桂溪河上游河段凈水植物篩選和去污能力比較*

趙小紅 傅 滟 郭 瑀 廖偉伶 封 麗 雷美艷#

(1.重慶市藥物種植研究所,重慶 408435;2.重慶市生態(tài)環(huán)境科學研究院,重慶 400014)

隨著工業(yè)廢水、生活污水排放量日益增長,城市周圍中小河流污染程度愈發(fā)嚴重。污染河流含重金屬、有毒有機物以及氮、磷營養(yǎng)鹽等[1],傳統(tǒng)的物理、化學處理方法在解決水體富營養(yǎng)化和重金屬污染問題時,由于成本高、耗時長、對環(huán)境有破壞性、效率低下[2]1,無法達到良好的修復效果[3]。植物修復技術(shù)具有環(huán)境友好、成本較低、可操作、長期適用等特點近年來逐漸受到關(guān)注[4-5]。該技術(shù)主要通過植物根系的吸收、運輸功能,將污染物轉(zhuǎn)移到植物體內(nèi)[2]4,累積后隨著植物的收獲而被帶離污染水體或土壤以達到修復目的。

城市內(nèi)河是影響城市生活的重要因素,它對城市用水、小氣候、綠化甚至城市文化與城市的格局都產(chǎn)生重要的影響[6]。近年來,城市內(nèi)河面臨污染加劇、生態(tài)系統(tǒng)破壞及自凈能力退化等問題,需引起高度重視。桂溪河流經(jīng)重慶市墊江區(qū)縣城,是典型的城市內(nèi)河。水質(zhì)成為桂溪河流域生態(tài)提升的重要問題,植物修復技術(shù)不僅能有效提升水質(zhì),還能幫助改善河流生態(tài)系統(tǒng),該技術(shù)的運用將成為桂溪河水質(zhì)提升的重要嘗試。而針對桂溪河流域的凈水植物種類篩選和凈水效果研究,是開展水體植物修復的重要基礎(chǔ)。

前人研究表明,伊樂藻(Elodeacanadensis)具有較強的TN、TP去除能力[7];美人蕉(Cannaindica)、慈姑(Sagittariatrifolia)、菖蒲(Acoruscalamus)對氮的去除效果較好;澤瀉(Alismaplantago-aquatica)、菰(Zizanialatifolia)對磷的去除具有優(yōu)勢[8]。水生植物也可用于重金屬的吸收,尤其適用于低流速江河及湖泊等重金屬污染水體修復[9]110,石菖蒲(Acorustatarinowii)、菖蒲對Cr、Pb、Cd具有較高的去除性能[10]。本研究依托重慶市墊江縣桂溪河河段開展城市內(nèi)河的植物修復技術(shù)研究,比較分析30種植物體內(nèi)各元素含量和其對各重金屬的富集能力,篩選出綜合去污能力較強的植物,為進一步制定桂溪河水體植物修復方案奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗點

桂溪河屬龍溪河一級支流,干流全長37.9 km,流域面積164 km2,多年平均流量2.62 m3/s,多年平均年徑流總量8.3×107m3,河流平均坡度0.026%。試驗點水質(zhì)較差,水體富營養(yǎng)化嚴重,表現(xiàn)為化學需氧量23.06 mg/L、高錳酸鹽指數(shù)5.95 mg/L、TP 0.53 mg/L、TN 8.11 mg/L,為中度富營養(yǎng)化水體[11]。歷年觀測統(tǒng)計顯示桂溪河平均風速為1.2 m/s,最高風速出現(xiàn)在4月,達1.5 m/s,最低風速出現(xiàn)在11月,介于0.9～1.0 m/s;桂溪河水深0.2～1.5 m,流速0.1～0.2 m/s。

1.2 試驗材料

試驗材料信息見表1,材料由重慶市藥物種植研究所提供,經(jīng)長江師范學院楊利平教授鑒定。移栽前大多數(shù)植物幼苗高30～40 cm(再力花和旱傘草幼苗株高1.0～1.2 m),植株健壯、長勢一致。

表1 供試植物信息1)Table 1 Information of plant materials

1.3 樣品采集與分析

在試驗區(qū)域河道和河岸帶建立植物凈水帶,每種植物種植面積為20 m2(長20 m,寬1 m),種植密度根據(jù)實際情況而定。定期觀察供試植物生長狀況,記錄存活率,于6個月后取樣檢測植物體內(nèi)TN、TP、Cu、Zn、Pb、Cd、Hg、Cr、As含量,采集樣品時采用五點法,每種植物采集5株樣品,洗凈后105 ℃殺青,65 ℃烘干至恒重,粉碎過篩。參照《植物中氮、磷、鉀的測定》(NY/T 2017—2011)測定植物中TN、TP含量;參照《食品安全國家標準 食品中多元素的測定》(GB 5009.268—2016),采用硝酸消解—電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)法測定植物Zn、Pb、Cd、As、Hg、Cr、Cu含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

植物的綜合去污能力參照陳平等[22]所用的隸屬函數(shù)值(某指標測定值減去其最小值再除以極差)進行計算。植物對重金屬的富集系數(shù)由植物體內(nèi)重金屬含量除以土壤中對應(yīng)重金屬含量計算得出。

2 結(jié)果與討論

2.1 植物存活情況

由表2可知,不同植物在桂溪河試驗點存活情況存在差異。大部分植物能較好地適應(yīng)種植環(huán)境,水體植物中黑三棱、旱傘草、劍葉梭魚草、再力花移栽之后存活率達到100%;河岸植物中艾草、黃菖蒲、美人蕉、金蕎麥、藨草、皺葉酸模全部存活。大部分供試植物環(huán)境適應(yīng)性良好,僅有部分植物如澤瀉、麥冬、菰存活率較低,且河岸植物整體存活率高于水體植物,這與水體植物易受河流水深、溫度、水體pH的影響,且易被水流沖擊有關(guān)。

表2 供試植物在試驗點存活率Table 2 Survival rate of plants %

2.2 植物體內(nèi)TN和TP含量

由圖1可知,TN含量位列前5的植物排名從高到低為艾草、伊樂藻、菹草、皺葉酸模、慈姑,TP含量位列前5的植物排名從高到低為伊樂藻、慈姑、澤瀉、眼子菜、皺葉酸模。含TN最高的供試植物為艾草(45.39 g/kg),最低為薏苡(15.64 g/kg),最高值是最低值的2.90倍;含TP最高的供試植物為伊樂藻(8.84 g/kg),最低為黑三棱(1.50 g/kg),最高值是最低值的5.89倍。氮、磷綜合吸收能力較強的供試植物有艾草、伊樂藻、菹草、皺葉酸模、慈姑、澤瀉和眼子菜。結(jié)合表2發(fā)現(xiàn),除澤瀉外,氮、磷吸收能力較強的植物移栽后長勢良好、存活率高。氮、磷的相互作用及其與環(huán)境的關(guān)系共同決定了植物的營養(yǎng)狀況和長勢,進而影響植物對土壤養(yǎng)分的吸收與富集[23],其中,氮素的吸收能促進光反應(yīng),有效增加葉片數(shù)量,增大葉面積,進而增大光合面積,增加光合產(chǎn)物;磷的吸收影響植物光合作用、生長以及生物量分配等過程[24]。

圖1 植物體內(nèi)TN和TP分布Fig.1 Distribution of TN and TP in plants

2.3 植物體內(nèi)重金屬含量

不同重金屬在植物體內(nèi)含量存在明顯差異(見圖2)。供試植物體內(nèi)重金屬含量整體表現(xiàn)為Zn>Cr>Cu>Pb>As>Cd>Hg,其中Zn平均值(28.108 mg/kg)是Hg平均值(0.028 mg/kg)的1 003.86倍。

圖2 植物體內(nèi)重金屬分布Fig.2 Distribution of heavy metals in plants

同一重金屬在不同植物體內(nèi)含量存在差異。含Zn最高的供試植物為伊樂藻(83.36 mg/kg),最低為藨草(5.02 mg/kg),最高值是最低值的16.61倍;含Cr最高的供試植物為石菖蒲(40.38 mg/kg),最低為睡蓮(2.31 mg/kg),最高值是最低值的17.48倍;含Cu最高的供試植物為艾草(17.06 mg/kg),最低為藨草(0.94 mg/kg),最高值是最低值的18.15倍;含Pb最高的供試植物為芡實(5.84 mg/kg),最低為藨草(0.31 mg/kg),最高值是最低值的18.84倍;含As最高的供試植物為伊樂藻(2.41 mg/kg),最低為藨草(0.06 mg/kg),最高值是最低值的40.17倍;含Cd最高的供試植物為黃菖蒲(0.539 mg/kg),最低為藨草(0.007 mg/kg),最高值是最低值的77.00倍;含Hg最高的供試植物為黑三棱(108.03 μg/kg),最低為藨草(1.17 μg/kg),最高值是最低值的92.33倍。

綜合分析發(fā)現(xiàn),對重金屬吸收能力較強的植物排名從高到低依次為伊樂藻、菹草、菖蒲、皺葉酸模、艾草、美人蕉、荸薺、石菖蒲,其中伊樂藻、菹草、菖蒲、荸薺、石菖蒲種植于河流水體,而皺葉酸模、艾草、美人蕉種植于河岸帶。植物可以利用根系對水體和土壤中的重金屬進行吸收、轉(zhuǎn)化和富集[9]107,有效降低重金屬濃度,抑制其遷移性[25],作用方式主要有植物提取、植物揮發(fā)、植物穩(wěn)定和植物過濾[26]。本試驗在桂溪河上游種植重金屬吸收能力較強的植物,通過植物根系吸收并轉(zhuǎn)運水體和底泥中重金屬污染物至地上部分,經(jīng)過人工收割植物,降低水體和底泥中污染物濃度,反復種植、收割以達到修復目的[27]。植物對重金屬吸收能力存在差異,吸收能力主要受植物種類、生物量、株齡、種植時間和重金屬濃度等因素影響[9]109-111。重金屬吸收能力排名前5的植物中,伊樂藻在低流速水體生長旺盛,根系發(fā)達,對多種重金屬吸收能力突出;菹草、菖蒲、皺葉酸模和艾草均根系發(fā)達,環(huán)境適應(yīng)性良好,對Zn吸收能力較強。根據(jù)水體重金屬污染物的復雜性,可以選擇多種植物混種,采用多種吸收能力相似的植物合理配置組合,發(fā)揮多種植物在吸收重金屬方面的協(xié)同作用,有助于提高重金屬污染水體的植物修復效率。

2.4 TN、TP及多元素含量的綜合評價

為了比較全面地反映每種植物的綜合去污能力,采用隸屬函數(shù)法,通過與植物去污能力相關(guān)的9個指標(TN、TP、Cu、Zn、Pb、Cd、Hg、Cr、As含量)對30種植物去污能力進行綜合評價,各植物的綜合去污能力隸屬函數(shù)值見表3。綜合去污能力較強的供試植物為伊樂藻、菹草、艾草、皺葉酸模、美人蕉、黃菖蒲;而菱角、苦草、睡蓮、再力花、藨草的綜合去污能力較弱。

2.5 植物對重金屬的富集系數(shù)

由圖3可知,供試植物對不同重金屬的富集能力整體表現(xiàn)為Cd>Zn>Cu>As>Cr>Hg>Pb。黃菖蒲、艾草、薏苡和皺葉酸模對Cd的富集系數(shù)大于1,分別為3.26、1.77、1.44和1.37,屬于Cd富集型植物;供試植物對Zn、Cu、As、Cr、Hg、Pb的富集系數(shù)均小于1。供試植物中重金屬富集能力較強的有黃菖蒲、艾草、皺葉酸模、薏苡、伊樂藻、菰、菹草、美人蕉、菖蒲。

圖3 植物對重金屬的富集系數(shù)Fig.3 Bioaccumulation factor of heavy metals for plants

2.6 相關(guān)性分析和聚類分析

由表4可知,植物體內(nèi)各指標之間具有一定相關(guān)性。相關(guān)性靠前的指標關(guān)系為:TN和TP含量之間呈極顯著正相關(guān),皮爾遜相關(guān)系數(shù)(以下簡稱相關(guān)系數(shù))達到0.76;Zn和Cu含量之間成極顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.74;As和Pb含量之間也存在極顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.68。指標之間的相關(guān)性分析有助于明確植物吸收特性,為凈水植物種類篩選提供參考。

表4 植物體內(nèi)指標間的相關(guān)性1)Table 4 Correlation analysis between indexes in plants

基于9種指標,采用Ward法對供試植物去污能力進行聚類,可將其劃分為3個類群。第Ⅰ類群包含7種植物:伊樂藻、菹草、艾草、皺葉酸模、澤瀉、眼子菜、慈姑,其去污能力相對較強;第Ⅱ類群包含9種中等去污能力植物:美人蕉、石菖蒲、芡實、菱角、香蒲、麥冬、金蕎麥、梭魚草和黑三棱;第Ⅲ類群包含14種植物:苦草、睡蓮、藨草、旱傘草、金魚藻、劍葉梭魚草、水芹、輪葉黑藻、再力花、菖蒲、荸薺、菰、黃菖蒲和薏苡,去污能力相對較弱。

2.7 桂溪河上游流域凈水植物種類篩選

綜合分析發(fā)現(xiàn):供試植物中伊樂藻、菹草、艾草、皺葉酸模、美人蕉等吸收能力較強,環(huán)境適應(yīng)性良好,可用于植物修復。其中,伊樂藻TN、TP吸收能力較強[28],可以存活于富營養(yǎng)環(huán)境中,但伊樂藻適宜生長在0.07～0.11 m/s的低流速區(qū)域[29],桂溪河流速0.1～0.2 m/s,對伊樂藻產(chǎn)生“沖刷”效果,該植物不宜用于桂溪河流域水體修復,睡蓮、芡實和菱角也存在相同問題。金蕎麥、菖蒲、皺葉酸模和香蒲在當?shù)貜V泛分布,移栽之后能快速適應(yīng)環(huán)境,綜合去污能力較強,可用于桂溪河上游水體修復。在制定桂溪河上游植物修復方案時,針對其水質(zhì)情況,可以選擇菹草、艾草、慈姑等吸收能力較強的植物作為先鋒植物,后期選擇香蒲、金蕎麥、皺葉酸模等本地生長且吸收能力尚可的植物配置組合穩(wěn)定水質(zhì)。

3 結(jié) 論

(1) 移栽后大部分植物如艾草、黑三棱、黃菖蒲、藨草、皺葉酸模等快速適應(yīng)環(huán)境、生長狀況良好,少部分植物如澤瀉、麥冬、菰存活率較低,篩選環(huán)境適應(yīng)能力較強的植物有助于植物修復方案的實施。

(2) 植物體內(nèi)重金屬含量整體表現(xiàn)為Zn>Cr>Cu>Pb>As>Cd>Hg,重金屬吸收能力位列前5的植物排名從高到低依次為伊樂藻、菹草、菖蒲、皺葉酸模、艾草。

(3) 植物對重金屬富集系數(shù)整體表現(xiàn)為Cd>Zn>Cu>As>Cr>Hg>Pb。重金屬綜合富集能力較強的有黃菖蒲、艾草、皺葉酸模、薏苡、伊樂藻、菰、菹草、美人蕉;黃菖蒲、艾草、薏苡和皺葉酸模對Cd的富集系數(shù)均大于1,屬于Cd富集型植物。

(4) 針對桂溪河水體富營養(yǎng)化特征推薦修復方案為:前期可以選擇菹草、艾草、慈姑等吸收能力強的植物作為先鋒植物,后期穩(wěn)定水質(zhì)可以選擇香蒲、金蕎麥、皺葉酸模等本地生長且吸收能力尚可的植物配置組合,以鞏固前期修復成果。