几种适合在红河州生态混凝土中生长的草本植物对重金属的富集

段吉鸿，王　琳，张学森，李国红

(1.红河州水利水电工程地质钻探队,云南 蒙自　661100；2.昆明理工大学 电力工程学院,昆明　650500；3.云南艺科工程设计有限公司，昆明　650051)



几种适合在红河州生态混凝土中生长的草本植物对重金属的富集

段吉鸿1，王琳2,3，张学森1，李国红1

(1.红河州水利水电工程地质钻探队,云南 蒙自661100；2.昆明理工大学 电力工程学院,昆明650500；3.云南艺科工程设计有限公司，昆明650051)

为了确定适合在生态混凝土中生长和修复环境的植物种类，根据红河州的气候、土壤特点，初步选择9种草本植物，并采用生态混凝土施工工艺对草本植物进行栽培，同时分析所选植物对重金属Pb，Zn，Cu，Cr，Hg，Cd的富集情况。试验结果表明：①对Pb，Zn，Hg富集最高的植物分别是狗牙根草、香根草、金叶苔草，对Cu，Cr，Cd富集最高的植物是鸭跖草；②重金属平均富集系数最高的是鸭跖草，其余依次为鬼针草、金叶苔草、香根草、沿阶草、梭梭草、狗牙根草、蜈蚣草、美人蕉，其中鸭跖草、鬼针草、金叶苔草的平均富集系数均>1。结合植物对重金属的富集能力和适合在生态混凝土中生长的情况，综合评定9种植物中鸭跖草、香根草最适合在生态混凝土工程中采用。

生态混凝土；草本植物；重金属污染；富集系数；植物修复

1　研究背景

绿色生态混凝土是20世纪90年代提出的一种新型混凝土，它具有透水透气、可植生、吸音降噪等性能，能够适应生物生长，对调节生态平衡、美化环境景观、实现人类与自然的协调发展具有积极作用。经过20多年的发展，已广泛应用于道路护坡、河道治理、城市护坡、景观工程等方面，具有十分广泛的应用前景[1-4]。红河州地处我国西南边陲，经济、技术条件较为落后，在生态混凝土方面的应用、研究较发达地区明显落后。

目前，红河州已将生态混凝土应用于河道护坡工程中，普遍采用的是河道边坡上加注生态混凝土后表层客土回填的栽种植物方式，但效果不太理想，造成不理想的主要原因是引进生态混凝土技术时忽视了当地环境气候及土壤条件对所选植物生长的影响，导致所引进的植被品种不适合当地生长。另一方面，由于红河州厂矿企业较多，因此局部土壤重金属污染较为严重[5]。对于重金属的污染，目前大多采用工程、物理化学和化学方法进行修复，工程修复具有实施工程量大、投资费用高的缺点；化学修复只改变了重金属在土壤中存在的形态，金属元素仍保留在土壤中，容易再度活化危害土壤，同时还会导致土壤结构破坏，生物活性下降和土壤肥力退化，不宜广泛推广。生物修复是一项新兴的高效修复技术，它通过生物吸收从土壤中去除重金属，具有良好的社会、生态综合效益[6]。虽然目前针对植被对重金属的吸附已经作了大量的研究[7-9]，但针对既适合在生态混凝土中生长又能吸附重金属的植物研究还很少。因此，本文选择既适合在红河州生态混凝土中生长，又能富集重金属的植物进行研究，为工程护坡和土壤修复提供依据。

2　红河州的气候、土壤特点及污染现状

2.1红河州气候特点

红河州的气候属于亚热带高原季风气候，年平均气温在15～22℃之间。州内年平均降雨量为800～1 600 mm，每年的干、雨季节区分较为显著，5—10月份为雨季，降雨量占全州总降雨量的80%以上，6—8月份是大强度连续降雨主要集中的时段，具有时空地域分布极不均匀的特征。

2.2红河州土壤特点

红河州碳酸盐分布广泛。由于气温高，碳酸盐强烈化学风化后形成红黏土，红黏土分布十分广泛。云南红黏土是一种特殊的红黏土，红土化作用充分，一般呈褐红色，孔隙大、密度低，黏粒含量、含水量、液限和塑限高，塑性指数较大，物理、水理性质具有软土的特性。红黏土风化总体上是富铝脱硅、富铁锰及钙镁淋失的特征。红黏土经过强淋溶作用，矿质养分少、酸性大、易产生铝锰毒害、保肥性能差、质地粘重或砂粒过多、保水性差等不良性状。红黏土的全剖面呈酸性，pH为5.00～5.50。对多个区域库水酸碱度的实测表明：红土覆盖区域的径流均呈弱酸性，pH为6.48～6.83；红土山区的库水呈弱酸性，pH为6.48～6.88，且pH值随着水深、时间的增加而缓慢减小[10-11]。

2.3红河州土壤污染现状

根据有关文献资料，红河州局部土壤中重金属Zn，Hg，Pb，Cd，Cr和Cu的最高含量分别达1 370,0.25,1 460,9.27,189.6,286 mg/kg。严重超过国家土壤环境质量标准(GB15618—1995)[12]三级标准，部分采样区达到中度甚至重度污染。未污染的土壤的Zn,Hg，Pb，Cd，Cr，Cu 这6种重金属的背景值分别为：46.90,0.061 8，26.08，0.35，88.30，35.92mg/kg[13]。

3　9种草本植物对重金属富集试验

3.1适合在红河州生态混凝土中生长的草本植物选择

由于红河州降雨分布不均，要求植被抗旱能力强；红土的土质偏酸性，甚至呈酸性、强酸性，要求植被抗酸能力强；另外红土肥力贫瘠，也要求植被抗贫瘠能力强。

经过广泛筛选和试验栽培，适合在红河州生长、具有观赏性的植被主要有：沿阶草(Ophiopogon bodinieri)、美人蕉(Canna indica L.)、鸭跖草(Commelina communis)、香根草(Vetiveria zizanioides L.)、狗牙根草(Cynodon dactylon)、蜈蚣草(Nephrolepiscordifolia(L.)Presl)、金叶苔草(Carex ‘Evergold’)、梭梭草(Cyperus rotundus)和鬼针草(Bidens pilosa L.)。

3.2草本植物的培养

根据有关文献资料，红河州土壤中重金属含量分布极不均匀，同一种元素在不同样品中含量相差达10～100倍，而同一个土样中不同种类的重金属含量也不同。为了消除天然土壤中重金属含量的不均匀性，试验过程中采用人工拌制污染土壤，确保土壤中存在各种重金属污染。污染土壤拌制过程中，既参考天然土壤中重金属的含量，也参考《土壤环境质量标准》(GB15618—1995)三级标准的限值，进行综合确定。最终污染土壤中Cr，Cu，Zn按三级标准的3倍配制，Cd约按5倍三级标准配制，Hg约按10倍三级标准配制。配制好的污染土壤重金属含量如表1所示。

表1　土壤中重金属含量

栽培试验分2组进行，一组草本植物采用未污染土壤培养(即下文中的对照组)；另一组草本植物采用污染土壤培养(即下文中的试验组)。每组试验中每种植物均培养4个样本进行平行试验。试验组植物的栽培工艺参考生态混凝土的施工方法，首先将拌合均匀的污染土壤加入到花盆中，厚度约为5 cm；接着往花盆中加入拌合好的生态混凝土，厚度约为5 cm；然后加入约15 cm厚的污染土壤，再栽种植物幼苗或播撒草籽；最后在表层加注约5～10 cm厚的生态混凝土。栽培试验从当年的4月初开始进行，于11月下旬结束，并收集草本植物样本用于重金属分析测试。

3.39种草本植物对重金属的富集分析

9种草本植物的试验组及对照组的样品委托云南分析测试中心(研究所)，对Pb，Zn，Cu，Cr，Hg，Cd这6种重金属进行检测，其中Hg采用电感耦合等离子体发射光谱仪检测，其余的Pb，Zn，Cu，Cr，Cd采用原子荧光分光光度计检测。测试前，首先将植物样品用自来水冲洗干净，再用去离子水冲洗一遍，放入烘箱中在105 ℃下杀青1 h，再调至70 ℃烘干，磨碎，待测。

9种植物中重金属的含量如表2所示。表2中，富集系数是指植物体内某种重金属含量与土壤中该种重金属含量的比值，是衡量植物对某一重金属积累能力大小的重要指标，富集系数越大，其富集能力越强。对比系数是同一种类植物分别在污染土壤和未污染土壤中生长，植物体内重金属含量的比值，用于衡量植物富集重金属相对强弱。由于土壤重金属污染一般都是多种重金属的复合污染，因此要求所选修复植物能对多种重金属进行富集。这里采用平均富集系数和平均对比系数来综合反映植物对重金属的吸附，结果如表3所示。表3中，平均富集系数为一种植物体内多种重金属的富集系数的平均值，用于反映植物对多种重金属吸附能力的大小。平均对比系数为一种植物体内多种重金属的对比系数的平均值，用于衡量植物富集多种重金属相对强弱。

表2　9种草本植物中重金属含量

表3　9种植物的平均富集系数和平均对比系数

一般认为超富集植物应同时具备3个特征：①植物地上部(茎和叶)重金属含量是普通植物在同一生长条件下的100倍，重金属Zn，Cd ，Au的临界含量分别为10 000，100，1 mg/kg，Pb，Cu，Ni，Co的临界含量均为1 000 mg/kg；②植物地上部重金属含量大于根部该种重金属含量；③植物的生长没有出现明显的受害症状且富集系数较大，通常应>1[8,14]。

由表2和表3可以看出，9种草本植物对重金属的富集具有以下特点：

(1)所选9种植物对Pb，Zn，Cu，Cr的富集系数都比较低，不具备超富集植物的特征；对Hg，Cd的富集较为明显，除美人蕉、蜈蚣草外，富集系数基本上>1。

(2)沿阶草对Cd，Hg的富集系数分别达2.140 8，1.085 0，对比系数分别达9.969 0，12.087 0，富集较为明显；对Pb，Zn，Cu，Cr的富集不明显，对Pb，Cr的对比系数<1，说明土壤中Pb，Cr浓度较高时，抑制沿阶草对Pb，Cr的吸收；其他几种植物对重金属的富集也具有类似的规律。

(3)所选9种植物，对Pb富集最高的植物是狗牙根草；对Zn富集最高的是鬼针草；对Cu富集最高的是鸭跖草；对Cr富集最高的植物是鸭跖草；对Hg富集最高的植物是金叶苔草；对Cd富集最高的植物是鸭跖草。

(4)重金属平均富集系数最高是鸭跖草，其次是鬼针草、金叶苔草、香根草、沿阶草、梭梭草、狗牙根草、蜈蚣草、美人蕉，其中：鸭跖草、鬼针草、金叶苔草的平均富集系数均>1。

试验中，9种植物对Pb，Zn，Cu，Cr的富集均较文献[14]、文献[15]偏低，其主要原因是：

(1)由于土壤中拌制的重金属种类较多(达到6种)且浓度比较高，通过重金属间的相互影响，以及浓度过高抑制作物对Pb，Zn，Cu，Cr的富集。

(2)由于生态混凝土要求植物在多孔混凝上生长，混凝土属于碱性材料，受到碱性的混凝土影响，导致与混凝土接触的表层土壤pH升高，在较高pH条件下，土壤中Pb，Zn，Cu，Cr的有效态含量会降低，抑制植物的吸收。

在采用生态混凝土对重金属污染土壤进行修复时，不但要考虑植物对重金属的富集能力，还要考虑植物的生长速度，尽可能保证植物地上部分生物量大，达到对土壤较好的修复效果。另外，由于生态混凝土还要兼顾美化环境的作用，因此在选择植物时，需要植物具有较好的观赏性。综合以上2点要求，从植物对重金属富集能力、可栽培性、成活率、生长速度和可观赏性等方面对9种植物作综合评价。9种植物中能较好地适合生态混凝土生长又能富集重金属的优选植物是鸭跖草、香根草；其次是金叶苔草、沿阶草、鬼针草、美人蕉；不建议采用蜈蚣草、梭梭草、狗牙根草，因为其效果较差。

4　结　论

根据红河州的气候、土壤条件，初步选择9种适合当地生长的草本植物，采用生态混凝土施工工艺对草本植物进行栽培，通过试验分析所选植物对重金属Pb，Zn，Cu，Cr，Hg，Cd的富集情况以及生长情况。重金属污染土壤根据当地土壤中重金属含量结合国家土壤标准进行配制。试验结果表明：

(1)所选9种植物，对Pb，Zn，Cu，Cr的富集能力都不强，对Hg，Cd的富集能力较强；对Pb，Zn，Hg富集最高的植物分别是狗牙根草、香根草、金叶苔草，对Cu，Cr，Cd富集最高的植物是鸭跖草。

(2)重金属平均富集系数最高的是鸭跖草，其次是鬼针草、金叶苔草、香根草、沿阶草、梭梭草、狗牙根草、蜈蚣草、美人蕉，其中鸭跖草、鬼针草、金叶苔草的平均富集系数均>1。

(3)结合植物对重金属的富集能力和生态混凝土上的生长状况，综合评定9种植物中鸭跖草、香根草最适合在生态混凝土工程中采用。

由于本试验选择的草本植物的种类有限，对于其它草本植物对重金属的富集能力有待进一步研究。

[1]代铮．绿色生态混凝土与景观设计之融合与发展概述[J]．混凝土，2012，(5)：56-57.

[2]黄剑鹏，胡勇有．植生型多孔混凝土的制备与性能研究[J]．混凝土，2011，(2)：101-104.

[3]叶飞．适用于福建省生态混凝土的植物种植试验研究[J]．混凝土，2013，(4)：104-107.

[4]王桂玲，王龙志，张海霞，等．植生混凝土的含义、技术指标及研究重点[J]．混凝土，2013，(1)：105-109.

[5]顾济沧，赵娟．云南省土壤重金属污染现状及治理技术研究[J]．环境科学导刊，2010，29(5)：68-71.

[6]祝鹏飞，宁平，曾向东，等．矿区土壤Pb的分布特征及植物修复应用性研究[J]．工业安全与环保，2006，32(5)：4-6.

[7]王云，魏复盛．土壤环境元素化学[M]．北京：中国环境科学出版社，1995.

[8]魏树和，周启星，王新，等．杂草中具重金属超积累特征植物的筛选[J]．自然科学进展，2003，13(12)：1259-1265.

[9]王广林，张金池，庄家尧，等．31种园林植物对重金属的富集研究[J]．皖西学院学报，2011，27(5)：83-87.

[10]杨华舒，魏海，杨宇璐，等．碱性材料与红土坝料的互损劣化试验[J]．岩土工程学报，2012，34(1)：189-192.

[11]杨华舒，杨宇璐，闫毅志，等．碱性固化材料对红土地基的化学侵蚀[J]．建筑材料学报，2013，16(1)：159-163,179.

[12]GB15618—1995，土壤环境质量标准[S].北京：中国标准出版社，1995.

[13]史静，张乃明．云南设施土壤重金属分布特征及污染评价[J]．云南农业大学学报，2010， 25(6)：862-867.

[14]魏树和，周启星，王新．18种杂草对重金属的超积累特性研究[J]．应用基础与工程科学学报，2003，11(2)：152-160.

[15]鲁如坤．土壤农业化学分析方法[M]．北京：中国农业科技出版社，2000.

[16]王英辉，陈学军，赵艳林，等．铅锌矿区土壤重金属污染与优势植物累积特征[J]．中国矿业大学学报，2006，36(4)：487-493.

(编辑：占学军)

heavy metals,including Pb,Zn,Cu,Cr,Hg and Cd.Experimental results show that:(1)Cynodon dactylon ,Vetiveria zizanioides L.,Carex ‘Evergold’ has the highest ability of enriching Pb,Zn,Hg,and Commelina communis has the highest ability of enriching Cu,Cr,Cd; (2)average concentration coefficient of heavy metal of Commelina communis is the highest,followed by Bidens pilosa L.,Carex ‘Evergold’,Vetiveria zizanioides L.,Ophiopogon bodinieri,Cyperus rotundus,Cynodon dactylon,Nephrolepiscordifolia(L.)Presl and Canna indica L.In these herbs,average bioconcentration coefficients of heavy metal of Commelina communis,Bidens pilosa L.and Carex ‘Evergold’ are all bigger than 1.In comprehensive consideration of the herbs’ ability of enriching heavy metals and the conditions of growing in eco-concrete,we decide that Commelina communis and Vetiveria zizanioides L.are the most suitable for eco-concrete engineering among the nine kinds of herbs.

Ability of Heavy Metal Concentration of Several Herbs SuitablyGrowing on Eco-concrete in Honghe Prefecture

DUAN Ji-hong1,WANG Lin2,3,ZHANG Xue-sen1，LI Guo-hong1

(1.Honghe Geological Drilling Team of Water Conservancy and Hydropower,Mengzi661100,China; 2.Faculty of Electric Power Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China; 3.Yunnan Art and Science Engineering Design Co.,Ltd.,Kunming650051，China)

In order to determine herbs which can grow well in eco-concrete and can help us to restore environment,we select nine kinds of herbs according to the characters of climate and soil in Honghe prefecture of Yunnan Province.Then,we plant these herbs using the construction technology of eco-concrete and analyze the concentrations of

eco-concrete; herb; heavy metal contamination; concentration factor; phytoremediation

2015-06-26;

2015-07-31

红河州科技开发项目(KKK0201404021)

段吉鸿(1968-)，男，云南蒙自人，高级工程师，主要从事水利水电工程地质工作，(电话)0873-3652638(电子信箱)303821753@qq.com。

王琳(1991-)，女，云南大理人，硕士研究生，主要从事生态水利学方面的研究，(电话)15198792327 (电子信箱)370489351@qq.com。

10.11988/ckyyb.201505302016,33(08):34-37，41

TU528.36

A

1001-5485(2016)08-0034-04