陈 天， 包宁颖， 杜崇宣， 刘云根,2*， 张慧娟， 王 妍

1.西南林业大学生态与环境学院， 云南 昆明 650224 2.西南林业大学水科学与工程中心， 云南 昆明 650224 3.西南林业大学湿地学院， 云南 昆明 650224

我国是全球矿产资源最丰富的国家之一. 矿产资源的开采为当地带来了巨大的经济效益，但同时也给周边生态环境带来了严重的污染问题[1]. 矿区土壤不仅是采矿废水、废渣等重金属污染物的受体，还会伴随降雨造成的土壤渗滤液随地表径流运动对周边的水土生态环境造成严重危害，使得矿区土壤成为危害区域生态安全的污染源[2]. 重金属污染不仅会影响农作物的生长和地下水环境安全，还会随着食物链将危害传递给人类[3]. 挺水植物作为湿地生态系统中最主要的组成部分之一，具有将重金属富集在体内的能力，可用于重金属污染水域的生态修复[4]，这种利用挺水植物进行生态修复的方法不仅经济有效，而且操作简便，对生态系统稳定性扰动较小. 当前，已发现的大多数重金属超富集植物主要集中在十字花科，国内外围绕芸苔属、庭荠属及遏蓝菜属等植物进行了大量的试验研究[5-7]. 我国在重金属超富集植物筛选工作上已取得了较多成果，如发现东南景天是Zn的超富集植物，油菜、宝山堇菜、龙葵、忍冬是Cd的超富集植物[8-12]，蜈蚣草和大叶井口边草是As的超富集植物[13-15]，工业大麻具有优良的Pb和Zn污染修复利用价值，可以开发作为修复重金属污染土壤的植物[16]. 不同植物对重金属的忍耐性和富集能力差异很大，而且植物的生长受环境因素影响较大，因此有必要对应用于修复污染土壤的植物进行筛选和研究，以开发适合本地污染土壤特点且具有广泛适应性的重金属修复植物[17-18].

芦苇(Phragmitesaustralis)和香蒲(TyphaangustifoliaL.)均是多年生大型挺水植物，易于存活且分生能力很强，目前被广泛应用于有机物和富营养化污染的河流生态修复区作为生态修复物种[19]. 芦苇是以德国为代表的欧洲国家主要选择的生态修复区建群种，以美国为代表的北美国家更倾向于选择香蒲[20-21]，但将芦苇和香蒲种植在同一生态修复区内，并对其重金属生态修复的特点和效果进行比较，目前还没有深入的报道. 小白河位于云南省东南部，流域内重金属污染比较严重，上游沿岸有多家选矿企业，下游河水是该流域内农业灌溉用水的主要来源. 早期的有色金属开采工艺粗放，绝大多数含在矿渣废料中的重金属未经回收被排放进入小白河，导致小白河水体及流域湿地的重金属复合污染形势十分严峻，严重危害到小白河流域的生态安全[22]. 鉴于此，该研究在小白河西岸野生植物区及东岸生态修复区内分别采集土壤、芦苇和香蒲的植物样品，对样品进行烘干、消解后进行原子吸收检测，测定土壤与植物样品中w(As)、w(Pb)、w(Zn)、w(Cr)、w(Ni)，并对植物的重金属耐受型、富集特征以及修复效果进行分析，以期为滇东南地区重金属污染河流的生态修复区建设和管理提供理论支持.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区为云南省东南部文山自治州马关县的小白河流域，该区属低纬度亚热带季风性气候. 小白河东岸的生态修复区于2012年建设，以芦苇和香蒲为建群种，2种植物分区种植，河西岸为野生植物区.

1.2 样品采集及处理

如图1所示，将小白河流域依据相同水力停留时间划分A、B、C 3个采样断面，每个断面选取6个样方，每个样方设有3个采样点.

注： A、B、C为采样断面. 箭头为水流方向.图1 研究区采样点分布Fig.1 Map of sampling points in the research area

于2015年4月在每个样点采集10株长势均等的植物样品，并在对应采样点分层采集5份底泥样品(采样深度为1～30 cm)，将底泥样品放置于自封袋中带回实验室，处理前将样品混合后检测. 植物当即利用采样点附近河水进行简单清洗，根据植物的形态学和生理功能将芦苇和香蒲的地下茎部分划归为根部，保持根部完整装入自封袋与底泥样品一同带回实验室. 采样点植物生长状况如表1所示.

表1 采样点植物生长状况

在实验室用自来水将植物样品清洗后再用去离子水洗净，将植物按照根、茎、叶3个组织部位分离后置于烘箱在105 ℃下杀青30 min，然后75 ℃下烘至恒质量，粉碎过60目(0.25 mm)筛，试验进行前再次将植物样品置于烘箱80 ℃下烘干至恒质量. 土壤样品在冰箱冷冻24 h，随后低温冻干研磨，过100目(0.15 mm)筛. 土壤及植物样品中的重金属含量采用三酸消化法(HCL-HNO3-HCLO4)消解制样，各采样点的植物与底泥样品分别混合后用于检测，检测重复3次. 检测目标元素为Pb、Zn、Cr、Ni时，使用电感耦合等离子体光谱仪(ICP-OES，安捷伦700，美国)进行测定；目标元素为As时，使用双道原子荧光光度计(AFS-810，北京吉天仪器有限公司)进行测定；使用国家有色金属及电子材料分析测试中心国家液体标准物质对标线做质量控制，国家标准样品编号：As，GSB 04-1714-2004；Pb，GSB 04-1742-2004；Zn，GSB 04-1761-2004；Cr，GSB 04-1723-2004；Ni，GSB 04-1740-2004. 样品中重金属含量加标回收率在81.13%～109.57%之间.

1.3 分析方法

1.3.1相关计算方法及土壤分级标准

BCF(生物富集系数)用于反映土壤-植物体系中重金属由土壤向植物体迁移的难易程度，是评价植物吸收重金属能力大小的重要指标.

BCF=CpCs

(1)

式中：Cp为植物体内某重金属含量，mg/kg；Cs为土壤中某重金属含量，mg/kg.

TF(转运系数)是植物地上部重金属含量与地下部中相应含量的比值，反映植物体不同部位对重金属转运能力和吸收能力的差异.

TF=CsCr

(2)

式中：Cs为植物地上部某重金属含量，mg/kg；Cr为植物根部中某重金属含量，mg/kg.

采用Pi(重金属i单因子指数)和PN(内梅罗指数)来反映重金属i对土壤的污染级别，以避免由于平均值化带来的对重金属权值削弱现象的发生.

Pi=CiSi

(3)

(4)

式中：Ci为重金属i含量的实测值，mg/kg；Si为重金属i含量的标准值(遵照GB 15618—2018《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》中三级用地土壤污染风险筛选值确定)；Pimax为重金属i单因子指数的最大值；Piave为重金属i单因子指数的平均值. 土壤综合污染程度分级标准见表2[23].

表2 土壤综合污染级别与分级标准[23]

1.3.2数据处理

数据使用SPSS 19.0软件进行单因素方差分析(one-way ANVOA)，检验水平设定为P=0.05；采用Pearson(双侧)相关性分析法对各重金属含量进行相关性分析检验.

2 结果与讨论

2.1 不同挺水植物重金属吸收总量特征

小白河东岸与西岸底泥中以及不同挺水植物体内各重金属含量如表3所示. 对比发现，除芦苇区底泥中w(Zn)以外，生态修复区底泥中其余几种重金属含量均显著低于西岸(P<0.05)，其中，两岸底泥中w(As)与w(Ni)差异较大，芦苇种植区底泥中w(As)与w(Ni)较西岸分别降低了38.82%、50.53%，而香蒲区底泥中w(As)和w(Ni)较西岸分别降低了13.54%、21.95%. 生态修复区底泥中各重金属含量较西岸虽均有所降低，但芦苇区底泥中w(As)和w(Zn)的内梅罗指数分别为32.80和3.43，香蒲区底泥中w(As) 和w(Zn)的内梅罗指数分别为16.70和3.22，均已达到重度污染级别.

表3 小白河野生植物区与生态修复区底泥中重金属污染级别及植物重金属富集量

芦苇区底泥中w(As)是香蒲区的1.6倍，而香蒲体内w(As)是芦苇体内的2.1倍；香蒲区底泥中w(Zn)、w(Pb)、w(Ni)均与芦苇区无显著差异，香蒲体内w(Zn)、w(Pb)、w(Ni)分别是芦苇体内的1.9、1.5、1.8倍，可见香蒲对As、Zn、Pb、Ni的富集能力显著大于芦苇(P<0.5).

用内梅罗指数法评价可得5种重金属污染水平在芦苇区和香蒲区底泥中的表现：As和Zn污染级别属于重度污染，Cr、Pb、Ni的污染级别尚属安全. 2种植物体内的5种重金属含量差异很大，同时植物的生物量也存在差异，所以2种植物的单位面积重金属富集总量也存在差异，主要表现在，香蒲植株体内5种重金属含量均显著高于芦苇植株，但芦苇植株干质量和种植密度都大于香蒲，以致单位面积内芦苇的生物量远大于香蒲，所以2种植物对As、Zn、Cr和Ni的单位面积富集总量之间无显著性差异，而芦苇对Pb的单位面积富集总量大于香蒲.

2.2 不同挺水植物不同组织器官中重金属的吸收特征

小白河生态修复区底泥和植物不同组织器官中重金属含量如表4所示. 由表4可见，芦苇区和香蒲区的底泥中各重金属含量差异显著. 植物各组织器官中w(As)差异较大，例如，芦苇和香蒲均为根部w(As)大于茎、叶两部(P<0.05)，但香蒲叶部w(As)大于茎部，是茎部的3.1倍(P<0.05)；结合底泥w(As)分析发现，香蒲根部对As的富集能力大于芦苇根部，香蒲茎部及叶部对As的富集能力大于芦苇的茎部与叶部(P<0.05). 芦苇各组织器官中w(Pb)特征与芦苇各组织器官中w(As)特征相同，香蒲叶部w(Pb)最高，其次是根部；芦苇根部对Pb的富集能力大于香蒲根部，香蒲叶部对Pb的富集能力大于芦苇叶部(P<0.05). 芦苇根部w(Zn)最高，其次是茎部；香蒲叶部w(Zn)最高，其次是根部；香蒲茎部及叶部对Zn的富集能力显著大于芦苇的茎部及叶部(P<0.05). 芦苇与香蒲各组织器官中w(Cr)大小均表现为根部>叶部>茎部，香蒲根、茎、叶三部对Cr的富集能力均大于芦苇的根、茎、叶三部(P<0.05). 芦苇根部w(Ni)大于其余两部，香蒲各组织器官中w(Ni)大小表现为叶部>根部>茎部；香蒲叶部对Ni的富集能力显著大于芦苇叶部(P<0.05).

表4 小白河生态修复区底泥重金属含量及植物不同组织器官中重金属含量分布

植物组织器官分类中通常将根部称为地下部，将植物茎、叶统称为地上部. 植物对重金属的富集量会受到除底泥中重金属含量之外其他很多种因素的影响，如重金属超富集植物活跃的根系活动会分泌大量的相关代谢物，将重金属从介质中提取出来，并利用矿物运输通道等方式向植物体内运输[24-25]. 目前已知的大部分挺水植物在适应重金属胁迫时，根部能释放多种有利于对介质中有毒重金属起固定作用的有机化合物(包括单糖、氨基酸等)，使植物可以在胁迫环境中生存[26-27]. 植物还可以通过根系分泌物结合枯落物向土壤释放光合产物，构成特异的根际系统，对重金属离子由根部向地上部分迁移起到限制或促进作用[28]，而植物地上部重金属含量接近或超过地下部时，则显示出植物具有对重金属超富集的特性，这种特性通常是通过植物的根系分泌物还原土壤中的重金属来实现的[29-30]. 该试验中，香蒲叶部w(Pb)、w(Zn)、w(Cr)、w(Ni)显著大于根部，在一定程度上显示出对这4种重金属的超富集特性.

2.3 不同挺水植物对重金属的生物富集和转运特征

芦苇、香蒲对As、Pb、Zn、Cr和Ni的植株间TF及BCF如表5所示. 由表5可见，芦苇对Cr的TF较高，达到0.80，而对As和Pb的TF较低，均为0.37，说明芦苇地上部富集了较多的Cr，而根部是芦苇富集As和Pb的主要组织. 香蒲对这5种重金属的TF均较高，其中对Pb的TF达到1.08，香蒲对As的TF较小，为0.55，但整体BCF较高，说明香蒲对As的富集效果较好且主要富集As的位置是根部，香蒲植株对Cr的BCF达到0.45，说明香蒲对Cr有很强的富集能力. 香蒲对Pb的BCF仅为0.09，为5种重金属中最低，这与芦苇对底泥重金属的生物富集特征表现一致，说明小白河沿岸生态修复区种植的芦苇和香蒲对Cr的修复效果比较好，但对Pb的修复效果比较差，这可能与底泥中重金属的形态有关.

表5 小白河生态修复区植物对重金属的生物富集系数(BCF)及转运系数(TF)

植物的生长状况及繁殖能力与土壤中重金属含量有很大的关系，当土壤受重金属污染时会对植物的生理生态活动造成一系列的危害. 生长于重金属胁迫生境的植物，为了更好地生存而选择适应生境耐受策略，植物自身会进化出相应的生理生化特征，同时在分子层面上发生改变以适应胁迫，大部分植物在响应重金属胁迫时会进化出富集型、根部囤积型和规避型3种耐受策略[31]. 芦苇对Cr的TF接近1，表现出较强的将根部吸收的Cr向地上部转移的能力，可见芦苇对Cr的耐受策略为富集型；芦苇对Zn和Ni的BCF均较大，但由地下部向地上部的转运较少，说明这2种重金属主要存于芦苇根部，芦苇对Zn和Ni的耐受策略属于根部囤积型；芦苇对As和Pb的BCF及TF均较小，可见芦苇对这2种重金属胁迫的耐受策略属于规避型. 香蒲体内5种重金属含量均相对较高，对Pb、Zn、Ni、Cr的TF均接近1，显示出从地下部吸收的重金属积极向地上部转运的能力，所以香蒲对这4种重金属胁迫的耐受策略属于富集型；香蒲地下部对As的BCF达到0.30，地下部w(As)显著高于地上部，因此香蒲对As胁迫的耐受策略属于根部囤积型.

芦苇和香蒲体内的重金属含量以及生物富集和转运特征分析结果显示，芦苇各组织器官对5种重金属的富集能力弱于香蒲，同时香蒲地上部对Pb、Zn、Cr、Ni的富集能力较强. 有报道[32-33]证实，增加对植物地上部的收获次数可以提高植物对场地重金属的吸收效率，增加环境中重金属的移除量，以优化植物对重金属的生态修复效果. 香蒲是一种根系发达的大型挺水植物，具有很强的抗逆境分生更新苗的能力[20]，所以考虑增加对香蒲地上部的收割次数，可以提高香蒲对底泥中Pb、Zn、Cr和Ni的修复效果. 利用建设生态修复区的方法对重金属污染场地进行修复具有成本较低、对环境稳定扰动小的优点，但也存在修复周期长和效率相对低的缺点，故应考虑对生态修复区的植物种植模式进行改进. 有报道提出，对植物进行间作种植可以通过根系相互作用活化土壤中重金属的形态，同时提高土壤酶活性和优化土壤微生物群落结构，从而提高植物对重金属污染土壤的修复效率[34]，所以在建设生态修复区时，可以依据配合植物生长更新特点与提高修复效率同时进行的理念，利用间作模式增加生物多样性以提高生态修复区的修复效率，因此可以考虑将小白河生态修复区分区种植的芦苇与香蒲改为间作模式种植.

2.4 不同挺水植物体内各重金属含量相关性分析

对小白河东岸生态修复区内植物样品中的5种重金属含量进行相关性分析，结果见表6. 由表6可见，对于芦苇，RAs-Pb〔表示植物体内w(As)与w(Pb)的相关性，下同〕、RPb-Cr、RCr-Ni在0.01检验水平上呈显著正相关，RAs-Zn、RPb-Zn在0.05检验水平上呈显著正相关. 对于香蒲，RAs-Zn、RPb-Cr在0.01检验水平上呈显著正相关，RAs-Ni、RZn-Ni在0.05检验水平上呈显著正相关，RPb-Zn、RPb-Ni、RZn-Cr、RNi-Cr呈负相关.

表6 小白河生态修复区植物体内重金属含量的相关性

有报道[35]指出，草本植物体内w(Cr)、w(Pb)、w(Zn)之间呈线性正相关. 生物富集重金属的过程十分复杂，植物体内某种重金属的含量不仅与土壤中该重金属含量有关，土壤中其他种类重金属的存在也是起决定性作用的因素之一，当植物体内重金属含量之间存在明显正相关性时，说明它们在被植物吸收时可能互为协同作用，这些重金属离子通过相同的植物根系物质运输通道共同进入植物体内[36]. 由于土壤中的重金属种类很多，所以某种重金属的增加或减少会引起植物生境微环境的变化[37]，因此土壤(某种重金属)-植物体系的行为受到其他重金属的协同或抑制是必然的，同时植物对多种金属的富集存在协同作用也表明试验所测底泥中的As、Pb、Zn、Cr和Ni的来源复杂，可能是由复合污染源所造成.

3 结论

a) 生态修复区对小白河湿地重金属污染的修复效果显著. 与西岸野生植物区相比，东岸生态修复区底泥中各重金属含量均有显著下降，其中东岸芦苇区底泥中w(As)和w(Ni)较西岸分别降低了38.82%、50.53%，香蒲区底泥中w(As)和w(Ni)较西岸分别降低了13.54%、21.95%.

b) 植物对重金属的富集存在协同效应，在芦苇中RAs-Pb-Zn、RPb-Cr、RCr-Ni均呈显著正相关，在香蒲中RAs-Zn-Ni、RPb-Cr达到显著正相关，这种协同作用在芦苇中表现更加显著.

c) 芦苇对Cr的耐受策略属于富集型，对Zn和Ni的耐受策略属于根部囤积型，对As和Pb的耐受策略属于规避型；香蒲对Pb、Zn、Ni、Cr 的耐受策略属于富集型，对As的耐受策略属于根部囤积型. 香蒲对As、Pb、Zn和Ni的富集能力显著大于芦苇，且香蒲地上部对重金属的修复效率较高，多次收割香蒲地上部可以提高场地重金属的移除量，芦苇可作为该生态修复区的先锋植物，与香蒲间作种植以期达到更好的生态修复效果.

致谢：感谢福建农林大学资源与环境学院Christopher Rensing教授和西南林业大学湿地学院向萍副教授为本文英文进行润色.