人工湿地基质和植物中重金属的分布规律研究

葛光环，陈爱侠，寇 坤，储玖琳

(1.安康学院 旅游与资源环境学院，陕西 安康 725000；2.安康市汉江水资源保护与利用工程技术研究中心/陕南生态经济研究中心/秦巴国土资源利用与环境保护协同创新中心，陕西 安康 725000；3.长安大学 环境科学与工程学院，陕西 西安 710054)

人工湿地利用物理、化学以及生物的协同作用以达到高效处理废水的目的[1-2]。赵红[3]于2003年研究得出渭河流经耿镇断面时其水质已属Ⅴ级。西安皂河人工湿地示范工程处理污水源于渭河支流——皂河。研究得出湿地中的芦苇对重金属有明显的吸收作用[4-6]。

目前，人工湿地对重金属去除的野外研究较少；同时，研究中人工湿地处理的污水大多为城市生活污水、工业废水等高浓度废水，人工湿地处理含低重金属污染负荷的河流的研究甚少。故有必要研究西安皂河人工湿地示范工程中重金属的分布规律。

1 试验与方法

1.1 试验区概况

试验场地为二级表流人工湿地，详见葛光环[7]文中试验概况的介绍。该湿地栽植芦苇和香蒲，即沿进水方向左右两边分别种植香蒲和芦苇；湿地长约107 m，填充的基质为沙子和铝污泥，其中湿地前段基质为沙子，靠近出水位置30 m段基质为铝污泥。

1.2 样品采集及测试分析

人工湿地中共设3个水样采样点，分别为湿地进水口、一级表流面和二级表流面之间以及出水口。该区域种植了芦苇和香蒲2种水生植物，分别分布于湿地的两侧：一侧为芦苇，另一侧为香蒲。由于芦苇的种植密度大于香蒲，故结合实际情况，共设置11个芦苇采样点：其中一级表流面5个、二级表流面6个(间距大概为10 m)；6个香蒲采样点，分别位于2个表流面的进水口、池中间和出水口处，其中一级表流面和二级表流面各3个(间距大概为20 m)，每个采样处采集4株高度相近的植物，采样时节为夏季，此时植物处于前生殖生长期，采样时应保证植物的完整性。共计17个植物采样点。基质的采样点则与植物采样点分布相同，分别采取对应植物采样点的植物根系附近的表面基质。共计17个基质采样点。采样点分布如图1所示。

2 结果与分析

2.1 人工湿地基质和植物中重金属的分布特征分析

2.1.1 人工湿地基质中Cr和Cu的分布特征分析 由图2可知，该湿地芦苇根际基质中Cr的浓度为175.13～380.39 mg/kg，Cu的浓度为32.00～255.56 mg/kg，Cr浓度高于Cu浓度；重金属浓度在前2个采样点大幅度下降，随后变化幅度趋于平缓；2种重金属在二级表流面的后3个采样点(铝污泥基质)浓度均有小幅度上升。汪旭等[9]在实验室进行模拟得出含重金属废水经过人工湿地处理后，被固定在基质中的系统截留金属可以达到98%以上；但在pH值低于3.3时，已经被固定的Pb和Cu很可能会被再次释放出来。

该湿地香蒲根际基质中Cr的浓度为174.75～254.38 mg/kg，Cu的浓度为51.53～94.76 mg/kg，Cr浓度高于Cu浓度；Cr的浓度波动相对较大，但总体上还是呈现出下降趋势；Cu的浓度在一级表流面的前3个采样点下降趋势较为明显，在二级表流面的后3个采样点趋于稳定。

图1 采样点分布示意图

2.1.2 人工湿地植物中Cr和Cu的分布特征分析 为方便对植物体内重金属的分布迁移规律进行分析，故将所采集到的2种植物样本分为3部分(根、茎、叶)，并分别对各部位Cr、Cu两种重金属浓度进行测定。用软件计算出植物各部位重金属浓度与方差，并绘制图表进行分析。

2.1.2.1 人工湿地芦苇中Cr和Cu的分布特征分析 由图3可知，芦苇根中Cr浓度为0.92～12.72 mg/kg，Cu浓度为4.25～19.11 mg/kg，远低于其根际基质中的重金属含量；Cr、Cu浓度沿程变化趋势基本相同，都表现为在一级表流面的前4个采样点明显下降，随后又有略微升高的趋势，而后又开始慢慢下降，在二级表流面后3个采样点又开始升高。

芦苇茎中Cr浓度为0.71～5.68 mg/kg，Cu浓度为3.72～9.87 mg/kg，明显低于根中重金属含量；表现出与芦苇根中重金属浓度沿程变化相似的规律。

图2 芦苇和香蒲根际基质中重金属沿程分布

芦苇叶中Cr的浓度为0.38～0.76 mg/kg，整体浓度较低且低于根、茎中的浓度，沿程变化趋势不明显；Cu的浓度为3.63～9.80 mg/kg，低于根中浓度但比茎中浓度高；另外，叶中Cu浓度沿程变化规律不明显。

将整个芦苇根、茎、叶3个部分的重金属浓度分布图结合起来看，Cr浓度表现为根>茎>叶，Bragato等[10]研究表明，植物在人工湿地中起着至关重要的作用，水生植物不仅能吸附大量有毒有害物质，同时还能直接吸收水中营养物质供其生长发育；不同的部位吸收的浓度表现为根>茎>叶。Cu浓度表现为根>叶>茎，董志成等[6]发现芦苇中Zn、Cu以及Cd的分布特征为根>叶>茎；芦苇中Pb和Cr的分配特征为根>茎>叶，这可能与芦苇自身性质、重金属各自性质不同以及生长的环境相关[11]。Römheld[12]在研究中提出，禾本科植物根系分泌的麦根酸类在活化湿地基质中难溶性Fe元素的同时，Cu、Zn、Cd及Mn等也被活化，故重金属的生物富集能力增强。根、茎、叶中重金属沿程分布与变化趋势有很多相似之处，且芦苇根中重金属浓度分布特征表现出与芦苇根际基质中重金属浓度分布特征相似的规律，这也表明芦苇根中重金属浓度与芦苇根际基质中重金属浓度有一定的相关性。

2.1.2.2 人工湿地香蒲中Cr和Cu的分布特征分析 香蒲根中重金属浓度与沿程分布见图4。由图4可知，香蒲根中Cr浓度为0.48～2.49 mg/kg，Cu浓度为4.24～10.38 mg/kg，Cr浓度在前3个采样点(一级表流面)和后3个采样点(二级表流面)均呈上升趋势，只在两池之间呈降低状态；Cu浓度在一级表流面递减，在二级表流面有上升趋势。

香蒲茎中Cr和Cu浓度分别为0.34～1.34 mg/kg和3.87～8.61 mg/kg，低于根中重金属含量；香蒲叶中Cr和Cu浓度分别为0.22～0.33 mg/kg和3.57～8.23 mg/kg，香蒲茎叶中Cr和Cu沿程波动不大。Lesage等[13]研究得出基质中Zn、Cd、Cu、Pb四种重金属的沿程积累规律均与运行距离的增加呈负相关，只有Mn呈正相关，而植物中则无法明显看出重金属沿程变化规律。香蒲各部位中Cu的浓度高与Cr的浓度，这与香蒲根际基质中Cu、Cr的浓度恰好相反。香蒲各部位中，Cr的浓度大小依次为根>茎>叶；Cu的浓度则表现为根>叶>茎。

图4 香蒲各部位中重金属含量沿程分布图

2.2 人工湿地基质和植物中重金属转移及富集性分析

2.2.1 人工湿地植物中Cr和Cu的转移特征分析 为便于对人工湿地中Cr和Cu的转移特征进行分析，故引入迁移指数(TF)进行分析，计算公式为：

TF茎/叶=C茎/叶/C根

而由上文中所列出的芦苇和香蒲各部位的重金属浓度表，可算出Cr、Cu在芦苇和香蒲各部位中的迁移指数。经计算，湿地植物各部位中Cr、Cu迁移指数(TF)如表1所示。

由表1可以看出，芦苇和香蒲茎中Cr的TF均大于叶中Cr的TF，而叶中Cu的TF则大于茎中Cu的TF，说明Cr易于由根向茎转移，而Cu易于由根向叶转移；同时，芦苇和香蒲茎和叶中Cr和Cu的TF差别较小，表明植物的种类不是影响TF的主要因素；Cr和Cu的TF区间分别为0.14～0.62、0.61～0.99，表明在植物体内，Cu具有较强的从根部迁移到茎和叶的能力，此结论与Jan 等[14]的研究结果不一致，可能由于高浓度Cu环境影响根中Cu的代谢，从而使茎叶中Cu浓度发生改变[15]。

表1 植物各部位中Cr和Cu的迁移指数比较

2.2.2 人工湿地植物对Cr和Cu的富集特征分析 生物富集系数(BCF)可以体现出植物对基质中重金属的富集能力。为便于对人工湿地植物对Cr和Cu的富集特性进行分析，故引入BCF进行分析，计算公式如下：

BCF=C根/C基质

由上文中所列出的芦苇和香蒲根中及其根际基质中的重金属浓度表，套入公式则可算出Cr、Cu在芦苇和香蒲中的生物富集系数。由表2可知，湿地中芦苇的BCF：Cu(0.17)>Cr(0.02)，香蒲的BCF：Cu(0.12)>Cr(0.01)，无论是芦苇还是香蒲中，Cu的生物富集效果都要强于Cr，说明相比之下，基质中的Cu更易被植物的根吸收。

表2 植物中Cr和Cu的生物富集指数比较

2.2.3 人工湿地水样、基质和植物中重金属含量的相关性分析 为便于对人工湿地中重金属含量的相关性进行分析，故引入皮尔逊相关系数(PCCs)，以上文中植物和基质样品以及下文水样样品中重金属浓度数据为基础，用SPSS软件计算出同种重金属浓度变量的皮尔逊相关系数(R)，并通过f-检验验证两变量之间显著相关性，当P<0.05时，说明两变量之间有显著相关性；当P≥0.05时，则说明两变量之间无显著相关性。

该湿地进水中Cr和Cu浓度分别为37.90±27.77 μg/L和7.30±1.41 μg/L，出水中Cr和Cu浓度分别为2.18±1.24和4.50±2.78 μg/L，Cr、Cu去除率分别为94%、38%。

2.2.3.1 样品之间含Cr浓度的相关性 由表3可知，基质与水样之间Cr浓度具有正相关性，表明水样中Cr浓度与基质中的Cr浓度互相影响；植物茎与基质之间Cr浓度具有正相关性，而植物根与基质之间Cr浓度无显著相关性，表明植物茎对Cr的生物富集能力强于根；植物茎和叶之间Cr浓度具有正相关性，表明植物体内Cr由茎向叶的转移能力较强。

表3 样品之间 Cr浓度的皮尔逊相关系数(R)和相关显著性概率

2.2.3.2 样品之间含Cu浓度相关性 由表4可知，植物叶与水样之间Cu浓度呈正相关，表明植物叶与水样中Cu浓度互相影响；植物的茎与基质之间Cu浓度呈正相关；植物茎和叶之间Cu浓度呈现出显著相关性，说明植物体内Cu由茎向叶的转移能力较强。这与Cr所表现出的规律基本相同。

表4 样品之间Cu浓度的皮尔逊相关系数(R)和相关显著性概率

3 结论

(1)芦苇和香蒲中Cr的比例大小均表现为：根>叶>茎，而Cu的分布表现为：根>茎>叶。

(2)2种植物中Cr和Cu的迁移指数相差较小，说明植物的种类不是影响迁移指数的主要因素；植物根部较易富集Cu，且根部Cu迁移到茎和叶的能力强于Cr。

(3)水样和基质中的Cr浓度、植物叶与水样中Cu浓度呈正相关，说明水样和基质中的Cr浓度互相影响，水样中Cu含量与植物叶含Cu量呈正相关；植物茎、叶之间Cr和Cu浓度具有相关性。