滨州湿地植物对重金属的富集特征

张再旺，靳建超，李 赫，张吉强， 许骥坤，田 园，马春茂，周同娜

(1.滨州学院 生物与环境工程学院，山东 滨州 256603；2.山东安和安全技术研究院有限公司，山东 滨州 256600；3.山东省东营生态环境监测中心，山东 东营257000 )

重金属污染是我国乃至全世界面临的重要环境问题之一，受到各界的广泛关注[1-3]。不同重金属毒性不同、化学性质各异，但超过一定阈值都会对生物体健康及生态系统的稳定造成影响[4-6]。湿地作为水陆交接地带的特殊生态系统，已成为包括重金属在内的多种污染物的重要存储库[7]。湿地植物对环境的指示作用及污染修复作用也成为研究热点之一，国内外学者对不同区域、不同种类植物富集重金属的行为开展了广泛研究，探讨了多种湿地植物用于重金属污染修复的可能性[8-14]。研究湿地植物对重金属的富集对于评价湿地环境质量，探讨重金属的植物修复具有重要意义。

黄河三角洲地区湿地资源丰富，位于该区域的滨州市致力于打造“四环五海、生态滨州”的品牌，湿地也成为其一张重要的名片[15]。随着黄河流域生态环境保护与高质量发展重大国家战略的提出，湿地保护也成为区域发展中一项重要工作。处于城郊结合特殊地带的城郊湿地，其受重金属污染的程度如何？湿地植物对重金属的富集能力怎样？相关数据十分缺乏。基于此，本研究以滨州市城郊湿地为研究区域，探讨湿地植物对典型重金属的富集特征，旨在为区域湿地环境保护及重金属植物修复提供数据支持。

1 材料与方法

1.1 样品采集

以位于滨州市高新区的城郊湿地为研究区域，该湿地北邻黄河，距离市区约12 km，水源主要来自黄河径流与自然降水，湿地原生状态良好，植物种类丰富，有多种动物栖息于此，周边无中大型工厂及明显污染源。本研究采集了湿地内芦苇、香蒲、苣荬菜、播娘蒿和垂柳等5种植物及其对应的土壤/底泥样品(芦苇、香蒲为底泥)。

1.2 分析方法

植物样品带回实验室后用去离子水冲洗干净，后在烘箱中于95 ℃下烘干36 h。典型水生植物芦苇、香蒲分成地上部分和地下部分，苣荬菜和播娘蒿则以整株作为单个样品，垂柳则将采集的枝、叶混合作为单个样品。干燥的植物样品磨碎后过60目筛备用。土壤样品去除较大的石块，自然风干。风干的土壤样品研磨后过80目筛待用。

植物样品的消解采用干灰化法[16]：称取约1.000 0 g植物样品放入瓷坩埚中加入2 mL浓硝酸过夜，第二天将其放在烘箱内于95 ℃下烘2 h至无水分，后将其置于马弗炉里450 ℃保持4 h，冷却至室温后取出样品，在坩埚中加入2 mL浓度为20%的硝酸溶液消解样品中的无机盐，加去离子水定容。土壤样品使用湿法消解[17]：称取约1.000 0 g土壤样品放入聚四氟乙烯坩埚中加8～10 mL反王水(硝酸/盐酸=3/1)，摇匀并隔夜。第二天在电热板上加热消解，加热过程中分次加入5 mL反王水以使土壤样品消解更充分。赶酸至近干，定容待测。每批样品设置程序空白、3个平行样及标准物质ESS4进行质量控制，标准参考物质回收率在69%以上，平行样标准偏差低于10%。使用电感耦合等离子体质谱仪测定植物及土壤/底泥样品中的Cu、Zn、Cr、Pb、Cd等5种重金属的含量。

1.3 生物富集系数、转移系数的计算

利用生物富集系数描述土壤/底泥中重金属向植物体内迁移的难易程度，阐释重金属在植物体内的累积趋势。其计算公式为：BCF=Cp/Cs，其中BCF为生物富集系数，Cp为植物体内某一部位的重金属浓度(mg/kg)，Cs为相应的土壤/底泥中对应的重金属浓度(mg/kg)。

利用转移系数描述金属元素由植物体地下部分向地上部位转移的难易程度，TF=Cu/Cd，其中TF为转移系数，Cu为植物地上部分的重金属含量(mg/kg)，Cd为植物地下部分对应的重金属含量(mg/kg)。

2 结果与讨论

2.1 湿地植物中重金属的含量水平

滨州湿地5种植物和土壤/底泥中Cr、Cu、Zn、Cd和Pb的含量见表1。湿地植物生长的土壤/底泥中Cr、Cu、Zn、Cd和Pb的含量范围分别为9.45～13.59、7.23～12.19、18.42～33.04、0.07～0.37和9.28～24.87 mg/kg。Cr、Cu、Zn和Pb的含量均低于山东省土壤背景值(Cr、Cu、Zn和Pb分别为64.5、24.2、64.6、和25.2 mg/kg)[18]，Cd的含量则存在超过背景值的现象，表明需对该区域Cd污染给予关注并加强有关监测工作。

表1 滨州湿地植物中重金属的含量 mg·kg-1

5种植物体内重金属的含量水平均呈现出Zn>Cu>Cr>Pb>Cd的特征，这与国内有关报道的结果类似[9,11-14]。土壤中重金属含量的顺序则与之略有差异：苣荬菜、播娘蒿和香蒲土壤中表现为Zn>Cr>Cu>Pb>Cd；而芦苇和垂柳土壤中则表现为Zn>Cu>Cr>Pb>Cd。香蒲、芦苇相较于其他植物，累积了更多的Cr，而垂柳体内则累积了更高的Zn和Cd。表明不同植物对土壤中重金属的累积存在一定差异。而影响植物累积重金属的因素则包括植物种类、重金属赋存形态、元素价态、物质结构、环境中重金属的浓度、温度、土壤理化性质等[9,19]。

湿地植物中Cr、Cu、Zn、Cd和Pb的含量范围分别为2.35～7.95、17.66～21.15、29.08～95.76、0.08～0.79和0.58～2.75 mg/kg。与其他不同地区湿地植物中有关元素的含量相比(表2)，滨州湿地植物中重金属的含量处在相对较低的水平。

表2 不同地区湿地植物中重金属的含量 mg·kg-1

2.2 生物富集系数

滨州湿地植物中不同重金属的生物富集系数见表3。其中Cr、Pb的生物富集系数均低于1，而Cu的均大于1，除苣荬菜中Zn的生物富集系数略低于1外，其他植物中Zn的生物富集系数也都大于1，说明湿地植物对Cu、Zn具有较强的富集能力，这可能与Cu、Zn是植物的必需元素有关。有关人工湿地香蒲中富集Cu、Cr的研究发现，香蒲对Cu的吸收能力更强[14]；辽河口湿地中芦苇也显示出很强的对Cu、Cd的富集能力[12]。Cd的生物富集系数在香蒲、芦苇和垂柳中均高于1，表明这3种植物具有用于修复土壤Cd污染的潜力。

表3 滨州湿地植物中不同重金属的生物富集系数 mg·kg-1

2.3 转移系数

不同重金属在芦苇和香蒲中的转移系数见图1。除Cr外，其他重金属的转移系数均表现出香蒲>芦苇的趋势。李琦等[13]发现，3种沼泽植物中Cr的转移系数均不高于1，而本研究种芦苇中Cr的转移系数低于1，与其结果相似，而香蒲中Cr的转移系数略高于1，表明2种湿地植物对Cr从地下往地上部分的转移能力存在差异。香蒲中Cu、Zn、Cd和Pb的转移系数则均高于1。生物富集系数、转移系数均是作为评价植物是否可以作为重金属超富集植物的指标，从本研究的结果来看，香蒲可能更适合作为湿地重金属修复的物种。有研究发现，季节是影响植物富集重金属的重要因素之一[19]，本研究为单次采样，并未考虑不同季节下植物的生长、生理情况以及土壤/底泥本身的理化性质，季节因素可能是造成不同研究中重金属转移系数呈现差异的原因之一，以后需考虑该因素进行系统研究。

图1 不同重金属转移系数

3 结论

滨州市湿地土壤中Cr、Cu、Zn、Pb含量低于山东省土壤背景值，该4种重金属的风险较低，而Cd的含量存在超出参考值的现象，需对湿地Cd污染给予关注。

湿地植物体内重金属含量呈现Zn>Cu>Cr>Pb>Cd的特点，不同植物对土壤中重金属的累积存在差异。5种湿地植物对Cu、Zn均有较强的富集能力，香蒲、芦苇、垂柳对Cd有较强的富集能力。

芦苇和香蒲对不同金属的转移能力存在较大差别，香蒲可能更适合作为湿地重金属修复的植物。