六种花卉植物对农田重金属富集特性研究

高园园

(东莞市生态环境技术中心，广东东莞 523009)

土壤作为环境污染物的“汇”，承纳了大量污染物，造成土壤生态环境日益恶化。土壤污染具有隐蔽性、长期性和不可逆性等特点，土壤污染物随生物链进入农产品，危及人类健康和生命安全，引起了人们越来越多的关注。20世纪80年代以来，地处珠江三角洲“黄金地段”的东莞，凭借地理优势，迅速实现了由农业经济向工业经济的转变[1]。

国内外很多学者对环境中重金属污染的植物修复展开了研究[2- 3]，以期找到一系列合适的重金属污染修复植物。庞静研究发现，月季对各种重金属元素均有富集能力[4]；曾俊发现彩虹月季对Cd、Pb表现出一定的抗逆性，可以用作园林绿化与修复[5]。 高洁等人发现了野薄荷(Mentha haplocalyx)表现出了超富集Cr的潜力[6]；刘湘丹等人证明了薄荷对Cd有一定富集能力[7]。姜成等人实验结果显示：凤仙花(Impatiens balsamina L.)对外界铅胁迫有很强的耐性，是一种修复Pb污染土壤的好材料[8]；刘家女等研究也发现凤仙花对重金属复合污染土壤具有修复潜力[9]。在前人研究基础上，本试验选择月季、薄荷和凤仙花六种花卉植物在Cu-Zn-Cd-Pb复合污染情况下的生长反应及可能的超积累特性，以期为这些花卉植物应用于重金属复合污染土壤修复开辟新的方法途径提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

东莞市地处珠江三角洲中南部，珠江口东岸，北邻博罗、广州，东邻惠阳，西与番禺隔珠江相望，南与深圳相连[10]。地势东南高西北低，地貌以丘陵台地和冲积平原为主[11]。东莞市属亚热带季风气候，长夏无冬，日照充足，雨量充沛，温差振幅小，季风明显。雨量集中在4～9月份，6月以锋面低槽降水为多，为前汛期；7～9月台风降水活跃，为后汛期。研究的农田位于高埗镇朱黄村，周围有精密制造业等工业生产，对当地环境存在潜在威胁。

1.2 试验方法

供试农田选取高埗镇朱黄村某农田(E113°42’，N23°06’)，进行连续大田实验(全Cu 19.40 mg·kg-1，全Zn 94.57 mg·kg-1，全Cd 0.23 mg·kg-1，全Pb 63.42 mg·kg-1)。选择三种月季品种(扉扇月季、粉扇月季和彩虹月季)，两种薄荷品种(阜油一号薄荷和胡椒薄荷)和凤仙花作为修复植物。月季和薄荷苗购于河南省南阳市和江苏省高邮市，凤仙花种子购买于北京花儿朵朵花仙子农业有限公司。凤仙花先育苗再移栽，月季和薄荷小苗种植。月季种植密度为12-14株/m2，薄荷种植密度为20-25株/m2，凤仙花种植密度为9株/m2。田间管理交由专人负责，根据大田土壤水份情况，不定期浇地表水(水体经检测达到I类地表水水质标准)，保持田间湿润。

1.3 样品采集与制备

植物收获时分为根、茎、叶和土壤四部分(凤仙花收获时分为根、茎、叶、果皮、种子和土壤六部分)。植物样品先用去自来水冲洗，再用离子水冲洗干净，烘箱中 105 ℃下杀青 0.5 h，而后烘干至恒重。土壤样品经自然风干后，研磨、过100目筛。土壤中重金属Cu、Zn、Pb、Cd含量的测定采样HF-HNO3-HNO3消解，电感耦合等离子体质谱(PerkinElmer SCIEX)检测。

2 结果与讨论

2.1 第一季花卉植物实验结果

2.1.1第一季花卉植物体内重金属含量对比分析

图1 六种花卉植物对Cu、Zn、Cd、Pb的富集效果

花卉植物生长一季后，收获部分植株，六种花卉植物体内重金属富集情况如图1所示。元素共存时重金属物质从几种花卉植物体中的累积分析看，对Cu元素的总富集能力排序为：胡椒薄荷>凤仙花>阜油一号薄荷>扉扇月季>粉扇月季>彩虹月季。其中，地上部分Cu含量最高为胡椒薄荷(47.12 mg·kg-1)，最低为彩虹月季(9.19 mg·kg-1)，相差5.2倍；地下部分Cu含量最高为胡椒薄荷(46.51 mg·kg-1)，最低为粉扇月季和彩虹月季(8.05 mg·kg-1)，相差5.75倍。地上部分与地下部分Cu含量差异最大的为胡椒薄荷(相差3.6倍)，相差最小的为凤仙花。

几种花卉植物对Zn元素的总吸收能力排序为：凤仙花>胡椒薄荷>粉扇月季>扉扇月季>彩虹月季>阜油一号薄荷。地上部分Zn含量最高为凤仙花(280.45 mg·kg-1)，最低为阜油一号薄荷(37.42 mg·kg-1)，相差3.65倍；地下部分Zn含量最高为凤仙花(91.13 mg·kg-1)，最低为阜油一号薄荷(25.21 mg·kg-1)，相差3.2倍。地上部分与地下部分Zn含量差异最大的为凤仙花，相差3.6倍，相差最小的为阜油一号薄荷。

对Cd元素的总吸收能力排序为：凤仙花>扉扇月季>胡椒薄荷>粉扇月季>阜油一号薄荷>彩虹月季。其中，地上部分Cd含量最高为凤仙花(2.12 mg·kg-1)，最低为彩虹月季(0.07 mg·kg-1)，相差23.42倍；地下部分Cd含量最高为凤仙花(0.74 mg·kg-1)，最低为彩虹月季(0.06 mg·kg-1)，相差16.33倍。地上部分与地下部分Cd含量差异最大的为凤仙花，相差1.67倍，相差最小的为彩虹月季。扉扇月季在Cd污染农田中显示了一定的修复潜力。有研究表明，月季“金玛丽”比较适宜镉污染浓度在20 mg·kg-1以下的中低浓度土壤中进行植物修复[12]。

对Pb元素的总吸收能力排序为：凤仙花>胡椒薄荷>扉扇月季>阜油一号薄荷>彩虹月季>粉扇月季。不同物种间地上与地下重金属积累能力差异显著，如图12所示。其中地上部分Pb含量最高为胡椒薄荷(2.8 mg·kg-1)，最低为粉扇月季(0.7 mg·kg-1)，相差4倍，地下部分Pb含量最高为胡椒薄荷(3.7 mg·kg-1)，最低为粉扇月季(0.5 mg·kg-1)，相差7.4倍。地上部分与地下部分Pb含量差异最大的为凤仙花，相差7.7倍，相差最小的为粉扇月季。

六种花卉植物中，凤仙花对Zn、Pb和Cd的富集效果最好，体内重金属含量最高，胡椒薄荷体内Cu含量最高。

2.1.2 花卉植物富集系数

超级累植物也叫超富集植物，一般认为超级累植物应具有以下特征[13-15]：1)超级累植物地上部分的重金属含量是同等生境条件下其他普通植物含量的100倍以上；2)在污染地生长未受到明显伤害，植物地上部重金属含量大于根部该种重金属含量；3)一般而言，植物体内重金属临界含量为Zn 1 000 mg·kg-1，Cd 100 mg·kg-1，Au 1 mg·kg-1，Pb、Cu、Ni、Co均为1 000 mg·kg-1。富集系数和转移系数是衡量植物是否为超剂量植物的重要指标。转移系数(TF)=植株地上部重金属含量/植株地下部重金属含量；富集系数(BCF)为某一金属在植物不同部位的含量和其在土壤中相应含量的比值。

六种花卉植物的富集系数分析结果如表1所示。Cu在胡椒薄荷、粉扇月季、扉扇月季和彩虹月季富集能力较强，其中扉扇月季富集能力最强，富集系数为2.11，但是扉扇月季和彩虹月季的迁移能力很弱，小于0.7；胡椒薄荷表现出良好的富集能力和迁移能力，凤仙花富集能力一般，但是迁移能力强，也具有一定的修复潜力。Zn在六种花卉植物表现出强富集能力(均大于1.4)，其中凤仙花富集能力最强，富集系数为3.07，且地上部表现出强迁移能力。且六种植物地上部的迁移能力均大于根。

Pb在凤仙花富集能力和转移能力最强，表现出强富集效果，但是转运系数低，主要集中在根部，这与其他研究结果一致[16]。粉扇月季和扉扇月季也表现出一定的修复潜力，富集系数和转移系数均大于1；Cd在六种植物的迁移系数均非常小，显示Cd在选择植物中迁移能力很差。虽然阜油一号薄荷、粉扇月季和彩虹月季表现出一定的富集能力，富集系数大于1，但是迁移系数均小于0.02，总体对Cd的修复潜力较小。

表1 六种花卉植物对重金属的富集特征

Cu和Cd主要富集于胡椒薄荷的根部，其中对Cd的富集系数大于1.00，说明Cd在薄荷体中的累计效应很强。胡椒薄荷对Cu富集效果最好，凤仙花对Zn、Cd和Pb富集效果最好。月季品种中，表现突出的为扉扇月季，彩虹月季植株矮小，富集重金属表现最差。

2.1.3 凤仙花不同部位对重金属的富集效果

凤仙花生长迅速三个月后，将凤仙花为根、茎、叶、果皮和种子五部分。从凤仙花各组织内重金属含量可以看出(图2)，凤仙花各器官富集含量差异较大，总体趋势为根>叶>茎>果皮>种子，但是对于Zn来讲，种子>果皮。种子Pb、Cd含量最低，果皮中Cd的富集量较大，甚至超过了根、茎、叶组织的含量。Cu和Zn在根、茎、叶、果皮和种子各部位差异较小。Pb、Cd在种子内含量急剧下降，说明Pb和Cd不易在凤仙花种子内积累。种子相比根、茎、叶生长周期短，因此四种重金属在种子部位略低于其他部位(Zn除外)。

图2 凤仙花各组织内重金属含量分析

植物组织的富集系数越大，其富集能力越强。分析凤仙花不同部位对土壤重金属的富集系数(表2)，结果表明，同一植物不同组织对土壤中Cu、Zn、Cd和Pb的吸收富集能力也存在很大的差异。凤仙花根部对四种重金属富集系数由大到小的顺序是：Cd>Cu>Zn>Pb，茎、叶、种子和果皮对四种重金属的富集顺序一致：Cd>Zn>Cu>Pb。凤仙花不同器官对土壤重金属的富集能力有较大差异，且不同器官的差异小于同一器官的不同组织，凤仙花果皮的富集能力远大于种子。

表2 凤仙花各组织对重金属的富集系数

总体而言，Cu和Zn易于在凤仙花各组织富集，原因可能在于Cu和Zn是植物生长的微量元素，生长的各个阶段都需要。本研究中的六种花卉植物体，除凤仙花和胡椒薄荷根内含有较高的Cu(分别为32.28 mg·kg-1和46.05 mg·kg-1)之外，植物的其余器官中Cu和Zn的浓度仍属正常水平。

该实验可以看出，凤仙花对Zn、Pb表现出强迁移能力(转移系数分别为3.07和2.88)，但是地上Zn的富集含量为155.88 mg·kg-1，地上Pb的富集含量为5.27 mg·kg-1。植物地上部富集系数大于1也应是超富集植物区别于普通植物的必不可少的特征。该农田土壤中Zn和Pb的浓度较低，因此虽然凤仙花体内富集量达不到临界值标准，但是表现出了强迁移能力和强富集潜力。

2.1.4 凤仙花各组织对Cd的富集效果

从Cd在凤仙花体内各组织的富集情况(图3)可知，Cd的积累顺序依次为果皮>根>叶>茎>种子。Zn在凤仙花各组织的富集量大小依次是：根>叶>茎>种子>果皮，Pb和Cd的富集规律一致：根>叶>茎>果皮>种子，说明不同重金属在凤仙花体内的各组织分布略有不同。本实验中，凤仙花各组织器官Cd含量最高，且根、茎、叶、果皮、种子富集系数的平均值为3.35，2.02，2.47，1.44和3.70，对Cd表现出强吸收和提取能力。其他实验表明，凤仙花地上部分Cd含量和整株Cd含量最高，地上部分镉积累量也达到最高[17]。证实凤仙花可以应用于Cd污染土壤的植物修复技术。

图3 凤仙花各组织Cd的含量分析

2.2 第一季与第二季花卉植物体内重金属含量分析

为了更好地研究植物对土壤的修复规律，本实验重复两季种植花卉植物，凤仙花第一次种植后种子散落，重新生长，薄荷收割地上部后继续生长，月季继续生长，直至三个月之后收获。

2.2.1第一季与第二季薄荷体内重金属含量对比

第一季薄荷收获以后，收割地上部分，仅留离地面5 cm左右，继续生长3个月后，对比分析两季薄荷对4种重金属的富集情况(图4)，结果表明，第二季除阜油一号薄荷对Zn和Cd的富集量都超过第一季外，阜油一号薄荷对Cu和Pb的富集和胡椒薄荷对4种重金属的富集都略低于第一季。连续植物修复的过程中，低浓度重金属污染土壤上植物体内重金属的含量随着修复的进行呈下降趋势，这与其他研究结果一致[18]。低浓度污染土壤中，随着修复的进行，重金属生物有效性减低，进而影响下一季植物对重金属的吸收。

2.2.2第一季与第二季月季体内重金属含量对比

月季收获后，分为根、茎、叶三部分，同时收集根附近的土壤一并带回实验室进行分析检测。结果表明(图5)：第二季度月季三个月季品种根部富集量显著增加，其中，Cd的富集量提高最多，第二季扉扇月季根部Cd的富集量是第一季的26倍，粉扇月季为第一季的19倍，彩虹月季为第一季的8.5倍。其次是Pb，第二季扉扇月季根部Pb的富集量是第一季的8.86倍，彩虹月季为第一季的5.39倍，粉扇月季为第一季的4.95倍。地上部(茎和叶)对四种重金属富集浓度均呈现明显下降趋势。第二季与第一季相比，根部对四种重金属的富集浓度都有较大提高，其中Pb提高最大。根部对重金属富集浓度增大的原因可能在于，第二季月季生长期，东莞地区干燥少雨，干旱胁迫可以促进根系向土壤深处延伸[19]，进而提高了根部对重金属的富集能力。重金属复合污染土壤中，Cu、Zn、Pb和Cd之间的存在复杂的相互作用效应，不仅与重金属种类、不同浓度组合、供试植物种类和植株部位有关。

图4 两季薄荷体内重金属富集量对比图

图5 两季月季体内重金属富集量对比

2.2.3第一季与第二季凤仙花体内重金属含量对比

第一季种植的凤仙花种子洒落地上，待长至三四片叶子剔苗或补苗，保持50 cm×50 cm的间距，生长三个月后收获凤仙花。将植物分为根、茎、叶三部分，同时收集根附近的土壤一并带回实验室进行分析检测。结果表明(图6)，除第二季凤仙花叶部分对Cu、Zn、Pb和Cd的富集量有所提高外，其他重金属及其他部位对各重金属富集浓度差异不大。通过两季凤仙花各组织干重对比(表3)可以发现，第二季凤仙花各组织干重迅速下降，根干重仅为第一季3.35%，茎干重为第一季的2.69%，叶干重为第一季的6.95%，第二季没有结果实。原因在于：第二季种植期间，正值当地天气干燥少雨，加之得了白粉病，长势非常差。虽然第二季凤仙花体内重金属含量与第一季差异不大，但由于生物量大大减少，重金属富集总量下降。

图6 两季凤仙花体内富集重金属含量对比图

表3 两季凤仙花各组织干重对比g

3 两季花卉植物对重金属的富集效果

重复种植植物修复污染土壤，规律有显著差异，这可能在于植物种类不同、污染土壤重金属种类和浓度及土壤理化性质的不同。Grifon等研究发现，重复种植芥菜(Brassica Juncea)重金属富集量，随着种植季度的增加，植物体内的富集量呈下降趋势[20]。范轶清研究发现，重复种植三季伴矿景天，高浓度污染土壤第三季植物地上部Cd含量最高，而低浓度污染土壤植物地上部 Cd浓度在修复的过程中呈现出下降趋势[18]； Li等研究结果显示土壤的酸碱性显著影响伴矿景天对重金属的吸收，而土壤重金属浓度起次要作用[21]。重复种植植物修复的过程中，重金属生物有效性降低[22]，但高浓度污染土壤中重金属生物有效态供应充足，植物对重金属的吸收不变甚至升高。

本研究发现，除第二季阜油一号薄荷对Zn和Cd的富集含量有一定增加之外，其他重金属和胡椒薄荷均呈现下降趋势；粉扇、扉扇和彩虹月季第二季比第一季富集量都有很大提高，其中根部提高最多；两季凤仙花体内重金属含量无明显差异，但由于第二季凤仙花受白粉病侵害生物量锐减，富集重金属总量也有很大减少。与其他不同植物的研究有较大差异。

4 结语

1)凤仙花根对Cd的富集系数为3.36，地上部的富集系数为9.59，富集系数远大于1.00，说明Cd在凤仙花体中的积累效应很强，凤仙花果皮的富集能力远大于种子。

2)种植两季植物体内重金属及其他部位对各重金属富集浓度差异不大，重复种植两季植物，富集效果并未显著下降。

4)薄荷、月季和凤仙花根部重金属含量较高，因此，在收获时最好将植物根系一起拔除，统一妥善处理，达到降低土壤重金属含量，保护生态环境的目的。