人工濕地基質(zhì)和植物中重金屬的分布規(guī)律研究

葛光環(huán)，陳愛(ài)俠，寇 坤，儲(chǔ)玖琳

(1.安康學(xué)院 旅游與資源環(huán)境學(xué)院，陜西 安康 725000；2.安康市漢江水資源保護(hù)與利用工程技術(shù)研究中心/陜南生態(tài)經(jīng)濟(jì)研究中心/秦巴國(guó)土資源利用與環(huán)境保護(hù)協(xié)同創(chuàng)新中心，陜西 安康 725000；3.長(zhǎng)安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

人工濕地利用物理、化學(xué)以及生物的協(xié)同作用以達(dá)到高效處理廢水的目的[1-2]。趙紅[3]于2003年研究得出渭河流經(jīng)耿鎮(zhèn)斷面時(shí)其水質(zhì)已屬Ⅴ級(jí)。西安皂河人工濕地示范工程處理污水源于渭河支流——皂河。研究得出濕地中的蘆葦對(duì)重金屬有明顯的吸收作用[4-6]。

目前，人工濕地對(duì)重金屬去除的野外研究較少；同時(shí)，研究中人工濕地處理的污水大多為城市生活污水、工業(yè)廢水等高濃度廢水，人工濕地處理含低重金屬污染負(fù)荷的河流的研究甚少。故有必要研究西安皂河人工濕地示范工程中重金屬的分布規(guī)律。

1 試驗(yàn)與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)場(chǎng)地為二級(jí)表流人工濕地，詳見(jiàn)葛光環(huán)[7]文中試驗(yàn)概況的介紹。該濕地栽植蘆葦和香蒲，即沿進(jìn)水方向左右兩邊分別種植香蒲和蘆葦；濕地長(zhǎng)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 樣品采集及測(cè)試分析

人工濕地中共設(shè)3個(gè)水樣采樣點(diǎn)，分別為濕地進(jìn)水口、一級(jí)表流面和二級(jí)表流面之間以及出水口。該區(qū)域種植了蘆葦和香蒲2種水生植物，分別分布于濕地的兩側(cè)：一側(cè)為蘆葦，另一側(cè)為香蒲。由于蘆葦?shù)姆N植密度大于香蒲，故結(jié)合實(shí)際情況，共設(shè)置11個(gè)蘆葦采樣點(diǎn)：其中一級(jí)表流面5個(gè)、二級(jí)表流面6個(gè)(間距大概為10 m)；6個(gè)香蒲采樣點(diǎn)，分別位于2個(gè)表流面的進(jìn)水口、池中間和出水口處，其中一級(jí)表流面和二級(jí)表流面各3個(gè)(間距大概為20 m)，每個(gè)采樣處采集4株高度相近的植物，采樣時(shí)節(jié)為夏季，此時(shí)植物處于前生殖生長(zhǎng)期，采樣時(shí)應(yīng)保證植物的完整性。共計(jì)17個(gè)植物采樣點(diǎn)?；|(zhì)的采樣點(diǎn)則與植物采樣點(diǎn)分布相同，分別采取對(duì)應(yīng)植物采樣點(diǎn)的植物根系附近的表面基質(zhì)。共計(jì)17個(gè)基質(zhì)采樣點(diǎn)。采樣點(diǎn)分布如圖1所示。

2 結(jié)果與分析

2.1 人工濕地基質(zhì)和植物中重金屬的分布特征分析

2.1.1 人工濕地基質(zhì)中Cr和Cu的分布特征分析 由圖2可知，該濕地蘆葦根際基質(zhì)中Cr的濃度為175.13～380.39 mg/kg，Cu的濃度為32.00～255.56 mg/kg，Cr濃度高于Cu濃度；重金屬濃度在前2個(gè)采樣點(diǎn)大幅度下降，隨后變化幅度趨于平緩；2種重金屬在二級(jí)表流面的后3個(gè)采樣點(diǎn)(鋁污泥基質(zhì))濃度均有小幅度上升。汪旭等[9]在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行模擬得出含重金屬?gòu)U水經(jīng)過(guò)人工濕地處理后，被固定在基質(zhì)中的系統(tǒng)截留金屬可以達(dá)到98%以上；但在pH值低于3.3時(shí)，已經(jīng)被固定的Pb和Cu很可能會(huì)被再次釋放出來(lái)。

該濕地香蒲根際基質(zhì)中Cr的濃度為174.75～254.38 mg/kg，Cu的濃度為51.53～94.76 mg/kg，Cr濃度高于Cu濃度；Cr的濃度波動(dòng)相對(duì)較大，但總體上還是呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)；Cu的濃度在一級(jí)表流面的前3個(gè)采樣點(diǎn)下降趨勢(shì)較為明顯，在二級(jí)表流面的后3個(gè)采樣點(diǎn)趨于穩(wěn)定。

圖1 采樣點(diǎn)分布示意圖

2.1.2 人工濕地植物中Cr和Cu的分布特征分析 為方便對(duì)植物體內(nèi)重金屬的分布遷移規(guī)律進(jìn)行分析，故將所采集到的2種植物樣本分為3部分(根、莖、葉)，并分別對(duì)各部位Cr、Cu兩種重金屬濃度進(jìn)行測(cè)定。用軟件計(jì)算出植物各部位重金屬濃度與方差，并繪制圖表進(jìn)行分析。

2.1.2.1 人工濕地蘆葦中Cr和Cu的分布特征分析 由圖3可知，蘆葦根中Cr濃度為0.92～12.72 mg/kg，Cu濃度為4.25～19.11 mg/kg，遠(yuǎn)低于其根際基質(zhì)中的重金屬含量；Cr、Cu濃度沿程變化趨勢(shì)基本相同，都表現(xiàn)為在一級(jí)表流面的前4個(gè)采樣點(diǎn)明顯下降，隨后又有略微升高的趨勢(shì)，而后又開(kāi)始慢慢下降，在二級(jí)表流面后3個(gè)采樣點(diǎn)又開(kāi)始升高。

蘆葦莖中Cr濃度為0.71～5.68 mg/kg，Cu濃度為3.72～9.87 mg/kg，明顯低于根中重金屬含量；表現(xiàn)出與蘆葦根中重金屬濃度沿程變化相似的規(guī)律。

圖2 蘆葦和香蒲根際基質(zhì)中重金屬沿程分布

蘆葦葉中Cr的濃度為0.38～0.76 mg/kg，整體濃度較低且低于根、莖中的濃度，沿程變化趨勢(shì)不明顯；Cu的濃度為3.63～9.80 mg/kg，低于根中濃度但比莖中濃度高；另外，葉中Cu濃度沿程變化規(guī)律不明顯。

將整個(gè)蘆葦根、莖、葉3個(gè)部分的重金屬濃度分布圖結(jié)合起來(lái)看，Cr濃度表現(xiàn)為根>莖>葉，Bragato等[10]研究表明，植物在人工濕地中起著至關(guān)重要的作用，水生植物不僅能吸附大量有毒有害物質(zhì)，同時(shí)還能直接吸收水中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)供其生長(zhǎng)發(fā)育；不同的部位吸收的濃度表現(xiàn)為根>莖>葉。Cu濃度表現(xiàn)為根>葉>莖，董志成等[6]發(fā)現(xiàn)蘆葦中Zn、Cu以及Cd的分布特征為根>葉>莖；蘆葦中Pb和Cr的分配特征為根>莖>葉，這可能與蘆葦自身性質(zhì)、重金屬各自性質(zhì)不同以及生長(zhǎng)的環(huán)境相關(guān)[11]。R?mheld[12]在研究中提出，禾本科植物根系分泌的麥根酸類在活化濕地基質(zhì)中難溶性Fe元素的同時(shí)，Cu、Zn、Cd及Mn等也被活化，故重金屬的生物富集能力增強(qiáng)。根、莖、葉中重金屬沿程分布與變化趨勢(shì)有很多相似之處，且蘆葦根中重金屬濃度分布特征表現(xiàn)出與蘆葦根際基質(zhì)中重金屬濃度分布特征相似的規(guī)律，這也表明蘆葦根中重金屬濃度與蘆葦根際基質(zhì)中重金屬濃度有一定的相關(guān)性。

2.1.2.2 人工濕地香蒲中Cr和Cu的分布特征分析 香蒲根中重金屬濃度與沿程分布見(jiàn)圖4。由圖4可知，香蒲根中Cr濃度為0.48～2.49 mg/kg，Cu濃度為4.24～10.38 mg/kg，Cr濃度在前3個(gè)采樣點(diǎn)(一級(jí)表流面)和后3個(gè)采樣點(diǎn)(二級(jí)表流面)均呈上升趨勢(shì)，只在兩池之間呈降低狀態(tài)；Cu濃度在一級(jí)表流面遞減，在二級(jí)表流面有上升趨勢(shì)。

香蒲莖中Cr和Cu濃度分別為0.34～1.34 mg/kg和3.87～8.61 mg/kg，低于根中重金屬含量；香蒲葉中Cr和Cu濃度分別為0.22～0.33 mg/kg和3.57～8.23 mg/kg，香蒲莖葉中Cr和Cu沿程波動(dòng)不大。Lesage等[13]研究得出基質(zhì)中Zn、Cd、Cu、Pb四種重金屬的沿程積累規(guī)律均與運(yùn)行距離的增加呈負(fù)相關(guān)，只有Mn呈正相關(guān)，而植物中則無(wú)法明顯看出重金屬沿程變化規(guī)律。香蒲各部位中Cu的濃度高與Cr的濃度，這與香蒲根際基質(zhì)中Cu、Cr的濃度恰好相反。香蒲各部位中，Cr的濃度大小依次為根>莖>葉；Cu的濃度則表現(xiàn)為根>葉>莖。

圖4 香蒲各部位中重金屬含量沿程分布圖

2.2 人工濕地基質(zhì)和植物中重金屬轉(zhuǎn)移及富集性分析

2.2.1 人工濕地植物中Cr和Cu的轉(zhuǎn)移特征分析 為便于對(duì)人工濕地中Cr和Cu的轉(zhuǎn)移特征進(jìn)行分析，故引入遷移指數(shù)(TF)進(jìn)行分析，計(jì)算公式為：

TF莖/葉=C莖/葉/C根

而由上文中所列出的蘆葦和香蒲各部位的重金屬濃度表，可算出Cr、Cu在蘆葦和香蒲各部位中的遷移指數(shù)。經(jīng)計(jì)算，濕地植物各部位中Cr、Cu遷移指數(shù)(TF)如表1所示。

由表1可以看出，蘆葦和香蒲莖中Cr的TF均大于葉中Cr的TF，而葉中Cu的TF則大于莖中Cu的TF，說(shuō)明Cr易于由根向莖轉(zhuǎn)移，而Cu易于由根向葉轉(zhuǎn)移；同時(shí)，蘆葦和香蒲莖和葉中Cr和Cu的TF差別較小，表明植物的種類不是影響TF的主要因素；Cr和Cu的TF區(qū)間分別為0.14～0.62、0.61～0.99，表明在植物體內(nèi)，Cu具有較強(qiáng)的從根部遷移到莖和葉的能力，此結(jié)論與Jan 等[14]的研究結(jié)果不一致，可能由于高濃度Cu環(huán)境影響根中Cu的代謝，從而使莖葉中Cu濃度發(fā)生改變[15]。

表1 植物各部位中Cr和Cu的遷移指數(shù)比較

2.2.2 人工濕地植物對(duì)Cr和Cu的富集特征分析 生物富集系數(shù)(BCF)可以體現(xiàn)出植物對(duì)基質(zhì)中重金屬的富集能力。為便于對(duì)人工濕地植物對(duì)Cr和Cu的富集特性進(jìn)行分析，故引入BCF進(jìn)行分析，計(jì)算公式如下：

BCF=C根/C基質(zhì)

由上文中所列出的蘆葦和香蒲根中及其根際基質(zhì)中的重金屬濃度表，套入公式則可算出Cr、Cu在蘆葦和香蒲中的生物富集系數(shù)。由表2可知，濕地中蘆葦?shù)腂CF：Cu(0.17)>Cr(0.02)，香蒲的BCF：Cu(0.12)>Cr(0.01)，無(wú)論是蘆葦還是香蒲中，Cu的生物富集效果都要強(qiáng)于Cr，說(shuō)明相比之下，基質(zhì)中的Cu更易被植物的根吸收。

表2 植物中Cr和Cu的生物富集指數(shù)比較

2.2.3 人工濕地水樣、基質(zhì)和植物中重金屬含量的相關(guān)性分析 為便于對(duì)人工濕地中重金屬含量的相關(guān)性進(jìn)行分析，故引入皮爾遜相關(guān)系數(shù)(PCCs)，以上文中植物和基質(zhì)樣品以及下文水樣樣品中重金屬濃度數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，用SPSS軟件計(jì)算出同種重金屬濃度變量的皮爾遜相關(guān)系數(shù)(R)，并通過(guò)f-檢驗(yàn)驗(yàn)證兩變量之間顯著相關(guān)性，當(dāng)P<0.05時(shí)，說(shuō)明兩變量之間有顯著相關(guān)性；當(dāng)P≥0.05時(shí)，則說(shuō)明兩變量之間無(wú)顯著相關(guān)性。

該濕地進(jìn)水中Cr和Cu濃度分別為37.90±27.77 μg/L和7.30±1.41 μg/L，出水中Cr和Cu濃度分別為2.18±1.24和4.50±2.78 μg/L，Cr、Cu去除率分別為94%、38%。

2.2.3.1 樣品之間含Cr濃度的相關(guān)性 由表3可知，基質(zhì)與水樣之間Cr濃度具有正相關(guān)性，表明水樣中Cr濃度與基質(zhì)中的Cr濃度互相影響；植物莖與基質(zhì)之間Cr濃度具有正相關(guān)性，而植物根與基質(zhì)之間Cr濃度無(wú)顯著相關(guān)性，表明植物莖對(duì)Cr的生物富集能力強(qiáng)于根；植物莖和葉之間Cr濃度具有正相關(guān)性，表明植物體內(nèi)Cr由莖向葉的轉(zhuǎn)移能力較強(qiáng)。

表3 樣品之間 Cr濃度的皮爾遜相關(guān)系數(shù)(R)和相關(guān)顯著性概率

2.2.3.2 樣品之間含Cu濃度相關(guān)性 由表4可知，植物葉與水樣之間Cu濃度呈正相關(guān)，表明植物葉與水樣中Cu濃度互相影響；植物的莖與基質(zhì)之間Cu濃度呈正相關(guān)；植物莖和葉之間Cu濃度呈現(xiàn)出顯著相關(guān)性，說(shuō)明植物體內(nèi)Cu由莖向葉的轉(zhuǎn)移能力較強(qiáng)。這與Cr所表現(xiàn)出的規(guī)律基本相同。

表4 樣品之間Cu濃度的皮爾遜相關(guān)系數(shù)(R)和相關(guān)顯著性概率

3 結(jié)論

(1)蘆葦和香蒲中Cr的比例大小均表現(xiàn)為：根>葉>莖，而Cu的分布表現(xiàn)為：根>莖>葉。

(2)2種植物中Cr和Cu的遷移指數(shù)相差較小，說(shuō)明植物的種類不是影響遷移指數(shù)的主要因素；植物根部較易富集Cu，且根部Cu遷移到莖和葉的能力強(qiáng)于Cr。

(3)水樣和基質(zhì)中的Cr濃度、植物葉與水樣中Cu濃度呈正相關(guān)，說(shuō)明水樣和基質(zhì)中的Cr濃度互相影響，水樣中Cu含量與植物葉含Cu量呈正相關(guān)；植物莖、葉之間Cr和Cu濃度具有相關(guān)性。