保定市某垃圾填埋場植被的重金屬富集特征

張妍　王琳　崔彬彬　管延英

摘要：指出了城市垃圾填埋場對環(huán)境的破壞日益嚴重，選擇合適的植被對其進行生態(tài)修復尤為重要。針對實際測定了保定市某垃圾填埋場13種優(yōu)勢植物的重金屬含量。結(jié)果顯示：柳樹、楊樹、榆樹、紫穗槐、龍葵和商陸對Cd的吸收能力較強，可作為重金屬Cd的修復植物加以推廣；柳樹、楊樹、蘆葦、狗尾草、龍葵、商陸、藜吸收Zn的能力較強；蘆葦、爬山虎、商陸吸收Cu、蘆葦吸收Cr的能力較強；榆樹、爬山虎、狗尾草對Pd具有較強的吸收富集能力；可認定龍葵為Cd和Zn的超富集植物、爬山虎為Pb的超富集植物。因此，這些植物可用于城市垃圾填埋場重金屬污染的修復治理。

關(guān)鍵詞：垃圾填埋場；土壤；重金屬污染；植物修復

中圖分類號：X506

文獻標識碼：A文章編號：16749944（2017）12000505

1引言

隨著我國城市化建設(shè)的推進，生活垃圾逐年增多，垃圾填埋是城市主要的垃圾處理方式。然而，由于我國垃圾分類工作還不夠完善，含有大量重金屬的電子產(chǎn)品、電池等進入垃圾填埋場，填埋后可直接或間接造成土壤重金屬污染[1]。在重金屬污染治理的各種技術(shù)手段中，植物修復技術(shù)以其成本低廉、不破壞生態(tài)環(huán)境、不引起二次污染等優(yōu)勢，表現(xiàn)出廣闊的發(fā)展前景，而對重金屬污染土壤修復植物的篩選是進行植物修復工作的前提。

植物在生長發(fā)育過程中，不同植物對土壤中的重金屬表現(xiàn)出不同的生理現(xiàn)象，如一些植物能在含某種重金屬較多的土壤中良好生長，表現(xiàn)出了對重金屬的抗性；而一些植物不僅能在重金屬含量較多的土壤中正常生長，還能大量吸收土壤中的重金屬進入植物體內(nèi)，表現(xiàn)出較強的富集重金屬的能力。

不同污染場所由于其污染源的不同，土壤重金屬的種類、含量不同，對植被的影響也會不一樣，如污水處理廠、垃圾填埋場、工礦企業(yè)污染區(qū)等。而且植物種類在地理分布上也有一定的區(qū)域性。所以，本研究選擇河北省保定市區(qū)內(nèi)一個典型垃圾填埋場為研究樣地，探討其優(yōu)勢植物對重金屬的吸收和積累特征，為城市垃圾填埋場的重金屬污染修復提供基礎(chǔ)材料。

2材料與方法

2.1試驗地點

研究區(qū)位于保定市東二環(huán)外，垃圾場日吞吐量較大，目前已累計填埋約200多萬t垃圾。處理中心本來遠離市區(qū)，而近幾年城市擴建，一些新建小區(qū)緊鄰垃圾處理場。盡管通過殺菌消毒、垃圾隨倒隨覆蓋、加班抽排污水、使用除臭劑等無害化處理，但垃圾廢棄物中的重金屬等有害物質(zhì)對周邊環(huán)境仍存在一定的安全隱患。

2.2樣品采集

2.2.1植物樣品采集

根據(jù)植物生長狀況，選取了13種優(yōu)勢植物（表1）。每種優(yōu)勢植物挑選6～8株，木本植物只采摘成熟葉片，草本植物包括地上和地下整株采集。

2.2.2土壤樣品采集

將采樣區(qū)劃分為垃圾場廠界周界和垃圾填埋區(qū)周界2個區(qū)域，每個區(qū)域內(nèi)隨機布6個采樣點，采集0～30 cm深度的土壤樣品共12個，將其混合后取1 kg作為土壤分析樣品。

2.3樣品處理與分析

2.3.1植物樣品處理與分析

野外采集的植物樣品，用自來水沖洗干凈，去離子水再次沖洗后，按地上部、根部分開，晾干，105℃殺青45 min，然后在70℃恒溫下烘干至恒重，粉碎過60目尼龍篩。稱取植物烘干樣品2.000～3.000 g，采用HNO3-HClO4（質(zhì)量配比8∶2）消解，應用ICP-AES測定樣品中重金屬鎘（Cd）、鉻（Cr）、銅（Cu）、鉛（Pb）、鋅（Zn）、砷（As）的含量[2]。

2.3.2土壤樣品處理與分析

除去土壤樣品中的碎石、植物殘根等雜物，自然風干后過100目尼龍篩。稱取5.000 g置于150 mL三角瓶中，用HNO3-HF-HClO4（質(zhì)量配比4∶4∶2）法消解，利用原子吸收分光光度法測定重金屬鎘、鉻、銅、鉛、鋅、砷的含量。

2.4植物對重金屬吸收能力的評價方法

本研究采用富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運系數(shù)對植物吸收重金屬的能力進行評價。重金屬富集系數(shù)BCF（Bioconcentration Factor）是指植物某一部位的元素含量與土壤中相應元素含量之比，是評價植物富集重金屬能力的指標之一[3-5]。重金屬轉(zhuǎn)運系數(shù)TCF（Tanslocation Factor）是植物地上部和根部重金屬含量的比值，可以體現(xiàn)植物從根部向地上部轉(zhuǎn)運重金屬的能力[6]。計算公式分別為：

BCF = M（某部位）/ M（土壤）；TCF = M（地上部）/ M（根）

式中：M代表某一重金屬離子含量。

3結(jié)果與分析

崔邢濤對河北省保定市平原區(qū)土壤重金屬的含量進行了測定（表2中記錄為D），并認為Cd、Zn元素出現(xiàn)了污染狀況，形成污染的原因可能與工業(yè)生產(chǎn)及人類活動有關(guān)[7]。本研究通過原子吸收分光光度法對保定市某垃圾填埋場土壤重金屬含量的測定結(jié)果記錄于表2中的E。 結(jié)果顯示，垃圾填埋場土壤重金屬元素的含量均高于保定市平原區(qū)的平均值，尤其是Cd、Cu和Zn的含量高出了7倍以上，說明保定市垃圾填埋場土壤的Cd、Cu和Zn污染較嚴重。

表2保定市土壤重金屬含量

土壤平均值CdCrCuPbZnAs

保定市某垃圾填埋場（E）/（mg/kg）1.270.2238.153.6530.111.5

保定市平原區(qū)（D）/（mg/kg） [7]0.1669.1225.9624.7375.369.26

E/D7.501.019.172.177.031.24

3.1垃圾填埋場優(yōu)勢草本植物對重金屬的吸收和積累特征

對采集的8種優(yōu)勢草本植物的重金屬離子含量進行測定并計算其富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運系數(shù)，其結(jié)果如下（表3、表4）[8]。

8種草本植物地上部分Cd的含量只有龍葵、狗尾草和白茅超過了一般植物Cd的含量，其由大到小的順序為龍葵>狗尾草>白茅，而爬山虎含量最低；地下部分Cd含量較多的是白茅>龍葵>狗尾草。地上部BCF最大的為龍葵達到了1.158，其次為白茅>商陸；地下部BCF較大的是白茅>龍葵>狗尾草；從轉(zhuǎn)運系數(shù)來看，龍葵的TCF高達6.6190，其次是商陸>齒果酸模>藜>蘆葦，它們的轉(zhuǎn)運系數(shù)均超過了1。由此可見，龍葵和商陸對Cd有較好的富集和轉(zhuǎn)運能力，而且龍葵對Cd的地上富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運系數(shù)均大于1，可認定為Cd的超富集植物；白茅地下富集能力較強，但其轉(zhuǎn)運能力較差，為Cd的根部囤積型植物。

8種草本植物地上部分Cu的含量較高的是蘆葦>爬山虎>商陸，超過了一般植物Cu的含量；地下部分Cu含量較多的依次為龍葵>狗尾草>藜。地上部BCF最大的蘆葦為0.214，其次為爬山虎>商陸；從轉(zhuǎn)運系數(shù)來看，蘆葦?shù)腡CF高達7.4058，其次是爬山虎>商陸>齒果酸模>狗尾草，它們的轉(zhuǎn)運系數(shù)均超過1。綜合富集系數(shù)來看，蘆葦、爬山虎和商陸對Cu有較好的富集和轉(zhuǎn)運能力，龍葵地下富集能力較強，但其轉(zhuǎn)運能力較差，為Cu的根部囤積型植物。

8種草本植物地上部分Zn含量相對較多的是龍葵>藜>蘆葦，其中只有龍葵超過了一般植物Zn的含量，白茅含量最低；地下部分Zn含量較多的是龍葵>白茅>藜。地上部BCF最大的龍葵達到了1.6206，其次為藜>蘆葦>狗尾草>商陸；地下部BCF最大的仍然是龍葵達到了1.1436，其次白茅為0.1047；只有白茅的轉(zhuǎn)運系數(shù)小于1，其它7種植物均大于1，順序為蘆葦>齒果酸模>商陸>狗尾草>藜>龍葵>爬山虎。龍葵地上地下對Zn都具有超強的富集能力，轉(zhuǎn)運能力也較強，可認為是Zn的超富集植物。蘆葦、商陸、藜、狗尾草對Zn也具有一定的吸收和轉(zhuǎn)運能力；白茅轉(zhuǎn)運能力較低，但地下富集能力高于其他幾種植物，為Zn的根部囤積型植物。

就Cr而言，蘆葦?shù)厣喜糠趾扛哌_37.80，其次為白茅>狗尾草>爬山虎>齒果酸模>，它們的含量均超過了一般植物地上部Cr的含量；地下部分Cr含量也較多，順序為蘆葦>狗尾草>齒果酸模>藜>白茅>爬山虎>商陸>龍葵。蘆葦?shù)厣喜緽CF遠遠高于其他幾種植物；地下部BCF均較低；從轉(zhuǎn)運系數(shù)來看，蘆葦達到10.2162，其次為白茅2.1197和狗尾草1.0034。由此可見，蘆葦對Cr有較好的富集和轉(zhuǎn)運能力，盡管其它幾種草本植物超過了一般植物地上部Cr的含量，但針對于本垃圾場土壤中Cr的含量，其富集系數(shù)并不高。

8種草本植物地上部分Pd的含量只有爬山虎超過了一般植物地上部Pd的含量，幾種植物含量由大到小的順序為爬山虎>狗尾草>商陸>白茅；地下部分Pd含量較多的是龍葵>蘆葦>商陸>狗尾草。地上部BCF最大的爬山虎達到了1.0317，其次為狗尾草0.1138；地下部BCF均較低，且相差不大；從轉(zhuǎn)運系數(shù)來看，爬山虎的TCF高達39.2199，其次是白茅>狗尾草>商陸>齒果酸模，它們的轉(zhuǎn)運系數(shù)均超過了1。由此可見，爬山虎和狗尾草對Pd有較強的富集和轉(zhuǎn)運能力，白茅的轉(zhuǎn)運系數(shù)雖然達到了4.4655，但其無論地上部還是地下部對Pd的富集系數(shù)卻很低。

8種草本植物地上部、地下部As的含量和富集系數(shù)都較低，表現(xiàn)出對As的吸收能力較弱。

3.2垃圾填埋場優(yōu)勢木本植物對重金屬的吸收和積累特征

對采集的5種優(yōu)勢木本植物的重金屬離子含量進行測定并計算其地上部富集系數(shù)，結(jié)果如下（表5）[8]。

葉片中Cd含量由大到小的順序為楊樹>紫穗槐>柳樹>榆樹>構(gòu)樹；只有楊樹和紫穗槐的地上部超過了一般植物Cd的含量，結(jié)合地上部BCF來看，楊樹和紫穗槐對Cd有較好的富集能力。

就Zn而言，葉片含量由大到小的順序為柳樹>楊樹>榆樹>構(gòu)樹>紫穗槐，柳樹和楊樹地上部對Zn的富集能力強于其他3種植物。

從葉片對Cu的吸收來看，5種木本植物地上部對Cu的富集系數(shù)均較低，且相差不大。

對Pb含量的測定結(jié)果表明榆樹葉片中Pb含量和富集系數(shù)均最高，柳樹最低，其它3種含量相差不大。

5種植物葉片Cr的含量均高于一般植物地上部分Cr的含量，其中構(gòu)樹最高，達到了4.73，其次是榆樹為1.72，但五種植物葉片Cr的富集系數(shù)并都不高。

榆樹葉片中As的含量最高為1.12，相應的富集系數(shù)也最高，但也只有0.0974，說明測試的5種木本植物對As的吸收能力都不強。

2017年6月綠色科技第12期

4結(jié)論與討論

超富集植物指能超量吸收重金屬并將其轉(zhuǎn)運到地上部的植物[9]，由于地上部的生物量比地下部更容易收獲，植物地上部的富集系數(shù)越大越利于對重金屬的提取修復。所以超富集植物的界定通?？紤]以下3個重要因素：①植物地上部富集的重金屬應達到一定的量；②植物地上部的重金屬含量應高于根部；③植物的生長沒有出現(xiàn)明顯的受害癥狀。Baker和Brooks 曾提出，把植物葉片地上部含Cd 100 μg/g，Co、Cu、Ni、Pb 1000 μg/g，Mn、Zn 10000 μg/g以上，同時滿足轉(zhuǎn)運系數(shù)大于1的植物稱為超富集植物[10]。當然，理想的超富集植物還應具有生長期短、地上部生物量大、能同時富集兩種或兩種以上重金屬離子的特點[11]。但是植物中重金屬的含量與土壤重金屬含量的多少有關(guān)，植物對重金屬的積累有隨土壤中重金屬濃度升高而升高的特點[12，13]，并且由于各種重金屬在土壤中的豐度及在土壤和植物中的背景值也存在較大差異，因此，對不同重金屬，其超富集植物富集量的界限也有所不同。針對保定市某垃圾填埋場土壤重金屬的含量，本研究認為轉(zhuǎn)運系數(shù)大于1，地上部富集系數(shù)大于1的可界定為某種重金屬的超富集植物，可在城市垃圾填埋場土壤修復中推廣應用；轉(zhuǎn)運系數(shù)大于1、地上部富集系數(shù)大于0.1的界定為對該重金屬具有一定吸收能力的植物；轉(zhuǎn)運系數(shù)小于1、地下部富集系數(shù)大于0.1的為根部囤積型植物；對于轉(zhuǎn)運系數(shù)和富集系數(shù)都不高的則屬于重金屬抗性植物。

利用超富集植物對重金屬污染的土壤進行提取修復的前題條件是該修復植物首先能在重金屬含量高的土壤中良好生長、生物量不減少。通過對該垃圾填埋場自然植被分布的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)有13種優(yōu)勢植物在此地區(qū)長勢良好，只有龍葵對Cd和Zn、爬山虎對Pb的地上部的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運系數(shù)均大于1，可界定龍葵為Cd和Zn的超富集植物、爬山虎為Pb的超富集植物。

白茅屬于Cd、Zn離子的地下囤積型植物；草本植物齒果酸模和木本植物構(gòu)樹對測試的6種重金屬離子的吸收能力均較低，但它們能在Cd、Zn、Cu嚴重污染的垃圾填埋場良好生長，說明它們對Cd、Zn、Cu有一定的耐受能力。13種測試植物對As都表現(xiàn)出較弱的富集能力，但它們在該區(qū)域能成為優(yōu)勢植物而長勢良好，說明它們對As具有一定的抗性，其富集系數(shù)低也可能是因為該垃圾填埋場土壤中As的含量相對較低，還沒有激發(fā)出植物對As的大量吸收，所以該13種植物對As的修復效果還需要進一步的實驗驗證。

柳樹和楊樹對Zn、Cd的吸收能力較強，這與陳志濤的研究結(jié)果一致[14]；榆樹對Cd、Pd的吸收能力較強 ； 紫穗槐對Cd的吸收能力較強。畢君（2013）對紫穗槐地上部地下部Cd含量的測定也顯示，紫穗槐的根系也能富集大量的Cd離子[15]。許多學者的研究表明垃圾填埋場土壤中Cd的含量均較高[16-19]，所以，柳樹、楊樹、榆樹和紫穗槐可以考慮作為城市垃圾填埋場重金屬Cd的備選修復植物。

蘆葦對Zn、Cu、Cr有較好的富集和轉(zhuǎn)運能力，并且蘆葦屬于水生植物，可用于垃圾填埋場中垃圾滲出液污泥地帶的污染修復。本研究顯示爬山虎對土壤中Pb具有較強的富集和轉(zhuǎn)運能力，這與萬欣[20]的研究一致。另外，爬山虎對Cu也有一定的吸收能力，而且爬山虎還可以吸收空氣中的二氧化硫和二氧化氮，起到凈化大氣的作用，所以，爬山虎用于垃圾填埋場不僅可以吸收土壤中的重金屬還可以改善垃圾填埋場的空氣質(zhì)量。狗尾草對Pd、Zn有較強的富集和轉(zhuǎn)運能力；商陸對Cd、Cu、Zn也具有一定吸收能力，趙剛的研究也表明商陸和無芒稗對Zn的轉(zhuǎn)運系數(shù)均大于1，同時商陸和龍葵也是Mn的高富集植物[6]；藜對Zn也具有較好的吸收轉(zhuǎn)運能力，它們可成為垃圾填埋場重金屬污染修復的備選植物種類。

本研究采用的方法是在重金屬污染的地方進行野外調(diào)查，采集生長良好的優(yōu)勢植物并分析其重金屬含量，從而篩選出對重金屬具有富集能力和修復潛力的植物種類，但適于生長在野外重金屬污染區(qū)的植物種類有限，限制了更多具有重金屬修復能力植物的篩選，在今后的研究中還應結(jié)合其它篩選方法，如特殊植物-重金屬濃度梯度法、土壤種子庫-重金屬濃度梯度法[21]，而且某種重金屬含量的多少對另一種重金屬的富集效果是否有影響也有待進一步研究[22]，以便于篩選出更多的適于不同地區(qū)城市垃圾填埋場土壤重金屬污染修復的植物。

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Accumulation Characteristic of Heavy Metals by Vegetation on a Municipal Landfill in Baoding

Zhang Yan， Wang Lin， Cui Binbin， Guan Yanying

（Department of Biology and Chemistry，Baoding University，Baoding，Hebei， 071000，China）

Abstract： The damage to the environment caused by municipal landfills is becoming more and more serious. The phytoremediation is a popular way for the ecological restoration of urban landfills at present. This research analyzed 13 dominating plants in a municipal landfill in Baoding which contain heavy metal ion content. Results showed that Salix babylonica，Populus， Ulmus pumila， Amorpha fruticose， Solanum nigrum and Phytolacca acinosa had a very strong capability to absorb Cd in landfills. They can be used as phytoremediation of heavy metal Cd. Similarly， Salix babylonica， Populus， Phragmites australis， Setaira viridis， Solanum nigrum， Phytolacca acinosa and Chenopodium album are good at absorbing Zn， Phragmites australis， Parthenocissus tricuspidata and Phytolacca acinosa can absorb Cu， Phragmites australis can absorb Cr too.While Ulmus pumila， Parthenocissus tricuspidata and Setaira viridis are good at absorbing Pd. Solanum nigrum was tested to be the Cd and Zn accumulation plant. Parthenocissus tricuspidata was tested to be the Pd accumulation plant. These plants can be used as useful remediation of heavy metal pollution in municipal landfills.

Key words： landfill； soil； heavy metal pollution； phytoremediation