武夷山市人工湿地再力花和花叶芦竹的重金属累积和迁移特点

郭汝凤， 李冠军， 刘鑫铭， 黄 婷， 林勇明， 吴承祯， 李 键，①

(1. 福建农林大学林学院， 福建 福州 350002；2. 武夷学院： a. 福建省生态产业绿色技术重点实验室， b. 生态与资源工程学院， 福建 南平 354300)

随着中国城镇化进程的推进，环境污染问题越来越严重[1]，尤其是重金属引起的土壤污染和水体污染[2]。自进入21世纪以来，中国的城镇化进程明显加速，武夷山成为世界自然与文化双遗产后，城镇化的步伐更加迅猛[3]，加之伴随而来的人口快速增长以及资源和能源高速消耗[4]，重金属污染物的产生和排放将不可避免[5]。重金属具有难降解、易累积和持续时间长等特点[6]，易转化为毒性更强的烷基化合物，若被生物吸收进入食物链，将严重威胁人类的健康和生存[7]。人工湿地作为一种新型污水处理工艺，是由水体、基质、微生物和水生植物组成的复杂生态系统[8]，可通过物理、生物和化学方法等协同作用有效去除污水中的N、P、新型有机物及重金属等污染物[9]，具有操作简单、运行成本低和可分散处理污水等优点[10]。植物是人工湿地中的重要组成部分[11]，对去除重金属有至关重要的作用[12]。因此，利用人工湿地植物净化重金属对武夷山市重金属污染防治工作具有可行性及现实意义。

植物对重金属的吸收净化是一个极为复杂的物理、生物和化学过程[13-14]，受植物种类、重金属毒性效应以及土壤性质(pH值、有机质含量和阳离子交换量等)的影响[15-16]。近年来，通过湿地植物地上部的吸收累积作用去除重金属成为国内外学者关注的研究热点，许多湿地植物地上部对重金属具有很强的代谢和累积能力[17]，通过收割植物地上部能够有效去除污染环境中的重金属[18]。不同湿地植物对重金属的吸收累积效果不同[19]，同种植物对不同重金属的净化效果差异也很大[20]。Wong等[21]研究认为，湿地植物对重金属的吸收和累积作用具有很强的地域性，不同区域的人工湿地系统应筛选出适宜当地的湿地植物进行种植，植物推广过程中应考虑湿地植物与生长环境的互作效应。因此，筛选出在武夷山市生长适应性强且对重金属净化效果好的人工湿地植物非常重要。由于人工湿地植物不同部位的生理结构和功能不同，其对化学元素的吸收和分配亦存在差异[22]。作者的前期研究结果表明：人工湿地植物对土壤C、N、P等营养元素的累积和分配特征存在差异[23]，但武夷山市人工湿地植物对重金属的累积、分配及迁移特点尚不明确。

鉴于此，通过野外调查，以生长在武夷山市生活污水处理厂人工湿地的典型人工湿地植物再力花(ThaliadealbataFraser)和花叶芦竹 (Arundodonaxvar.versicolorStokes)为研究对象，通过测定Mn、Cu、Cd、Zn、Cr和Pb含量，探讨1个生长季内2种植物不同器官对重金属的累积和迁移特点，并建立植物生长时间与重金属含量的线性回归关系，以期为人工湿地植物配置提供更好的植物种植方案，并为武夷山市重金属污染的生态修复和环境保护提供理论依据。

1 研究区概况和研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于福建省武夷山市生活污水处理厂人工湿地(地理坐标为东经117°24′12″～118°02′50″、北纬27°32′36″～27°55′15″)，属中亚热带湿润季风气候，四季分明，光热充足，雨量丰沛，年平均气温19.7 ℃，1月平均气温7.8 ℃，7月平均气温27.8 ℃，年平均降水量2 000 mm，且降水主要集中在夏季。武夷山市生活污水处理厂人工湿地占地面积8 100 m2，基质为砂石，基质孔隙度55%，表层填料为粒径0～3 mm的砂土，填充厚度20 cm。监测期间，该人工湿地水位30 m，平均布水负荷0.62 m3·m-2·d-1，平均水力停留时间7 d，主要种植植物为再力花和花叶芦竹。2种植物每年3月开始萌芽生长，其中，再力花在9月进入生长旺盛期，花期为4月至10月；花叶芦竹在8月进入生长旺盛期，花期为9月至12月；2种植物均在11月进入枯落期，12月对2种植物进行收割。

1.2 研究方法

1.2.1 样品采集和预处理 遵循典型性、代表性和可行性的原则，于2014年4月26日在武夷山市生活污水处理厂人工湿地设置6个面积10 m×10 m的采样点，分别于同年6月14日、8月2日、9月20日和11月8日(分别距离4月26日7、14、21和28周)采集再力花和花叶芦竹的地上部分，各采样点每种植物每次采集3株，每株植株作为1个重复，标记后带回实验室，洗净后将植株分成叶和茎2个部分，用牛皮纸包好，先置于110 ℃条件下杀青30 min，再置于65 ℃条件下烘干至恒质量，经FZ102微型植物粉碎机(天津市泰斯特仪器有限公司)粉碎后过孔径2 mm筛，备用。

1.2.2 重金属含量的测定 称取1.000 g植物样品，采用浓硫酸-高氯酸消煮法[24]消解，采用TAS-990原子吸收分光光度计(北京普析通用仪器有限责任公司)测定Mn、Cu、Cd、Zn、Cr和Pb含量，每个样品3个重复。

1.3 数据处理及统计分析

根据测定结果计算植物各重金属的迁移系数，计算公式为迁移系数=植物叶中重金属含量/植物茎中重金属含量[25]。

采用EXCEL 2010、SPSS 22.0和R语言软件进行数据处理和表格绘制。采用单因素方差分析和LSD-t检验进行差异显著性分析，建立植物生长时间(x，6月14日、8月2日、9月20日和11月8日依次赋值为7、14、21和28)与其叶和茎中重金属含量(y)的线性关系，经统计学检验得到相应的拟合参数(r2)，并对相关系数进行显著性检验。

2 结果和分析

2.1 人工湿地再力花和花叶芦竹叶和茎中重金属含量的分析

不同生长时间人工湿地再力花和花叶芦竹叶和茎中重金属含量的比较结果见表1。

2.1.1 再力花叶和茎中重金属含量的比较 由表1可见：再力花叶中Mn、Cu、Cd、Zn、Cr和Pb含量分别为214.729～281.594、30.125～45.125、0.067～0.125、8.616～54.375、2.779～16.016和13.622～18.031 mg·kg-1，茎中Mn、Cu、Cd、Zn、Cr和Pb含量分别为95.688～145.219、16.958～40.625、0.080～0.131、8.272～75.938、2.529～15.313和12.844～21.031 mg·kg-1。9月20日，叶中Mn和Cd含量显著(P<0.05)高于其他生长时间；9月20日和11月8日，茎中Mn和Cd含量显著高于其他生长时间；11月8日，叶和茎中Cu、Zn、Cr和Pb含量显著高于其他生长时间。

供试各生长时间再力花叶中Mn和Cu含量显著高于茎；6月14日，叶中Cd含量与茎中Cd含量差异不显著，其他生长时间显著低于茎中Cd含量；11月8日，叶中Zn含量显著低于茎中Zn含量，其他生长时间与茎中Zn含量差异不显著；供试各生长时间叶中Cr含量和茎中Cr含量差异不显著；6月14日，叶中Pb含量显著高于茎中Pb含量，其他生长时间显著低于茎中Pb含量。

2.1.2 花叶芦竹叶和茎中重金属含量的比较 由表1还可见：花叶芦竹叶中Mn、Cu、Cd、Zn、Cr和Pb含量分别为44.313～72.438、13.906～40.220、0.031～0.067、6.625～53.438、2.720～14.119和9.442～21.219 mg·kg-1，茎中Mn、Cu、Cd、Zn、Cr和Pb含量分别为26.250～34.854、12.929～36.875、0.041～0.087、7.979～70.214、4.717～14.788和14.181～22.813 mg·kg-1。8月2日，叶中Cd含量显著高于其他生长时间；9月20日，叶中Zn含量显著高于其他生长时间；11月8日，叶中Mn、Cu、Cr和Pb含量显著高于其他生长时间。6月14日，茎中Mn含量显著高于其他生长时间；8月2日，茎中Cd含量显著高于其他生长时间；11月8日，茎中Cu、Zn、Cr和Pb含量显著高于其他生长时间。

表1 不同生长时间人工湿地再力花和花叶芦竹叶和茎中重金属含量的比较Table 1 Comparison on heavy metal content in leaf and stem of Thalia dealbata Fraser and Arundo donax var. versicolor Stokes in constructed wetland at different growth times

供试各生长时间花叶芦竹叶中Mn含量显著高于茎中Mn含量，叶中Cd、Cr和Pb含量显著低于茎中Cd、Cr和Pb含量；9月20日，叶中Cu含量与茎中Cu含量差异不显著，其他生长时间显著高于茎中Cu含量；6月14日和8月2日，叶中Zn含量与茎中Zn含量差异不显著；9月20日和11月8日，叶中Zn含量分别显著高于和低于茎中Zn含量。

2.2 人工湿地再力花和花叶芦竹中重金属的迁移特征

不同生长时间人工湿地再力花和花叶芦竹的重金属迁移系数见表2。由表2可见：供试各生长时间再力花的Mn、Cu和Cr迁移系数大于1，Cd迁移系数小于1；除11月8日的Zn迁移系数小于1外，其他生长时间的Zn迁移系数大于1；除6月14日的Pb迁移系数大于1外，其他生长时间的Pb迁移系数小于1。再力花11月8日的Mn、Cu和Zn迁移系数显著(P<0.05)低于其他生长时间，8月2日的Cd迁移系数显著低于其他生长时间；9月20日与11月8日的Pb迁移系数差异不显著，但显著低于其他生长时间；不同生长时间的Cr迁移系数差异不显著。

由表2还可见：供试各生长时间花叶芦竹的Mn和Cu迁移系数大于1，Cd、Cr和Pb迁移系数小于1；除9月20日的Zn迁移系数大于1外，其他生长时间的Zn迁移系数小于1。花叶芦竹11月8日的Mn、Cd和Pb迁移系数以及9月20日的Zn迁移系数显著高于其他生长时间；不同生长时间的Cu迁移系数差异不显著；9月20日和11月8日的Cr迁移系数差异不显著，但显著高于其他生长时间。

由表2还可见：再力花6种重金属平均迁移系数从大到小依次为Mn、Cu、Cr、Zn、Pb、Cd，花叶芦竹6种重金属平均迁移系数从大到小依次为Mn、Cu、Zn、Pb、Cd、Cr。再力花和花叶芦竹的6种重金属平均迁移系数中Mn平均迁移系数均最大，分别为2.084和2.044，说明与其他5种重金属相比较，Mn在这2种植物体内更容易迁移。同种重金属在不同植物体内的迁移能力存在差异，再力花除9月20日和11月8日的Mn和Pb迁移系数以及9月20日的Zn迁移系数低于花叶芦竹外，其他时间再力花的Mn、Cu、Cd、Zn、Cr和Pb迁移系数高于花叶芦竹，说明与花叶芦竹相比较，Cu、Cd和Cr在再力花体内更容易发生迁移。

表2 不同生长时间人工湿地再力花和花叶芦竹重金属迁移系数的比较1)Table 2 Comparison on migration coefficient of heavy metal of Thalia dealbata Fraser and Arundo donax var. versicolor Stokes in constructed wetland at different growth times1)

2.3 人工湿地再力花和花叶芦竹生长时间与叶和茎中重金属含量的相关性分析

人工湿地再力花和花叶芦竹生长时间与叶和茎中重金属含量的拟合线性方程分别见表3和表4。

表3 人工湿地再力花生长时间与叶和茎中重金属含量的拟合线性方程1)Table 3 Fitting linear equation of growth time with heavy metal content in leaf and stem of Thalia dealbata Fraser in constructed wetland1)

表4 人工湿地花叶芦竹生长时间与叶和茎中重金属含量的拟合线性方程1)Table 4 Fitting linear equation of growth time with heavy metal content in leaf and stem of Arundo donax var. versicolor Stokes in constructed wetland1)

由表3可见：再力花生长时间除与叶中Pb含量的线性关系不显著外，与叶和茎中Mn、Cu、Cd、Zn和Cr含量以及茎中Pb含量的线性关系显著(P<0.05)或极显著(P<0.01)。随着再力花生长，其叶和茎中Mn、Cu、Cd、Zn、Cr和Pb含量趋于增加，生长时间与叶中Mn、Cu、Cd、Zn、Cr和Pb含量的相关系数分别为0.408、0.353、0.314、0.919、0.609和0.239，与茎中上述6种重金属含量的相关系数分别为0.736、0.794、0.460、0.909、0.613和0.928。

由表4可见：花叶芦竹生长时间除与叶中Cd含量以及茎中Mn和Cd含量的线性关系不显著外，与叶和茎中Cu、Zn、Cr和Pb含量以及叶中Mn含量的线性关系显著或极显著。随着花叶芦竹生长，其茎中Mn和Cd含量趋于降低，茎中其他4种重金属含量和叶中6种重金属含量趋于增加，生长时间与叶中Mn、Cu、Cd、Zn、Cr和Pb含量的相关系数分别为0.364、0.727、0.162、0.640、0.816和0.843，与茎中上述6种重金属含量的相关系数分别为0.245、0.674、0.234、0.832、0.826和0.794。

经对比分析可知，再力花的生长时间与叶和茎中Mn、Cd和Zn含量的相关系数高于花叶芦竹，而与其叶和茎中Cr含量的相关系数低于花叶芦竹，说明再力花的生长时间与Mn、Cd和Zn含量的相关关系更好，而花叶芦竹的生长时间与Cr含量的相关关系更好。

3 讨论和结论

通常情况下，植物体内Mn、Cu、Cd、Zn、Cr和Pb含量的正常范围分别为1～700、5～25、0.2～0.8、20～400、0.2～8.4和0.1～5.0 mg·kg-1[26-27]。本研究中，再力花和花叶芦竹叶和茎中Mn、Cd和Zn含量在正常范围内或更低，Pb含量超出正常范围，Cu和Cr含量总体上在6月14日、8月2日和9月20日在正常范围内，在11月8日超出正常范围，说明再力花和花叶芦竹对Cu、Cr和Pb具有较强的累积能力。此外，再力花和花叶芦竹对6种重金属吸收程度存在差异。与再力花相比，花叶芦竹的叶和茎中Mn含量较低，说明花叶芦竹的叶和茎对环境中Mn含量的变化响应较小，不适宜观测环境中Mn含量的动态变化。

植物对重金属的吸收与累积不但与植物对环境的响应机制有关，还与重金属本身的活动有关[28-29]。本研究中，不同重金属在再力花和花叶芦竹叶和茎中的吸收和累积特征存在明显差异。6月14日，再力花叶和茎中Cd含量差异不显著，而在其他生长时间叶中Cd含量显著低于茎；各生长时间再力花叶中Mn和Cu含量显著高于茎。各生长时间花叶芦竹叶中Cd含量显著低于茎，Mn含量显著高于茎；9月20日，叶和茎中Cu含量差异不显著，其他生长时间叶中Cu含量显著高于茎。不同重金属在植物体内的迁移特性差异较大，通常用迁移系数表示植物对重金属的迁移能力，当迁移系数大于1时，说明植物体内(茎和叶)运输重金属的能力强[30]。本研究中，各生长时间再力花和花叶芦竹的Cd迁移系数均小于1，Mn和Cu迁移系数均大于1，说明Cd在再力花和花叶芦竹体内的迁移受到明显抑制，迁移能力较弱，而Mn和Cu的迁移得到促进，迁移能力较强。相关研究结果表明：植物的重金属迁移系数很低说明植物在重金属污染环境下对重金属的吸收和迁移具有一定的协调性[31-32]，可通过逃避机制(如将重金属固定在茎部)获得对重金属污染的抗性[33]。Wei等[34]认为，植物对部分重金属具有较高的排斥作用，采取限制重金属从茎部向叶部迁移的忍耐策略来应对重金属胁迫。据此推测，再力花和花叶芦竹可能通过采取这种忍耐策略抵御Cd胁迫，而这2种植物对Mn和Cu不排斥，利用质膜上的Mn和Cu转运蛋白将其从茎部转运到叶部[35]，从而促进Mn和Cu的迁移作用。

Mn、Cu和Zn是植物生命活动过程中必不可少的生命元素[36-37]，Cd和Pb是制约植物生长的有毒元素[38]。本研究中，再力花和花叶芦竹的Mn、Cu和Zn迁移系数大于Cd和Pb迁移系数，说明Cd和Pb在再力花和花叶芦竹体内的迁移能力较弱，可能与二者将不利于自身生长的有害重金属Cd和Pb留在茎部，以减轻Cd和Pb对叶部的毒害机制有关[39]。本研究中，同一重金属在再力花和花叶芦竹体内的迁移能力也存在差异。总体上看，花叶芦竹的6种重金属迁移系数低于再力花，说明花叶芦竹对这6种重金属具有一定抗性[40]，推测可能与其自身的耐性机制有关[41]，如通过自身的生理机制调节，阻止重金属由茎向叶迁移，从而降低重金属对植株的毒害。

本研究中，再力花和花叶芦竹的生长时间与其体内的重金属含量存在一定的相关关系。随着植物的生长，再力花叶和茎中Mn、Cd和Zn含量趋于增加，再力花的生长时间与叶和茎中Mn、Cd和Zn含量的相关关系优于花叶芦竹；花叶芦竹叶和茎中Cr含量亦逐渐增加，花叶芦竹的生长时间与叶和茎中Cr含量的相关关系优于再力花，说明再力花和花叶芦竹对上述重金属的需求随着植物的生长逐渐增加，可根据再力花和花叶芦竹体内上述重金属含量的变化来评价其对重金属的去除效果[42]。因此，在武夷山市人工湿地植物配置中，再力花可以优先考虑用于Mn、Cd和Zn污染环境的修复，将花叶芦竹更适用于Cr污染环境的修复。

综上所述，再力花和花叶芦竹体内上述6种重金属含量随着植株的生长呈现显著差异；再力花和花叶芦竹对Mn、Cu、Cd、Zn、Cr和Pb具有一定的吸收累积能力；在人工湿地植物配置时，建议将再力花作为Mn、Cd和Zn污染环境的修复植物，将花叶芦竹作为Cr污染环境的修复植物。值得注意的是，人工湿地植物叶和茎中重金属含量的变化与植物根系、土壤和水体中重金属关系密切，需对植物根系、土壤和水体中重金属展开更深入的研究。