水分调控下4种水生植物对重金属的吸附与富集作用

方飞 浦晨霞 武帅 周丽佳 郑晓情 费禹凡 屠旖旎

摘要 [目的] 研究水生植物对土壤重金属的吸附与富集能力。[方法]选用美人蕉、黄花鸢尾、旱伞草、再力花4种湿地植物进行盆栽试验，比较其对土壤中4种重金属Cu、Zn、Pb、Cd的富集特性，分析4种水生植物体内重金属的富集与迁移特征，研究4种水生植物地上部分和地下部分重金属的动态分布，评价其对土壤中重金属的综合去除能力。[结果]干湿交替处理不仅降低了植物的迁移系数也改变了重金属的富集能力；干湿交替处理促进了美人蕉、黄花鸢尾、再力花对Cu、Zn、Pb、Cd的富集，抑制了旱伞草对4种重金属的富集；水淹处理4种水生植物对重金属的迁移系数明显高于干湿交替处理。[结论]对于Cu、Zn、Pb、Cd污染的土壤利用美人蕉、黄花鸢尾和再力花进行修复时适合水淹种植，利用旱伞草进行修复时水淹和干湿交替均可。

关键词 干湿交替；水生植物；富集系数

中图分类号 X173 文献标识码

A 文章编号 0517-6611（2018）14-0078-04

Adsorption and Enrichment Effect of Heavy Metals by Four Aquatic Plants under Water Regulation

FANG Fei，PU Chenxia，WU Shuai et al

（ School of Environmental & Resources Science，Zhejiang A&F University，Hangzhou，Zhejiang 311300 ）

Abstract [Objective]To study the adsorption and enrichment of heavy metals in soil by aquatic plants.[Method]Four wetland plants，Canna indica，Iris wilsonii，Cyperus alternifolius，Thalia dealbata，were selected for pot experiment.The enrichment characteristics of four heavy metals，such as Cu，Zn，Pb and Cd in soil，were compared.The enrichment and migration of heavy metals in four aquatic plants were analyzed.The dynamic distribution of heavy metals in the aerial parts and underground parts of four aquatic plants was studied，and its comprehensive removal of heavy metals in the soil was evaluated .[Result]Dry and wet alternation not only reduced the plant's transfer coefficient but also changed the metal's ability to enrich.Dry and wet alternation promoted the enrichment of four heavy metals，Cu，Zn，Pb and Cd，and inhibited the enrichment of four heavy metals by Canna indica，Iris wilsonii，Thalia dealbata；The accumulation of Cyperus alternifolius for four heavy metals was inhibited by dry and wet alternation .The migration coefficient of four aquatic plants to the heavy metals in the flooded treatment was significantly higher than that in the dry and wet alternating treatment.[Conclusion]Submerged plants were beneficial to the remediation of Cu，Zn，Pb and Cd contaminated soil for Canna indica，Iris wilsonii and Thalia dealbata.Dry and wet alternate planting and flooding were beneficial to the repair for Cyperus alternifolius.

Key words Dry and wet alternation；Aquatic plants；Enrichment coefficient

隨着工业化和城市化进程的加快，土壤和水体的重金属污染问题日益严重，含重金属的外来污染物能通过多种途径进入水体和土壤，包括大气中重金属沉降、金属冶炼、农业生产等[1-2]。由于重金属不能自然降解或生物降解，往往能长时间存在于水体和土壤中[3-5]。而水体和土壤中的重金属又能通过食物链进入人体并危害人体健康[5-7]。因此，治理重金属污染已成为我国环境治理的核心问题之一。传统的治理方法因其投资大，成本高，易造成二次污染[8]。水生植物修复重金属污染因其成本低、操作简单、不造成二次污染、具有景观性等优点而被广泛关注[9-10]。

水生植物在处理重金属废水和重金属土壤污染方面已有较多研究[11-15]。研究表明，大多数重金属元素可以被水生植物吸收和积累。目前，国内外对水生植物地下部分吸附重金属和重金属的迁移研究较多，但在干湿交替调控条件下，关于水生植物地下部分对重金属的吸附和迁移的研究较少。干湿交替是水稻种植过程中最常规的管理方式[16]。笔者以干湿交替为基础，利用美人蕉（Canna indica）、黄花鸢尾（Iris wilsonii）、旱伞草（Cyperus alternifolius）、再力花（Thalia dealbata）4种水生植物进行大棚盆栽试验，分析4种水生植物地下部分对4种重金属Cu、Zn、Pb、Cd的富集系数和迁移系数，以期为水生植物修复重金属污染土壤提供理论依据，同时为生态修复工程筛选植物提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料 供试土壤：采自浙江省富阳市环山乡诸佳坞村（119°93′66″ E，29°95′00″ N）锌镉复合污染 土壤，采集0～20 cm表层土壤，风干后混匀、磨碎、过2 mm尼龙筛备用。

供试植物：选自浙江乌镇市河（120°28′55″ E，30°45′16″ N），挑选大小一致、生长健壮的美人蕉、黄花鸢尾、旱伞草、再力花。试验开始前将部分植物和土壤带回实验室用于重金属的测定。另一部分长势一致的幼苗栽植于装有土壤的塑料箱中（70 cm×55 cm×45 cm），土壤高度为20 cm。

1.2 试验设计 试验设对照组（CK，水层高于土壤层4 cm）和处理组（TCK，干湿交替12 d一个周期处理），每箱种植6株，各设3个重复（每个桶土壤约为100 kg）。试验期间，用自来水浇灌供试植物，各组植物长势良好。试验从2016年7月1日开始至10月1日结束。

1.3 样品采集与处理 试验结束后采集整株植物，将植物样品先用自来水冲洗干净，再用去离子水冲洗3遍，然后用剪刀将植物分为地下和地上2部分，置于烘箱中105 ℃杀青30 min后，降至80 ℃烘干至恒重。将烘干后的植物磨碎后置于自封袋中备用。

试验结束后采集每个桶植物根系附近的土壤，将土壤自然风干，磨碎后过100目筛置于自封袋中备用。

1.4 测定项目与方法 土壤样品：称取0.2 g 过100目的土壤样品于消解管中，分别加入8 mL王水和2 mL高氯酸 ，充分摇匀，在消解仪上进行程序加热消解，消解至土壤残留物发白和溶液近干，冷却后加入10 mL 5%的硝酸，再在消解仪上70 ℃加热1 h，冷却后移入50 mL离心管，定容摇匀后过滤上ICP分析测定。每批处理均与标准物质做回收率试验，并以混酸溶液做空白试验。

植物样品：称取磨碎（1 mm）烘干的植物样品0.3 g于试管中，加优级纯浓HNO3 5 mL，加小漏斗（过夜）140～150 ℃消煮至仅少量（1 mL）为止，过滤待测液，用1%优级纯HNO3定容至25 mL。

测定过程中采用的土壤和植物标准物质（GBW07447和GBW10012），由中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所购买，并进行质量控制，标准样品测定结果在允许误差范围（83.5%～115.9%）内。

1.5 数据处理 试验数据采用SPSS 20.0进行统计与分析，采用Origin9.0进行绘图。

2 结果与分析

2.1 4种水生植物富集系数特征

2.1.1 水淹处理4种水生植物富集系数特征。由表1可知，4种湿地植物地上部分对Cu的富集系数以美人蕉最大（0.15）；而地下部分对Cu的富集系数以旱伞草最大（2.09）。4种湿地植物对Zn的富集系数均小于1，地上部分以再力花最大（0.20），地下部分以旱伞草最大（0.83）。4种湿地植物地上部分对Pb的富集系数均较小（0.01～0.08），而地下部分对Pb的富集系数以旱伞草最大（1.81），其余3种植物地下部分对Pb的富集系数均小于1。4种湿地植物地上部分对Cd的富集系数以美人蕉最大（1.21），其余3种植物对Cd的富集系数均小于1。4种湿地植物地下部分对Cd的富集系数除黄花鸢尾小于1（0.19）外，其余3种植物对Cd的富集系数均大于1，其中再力花最大为3.14。在水淹处理中，4种湿地植物对Cu、Zn、Pb、Cd的富集系数均表现为地下部分大于地上部分。

2.1.2 干湿交替处理4种水生植物富集系数特征。由表2可知，4种湿地植物地上部分对Cu的富集系数以再力花最大（0.49）；而地下部分以旱伞草最大（1.18）。4种湿地植物地上部分对Zn的富集系數以再力花最大，为4.86。地下部分以再力花最大（1.57），其他富集系数均大于1。4种湿地植物地上部分对Pb的富集系数均小于1，以再力花最大，为0.20。而地下部分以再力花最大（1.00），其余4种植物地下部分对Pb的富集系数均小于1。4种湿地植物地上部分对Cd的富集系数以美人蕉最大（4.77），再力花次之（1.64），其余2种植物对Cd的富集系数均小于1。4种湿地植物地下部分对Cd的富集系数均大于1，其中以美人蕉最大（4.15），黄花鸢尾最小，为1.00。在干湿交替处理中，4种湿地植物中美人蕉对Cd的富集系数表现为地下部分大于地上部分，其余富集系数均表现为地下部分小于地上部分。

与水淹处理相比，干湿交替处理对美人蕉、黄花鸢尾、再力花地下部分吸收重金属具有促进作用。美人蕉对Cu、Zn、Pb、Cd的富集系数分别提高了156%、137%、319%、284%；黄花鸢尾对Cu、Zn、Pb、Cd的富集系数分别提高了229%、94%、64%、430%；再力花对Cu、Zn、Pb、Cd的富集系数分别提高了29%、138%、151%、115%。而干湿交替处理抑制了旱伞草地下部分对重金属的富集效果，其对Cu、Zn、Pb、Cd的富集系数分别下降了43%、35%、70%和45%。

2.2 4种水生植物迁移系数特征

2.2.1 水淹处理4种水生植物迁移系数特征。由表3可知，水淹处理下，4种湿地植物对Cu、Zn、Pb、Cd的迁移系数不同。旱伞草对4种重金属的迁移系数由大到小依次为Zn、Cd、Cu、Pb，美人蕉对4种重金属的迁移系数由大到小依次为Cd、Zn、Cu、Pb，黄花鸢尾对4种重金属的迁移系数由大到小依次为Cu、Zn、Cd、Pb。美人蕉对4种金属的迁移系数为0.58～1.12，其中对Cd的迁移系数大于1.00，对Cu和Zn的迁移系数均接近1.00，可见美人蕉可将其根部的重金属有效地迁移至地上部分。黄花鸢尾对Pb的迁移能力较弱，对其他3种金属的迁移能力较强。

2.2.2 干湿交替处理4种水生植物迁移系数特征。由表4可知，干湿交替处理下，4种湿地植物对Cu、Zn、Pb、Cd的迁移能力和规律不同。美人蕉、黄花鸢尾和旱伞草对4种重金属的迁移系数由大到小依次为Cd、Zn、Cu、Pb。再力花对4种重金属的迁移系数由大到小依次为Zn、Cd、Cu、Pb。因此，美人蕉能有效地将Cd和锌迁移至地上部分。再力花对Zn的迁移系数较强，其余2种水生植物对Cu、Zn、Pb、Cd的迁移能力均较弱。

2.3 Cu、Zn、Pb、Cd在4种水生植物体内的分布特征

2.3.1 Cu、Zn、Pb、Cd在美人蕉体内的分布特征。由图1可知，与水淹处理相比，干湿交替条件下美人蕉地上部分重金属含量有所下降，Cu、Zn、Cd分别下降了22%、26%、33%；而Pb含量有所上升，上升了27%。说明干湿交替处理使美人蕉地下部分Cu、Zn、Cd的含量增加；但对于Pb，干湿交替处理下美人蕉地下部分含量降低。说明对于Cu、Zn、Cd污染的土壤利用美人蕉进行生态修复时适合使用水淹的种植方式；对于Pb污染的土壤利用美人蕉进行生态修复时适合使用干湿交替的种植方式。

2.3.2 Cu、Zn、Pb、Cd在黄花鸢尾体内的分布特征。由图2可知，与水淹处理相比，干湿交替条件下黄花鸢尾地上部分Cu、Zn、Pb、Cd含量均有所下降。其中Cu和Zn下降了16%和5%；Pb、Cd下降不明显，均为1%。说明干湿交替处理使美人蕉地下部分Cu、Zn、Pb、Cd的含量均有所增加，但Pb、Cd增加不明显。说明对于Cu、Zn污染的土壤利用黄花鸢尾进行生态修复时适合使用水淹的种植方式。

2.3.3 Cu、Zn、Pb、Cd在旱伞草体内的分布特征。由图3可知，与水淹处理相比，干湿交替条件下旱伞草地上部分Cu、Pb、Cd含量分别上升了6%、3%、7%，说明干湿交替处理增加了旱伞草地上部分Cu、Pb、Cd的含量，但增加不明显。而Zn含量有所下降，下降了6%。不同种植方式下，旱伞草地下部分重金属含量均明显高于地上部分。说明对于Cu、Pb、Cd污染的土壤利用旱伞草进行生态修复时2种种植方式均可。

2.3.4 Cu、Zn、Pb、Cd在再力花体内的分布特征。由图4可知，与水淹处理相比，干湿交替条件下再力花地上部分Cu、Zn、Pb、Cd的含量均明显下降，分别下降了51%、19%、23%、71%。其中Cu和Cd的下降量均超過50%。说明干湿交替处理明显影响再力花地下部分重金属的含量，对于Cu、Zn、Pb、Cd污染的土壤利用再力花进行生态修复时适合使用水淹处理的种植方式。

3 讨论

3.1 水生植物对重金属的富集特征 水淹处理下，4种湿地植物对Cu、Zn、Pb、Cd的吸收遵循同一模式，即地下部分重金属富集系数大于地上部分重金属富集系数。说明Cu、Zn、Pb、Cd易在4种湿地植物的根部富集，这与以往研究结果基本一致[15-18]。在干湿交替处理下，除美人蕉外，其余3种湿地植物对Cu、Zn、Pb、Cd的吸收同样遵循地下部分富集系数大于地上部分富集系数；而美人蕉对Cd的吸收表现为地上部分富集系数大于地下部分富集系数。说明美人蕉可将Cd转移至其可收割的地上部分。

干湿交替处理抑制了旱伞草地下部分对重金属的富集效果，其对Cu、Zn、Pb、Cd的富集系数均有所下降。研究表明土壤水分状态的改变会影响植物体内多种基因的表达。植物激素乙烯、脱落酸和赤霉素在响应土壤水分变化过程中起重要作用，因此可以推测干湿交替可能影响这些基因的表达，但其具体过程还需要进一步研究[19-20]。

3.2 水生植物对重金属的转运特征 水淹处理的植物迁移系数明显高于干湿交替处理。美人蕉不管是水淹处理还是干湿交替，其重金属的迁移系数均为4种水生植物最高，但水淹处理的迁移系数明显高于干湿交替处理。而旱伞草则是4种水生植物中，2种处理迁移系数最低的植物。旱伞草水淹处理时，其体内重金属的迁移系数为干湿交替处理的10倍。干旱会使叶片水分含量、水势、渗透势、气体交换指标、叶绿素含量和氮含量等降低[21]。重金属以游离离子的状态进入细胞质，水生植物出于自我保护，会对重金属的吸收过程进行控制[22]。植物体内水势和水分的降低抑制了重金属在水生植物体内的迁移。同一种植物对不同重金属的迁移系数不同[23]。干湿交替处理不仅降低了植物的迁移系数也改变了金属的富集能力。

3.3 水生植物体内重金属的分布特征 同一种重金属在不同水生植物体内的分布根据水生植物的不同而不同。研究表明，与完全好气条件和长期淹水条件相比，干湿交替更有利于土壤中有机物的分解和转化，加速土壤中胡敏酸的芳构化和腐殖化，提高土壤原有富里酸组分的转化和胡敏酸组分的分解，抑制土壤原有有机碳的矿化，改善土壤的理化性质，

增加土壤肥力[24-27]。与水淹处理相比，干湿交替处理改变了重金属在不同水生植物体内的分布。水分的改变影响了水生植物体内适应各种逆境胁迫的保护酶系统，打破了保护酶系统中各种酶的平衡，影响了重金属在植物体内的运输，改变了重金属在植物体内的分布。

4 结论

（1）干湿交替处理不仅降低了植物的迁移系数也改变了金属的富集能力。

（2）干湿交替处理促进了美人蕉、黄花鸢尾和再力花对Cu、Zn、Pb、Cd的富集，抑制旱伞草对Cu、Zn、Pb、Cd的富集。

（3）水淹处理下4种水生植物对重金属的迁移系数明显高于干湿交替处理，即水淹处理有利于重金属在植物体内迁移。

（4）对于Cu、Zn、Pb、Cd污染的土壤利用黄花鸢尾、再力花和美人蕉进行修复时适合水淹种植，利用旱伞草进行修复时水淹和干湿交替均可。

参考文献

[1]

刁维萍，倪吾钟，倪天华，等.水体重金属污染的生态效应与防治对策[J].广东微量元素科学，2003，10（3）：1-5.

[2] HUANG Y J，LIU D Y，WANG Y B，et al.Heavy metals accumulation by hydrophytes[J].Chinese journal of ecology，2006，25（5）：541-545.

[3] 李瑞玲，李倦生，姚运先，等.3种挺水湿地植物对重金属的抗性及吸收累积研究[J].湖南农业科学，2010（17）：60-63.

[4] 王磊.木质素的提取、改性及其综合利用[D].济南：山东师范大学，2012.

[5] WONG S C，LI X D，ZHANG G，et al.Heavy metals in agricultural soils of the Pearl River Delta，South China[J].Environmental pollution，2002，119（1）：33-44.

[6] 徐继刚，王雷，肖海洋，等.我国水环境重金属污染现状及检测技术进展[J].环境科学导刊，2010，29（5）：104-108.

[7] 邹晓锦，仇荣亮，周小勇，等.大宝山矿区重金属污染对人体健康风险的研究[J].环境科学学报，2008，28（7）：1406-1412.

[8] 李灵香玉，吴坚阳，田光明，等.利用农业废弃物处理重金属离子废水的研究进展[J].农机化研究，2009，31（9）：209-214.

[9] 侯亚明.水生植物在污水净化中的应用研究进展[J].河南农业大学学报，2004，38（2）：184-188，226.

[10] CHAO H P，CHANG C C，NIEVA A.Biosorption of heavy metals on Citrus maxima peel，passion fruit shell，and sugarcane bagasse in a fixed-bed column[J].Journal of industrial & engineering chemistry，2014，20（5）：3408-3414.

[11] 李梦婕，江韬，魏世强.兰州银滩湿地5种植物对重金属吸附能力的分析[J].环境科学与技术，2011，34（8）：109-114.

[12] 黄永杰，刘登义，王友保，等.八种水生植物对重金属富集能力的比较研究[J].生态学杂志，2006，25（5）：541-545.

[13] 严莉，李龙山，倪细炉，等.5种湿地植物对土壤重金属的富集转运特征[J].西北植物学报，2016，36（10）：2078-2085.

[14] 何芳芳，陳雅顺，张德刚，等.六种观赏型水生植物对水体中铜、锌、铅的净化研究[J].湖北农业科学，2016，11（2）：327-328.

[15] 王敏，唐景春，王斐.常见水生植物对富营养化和重金属复合污染水体的修复效果研究[J].水资源与水工程学报，2013，24（2）：50-56.

[16] 傅友强.干湿交替诱导水稻根表红棕色铁膜形成的生理与分子机理[D].广州：华南农业大学，2016.

[17] STOLTZ E，GREGER M.Accumulation properties of As，Cd，Cu，Pb and Zn by four wetland plant species growing in submerged mine tailings[J].Environmental & experimental botany，2002，47（3）：271-280.

[18] BONANNO G，GIUDICE R L.Heavy metal bioaccumulation by the organs of Phragmites australis（common reed） and their potential use as contamination indicators[J].Ecological indicators，2010，10（3）：639-645.

[19] 于晓莉，傅友强，甘海华，等.干湿交替对作物根际特征及铁膜形成的影响研究进展[J].土壤，2016，48（2）：225-234.

[20] DODD I C，PURTOLAS J，HUBER K，et al.The importance of soil drying and rewetting in crop phytohormonal and nutritional responses to deficit irrigation[J].Journal of experimental botany，2015，66（8）：2239-2252.

[21] HAN H M，TIAN Z W，FAN Y H，et al.Waterdeficit treatment followed by rewatering stimulates seminal root growth associated with hormone balance and photosynthesis in wheat （Triticum aestivum L.） seedlings[J].Plant growth regulation，2015，77（2）：201-210.

[22] 王英彦，熊焱，铁峰，等.用凤眼莲根内金属硫肽检测水体的重金属污染的初步研究[J].环境科学学报，1994，14（4）：431-438.

[23] CHANEY R L，MALIK M，LI Y M，et al.Phytoremediation of soil metals[J].Current opinion in biotechnology，1997，8（3）：279-284.

[24] 江春玉，李忠佩，崔萌，等.水分状况对红壤水稻土中有机物料碳分解和分布的影响[J].土壤学报，2014，51（2）：325-334.

[25] HARRISONKIRK T，BEARE M H，MEENKEN E D，et al.Soil organic matter and texture affect responses to dry/wet cycles：Effects on carbon dioxide and nitrous oxide emissions[J].Soil biology & biochemistry，2013，57（3）：43-55.

[26] 王苑，宋新山，王君，等.干湿交替对土壤碳库和有机碳矿化的影响[J].土壤学报，2014，51（2）：342-350.

[27] 张正庆，鲍美娥，陈嘉斌，等.植物对重金属的耐性机制[J].甘肃科技，2013，29（5）：69-71.