重金屬輕度污染區(qū)3種香料植物的重金屬富集能力

馬 英，車 盈，李建安，林錫柱

（1. 中南林業(yè)科技大學林學院，湖南 長沙 410004；2. 中南林業(yè)科技大學香料研究所，湖南 長沙 410004；3. 湖南慕她生物科技有限公司，湖南 株洲 412007）

隨著現(xiàn)代化城市建設的快速發(fā)展，國民經(jīng)濟建設水平不斷提升，但隨之而來的環(huán)境污染問題也不容忽視，越來越受到人們的關注。水質(zhì)污染是現(xiàn)階段城市建設中最常見的問題，各種生活、生產(chǎn)廢水的不合理排放使得湘江干流多數(shù)河段均遭受到不同程度的污染，重金屬污染問題尤其突出。據(jù)調(diào)查，湘江源區(qū)域有70%以上土壤存在重金屬中輕度污染風險，個別地區(qū)土壤存在重金屬重度污染風險，常見的重金屬污染有Cr、Cd、Pb、Hg和As等[1]。

在重金屬污染區(qū)種植耐抗性強的作物或改種非食用性經(jīng)濟作物[2]，以實現(xiàn)重金屬污染耕地邊生產(chǎn)邊修復的目的是近年來廣受關注的一種植物修復手段。香料植物兼具景觀價值和經(jīng)濟價值，已嘗試用于重金屬中輕度污染區(qū)的種植結(jié)構(gòu)調(diào)整。筆者對重金屬輕度污染區(qū)種植的玫瑰、迷迭香和百合這3種香料植物的重金屬富集能力進行了測定，旨在為類似區(qū)域的改種改制提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于湖南省株洲市天元區(qū)群峰鎮(zhèn)新塘村（113°4′56″ E，27°43′33″ N），地屬亞熱帶季風性濕潤氣候，四季分明，雨熱同期，冬季溫和濕潤，光熱資源豐富，年平均氣溫16～18℃，無霜期一般在286 d以上。試驗地的土壤pH值6.77，為微酸性的輕壤土，有機質(zhì)含量14.4 g/kg，氮、磷、鉀含量分別為220、24.2、145 mg/kg，保水持肥能力較好。

對試驗地的水源和土壤的重金屬含量進行了檢測，污染情況如表1所示，該地水源中鉻超標率為75%，鎘超標率為50%，按照灌溉水污染指數(shù)計算，處于超標范圍，其余重金屬含量均在國家安全標準范圍之內(nèi)。土壤的檢測結(jié)果顯示，該地土壤屬于國家規(guī)定的一級和二級土壤標準，重金屬含量在國家安全標準范圍之內(nèi)，土壤重金屬含量未超標，但若水源未得到及時有效治理，灌溉導致的土壤重金屬污染風險將會增加。

表1 試驗地的水體以及土壤重金屬污染情況

1.2 試驗方法

1.2.1 樣品采集 3種香料植物按照完全隨機區(qū)組試驗設計種植在試驗小區(qū)，3次重復，種植1 a后，在每個小區(qū)隨機選取3株，將根、莖、葉分離，105℃殺青，60℃烘干，備用。種植前采用梅花形采樣法在每個小區(qū)采集0～20 cm土層土壤1 kg，作為重金屬含量測定的樣本。

1.2.2 土壤樣品測定把土壤樣品放在陽臺上自然風干，風干后置于研缽中磨碎，過100目篩，采用王水-高氯酸電熱板消解法進行消解[3]。稱取粉碎好的1.000 g土樣，放進200 mL三角瓶中，用少量純水將土壤樣品潤濕，輕微震蕩后，加入10 mL王水，瓶口放入彎頸漏斗，把三角瓶放在通風櫥內(nèi)的電熱板上消解，當棕色的煙霧散盡時，取下冷卻至室溫，然后加入5 mL高氯酸，繼續(xù)消煮，直至土壤樣品燒成白色透明或淺黃色，溶液近1 mL左右，取下冷卻至室溫，過濾定容至300 mL塑料瓶中，再用火焰原子吸收分光光度計測定重金屬含量。

1.2.3 植物樣品測定用自來水充分沖洗附著在植物樣品上的泥污，再用純水沖洗2～3遍，濾去水分，稱量鮮重，將植物的根、莖、葉、花（僅玫瑰有花）剪下分別裝在信封中，放置在75℃烘箱中烘干至恒重，用粉碎機將植物樣品粉碎，稱量干重。采用硝酸-高氯酸電熱板消解法消解[4]。稱取粉碎好的0.500 g植物樣品，放于200 mL三角瓶中，加10 mL硝酸，過夜，次日在通風櫥下，將植物樣品放置在電熱板上進行消解，當棕色的煙霧散盡后，取下冷卻至室溫，然后加入3 mL高氯酸，繼續(xù)消煮至溶液近1 mL，取下冷卻至室溫，過濾定容至300 mL塑料瓶中，再用火焰原子吸收分光光度計測定重金屬含量。

1.2.4 重金屬富集能力評價通過生物富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運系數(shù)來評價植株的重金屬富集能力[5]，計算式見公式（1）和（2）。

1.3 數(shù)據(jù)分析

用Excel軟件進行數(shù)據(jù)計算，用SPSS 22.0軟件進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 香料植物根系土壤重金屬含量

從表2可以看出，3種香料植物根系土壤Cd含量無顯著差異，而Cr、Pb、Hg含量存在一定的差異；其中，玫瑰根系土壤的Cr含量最高，與迷迭香、百合存在顯著差異；百合根系土壤的Pb含量最高，與迷迭香和玫瑰存在顯著差異；迷迭香根系土壤的Hg含量最高，與百合和玫瑰存在顯著差異。由此推斷，3種香料植物對于不同重金屬的吸收存在差異。

表2 3種香料植物根系土壤重金屬含量 （mg/kg）

2.2 香料植物各部位重金屬含量

2.2.1 Cr含量由圖1可知，3種香料植物根部Cr含量最高，莖次之，葉中含量較低；值得注意的是，玫瑰花中的Cr含量與根部持平，含量較高。在3種香料植物中，百合的根、莖、葉Cr含量最低，與迷迭香和百合相應部位相比，存在顯著差異。迷迭香和玫瑰之間根部Cr含量無顯著差異。玫瑰莖部Cr含量最高，且與迷迭香、百合存在顯著差異。迷迭香葉部Cr含量最高，且與玫瑰和百合存在顯著差異。

圖1 3種香料植物不同部位的Cr含量

2.2.2 Cd含量從圖2可以看出，Cd在3種香料植物體內(nèi)的分布表現(xiàn)為根部最多，隨后依次是莖、葉、花。在3種香料植物中，百合各部位的Cd含量最高，且與其他2種香料植物相應部位存在顯著差異。玫瑰花與葉片中的Cd含量之間無顯著差異。迷迭香各部位的Cd含量較低。

圖2 3種香料植物不同部位的Cd含量

2.2.3 Pb含量由圖3可知，3種香料植物的根部Pb含量最高，隨后依次是莖、葉、花。在3種香料植物中，玫瑰各部位Pb含量最高，且與迷迭香和百合相應部位之間存在顯著差異。玫瑰各部位中以花的Pb含量最低。迷迭香的葉片和莖部Pb含量最低。百合的根部Pb含量最低。

圖3 3種香料植物不同部位的Pb含量

2.2.4 Hg含量由圖4可知，百合根部Hg含量最高，且與莖和葉片以及其余2種香料植物相比存在顯著差異。

圖4 3種香料植物不同部位的Hg含量

2.3 香料植物的生物富集系數(shù)

生物富集系數(shù)表示了植物富集重金屬的能力。生物富集系數(shù)越大，則該植物富集重金屬的能力越強；生物富集系數(shù)越小，則表明該植物富集重金屬的能力越弱[6

]。

由圖5可知，3種香料植物對Cd的富集能力最強，隨后依次是Cr、Hg和Pb。其中玫瑰對Cr、Cd、Pb、Hg的富集能力最強。3種香料植物對Cr、Cd和Hg的富集能力排序均為玫瑰＞百合＞迷迭香；三者對Cr的富集系數(shù)差異不顯著，迷迭香對Cd的富集系數(shù)顯著低于玫瑰和百合，玫瑰對Hg的富集系數(shù)顯著高于迷迭香和百合。3種香料植物對Pb的富集能力排序是玫瑰＞迷迭香＞百合，玫瑰對Pb的富集系數(shù)顯著高于迷迭香和百合。

圖5 3種香料植物對4種重金屬的富集系數(shù)

2.4 香料植物對重金屬的轉(zhuǎn)運系數(shù)

轉(zhuǎn)運系數(shù)反應了植物對重金屬的轉(zhuǎn)運能力。轉(zhuǎn)運系數(shù)越大，表明植物從根部向地上部分轉(zhuǎn)運重金屬的能力越強。轉(zhuǎn)運系數(shù)越小，則植物從根部向地上部分轉(zhuǎn)運重金屬的能力越弱[7]。

從圖6可以看出，4種重金屬中Hg在植物體內(nèi)的轉(zhuǎn)移系數(shù)最高，隨后依次為Cr、Cd、Pb。3種植物對重金屬的轉(zhuǎn)運能力存在顯著差異；其中，玫瑰對重金屬的轉(zhuǎn)運能力最強，迷迭香對Cr、Pb的轉(zhuǎn)運能力最弱，百合對Cd、Hg的轉(zhuǎn)運能力最弱。

圖6 3種香料植物對4種重金屬的轉(zhuǎn)運系數(shù)

3 討論與結(jié)論

在3種香料植物中，根中重金屬含量最高，莖次之，葉和花中富集的重金屬含量最少；香料植物體內(nèi) Cr 的含量最高，其次是Pb和Cd，Hg的含量最低。這與土壤中重金屬含量趨勢一致。不同植物對重金屬的富集能力影響了重金屬在土壤中的分布和移動。

3種香料植物對不同重金屬的富集和轉(zhuǎn)運能力有一定的差異，對Cd的富集能力最強，對Pb的富集能力最弱。玫瑰對4種重金屬的富集能力均高于迷迭香和百合；迷迭香對Cr、Cd、Hg的富集能力低于玫瑰和百合，富集能力最弱；百合對Pb的富集能力最弱。

在4種重金屬中，香料植物對Hg的轉(zhuǎn)移能力最強，可能是因為Hg的含量最低，植物應答機制明顯所致。在3種香料植物中，玫瑰對重金屬轉(zhuǎn)運能力最強，迷迭香對Cr、Pb的轉(zhuǎn)運能力最弱，百合對Cd、Hg的轉(zhuǎn)運能力最弱。