太湖灘涂造林樹(shù)種水松對(duì)重金屬富集作用初步研究

劉 軍，劉云鵬，孫春剛，范晨昕

(1.蘇州市吳江區(qū)林業(yè)站，江蘇 蘇州 215200;2.江蘇省林業(yè)科學(xué)研究院，江蘇 南京 211153)

太湖是我國(guó)第3大淡水湖，地處經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的滬、寧、杭三角帶中心。近年來(lái)，隨著工業(yè)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，太湖水污染日趨嚴(yán)重，已對(duì)沿湖各市經(jīng)濟(jì)發(fā)展、生態(tài)文明和人民生活及身體健康造成了嚴(yán)重影響［1-5］。其中重金屬污染物，因不能被生物降解、殘留時(shí)間長(zhǎng)和通過(guò)食物鏈富集等特性，受到越來(lái)越多的關(guān)注［6-8］。人們比較偏向于認(rèn)為太湖流域的污染主要為有機(jī)污染，但據(jù)近2 a監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，太湖流域的重金屬污染也很嚴(yán)重。主要包括:汞、鉻、鎘、鉛、鋅、鎳、銅、鈷、錳、鈦、釩、鉬、銻、鉍等，特別是前幾種危害更大。傳統(tǒng)的重金屬處理方法，如物理、化學(xué)方法，都存在價(jià)格昂貴、易造成2次污染等缺陷。植物修復(fù)是直接利用植物把受污染土壤或地下水中的污染物(重金屬、有機(jī)污染物等)移除、分解或圍堵的過(guò)程［9-11］。目前普遍認(rèn)為利用植物修復(fù)的方法來(lái)清除受重金屬污染的土地，是一種較便宜且方便的做法。

水松(Glyptostrobus pensilis Staunt.Koch)屬杉科水松屬落葉或半落葉喬木，該屬僅此1種，是世界孑遺植物，中國(guó)特有樹(shù)種。水松極耐水濕，多生于河流2岸、堤圍及田埂上，在潮水線上15～30 cm的立地上生長(zhǎng)最好。長(zhǎng)期浸淹在水中時(shí)樹(shù)干基部會(huì)膨大，形態(tài)奇異，可成片種植于濕地或沼澤地供觀賞。其對(duì)土壤的適應(yīng)性較強(qiáng)，能耐鹽堿土;在中性或微堿性(pH 7～8)、有機(jī)質(zhì)含量高的沖積土上生長(zhǎng)最好。在華南地區(qū)適宜的立地生長(zhǎng)頗快，10年生平均樹(shù)高9.5 m，胸徑16 cm。

本研究以環(huán)太湖造林樹(shù)種水松為材料，探討水松植株對(duì) Cu、Pb、Cr、Ni、Zn 等重金屬元素的吸收和富集情況，旨在為環(huán)太湖灘涂濕地造林和重金屬污染土壤修復(fù)提供基礎(chǔ)資料。

1 材料與方法

1.1 材料來(lái)源

1.1.1 器官樣品 在吳江市環(huán)太湖灘地造林區(qū)，選擇8年生水松植株6株，分別取其根、主干、枝條、葉片若干，裝入保鮮袋備用。樣品用自來(lái)水、去離子水沖洗干凈，放入恒溫烘箱烘干(80℃，16 h左右)。

1.1.2 土壤樣品 在水松造林區(qū)域設(shè)3個(gè)分樣點(diǎn)，采土深度為0～20 cm，采集后將3個(gè)分樣點(diǎn)的樣品均勻混合。樣品放入110℃的恒溫烘箱中烘干，并過(guò)1 mm不銹鋼篩網(wǎng)，裝入密封袋中保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2 檢測(cè)方法

所有樣品按照 GB/T 5009.14-2003、GB/T 5009.138-2003、GB/T 5009.90-2003、GB/T 17138-1997中的規(guī)定，進(jìn)行預(yù)處理和含量測(cè)定。采用AA240FGS-GTA原子吸收分光光度計(jì)分析鉛(Pb)、鎘(Cd)、銅(Cu)、鋅(Zn)、錳(Mn)、鎳(Ni)和鉻(Cr)含量，用AFS-830原子熒光光度計(jì)分析砷(As)和汞(Hg)含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 太湖灘涂造林區(qū)重金屬污染

土壤單項(xiàng)污染指數(shù)=土壤污染物實(shí)測(cè)值/污染物質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn);土壤綜合污染指數(shù)={［(平均單項(xiàng)污染指數(shù))2+(最大單項(xiàng)污染指數(shù))2］/2}1/2。

表1 太湖灘地造林區(qū)域土壤重金屬含量和污染指標(biāo)

對(duì)太湖灘涂造林區(qū)域多點(diǎn)采樣土壤分析結(jié)果顯示，各指標(biāo)均在標(biāo)準(zhǔn)值以內(nèi)，單項(xiàng)污染指數(shù)也在0.032～0.42之間，即Zn、Cu、Pb等8個(gè)重金屬在該區(qū)域未帶來(lái)明顯的污染。土壤的綜合污染指數(shù)為0.54＜0.7，根據(jù)土壤質(zhì)量分析標(biāo)準(zhǔn)，該地區(qū)的土壤尚未受到污染(見(jiàn)表1)。

2.2 水松不同器官重金屬含量與分布

土壤重金屬是隨植物根系吸收作用進(jìn)入植物體內(nèi)并運(yùn)轉(zhuǎn)到植株的不同器官內(nèi)。一般情況下，植物根部重金屬含量高于地上部分，但有些轉(zhuǎn)運(yùn)能力較強(qiáng)的植物，其地上部分器官內(nèi)重金屬含量更高，可以作為富集型植物來(lái)進(jìn)行土壤修復(fù)。本研究對(duì)水松不同部位器官內(nèi)重金屬含量的測(cè)定分析顯示(見(jiàn)表2):(1)水松不同器官內(nèi)重金屬含量顯著不同，除Cd外大致呈根部和葉片中重金屬含量較高，主干和側(cè)枝內(nèi)含量偏低的規(guī)律。Zn、Cu、Hg、As 4種重金屬在植株不同器官內(nèi)的分布規(guī)律為:葉片＞根部＞側(cè)枝＞主干。而Pb的含量則以側(cè)枝中為最高，其他部位內(nèi)Pb含量較低。Cd在水松植株內(nèi)的分布則有別于其他重金屬，其含量以根部最高，其次是主干、枝條，葉片中的Cd含量最低。這主要是由于Cd通過(guò)影響細(xì)胞質(zhì)膜透性從而影響K、P、Ca等營(yíng)養(yǎng)元素的吸收，植物根系吸收土壤中的Cd進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)并將Cd2+固定于根細(xì)胞壁上的交換位點(diǎn)上，組織了Cd2+轉(zhuǎn)移到地上部分，減少對(duì)疏導(dǎo)器官細(xì)胞的傷害。(2)水松對(duì)Cr、Ni 2種重金屬具有一定的抗性。土壤分析結(jié)果表明，造林區(qū)土壤存在Cr、Ni 2種重金屬污染物，其中Cr的單項(xiàng)污染指數(shù)超過(guò)0.4，而水松除根部、葉片檢出低含量的Cr元素外，其他器官均未檢出Ni、Cr元素。這說(shuō)明水松對(duì)Cr、Ni有較強(qiáng)的抗性，該抗性以避性(Avoidance)的途徑獲得。

表2 水松不同器官內(nèi)重金屬的含量

2.3 水松不同器官對(duì)重金屬的富集系數(shù)

富集系數(shù)(吸收系數(shù)，BCF)是衡量植物對(duì)重金屬積累能力大小的一個(gè)重要指標(biāo)，它是指植物體內(nèi)某種重金屬含量與土壤中該種重金屬含量的比值，富集系數(shù)越大，說(shuō)明富集能力越強(qiáng)。根據(jù)表2的檢測(cè)結(jié)果，計(jì)算出水松不同器官對(duì)Zn、Cu、Hg、As等9種元素的富集系數(shù)見(jiàn)表3。檢測(cè)結(jié)果表明:(1)水松對(duì)不同重金屬的富集作用不同。水松對(duì)各重金屬的富集系數(shù)排序?yàn)镃d＞Cu＞Hg＞Zn＞Pb＞Mn＞As＞Cr和Ni。其中對(duì)Cd的富集能力最強(qiáng)，平均富集系數(shù)為0.424，以根部富集系數(shù)最高，達(dá)到0.565，并依次沿主干、側(cè)枝、葉部逐步遞減。水松對(duì)Cu、Hg的也具有一定的富集能力，富集系數(shù)在0.3左右。而水松對(duì) Ni、Cr、As、Pb、Zn、Mn 的富集能力較弱，富集系數(shù)僅為0～0.165之間。(2)水松不同器官對(duì)重金屬的富集作用也不同。對(duì)Zn、Cu、As、Hg等4種重金屬的富集系數(shù)為葉片＞根部＞側(cè)枝＞主干;對(duì)Pb的富集規(guī)律為側(cè)枝＞葉片＞根部＞主干;對(duì)Cd元素的富集規(guī)律為根部＞主干＞側(cè)枝＞葉片;對(duì)Ni和Cr的富集能力最低。

表3 水松不同器官對(duì)重金屬的富集系數(shù)

3 結(jié)論與討論

水松是耐水濕、半常綠性喬木，大枝平展，春葉鮮綠色，入秋后轉(zhuǎn)為紅褐色，并有奇特的藤狀根，具有較高的觀賞價(jià)值，最宜于太湖灘地濕地等低濕地成片造林中使用，即可形成良好的景觀環(huán)境又能固堤、護(hù)岸、防風(fēng)。通過(guò)對(duì)水松不同器官內(nèi)重金屬含量的測(cè)定分析表明，水松對(duì)重金屬具有一定的富集作用，可以作為一種植物修復(fù)樹(shù)種在環(huán)太湖易污染區(qū)域造林。

(1)不同重金屬在水松植株內(nèi)富集能力不同。不同的重金屬元素在土壤——植物系統(tǒng)中的背景值、離子形態(tài)、遷移能力、吸附或絡(luò)合能力及對(duì)植物的毒害作用總是不一樣的，元素在植株中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、累積量、分布系數(shù)等指標(biāo)都不能用于不同重金屬元素間的相互比較，而富集系數(shù)則能夠表征土壤——植物系統(tǒng)中不同重金屬遷移能力的大小，是一個(gè)表示不同元素間差異的較為合適的指標(biāo)。對(duì)水松組織中重金屬分析結(jié)果顯示，水松對(duì)重金屬的富集能力順序?yàn)镃d＞Cu＞Hg＞Zn＞Pb＞Mn＞As＞Cr和Ni。其對(duì)Cd的富集能力最強(qiáng)，平均富集系數(shù)達(dá)到0.424，對(duì)Cr和Ni則具有一定的抗性，它們?cè)诓煌鞴僦械暮烤^低(低于檢出限)。

(2)水松不同器官富集重金屬能力不同。由于植物吸收、富集重金屬的能力受重金屬離子的性質(zhì)及其在植株體內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)、固定位點(diǎn)等諸多因素的影響，重金屬水松植株不同器官中的分布規(guī)律也不相同，但基本呈現(xiàn)葉片和根部器官重金屬含量高，側(cè)枝主干部位組織含量相對(duì)較少的規(guī)律。其中水松對(duì)Cd的富集規(guī)律較為特殊，其呈現(xiàn)從根向枝葉逐步減小的規(guī)律，這可能與Cd2+在植株體內(nèi)的結(jié)合位點(diǎn)有關(guān)。至于造成水松植株中重金屬分布的差異性原因則有待于進(jìn)一步探究。

(3)評(píng)價(jià)植物對(duì)重金屬的富集能力也受植物生長(zhǎng)量、利用方式等因素的影響。水松作為半常綠的喬木樹(shù)種，其生長(zhǎng)量較大、成材后可整株砍伐使用，固定在器官內(nèi)的重金屬不易回流到土壤中，因此，是較為合理的植物修復(fù)方式。但針對(duì)不同部位總的重金屬累積量問(wèn)題，由于未做解析木分析，仍需要進(jìn)一步深入研究。

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