六種花卉植物對農(nóng)田重金屬富集特性研究

高園園

(東莞市生態(tài)環(huán)境技術(shù)中心，廣東東莞 523009)

土壤作為環(huán)境污染物的“匯”，承納了大量污染物，造成土壤生態(tài)環(huán)境日益惡化。土壤污染具有隱蔽性、長期性和不可逆性等特點，土壤污染物隨生物鏈進入農(nóng)產(chǎn)品，危及人類健康和生命安全，引起了人們越來越多的關(guān)注。20世紀80年代以來，地處珠江三角洲“黃金地段”的東莞，憑借地理優(yōu)勢，迅速實現(xiàn)了由農(nóng)業(yè)經(jīng)濟向工業(yè)經(jīng)濟的轉(zhuǎn)變[1]。

國內(nèi)外很多學者對環(huán)境中重金屬污染的植物修復展開了研究[2- 3]，以期找到一系列合適的重金屬污染修復植物。龐靜研究發(fā)現(xiàn)，月季對各種重金屬元素均有富集能力[4]；曾俊發(fā)現(xiàn)彩虹月季對Cd、Pb表現(xiàn)出一定的抗逆性，可以用作園林綠化與修復[5]。 高潔等人發(fā)現(xiàn)了野薄荷(Mentha haplocalyx)表現(xiàn)出了超富集Cr的潛力[6]；劉湘丹等人證明了薄荷對Cd有一定富集能力[7]。姜成等人實驗結(jié)果顯示：鳳仙花(Impatiens balsamina L.)對外界鉛脅迫有很強的耐性，是一種修復Pb污染土壤的好材料[8]；劉家女等研究也發(fā)現(xiàn)鳳仙花對重金屬復合污染土壤具有修復潛力[9]。在前人研究基礎(chǔ)上，本試驗選擇月季、薄荷和鳳仙花六種花卉植物在Cu-Zn-Cd-Pb復合污染情況下的生長反應及可能的超積累特性，以期為這些花卉植物應用于重金屬復合污染土壤修復開辟新的方法途徑提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

東莞市地處珠江三角洲中南部，珠江口東岸，北鄰博羅、廣州，東鄰惠陽，西與番禺隔珠江相望，南與深圳相連[10]。地勢東南高西北低，地貌以丘陵臺地和沖積平原為主[11]。東莞市屬亞熱帶季風氣候，長夏無冬，日照充足，雨量充沛，溫差振幅小，季風明顯。雨量集中在4～9月份，6月以鋒面低槽降水為多，為前汛期；7～9月臺風降水活躍，為后汛期。研究的農(nóng)田位于高埗鎮(zhèn)朱黃村，周圍有精密制造業(yè)等工業(yè)生產(chǎn)，對當?shù)丨h(huán)境存在潛在威脅。

1.2 試驗方法

供試農(nóng)田選取高埗鎮(zhèn)朱黃村某農(nóng)田(E113°42’，N23°06’)，進行連續(xù)大田實驗(全Cu 19.40 mg·kg-1，全Zn 94.57 mg·kg-1，全Cd 0.23 mg·kg-1，全Pb 63.42 mg·kg-1)。選擇三種月季品種(扉扇月季、粉扇月季和彩虹月季)，兩種薄荷品種(阜油一號薄荷和胡椒薄荷)和鳳仙花作為修復植物。月季和薄荷苗購于河南省南陽市和江蘇省高郵市，鳳仙花種子購買于北京花兒朵朵花仙子農(nóng)業(yè)有限公司。鳳仙花先育苗再移栽，月季和薄荷小苗種植。月季種植密度為12-14株/m2，薄荷種植密度為20-25株/m2，鳳仙花種植密度為9株/m2。田間管理交由專人負責，根據(jù)大田土壤水份情況，不定期澆地表水(水體經(jīng)檢測達到I類地表水水質(zhì)標準)，保持田間濕潤。

1.3 樣品采集與制備

植物收獲時分為根、莖、葉和土壤四部分(鳳仙花收獲時分為根、莖、葉、果皮、種子和土壤六部分)。植物樣品先用去自來水沖洗，再用離子水沖洗干凈，烘箱中 105 ℃下殺青 0.5 h，而后烘干至恒重。土壤樣品經(jīng)自然風干后，研磨、過100目篩。土壤中重金屬Cu、Zn、Pb、Cd含量的測定采樣HF-HNO3-HNO3消解，電感耦合等離子體質(zhì)譜(PerkinElmer SCIEX)檢測。

2 結(jié)果與討論

2.1 第一季花卉植物實驗結(jié)果

2.1.1第一季花卉植物體內(nèi)重金屬含量對比分析

圖1 六種花卉植物對Cu、Zn、Cd、Pb的富集效果

花卉植物生長一季后，收獲部分植株，六種花卉植物體內(nèi)重金屬富集情況如圖1所示。元素共存時重金屬物質(zhì)從幾種花卉植物體中的累積分析看，對Cu元素的總富集能力排序為：胡椒薄荷>鳳仙花>阜油一號薄荷>扉扇月季>粉扇月季>彩虹月季。其中，地上部分Cu含量最高為胡椒薄荷(47.12 mg·kg-1)，最低為彩虹月季(9.19 mg·kg-1)，相差5.2倍；地下部分Cu含量最高為胡椒薄荷(46.51 mg·kg-1)，最低為粉扇月季和彩虹月季(8.05 mg·kg-1)，相差5.75倍。地上部分與地下部分Cu含量差異最大的為胡椒薄荷(相差3.6倍)，相差最小的為鳳仙花。

幾種花卉植物對Zn元素的總吸收能力排序為：鳳仙花>胡椒薄荷>粉扇月季>扉扇月季>彩虹月季>阜油一號薄荷。地上部分Zn含量最高為鳳仙花(280.45 mg·kg-1)，最低為阜油一號薄荷(37.42 mg·kg-1)，相差3.65倍；地下部分Zn含量最高為鳳仙花(91.13 mg·kg-1)，最低為阜油一號薄荷(25.21 mg·kg-1)，相差3.2倍。地上部分與地下部分Zn含量差異最大的為鳳仙花，相差3.6倍，相差最小的為阜油一號薄荷。

對Cd元素的總吸收能力排序為：鳳仙花>扉扇月季>胡椒薄荷>粉扇月季>阜油一號薄荷>彩虹月季。其中，地上部分Cd含量最高為鳳仙花(2.12 mg·kg-1)，最低為彩虹月季(0.07 mg·kg-1)，相差23.42倍；地下部分Cd含量最高為鳳仙花(0.74 mg·kg-1)，最低為彩虹月季(0.06 mg·kg-1)，相差16.33倍。地上部分與地下部分Cd含量差異最大的為鳳仙花，相差1.67倍，相差最小的為彩虹月季。扉扇月季在Cd污染農(nóng)田中顯示了一定的修復潛力。有研究表明，月季“金瑪麗”比較適宜鎘污染濃度在20 mg·kg-1以下的中低濃度土壤中進行植物修復[12]。

對Pb元素的總吸收能力排序為：鳳仙花>胡椒薄荷>扉扇月季>阜油一號薄荷>彩虹月季>粉扇月季。不同物種間地上與地下重金屬積累能力差異顯著，如圖12所示。其中地上部分Pb含量最高為胡椒薄荷(2.8 mg·kg-1)，最低為粉扇月季(0.7 mg·kg-1)，相差4倍，地下部分Pb含量最高為胡椒薄荷(3.7 mg·kg-1)，最低為粉扇月季(0.5 mg·kg-1)，相差7.4倍。地上部分與地下部分Pb含量差異最大的為鳳仙花，相差7.7倍，相差最小的為粉扇月季。

六種花卉植物中，鳳仙花對Zn、Pb和Cd的富集效果最好，體內(nèi)重金屬含量最高，胡椒薄荷體內(nèi)Cu含量最高。

2.1.2 花卉植物富集系數(shù)

超級累植物也叫超富集植物，一般認為超級累植物應具有以下特征[13-15]：1)超級累植物地上部分的重金屬含量是同等生境條件下其他普通植物含量的100倍以上；2)在污染地生長未受到明顯傷害，植物地上部重金屬含量大于根部該種重金屬含量；3)一般而言，植物體內(nèi)重金屬臨界含量為Zn 1 000 mg·kg-1，Cd 100 mg·kg-1，Au 1 mg·kg-1，Pb、Cu、Ni、Co均為1 000 mg·kg-1。富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)是衡量植物是否為超劑量植物的重要指標。轉(zhuǎn)移系數(shù)(TF)=植株地上部重金屬含量/植株地下部重金屬含量；富集系數(shù)(BCF)為某一金屬在植物不同部位的含量和其在土壤中相應含量的比值。

六種花卉植物的富集系數(shù)分析結(jié)果如表1所示。Cu在胡椒薄荷、粉扇月季、扉扇月季和彩虹月季富集能力較強，其中扉扇月季富集能力最強，富集系數(shù)為2.11，但是扉扇月季和彩虹月季的遷移能力很弱，小于0.7；胡椒薄荷表現(xiàn)出良好的富集能力和遷移能力，鳳仙花富集能力一般，但是遷移能力強，也具有一定的修復潛力。Zn在六種花卉植物表現(xiàn)出強富集能力(均大于1.4)，其中鳳仙花富集能力最強，富集系數(shù)為3.07，且地上部表現(xiàn)出強遷移能力。且六種植物地上部的遷移能力均大于根。

Pb在鳳仙花富集能力和轉(zhuǎn)移能力最強，表現(xiàn)出強富集效果，但是轉(zhuǎn)運系數(shù)低，主要集中在根部，這與其他研究結(jié)果一致[16]。粉扇月季和扉扇月季也表現(xiàn)出一定的修復潛力，富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)均大于1；Cd在六種植物的遷移系數(shù)均非常小，顯示Cd在選擇植物中遷移能力很差。雖然阜油一號薄荷、粉扇月季和彩虹月季表現(xiàn)出一定的富集能力，富集系數(shù)大于1，但是遷移系數(shù)均小于0.02，總體對Cd的修復潛力較小。

表1 六種花卉植物對重金屬的富集特征

Cu和Cd主要富集于胡椒薄荷的根部，其中對Cd的富集系數(shù)大于1.00，說明Cd在薄荷體中的累計效應很強。胡椒薄荷對Cu富集效果最好，鳳仙花對Zn、Cd和Pb富集效果最好。月季品種中，表現(xiàn)突出的為扉扇月季，彩虹月季植株矮小，富集重金屬表現(xiàn)最差。

2.1.3 鳳仙花不同部位對重金屬的富集效果

鳳仙花生長迅速三個月后，將鳳仙花為根、莖、葉、果皮和種子五部分。從鳳仙花各組織內(nèi)重金屬含量可以看出(圖2)，鳳仙花各器官富集含量差異較大，總體趨勢為根>葉>莖>果皮>種子，但是對于Zn來講，種子>果皮。種子Pb、Cd含量最低，果皮中Cd的富集量較大，甚至超過了根、莖、葉組織的含量。Cu和Zn在根、莖、葉、果皮和種子各部位差異較小。Pb、Cd在種子內(nèi)含量急劇下降，說明Pb和Cd不易在鳳仙花種子內(nèi)積累。種子相比根、莖、葉生長周期短，因此四種重金屬在種子部位略低于其他部位(Zn除外)。

圖2 鳳仙花各組織內(nèi)重金屬含量分析

植物組織的富集系數(shù)越大，其富集能力越強。分析鳳仙花不同部位對土壤重金屬的富集系數(shù)(表2)，結(jié)果表明，同一植物不同組織對土壤中Cu、Zn、Cd和Pb的吸收富集能力也存在很大的差異。鳳仙花根部對四種重金屬富集系數(shù)由大到小的順序是：Cd>Cu>Zn>Pb，莖、葉、種子和果皮對四種重金屬的富集順序一致：Cd>Zn>Cu>Pb。鳳仙花不同器官對土壤重金屬的富集能力有較大差異，且不同器官的差異小于同一器官的不同組織，鳳仙花果皮的富集能力遠大于種子。

表2 鳳仙花各組織對重金屬的富集系數(shù)

總體而言，Cu和Zn易于在鳳仙花各組織富集，原因可能在于Cu和Zn是植物生長的微量元素，生長的各個階段都需要。本研究中的六種花卉植物體，除鳳仙花和胡椒薄荷根內(nèi)含有較高的Cu(分別為32.28 mg·kg-1和46.05 mg·kg-1)之外，植物的其余器官中Cu和Zn的濃度仍屬正常水平。

該實驗可以看出，鳳仙花對Zn、Pb表現(xiàn)出強遷移能力(轉(zhuǎn)移系數(shù)分別為3.07和2.88)，但是地上Zn的富集含量為155.88 mg·kg-1，地上Pb的富集含量為5.27 mg·kg-1。植物地上部富集系數(shù)大于1也應是超富集植物區(qū)別于普通植物的必不可少的特征。該農(nóng)田土壤中Zn和Pb的濃度較低，因此雖然鳳仙花體內(nèi)富集量達不到臨界值標準，但是表現(xiàn)出了強遷移能力和強富集潛力。

2.1.4 鳳仙花各組織對Cd的富集效果

從Cd在鳳仙花體內(nèi)各組織的富集情況(圖3)可知，Cd的積累順序依次為果皮>根>葉>莖>種子。Zn在鳳仙花各組織的富集量大小依次是：根>葉>莖>種子>果皮，Pb和Cd的富集規(guī)律一致：根>葉>莖>果皮>種子，說明不同重金屬在鳳仙花體內(nèi)的各組織分布略有不同。本實驗中，鳳仙花各組織器官Cd含量最高，且根、莖、葉、果皮、種子富集系數(shù)的平均值為3.35，2.02，2.47，1.44和3.70，對Cd表現(xiàn)出強吸收和提取能力。其他實驗表明，鳳仙花地上部分Cd含量和整株Cd含量最高，地上部分鎘積累量也達到最高[17]。證實鳳仙花可以應用于Cd污染土壤的植物修復技術(shù)。

圖3 鳳仙花各組織Cd的含量分析

2.2 第一季與第二季花卉植物體內(nèi)重金屬含量分析

為了更好地研究植物對土壤的修復規(guī)律，本實驗重復兩季種植花卉植物，鳳仙花第一次種植后種子散落，重新生長，薄荷收割地上部后繼續(xù)生長，月季繼續(xù)生長，直至三個月之后收獲。

2.2.1第一季與第二季薄荷體內(nèi)重金屬含量對比

第一季薄荷收獲以后，收割地上部分，僅留離地面5 cm左右，繼續(xù)生長3個月后，對比分析兩季薄荷對4種重金屬的富集情況(圖4)，結(jié)果表明，第二季除阜油一號薄荷對Zn和Cd的富集量都超過第一季外，阜油一號薄荷對Cu和Pb的富集和胡椒薄荷對4種重金屬的富集都略低于第一季。連續(xù)植物修復的過程中，低濃度重金屬污染土壤上植物體內(nèi)重金屬的含量隨著修復的進行呈下降趨勢，這與其他研究結(jié)果一致[18]。低濃度污染土壤中，隨著修復的進行，重金屬生物有效性減低，進而影響下一季植物對重金屬的吸收。

2.2.2第一季與第二季月季體內(nèi)重金屬含量對比

月季收獲后，分為根、莖、葉三部分，同時收集根附近的土壤一并帶回實驗室進行分析檢測。結(jié)果表明(圖5)：第二季度月季三個月季品種根部富集量顯著增加，其中，Cd的富集量提高最多，第二季扉扇月季根部Cd的富集量是第一季的26倍，粉扇月季為第一季的19倍，彩虹月季為第一季的8.5倍。其次是Pb，第二季扉扇月季根部Pb的富集量是第一季的8.86倍，彩虹月季為第一季的5.39倍，粉扇月季為第一季的4.95倍。地上部(莖和葉)對四種重金屬富集濃度均呈現(xiàn)明顯下降趨勢。第二季與第一季相比，根部對四種重金屬的富集濃度都有較大提高，其中Pb提高最大。根部對重金屬富集濃度增大的原因可能在于，第二季月季生長期，東莞地區(qū)干燥少雨，干旱脅迫可以促進根系向土壤深處延伸[19]，進而提高了根部對重金屬的富集能力。重金屬復合污染土壤中，Cu、Zn、Pb和Cd之間的存在復雜的相互作用效應，不僅與重金屬種類、不同濃度組合、供試植物種類和植株部位有關(guān)。

圖4 兩季薄荷體內(nèi)重金屬富集量對比圖

圖5 兩季月季體內(nèi)重金屬富集量對比

2.2.3第一季與第二季鳳仙花體內(nèi)重金屬含量對比

第一季種植的鳳仙花種子灑落地上，待長至三四片葉子剔苗或補苗，保持50 cm×50 cm的間距，生長三個月后收獲鳳仙花。將植物分為根、莖、葉三部分，同時收集根附近的土壤一并帶回實驗室進行分析檢測。結(jié)果表明(圖6)，除第二季鳳仙花葉部分對Cu、Zn、Pb和Cd的富集量有所提高外，其他重金屬及其他部位對各重金屬富集濃度差異不大。通過兩季鳳仙花各組織干重對比(表3)可以發(fā)現(xiàn)，第二季鳳仙花各組織干重迅速下降，根干重僅為第一季3.35%，莖干重為第一季的2.69%，葉干重為第一季的6.95%，第二季沒有結(jié)果實。原因在于：第二季種植期間，正值當?shù)靥鞖飧稍锷儆辏又昧税追鄄?，長勢非常差。雖然第二季鳳仙花體內(nèi)重金屬含量與第一季差異不大，但由于生物量大大減少，重金屬富集總量下降。

圖6 兩季鳳仙花體內(nèi)富集重金屬含量對比圖

表3 兩季鳳仙花各組織干重對比g

3 兩季花卉植物對重金屬的富集效果

重復種植植物修復污染土壤，規(guī)律有顯著差異，這可能在于植物種類不同、污染土壤重金屬種類和濃度及土壤理化性質(zhì)的不同。Grifon等研究發(fā)現(xiàn)，重復種植芥菜(Brassica Juncea)重金屬富集量，隨著種植季度的增加，植物體內(nèi)的富集量呈下降趨勢[20]。范軼清研究發(fā)現(xiàn)，重復種植三季伴礦景天，高濃度污染土壤第三季植物地上部Cd含量最高，而低濃度污染土壤植物地上部 Cd濃度在修復的過程中呈現(xiàn)出下降趨勢[18]； Li等研究結(jié)果顯示土壤的酸堿性顯著影響伴礦景天對重金屬的吸收，而土壤重金屬濃度起次要作用[21]。重復種植植物修復的過程中，重金屬生物有效性降低[22]，但高濃度污染土壤中重金屬生物有效態(tài)供應充足，植物對重金屬的吸收不變甚至升高。

本研究發(fā)現(xiàn)，除第二季阜油一號薄荷對Zn和Cd的富集含量有一定增加之外，其他重金屬和胡椒薄荷均呈現(xiàn)下降趨勢；粉扇、扉扇和彩虹月季第二季比第一季富集量都有很大提高，其中根部提高最多；兩季鳳仙花體內(nèi)重金屬含量無明顯差異，但由于第二季鳳仙花受白粉病侵害生物量銳減，富集重金屬總量也有很大減少。與其他不同植物的研究有較大差異。

4 結(jié)語

1)鳳仙花根對Cd的富集系數(shù)為3.36，地上部的富集系數(shù)為9.59，富集系數(shù)遠大于1.00，說明Cd在鳳仙花體中的積累效應很強，鳳仙花果皮的富集能力遠大于種子。

2)種植兩季植物體內(nèi)重金屬及其他部位對各重金屬富集濃度差異不大，重復種植兩季植物，富集效果并未顯著下降。

4)薄荷、月季和鳳仙花根部重金屬含量較高，因此，在收獲時最好將植物根系一起拔除，統(tǒng)一妥善處理，達到降低土壤重金屬含量，保護生態(tài)環(huán)境的目的。