高寒干旱区观赏植物的重金属富集特征研究*

2017-10-11罗少辉盛海彦

环境污染与防治 2017年9期

关键词：景天红花向日葵

段杰罗少辉,2 盛海彦#

(1.青海大学农牧学院，青海西宁 810016；2.青海省雷电灾害防御中心，青海西宁 810001)

高寒干旱区观赏植物的重金属富集特征研究*

段杰1罗少辉1,2盛海彦1#

(1.青海大学农牧学院，青海西宁 810016；2.青海省雷电灾害防御中心，青海西宁 810001)

对适宜在青海高寒环境下生长的12种观赏植物进行了研究。结果表明：参试的12种观赏植物中，对镉和锌积累量较大的植物有红花(Carthamus)、荷兰菊(Asternovi-belgii)和3种向日葵(Helianthusannuus)。其中，多花向日葵对镉的净化率最高，为3.56%，其次是红花(3.47%)；对锌净化率最高的是红花，为0.66%，其次为多花向日葵(0.65%)。因此，红花与向日葵可作为绿化带种植首选的修复植物。

高寒干旱区观赏植物重金属富集

Abstract: 12 ornamental plant species historically grown well in the cold climate and high altitude environment were conducted in Qinghai Province. Results indicated thatCarthamus,Asternovi-belgiiand 3 kinds ofHelianthusannuusachieved higher purifying rate of cadmium and zinc than others,and the maximum purifying rate of cadmium was 3.56%,which was occurred in theHelianthusannuuswith many flowers,followed byCarthamus(3.47%). Furthermore,the highest purifying rate of zinc was 0.66%,which was observed inCarthamus,followed byHelianthusannuuswith many flowers (0.65%). As a consequence,CarthamusandHelianthusannuuswere considered as the preferred plant species for remediation in green belt.

Keywords: alpine arid areas; ornamental plant; heavy metal; enrichment

土壤是人类生存发展的基础，随着工业城市的发展，土壤污染问题日益严重。除了自然地质活动会造成土壤重金属污染外，各种工业废水、废气、化肥农药等人为因素也成为了土壤重金属污染的来源[1-2]。其中，镉、锌、铅和砷等重金属造成的土壤污染尤为突出，我国近1/5的耕地面积受到这些重金属的污染[3-6]。由于重金属污染的长期性和不可逆性，对土壤重金属污染的防治和修复显得尤为重要[7]。欧美国家很早展开了对重金属污染土壤的修复[8]，各种土壤重金属污染的方法也逐渐被发现，BROOKS等[9]提出了超富集植物的概念，植物修复的方法开始在我国逐渐发展起来。

植物修复主要有植物稳定、植物挥发和植物提取3种类型[10]。凤尾蕨属的蜈蚣草(PterisvittataL.)是世界上首次发现的砷超富集植物[11]。随着植物修复技术的发展，铅、锌、镉等超富集植物的文献报道随之出现[12-15]，但关于观赏性的重金属富集植物的研究目前报道较少。本研究针对青海气候寒冷、海拔高的环境特点，对适宜在青海生长的12种观赏植物进行了研究，以期为环境恶劣地区土壤重金属植物修复提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于36°32′2″N～36°35′39″N、101°30′42″E～101°32′25″E，海拔2 576～2 846 m，近30年年平均气温4.3～11.0 ℃，昼夜温差大，属于半干旱内陆高原气候；多年平均降水量364～582 mm，年积雪日数33.8 d，多年平均日照时数2 570 h。研究区属于青海重要的有色金属冶炼区，以铅、锌、铝等有色金属和镍、铟、金、银等贵重金属加工为主。

1.2 试验材料

1.2.1 供试土壤

供试土壤为研究区内客土和污染土，土壤类型为栗钙土，其理化性质见表1。

表1 田间试验土壤理化性质

1.2.2 供试植物

供试植物为3种向日葵(Helianthusannuus，包括多花向日葵、高向日葵、矮向日葵)、红花(Carthamus)、锦葵(MalvacathayensisM.G. Gilbert,Y. Tang & Dorr)、荷兰菊(Asternovi-belgii)、波斯菊(CosmosbipinnatusCav.)、三七景天(Phedimusaizoon(Linnaeus)’t Hart)、反曲景天(SedumrupestreL.)、德国景天(Sedumhyriduncv.Immergrunchett)、乡巴佬景天(Sedumspectabilecv.Mossback)、八宝景天(SedumspectabileBoreau)，其中5种景天幼苗由西宁市城南苗圃提供，红花种子由青海农林科学院提供，其余种子由西宁花卉市场购得。

1.3 试验设计

在研究区内设置2个小区，其规格为2 m×18 m，一小区铺设客土(对照)，另一小区铺设污染土。每一小区均匀分为12块，分别种植12种植物。5种景天的株行距均为15 cm×15 cm，3种向日葵和锦葵的株行距均为25 cm×15 cm，红花的株行距均为10 cm×15 cm，荷兰菊、波斯菊的株行距均为8 cm×10 cm。按正常管理除草、浇水。

待植株生长130 d后，分别对2个小区的植物进行随机采样，3种向日葵、5种景天及锦葵采集5株，荷兰菊、红花采集7株，波斯菊采集10株，采集时植物连根挖出，用自来水充分冲洗以去除粘附于植物样品上的泥土，沥干水分。采集的植物样品分割为地上部(茎、叶和花序)和地下部(根系)，分别测量这两部分的高度和鲜质量，在70 ℃下于烘箱中烘至恒质量。将烘干后的植物样品分别称重，再将地上部磨碎(茎、叶、花序混合在一起磨碎)并充分混合均匀，整个根系也磨碎并充分混合均匀备用。

1.4 样品处理

收获的土壤样品风干后，用玛瑙研钵研磨，过100目筛。

植物样品消解采用HNO3-H2O2微波消煮法；土壤样品消解采用HCl-HNO3-HClO4消煮法；植物、土壤消解液及浸提液中镉、锌的测定方法为火焰原子吸收分光光度法。

1.5 植物富集性评价方法

富集系数(BCF)依照文献[16]计算：

(1)

式中：D为地上部重金属质量浓度，mg/kg；T为土壤中重金属质量浓度，mg/kg。

转运系数(TF)依照文献[17]计算：

(2)

式中：G为地下部重金属质量浓度，mg/kg。

一般认为，超富集植物的富集系数和转运系数均大于1。

净化率(MER，%)指植物地上部富集的重金属与土壤中重金属的百分比，如式(3)所示：

(3)

式中：P为单位面积上植物地上部的重金属质量，mg/cm2；R为单位面积土壤中的重金属质量，mg/cm2。

2 结果与分析

2.1 观赏植物对重金属的积累性能

转运系数是超富集植物区别于普通植物对重金属积累的一个重要特征。将12种观赏植物地上部及地下部富集的锌和镉进行统计，结果见表2。由表2可见，12种观赏植物的锌、镉转运系数均大于1，说明其从地下部向地上部运输锌、镉的能力很强，具备了重金属超富集植物的基本特征。其中，矮向日葵、乡巴佬景天、八宝景天、红花对锌的转运能力较强，其转运系数大于3，锦葵、德国景天、矮向日葵、乡巴佬景天、八宝景天的镉转运系数大于3。

12种观赏植物中，锌富集系数大于1的有波斯菊、高向日葵、多花向日葵、荷兰菊、矮向日葵，其富集系数依次为1.01、1.16、1.35、1.36、1.66。除反曲景天外，其余11种观赏植物的镉富集系数均大于1，其中镉富集系数大于2的有乡巴佬景天、红花、八宝景天、高向日葵、荷兰菊、波斯菊、多花向日葵、矮向日葵，其富集系数依次为2.28、2.39、2.91、3.50、3.53、3.66、4.22、4.29。

表2 观赏植物的锌、镉质量浓度及积累特征

表3 观赏植物生物量及其锌镉吸收量

表4 观赏植物的锌、镉积累量及净化率

注：1)锌、镉积累量分别以单位面积上所种观赏植物的整株锌、镉吸收量总和计。

2.2 植物对重金属吸收性能

能用于重金属污染土壤修复的植物不仅要具备转运系数和富集系数高的特点，其生物量也是重要的影响因素。只有植物生物量高，积累的重金属浓度大，植物收获后从土壤中提取的重金属多，才能有较好的净化作用。表3统计了12种观赏植物的生物量及锌、镉吸收量。从表3可以看出，相比其他7种观赏植物，5种景天的地下生物量占其总生物量的比例较高，达到40%～55%。这是由于景天为多年生植物，肉质根发达，储存的干物质多。对于锌吸收量较高的是3种向日葵、锦葵、红花和八宝景天，其中多花向日葵的整株锌吸收量(地上部与地下部锌吸收量的加和)达到22.93 mg/株。整株镉吸收量较高是多花向日葵、高向日葵、矮向日葵、八宝景天、红花，其中多花向日葵的整株镉吸收量达954.1 μg/株。

2.3 观赏植物对污染土壤的修复效果

12种观赏植物的镉、锌净化率见表4。由表4可见，镉和锌积累量较大的5种观赏植物是多花向日葵、红花、高向日葵、荷兰菊、矮向日葵，其镉净化率分别为3.56%、3.47%、2.69%、2.29%、2.12%，锌净化率分别为0.65%、0.66%、0.50%、0.52%、0.49%。12种观赏植物的锌净化率低于镉净化率，一方面是由于锌污染程度低于镉(锌含量符合《土壤环境质量标准》(GB 15618—1995)三级标准，镉含量远超过GB 15618—1995三级标准)，另一方面是由于12种观赏植物对锌的富集能力大体上弱于镉(见表2)。

3 讨论

本研究主要针对研究区镉和锌污染土，筛选适宜园区绿化观赏的超富集植物。在植物选择上兼顾观赏性、种源以及对镉、锌的富集能力。杨肖娥等[18]研究表明，东南景天(SedumalfrediiH)是锌超富集植物，据此，本研究选择了适宜在研究区种植的5种景天。此外，选择了向日葵等6种生物量大的植物。同时选择了适合在庭院广泛种植的锦葵作为试验材料。

12种观赏植物中，多花向日葵的镉净化率最高，达到3.56%，其次是红花(3.47%)。对锌净化率最高的是红花，为0.66%，其次为多花向日葵(0.65%)。红花为栽培植物，且在青海广泛种植，其抗病性强，可与向日葵作为绿化带种植首选的修复植物。八宝景天对镉、锌的净化率分别为1.87%、0.31%，与超富集植物印度芥菜(Brassicajuncea)对镉的净化能力相当。景天为多年生植物，在污染区种植，每年秋后将地上部分收割集中处置，以后不需再种植，可降低成本。12种观赏植物的镉、锌富集能力虽未完全达到超富集植物的标准，但是利用其对镉、锌污染土壤进行修复仍有特殊的意义。结合当地气候条件考虑，多花向日葵、高向日葵、矮向日葵、红花和八宝景天均可作为土壤镉、锌污染修复植物进行种植，其中多花向日葵修复效果最好；红花可与向日葵作为绿化带种植首选的修复植物；景天作为多年生植物，具有重金属修复成本低的特点。

重金属污染土壤植物修复后的生物量处理问题始终是植物修复中的难点，常用的方法是将生物量灰化，并将灰分填埋。也可以考虑先将生物量贮存于金属矿区尾矿库中，待技术成熟时再将尾矿库中的重金属加以回收。

4 结论

(1) 12种观赏植物中对镉净化率最高的为多花向日葵，净化率为3.56%，其次为红花，净化率为3.47%；对锌净化率最高的是红花，为0.66%，其次为多花向日葵，净化率为0.65%。

(2) 12种观赏植物对镉的净化率整体高于对锌的净化率。

(3) 多花向日葵、高向日葵、矮向日葵、红花和八宝景天均可作为土壤镉、锌污染修复植物进行种植，其中多花向日葵修复效果最好；红花可与向日葵作为绿化带种植首选的修复植物；景天作为多年生植物，具有重金属修复成本低的特点。

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Studyontheaccumulationcharacteristicsofheavymetalinornamentalplantspeciesinalpinearidareas

DUANJie1,LUOShaohui1,2,SHENGHaiyan1.

(1.CollegeofAgricultureandAnimalHusbandry,QinghaiUniversity,XiningQinghai810016;2.QinghaiThunderResistCenter,XiningQinghai810001)

段杰，女，1992年生，硕士研究生，研究方向为生态环境工程。#

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