不同土地利用方式下节节草（Hippochaete ramosissimum）对镉、铜、锌的吸附作用

2017-09-28李乐乐唐蛟任秀娟王菲吴大付

河南科技学院学报(自然科学版) 2017年4期

关键词：土地利用草地重金属

李乐乐,唐蛟,任秀娟,王菲,吴大付

（河南科技学院资源与环境学院,河南新乡453003）

不同土地利用方式下节节草（Hippochaete ramosissimum）对镉、铜、锌的吸附作用

李乐乐,唐蛟,任秀娟,王菲,吴大付

（河南科技学院资源与环境学院,河南新乡453003）

为研究不同土地利用方式对节节草吸附重金属的影响,利用野外调查与室内分析相结合的方法,通过9种土地利用方式下的土壤样品和节节草植株的采集,利用微波消解和ICP-MS技术进行重金属元素Cr、Cu、Zn含量的测定.结果表明：不同土地利用方式下土壤中重金属含量均表现为Cr＞Cu＞Zn,其中垃圾堆中节节草对Cr的富集系数最大,为3.65,对Cu、Zn的富集系数均小于1.桃树林中节节草对Cr、Cu、Zn的转运系数均表现为最大值,分别为1.32、1.24和2.20.通过富集系数和转运系数分析,可知节节草对于重金属具有较好的吸附作用,可以作为重金属污染修复的超富集植物.

节节草；重金属；富集系数；转运系数

Abstract:To study the impacts of Hippochaete ramosissimum on heavy metal absorption,soil and plant samples were collected in different land use patterns and the determination of cadmium,copper,lead and zinc was measured by microwave digestion and ICP-MS technology.The results showed that the amounts of heavy metals in soil was made Cr＞Cu＞Zn in all different land use types,and the maximum accumulation coefficient of H.ramosissimum on appeared cadmium among the rubbish,which could reach 3.65,while copper and zinc enrichment coefficients were less than 1.The transshipment coefficients for chrome,copper and zinc were highest in the paech grove,which was 1.32,1.24 and 2.20 respectively.Our findings showed that the H.ramosissimum had a positive impacted on heavy metal absorption and could be categorized as hyperaccumulator in the process of phytoremediation.

Key words:Hippochaete ramosissimum；heavy metal；enrichment coefficient；transfer coefficient

土壤重金属污染主要是由于人类活动将重金属带入土壤生态系统中,从而导致土壤中重金属含量明显高于其自然背景值,造成土壤生态破坏和环境质量恶化的过程.随着全球工业化程度的不断提高,重金属污染物通过工业采矿、工厂废气、汽车尾气、生活污水和工业废水排放等途径进入环境中,引起大气、土壤、水体的污染[1].我国是世界上受重金属污染最严重的国家和地区之一,大中城市每年由于生产、生活排放污水达600亿t,同时城市化进程造成大气中重金属含量超标,成为城市经济发展的制约因素.在广大农村地区,被重金属污染的耕地面积占全国总耕地面积的六分之一,全国目前约有1.3×104hm2耕地受到Cd的污染,约有3.2×104hm2的耕地受到Hg的污染,严重威胁人类的生命健康和食品安全[2].

土壤重金属污染是当今世界面临的一个严峻的问题,对于重金属污染土壤的修复技术研究和应用日益受到各国专家和学者的重视.目前重金属污染土壤修复主要采用物理化学方法和生物修复方法.物理化学方法存在一定的技术难度,要求条件较为严苛,费用较高,因此难以普及,对污染面积较大的土壤更是难以应用[3-4].生物修复方法包括植物修复和微生物修复等.相对于微生物修复方法而言,利用植物进行重金属污染修复是一种简单易操作,有效而又廉价的修复方法,它主要利用植物能忍耐或超积累某种或某些重金属元素的特性,通过植物萃取、植物固定、植物挥发、根系过滤等过程,吸收土壤、水体或大气中的一种或多种重金属,并将其转移储存在植物的地上部分,通过收割植物地上部分进行集中处理,使得环境中的重金属含量降低至可接受的水平[5-7].目前,对于植物修复重金属污染土壤的研究多集中在超积累植物的筛选上,但已筛选的超积累植物的生物量普遍偏低,对重金属的积累量有限,再加上其生长缓慢等原因,难以达到快速进行重金属污染土壤修复的目的.

本研究以常见的一年生草本节节草（Hippochaete ramosissimum）为研究对象,研究其在不同土地利用方式下对Cr、Cu和Zn 3种重金属的吸附特点,探讨节节草能否作为土壤重金属污染治理与修复的重金属富集植物,以期为我国土壤重金属污染治理与修复提供理论支持和技术支撑.

1 材料与方法

1.1 样品的采集与制备

2015年7月中旬分别在河南省新乡市区9个不同土地利用类型的样地内采集土壤样品和节节草植物样本.9种土地利用方式分别为垃圾堆（S1）、棉花地（S2）、杨树林（S3）、河边绿化带（S4）、桃树林（S5）、荒地（S6）、槐树林（S7）、路边绿化带（S8）和柳树林（S9）.

利用木质铲采集表层（0—15 cm）的土壤1 kg左右.采样时按照一定的路线随机取点,避免主观误差.将采集的土壤样品带回实验室,自然风干,去除植物根系,用木棍碾碎后过20目尼龙筛,制成1 mm土样.同时取部分1 mm土样过100目尼龙筛,制成少量0.15 mm土样.

植物样品采集与土壤样品采集同步进行.将采集到的植株分别用自来水和蒸馏水冲洗,然后用去离子水冲洗吸附在植物上的泥土和污物,将植物样品分为地下部分（根系）和地上部分（茎、叶和花序）,分别放入牛皮纸袋中标记样品名称,在烘箱中105℃烘0.5 h杀青,然后在70℃下烘干至恒质量,烘干后的植物样品分别称其质量,最后将各部分植株用粉碎机磨碎并充分混合均匀装袋.

1.2 样品的处理与测试

将一定质量的土壤、植物根系与地上部分各9个样品依次标号1—27,同时设置一个28号作为空白样品.将1—9号土样放置于微波消解仪內罐,加入10 mL硝酸、1 mL氢氟酸处理；将10—27号植物样品放置于微波消解仪内罐,加入10 mL硝酸处理；空白样品28号仅加入10 mL硝酸.各样品在预处理仪上进行60 min高温预处理后装入微波消解仪,设置多个阶段的消解压力、温度和时间,进行样品消解处理.消解完成后立即进行赶酸处理和定容,最后利用电感耦合等离子体质谱ICP-MS进行样品消煮液中Cr、Cu和Zn含量的测定.

1.3 数据统计与分析

本试验涉及富集系数和转运系数2个土壤指标,计算公式如下：

式（1）中：A为植物地上部分重金属含量；S为土壤中重金属含量.

式（2）中：S为植株地上部分重金属含量；R为地下部分重金属含量.

所有数据均采用Excel 2010和Origin 9.0软件进行统计分析和作图.

2 结果与分析

2.1 不同土地利用方式对土壤重金属含量的影响

9种土地利用方式下土壤中Cr、Cu和Zn的含量见图1.

由图1可知,9种土地利用方式下土壤中Cr、Cu和Zn的含量具有一定差异.Cr、Cu、Zn的含量范围分别为70.6～198.5 mg/kg、11.5～26.8 mg/kg、7.51～22.2 mg/kg,均低于土壤重金属污染的标准值.

2.2 不同土地利用方式对节节草植株重金属含量的影响

2.2.1 不同土地利用方式下节节草体内的Cr含量9种土地利用方式下节节草地上与地下部分的Cr含量见图2.

图2 不同土地利用方式下节节草地上与地下部分的Cr含量Fig.2 The Cr level ofaboveground parts and root ofHippochaete ramosissimumunder different land use patterns

由图2可知,不同土地利用方式对节节草植株地上部分和地下部分的Cr含量具有一定的影响.不同土地利用方式下节节草地上部分的Cr含量范围为17.9～106.6 mg/kg,其中在桃树林（S5）中节节草地上部分的Cr含量最高,而棉花地（S2）内含量最低；对于节节草植株地下部分来说,其Cr范围为45.7～433.7 mg/kg,其中河边绿化带（S4）中节节草根系的Cr含量最高,而垃圾堆（S1）上的节节草根系Cr含量最低.

2.2.2 不同土地利用方式下节节草体内的Cu含量9种土地利用方式节节草地上与地下部分的Cu含量见图3.

图3 不同土地利用方式节节草地上与地下部分的Cu含量Fig.3 The Cu level ofaboveground parts and root ofHippochaete ramosissimum under different land use patterns

由图3可知,不同土地利用方式下节节草地上和地下部分的Cu含量有较大差异.不同土地利用方式下节节草地上部分的Cu含量范围为9.6～23.6 mg/kg,其中河边绿化带（S4）内的节节草地上部分Cu含量最高,而荒地（S6）上的节节草地上部分Cu含量最低；而节节草地下部分的Cu含量显著高于地上部分,达到4 193.0～13 747.5 mg/kg,其中在杨树林（S3）中Cu含量最高,垃圾堆（S1）上节节草根系中的Cu含量最低.

2.2.3 不同土地利用方式下节节草体内的Zn含量9种土地利用方式节节草地上与地下部分的Zn含量见图4.

图4 不同土地利用方式下节节草地上与地下部分的Zn含量Fig.4 The Zn level ofaboveground parts and root ofHippochaete ramosissimum under different land use patterns

由图4可知,不同土地利用方式对节节草地上和地下部分的Zn含量具有一定的影响.不同土地利用方式下节节草地上部分的Zn含量范围为21.4～131.3 mg/kg,在杨树林（S3）样地内节节草地上部分的Zn含量最高,荒地（S6）内节节草地上部分的Zn含量最低；节节草地下部分的Zn含量范围为1 977.7～6 258.5 mg/kg,其中垃圾堆（S1）上节节草根系的Zn含量最高,柳树林（S9）中的节节草地上部分的Zn含量最低.

2.3 不同土地利用方式下节节草的富集系数

9种土地利用方式下节节草体内重金属的富集系数见表1.

表1 不同土地利用方式下节节草对Cr、Cu、Zn的富集系数Tab.1 The concentration factor ofCr,Cu and Zn ofHippochaete ramosissimum under different land use patterns

由表1可知,在垃圾堆（S1）和柳树林（S9）内节节草体内Cr富集系数分别为3.65和1.15,其余各处理富集系数均小于1；Cu和Zn在各种土地利用方式下的富集系数都小于1.

2.4 不同土地利用方式下节节草的转运系数

9种土地利用方式下节节草体内重金属的转运系数见表2.

表2 不同土地利用方式下节节草对Cr、Cu、Zn的转运系数Tab.2 The transfer coefficient ofCr,Cu and Zn ofHippochaete ramosissimum under different land use patterns

由表2可知,在杨树林（S3）和桃树林（S5）中节节草体内Cr的转运系数大于1,其他各处理转运系数均小于1；Cu仅在棉花地（S2）和桃树林（S5）内的转运系数大于1；Zn在杨树林（S3）、河边绿化带（S4）、桃树林（S5）和柳树林（S8）内的转运系数大于1.

3 讨论与结论

3.1 讨论

3.1.1 不同土地利用方式对土壤中重金属含量的影响不同土地利用方式下节节草中重金属含量为Cr＞Cu＞Zn,说明9种土地利用方式下节节草对Cr的吸收明显高于其他两种重金属.在不同的土地利用方式中,荒地的Cr含量相对最高,说明荒地的重金属污染可能来源于之前人类的生产活动.同时,河边绿化带土壤中Cu含量也较多.土壤中Cu过量会妨碍植物对二价铁的吸收和运转,造成植物缺铁症状发生[8]；Cu过量还会引起血红蛋白变性,损伤细胞膜,抑制一些酶的活性,从而影响植物机体的正常代谢[9].

3.1.2 不同土地利用方式对节节草植物体内重金属富集的影响不同土地利用方式下节节草对不同重金属的吸收能力不同,它取决于植物对重金属的选择性吸收作用和重金属在植物体内的运移过程.植物不同器官对重金属的吸收作用也存在一定差异.一般情况下,重金属在植物根系的积累能力高于其地上部分,这是植物对外界环境胁迫的一种适应性,将有害离子积累于植物根部,降低或阻止其对光合作用及新陈代谢作用的损害.节节草地下部分重金属含量明显高于其地上部分,可能是由于人类施肥不当或者随意排放生产、生活垃圾引起Cu和Zn污染,植物通过吸收作用将重金属元素在地下部分富集.而当植物对某种重金属表现出富集特征时,该重金属在植株地上部分的含量反而高于其地下部分.除垃圾堆外,各处理中植物地上部分的Cr含量明显低于地下部分重金属含量,说明Cr很有可能是通过大气沉降和呼吸作用进入节节草体内的.

3.1.3 不同土地利用方式下节节草的富集系数富集系数是衡量植物重金属积累能力的一个重要指标,它是指植物体内重金属含量与土壤中该种重金属含量的比值.富集系数越大,说明植物对这种重金属的富集能力越强.尤其是植物地上部分富集系数越大,越利于植物对重金属的提取修复[10-12].在不同的土地利用方式中,只有Cr在垃圾堆和柳树林的富集系数大于1,在其余7种不同的土地利用方式中富集系数均小于1.说明节节草在垃圾堆和柳树林有可能作为重金属富集植物对Cr污染的土壤进行植物修复.Cu和Zn在不同的土地利用方式下富集系数均小于1,说明节节草对Cu和Zn的富集能力较弱.

3.1.4 不同土地利用方式下节节草的转运系数转运系数是指植物体内地上部分的重金属含量与植物地下部分重金属含量的比值.转运系数越大,说明重金属在植物体内地上部分的分布越多.植物修复重金属污染的方法大多是通过收集超富集植物的地上部分集中处理,所以转运系数大于1也是超富集植物的一个重要特征[13-16].在杨树林和桃树林中Cr、Cu和Zn的转运系数均大于1,说明在杨树林和桃树林节节草对于3种重金属的转运能力最强.

3.2 结论

由于节节草在垃圾堆和柳树林Cr的富集系数大于1,可以作为重金属富集植物对Cr污染的土壤进行生物方法的重金属污染修复.同时节节草在杨树林和桃树林内3种重金属转运系数都大于1,说明节节草可以在杨树林和桃树林里作为一种修复重金属污染的植物.通过在杨树林和桃树林人工种植节节草,可以减轻土壤中Cr、Cu和Zn的含量,最终达到土壤重金属污染修复的目的.

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