武夷山市人工濕地再力花和花葉蘆竹的重金屬累積和遷移特點

郭汝鳳， 李冠軍， 劉鑫銘， 黃 婷， 林勇明， 吳承禎， 李 鍵，①

(1. 福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院， 福建 福州 350002；2. 武夷學(xué)院： a. 福建省生態(tài)產(chǎn)業(yè)綠色技術(shù)重點實驗室， b. 生態(tài)與資源工程學(xué)院， 福建 南平 354300)

隨著中國城鎮(zhèn)化進(jìn)程的推進(jìn)，環(huán)境污染問題越來越嚴(yán)重[1]，尤其是重金屬引起的土壤污染和水體污染[2]。自進(jìn)入21世紀(jì)以來，中國的城鎮(zhèn)化進(jìn)程明顯加速，武夷山成為世界自然與文化雙遺產(chǎn)后，城鎮(zhèn)化的步伐更加迅猛[3]，加之伴隨而來的人口快速增長以及資源和能源高速消耗[4]，重金屬污染物的產(chǎn)生和排放將不可避免[5]。重金屬具有難降解、易累積和持續(xù)時間長等特點[6]，易轉(zhuǎn)化為毒性更強(qiáng)的烷基化合物，若被生物吸收進(jìn)入食物鏈，將嚴(yán)重威脅人類的健康和生存[7]。人工濕地作為一種新型污水處理工藝，是由水體、基質(zhì)、微生物和水生植物組成的復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)[8]，可通過物理、生物和化學(xué)方法等協(xié)同作用有效去除污水中的N、P、新型有機(jī)物及重金屬等污染物[9]，具有操作簡單、運行成本低和可分散處理污水等優(yōu)點[10]。植物是人工濕地中的重要組成部分[11]，對去除重金屬有至關(guān)重要的作用[12]。因此，利用人工濕地植物凈化重金屬對武夷山市重金屬污染防治工作具有可行性及現(xiàn)實意義。

植物對重金屬的吸收凈化是一個極為復(fù)雜的物理、生物和化學(xué)過程[13-14]，受植物種類、重金屬毒性效應(yīng)以及土壤性質(zhì)(pH值、有機(jī)質(zhì)含量和陽離子交換量等)的影響[15-16]。近年來，通過濕地植物地上部的吸收累積作用去除重金屬成為國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的研究熱點，許多濕地植物地上部對重金屬具有很強(qiáng)的代謝和累積能力[17]，通過收割植物地上部能夠有效去除污染環(huán)境中的重金屬[18]。不同濕地植物對重金屬的吸收累積效果不同[19]，同種植物對不同重金屬的凈化效果差異也很大[20]。Wong等[21]研究認(rèn)為，濕地植物對重金屬的吸收和累積作用具有很強(qiáng)的地域性，不同區(qū)域的人工濕地系統(tǒng)應(yīng)篩選出適宜當(dāng)?shù)氐臐竦刂参镞M(jìn)行種植，植物推廣過程中應(yīng)考慮濕地植物與生長環(huán)境的互作效應(yīng)。因此，篩選出在武夷山市生長適應(yīng)性強(qiáng)且對重金屬凈化效果好的人工濕地植物非常重要。由于人工濕地植物不同部位的生理結(jié)構(gòu)和功能不同，其對化學(xué)元素的吸收和分配亦存在差異[22]。作者的前期研究結(jié)果表明：人工濕地植物對土壤C、N、P等營養(yǎng)元素的累積和分配特征存在差異[23]，但武夷山市人工濕地植物對重金屬的累積、分配及遷移特點尚不明確。

鑒于此，通過野外調(diào)查，以生長在武夷山市生活污水處理廠人工濕地的典型人工濕地植物再力花(ThaliadealbataFraser)和花葉蘆竹 (Arundodonaxvar.versicolorStokes)為研究對象，通過測定Mn、Cu、Cd、Zn、Cr和Pb含量，探討1個生長季內(nèi)2種植物不同器官對重金屬的累積和遷移特點，并建立植物生長時間與重金屬含量的線性回歸關(guān)系，以期為人工濕地植物配置提供更好的植物種植方案，并為武夷山市重金屬污染的生態(tài)修復(fù)和環(huán)境保護(hù)提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況和研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于福建省武夷山市生活污水處理廠人工濕地(地理坐標(biāo)為東經(jīng)117°24′12″～118°02′50″、北緯27°32′36″～27°55′15″)，屬中亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，四季分明，光熱充足，雨量豐沛，年平均氣溫19.7 ℃，1月平均氣溫7.8 ℃，7月平均氣溫27.8 ℃，年平均降水量2 000 mm，且降水主要集中在夏季。武夷山市生活污水處理廠人工濕地占地面積8 100 m2，基質(zhì)為砂石，基質(zhì)孔隙度55%，表層填料為粒徑0～3 mm的砂土，填充厚度20 cm。監(jiān)測期間，該人工濕地水位30 m，平均布水負(fù)荷0.62 m3·m-2·d-1，平均水力停留時間7 d，主要種植植物為再力花和花葉蘆竹。2種植物每年3月開始萌芽生長，其中，再力花在9月進(jìn)入生長旺盛期，花期為4月至10月；花葉蘆竹在8月進(jìn)入生長旺盛期，花期為9月至12月；2種植物均在11月進(jìn)入枯落期，12月對2種植物進(jìn)行收割。

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集和預(yù)處理 遵循典型性、代表性和可行性的原則，于2014年4月26日在武夷山市生活污水處理廠人工濕地設(shè)置6個面積10 m×10 m的采樣點，分別于同年6月14日、8月2日、9月20日和11月8日(分別距離4月26日7、14、21和28周)采集再力花和花葉蘆竹的地上部分，各采樣點每種植物每次采集3株，每株植株作為1個重復(fù)，標(biāo)記后帶回實驗室，洗凈后將植株分成葉和莖2個部分，用牛皮紙包好，先置于110 ℃條件下殺青30 min，再置于65 ℃條件下烘干至恒質(zhì)量，經(jīng)FZ102微型植物粉碎機(jī)(天津市泰斯特儀器有限公司)粉碎后過孔徑2 mm篩，備用。

1.2.2 重金屬含量的測定 稱取1.000 g植物樣品，采用濃硫酸-高氯酸消煮法[24]消解，采用TAS-990原子吸收分光光度計(北京普析通用儀器有限責(zé)任公司)測定Mn、Cu、Cd、Zn、Cr和Pb含量，每個樣品3個重復(fù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計分析

根據(jù)測定結(jié)果計算植物各重金屬的遷移系數(shù)，計算公式為遷移系數(shù)=植物葉中重金屬含量/植物莖中重金屬含量[25]。

采用EXCEL 2010、SPSS 22.0和R語言軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和表格繪制。采用單因素方差分析和LSD-t檢驗進(jìn)行差異顯著性分析，建立植物生長時間(x，6月14日、8月2日、9月20日和11月8日依次賦值為7、14、21和28)與其葉和莖中重金屬含量(y)的線性關(guān)系，經(jīng)統(tǒng)計學(xué)檢驗得到相應(yīng)的擬合參數(shù)(r2)，并對相關(guān)系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗。

2 結(jié)果和分析

2.1 人工濕地再力花和花葉蘆竹葉和莖中重金屬含量的分析

不同生長時間人工濕地再力花和花葉蘆竹葉和莖中重金屬含量的比較結(jié)果見表1。

2.1.1 再力花葉和莖中重金屬含量的比較 由表1可見：再力花葉中Mn、Cu、Cd、Zn、Cr和Pb含量分別為214.729～281.594、30.125～45.125、0.067～0.125、8.616～54.375、2.779～16.016和13.622～18.031 mg·kg-1，莖中Mn、Cu、Cd、Zn、Cr和Pb含量分別為95.688～145.219、16.958～40.625、0.080～0.131、8.272～75.938、2.529～15.313和12.844～21.031 mg·kg-1。9月20日，葉中Mn和Cd含量顯著(P<0.05)高于其他生長時間；9月20日和11月8日，莖中Mn和Cd含量顯著高于其他生長時間；11月8日，葉和莖中Cu、Zn、Cr和Pb含量顯著高于其他生長時間。

供試各生長時間再力花葉中Mn和Cu含量顯著高于莖；6月14日，葉中Cd含量與莖中Cd含量差異不顯著，其他生長時間顯著低于莖中Cd含量；11月8日，葉中Zn含量顯著低于莖中Zn含量，其他生長時間與莖中Zn含量差異不顯著；供試各生長時間葉中Cr含量和莖中Cr含量差異不顯著；6月14日，葉中Pb含量顯著高于莖中Pb含量，其他生長時間顯著低于莖中Pb含量。

2.1.2 花葉蘆竹葉和莖中重金屬含量的比較 由表1還可見：花葉蘆竹葉中Mn、Cu、Cd、Zn、Cr和Pb含量分別為44.313～72.438、13.906～40.220、0.031～0.067、6.625～53.438、2.720～14.119和9.442～21.219 mg·kg-1，莖中Mn、Cu、Cd、Zn、Cr和Pb含量分別為26.250～34.854、12.929～36.875、0.041～0.087、7.979～70.214、4.717～14.788和14.181～22.813 mg·kg-1。8月2日，葉中Cd含量顯著高于其他生長時間；9月20日，葉中Zn含量顯著高于其他生長時間；11月8日，葉中Mn、Cu、Cr和Pb含量顯著高于其他生長時間。6月14日，莖中Mn含量顯著高于其他生長時間；8月2日，莖中Cd含量顯著高于其他生長時間；11月8日，莖中Cu、Zn、Cr和Pb含量顯著高于其他生長時間。

表1 不同生長時間人工濕地再力花和花葉蘆竹葉和莖中重金屬含量的比較Table 1 Comparison on heavy metal content in leaf and stem of Thalia dealbata Fraser and Arundo donax var. versicolor Stokes in constructed wetland at different growth times

供試各生長時間花葉蘆竹葉中Mn含量顯著高于莖中Mn含量，葉中Cd、Cr和Pb含量顯著低于莖中Cd、Cr和Pb含量；9月20日，葉中Cu含量與莖中Cu含量差異不顯著，其他生長時間顯著高于莖中Cu含量；6月14日和8月2日，葉中Zn含量與莖中Zn含量差異不顯著；9月20日和11月8日，葉中Zn含量分別顯著高于和低于莖中Zn含量。

2.2 人工濕地再力花和花葉蘆竹中重金屬的遷移特征

不同生長時間人工濕地再力花和花葉蘆竹的重金屬遷移系數(shù)見表2。由表2可見：供試各生長時間再力花的Mn、Cu和Cr遷移系數(shù)大于1，Cd遷移系數(shù)小于1；除11月8日的Zn遷移系數(shù)小于1外，其他生長時間的Zn遷移系數(shù)大于1；除6月14日的Pb遷移系數(shù)大于1外，其他生長時間的Pb遷移系數(shù)小于1。再力花11月8日的Mn、Cu和Zn遷移系數(shù)顯著(P<0.05)低于其他生長時間，8月2日的Cd遷移系數(shù)顯著低于其他生長時間；9月20日與11月8日的Pb遷移系數(shù)差異不顯著，但顯著低于其他生長時間；不同生長時間的Cr遷移系數(shù)差異不顯著。

由表2還可見：供試各生長時間花葉蘆竹的Mn和Cu遷移系數(shù)大于1，Cd、Cr和Pb遷移系數(shù)小于1；除9月20日的Zn遷移系數(shù)大于1外，其他生長時間的Zn遷移系數(shù)小于1?；ㄈ~蘆竹11月8日的Mn、Cd和Pb遷移系數(shù)以及9月20日的Zn遷移系數(shù)顯著高于其他生長時間；不同生長時間的Cu遷移系數(shù)差異不顯著；9月20日和11月8日的Cr遷移系數(shù)差異不顯著，但顯著高于其他生長時間。

由表2還可見：再力花6種重金屬平均遷移系數(shù)從大到小依次為Mn、Cu、Cr、Zn、Pb、Cd，花葉蘆竹6種重金屬平均遷移系數(shù)從大到小依次為Mn、Cu、Zn、Pb、Cd、Cr。再力花和花葉蘆竹的6種重金屬平均遷移系數(shù)中Mn平均遷移系數(shù)均最大，分別為2.084和2.044，說明與其他5種重金屬相比較，Mn在這2種植物體內(nèi)更容易遷移。同種重金屬在不同植物體內(nèi)的遷移能力存在差異，再力花除9月20日和11月8日的Mn和Pb遷移系數(shù)以及9月20日的Zn遷移系數(shù)低于花葉蘆竹外，其他時間再力花的Mn、Cu、Cd、Zn、Cr和Pb遷移系數(shù)高于花葉蘆竹，說明與花葉蘆竹相比較，Cu、Cd和Cr在再力花體內(nèi)更容易發(fā)生遷移。

表2 不同生長時間人工濕地再力花和花葉蘆竹重金屬遷移系數(shù)的比較1)Table 2 Comparison on migration coefficient of heavy metal of Thalia dealbata Fraser and Arundo donax var. versicolor Stokes in constructed wetland at different growth times1)

2.3 人工濕地再力花和花葉蘆竹生長時間與葉和莖中重金屬含量的相關(guān)性分析

人工濕地再力花和花葉蘆竹生長時間與葉和莖中重金屬含量的擬合線性方程分別見表3和表4。

表3 人工濕地再力花生長時間與葉和莖中重金屬含量的擬合線性方程1)Table 3 Fitting linear equation of growth time with heavy metal content in leaf and stem of Thalia dealbata Fraser in constructed wetland1)

表4 人工濕地花葉蘆竹生長時間與葉和莖中重金屬含量的擬合線性方程1)Table 4 Fitting linear equation of growth time with heavy metal content in leaf and stem of Arundo donax var. versicolor Stokes in constructed wetland1)

由表3可見：再力花生長時間除與葉中Pb含量的線性關(guān)系不顯著外，與葉和莖中Mn、Cu、Cd、Zn和Cr含量以及莖中Pb含量的線性關(guān)系顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)。隨著再力花生長，其葉和莖中Mn、Cu、Cd、Zn、Cr和Pb含量趨于增加，生長時間與葉中Mn、Cu、Cd、Zn、Cr和Pb含量的相關(guān)系數(shù)分別為0.408、0.353、0.314、0.919、0.609和0.239，與莖中上述6種重金屬含量的相關(guān)系數(shù)分別為0.736、0.794、0.460、0.909、0.613和0.928。

由表4可見：花葉蘆竹生長時間除與葉中Cd含量以及莖中Mn和Cd含量的線性關(guān)系不顯著外，與葉和莖中Cu、Zn、Cr和Pb含量以及葉中Mn含量的線性關(guān)系顯著或極顯著。隨著花葉蘆竹生長，其莖中Mn和Cd含量趨于降低，莖中其他4種重金屬含量和葉中6種重金屬含量趨于增加，生長時間與葉中Mn、Cu、Cd、Zn、Cr和Pb含量的相關(guān)系數(shù)分別為0.364、0.727、0.162、0.640、0.816和0.843，與莖中上述6種重金屬含量的相關(guān)系數(shù)分別為0.245、0.674、0.234、0.832、0.826和0.794。

經(jīng)對比分析可知，再力花的生長時間與葉和莖中Mn、Cd和Zn含量的相關(guān)系數(shù)高于花葉蘆竹，而與其葉和莖中Cr含量的相關(guān)系數(shù)低于花葉蘆竹，說明再力花的生長時間與Mn、Cd和Zn含量的相關(guān)關(guān)系更好，而花葉蘆竹的生長時間與Cr含量的相關(guān)關(guān)系更好。

3 討論和結(jié)論

通常情況下，植物體內(nèi)Mn、Cu、Cd、Zn、Cr和Pb含量的正常范圍分別為1～700、5～25、0.2～0.8、20～400、0.2～8.4和0.1～5.0 mg·kg-1[26-27]。本研究中，再力花和花葉蘆竹葉和莖中Mn、Cd和Zn含量在正常范圍內(nèi)或更低，Pb含量超出正常范圍，Cu和Cr含量總體上在6月14日、8月2日和9月20日在正常范圍內(nèi)，在11月8日超出正常范圍，說明再力花和花葉蘆竹對Cu、Cr和Pb具有較強(qiáng)的累積能力。此外，再力花和花葉蘆竹對6種重金屬吸收程度存在差異。與再力花相比，花葉蘆竹的葉和莖中Mn含量較低，說明花葉蘆竹的葉和莖對環(huán)境中Mn含量的變化響應(yīng)較小，不適宜觀測環(huán)境中Mn含量的動態(tài)變化。

植物對重金屬的吸收與累積不但與植物對環(huán)境的響應(yīng)機(jī)制有關(guān)，還與重金屬本身的活動有關(guān)[28-29]。本研究中，不同重金屬在再力花和花葉蘆竹葉和莖中的吸收和累積特征存在明顯差異。6月14日，再力花葉和莖中Cd含量差異不顯著，而在其他生長時間葉中Cd含量顯著低于莖；各生長時間再力花葉中Mn和Cu含量顯著高于莖。各生長時間花葉蘆竹葉中Cd含量顯著低于莖，Mn含量顯著高于莖；9月20日，葉和莖中Cu含量差異不顯著，其他生長時間葉中Cu含量顯著高于莖。不同重金屬在植物體內(nèi)的遷移特性差異較大，通常用遷移系數(shù)表示植物對重金屬的遷移能力，當(dāng)遷移系數(shù)大于1時，說明植物體內(nèi)(莖和葉)運輸重金屬的能力強(qiáng)[30]。本研究中，各生長時間再力花和花葉蘆竹的Cd遷移系數(shù)均小于1，Mn和Cu遷移系數(shù)均大于1，說明Cd在再力花和花葉蘆竹體內(nèi)的遷移受到明顯抑制，遷移能力較弱，而Mn和Cu的遷移得到促進(jìn)，遷移能力較強(qiáng)。相關(guān)研究結(jié)果表明：植物的重金屬遷移系數(shù)很低說明植物在重金屬污染環(huán)境下對重金屬的吸收和遷移具有一定的協(xié)調(diào)性[31-32]，可通過逃避機(jī)制(如將重金屬固定在莖部)獲得對重金屬污染的抗性[33]。Wei等[34]認(rèn)為，植物對部分重金屬具有較高的排斥作用，采取限制重金屬從莖部向葉部遷移的忍耐策略來應(yīng)對重金屬脅迫。據(jù)此推測，再力花和花葉蘆竹可能通過采取這種忍耐策略抵御Cd脅迫，而這2種植物對Mn和Cu不排斥，利用質(zhì)膜上的Mn和Cu轉(zhuǎn)運蛋白將其從莖部轉(zhuǎn)運到葉部[35]，從而促進(jìn)Mn和Cu的遷移作用。

Mn、Cu和Zn是植物生命活動過程中必不可少的生命元素[36-37]，Cd和Pb是制約植物生長的有毒元素[38]。本研究中，再力花和花葉蘆竹的Mn、Cu和Zn遷移系數(shù)大于Cd和Pb遷移系數(shù)，說明Cd和Pb在再力花和花葉蘆竹體內(nèi)的遷移能力較弱，可能與二者將不利于自身生長的有害重金屬Cd和Pb留在莖部，以減輕Cd和Pb對葉部的毒害機(jī)制有關(guān)[39]。本研究中，同一重金屬在再力花和花葉蘆竹體內(nèi)的遷移能力也存在差異?？傮w上看，花葉蘆竹的6種重金屬遷移系數(shù)低于再力花，說明花葉蘆竹對這6種重金屬具有一定抗性[40]，推測可能與其自身的耐性機(jī)制有關(guān)[41]，如通過自身的生理機(jī)制調(diào)節(jié)，阻止重金屬由莖向葉遷移，從而降低重金屬對植株的毒害。

本研究中，再力花和花葉蘆竹的生長時間與其體內(nèi)的重金屬含量存在一定的相關(guān)關(guān)系。隨著植物的生長，再力花葉和莖中Mn、Cd和Zn含量趨于增加，再力花的生長時間與葉和莖中Mn、Cd和Zn含量的相關(guān)關(guān)系優(yōu)于花葉蘆竹；花葉蘆竹葉和莖中Cr含量亦逐漸增加，花葉蘆竹的生長時間與葉和莖中Cr含量的相關(guān)關(guān)系優(yōu)于再力花，說明再力花和花葉蘆竹對上述重金屬的需求隨著植物的生長逐漸增加，可根據(jù)再力花和花葉蘆竹體內(nèi)上述重金屬含量的變化來評價其對重金屬的去除效果[42]。因此，在武夷山市人工濕地植物配置中，再力花可以優(yōu)先考慮用于Mn、Cd和Zn污染環(huán)境的修復(fù)，將花葉蘆竹更適用于Cr污染環(huán)境的修復(fù)。

綜上所述，再力花和花葉蘆竹體內(nèi)上述6種重金屬含量隨著植株的生長呈現(xiàn)顯著差異；再力花和花葉蘆竹對Mn、Cu、Cd、Zn、Cr和Pb具有一定的吸收累積能力；在人工濕地植物配置時，建議將再力花作為Mn、Cd和Zn污染環(huán)境的修復(fù)植物，將花葉蘆竹作為Cr污染環(huán)境的修復(fù)植物。值得注意的是，人工濕地植物葉和莖中重金屬含量的變化與植物根系、土壤和水體中重金屬關(guān)系密切，需對植物根系、土壤和水體中重金屬展開更深入的研究。