保定市某垃圾填埋场植被的重金属富集特征

张妍　王琳　崔彬彬　管延英

摘要：指出了城市垃圾填埋场对环境的破坏日益严重，选择合适的植被对其进行生态修复尤为重要。针对实际测定了保定市某垃圾填埋场13种优势植物的重金属含量。结果显示：柳树、杨树、榆树、紫穗槐、龙葵和商陆对Cd的吸收能力较强，可作为重金属Cd的修复植物加以推广；柳树、杨树、芦苇、狗尾草、龙葵、商陆、藜吸收Zn的能力较强；芦苇、爬山虎、商陆吸收Cu、芦苇吸收Cr的能力较强；榆树、爬山虎、狗尾草对Pd具有较强的吸收富集能力；可认定龙葵为Cd和Zn的超富集植物、爬山虎为Pb的超富集植物。因此，这些植物可用于城市垃圾填埋场重金属污染的修复治理。

关键词：垃圾填埋场；土壤；重金属污染；植物修复

中图分类号：X506

文献标识码：A文章编号：16749944（2017）12000505

1引言

随着我国城市化建设的推进，生活垃圾逐年增多，垃圾填埋是城市主要的垃圾處理方式。然而，由于我国垃圾分类工作还不够完善，含有大量重金属的电子产品、电池等进入垃圾填埋场，填埋后可直接或间接造成土壤重金属污染[1]。在重金属污染治理的各种技术手段中，植物修复技术以其成本低廉、不破坏生态环境、不引起二次污染等优势，表现出广阔的发展前景，而对重金属污染土壤修复植物的筛选是进行植物修复工作的前提。

植物在生长发育过程中，不同植物对土壤中的重金属表现出不同的生理现象，如一些植物能在含某种重金属较多的土壤中良好生长，表现出了对重金属的抗性；而一些植物不仅能在重金属含量较多的土壤中正常生长，还能大量吸收土壤中的重金属进入植物体内，表现出较强的富集重金属的能力。

不同污染场所由于其污染源的不同，土壤重金属的种类、含量不同，对植被的影响也会不一样，如污水处理厂、垃圾填埋场、工矿企业污染区等。而且植物种类在地理分布上也有一定的区域性。所以，本研究选择河北省保定市区内一个典型垃圾填埋场为研究样地，探讨其优势植物对重金属的吸收和积累特征，为城市垃圾填埋场的重金属污染修复提供基础材料。

2材料与方法

2.1试验地点

研究区位于保定市东二环外，垃圾场日吞吐量较大，目前已累计填埋约200多万t垃圾。处理中心本来远离市区，而近几年城市扩建，一些新建小区紧邻垃圾处理场。尽管通过杀菌消毒、垃圾随倒随覆盖、加班抽排污水、使用除臭剂等无害化处理，但垃圾废弃物中的重金属等有害物质对周边环境仍存在一定的安全隐患。

2.2样品采集

2.2.1植物样品采集

根据植物生长状况，选取了13种优势植物（表1）。每种优势植物挑选6～8株，木本植物只采摘成熟叶片，草本植物包括地上和地下整株采集。

2.2.2土壤样品采集

将采样区划分为垃圾场厂界周界和垃圾填埋区周界2个区域，每个区域内随机布6个采样点，采集0～30 cm深度的土壤样品共12个，将其混合后取1 kg作为土壤分析样品。

2.3样品处理与分析

2.3.1植物样品处理与分析

野外采集的植物样品，用自来水冲洗干净，去离子水再次冲洗后，按地上部、根部分开，晾干，105℃杀青45 min，然后在70℃恒温下烘干至恒重，粉碎过60目尼龙筛。称取植物烘干样品2.000～3.000 g，采用HNO3-HClO4（质量配比8∶2）消解，应用ICP-AES测定样品中重金属镉（Cd）、铬（Cr）、铜（Cu）、铅（Pb）、锌（Zn）、砷（As）的含量[2]。

2.3.2土壤样品处理与分析

除去土壤样品中的碎石、植物残根等杂物，自然风干后过100目尼龙筛。称取5.000 g置于150 mL三角瓶中，用HNO3-HF-HClO4（质量配比4∶4∶2）法消解，利用原子吸收分光光度法测定重金属镉、铬、铜、铅、锌、砷的含量。

2.4植物对重金属吸收能力的评价方法

本研究采用富集系数和转运系数对植物吸收重金属的能力进行评价。重金属富集系数BCF（Bioconcentration Factor）是指植物某一部位的元素含量与土壤中相应元素含量之比，是评价植物富集重金属能力的指标之一[3-5]。重金属转运系数TCF（Tanslocation Factor）是植物地上部和根部重金属含量的比值，可以体现植物从根部向地上部转运重金属的能力[6]。计算公式分别为：

BCF = M（某部位）/ M（土壤）；TCF = M（地上部）/ M（根）

式中：M代表某一重金属离子含量。

3结果与分析

崔邢涛对河北省保定市平原区土壤重金属的含量进行了测定（表2中记录为D），并认为Cd、Zn元素出现了污染状况，形成污染的原因可能与工业生产及人类活动有关[7]。本研究通过原子吸收分光光度法对保定市某垃圾填埋场土壤重金属含量的测定结果记录于表2中的E。 结果显示，垃圾填埋场土壤重金属元素的含量均高于保定市平原区的平均值，尤其是Cd、Cu和Zn的含量高出了7倍以上，说明保定市垃圾填埋场土壤的Cd、Cu和Zn污染较严重。

表2保定市土壤重金属含量

土壤平均值CdCrCuPbZnAs

保定市某垃圾填埋场（E）/（mg/kg）1.270.2238.153.6530.111.5

保定市平原区（D）/（mg/kg） [7]0.1669.1225.9624.7375.369.26

E/D7.501.019.172.177.031.24

3.1垃圾填埋场优势草本植物对重金属的吸收和积累特征

对采集的8种优势草本植物的重金属离子含量进行测定并计算其富集系数和转运系数，其结果如下（表3、表4）[8]。

8种草本植物地上部分Cd的含量只有龙葵、狗尾草和白茅超过了一般植物Cd的含量，其由大到小的顺序为龙葵>狗尾草>白茅，而爬山虎含量最低；地下部分Cd含量较多的是白茅>龙葵>狗尾草。地上部BCF最大的为龙葵达到了1.158，其次为白茅>商陆；地下部BCF较大的是白茅>龙葵>狗尾草；从转运系数来看，龙葵的TCF高达6.6190，其次是商陆>齿果酸模>藜>芦苇，它们的转运系数均超过了1。由此可见，龙葵和商陆对Cd有较好的富集和转运能力，而且龙葵对Cd的地上富集系数和转运系数均大于1，可认定为Cd的超富集植物；白茅地下富集能力较强，但其转运能力较差，为Cd的根部囤积型植物。

8种草本植物地上部分Cu的含量较高的是芦苇>爬山虎>商陆，超过了一般植物Cu的含量；地下部分Cu含量较多的依次为龙葵>狗尾草>藜。地上部BCF最大的芦苇为0.214，其次为爬山虎>商陆；从转运系数来看，芦苇的TCF高达7.4058，其次是爬山虎>商陆>齿果酸模>狗尾草，它们的转运系数均超过1。综合富集系数来看，芦苇、爬山虎和商陆对Cu有较好的富集和转运能力，龙葵地下富集能力较强，但其转运能力较差，为Cu的根部囤积型植物。

8种草本植物地上部分Zn含量相对较多的是龙葵>藜>芦苇，其中只有龙葵超过了一般植物Zn的含量，白茅含量最低；地下部分Zn含量较多的是龙葵>白茅>藜。地上部BCF最大的龙葵达到了1.6206，其次为藜>芦苇>狗尾草>商陆；地下部BCF最大的仍然是龙葵达到了1.1436，其次白茅为0.1047；只有白茅的转运系数小于1，其它7种植物均大于1，顺序为芦苇>齿果酸模>商陆>狗尾草>藜>龙葵>爬山虎。龙葵地上地下对Zn都具有超强的富集能力，转运能力也较强，可认为是Zn的超富集植物。芦苇、商陆、藜、狗尾草对Zn也具有一定的吸收和转运能力；白茅转运能力较低，但地下富集能力高于其他几种植物，为Zn的根部囤积型植物。

就Cr而言，芦苇地上部分含量高达37.80，其次为白茅>狗尾草>爬山虎>齿果酸模>，它们的含量均超过了一般植物地上部Cr的含量；地下部分Cr含量也较多，顺序为芦苇>狗尾草>齿果酸模>藜>白茅>爬山虎>商陆>龙葵。芦苇地上部BCF远远高于其他几种植物；地下部BCF均较低；从转运系数来看，芦苇达到10.2162，其次为白茅2.1197和狗尾草1.0034。由此可见，芦苇对Cr有较好的富集和转运能力，尽管其它几种草本植物超过了一般植物地上部Cr的含量，但针对于本垃圾场土壤中Cr的含量，其富集系数并不高。

8种草本植物地上部分Pd的含量只有爬山虎超过了一般植物地上部Pd的含量，几种植物含量由大到小的顺序为爬山虎>狗尾草>商陆>白茅；地下部分Pd含量较多的是龙葵>芦苇>商陆>狗尾草。地上部BCF最大的爬山虎达到了1.0317，其次为狗尾草0.1138；地下部BCF均较低，且相差不大；从转运系数来看，爬山虎的TCF高达39.2199，其次是白茅>狗尾草>商陆>齿果酸模，它们的转运系数均超过了1。由此可见，爬山虎和狗尾草对Pd有较强的富集和转运能力，白茅的转运系数虽然达到了4.4655，但其无论地上部还是地下部对Pd的富集系數却很低。

8种草本植物地上部、地下部As的含量和富集系数都较低，表现出对As的吸收能力较弱。

3.2垃圾填埋场优势木本植物对重金属的吸收和积累特征

对采集的5种优势木本植物的重金属离子含量进行测定并计算其地上部富集系数，结果如下（表5）[8]。

叶片中Cd含量由大到小的顺序为杨树>紫穗槐>柳树>榆树>构树；只有杨树和紫穗槐的地上部超过了一般植物Cd的含量，结合地上部BCF来看，杨树和紫穗槐对Cd有较好的富集能力。

就Zn而言，叶片含量由大到小的顺序为柳树>杨树>榆树>构树>紫穗槐，柳树和杨树地上部对Zn的富集能力强于其他3种植物。

从叶片对Cu的吸收来看，5种木本植物地上部对Cu的富集系数均较低，且相差不大。

对Pb含量的测定结果表明榆树叶片中Pb含量和富集系数均最高，柳树最低，其它3种含量相差不大。

5种植物叶片Cr的含量均高于一般植物地上部分Cr的含量，其中构树最高，达到了4.73，其次是榆树为1.72，但五种植物叶片Cr的富集系数并都不高。

榆树叶片中As的含量最高为1.12，相应的富集系数也最高，但也只有0.0974，说明测试的5种木本植物对As的吸收能力都不强。

2017年6月绿色科技第12期

4结论与讨论

超富集植物指能超量吸收重金属并将其转运到地上部的植物[9]，由于地上部的生物量比地下部更容易收获，植物地上部的富集系数越大越利于对重金属的提取修复。所以超富集植物的界定通常考虑以下3个重要因素：①植物地上部富集的重金属应达到一定的量；②植物地上部的重金属含量应高于根部；③植物的生长没有出现明显的受害症状。Baker和Brooks 曾提出，把植物叶片地上部含Cd 100 μg/g，Co、Cu、Ni、Pb 1000 μg/g，Mn、Zn 10000 μg/g以上，同时满足转运系数大于1的植物称为超富集植物[10]。当然，理想的超富集植物还应具有生长期短、地上部生物量大、能同时富集两种或两种以上重金属离子的特点[11]。但是植物中重金属的含量与土壤重金属含量的多少有关，植物对重金属的积累有随土壤中重金属浓度升高而升高的特点[12，13]，并且由于各种重金属在土壤中的丰度及在土壤和植物中的背景值也存在较大差异，因此，对不同重金属，其超富集植物富集量的界限也有所不同。针对保定市某垃圾填埋场土壤重金属的含量，本研究认为转运系数大于1，地上部富集系数大于1的可界定为某种重金属的超富集植物，可在城市垃圾填埋场土壤修复中推广应用；转运系数大于1、地上部富集系数大于0.1的界定为对该重金属具有一定吸收能力的植物；转运系数小于1、地下部富集系数大于0.1的为根部囤积型植物；对于转运系数和富集系数都不高的则属于重金属抗性植物。

利用超富集植物对重金属污染的土壤进行提取修复的前题条件是该修复植物首先能在重金属含量高的土壤中良好生长、生物量不减少。通过对该垃圾填埋场自然植被分布的调查，发现有13种优势植物在此地区长势良好，只有龙葵对Cd和Zn、爬山虎对Pb的地上部的富集系数和转运系数均大于1，可界定龙葵为Cd和Zn的超富集植物、爬山虎为Pb的超富集植物。

白茅属于Cd、Zn离子的地下囤积型植物；草本植物齿果酸模和木本植物构树对测试的6种重金属离子的吸收能力均较低，但它们能在Cd、Zn、Cu严重污染的垃圾填埋场良好生长，说明它们对Cd、Zn、Cu有一定的耐受能力。13种测试植物对As都表现出较弱的富集能力，但它们在该区域能成为优势植物而长势良好，说明它们对As具有一定的抗性，其富集系数低也可能是因为该垃圾填埋场土壤中As的含量相对较低，还没有激发出植物对As的大量吸收，所以该13种植物对As的修复效果还需要进一步的实验验证。

柳樹和杨树对Zn、Cd的吸收能力较强，这与陈志涛的研究结果一致[14]；榆树对Cd、Pd的吸收能力较强 ； 紫穗槐对Cd的吸收能力较强。毕君（2013）对紫穗槐地上部地下部Cd含量的测定也显示，紫穗槐的根系也能富集大量的Cd离子[15]。许多学者的研究表明垃圾填埋场土壤中Cd的含量均较高[16-19]，所以，柳树、杨树、榆树和紫穗槐可以考虑作为城市垃圾填埋场重金属Cd的备选修复植物。

芦苇对Zn、Cu、Cr有较好的富集和转运能力，并且芦苇属于水生植物，可用于垃圾填埋场中垃圾渗出液污泥地带的污染修复。本研究显示爬山虎对土壤中Pb具有较强的富集和转运能力，这与万欣[20]的研究一致。另外，爬山虎对Cu也有一定的吸收能力，而且爬山虎还可以吸收空气中的二氧化硫和二氧化氮，起到净化大气的作用，所以，爬山虎用于垃圾填埋场不仅可以吸收土壤中的重金属还可以改善垃圾填埋场的空气质量。狗尾草对Pd、Zn有较强的富集和转运能力；商陆对Cd、Cu、Zn也具有一定吸收能力，赵刚的研究也表明商陆和无芒稗对Zn的转运系数均大于1，同时商陆和龙葵也是Mn的高富集植物[6]；藜对Zn也具有较好的吸收转运能力，它们可成为垃圾填埋场重金属污染修复的备选植物种类。

本研究采用的方法是在重金属污染的地方进行野外调查，采集生长良好的优势植物并分析其重金属含量，从而筛选出对重金属具有富集能力和修复潜力的植物种类，但适于生长在野外重金属污染区的植物种类有限，限制了更多具有重金属修复能力植物的筛选，在今后的研究中还应结合其它筛选方法，如特殊植物-重金属浓度梯度法、土壤种子库-重金属浓度梯度法[21]，而且某种重金属含量的多少对另一种重金属的富集效果是否有影响也有待进一步研究[22]，以便于筛选出更多的适于不同地区城市垃圾填埋场土壤重金属污染修复的植物。

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Accumulation Characteristic of Heavy Metals by Vegetation on a Municipal Landfill in Baoding

Zhang Yan， Wang Lin， Cui Binbin， Guan Yanying

（Department of Biology and Chemistry，Baoding University，Baoding，Hebei， 071000，China）

Abstract： The damage to the environment caused by municipal landfills is becoming more and more serious. The phytoremediation is a popular way for the ecological restoration of urban landfills at present. This research analyzed 13 dominating plants in a municipal landfill in Baoding which contain heavy metal ion content. Results showed that Salix babylonica，Populus， Ulmus pumila， Amorpha fruticose， Solanum nigrum and Phytolacca acinosa had a very strong capability to absorb Cd in landfills. They can be used as phytoremediation of heavy metal Cd. Similarly， Salix babylonica， Populus， Phragmites australis， Setaira viridis， Solanum nigrum， Phytolacca acinosa and Chenopodium album are good at absorbing Zn， Phragmites australis， Parthenocissus tricuspidata and Phytolacca acinosa can absorb Cu， Phragmites australis can absorb Cr too.While Ulmus pumila， Parthenocissus tricuspidata and Setaira viridis are good at absorbing Pd. Solanum nigrum was tested to be the Cd and Zn accumulation plant. Parthenocissus tricuspidata was tested to be the Pd accumulation plant. These plants can be used as useful remediation of heavy metal pollution in municipal landfills.

Key words： landfill； soil； heavy metal pollution； phytoremediation