桂溪河上游河段净水植物筛选和去污能力比较*

赵小红 傅 滟 郭 瑀 廖伟伶 封 丽 雷美艳#

(1.重庆市药物种植研究所,重庆 408435;2.重庆市生态环境科学研究院,重庆 400014)

随着工业废水、生活污水排放量日益增长,城市周围中小河流污染程度愈发严重。污染河流含重金属、有毒有机物以及氮、磷营养盐等[1],传统的物理、化学处理方法在解决水体富营养化和重金属污染问题时,由于成本高、耗时长、对环境有破坏性、效率低下[2]1,无法达到良好的修复效果[3]。植物修复技术具有环境友好、成本较低、可操作、长期适用等特点近年来逐渐受到关注[4-5]。该技术主要通过植物根系的吸收、运输功能,将污染物转移到植物体内[2]4,累积后随着植物的收获而被带离污染水体或土壤以达到修复目的。

城市内河是影响城市生活的重要因素,它对城市用水、小气候、绿化甚至城市文化与城市的格局都产生重要的影响[6]。近年来,城市内河面临污染加剧、生态系统破坏及自净能力退化等问题,需引起高度重视。桂溪河流经重庆市垫江区县城,是典型的城市内河。水质成为桂溪河流域生态提升的重要问题,植物修复技术不仅能有效提升水质,还能帮助改善河流生态系统,该技术的运用将成为桂溪河水质提升的重要尝试。而针对桂溪河流域的净水植物种类筛选和净水效果研究,是开展水体植物修复的重要基础。

前人研究表明,伊乐藻(Elodeacanadensis)具有较强的TN、TP去除能力[7];美人蕉(Cannaindica)、慈姑(Sagittariatrifolia)、菖蒲(Acoruscalamus)对氮的去除效果较好;泽泻(Alismaplantago-aquatica)、菰(Zizanialatifolia)对磷的去除具有优势[8]。水生植物也可用于重金属的吸收,尤其适用于低流速江河及湖泊等重金属污染水体修复[9]110,石菖蒲(Acorustatarinowii)、菖蒲对Cr、Pb、Cd具有较高的去除性能[10]。本研究依托重庆市垫江县桂溪河河段开展城市内河的植物修复技术研究,比较分析30种植物体内各元素含量和其对各重金属的富集能力,筛选出综合去污能力较强的植物,为进一步制定桂溪河水体植物修复方案奠定基础。

1 材料与方法

1.1 试验点

桂溪河属龙溪河一级支流,干流全长37.9 km,流域面积164 km2,多年平均流量2.62 m3/s,多年平均年径流总量8.3×107m3,河流平均坡度0.026%。试验点水质较差,水体富营养化严重,表现为化学需氧量23.06 mg/L、高锰酸盐指数5.95 mg/L、TP 0.53 mg/L、TN 8.11 mg/L,为中度富营养化水体[11]。历年观测统计显示桂溪河平均风速为1.2 m/s,最高风速出现在4月,达1.5 m/s,最低风速出现在11月,介于0.9～1.0 m/s;桂溪河水深0.2～1.5 m,流速0.1～0.2 m/s。

1.2 试验材料

试验材料信息见表1,材料由重庆市药物种植研究所提供,经长江师范学院杨利平教授鉴定。移栽前大多数植物幼苗高30～40 cm(再力花和旱伞草幼苗株高1.0～1.2 m),植株健壮、长势一致。

表1 供试植物信息1)Table 1 Information of plant materials

1.3 样品采集与分析

在试验区域河道和河岸带建立植物净水带,每种植物种植面积为20 m2(长20 m,宽1 m),种植密度根据实际情况而定。定期观察供试植物生长状况,记录存活率,于6个月后取样检测植物体内TN、TP、Cu、Zn、Pb、Cd、Hg、Cr、As含量,采集样品时采用五点法,每种植物采集5株样品,洗净后105 ℃杀青,65 ℃烘干至恒重,粉碎过筛。参照《植物中氮、磷、钾的测定》(NY/T 2017—2011)测定植物中TN、TP含量;参照《食品安全国家标准 食品中多元素的测定》(GB 5009.268—2016),采用硝酸消解—电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)法测定植物Zn、Pb、Cd、As、Hg、Cr、Cu含量。

1.4 数据处理

植物的综合去污能力参照陈平等[22]所用的隶属函数值(某指标测定值减去其最小值再除以极差)进行计算。植物对重金属的富集系数由植物体内重金属含量除以土壤中对应重金属含量计算得出。

2 结果与讨论

2.1 植物存活情况

由表2可知,不同植物在桂溪河试验点存活情况存在差异。大部分植物能较好地适应种植环境,水体植物中黑三棱、旱伞草、剑叶梭鱼草、再力花移栽之后存活率达到100%;河岸植物中艾草、黄菖蒲、美人蕉、金荞麦、藨草、皱叶酸模全部存活。大部分供试植物环境适应性良好,仅有部分植物如泽泻、麦冬、菰存活率较低,且河岸植物整体存活率高于水体植物,这与水体植物易受河流水深、温度、水体pH的影响,且易被水流冲击有关。

表2 供试植物在试验点存活率Table 2 Survival rate of plants %

2.2 植物体内TN和TP含量

由图1可知,TN含量位列前5的植物排名从高到低为艾草、伊乐藻、菹草、皱叶酸模、慈姑,TP含量位列前5的植物排名从高到低为伊乐藻、慈姑、泽泻、眼子菜、皱叶酸模。含TN最高的供试植物为艾草(45.39 g/kg),最低为薏苡(15.64 g/kg),最高值是最低值的2.90倍;含TP最高的供试植物为伊乐藻(8.84 g/kg),最低为黑三棱(1.50 g/kg),最高值是最低值的5.89倍。氮、磷综合吸收能力较强的供试植物有艾草、伊乐藻、菹草、皱叶酸模、慈姑、泽泻和眼子菜。结合表2发现,除泽泻外,氮、磷吸收能力较强的植物移栽后长势良好、存活率高。氮、磷的相互作用及其与环境的关系共同决定了植物的营养状况和长势,进而影响植物对土壤养分的吸收与富集[23],其中,氮素的吸收能促进光反应,有效增加叶片数量,增大叶面积,进而增大光合面积,增加光合产物;磷的吸收影响植物光合作用、生长以及生物量分配等过程[24]。

图1 植物体内TN和TP分布Fig.1 Distribution of TN and TP in plants

2.3 植物体内重金属含量

不同重金属在植物体内含量存在明显差异(见图2)。供试植物体内重金属含量整体表现为Zn>Cr>Cu>Pb>As>Cd>Hg,其中Zn平均值(28.108 mg/kg)是Hg平均值(0.028 mg/kg)的1 003.86倍。

图2 植物体内重金属分布Fig.2 Distribution of heavy metals in plants

同一重金属在不同植物体内含量存在差异。含Zn最高的供试植物为伊乐藻(83.36 mg/kg),最低为藨草(5.02 mg/kg),最高值是最低值的16.61倍;含Cr最高的供试植物为石菖蒲(40.38 mg/kg),最低为睡莲(2.31 mg/kg),最高值是最低值的17.48倍;含Cu最高的供试植物为艾草(17.06 mg/kg),最低为藨草(0.94 mg/kg),最高值是最低值的18.15倍;含Pb最高的供试植物为芡实(5.84 mg/kg),最低为藨草(0.31 mg/kg),最高值是最低值的18.84倍;含As最高的供试植物为伊乐藻(2.41 mg/kg),最低为藨草(0.06 mg/kg),最高值是最低值的40.17倍;含Cd最高的供试植物为黄菖蒲(0.539 mg/kg),最低为藨草(0.007 mg/kg),最高值是最低值的77.00倍;含Hg最高的供试植物为黑三棱(108.03 μg/kg),最低为藨草(1.17 μg/kg),最高值是最低值的92.33倍。

综合分析发现,对重金属吸收能力较强的植物排名从高到低依次为伊乐藻、菹草、菖蒲、皱叶酸模、艾草、美人蕉、荸荠、石菖蒲,其中伊乐藻、菹草、菖蒲、荸荠、石菖蒲种植于河流水体,而皱叶酸模、艾草、美人蕉种植于河岸带。植物可以利用根系对水体和土壤中的重金属进行吸收、转化和富集[9]107,有效降低重金属浓度,抑制其迁移性[25],作用方式主要有植物提取、植物挥发、植物稳定和植物过滤[26]。本试验在桂溪河上游种植重金属吸收能力较强的植物,通过植物根系吸收并转运水体和底泥中重金属污染物至地上部分,经过人工收割植物,降低水体和底泥中污染物浓度,反复种植、收割以达到修复目的[27]。植物对重金属吸收能力存在差异,吸收能力主要受植物种类、生物量、株龄、种植时间和重金属浓度等因素影响[9]109-111。重金属吸收能力排名前5的植物中,伊乐藻在低流速水体生长旺盛,根系发达,对多种重金属吸收能力突出;菹草、菖蒲、皱叶酸模和艾草均根系发达,环境适应性良好,对Zn吸收能力较强。根据水体重金属污染物的复杂性,可以选择多种植物混种,采用多种吸收能力相似的植物合理配置组合,发挥多种植物在吸收重金属方面的协同作用,有助于提高重金属污染水体的植物修复效率。

2.4 TN、TP及多元素含量的综合评价

为了比较全面地反映每种植物的综合去污能力,采用隶属函数法,通过与植物去污能力相关的9个指标(TN、TP、Cu、Zn、Pb、Cd、Hg、Cr、As含量)对30种植物去污能力进行综合评价,各植物的综合去污能力隶属函数值见表3。综合去污能力较强的供试植物为伊乐藻、菹草、艾草、皱叶酸模、美人蕉、黄菖蒲;而菱角、苦草、睡莲、再力花、藨草的综合去污能力较弱。

2.5 植物对重金属的富集系数

由图3可知,供试植物对不同重金属的富集能力整体表现为Cd>Zn>Cu>As>Cr>Hg>Pb。黄菖蒲、艾草、薏苡和皱叶酸模对Cd的富集系数大于1,分别为3.26、1.77、1.44和1.37,属于Cd富集型植物;供试植物对Zn、Cu、As、Cr、Hg、Pb的富集系数均小于1。供试植物中重金属富集能力较强的有黄菖蒲、艾草、皱叶酸模、薏苡、伊乐藻、菰、菹草、美人蕉、菖蒲。

图3 植物对重金属的富集系数Fig.3 Bioaccumulation factor of heavy metals for plants

2.6 相关性分析和聚类分析

由表4可知,植物体内各指标之间具有一定相关性。相关性靠前的指标关系为:TN和TP含量之间呈极显著正相关,皮尔逊相关系数(以下简称相关系数)达到0.76;Zn和Cu含量之间成极显著正相关,相关系数为0.74;As和Pb含量之间也存在极显著正相关,相关系数为0.68。指标之间的相关性分析有助于明确植物吸收特性,为净水植物种类筛选提供参考。

表4 植物体内指标间的相关性1)Table 4 Correlation analysis between indexes in plants

基于9种指标,采用Ward法对供试植物去污能力进行聚类,可将其划分为3个类群。第Ⅰ类群包含7种植物:伊乐藻、菹草、艾草、皱叶酸模、泽泻、眼子菜、慈姑,其去污能力相对较强;第Ⅱ类群包含9种中等去污能力植物:美人蕉、石菖蒲、芡实、菱角、香蒲、麦冬、金荞麦、梭鱼草和黑三棱;第Ⅲ类群包含14种植物:苦草、睡莲、藨草、旱伞草、金鱼藻、剑叶梭鱼草、水芹、轮叶黑藻、再力花、菖蒲、荸荠、菰、黄菖蒲和薏苡,去污能力相对较弱。

2.7 桂溪河上游流域净水植物种类筛选

综合分析发现:供试植物中伊乐藻、菹草、艾草、皱叶酸模、美人蕉等吸收能力较强,环境适应性良好,可用于植物修复。其中,伊乐藻TN、TP吸收能力较强[28],可以存活于富营养环境中,但伊乐藻适宜生长在0.07～0.11 m/s的低流速区域[29],桂溪河流速0.1～0.2 m/s,对伊乐藻产生“冲刷”效果,该植物不宜用于桂溪河流域水体修复,睡莲、芡实和菱角也存在相同问题。金荞麦、菖蒲、皱叶酸模和香蒲在当地广泛分布,移栽之后能快速适应环境,综合去污能力较强,可用于桂溪河上游水体修复。在制定桂溪河上游植物修复方案时,针对其水质情况,可以选择菹草、艾草、慈姑等吸收能力较强的植物作为先锋植物,后期选择香蒲、金荞麦、皱叶酸模等本地生长且吸收能力尚可的植物配置组合稳定水质。

3 结 论

(1) 移栽后大部分植物如艾草、黑三棱、黄菖蒲、藨草、皱叶酸模等快速适应环境、生长状况良好,少部分植物如泽泻、麦冬、菰存活率较低,筛选环境适应能力较强的植物有助于植物修复方案的实施。

(2) 植物体内重金属含量整体表现为Zn>Cr>Cu>Pb>As>Cd>Hg,重金属吸收能力位列前5的植物排名从高到低依次为伊乐藻、菹草、菖蒲、皱叶酸模、艾草。

(3) 植物对重金属富集系数整体表现为Cd>Zn>Cu>As>Cr>Hg>Pb。重金属综合富集能力较强的有黄菖蒲、艾草、皱叶酸模、薏苡、伊乐藻、菰、菹草、美人蕉;黄菖蒲、艾草、薏苡和皱叶酸模对Cd的富集系数均大于1,属于Cd富集型植物。

(4) 针对桂溪河水体富营养化特征推荐修复方案为:前期可以选择菹草、艾草、慈姑等吸收能力强的植物作为先锋植物,后期稳定水质可以选择香蒲、金荞麦、皱叶酸模等本地生长且吸收能力尚可的植物配置组合,以巩固前期修复成果。