三江平原沼泽湿地典型湿地植物对重金属的富集效应

李 琦 赵琬婧,3 王 瑜 原 卉 王清波,3 刘成林 李海兴,3 孙晓新,3*

(1 黑龙江三江国家级自然保护区管理局，黑龙江 抚远 156500；2 东北林业大学林学院，黑龙江 哈尔滨 150040；3 黑龙江三江平原湿地生态系统国家定位观测研究站，黑龙江 抚远 156500)

土壤重金属因其不可降解、移动缓慢且具毒性的特性，可直接或间接通过食物链威胁粮食安全、生态系统和人类健康。随着城市化和工业化的快速发展，中国土壤重金属污染事故频发，其中退耕恢复湿地土壤重金属污染已引起国内外的广泛关注(Rahman et al, 2014; 黄明煜等, 2018)。

植物修复法是现阶段普遍推崇的湿地生态修复技术之一，因其费用低廉、不会破坏甚至会改善土壤理化性质以及具有较高的美学价值等优点而倍受青睐(Garbisu et al, 2001; 周桑扬等, 2016)，但超富集重金属植物往往存在生物量低、生长缓慢、修复时间较长等缺陷以及重金属复合污染的制约(王宏镔等, 2003)，所以寻找和筛选生物量大、生长迅速且能够富集或超富集一种或多种重金属的植物成为国内外学者关注的热点问题。

现在已发现的能用于重金属污染修复的超富集植物大约有400多种，其中富集铜(Cu)的植物有34种，富集铅(Pb)的植物有14种(韦朝阳等,2000)。有学者对湿地优势植物的富集研究显示其对Cu、Pb、镉(Cd)其中的1种或2种重金属具有富集能力，且不同植物对于重金属的富集表现出明显的差异性(杨兵等, 2004; 周雪玲等, 2013)。而通过对水鳖(Hydrocharis dubia)、芦苇(Phragmites communis)、香蒲(Typha orientalis Presl)等8种植物的研究显示，植物地下部位与地上部位对重金属的富集能力表现出明显的差别(黄永杰等,2006; 严莉等, 2016)。

目前对三江平原重金属方面的研究主要有重金属的变化及分布(于磊等, 2004; 梁玉凯等,2017; 尚二萍等, 2018)和污染评价(周涛等,2018; 王春勇等, 2019; 王辉等, 2019)，而对三江平原典型湿地植物重金属富集的研究较少(王金达等, 2003; 刘汝海等, 2004)。

以黑龙江三江自然保护区湿地典型植物作为研究对象，分析臌囊苔草(Carex schmidti)、小叶章(Deyeuxia angustifolia)、柳叶绣线菊(Spiraea salicifolia)(张喜祥等, 2003)中Cu、Pb、锌(Zn)、锰(Mn)、铬(Cr)的含量，并与土壤中同种重金属浓度进行对比，探讨不同植物对重金属的富集效应和去除效率，筛选适合三江平原土壤污染特点且具有较广适应性的重金属超富集湿地植物，以期为三江平原湿地治理和保护和提供一定的理论技术支持。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

黑龙江三江国家级自然保护区位于三江平原东北部，地处黑龙江、乌苏里江交汇处(134°36′12"～134°4′38" E ， 47°44′40"～48°8′20" N) 。三江平原是中国最大的沼泽分布区。湿生和沼生植物主要有小叶章、沼柳(Salix rosmarinifolia)、苔草(Carexspp.)和芦苇等，其中苔草沼泽分布最广，占沼泽总面积的85%左右，其次是芦苇沼泽。土壤类型主要有黑土、白浆土、草甸土以及沼泽土等，其中草甸土和沼泽土分布最广。三江平原属温带湿润、半湿润大陆性季风气候，年降水量500～650 mm，75%～85%的降水集中在6—10月，夏季温暖，雨热同季。

1.2 研究方法

1.2.1 样品采集每个样地随机选取3个1 m×1 m样方，记录样方内植物的种类、数量、高度和盖度等基本信息(表1)。用镰刀沿地径横向收割全部地上生物量称重装袋，并单独收集地上植物的根系，随后在样方内用不锈钢取土钻(总长1 m；钻长50 cm；钻头直径5 cm)获取0～50 cm内的土壤剖面样品，每10 cm为一层，共5层。

表1 各采样点植物的基本信息Table 1 Basic information of plants in different sampling plots

1.2.2 实验方法

(1)植物样本。每个样地取3个样方内同种植物混合，用蒸馏水和去离子水反复清洗植物样本，将根及其以上部分分开，放入烘箱在80℃下杀青2 h，于40℃下干燥。将干燥后样品粉碎并混匀后，准确称取一定质量的样品于聚四氟乙烯坩埚中加热消解至无色，蒸干后加入少量浓HNO3，然后定容待测(杨兵等, 2004; Lutts et al, 2016)。

(2)土壤样本。室内风干土壤，去除根系等植物残体后磨细，过100目筛。然后将样品于聚四氟乙烯坩埚中进行消解，其中Cu和Zn采用HF-HClO4-HCl-HNO3法消解 (GB/T 17138-1997)、Pb采用 HFHClO4-HNO3法 消 解、KI-MIBK萃 取(GB/T 17140-1997)；Mn采用Na2CO3碱熔- HCl提取法(LY/T 1253-1999)；Cr采用HF-HClO4-H2SO4-HNO3法消解(GB/T 17137-1997)，经HNO3酸化和定容，待测。

采用火焰原子吸收法对土样和植物体中的Cu、Pb、Zn、Mn和Cr含量进行测定。

1.2.3 数据分析与处理利用重金属富集系数(BCF)和重金属转移系数(TF)(韦朝阳等, 2000;黄永杰等, 2006; 周雪玲等, 2013)可在一定程度上反映沉积物或土壤中重金属向植物体内迁移的难易程度和植物系统中元素由根部向地上部位转移的难易程度，分别表现了重金属在植物体内的富集情况和植物对重金属的修复能力。

其计算公式分别为：

式中：C植物体指植物体内某一部位(根、茎、叶)的重金属元素浓度(mg/kg)，C土壤指土壤中对应的重金属元素浓度(mg/kg)。

式中：C地上部指植物地上部位(茎和叶)的重金属元素浓度(mg/kg)，C地下部指植物地下部位(根)重金属元素浓度(mg/kg)。

实验所得数据用SPSS 26.0和Excel 2016软件进行分析，每个样地土壤重金属含量为3个重复的算术平均值，计算标准误差(SE)。

用一元方差分析(one-way ANOVA, Duncan analysis)探讨不同土壤样本的重金属含量差异与不同植物对重金属离子Cu、Pb、Zn、Mn和Cr的富集能力，当P＜0.05时认为差异具有显著性。

2 结果与分析

2.1 典型湿地土壤重金属含量

小叶章沼泽土壤Cu、Pb、Zn和Cr含量分别为 56.22 mg/kg、128.30 mg/kg、17.89 mg/kg、37.88 mg/kg，均高于其他两个样地，其中土壤Cu和Pb含量差异显著(P＜0.05)。臌囊苔草沼泽土壤Mn含量为224.16 mg/kg，显著高于其他两个样地(P＜0.05)。小叶章沼泽土壤Cu和Pb含量分别为56.22 mg/kg、128.30 mg/kg，高于国家Ⅰ级土壤质量标准(GB 15618-1995)，存在一定的生态环境风险(图1)。

图1 不同类型样地土壤重金属含量Fig.1 Heavy metal contents in different sampling plots

2.2 典型湿地植物不同部位重金属含量

所有植物地下部位、地上部位Zn含量和地下部位的Cr含量远高于其他重金属含量，其范围分别为135.89～379.83 mg/kg、8.26～59.37 mg/kg(表2)。所有植物地下部位Cu含量差异不显著(P＞0.05)，小叶章沼泽和臌囊苔草沼泽中小叶章的地上部位Cu含量显著高于其他组植物(P＜0.05)。臌囊苔草沼泽中小叶章和臌囊苔草的地下部位Zn、Mn含量差异不显著(P＞0.05)，其他植物地下部位Pb、Zn、Mn和Cr含量差异均达到了显著程度(P＜0.05)；臌囊苔草沼泽和臌囊苔草-小叶章沼泽中臌囊苔草地上部位Pb含量差异不显著(P＞0.05)，其他植物地上部位的Pb、Zn、Mn含量均呈显著性差异(P＜0.05)。臌囊苔草-小叶章沼泽中小叶章的地上部位Cr含量显著高于臌囊苔草沼泽和臌囊苔草-小叶章沼泽中臌囊苔草地上部位(P＜0.05)，其余植物地上部位的Cr含量差异不显著(P＞0.05)。

表2 不同样地植物体内重金属含量表Table 2 Heavy metal content in plants of different sampling plots

2.3 典型湿地植物土壤重金属的富集和转移

3个样地中仅臌囊苔草沼泽中小叶章Cu的富集系数大于1，为1.51。3个样地所有植物Pb和Mn的富集系数均小于1，其范围分别在0.13～0.88和0.03～0.05之间。3个样地所有植物Zn的富集系数均高于1，其中臌囊苔草-小叶章沼泽中小叶章Zn的富集系数高达144.03。臌囊苔草-小叶章沼泽中植物Cr的富集系数低于1，其他两个样地中所有植物Cr的富集系数均高于1(表3)。

3个样地中小叶章仅Cr的转移系数均小于1，转移系数为0.03～0.78，而小叶章其他重金属的转移系数均大于1。臌囊苔草沼泽中柳叶绣线菊Cu的转移系数为1.09，而臌囊苔草Cu、Mn的转移系数分别为1.32、1.67。臌囊苔草-小叶章沼泽中臌囊苔草仅Mn的转移系数大于1，为2.07(表3)。

3 讨论

小叶章沼泽、臌囊苔草沼泽是退耕地，受农药化肥等人为污染的影响较大，样地中Cu、Pb、Zn、Mn、Cr多种重金属含量比天然湿地高。三江平原退耕恢复湿地和天然湿地土壤重金属的研究表明：退耕11 a的恢复湿地土壤Cu、Pb、Zn和Cr含量均显著高于天然湿地(李海兴等, 2018; 2020)。臌囊苔草沼泽中大部分重金属含量低于小叶章沼泽是因为随着退耕时间的延长，土壤中植物根系、微生物群系对重金属不断地降解以及重金属随环境因子产生的形态变化(何池全等, 2003)。

关于超富集植物的评价标准，目前主要包括以下3点：(1)重金属在植物体内的含量需超过一定数值(如 Cu、Pb、Cr为1 000 mg/kg，Zn、Mn为10 000 mg/kg)，或植物体内重金属含量大于普通植物体内重金属含量的10倍以上；(2) 植物对重金属的富集系数需大于1，即植物体内重金属含量高于所生长的土壤重金属含量；(3) 植物对重金属的转移系数大于1，即植物地上部位重金属含量高于地下部位(潘义宏等, 2010; 潘攀等, 2011)。

本研究中所有植物均不符合以上第一个条件，是因为样地土壤重金属含量较低，可供植物吸收的固定重金属含量较少。天然的超富集植物往往生长在一些污染严重的地区(刘威等, 2003; 魏树和等,2008)。试验中6组植物对Cu、Zn和Cr 3种重金属的富集系数均大于1，其中6组植物都显示出对Zn良好的富集能力，臌囊苔草-小叶章沼泽中的小叶章富集系数达到了144.03。因为土壤中积累的Zn存在不同形态，受根系或环境影响并随着时间推移在不同状态之间互相转化，其中易降解的可溶态与交换态含量上升，是被具有一定富集能力的植物吸收产生的结果(薛生国等, 2003)。土壤样品的采样时间也会对金属含量产生影响，有研究表明：Zn含量会随季节的变化出现增加和减少，其中夏季含量最低(黄艺等, 2000)。本研究采样时间为7月，正处于夏季，在今后的工作中应注意季节变化带来的影响。

在重金属转移过程中，所有样地内小叶章中Cr的转移系数均小于1，而小叶章中其他重金属的转移系数均大于1。臌囊苔草在臌囊苔草沼泽中Cu和Mn的转移系数大于1，而在臌囊苔草-小叶章沼泽中Mn的转移系数大于1，柳叶绣线菊仅Cu的转移系数大于1。这是因为植物在吸收土壤中的重金属时，植物地上生物量的总量对吸收值有很大影响，生物量大能够容纳的临界值就越高(郝玉娇等,2010)，小叶章的地上生物量占整株的比重较大，有助于重金属的转移。所有植物体地下部位Cr含量大于地上部位，有研究表明：植物对吸收到根系的重金属通过特定结构、细胞壁的网架结构、主动产生有机酸、谷胱甘肽、植物螯合肽等物质和茎节部位阻拦重金属这些机制的共同作用，阻滞重金属向地上部分转移，以减轻重金属对植物的毒害(梁莉莉等, 2008)。分别对比生长在不同样地的小叶章与臌囊苔草，发现这两种植物在臌囊苔草沼泽中对绝大部分重金属的富集能力都高于小叶章沼泽与臌囊苔草-小叶章沼泽。不同样地温度、pH、土壤理化性质等环境因素对植物吸收能力有影响(刘利等,2015)，臌囊苔草沼泽中植物种数可能会增强植物对重金属的吸收能力。

表3 植物对重金属的转移系数和富集系数Table 3 Bioconcentration and Translocation of heavy metals in plants

4 结论

(1)研究区土壤受Zn和Cr的污染程度较低，受Pb和Cu污染具有一定风险，但6组植物长势良好，说明它们对Pb和Cu具有一定耐性或抗性。

(2)同一样地植物地下部位和地上部位Zn含量和地下部位Cr含量远高于其他重金属含量，小叶章对土壤中的Zn、Cr有较强的富集效应，柳叶绣线菊对土壤中Cu、Zn、Cr有较强的富集效应，而臌囊苔草仅对土壤中Zn有较强的富集效应。小叶章对Cu、Zn、Cr的富集效应强于柳叶绣线菊和臌囊苔草。