重金属污染 治理“小帮手”——温榆河河岸带植物受重金属污染状况分析

◆北京市新英才学校高二（2）班 叶 莹 康庭瑞 徐 睿 姚宇飞

河岸带是河流与陆地生态系统的关键过渡地带，是健康河流生态系统的重要组成部分和评价标志。土壤重金属污染评价是考察区域生态系统健康状态的重要手段。在河岸带土壤重金属污染严重的情况下，如果土壤随着地表径流不断流入河流，会成为河流沉积物的主要物质源。河岸带土壤的健康与否还会影响两岸的植被生长，影响景观效应。

温榆河全长约47.5千米，是唯一以北京为发源地的河流，其支流在明朝时就是两岸农田灌溉的重要水源，被称为北京的母亲河，同时承担着昌平区、顺义区以及其他部分城区的排水任务，也是沿岸居民的一条景观河道。近年来，随着温榆河沿岸经济的迅速发展，河岸带土壤面临严重的重金属污染问题。

重金属对植物有很大危害，主要表现为植被萎黄、生长缓慢、产量下降，甚至可能伴随养分吸收受阻、植物代谢紊乱和豆科植物固氮能力降低的现象。长期以来，国内外学者对土壤重金属污染治理进行了大量研究，取得了一定的治理效果。但目前采用传统的物理、化学治理方法的修复成本极高，很难被大面积推广应用。植物修复是一种新兴且发展前景较好的绿色环境修复技术，具有广域性、永久性、价廉性和易操作等特点，被广泛关注。

本文通过测定温榆河上、中及下游河岸带土壤的重金属含量，在污染严重的区域选取三种优势植物，并测定其根、茎、叶中该区域污染最严重的金属含量，以期筛选出能有效富集重金属的植物，为温榆河河岸带提供植物修复应用的科学依据。

一、采集样品

1.土壤样品

在每个采样点近岸沿平行河流方向10 m 长度范围内，随机采取0~10 cm深度沉积物样品5次，混合记为1个样品。将采集的样品剔除植物残体和石块，每次采集样品400 g，采集样品总质量为1 kg，去除袋内的空气后密封并登记编号。

2.植物样品

对中游的温榆河大桥、孙河、苇沟桥三个点进行采样，每个采样点采用梅花形布点法，选取代表性、生长旺盛、数量较多的3种植物（植物的根、茎和叶齐全，湿质量在100 g左右），并确认该植物的名称。

二、样品的处理与分析

用清水冲洗植物样品表层，再用蒸馏水冲洗两遍后风干，将植物按根、茎、叶剪开分类，置于80 ℃~90 ℃烘箱中烘干，最后装入自封袋中，标好样品名与编号。

样品送至上海复达检测技术集团有限公司，检测依据GB 15618—2018，仪器：ICP-OES，仪器型号：安捷伦7700（检出限2 mg/kg）。

图1 土壤采样点分布

三、结果与分析

1.温榆河河岸带土壤中的重金属含量

温榆河河岸带土壤中重金属的采样时间为2020年11月，此时为温榆河的枯水期。根据温榆河的流向，选取的五个采样点分别位于温榆河的上游、中游及下游，具体位置为马坊桥、温榆河大桥、孙河、苇沟桥、北关闸。

将河岸带土壤中重金属含量与北京市土壤重金属背景值比较，结果表明，温榆河河岸带土壤中的重金属As、Zn、Pb、Cu和Cd严重超标，其中Cu和Zn超标最严重。

表1 采样点土壤的重金属含量（mg/kg）

表2 北京市土壤重金属背景值

表3 各采样点重金属超标具体情况

2.重金属污染严重区域优势植物中的重金属含量

我们选取As、Zn、Pb、Cu和Cd污染比较严重的河岸带区域（温榆河大桥、孙河、苇沟桥），采集该区域的优势植物，并测量这些植物根、茎、叶中的重金属含量。通过测定，和尚草、车轴草和巴天模酸的根、茎、叶均对Zn具有吸收累积作用。

蓼草根和芦苇根对Pb的累积较明显，累积量分别是5.354 8 mg/kg和6.711 8 mg/kg。车轴草根对Cu的累积较明显，累积量是2.538 mg/kg。 可能是这些植物的根系分泌物通过改变根系环境，使重金属更易累积在根部。其他植物部位因对重金属的累积量过低，仪器未检测出。Cu和Zn是植物生长所需的微量元素，Zn参与植物的多种酶反应。Pb不是植物生长所必需的元素。植物体内，Pb的正常含量为0.1~41.7 mg/kg，Zn的 为1~160 mg/kg，Cu的 为0.4~45.8 mg/kg，具体含量还取决于植物的种类及其生长的环境。

图3 在温榆河河岸带采样

3.生物富集系数及转运系数评估

植物对重金属的吸收具有选择性，不同植物对同一种重金属的吸收能力不同，同一种植物对不同重金属的吸收能力也存在差异。一般用生物富集系数和转运系数来评估植物对重金属的吸收能力，以及将重金属从根部向茎叶转移的能力。

生物富集系数（BCF）等于植物体内某种重金属元素含量与土壤中同种重金属含量的比值。对于草本植物来说，BCF小于0.5，表明植物对重金属的积累能力较弱，BCF大于等于0.5而小于等于1.0，则表明该植物对重金属有一定的累积能力。

修复能力的强弱除了与植物的富集系数有关外，还取决于植物的转运系数。转运系数（TF）等于植物地上部分重金属含量与植物根系中该金属含量的比值，转运系数反映的是植物吸收重金属后从根部向茎、叶转移的能力。TF大于1，说明植物能大量吸收某种重金属，并将其从地下部分转移到地上部分。多次种植、收割TF大于1的植物就可以将重金属逐渐从土壤中除去。

本文的优势植物中只有和尚草、车轴草和巴天酸模能将重金属转移到茎、叶，通过图2的数据能计算出三种植物对Zn的富集系数和转运系数。

图2 植物根、茎、叶中Zn的含量

由表4可知，对于Zn，三种优势植物的生物富集系数都小于0.5，巴天酸模的茎和叶的转运系数都大于1，表现出较强的转运能力。

表4 优势植物对重金属Zn的累积特性

一般认为，超富集植物应满足3个标准：1.植物地上部分富集的某种元素的含量达到生长在同一介质非超富集植物地上部分含量的100倍以上（不同重金属，其超富集植物富集浓度界限也有所不同。其中Zn为10 000 mg/kg, Pb为1000 mg/kg, Cu为1000 mg/kg）。2.植物地上部分重金属含量大于根部的重金属含量。3.植物生长没有出现明显的毒害症状。

基于以上分析可以得出，三种优势植物中的巴天酸模对Zn的耐受性较强，可作为Zn污染的潜在修复植物。

四、结论

温榆河河岸带土壤中重金属As、Zn、Pb、Cu和Cd严重超标，以Cu和Zn最严重。和尚草、车轴草和巴天酸模的茎、根、叶对Zn具有很好的吸收作用。芦苇、蓼草和车轴草对Pb和Cu的累积主要集中在根部。

本次调查所采集的优势植物均没有达到超富集植物的标准，但它们是生长在重金属污染土壤的优势植物，表现出对重金属有较强的耐受性。巴天酸模对Zn的耐受性较强，可作为Zn污染的潜在修复植物。

专家点评

本文研究了北京市温榆河河岸带植物重金属污染状况，文章结构完整，思路清晰。选题恰当，联系生活实际，是一篇优秀的小论文。

第一，本文选题来源于生活。以温榆河河岸带植物污染情况为研究内容，引导人们关注环境变化，运用“植物修复”等所学知识解决一些现实问题，提升了社会责任感。

第二，本文具有很强的实践性。从实验方案的设计到方案的执行，再到结果的分析，符合学生的认知能力，学生可以独立完成，有利于培养学生提出问题、作出假设、设计实验等科学探究的能力。

可以进一步完善的是，如果能从污染不严重的区域采集植物测定其中的重金属含量，则论据更充足，结论更有说服力。