幾種適合在紅河州生態(tài)混凝土中生長的草本植物對重金屬的富集

段吉鴻，王　琳，張學(xué)森，李國紅

(1.紅河州水利水電工程地質(zhì)鉆探隊,云南 蒙自　661100；2.昆明理工大學(xué) 電力工程學(xué)院,昆明　650500；3.云南藝科工程設(shè)計有限公司，昆明　650051)

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幾種適合在紅河州生態(tài)混凝土中生長的草本植物對重金屬的富集

段吉鴻1，王琳2,3，張學(xué)森1，李國紅1

(1.紅河州水利水電工程地質(zhì)鉆探隊,云南 蒙自661100；2.昆明理工大學(xué) 電力工程學(xué)院,昆明650500；3.云南藝科工程設(shè)計有限公司，昆明650051)

為了確定適合在生態(tài)混凝土中生長和修復(fù)環(huán)境的植物種類，根據(jù)紅河州的氣候、土壤特點(diǎn)，初步選擇9種草本植物，并采用生態(tài)混凝土施工工藝對草本植物進(jìn)行栽培，同時分析所選植物對重金屬Pb，Zn，Cu，Cr，Hg，Cd的富集情況。試驗(yàn)結(jié)果表明：①對Pb，Zn，Hg富集最高的植物分別是狗牙根草、香根草、金葉苔草，對Cu，Cr，Cd富集最高的植物是鴨跖草；②重金屬平均富集系數(shù)最高的是鴨跖草，其余依次為鬼針草、金葉苔草、香根草、沿階草、梭梭草、狗牙根草、蜈蚣草、美人蕉，其中鴨跖草、鬼針草、金葉苔草的平均富集系數(shù)均>1。結(jié)合植物對重金屬的富集能力和適合在生態(tài)混凝土中生長的情況，綜合評定9種植物中鴨跖草、香根草最適合在生態(tài)混凝土工程中采用。

生態(tài)混凝土；草本植物；重金屬污染；富集系數(shù)；植物修復(fù)

1　研究背景

綠色生態(tài)混凝土是20世紀(jì)90年代提出的一種新型混凝土，它具有透水透氣、可植生、吸音降噪等性能，能夠適應(yīng)生物生長，對調(diào)節(jié)生態(tài)平衡、美化環(huán)境景觀、實(shí)現(xiàn)人類與自然的協(xié)調(diào)發(fā)展具有積極作用。經(jīng)過20多年的發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于道路護(hù)坡、河道治理、城市護(hù)坡、景觀工程等方面，具有十分廣泛的應(yīng)用前景[1-4]。紅河州地處我國西南邊陲，經(jīng)濟(jì)、技術(shù)條件較為落后，在生態(tài)混凝土方面的應(yīng)用、研究較發(fā)達(dá)地區(qū)明顯落后。

目前，紅河州已將生態(tài)混凝土應(yīng)用于河道護(hù)坡工程中，普遍采用的是河道邊坡上加注生態(tài)混凝土后表層客土回填的栽種植物方式，但效果不太理想，造成不理想的主要原因是引進(jìn)生態(tài)混凝土技術(shù)時忽視了當(dāng)?shù)丨h(huán)境氣候及土壤條件對所選植物生長的影響，導(dǎo)致所引進(jìn)的植被品種不適合當(dāng)?shù)厣L。另一方面，由于紅河州廠礦企業(yè)較多，因此局部土壤重金屬污染較為嚴(yán)重[5]。對于重金屬的污染，目前大多采用工程、物理化學(xué)和化學(xué)方法進(jìn)行修復(fù)，工程修復(fù)具有實(shí)施工程量大、投資費(fèi)用高的缺點(diǎn)；化學(xué)修復(fù)只改變了重金屬在土壤中存在的形態(tài)，金屬元素仍保留在土壤中，容易再度活化危害土壤，同時還會導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)破壞，生物活性下降和土壤肥力退化，不宜廣泛推廣。生物修復(fù)是一項新興的高效修復(fù)技術(shù)，它通過生物吸收從土壤中去除重金屬，具有良好的社會、生態(tài)綜合效益[6]。雖然目前針對植被對重金屬的吸附已經(jīng)作了大量的研究[7-9]，但針對既適合在生態(tài)混凝土中生長又能吸附重金屬的植物研究還很少。因此，本文選擇既適合在紅河州生態(tài)混凝土中生長，又能富集重金屬的植物進(jìn)行研究，為工程護(hù)坡和土壤修復(fù)提供依據(jù)。

2　紅河州的氣候、土壤特點(diǎn)及污染現(xiàn)狀

2.1紅河州氣候特點(diǎn)

紅河州的氣候?qū)儆趤啛釒Ц咴撅L(fēng)氣候，年平均氣溫在15～22℃之間。州內(nèi)年平均降雨量為800～1 600 mm，每年的干、雨季節(jié)區(qū)分較為顯著，5—10月份為雨季，降雨量占全州總降雨量的80%以上，6—8月份是大強(qiáng)度連續(xù)降雨主要集中的時段，具有時空地域分布極不均勻的特征。

2.2紅河州土壤特點(diǎn)

紅河州碳酸鹽分布廣泛。由于氣溫高，碳酸鹽強(qiáng)烈化學(xué)風(fēng)化后形成紅黏土，紅黏土分布十分廣泛。云南紅黏土是一種特殊的紅黏土，紅土化作用充分，一般呈褐紅色，孔隙大、密度低，黏粒含量、含水量、液限和塑限高，塑性指數(shù)較大，物理、水理性質(zhì)具有軟土的特性。紅黏土風(fēng)化總體上是富鋁脫硅、富鐵錳及鈣鎂淋失的特征。紅黏土經(jīng)過強(qiáng)淋溶作用，礦質(zhì)養(yǎng)分少、酸性大、易產(chǎn)生鋁錳毒害、保肥性能差、質(zhì)地粘重或砂粒過多、保水性差等不良性狀。紅黏土的全剖面呈酸性，pH為5.00～5.50。對多個區(qū)域庫水酸堿度的實(shí)測表明：紅土覆蓋區(qū)域的徑流均呈弱酸性，pH為6.48～6.83；紅土山區(qū)的庫水呈弱酸性，pH為6.48～6.88，且pH值隨著水深、時間的增加而緩慢減小[10-11]。

2.3紅河州土壤污染現(xiàn)狀

根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)資料，紅河州局部土壤中重金屬Zn，Hg，Pb，Cd，Cr和Cu的最高含量分別達(dá)1 370,0.25,1 460,9.27,189.6,286 mg/kg。嚴(yán)重超過國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB15618—1995)[12]三級標(biāo)準(zhǔn)，部分采樣區(qū)達(dá)到中度甚至重度污染。未污染的土壤的Zn,Hg，Pb，Cd，Cr，Cu 這6種重金屬的背景值分別為：46.90,0.061 8，26.08，0.35，88.30，35.92mg/kg[13]。

3　9種草本植物對重金屬富集試驗(yàn)

3.1適合在紅河州生態(tài)混凝土中生長的草本植物選擇

由于紅河州降雨分布不均，要求植被抗旱能力強(qiáng)；紅土的土質(zhì)偏酸性，甚至呈酸性、強(qiáng)酸性，要求植被抗酸能力強(qiáng)；另外紅土肥力貧瘠，也要求植被抗貧瘠能力強(qiáng)。

經(jīng)過廣泛篩選和試驗(yàn)栽培，適合在紅河州生長、具有觀賞性的植被主要有：沿階草(Ophiopogon bodinieri)、美人蕉(Canna indica L.)、鴨跖草(Commelina communis)、香根草(Vetiveria zizanioides L.)、狗牙根草(Cynodon dactylon)、蜈蚣草(Nephrolepiscordifolia(L.)Presl)、金葉苔草(Carex ‘Evergold’)、梭梭草(Cyperus rotundus)和鬼針草(Bidens pilosa L.)。

3.2草本植物的培養(yǎng)

根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)資料，紅河州土壤中重金屬含量分布極不均勻，同一種元素在不同樣品中含量相差達(dá)10～100倍，而同一個土樣中不同種類的重金屬含量也不同。為了消除天然土壤中重金屬含量的不均勻性，試驗(yàn)過程中采用人工拌制污染土壤，確保土壤中存在各種重金屬污染。污染土壤拌制過程中，既參考天然土壤中重金屬的含量，也參考《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB15618—1995)三級標(biāo)準(zhǔn)的限值，進(jìn)行綜合確定。最終污染土壤中Cr，Cu，Zn按三級標(biāo)準(zhǔn)的3倍配制，Cd約按5倍三級標(biāo)準(zhǔn)配制，Hg約按10倍三級標(biāo)準(zhǔn)配制。配制好的污染土壤重金屬含量如表1所示。

表1　土壤中重金屬含量

栽培試驗(yàn)分2組進(jìn)行，一組草本植物采用未污染土壤培養(yǎng)(即下文中的對照組)；另一組草本植物采用污染土壤培養(yǎng)(即下文中的試驗(yàn)組)。每組試驗(yàn)中每種植物均培養(yǎng)4個樣本進(jìn)行平行試驗(yàn)。試驗(yàn)組植物的栽培工藝參考生態(tài)混凝土的施工方法，首先將拌合均勻的污染土壤加入到花盆中，厚度約為5 cm；接著往花盆中加入拌合好的生態(tài)混凝土，厚度約為5 cm；然后加入約15 cm厚的污染土壤，再栽種植物幼苗或播撒草籽；最后在表層加注約5～10 cm厚的生態(tài)混凝土。栽培試驗(yàn)從當(dāng)年的4月初開始進(jìn)行，于11月下旬結(jié)束，并收集草本植物樣本用于重金屬分析測試。

3.39種草本植物對重金屬的富集分析

9種草本植物的試驗(yàn)組及對照組的樣品委托云南分析測試中心(研究所)，對Pb，Zn，Cu，Cr，Hg，Cd這6種重金屬進(jìn)行檢測，其中Hg采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀檢測，其余的Pb，Zn，Cu，Cr，Cd采用原子熒光分光光度計檢測。測試前，首先將植物樣品用自來水沖洗干凈，再用去離子水沖洗一遍，放入烘箱中在105 ℃下殺青1 h，再調(diào)至70 ℃烘干，磨碎，待測。

9種植物中重金屬的含量如表2所示。表2中，富集系數(shù)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，是衡量植物對某一重金屬積累能力大小的重要指標(biāo)，富集系數(shù)越大，其富集能力越強(qiáng)。對比系數(shù)是同一種類植物分別在污染土壤和未污染土壤中生長，植物體內(nèi)重金屬含量的比值，用于衡量植物富集重金屬相對強(qiáng)弱。由于土壤重金屬污染一般都是多種重金屬的復(fù)合污染，因此要求所選修復(fù)植物能對多種重金屬進(jìn)行富集。這里采用平均富集系數(shù)和平均對比系數(shù)來綜合反映植物對重金屬的吸附，結(jié)果如表3所示。表3中，平均富集系數(shù)為一種植物體內(nèi)多種重金屬的富集系數(shù)的平均值，用于反映植物對多種重金屬吸附能力的大小。平均對比系數(shù)為一種植物體內(nèi)多種重金屬的對比系數(shù)的平均值，用于衡量植物富集多種重金屬相對強(qiáng)弱。

表2　9種草本植物中重金屬含量

表3　9種植物的平均富集系數(shù)和平均對比系數(shù)

一般認(rèn)為超富集植物應(yīng)同時具備3個特征：①植物地上部(莖和葉)重金屬含量是普通植物在同一生長條件下的100倍，重金屬Zn，Cd ，Au的臨界含量分別為10 000，100，1 mg/kg，Pb，Cu，Ni，Co的臨界含量均為1 000 mg/kg；②植物地上部重金屬含量大于根部該種重金屬含量；③植物的生長沒有出現(xiàn)明顯的受害癥狀且富集系數(shù)較大，通常應(yīng)>1[8,14]。

由表2和表3可以看出，9種草本植物對重金屬的富集具有以下特點(diǎn)：

(1)所選9種植物對Pb，Zn，Cu，Cr的富集系數(shù)都比較低，不具備超富集植物的特征；對Hg，Cd的富集較為明顯，除美人蕉、蜈蚣草外，富集系數(shù)基本上>1。

(2)沿階草對Cd，Hg的富集系數(shù)分別達(dá)2.140 8，1.085 0，對比系數(shù)分別達(dá)9.969 0，12.087 0，富集較為明顯；對Pb，Zn，Cu，Cr的富集不明顯，對Pb，Cr的對比系數(shù)<1，說明土壤中Pb，Cr濃度較高時，抑制沿階草對Pb，Cr的吸收；其他幾種植物對重金屬的富集也具有類似的規(guī)律。

(3)所選9種植物，對Pb富集最高的植物是狗牙根草；對Zn富集最高的是鬼針草；對Cu富集最高的是鴨跖草；對Cr富集最高的植物是鴨跖草；對Hg富集最高的植物是金葉苔草；對Cd富集最高的植物是鴨跖草。

(4)重金屬平均富集系數(shù)最高是鴨跖草，其次是鬼針草、金葉苔草、香根草、沿階草、梭梭草、狗牙根草、蜈蚣草、美人蕉，其中：鴨跖草、鬼針草、金葉苔草的平均富集系數(shù)均>1。

試驗(yàn)中，9種植物對Pb，Zn，Cu，Cr的富集均較文獻(xiàn)[14]、文獻(xiàn)[15]偏低，其主要原因是：

(1)由于土壤中拌制的重金屬種類較多(達(dá)到6種)且濃度比較高，通過重金屬間的相互影響，以及濃度過高抑制作物對Pb，Zn，Cu，Cr的富集。

(2)由于生態(tài)混凝土要求植物在多孔混凝上生長，混凝土屬于堿性材料，受到堿性的混凝土影響，導(dǎo)致與混凝土接觸的表層土壤pH升高，在較高pH條件下，土壤中Pb，Zn，Cu，Cr的有效態(tài)含量會降低，抑制植物的吸收。

在采用生態(tài)混凝土對重金屬污染土壤進(jìn)行修復(fù)時，不但要考慮植物對重金屬的富集能力，還要考慮植物的生長速度，盡可能保證植物地上部分生物量大，達(dá)到對土壤較好的修復(fù)效果。另外，由于生態(tài)混凝土還要兼顧美化環(huán)境的作用，因此在選擇植物時，需要植物具有較好的觀賞性。綜合以上2點(diǎn)要求，從植物對重金屬富集能力、可栽培性、成活率、生長速度和可觀賞性等方面對9種植物作綜合評價。9種植物中能較好地適合生態(tài)混凝土生長又能富集重金屬的優(yōu)選植物是鴨跖草、香根草；其次是金葉苔草、沿階草、鬼針草、美人蕉；不建議采用蜈蚣草、梭梭草、狗牙根草，因?yàn)槠湫Ч^差。

4　結(jié)　論

根據(jù)紅河州的氣候、土壤條件，初步選擇9種適合當(dāng)?shù)厣L的草本植物，采用生態(tài)混凝土施工工藝對草本植物進(jìn)行栽培，通過試驗(yàn)分析所選植物對重金屬Pb，Zn，Cu，Cr，Hg，Cd的富集情況以及生長情況。重金屬污染土壤根據(jù)當(dāng)?shù)赝寥乐兄亟饘俸拷Y(jié)合國家土壤標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行配制。試驗(yàn)結(jié)果表明：

(1)所選9種植物，對Pb，Zn，Cu，Cr的富集能力都不強(qiáng)，對Hg，Cd的富集能力較強(qiáng)；對Pb，Zn，Hg富集最高的植物分別是狗牙根草、香根草、金葉苔草，對Cu，Cr，Cd富集最高的植物是鴨跖草。

(2)重金屬平均富集系數(shù)最高的是鴨跖草，其次是鬼針草、金葉苔草、香根草、沿階草、梭梭草、狗牙根草、蜈蚣草、美人蕉，其中鴨跖草、鬼針草、金葉苔草的平均富集系數(shù)均>1。

(3)結(jié)合植物對重金屬的富集能力和生態(tài)混凝土上的生長狀況，綜合評定9種植物中鴨跖草、香根草最適合在生態(tài)混凝土工程中采用。

由于本試驗(yàn)選擇的草本植物的種類有限，對于其它草本植物對重金屬的富集能力有待進(jìn)一步研究。

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(編輯：占學(xué)軍)

heavy metals,including Pb,Zn,Cu,Cr,Hg and Cd.Experimental results show that:(1)Cynodon dactylon ,Vetiveria zizanioides L.,Carex ‘Evergold’ has the highest ability of enriching Pb,Zn,Hg,and Commelina communis has the highest ability of enriching Cu,Cr,Cd; (2)average concentration coefficient of heavy metal of Commelina communis is the highest,followed by Bidens pilosa L.,Carex ‘Evergold’,Vetiveria zizanioides L.,Ophiopogon bodinieri,Cyperus rotundus,Cynodon dactylon,Nephrolepiscordifolia(L.)Presl and Canna indica L.In these herbs,average bioconcentration coefficients of heavy metal of Commelina communis,Bidens pilosa L.and Carex ‘Evergold’ are all bigger than 1.In comprehensive consideration of the herbs’ ability of enriching heavy metals and the conditions of growing in eco-concrete,we decide that Commelina communis and Vetiveria zizanioides L.are the most suitable for eco-concrete engineering among the nine kinds of herbs.

Ability of Heavy Metal Concentration of Several Herbs SuitablyGrowing on Eco-concrete in Honghe Prefecture

DUAN Ji-hong1,WANG Lin2,3,ZHANG Xue-sen1，LI Guo-hong1

(1.Honghe Geological Drilling Team of Water Conservancy and Hydropower,Mengzi661100,China; 2.Faculty of Electric Power Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China; 3.Yunnan Art and Science Engineering Design Co.,Ltd.,Kunming650051，China)

In order to determine herbs which can grow well in eco-concrete and can help us to restore environment,we select nine kinds of herbs according to the characters of climate and soil in Honghe prefecture of Yunnan Province.Then,we plant these herbs using the construction technology of eco-concrete and analyze the concentrations of

eco-concrete; herb; heavy metal contamination; concentration factor; phytoremediation

2015-06-26;

2015-07-31

紅河州科技開發(fā)項目(KKK0201404021)

段吉鴻(1968-)，男，云南蒙自人，高級工程師，主要從事水利水電工程地質(zhì)工作，(電話)0873-3652638(電子信箱)303821753@qq.com。

王琳(1991-)，女，云南大理人，碩士研究生，主要從事生態(tài)水利學(xué)方面的研究，(電話)15198792327 (電子信箱)370489351@qq.com。

10.11988/ckyyb.201505302016,33(08):34-37，41

TU528.36

A

1001-5485(2016)08-0034-04