关于黄菖蒲和再力花固定西湖底泥中重金属Cd和Pb能力的研究

张海珍 唐宇力 周 虹 钱 萍

植物修复(Phytoremediation)技术是美国科学家Chaney于1993年提出的[1]，利用植物的自然生长来固定/稳定湖泊底泥中的重金属，由于其具有投资少、破坏小、无二次污染等优点，广泛用于净化水体，修复湖泊重金属污染。通过此类“绿色过滤膜”的方法，可以达到安全、有效地保护湖泊环境，清除污染的目的[2-3]。

研究表明，植物修复最为重要的一个方面，是“特异”植物根能释放出多种对有毒重金属起固定作用的有机化学物质，其中包括低分子化合物单糖、氨基酸、脂肪酸、维生素、酮酸以及高分子化合物多糖、聚乳酸和粘液等。它们与植物通过分泌和死亡细胞的脱落而向土壤、水环境释放的光合产物构成一个特异系统，即特异根圈。由此增加了土壤、水环境有机质含量，可以起到改变有机污染物的吸附特性，从而促进它们与腐殖酸的共聚作用[4]。还有研究表明，由于这类特异根圈的作用，一方面可促进有毒金属等污染物由根向茎叶部的输送，增加污染物的生物可利用性；另一方面可将土壤、水环境根圈内的有毒金属等污染物转变为无毒或毒性较低的形态，减少污染物向地下水的迁移和淋溶性[5-6]。Cunningham等[7]在研究植物固定土壤中的Pb时发现，一些植物可以降低土壤中Pb的生物有效性；而Dushenkov等[8]进一步研究发现Pb可与植物分泌的磷酸盐结合，形成难溶的磷酸铅固定于植物根部，从而减轻Pb对环境的毒害作用。20世纪90年代以来，我国有学者已发现一批具有较高应用前景的积累或超积累植物，如As超积累植物蜈蚣草、Cd超积累植物龙葵等对重金属具有很强的富集作用[9-12]。

黄菖蒲(Iris pseudacorus)为鸢尾科多年生挺水植物，花期为4—6月；再力花(Thalia dealbata)为竹芋科多年生挺水植物，花期为4—10月。黄菖蒲和再力花是近年来园林绿化中常用到的挺水植物，这2种植物生物量都较大、喜温暖水湿、耐半阴，适应性强，具有很好的观赏价值，且养护管理方便，因此，对这2种植物净化水体能力的研究报道也较多。黄菖蒲和再力花首先对水体氮、磷COD等的去除有一定作用[12-14]，黄菖蒲被认为适用于净化总磷、总氮和COD含量较高的重污染的水体[15]。此外，有研究报道，再力花对重金属铬、铜、锰的累积能力都较强[16-18]；而黄菖蒲对铜和锌的富集能力较强[19-20]。

重金属镉和铅是环境中重要的有毒污染物，通过盆栽试验和野外调查，对黄菖蒲和再力花吸收和固定底泥中重金属镉和铅的能力进行分析，探索这2种植物用于净化水体底泥的潜力，并基于研究结果进行园林示范应用。

1 材料与方法

1.1 试验地点自然概况

试验地点设在杭州市园林文物局灵隐管理处花卉分部，位于杭州市西湖区，由于受冬夏季风的影响，具有光、热、水同季配合良好的气候特点。属亚热带季风性气候，四季分明，光照充足，雨量充沛，温和湿润。近10年年平均气温16.2℃，夏季平均气温28.6℃，冬季平均气温3.8℃。无霜期230～260d。年平均降雨量为1 435mm，平均相对湿度为76%。

1.2 盆栽供试土壤西湖底泥样品的采集

盆栽试验采用西湖底泥作为试验土壤。采样点的分布如下：在西湖周边翠雨厅荷区、老曲院、青帘舫、湛碧楼荷区、西泠桥荷区、后孤山荷区、断桥荷区、平湖秋月荷区、北山街荷区、湖畔居两侧荷区、一公园荷区等11个样点布置采样点。采用“S”形10点混合法采集底泥样品约5kg用于作为盆栽实验的供试土壤，并进行基本理化性质和重金属元素分析。

1.3 盆栽试验

所有的盆栽试验均在透明塑料大棚中进行。选用再力花与黄菖蒲作为参试植物，取材于杭州西湖风景名胜区(杭州市园林文物局)灵隐管理处(杭州花圃)花卉分部。将西湖底泥装入黑色塑料盆，每盆装干重为5.00kg。选择生长量相同的幼苗或大小相近的繁殖块茎分别移栽入盆中。各种植物的种植量根据其所需的生长空间和塑料盆的大小而定，一般2～3棵苗或芽，各重复间苗量一致。每个样点3次重复，共33个处理。试验在透明塑料大棚中进行，依据天气情况不定期浇灌，使土壤保持淹水状态，用水中未检测出重金属Cd和Pb。待植物成熟后，收获植株，整个生长季4—10月份。

表1 西湖底泥中Pb和Cd元素累积情况

表2 地质累积系数(Igeo)分级及西湖底泥在各级水平中所占的样品数量百分比

表3 Cd在黄菖蒲地上和地下部分累积及地上部分Cd含量

收获时，分别采割植株地上部分和地下部分，用自来水冲洗干净后，挂在大棚中晾干表面水分，称取地上部分鲜重后，将植株各部分放在75℃恒温干燥箱内烘至恒重，再称量烘干样品中地上部分的重量。烘干后的植株样品先用粉碎机搅碎，再用混合球磨仪(德国莱驰公司，MM400)磨成粉末，保存备用，测定其Pb和Cd含量。

1.4 野外调查

在西湖景区开展黄菖蒲和再力花的野外采样调查。野外植物样品采集方式如下：分别采割植株地上部分和地下部分，约100g左右，去除表面附着物，将植株各部分放在75℃恒温干燥箱内烘至恒重，再称量烘干样品中地上部分的重量。烘干后的植株样品先用粉碎机搅碎，再用混合球磨仪(德国莱驰公司，MM400)磨成粉末，保存备用。在植物样品的采集样点同时采集底泥样品供重金属元素分析。采用10m×10m正方形内5点混合采样法采集0～10cm底泥样品。

1.5 植物和土壤重金属分析

植物重金属分析过程如下：称取0.50g的植物粉末样品于洗净的坩埚中，加入8ml硝酸和4ml高氯酸，置于电热板上，缓慢升温到180℃，保持180℃加热到开始冒烟且坩埚内液体体积小于3ml；取出坩埚，再加入4ml硝酸和1ml盐酸，保持180℃加热至冒白烟且体积小于1ml，然后慢慢赶酸至结晶状态；取出坩埚，室温下冷却，再用0.5%硝酸定容到50ml离心管中。整个消解过程在通风橱中进行，并时常轻轻摇晃，防止爆沸，且所用的酸液全部为优级纯。消解并定容后的植物样品用注射器吸取，并加滤膜过滤至15ml离心管中，冷藏待测。每批样设置2个空白对照和2个标准物质，其中标准物质使用灌木枝叶国家一级标准物质GBW 07603(GSV-2)进行质量控制。

采用四酸法电热板加热法消解法处理底泥样品。称取通过100目筛的土壤样品0.25g于聚四氟乙烯坩锅中，用少量超纯水润湿加入10ml HCl放置过夜。分别加入3ml HF、3ml HNO3、1ml HClO4，放置电热板上消解至大量白烟冒出，蒸至近干，重复加入HNO3和HF1～2次，直至样品呈晶体状时地转移至50ml比色管中定容。用注射器吸取5ml比色管中已定容溶液，加滤膜过滤至新的50ml比色管中，定容后转移至10ml离心管中冷藏待测。采用土壤标准物GSS-5进行质量控制。重金属元素Cd和Pb采用ICP-MS分析。

1.6 数据统计分析

不同处理之间采用SPSS18进行方差分析和多重比较，采用EXCEL2010进行作图。

重金属地质累积系数计算公式如下：

式中Ci为样点i的底泥重金属元素浓度；CB为对应重金属元素的地质背景值；1.5为修正系数。

2 西湖底泥Pb和Cd元素累积情况

如表1所示，西湖底泥中P b元素在18.2～132mg/kg之间，平均值为62.9；Cd元素在0.05～1.54mg/kg之间，平均值为0.439。杭州市土壤属于第四纪成土母质，其Cd元素的地质背景值平均约为0.106mg/kg；Pb元素的地质背景值平均约为18.3mg/kg。

根据地质累积系数分级表(表2)，所采集的西湖底泥样品中，样品总数的29.2%其Cd元素的地质累积系数小于等于0，即无污染；约为45.9%的样品属于轻微和轻度污染；20.8%的样品地质累积系数在2～3之间，属于中度污染；另外有4.2%的样品在3～4之间，达到了重度污染。Pb元素的地质累积系数结果表明，12.5%的样品小于等于1，无污染，超过70%的样品属于轻微和轻度积累，中度污染的样品为12.5%。以上结果表明西湖底泥中Cd与Pb元素存在人为累积现象，但是程度较轻，适合采用超积累植物种植的方式对这2种有毒重金属进行固定，避免重金属元素进入生物地球化学循环，达到生态净化环境的效果。

表4 盆栽试验中Pb在再力花地上和地下部分累积及植株Pb含量

表5 野外样点的黄菖蒲地上、地下部分Cd的浓度以及底泥中的Cd浓度

表6 野外样点的再力花地上、地下部分Pb的浓度以及底泥中的Pb浓度

3 底泥盆栽试验中黄菖蒲和再力花对土壤Cd和Pb的累积

根据预实验研究结果，黄菖蒲对Cd具有富集作用，而再力花对Pb具有富集作用，因此，本实验分别进行黄菖蒲对Cd和再力花对Pb的富集效果研究。盆栽试验结果如表3所示，随着土壤中Cd浓度的增加，植株地上和根系中Cd浓度也增加，但是两者Cd浓度没有明显差别。黄菖蒲地上部分累积的Cd含量较高，这是因为黄菖蒲地上部生物较大，在土壤Cd浓度为环境底泥浓度下，即0.989mg/kg时，每株干重平均达到84.3g。而且地上部分Cd浓度与根系Cd浓度相近，说明黄菖蒲具有能够把根系所吸收的Cd基本向地上部分运输的能力和潜力。

再力花的Pb富集实验结果表明，随着土壤中Pb浓度的增加，再力花地上部分Pb浓度没有显著变化，但是根系中Pb的浓度依次显著增加。与黄菖蒲类似，由于再力花地上部分的生物量较大，使地上部分植株内累积的Pb含量较高。因此，可以认为再力花同时具有固定和净化底泥中Pb的能力(表4)。

4 野外实地黄菖蒲和再力花对土壤Cd和Pb的累积

野外试验结果表明，黄菖蒲在底泥环境浓度下地上部分和根系中Cd的浓度相近，地上/地下比例在1左右，而富集系数都大于1，由此可见，黄菖蒲具有较好的净化底泥中Cd的能力(表5)。再力花在底泥环境浓度下根系中Pb的浓度是地上部分的5～10倍，底泥中Pb的浓度与盆栽试验的对照浓度相似，因此，可以认为再力花具有固定水体底泥Pb的能力(表6)。

5 结论

西湖底泥重金属污染物调查结果表明，底泥中Cd和Pb元素的累积尽管程度较轻但是受到人为影响，为了避免发生水体污染，可以通过种植具有重金属富集功能的水生植物来固定/稳定底泥中的重金属。盆栽试验和野外试验结果表明，黄菖蒲地上和地下部分具有较强的累积Cd的能力，在野外低浓度下，对Cd的富集系数大于2，因此具有净化和固定底泥中Cd的能力；而再力花地下部分吸收固定Pb的能力较强，盆栽和野外试验的结果都发现根系中的Pb浓度大于5mg/kg，具有较强的固定底泥中Pb的能力。因此，可以在湿地景观设计中配置一定比例的黄菖蒲和再力花，并于每年秋季种子成熟期，收割黄菖蒲和再力花地上部分及挖除部分地下根茎进行适当处理，次年重复该过程，能够起到净化水体和底泥重金属Cd和Pb污染的作用。