。重金屬Cu 和Cr 在香蒲根、莖、葉的含量依次遞減，且香蒲各部位Cu 相比Cr含量高出1～4 倍。香蒲能較好地吸收Cu。

2）對于香蒲來說，Cu 相比Cr是較容易富集和轉(zhuǎn)移的重金屬。香蒲對重金屬Cu 和Cr 的吸收遵循根部含量大于地上部分含量的規(guī)律，重金屬主要集中在植物根部和根際底泥當中，大量重金屬依然保留在濕地中，通過季節(jié)性收割將重金屬從濕地中去除的方法效率不高，成果不明顯，嘗試增加香蒲生物量去除重金屬或種植莖葉富集系數(shù)較大的植物。