人工湿地香蒲中重金属分布规律研究

葛光环 ，寇 坤 ，喻苏慧 ，汪 洋 ，温智亮 ，李 想

（1.安康学院旅游与资源环境学院，陕西 安康 725000；2.安康学院陕西省院士专家工作站，陕西 安康 725000）

人工湿地是由人工建造和控制运行，与沼泽地类似的地面，将污水、污泥有控制地投配到经人工建造的湿地上，污水与污泥沿一定方向流动，利用土壤、人工介质、植物、微生物协同作用，对污水、污泥进行处理的一种技术［1］。该工艺具有投入少、能耗低、管理成本低和抗冲击能力强等优点。中国水体重金属污染较严重，传统处理方法过于昂贵且效果一般，因此利用人工湿地净化废水中的重金属具有优势。

植物在净化污水方面发挥着重要作用。一方面，植物可以直接吸收污水中的有机物，为自身的生长发育提供养分，还可以富集游离的重金属，从而减少污水中污染物的类型和浓度。另一方面，植物的合理配置也可以美化环境。周海兰等［2］研究表明重金属离子可以通过湿地植物来完成吸附和迁移。董志成等［3］研究显示芦苇对有毒重金属的抗性较好，芦苇根茎叶中 Zn、Cu、Cd 为根＞叶＞茎，根和茎叶中的含量相差较大；芦苇根茎叶中Pb 和Cr 为根＞茎＞叶且其中的含量都相似。Scholes 等［4］研究表明香蒲能有效吸收锌、铅、铬，相反芦苇能有效吸收铜。同时，Greenway 等［5］和 Mungur 等［6］指出湿地中重金属表现为根尖＞根茎＞根状茎。Hadad 等［7］研究发现湿地植物中各部位重金属分布特征不同。

重金属铜（Cu）和铬（Cr）是污染环境的主要重金属之一，当其在土壤中含量超过临界值时，会对土壤系统产生毒性。为了研究人工湿地植物中Cu 和Cr 的分布规律，选取皂河人工湿地和皂河人工湿地示范基地作为研究场地，测定香蒲不同部位中重金属Cu 和Cr 的浓度，研究香蒲中重金属的空间分布规律及其对重金属的富集性，为湿生植物修复重金属污染提供一定的依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

1）皂河人工湿地。皂河是渭河的一级支流，全长约 30 km，流域面积 300 km2［8］。利用渭河河滩进行水质净化，该人工湿地2012 年4 月竣工，同年5 月至 9 月调试及验收并开始运行［9］。

2）皂河人工湿地示范基地。试验地为二级表流人工湿地，该湿地栽植芦苇和香蒲，即沿进水方向左右两边分别种植香蒲和芦苇；湿地长约107 m，填充的基质为沙子和铝污泥，其中湿地前段基质为沙子，靠近出水位置30 m 段基质为铝污泥。

1.2 采样点分布

1）采样点位置。采样点具体位置如图1 所示。

图1 采样点示意

2）样品采集。采样点位于湿地的进水口、中间配水池和出水口，共设有5 个香蒲采样点，分别为进水口、进水口与中间配水池之间、中间配水池、中间配水池与出水口之间、出水口5 处（分别为采样点Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ）。采样点间距约20 m，基质的采样点与香蒲一致。对照样本在人工湿地外没有经过河水浸漫的区域进行采集。

3）采样方法。①植物采集：在每个采样点采集长势旺盛、植株高度、生长速率大致相同的4 株植物，间隔性取样，同时确保样品的完整性。将香蒲植株放进不同的塑料袋中写好标签，记下取样点位置和标签编号。②基质采集：在与植物一致的采样点，应用底泥采样器在水底取少许样品进行混合。

采样时先清除根部附近的落叶等杂物，基质采样时需小心谨慎，避免断根情况的出现，所有接触样品的工具均为木片、聚乙烯等材料，避免因为使用金属工具而带来其他干扰和污染。

1.3 样品的预处理

将样品用自来水冲洗干净，再用去离子水冲洗3 次。自然干燥后，分别将每个取样点处香蒲的根、茎和叶均匀搅拌然后剪碎、烘干、杀青、再烘干、测定。香蒲样品的消解采用干灰化法。

1.4 重金属测定

运用ICP-OES 电感耦合等离子体发射光谱仪对样品中Cr、Cu 重金属进行测定。

2 结果与分析

2.1 人工湿地香蒲根部重金属沿水流方向分布的特征分析

人工湿地香蒲根部中重金属沿水流方向分布如表1 所示。由表1 可知，皂河人工湿地中香蒲根部的重金属含量除了对照组外，Cr 的含量为2.729 4～7.895 0 mg/kg，平均值为 5.927 1 mg/kg。Cu 的含量为7.201 9～13.768 8 mg/kg，平均值为10.889 8 mg/kg。皂河人工湿地示范基地香蒲中Cr 的含量为1.336 9～2.792 5 mg/kg，平均值为2.099 5 mg/kg；香蒲中Cu的含量范围为5.045 0～10.383 8 mg/kg，平均值为7.737 9 mg/kg。香蒲中Cu 含量的平均值比Cr 含量的平均值要高。综合两个人工湿地的结果，香蒲根部重金属的含量Cu＞Cr。

表1 人工湿地香蒲根部重金属含量 （单位：mg/kg）

人工湿地香蒲根部中重金属沿水流方向的变化趋势如图2 所示。由图2 可知，皂河人工湿地香蒲中两种重金属不同距离的含量变化大致相似，都是在湿地（进水口）较高，在样点Ⅲ（中间配水池）最低，最后在样点Ⅴ（出水口）达到最高。与Lesage 等［10］对人工湿地中基质和植物对重金属的延程积累情况的研究结果一致，即不同距离处的大多数金属在植物中的浓度差异不大。

图2 香蒲根中不同距离重金属分布特征

由图2 可知，皂河人工湿地示范基地香蒲中Cu在采样点Ⅰ（进水口）处较高，经采湿地（进水口与中间配水池中间）下降，在采样点Ⅲ（中间配水池）处降到最低5.045 0 mg/kg，又经采样点Ⅳ（中间配水池与出水口之间）增加，在采样点Ⅴ（出水口）到达峰值10.383 8 mg/kg；皂河人工湿地示范基地香蒲中Cr 在采样点Ⅰ（进水口）含量最低为1.336 9 mg/kg，经采样点Ⅱ（进水口与中间配水池之间）缓慢增长，在采样点Ⅲ（中间配水池）到达最大值2.792 5 mg/kg，在采样点Ⅳ（中间配水池与出水口中间）下降，采样点Ⅴ（出水口）又增加到2.491 9 mg/kg。

与对照相比，在进水口，香蒲中Cr 浓度是对照组的数倍，说明香蒲对高浓度Cr 具有很好的吸收能力，香蒲对有毒重金属有良好的吸收能力。皂河人工湿地示范基地香蒲中两种重金属不同距离的含量变化不一致，可能与湿地运行状况、基质组成、温度等因素影响香蒲对重金属的吸收有关。

2.2 人工湿地香蒲中重金属垂直分布的特征分析

为分析香蒲体内各部位中重金属浓度，取5 个香蒲采样点处各部位重金属浓度平均值作为整个湿地中香蒲各部位重金属浓度，香蒲不同部位重金属含量如表2 所示。

表2 人工湿地香蒲不同部位重金属含量 （单位：mg/kg）

从表2 可以看出，两个人工湿地中两种重金属Cu 和Cr在香蒲的根、茎、叶中含量都是依次递减，在香蒲的根和茎中，重金属Cu 的含量都比Cr 的含量高，且高出一倍。而在香蒲的叶中，Cu 的含量比Cr高出4 倍。香蒲体内（不含根际底泥）对两种重金属的富集能力Cu＞Cr，两个人工湿地香蒲的根际底泥中Cr的含量比Cu 的含量高。

在皂河人工湿地中，Cr 在香蒲茎中占35%，叶中占11%，根中最多，占54%；Cu 在香蒲茎中占30%，叶中占23%，根中最多，占47%。两种重金属都是随香蒲的垂直分布根、茎、叶依次递减。

在皂河人工湿地示范基地中，重金属Cr 在香蒲茎中占31%，叶中最少，占9%，根中最多，占60%；Cu在香蒲茎占29%，叶中占12%，根中最多，占59%。在香蒲体内根、茎、叶中的含量大体是依次递减的，且香蒲对Cu 的吸收能力比对Cr的吸收能力强。

随着香蒲体内（不含根际底泥）的垂直高度根、茎、叶依次增高，香蒲体内的重金属含量大体逐渐降低。在香蒲体内的各部位，Cu 含量＞Cr 含量，香蒲（不含根际底泥）对两种重金属的富集能力Cu＞Cr。在香蒲的根际底泥中Cr 的含量比Cu 的含量高，结果与阳承胜等［11］研究结果一致。

2.3 人工湿地香蒲对重金属的富集和迁移能力分析

重金属在根部进行积累后，通过植物体内的组织进行运输转移，将重金属富集于植物体内的各个部位。为了探究人工湿地中植物不同部位重金属的富集及转移特性，引入生物富集系数（BCF）和生物转移系数（BTF）进行分析。

其中，C根/茎/叶为植物根、茎或叶中重金属的浓度，C基质为基质中重金属的浓度。

其中，C茎/叶为水生植物茎或叶中重金属浓度，C根为水生植物根中重金属浓度。

2.3.1 人工湿地重金属的生物富集系数 由表3 可知，香蒲中不同部位对重金属的富集能力Cu＞Cr，但皂河人工湿地示范基地香蒲中各部位对重金属Cr 的富集能力都较弱，均为0.01。香蒲的各部位中Cu 较Cr容易富集，且两种重金属由根、茎、叶的富集能力逐渐降低，主要富集于植物的根系部位。重金属在植物新陈代谢旺盛的器官富集较多，而在营养储存器官茎、叶则较少。这可能因为植物根系部位产生了一种缺铁性物质，能够活化Cu 等其他重金属，从而促进根系部位对这些重金属元素的吸收，使得基质中的重金属被吸收［12］。皂河人工湿地和皂河人工湿地示范基地中，同种重金属在香蒲中不同部位的富集系数有一定差异，可能与根际微生物群落［13］等因素有关。

表3 人工湿地香蒲各部位重金属的富集系数

从表3 可以看出，根际底泥中Cu 和Cr 含量远大于香蒲中各部位Cu 和Cr 含量，重金属的富集系数均＜1，对于重金属的去除，主要为基质吸附和植物吸收，而大多数情况下，根际底泥中基质吸附重金属量＞植物吸收重金属量。大量重金属依然保留在湿地中，通过季节性收割将重金属从湿地中去除的方法效率不高，成果不明显，可以尝试增加香蒲生物量去除重金属，当植物对重金属的富集浓度一定时，生物量越大，其对重金属的富集能力也越高［14］。还可种植茎叶富集系数较大的植物、栽培重金属大量富集在果实或易脱落部分中，可通过季节性采摘去除［15］的植物等。

2.3.2 人工湿地重金属的生物转移系数 由表4 可知，两种重金属都较容易将重金属转移到茎部，香蒲茎的转移系数大小为Cr＞Cu，说明重金属Cr 相比于重金属Cu 较容易转移至香蒲的茎部。叶的转移系数大小为Cu＞Cr，说明重金属Cu 更易转移至香蒲叶部。

香蒲根、茎、叶中Cu 含量比Cr 含量分布更为均衡，重金属Cr 在两样地的香蒲根中含量在50%以上，茎中含量在30%左右，叶中含量10%。Cu 的转移系数较大，可能由于Cu 作为植物的营养元素，对重金属Cu 元素的吸收能力较强。由此可见，两个湿地中香蒲能更好地去除重金属Cu。香蒲在生长过程中都表现出了较强的耐铜能力，仍可用来修复水体重金属污染。

表4 人工湿地香蒲中不同部位重金属的转移系数

3 结论

1）皂河人工湿地不同距离处的重金属在香蒲中的浓度差异不大，而皂河人工湿地示范基地香蒲中两种重金属不同距离的含量呈现先下降后略上升的趋势，可能与湿地基质组成（铝污泥）、温度等因素影响香蒲对重金属的吸收有关。重金属Cu 和Cr 在香蒲根、茎、叶的含量依次递减，且香蒲各部位Cu 相比Cr含量高出1～4 倍。香蒲能较好地吸收Cu。

2）对于香蒲来说，Cu 相比Cr是较容易富集和转移的重金属。香蒲对重金属Cu 和Cr 的吸收遵循根部含量大于地上部分含量的规律，重金属主要集中在植物根部和根际底泥当中，大量重金属依然保留在湿地中，通过季节性收割将重金属从湿地中去除的方法效率不高，成果不明显，尝试增加香蒲生物量去除重金属或种植茎叶富集系数较大的植物。