模拟砷污染湖滨湿地水位变化和水体扰动对狭叶香蒲积累转运砷的影响

王玉莹，杨桂英，呼 唤，李丹蕾，刘云根

(西南林业大学 生态与环境学院，云南 昆明 650224)

砷是一种有毒的类金属元素，是环境污染的五大重金属污染物之一，在环境保护标准中，被列为第1类污染物[1].砷广泛分布于自然界，因其与磷元素具有相似的化学性质，故易被细胞吸收导致中毒，其通过食物链累积，对人类健康构成严重威胁[2].近年来，由于采矿冶炼、含砷废水排放等人类活动，导致环境砷污染现状日益加剧[3].中国是世界上砷污染最严重的国家之一，有超过200万人饮用水受到砷污染威胁[4-5]，诸如湘江、沘江、大沙河、阳宗海、大屯海、柴石滩等湖泊、河流水体因砷污染问题而被广泛关注[6-7]，因此砷污染问题是中国环境污染治理的重点问题之一.

湖滨湿地是湖泊的水陆交错区域，在拦截陆源污染、净化湖泊水质等方面有着非常重要的作用[8].在砷污染的湖滨湿地内，修复重金属污染的方法有很多[9]，如物理修复、化学修复、生物修复等，其中植物修复污染具有经济有效、环境友好和操作简便等特点[10]，是治理水土砷污染较为科学的方法.植物生物量和富集系数等直接影响植物修复污染环境的效果，香蒲作为一种适应性强的工程植物已被广泛应用于水生污染环境的修复.狭叶香蒲是湿地常见的大型挺水植物，易于收割，且对多种重金属耐性较强.关于湿地挺水植物在重金属富集特性以及影响水生植物累积重金属的因素方面已有较多研究，且主要集中在水生植物对重金属累积量大小比较、暴露时间和浓度差异等对植物积累重金属的影响以及根-土界面化学因子对植物吸附、吸收、积累和转运重金属的影响等方面[9,11-13]，但关于湖滨湿地频繁变化的环境因子对大型湿地植物累积砷的影响研究相对较少.

1 材料与方法

1.1 供试材料供试植物为狭叶香蒲（Typha angustifoliaL.），是多年生草本植物，可湿生、沼生、水生.植株高大，根系发达，是湿地典型的挺水植物之一.供试植物取自云南省昆明市石林育苗基地，选择生长状况一致的幼苗作为供试材料.

供试底泥取自昆明东大沟河滨带（底泥砷背景值为8.5 mg/kg），将底泥样品采回后，自然风干，粉碎，装入黑色聚乙烯塑料桶内（高42 cm，内口径44 cm，外口径48 cm，底径32 cm），每桶装入20 kg底泥，通过外源添加Na2HAsO4·7H2O得到砷质量比为300 mg/kg（以As计）的污染底泥，加水淹没，搅拌均匀后放置2个月自然老化以模拟阳宗海湖滨湿地底泥[15]，用于后续植物种植试验.

1.2 研究方法

1.2.1 试验设计在半控制试验场地进行模拟扰动和水位变化的实验，试验区设置遮雨棚，非雨天均采用自然光照.

试验通过设置不同的上覆水深度和不同扰动强度的搅动装置来模拟自然湖滨带湿地环境中水位涨落和风浪扰动，试验分别设置无水位、低水位和高水位3个水位梯度以及无扰动、低程度扰动和高程度扰动3不同扰动程度，共6种试验条件，不同扰动处理时控制上覆水深度一致（20 cm）.每桶内等距栽种6株生长状况一致（高度均为30 cm）的狭叶香蒲幼苗.参考滇中高原湖泊水位多年变化的研究结果以及湖滨带水位涨落实际监测情况[16]，设置无水位（对照）为上覆水深度0 cm，低水位为上覆水深度10 cm，高水位为上覆水深度20 cm；根据搅动装置功率计算来控制水浪扰动程度，经计算，低程度扰动设置出气量为20 L/min，高程度搅动装置设置出气量为40 L/min.本试验于2019年4月25日开始移栽狭叶香蒲幼苗，2019年10月26日进行样品采集，在整个试验周期，将搅动装置置于上覆水表层，进行间歇搅动，搅动时间为每日15:00—18:00.

1.2.2 样品采集采集整株植物及底泥样品，将狭叶香蒲样品从培养桶中整株移取后，先用自来水小心清洗植物根部底泥，然后用超纯水洗净植株，用滤纸吸去植株外部水分，测定植株生长指标.用不锈钢剪刀把植株地下部分和地上部分分开，装入牛皮纸袋，在105℃下杀青0.5 h，75℃烘干至恒重，所有样品烘干后用粉碎机打碎，过40目筛子（孔径0.425 mm），装入聚乙烯自封袋密封保存备用.

将采集好的底泥样品置于风干盘中，铺成2～3 cm的薄层，适时压碎、翻动，拣出碎石、植物残体.用木棒研压，然后去除杂物，粉碎，充分混匀，过100目筛（孔径0.15 mm）后，装入聚乙烯自封袋密封保存备用.

首先，词汇问题。1.学生不识字、识字不准、识字不全、词性不清、词义不知，构词不熟以及短语、习语意思不清等导致阅读理解障碍；2.试题中的熟词生义、熟词新义、一词多义、熟词活义、一词多词性、同义近义转化等词汇现象，直接导致阅读材料文字难度增大。所以阅读的关键在于词汇。

1.2.3 样品测定植物总砷质量比采用HNO3-HCLO4消解，AFS-8X双道氧化物发生原子荧光分光光度计(北京天吉公司)测定；土壤总砷含量采用王水-高氯酸法消解，AFS-8X双道氧化物发生原子荧光分光光度计(北京天吉公司)测定.

生物富集系数（BCF）是植物吸收重金属能力大小的评价指标，可以反映土壤-植物体系中重金属由土壤向植物体迁移的难易程度，地下部分富集系数计算公式为：

式中，wg为狭叶香蒲地下部分砷质量比，g/kg；ws为底泥中砷质量比，mg/kg.

转运系数（TF）是植物地上部重金属质量比与地下部重金属质量比的比值，反映植物体不同部位对重金属转运能力和吸收能力的差异，计算公式为：

式中，wa为狭叶香蒲地上部砷质量比，mg/kg；wg为狭叶香蒲地下部分砷质量比，mg/kg.

1.3 数据分析采用Microsoft Excel 2007和Origin 2018进行数据分析和作图，SPSS 24.0进行单因素方差分析.

2 结果与分析

2.1 不同水位和扰动条件下狭叶香蒲的生物量及其分配特征生物量是植物获取环境资源的响应指标，植物将生物量分配给不同部位是其生物学特性的一个基本方面[17].植物的地上部分易于收割，因而植物的生物量分配格局直接影响植物修复重金属污染土壤的效果.图1为不同水位和不同扰动程度下狭叶香蒲不同部位生物量占比.由图1（a）可知，狭叶香蒲地上部分和地下部分总生物量在低水位处理下最高，其次是高水位处理，无水位处理下最低.狭叶香蒲生物量对地上部分的分配随着水位的升高而显著增加，地上部位生物量占比在低水位和高水位条件相较于无水位条件分别增加了18.42%和50.00%.对地下部位的分配则随水位升高而显著减少，呈现出逐渐向地上部分转移的趋势，与无水位相比，有水位对地上部分生物量占比存在促进作用.由图1（b）可知，在不同扰动处理下地上部分和地下部分总生物量随扰动强度增强而减少.不同扰动程度下，低程度扰动相比无扰动条件地上部分生物量占比降低了9.02%，而高程度扰动相较于无扰动条件地上部分生物量占比增加了15.51%.与无扰动相比，低程度扰动促进了地上部分生物量占比，而高程度扰动则抑制了地上部分生物量占比.

图1 不同水位（a）和扰动（b）条件下狭叶香蒲不同部位生物量占比Fig.1 Biomass proportions of different parts of T.angustifolia under different water levels（a）and wave-disturbances（b）

2.2 不同水位条件下砷在狭叶香蒲内的累积和转运特征图2和表1分别为不同水位处理下狭叶香蒲不同部位砷质量比、富集系数和转运系数.图2显示，所有水位处理下，砷主要积累在狭叶香蒲的地下部分，约为地上部分的30～80倍.地上部分砷质量比在无水位处理下最高，为6.23±0.63 mg/kg，相比无水位条件，在有水位时显著减少了20.22%，在低水位和高水位条件下，砷质量比变化不显著；而地下部分砷质量比在无水位和低水位条件下没有显著变化，在高水位条件下砷质量比最高，为336.29±26.61 mg/kg，相比低水位条件下显著增加了62.20%.说明水位增加不利于地上部位积累砷；相比无水位和低水位条件，高水位促进地下部分吸收砷.

图2 不同水位下狭叶香蒲不同部位的砷质量比Fig.2 Arsenic content in different parts of T.angustifolia under different water levels treatment

表1 不同水位下狭叶香蒲的富集、转运系数及砷积累量Tab.1 Bioconcentration, transport factor and arsenic accumulation of T.angustifolia at different water levels

由表1可知，狭叶香蒲的富集系数和转运系数在无水位和低水位条件下均无显著变化，在高水位处理下富集系数最大，与低水位条件相比显著提高了67.27%，而转运系数在高水位时最小，显著下降了66.67%，说明水位增加促进了砷在植物根部的积累.在有水位的处理下，地上部分和地下部分的砷含量均显著增加，水位有利于狭叶香蒲积累砷.

2.3 不同扰动条件下狭叶香蒲内砷累积转运特征不同扰动条件下狭叶香蒲不同部位砷质量比、富集系数和转运系数如图3、表2所示.图3显示，所有扰动处理下，砷主要积累在地下部分，其砷质量比约为地上部分的20～70倍.不同扰动程度下地下部分砷质量比没有显著变化，其范围在（96.40±38.03）～（6.29±31.12）g/kg；在无扰动和低程度扰动条件下，地上部分砷质量比变化不显著，在高程度扰动下地上部分砷质量比相较于低程度扰动则显著增加，增加了135.88%.相比于无扰动和低程度扰动，高程度扰动显著促进狭叶香蒲地上部分砷的积累.

图3 不同扰动程度下狭叶香蒲不同部位的砷质量比Fig.3 Arsenic content in different parts of T.angustifolia under different disturbance degree

由表2可知，狭叶香蒲的富集系数则是在无扰动和高程度扰动条件下无显著变化，低程度扰动下富集系数最小，相对于无扰动和高程度扰动条件下降低了22.83%；转运系数随扰动程度的增强而增加，高程度扰动相比于低程度扰动条件下则显著增加了近1倍.随着扰动程度的增加，地上部分的砷积累量在低程度下显著减少，在高程度下显著增加；而地下部分却显著减少，砷主要集中在根系中，狭叶香蒲砷积累总量随扰动程度的增加而减少.

表2 不同扰动程度下狭叶香蒲的富集、转运系数及砷积累量Tab.2 Bioconcentration,transport factor and arsenic accumulation of T.angustifolia at different disturbance levels

2.4 不同水位和扰动条件对狭叶香蒲不同部位磷/砷物质的量比（P/As）的影响磷和砷同为第Ⅴ主族元素，化学性质相似，磷和砷会竞争植物根系细胞的吸附点位，故植物体内磷和砷的比例变化也能反映植物积累砷的情况.在不同的水位处理下狭叶香蒲地上部分和地下部分磷质量比分别为1 761.23～2 179.41 mg/kg和2 160.72～2 404.31 mg/kg，在不同扰动处理下分别为1 697.61～2 064.31 mg/kg和2 053.79～2 153.81 mg/kg，狭叶香蒲地上部分和地下部分的磷质量比在不同水位和不同扰动处理下变化均不显著.表3为不同水位和扰动下狭叶香蒲地上和地下部分的磷/砷物质的量比（P/As）.在不同水位条件下，地上部分P/As随水位升高而显著增加，地下部分P/As在高水位时相比无水位显著降低；不同扰动程度下地下部分P/As没有显著变化，地上部分P/As则随扰动程度的增强而显著降低. 说明高水位条件更有利于植物地下部分对砷的积累，而随着扰动程度的增强更利于地上部分对砷的积累.

表3 不同水位和扰动下狭叶香蒲不同部位磷/砷物质的量比（P/As）Tab.3 The molar ratio between phosphorus and arsenic in different parts of T.angustifolia under different water levels and disturbances

3 讨论

3.1 不同水位对砷积累和转运的影响在不同水位条件下，狭叶香蒲地上部分累积的砷质量比差异显著（P<0.05），其累积的砷质量比有如下规律：无水位>低水位≈高水位；地下部分累积的砷质量比差异显著（P<0.05），其砷质量比变化规律为无水位≈低水位<高水位.高水位淹水条件下，溶解氧含量下降，土壤处于厌氧状态，土壤中含铁矿物表面特异性吸附的砷可能会由于还原作用被释放出来，使得土壤中砷的溶解度升高，有效态砷增加[18]，因而狭叶香蒲根系砷含量增加.此外，磷的存在会影响植物对砷的吸收且进一步影响砷在植物体内的迁移转化[19].砷酸盐与磷酸盐在土壤胶体上可以互相代替，通过置换被吸附，磷在土壤中与砷之间的竞争作用主要发生在非特异性吸附点位上，而一些专性吸附点位对磷酸盐和砷酸盐的吸附具有选择性.当水位发生变化时，土壤中不同形态的砷发生相互转化，砷形态的改变可能会影响砷在土壤中的吸附，从而导致植物体内磷砷比例发生变化[20-21].本文中，相比无水位条件下，有水位时植物地下部分P/As显著降低，与陈丽娜[20]的研究结果类似，表现为在高水位时植物地下部分砷质量比最大.

有研究显示香蒲生长的适宜水深为30 cm[22]，因此在无水位条件下需要更多的能量权衡用于根系部分吸收养分，导致狭叶香蒲生物量分配倾向于地下部分（图1（a））.随着水位升高，根系部分的营养物质转移至地上部分以保证繁殖器官所需，植株生物量分配格局呈现出逐渐向地上部分转移的趋势，同时P/As随水位上升显著增加.对于非砷超富集植物而言，从地下部分转运到地上部分的砷一般只占吸收的总砷的10%～30%[23-24].任伟等[25]研究发现香蒲可以通过根部对砷的吸收富集把砷阻隔在地下部分，进而降低对植物地上部的危害度.从地下部分向地上部分转运受限的原因可能是植物吸收的大部分As（Ⅴ）（57%～100%）被快速地还原为As（Ⅲ）后，As（Ⅲ）与硫醇螯合并封存在根部液泡所致[26].目前，研究者一致认为地下部分转运到地上部分的主要形态是As（Ⅲ），只有少量的As（Ⅴ）被直接转运到地上部分.即使植物暴露于As（Ⅴ），As（Ⅲ）依然是地上部砷的主要形态[27].在无水位时，地上部分砷含量相对其他水位显著增加，可能是因为在地下部分发生的As（Ⅴ）还原反应受限，大多数As（Ⅴ）通过磷转运子从木质部转运到了地上部分[28].

3.2 不同扰动程度对砷积累和转运的影响在不同扰动条件下，狭叶香蒲地上部分砷质量比差异显著（P<0.05），其累积的砷为无扰动≈低程度扰动<高程度扰动；而扰动程度对地下部分积累砷影响不显著.狭叶香蒲砷富集系数在高程度扰动时显著高于低程度扰动，转运系数则表现为高程度扰动显著高于低程度扰动和无扰动.风浪扰动作用会改变重金属在水-底泥颗粒中的分配平衡，使原本吸附或结合于底泥颗粒物中的重金属得到释放进入水体，从而提高重金属的生物可利用性[29].池俏俏等[30]研究发现水体中的Al、Fe、Co、Cr、Pb和Ni等重金属的可提取态含量随着风浪扰动程度的增强出现不同程度的增大，而悬浮物中这些重金属含量在中风浪扰动下最低，在小风浪扰动时最高.在进一步对扰动程度量化的研究[31]中发现，水体中总砷和悬浮物砷含量在低于1.8 m/s的小风浪扰动时均小于大风浪扰动，风浪扰动作用可以降低悬浮物吸附砷的能力，以至于促使砷在悬浮物中的释放，进而使水体中的溶解态砷增加[30]，因而狭叶香蒲砷富集系数在低程度扰动时显著小于高程度扰动这一结果可由此机理得以解释.

随着扰动程度的增强，雷阳等[32]研究发现上覆水中重金属含量呈上升趋势，Kalnejais等[33]同样发现当扰动导致沉积物再悬浮后，扰动使得上覆水体中重金属含量增加，狭叶香蒲根系再生长过程中会快速且大量吸收底泥-水环境中矿物元素，其中砷也被大量吸收富集在根部[23]，导致地下部分的砷含量显著高于地上部分（图3）.在本研究中狭叶香蒲地下部分砷质量比在不同扰动程度下无显著变化，其原因可能是，在高程度扰动处理下，水体溶解氧增加[34]，从而使植物生长出大量须根，内部结构也发育出大量由薄壁细胞组成的通气组织[35]，增强了无机盐吸收能力，同时表现为地上部分生物量积累增大（图1（b）），促使砷从地下部分向地上部分转运.

狭叶香蒲可在大部分砷污染湖滨湿地底泥中生长，具有较强的耐受性.研究表明[25]狭叶香蒲可在砷质量比150 mg/kg以下的土壤中健康生长，在砷质量比高于600 mg/kg的土壤中毒害效应显现，处于生长抑制，而中国水体表层底泥中As质量比为4.0～980.6 mg/kg[36].因此，在治理砷污染湖滨湿地中，狭叶香蒲具有一定的潜在应用价值.尽管不同水位和扰动条件下狭叶香蒲的转运系数较小，仅0.01～0.05（表2），但因其具有较大的生物量，在一定条件下（砷质量比300 mg/kg）狭叶香蒲对砷提取总量可达到18.21～40.69 mg/株.因此，在开展砷污染底泥的植物修复时，建议将根系一起移除以实现最大效率的修复.

4 结论

不同水位和扰动下狭叶香蒲生物量分配差异显著，高水位和高程度扰动时地上部分生物量分配比例最大；砷主要累积在香蒲的根部，地下部分砷含量是地上部分的20～80倍；在高水位时狭叶香蒲富集系数最高而转运系数最低；转运系数在高程度扰度时相较于其他扰动处理时最大，但在高水位和高扰动条件下狭叶香蒲砷积累总量最大，更利于狭叶香蒲积累砷.