陈澄，曲豪杰，胡力，陈光才*

（1.杭州市富阳区农业农村局，浙江杭州 311400；2.中国林业科学研究院亚热带林业研究所，浙江杭州 311400；3.浙江墨泉生态建设有限公司，浙江杭州 311215）

近年来我国土壤重金属污染受到极大关注，高浓度土壤重金属具有较高毒性［1］,导致土壤质量下降、农作物减产、农产品重金属浓度超标，影响生态系统的安全与稳定［2-3］。重金属是不可被生物所降解的，因此进入食物链的重金属会积累在动植物体内，最终会威胁到人类的健康和生存，给社会可持续发展造成严重威胁［4］。植物修复是利用植物来转移、容纳或转化土壤中污染物的技术，具有新颖、经济、高效、环保、原位修复等特点［5-6］。其中，利用超积累植物消除土壤中的重金属是最常用的修复方式［7-9］。然而，不同植物对生长环境的适应能力各异，污染土壤中原生草本植物通常对当地的气候和土壤具有较好的适应性，能够维持较好的生长势头，保持较高的生物量，常常表现出优于特定超积累植物的潜力［8］。此外，根据《农用地土壤污染风险管控标准》（GB 15618—2018），土壤重金属超过风险管控值的土壤，需要退耕还林/还草，以控制污染物的扩散带来的生态风险。在营建重金属重度污染地生态修复林时，需要开展乔草结合的植物配置，以形成较好的生态系统结构，提升生态修复林的生态稳定性。鉴于此，本研究以杭州市某地重金属污染严格管控区生态修复幼林地为研究区域，研究了林下出现频率较高的8种草本植物及其根际土壤的重金属含量，采用生物富集系数和转运系数对植物的重金属富集和转运能力进行了评价，旨在筛选出对重金属具有较强富集能力的草本植物，为构建乔-草结合的生态修复林提供候选植物材料。

1 材料与方法

1.1 样品采集

本研究在杭州市富阳区重金属污染严格管控区开展，土壤pH值在7.49～8.03，2018年营建纳塔栎、枫香、黄连木、麻栎、青冈、水紫树、白栎为主的生态修复林，林地尚未郁闭，于2019年6月调查林下草本植被，随机采集8种林下草本植物（表1），每种植物采集3株，用铁锹挖出植物的完整根系，抖下根系附着比较松散的土壤，然后用毛刷刷下根系附着的土壤作为根际土［10］。

表1 研究区域主要草本植物种类Table 1 Main herbaceous plant species in the study area

1.2 试样分析

将采集好的植物样品带回实验室，先用自来水冲洗以去除粘附于植物样品上的泥土和污物，然后用纯水冲洗3次，沥干并于105℃杀青，之后在70℃下烘干至恒重。烘干后的植物样品进行剪碎，用球磨机（Retsch MM400，GER）磨碎，过0.149 mm筛后的样品用来测定重金属含量；将采集好的的土壤样品进行自然风干，拣出砖头、石块、杂草等杂质，用木棒碾碎后过0.149 mm筛，消解后用来测定重金属（Cd、Zn、Pb、Cu）含量。

土壤样品采用王水（盐酸∶硝酸为3∶1）进行消解，植物样品用硝酸-双氧水（硝酸∶双氧水=5∶2）消解，经消解后土壤和植物样品用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS，Perkin elemer NexION300D，USA）和电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-AES，ThermoFisher CAP 7400，Germany）测定重金属含量。

1.3 评价方法

生物富集系数可反映植物对重金属的富集能力［11］，针对单一重金属污染，计算公式如下：

式中，Cℎarvested tissue为目标部位重金属含量；Csoil为土壤重金属含量。

针对多重金属污染，可以采用综合生物富集指数(CBCI)计算植物对重金属的综合富集能力［12］，公式如下：

式中，x为重金属的地上部生物富集系数，xmin和xmax分别是每种重金属中富集系数最小值和最大值，N为重金属总数，ui为u(x)中的元素i。

转移系数可反映植物对重金属的富集能力［13］，计算方法如下：

式中，Cshoot为地上部重金属含量；Croot为根部重金属含量。

利用隶属函数对植物修复潜力进行评价，计算指标分别包括植物对重金属的富集系数和转运系数。隶属函数的公式:

Xi为所属指标的实测值，Xmin为所属指标的最小值，Xmax为所属指标的最大值，R（Xi）为各处理中植物相应指标得分的平均值。

1.4 数据处理

采用Excel对数据进行计算，给出平均值±标准差。

2 结果与讨论

2.1 植物根际土壤重金属污染状况

如表2所示，8种草本植物根际土壤的重金属以Cd、Zn、Pb和Cu为主，含量范围分别为Cd 70.1～122 mg/kg，Zn 1 922～6 128.31 mg/kg，Pb 247.23～728.13 mg/kg，Cu 136.17～444.54 mg/kg，各重金属浓度变化较大，最大值分别为最低值的1.74倍（Cd），3.19倍（Zn），2.85倍（Pb），3.26倍（Cu），说明土壤重金属污染分布不均，异质性较强。根据《农用地土壤污染风险管控标准》（GB 15618—2018），4种重金属Cd、Zn、Pb和Cu的浓度均超出了农用地土壤污染筛选值，Cd浓度远远超过了农用地风险管制值（1.5～4 mg/kg），需要严格管控土地用途，以控制生态风险扩散。

表2 不同植物根际土壤重金属含量（mg/kg）Table 2 Heavy metal content in rhizosphere soil of different plants(mg/kg)

2.2 植物体内重金属含量

根据表3，4种重金属的植物体含量分别为：Cd 21.50～60.88 mg/kg，Zn 198.86～747.41 mg/kg，Pb 1.49～4.25 mg/kg，Cu 12.19～33.48 mg/kg。植物根部各重金属含量范围分别为：25.27～51.60 mg/kg，Zn 258.11～577.09 mg/kg，Pb 6.72～64.68 mg/kg，Cu 24.30～53.57 mg/kg。8种草本植物体对同一重金属积累量也表现出较大差异，对于Cd和Zn的植物地上部含量一般都要高于根系，8种草本植物地上部含量最高的分别为小蓬草（Cd，99.15 mg/kg）和商陆（Zn，1 139.65 mg/kg），最低分别为蛇床（Cd，1.47 mg/kg）和一年蓬（Zn，195.21 mg/kg）；对于Pb和Cu的根系含量一般高于地上部，以含量最大值分别出现在花叶滇苦菜（Pb，82.42 mg/kg）和一年蓬（Cu，81.10 mg/kg），最小值分别出现在蛇床（Pb，4.62 mg/kg）和商陆（Cu，16.69 mg/kg）。不同植物对重金属的吸收能力也存在差异［15］，例如小蓬草地上部Cd的含量最高，龙葵和加拿大一支黄花地下部Cd的含量较高，同样8种植物中Zn、Pb、Cu的差异也与植物自身相关。在植物耐受范围内，植物植株中的重金属含量与土壤中重金属的含量具有正相关性［6］，根际土壤重金属含量决定了同种植物体内该重金属的水平［14］，例如商陆植株中Zn、Pb的含量最高，同样其根际土壤中Zn、Pb的含量也是最高的。在土壤污染水平持续增加的情况下，也可能因为重金属毒性效应超过植物的耐受性而导致植物生理生化过程失衡而影响植物对污染物的吸收［6］。另外，植物中重金属含量影也会受到其他因素如土壤理化性质、土壤重金属形态等影响［14］。

表3 植物地上部和根系的重金属含量（mg/kg）Table 3 Heavy metal content in plant shoots and roots(mg/kg)

续表

2.3 植物对重金属的富集及转运特征

植物对重金属的富集和提取潜力可以用生物富集系数（BCF）和转运系数（TF）进行评价。根据表4，植物对重金属的生物富集系数各不相同，8种草本植物对Cd的BCF（0.26～0.76）要高于Zn（0.09～0.22）、Cu（0.07～0.30）和Pb（0.01～0.12），8种植物对Pb的生物富集能力最低。8种植物对同一种重金属的富集能力差异较大，Cd和Zn地上部含量高于根系，Pb和Cu根系含量低于地上部；根据BCF平均值，地上部对Cd富集能力最强和最弱的分别是小蓬草（0.76）和蛇床（0.26），对Zn富集能力最强和最弱的分别是小蓬草（0.22）和龙葵（0.09）；根系对Pb富集能力最强和最弱的分别是花叶滇苦菜（0.12）和商陆（0.02），对Cu富集能力最强和最弱的分别是一年蓬（0.39）和商陆（0.07）。植物对重金属的富集能力受植物自身特性和土壤重金属种类和含量等因素影响［16］，根据8种植物对重金属的富集系数的平均值、最大值和最小值，可以发现同种植物对重金属富集能力在不同根际土壤环境下变化也比较大，例如小蓬草地上部对Cd的BCF为0.21～1.29，商陆地上部对Cd的BCF为0.11～0.81。

表4 植物对重金属的生物富集系数和综合生物富集指数Table 4 Bioconcentration factors(BCF)and CBCI of heavy metals in plants

因研究区域为多种金属的复合污染，单一重金属的BCF难以说明复合污染条件下植物的重金属富集能力，因此进一步计算综合富集系数（CBCI）。结果表明，小蓬草地上部（0.95）对4种重金属的富集能力较强，其次是加拿大一枝黄花（0.49）和花叶滇苦菜（0.38），一年蓬根系（0.82）对4种重金属的富集能力较强，其次是花叶滇苦菜（0.78）和龙葵（0.52）。进一步计算、比较了植物对重金属的转运系数（表5），发现8种植物对4种重金属的转运能力存在一定的差异。其中小蓬草、酸模、商陆对Cd、Zn和Cu的转运系数大于1，说明其具有较强的重金属转运能力，但是相同植物处理的最大最小值差异较大。另外，花叶滇苦菜对Cd，蛇床对Zn，加拿大一枝黄花对Zn、Cu的转运系数也超过1。

表5 植物的重金属转运系数Table 5 Translocation factors of heavy metals in plants

2.4 植物的重金属积累特性能力评价

根据基于富集系数和转运系数的隶属函数计算的结果（表6），我们可以发现小蓬草、花叶滇苦菜、加拿大一枝黄花和一年蓬的排序顺序为前4名，表明小蓬草、花叶滇苦菜、加拿大一枝黄花和一年蓬对4种重金属的综合富集和转运能力更高。其中小蓬草地上部对Cd、Zn的BCF和对Cd、Zn的转运系数得分是最高的，花叶滇苦菜根部对Zn和Pb的BCF得分是最高的。

表6 基于隶属函数排序的植物修复潜力评价Table 6 Rank of bioconcentration and translocation ability

3 结论

本研究中，8种草本植物根际土壤中Cd、Zn、Pb和Cu的含量均超出了农用地土壤污染筛选值，其中Cd远远超过风险管控值。8种草本植物对重金属污染适应性较强，根据隶属函数排序，小蓬草、花叶滇苦菜、加拿大一枝黄花和一年蓬对4种重金属（Cd，Zn，Pb和Cu）的综合富集和转运能力最高，但考虑到加拿大一枝黄花是入侵植物，具有一定的生态风险，因此只推荐小蓬草、花叶滇苦菜和一年蓬作为亚热带地区重金属污染严格管控区土地生态修复林林下候选草本植物。