锰污染土壤渗漏液与径流生态拦截净化系统的植物筛选

陈 星，文仕知，陈永华，郝 君，刘 凯，吴子剑

（中南林业科技大学，湖南 长沙 410004）

锰污染土壤渗漏液与径流生态拦截净化系统的植物筛选

陈 星，文仕知，陈永华，郝 君，刘 凯，吴子剑

（中南林业科技大学，湖南 长沙 410004）

为建立锰污染土壤渗漏液和径流收集处理系统，在湘潭锰矿废弃地开展了植物筛选试验。5个月植物生长的试验结果表明，香菇草成活率低，花叶芦竹、菖蒲生长量下降，而再力花、苎麻、紫叶美人蕉、芦苇、香蒲、夹竹桃、梭鱼草、水葱和德国鸢尾长势良好，其地上部分锰的含量多高于1 000 mg/kg，锌、铜、镉的含量也相对较高，锰含量地上组织与根部的比值大于1，可作为锰污染土壤渗滤液收集处理系统的备选植物。菖蒲的锰、锌、铜、镉和花叶芦竹的锌、铜、镉含量地上组织与根部的比值小于1，说明其转移和利用重金属的能力弱，重金属元素在根部积累而导致植物中毒。苎麻单株地上部分锰的吸收量高达217.8 mg，其次是再力花，紫叶美人蕉、芦苇，吸收量最低的是梭鱼草和水葱。

锰矿污染区；生态拦截；净化系统；土壤渗漏液；地表径流；植物筛选

重金属矿区的污染土壤既是采矿废水、废渣等污染物的受体，也是周边区域的污染源。由降水带来的土壤渗漏液和地表径流，尤其是暴雨时期产生的水土流失会导致污染的扩散，对矿区周边的土水生态环境带来危害。污染土壤中可溶性金属离子和化合物最终会进入水体，从而影响着更大区域的饮食与饮水安全。采用生物修复技术来修复重金属污染土壤，通常需要一个较为漫长的时期[1-2]，因此，在实现污染区生态修复的远期目标前，有必要采取适当的措施，建立土壤渗漏液和地表径流拦截处理系统，控制重金属元素污染的扩散，以保证矿区周边环境的生态安全。

项目组在湘潭锰矿污染区建立的土壤渗漏液与地表径流处理系统是一个组合人工湿地系统，其包含三个串联的潜流人工湿地单元，基于可渗透反应墙技术原理，每个潜流单元铺设有不同的反应介质作为基质填料，表层种植不同类型的湿地植物，通过填料和植物的物理、化学、生物化学等复合功能作用净化水质。在生态拦截系统中，湿地植物是核心要素[3]。实践中，不同重金属污染土壤类型要求选用具有不同功能的湿地植物种类与群落配置。本论文报道的是湘潭锰矿污染区土壤渗漏液与径流处理系统中植物筛选与应用的部分研究内容。

1 试验材料与方法

1.1 植物筛选的原则

基于拦截净化系统的功能需求，筛选的植物应具有以下一个以上的特点：

（1）具有较强的抗重金属污染的能力。筛选在重金属污染区种植的植物，必备条件是植物的存活和繁衍能力。不同污染区的土壤母质、水热条件及污染程度不同，要筛选出适合的植物必须因地制宜，先锋植物种类的筛选，应以本土植物种类为主，如选用适地生长的苎麻、芦苇等，有助于快速建立植被系统，恢复污染区景观。

（2）具有较强的富集重金属元素的能力或较大的生物量。在具有抗性的基础上，筛选的植物必须具有一定的重金属吸收富集能力，其不仅要求植物（尤其是地上部分）组织器官重金属元素的浓度高，还要求植物的生物量大。植物地上部分重金属元素的总富集量，指植物地上部分组织器官浓度与其干物质量的乘积，因此，当筛选的植物吸收富集锰元素的能力达不到文献中规定的富集植物的标准时[4]，可通过促进植物的生长来增加总富集量、达到增强筛选植物去锰能力的目的[2，5-8]。

（3）具有一定的美学价值。在上述基础上，筛选植物的景观价值也是一个重要的指标。矿山废弃地作为人为破坏的退化生态系统[9]，景观受到极大程度的损害，因此，可在拦截系统生物群落构建中配置一定数量的景观植物（例如紫叶美人蕉、夹竹桃等），增强修复植被的景观效果[10]。

（4）具有一定的经济价值。我国废弃矿区面积大、污染严重，大多数污染土壤不适宜农作物的生长，导致土地资源极大的浪费。本研究的目标之一是在用材、工业原料、园林景观、能源等植物类型中选育出既能适应污染土壤环境又具有经济效益的植物种类，这类植物的种植，即能避免重金属进入食物链，又可在污染土壤修复的同时带来一定的经济效益，从而在植被与景观修复的基础上，提高污染土壤的生态化利用效益。

(5) 具有适应干湿交替的生长环境。与用于矿山污染土壤修复植物筛选的侧重点不同，污染区生态拦截净化系统是土壤渗漏液和雨水收集处理系统，因此在系统生长的植物要求具有抗旱和耐湿的能力、能在干湿交替的环境中正常地生长发育。基于这一原因，生态拦截净化系统植物的筛选以湿地植物类型为主。由于生态拦截净化系统基质中除了铺设有一定比例的吸附填料外，还添加了一些用以通过氧化还原、络合、沉淀等反应钝化重金属元素的化学物质，系统基质中重金属元素含量和生物毒性会远低于污染土壤的水平，因此，拦截净化系统的植物筛选对植物抗性的要求可低于用以修复污染土壤的植物种类。

1.2 植物筛选试验样地

植物筛选试验设置在湘潭锰矿污染区生态拦截净化系统示范工程连接的自然湿地边缘地带。试验样地为一天然湿地，周围天然长成一片芦苇，并有野生苎麻等先锋植物。湿地周围的丘陵为废弃堆积30年的锰渣地。湿地水质分析结果见表

表1 锰矿区植物筛选种植试验湿地水质情况Table 1 Water quality condition of experiment site for selecting of plant species in constructed wetland in manganese mining area mg·L-1

1.3 供筛选植物种类

罗亚平等对桂北锰矿废弃地生长的主要植物类型、分布、丰富度和富集特性进行了较为系统的调查[11]，孙黎，余李新等[12]统计了湿地植物各科属对不同种类重金属的富集能力。上述研究为锰矿污染土壤抗性植物的筛选提供了基础资料。基于建立土壤渗漏液和污染土壤地表径流收集处理系统的需要，在查阅文献和实地考查的基础上[13]，本研究按照植物抗重金属污染特性、耐干、湿能力、地上部生物量、根系发达程度、适生范围、抗病虫害能力、种植与收获难易程度、经济与美学价值等原则，确定了13个供筛选植物种类(见表2)，其中包括了去锰能力较强的本土先锋植物芦苇和美学价值较高的紫叶美人蕉等。

表2 测试的植物种类Table 2 Tested plant species

1.4 植物种植和样本采集

筛选植物于2011年5月4日种植于试验湿地岸边，每种三株，呈一字排开，均匀挖穴种植以做适应性培养，5个月后，将植物小心连根拔起，不伤害根系的完整性。采集完后将植物运至试验室用小刷洗净，将地上地下部分从植株基部分开，放进烘箱以120 ℃杀青半小时，再调至80 ℃至恒重，获得植物干物质量。

1.5 测定分析项目与方法

（1）植物鲜重与根长的测定

称取种植前（2011年5月4日）试验植物（每种植物三株）的初重，种植5个月后，收获所有试验植物再次称重，取3株植物样本生长增量的平均值，计算生长率。植株根系生长用皮尺测量读数，取3株样本的平均值。

（2）植物重金属含量测定

将处理过后的植物样品称取2 g样品放入放入瓷坩埚中，用马沸炉，打开炉门调至300 ℃，加热约半小时至无烟，再关紧炉门，再将温度调制500 ℃、 2 h。之后冷却，加1∶1盐酸2 mL，溶解灰分，过滤于100 L容量瓶中，用去离子超纯水定容至标线。

用原子吸收仪测出各样品在溶液中的浓度(mg/L)，再换算出其在植物样品中的含量(mg/kg)。

式（1）中：M——每千克植物干样中的重金属含量；C——原子吸收仪测定的消解样品浓度；V——用于定容的容量瓶体积（换算成L为单位）；m——称取的样品重量（换算成kg为单位）。

2 结果与讨论

2.1 植物生长状况

筛选的植物种植五个月后，香菇草的叶片发黄呈现中毒症状，并逐渐死亡，说明这一植物的抗性差，不适应在锰污染水体生长。试验期间降雨导致湿地水位上升，试验植物被淹没一段时间，小叶女贞被淹死，说明这一植物耐湿能力很差，不适应在湿地环境中生长。因此，在后期的试验、分析和筛选中去除了香菇草和小叶女贞。

水生植物最初在栽种时已经剪去叶柄，灌木也剪掉了分枝和未木质化部分，经过五个多月的生长，观察中发现，德国鸢尾、香蒲、苎麻、夹竹桃、水葱、芦苇、长势最好，长出许多新叶和分枝；其次是梭鱼草、再力花与紫叶美人蕉，虽然也长出许多新叶，但也观察到部分叶面出现枯萎迹象；花叶芦竹和菖蒲生长状况较差，大多植株只剩下枯萎的叶柄，有些只剩下稀疏的枝干。试验植物的平均生长量、根长及其增长量百分比见表3。

表3 试验植物鲜重及根长变化Table 3 Fresh mass and root length of examined plant species

种植5个月后，花叶芦竹和菖蒲的鲜重分别下降了92%和86%（表3），说明花叶芦竹和菖蒲不适合作为锰污染土壤修复的植物种类。除了花叶芦竹和菖蒲以外，其它试验植物均在锰污染湿地中生长良好，尤其是再力花、苎麻、紫叶美人蕉和芦苇，其生物增量百分比分别为221%、180%、140%和139%。其它植物的生物量增长百分比低于100%，生物量鲜重百分比依次递减的顺序为香蒲、夹竹桃、梭鱼草、水葱和德国鸢尾。

生物增量百分比是增量与植物起始生物量的比值，其值得大小与植物起始生物量相关，因此，植物生物增长量百分数不能完全说明植物适应能力的差异。仅从具有抗性（或耐重金属毒性能力）的植物的用途或应用价值来说，给定时期不同植物的生长增量是比较植物可用性的重要依据之一。另外，不同植物种类之间的生长差异很大，因此，和植物生物增长量百分数一样，植物生物增长量也不能完全作为反映植物适应污染环境能力的指标，例如，许多富集性很强的植物生长量很小，但适应污染环境的能力很强。自图1a可看出，不同植物单株生物量（鲜重）增量的递减顺序为：

再力花＞芦苇＞紫叶美人蕉＞苎麻＞梭鱼草＞香蒲＞夹竹桃＞德国鸢尾＞水葱

其中，虽然芦苇和紫叶美人蕉的生物增长量百分数小于苎麻，但其在试验期间的生物增量显著大于苎麻（p＜0.001）。梭鱼草与香蒲和夹竹桃生物增长量百分数和生物增量的关系也一样。梭鱼草由于起始生物量大，生物增长量百分数相对小，但其绝对增量却远大于香蒲和夹竹桃的值（p＜0.001）。

图1 筛选植物生长与根长增量Fig. 1 Increment of growth and root length of examined plant species

值得说明的是，图1展示的生物增量的顺序仅仅反映测试植物在锰污染环境的生长能力，对选择用以迅速恢复污染区植被与景观的植物类型具有重要的参考价值。然而，图1给出的顺序不能代表测试植物去除重金属污染的能力，因为图1a所有的数据是测试植物单株的生长增量，而非单位面积的生物增量，单位面积的生物增量与植物种植密度相关，单株生物量大，不一定单位面积生物量大。其次，植物去除重金属污染的能力还与植物重金属元素含量相关，给定植物生长量，植物通过吸收去除重金属污染物的能力与植物重金属元素含量呈正相关。更值得提及的是，植物的去污能力不仅仅限于植物通过吸收直接去除的污染物量，植物的去污效应还包含了植物与基质填料、根际微生物以及其它共生或关联动植物的综合效应[14-19]。实践证明，植物的生长可改善基质环境，植物的特性与其根系分泌物质与基质微生物、系统中其它动植物的共生关系等方面的功能，在净化污染环境中发挥的作用，远远大于植物直接吸收去除污染物的贡献。因此，植物根系生长发育状况也是判别测试植物优劣的重要指标之一。

表3中的数据显示，所有测试植物中，香蒲的根长增长率最高，达到420%，其次是再力花、苎麻、水葱和芦苇，再其次是夹竹桃、德国鸢尾和紫叶美人蕉等。然而，如图1b所示，从根长增长的绝对值来说，测试植物的递减顺序为：

芦苇＞再力花＞香蒲＞苎麻＞水葱＞德国鸢尾＞夹竹桃＞梭鱼草＞紫叶美人蕉

其中，芦苇根增长的绝对值最大，香蒲的根增长也大于苎麻和梭鱼草，而生物增量最小的水葱的根增长仅次于苎麻，这些在一定程度上反应了相关植物根系对污染土壤的适应能力。试验结果表明，试验筛选的植物生物量和根系生长状况具有不同的特点，在实际应用中可根据植物配置的需要作为备选植物。由于表3给出的仅为一季植物试验平均单株生长的数据，要全面准确地评价备选植物的性能，还有必要在今后的研究中开展大面积种植的比较试验。

2.2 植物重金属含量与吸收量

植物重金属的富集能力是由植物重金属浓度和生物增长量所决定的，因此，植物体内重金属的含量是重金属污染矿区的植物筛选的一个重要的指标，植物体内重金属的含量也同时反映植物对重金属毒性的耐受能力。有学者认为，在治理重金属污染土壤中，植物修复技术中最重要、最有发展潜力的是植物萃取技术[20]，因此，分析与比较植物地上与地下部分重金属含量，可为鉴别植物的富集特性提供基础数据。筛选植物的Mn元素含量分析结果见表4。

表4 筛选植物重金属元素含量Table 4 Heavy metal contents of examined plant species

由表4可以看出，紫叶美人蕉、苎麻、再力花、香蒲四种植物的地上部分的锰含量都在4 000 mg/kg以上，梭鱼草接近4 000 mg/kg；其次是水葱、德国鸢尾、夹竹桃、花叶芦竹和芦苇，其地上部分锰含量介于1 000～4 000 mg/kg之间，属于居中水平；菖蒲地上部分Mn含量最低，仅为355.4 mg/kg，而其地下部分重金属含量却高达2 462.9 mg/kg，远高大于地上部分的值，说明菖蒲Mn元素转移能力很差，吸收的Mn主要积累在根部而导致中毒，这很有可能是菖蒲生长出现负增长的原因。参考表3的数据可看出，再力花、紫叶美人蕉、苎麻和香蒲四种植物不仅地上和地下部分的锰含量都很高，生物量与根长增量也大，说明这四种植物不仅能适应锰污染的环境，还具有较强的吸收Mn元素的能力。

在锰矿污染区，虽然植物吸收锰的性能是最重要的指标，但锰矿开采也同时会带来其它重金属元素的污染，因此，了解筛选植物其它重金属元素的含量状况具有一定的科学意义。自表4可看出，锰含量高的植物，其锌、铜、镉含量也较高。比较不同元素地上部分的状况，锌含量最高的是紫叶美人蕉和梭鱼草，最低的是夹竹桃和芦苇，铜含量最高的是香蒲和菖蒲，最低的是夹竹桃和水葱，镉含量最高的是水葱和再力花，最低的是梭鱼草和花叶芦竹。

值得提及的是，生长最差的菖蒲的锌、铜、镉的含量相对较高，而且根部锌、铜、镉的含量均大于地上部分的值。另一生长差的花叶芦竹的情况与菖蒲有相似性，其根部锌、铜、镉含量也高于地上部分的值。这种现象一定程度说明这两种植物转移和利用锌、铜、镉的能力很弱，重金属元素在植物根部积累而导致植物中毒的现象，是抗性差植物在重金属污染环境中表现出的一般规律。与菖蒲和花叶芦竹相比，其它生长状况好的植物这种趋势均不明显，不同植物地上部分与地下部分锌、铜、镉含量差异虽然有差别，但整体上地上部分与地下部分的差异较小。在植物萃取技术中，植物富集重金属的能力不仅仅由植物体内的浓度所决定，还与植物生长总量相关。植物去除土壤重金属元素的总量等于植物收获部分（通常是地上部分）的吸收总量，因此，单位面积里植物地上部分吸收重金属元素的总量是鉴别植物富集性能的一个关键性指标。

图2展示了试验植物地上部分不同元素的吸收总量的差异，总体上来说，在锰污染土壤培植的所有植物锰的吸收量要高于其它三个金属元素吸收量的数百至上千倍，其中尤其是苎麻、其单株地上部分锰的吸收量高达217.8 mg，说明其是极具潜力的去锰植物。筛选植物中锰元素吸收量最大的前三位除了苎麻，还有再力花，紫叶美人蕉和芦苇，锌元素吸收量最大的前三位是苎麻、芦苇和紫叶美人蕉，铜元素吸收量最大的前三位是苎麻、芦苇和香蒲，镉元素吸收量最大的是芦苇、苎麻和夹竹桃，所有检测的重金属元素中，吸收量最低的是梭鱼草和水葱。

苎麻、再力花、紫叶美人蕉和芦苇显然是测试植物中表现最好的植物种类，其生物量、不同重金属元素含量和吸收总量都排在前列。香蒲、夹竹桃和德国鸢尾三种植物的重金属元素吸收总量居中，因为干物质量小，梭鱼草和水葱地上部分重金属元素吸收量最低。

如前所述，图2展示植物之间的差异是基于一季试验单株植物吸收量的数据，然而，经管在试验过程中存在不可避免的误差，以致图2给出的结果不能完全真实地反映测试植物重金属吸收量的差异，但总体上，本次筛选植物的重金属元素吸收量分析结果，可为在不同重金属污染土壤治理中筛选植物的研究提供基础性的参考数据。

图2 植物地上部分重金属吸收总量Fig. 2 Total heavy metal uptake of above-ground tissues of examined plant species

3 结 论

（1）筛选植物在锰污染试验区种植5个月，香菇草呈现中毒症状，小叶女贞不适宜过湿环境后期死亡，花叶芦竹和菖蒲的生物量分别下降了92%和86%。花叶芦竹和菖蒲根部锌、铜、镉的含量及菖蒲根部的锰含量远高于地上部分的含量，说明其转移和利用重金属的能力弱，重金属元素在植物根部积累而导致植物中毒。

（2）苎麻、再力花、紫叶美人蕉、香蒲、德国鸢尾、夹竹桃、芦苇、梭鱼草和水葱在锰污染土壤中生长良好，其地上部分锰含量均大于1 000 mg/kg，锌、铜、镉的含量也较高。根据植物群落配置、景观效果和经济价值的需要,上述植物可在实际应用中作为备选植物。

（3）所有试验植物地上部分锰的吸收量要高于其锌、铜、镉吸收量的数百至上千倍，其中尤其是苎麻、其单株地上部分锰的吸收量高达217.8 mg，说明其是极具潜力的去锰植物。

（4）筛选植物中锰元素吸收量最大的前三位除了苎麻，还有再力花，紫叶美人蕉和芦苇，锌元素吸收量最大的前三位是苎麻、芦苇和紫叶美人蕉，铜元素吸收量最大的前三位是苎麻、芦苇和香蒲，镉元素吸收量最大的是芦苇、苎麻和夹竹桃，所有检测的重金属元素中，吸收量最低的是梭鱼草和水葱。

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Screening of plant species for establishing an retention and purif i cation ecosystem of soil inf i ltration water and surface runoff in manganese polluted area

CHEN Xing, WEN Shi-zhi, CHEN Yong-hua, HAO Jun, LIU Kai, WU Zi-jian
(Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

Screening of plant species were carried out for establishing an ecosystem for retention and purif i cation of soil inf i ltration water and surface runoff in Xiangtan manganese polluted area. The results obtained from a fi ve month plant growth period indicate that mushroom grass had a very low survival rate while Arundo donax var. versicolor and Acorus calamus Linn had a negative value in its biomass increment. In comparison, the other nine plant species, Thalia dealbata, Boehmeria, Canna warscewiezii A．Dietr, Phragmites australis, Typha orientalis Presl, Pontederia cordata, Nerium oleander, Pontederia cordata, Softstem bulrush and Iris germanica grew well in the manganese polluted sites. The manganese contents in shoots of the nine plant species were all more than 1000 mg/kg and their zinc, copper and cadmium contents were also relatively high, with the ratio of the metal content in above-ground tissues to that in roots being greater than 1. In contrast, the above-ground tissue to root ratio of zinc, copper, manganese and cadmium contents in A. calamus and that of zinc, copper, and cadmium contents in A. donax var versicolor were lower than 1, suggesting that the metal accumulation in roots due to weak heavy metal transfer abilities of these species had led to poisoning effects on the pant growth. The highest manganese uptake in above-ground tissues of Boehmeria reached 217.8 mg per plant. The next uptake value was given by T. dealbata, Boehmeria,followed in turn by C. warscewiezii, Dietr, P. australis, P. cordata and S. bulrush.

manganese polluted area; eco-retention; purif i cation system; soil inf i ltration water; surface runoff; plant screening

S718.57

A

1673-923X(2012)12-0097-07

2012-10-09

国家林业科技推广项目[2010-43]；国家十二五科技支撑项目(2012BAC09B03-4)；湖南省环境科学与工程重点学科与重点实验室基金

陈 星（1986-），女，湖南邵阳人，硕士研究生，主要从事环境生态学方面的研究；E-mail：niki_chen@163.com

文仕知（1963-），男，湖南衡阳人，教授，博导，主要从事生态学领域方面的研究；E-mail：wenshizhi@163.com

[本文编校：文凤鸣]