濱州濕地植物對重金屬的富集特征

張再旺，靳建超，李 赫，張吉強(qiáng)， 許驥坤，田 園，馬春茂，周同娜

(1.濱州學(xué)院 生物與環(huán)境工程學(xué)院，山東 濱州 256603；2.山東安和安全技術(shù)研究院有限公司，山東 濱州 256600；3.山東省東營生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，山東 東營257000 )

重金屬污染是我國乃至全世界面臨的重要環(huán)境問題之一，受到各界的廣泛關(guān)注[1-3]。不同重金屬毒性不同、化學(xué)性質(zhì)各異，但超過一定閾值都會對生物體健康及生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定造成影響[4-6]。濕地作為水陸交接地帶的特殊生態(tài)系統(tǒng)，已成為包括重金屬在內(nèi)的多種污染物的重要存儲庫[7]。濕地植物對環(huán)境的指示作用及污染修復(fù)作用也成為研究熱點之一，國內(nèi)外學(xué)者對不同區(qū)域、不同種類植物富集重金屬的行為開展了廣泛研究，探討了多種濕地植物用于重金屬污染修復(fù)的可能性[8-14]。研究濕地植物對重金屬的富集對于評價濕地環(huán)境質(zhì)量，探討重金屬的植物修復(fù)具有重要意義。

黃河三角洲地區(qū)濕地資源豐富，位于該區(qū)域的濱州市致力于打造“四環(huán)五海、生態(tài)濱州”的品牌，濕地也成為其一張重要的名片[15]。隨著黃河流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展重大國家戰(zhàn)略的提出，濕地保護(hù)也成為區(qū)域發(fā)展中一項重要工作。處于城郊結(jié)合特殊地帶的城郊濕地，其受重金屬污染的程度如何？濕地植物對重金屬的富集能力怎樣？相關(guān)數(shù)據(jù)十分缺乏。基于此，本研究以濱州市城郊濕地為研究區(qū)域，探討濕地植物對典型重金屬的富集特征，旨在為區(qū)域濕地環(huán)境保護(hù)及重金屬植物修復(fù)提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

以位于濱州市高新區(qū)的城郊濕地為研究區(qū)域，該濕地北鄰黃河，距離市區(qū)約12 km，水源主要來自黃河徑流與自然降水，濕地原生狀態(tài)良好，植物種類豐富，有多種動物棲息于此，周邊無中大型工廠及明顯污染源。本研究采集了濕地內(nèi)蘆葦、香蒲、苣荬菜、播娘蒿和垂柳等5種植物及其對應(yīng)的土壤/底泥樣品(蘆葦、香蒲為底泥)。

1.2 分析方法

植物樣品帶回實驗室后用去離子水沖洗干凈，后在烘箱中于95 ℃下烘干36 h。典型水生植物蘆葦、香蒲分成地上部分和地下部分，苣荬菜和播娘蒿則以整株作為單個樣品，垂柳則將采集的枝、葉混合作為單個樣品。干燥的植物樣品磨碎后過60目篩備用。土壤樣品去除較大的石塊，自然風(fēng)干。風(fēng)干的土壤樣品研磨后過80目篩待用。

植物樣品的消解采用干灰化法[16]：稱取約1.000 0 g植物樣品放入瓷坩堝中加入2 mL濃硝酸過夜，第二天將其放在烘箱內(nèi)于95 ℃下烘2 h至無水分，后將其置于馬弗爐里450 ℃保持4 h，冷卻至室溫后取出樣品，在坩堝中加入2 mL濃度為20%的硝酸溶液消解樣品中的無機(jī)鹽，加去離子水定容。土壤樣品使用濕法消解[17]：稱取約1.000 0 g土壤樣品放入聚四氟乙烯坩堝中加8～10 mL反王水(硝酸/鹽酸=3/1)，搖勻并隔夜。第二天在電熱板上加熱消解，加熱過程中分次加入5 mL反王水以使土壤樣品消解更充分。趕酸至近干，定容待測。每批樣品設(shè)置程序空白、3個平行樣及標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)ESS4進(jìn)行質(zhì)量控制，標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)回收率在69%以上，平行樣標(biāo)準(zhǔn)偏差低于10%。使用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀測定植物及土壤/底泥樣品中的Cu、Zn、Cr、Pb、Cd等5種重金屬的含量。

1.3 生物富集系數(shù)、轉(zhuǎn)移系數(shù)的計算

利用生物富集系數(shù)描述土壤/底泥中重金屬向植物體內(nèi)遷移的難易程度，闡釋重金屬在植物體內(nèi)的累積趨勢。其計算公式為：BCF=Cp/Cs，其中BCF為生物富集系數(shù)，Cp為植物體內(nèi)某一部位的重金屬濃度(mg/kg)，Cs為相應(yīng)的土壤/底泥中對應(yīng)的重金屬濃度(mg/kg)。

利用轉(zhuǎn)移系數(shù)描述金屬元素由植物體地下部分向地上部位轉(zhuǎn)移的難易程度，TF=Cu/Cd，其中TF為轉(zhuǎn)移系數(shù)，Cu為植物地上部分的重金屬含量(mg/kg)，Cd為植物地下部分對應(yīng)的重金屬含量(mg/kg)。

2 結(jié)果與討論

2.1 濕地植物中重金屬的含量水平

濱州濕地5種植物和土壤/底泥中Cr、Cu、Zn、Cd和Pb的含量見表1。濕地植物生長的土壤/底泥中Cr、Cu、Zn、Cd和Pb的含量范圍分別為9.45～13.59、7.23～12.19、18.42～33.04、0.07～0.37和9.28～24.87 mg/kg。Cr、Cu、Zn和Pb的含量均低于山東省土壤背景值(Cr、Cu、Zn和Pb分別為64.5、24.2、64.6、和25.2 mg/kg)[18]，Cd的含量則存在超過背景值的現(xiàn)象，表明需對該區(qū)域Cd污染給予關(guān)注并加強(qiáng)有關(guān)監(jiān)測工作。

表1 濱州濕地植物中重金屬的含量 mg·kg-1

5種植物體內(nèi)重金屬的含量水平均呈現(xiàn)出Zn>Cu>Cr>Pb>Cd的特征，這與國內(nèi)有關(guān)報道的結(jié)果類似[9,11-14]。土壤中重金屬含量的順序則與之略有差異：苣荬菜、播娘蒿和香蒲土壤中表現(xiàn)為Zn>Cr>Cu>Pb>Cd；而蘆葦和垂柳土壤中則表現(xiàn)為Zn>Cu>Cr>Pb>Cd。香蒲、蘆葦相較于其他植物，累積了更多的Cr，而垂柳體內(nèi)則累積了更高的Zn和Cd。表明不同植物對土壤中重金屬的累積存在一定差異。而影響植物累積重金屬的因素則包括植物種類、重金屬賦存形態(tài)、元素價態(tài)、物質(zhì)結(jié)構(gòu)、環(huán)境中重金屬的濃度、溫度、土壤理化性質(zhì)等[9,19]。

濕地植物中Cr、Cu、Zn、Cd和Pb的含量范圍分別為2.35～7.95、17.66～21.15、29.08～95.76、0.08～0.79和0.58～2.75 mg/kg。與其他不同地區(qū)濕地植物中有關(guān)元素的含量相比(表2)，濱州濕地植物中重金屬的含量處在相對較低的水平。

表2 不同地區(qū)濕地植物中重金屬的含量 mg·kg-1

2.2 生物富集系數(shù)

濱州濕地植物中不同重金屬的生物富集系數(shù)見表3。其中Cr、Pb的生物富集系數(shù)均低于1，而Cu的均大于1，除苣荬菜中Zn的生物富集系數(shù)略低于1外，其他植物中Zn的生物富集系數(shù)也都大于1，說明濕地植物對Cu、Zn具有較強(qiáng)的富集能力，這可能與Cu、Zn是植物的必需元素有關(guān)。有關(guān)人工濕地香蒲中富集Cu、Cr的研究發(fā)現(xiàn)，香蒲對Cu的吸收能力更強(qiáng)[14]；遼河口濕地中蘆葦也顯示出很強(qiáng)的對Cu、Cd的富集能力[12]。Cd的生物富集系數(shù)在香蒲、蘆葦和垂柳中均高于1，表明這3種植物具有用于修復(fù)土壤Cd污染的潛力。

表3 濱州濕地植物中不同重金屬的生物富集系數(shù) mg·kg-1

2.3 轉(zhuǎn)移系數(shù)

不同重金屬在蘆葦和香蒲中的轉(zhuǎn)移系數(shù)見圖1。除Cr外，其他重金屬的轉(zhuǎn)移系數(shù)均表現(xiàn)出香蒲>蘆葦?shù)内厔?。李琦等[13]發(fā)現(xiàn)，3種沼澤植物中Cr的轉(zhuǎn)移系數(shù)均不高于1，而本研究種蘆葦中Cr的轉(zhuǎn)移系數(shù)低于1，與其結(jié)果相似，而香蒲中Cr的轉(zhuǎn)移系數(shù)略高于1，表明2種濕地植物對Cr從地下往地上部分的轉(zhuǎn)移能力存在差異。香蒲中Cu、Zn、Cd和Pb的轉(zhuǎn)移系數(shù)則均高于1。生物富集系數(shù)、轉(zhuǎn)移系數(shù)均是作為評價植物是否可以作為重金屬超富集植物的指標(biāo)，從本研究的結(jié)果來看，香蒲可能更適合作為濕地重金屬修復(fù)的物種。有研究發(fā)現(xiàn)，季節(jié)是影響植物富集重金屬的重要因素之一[19]，本研究為單次采樣，并未考慮不同季節(jié)下植物的生長、生理情況以及土壤/底泥本身的理化性質(zhì)，季節(jié)因素可能是造成不同研究中重金屬轉(zhuǎn)移系數(shù)呈現(xiàn)差異的原因之一，以后需考慮該因素進(jìn)行系統(tǒng)研究。

圖1 不同重金屬轉(zhuǎn)移系數(shù)

3 結(jié)論

濱州市濕地土壤中Cr、Cu、Zn、Pb含量低于山東省土壤背景值，該4種重金屬的風(fēng)險較低，而Cd的含量存在超出參考值的現(xiàn)象，需對濕地Cd污染給予關(guān)注。

濕地植物體內(nèi)重金屬含量呈現(xiàn)Zn>Cu>Cr>Pb>Cd的特點，不同植物對土壤中重金屬的累積存在差異。5種濕地植物對Cu、Zn均有較強(qiáng)的富集能力，香蒲、蘆葦、垂柳對Cd有較強(qiáng)的富集能力。

蘆葦和香蒲對不同金屬的轉(zhuǎn)移能力存在較大差別，香蒲可能更適合作為濕地重金屬修復(fù)的植物。