李 琦 趙琬婧,3 王 瑜 原 卉 王清波,3 劉成林 李海興,3 孫曉新,3*

(1 黑龍江三江國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理局，黑龍江 撫遠(yuǎn) 156500；2 東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040；3 黑龍江三江平原濕地生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站，黑龍江 撫遠(yuǎn) 156500)

土壤重金屬因其不可降解、移動(dòng)緩慢且具毒性的特性，可直接或間接通過食物鏈威脅糧食安全、生態(tài)系統(tǒng)和人類健康。隨著城市化和工業(yè)化的快速發(fā)展，中國(guó)土壤重金屬污染事故頻發(fā)，其中退耕恢復(fù)濕地土壤重金屬污染已引起國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注(Rahman et al, 2014; 黃明煜等, 2018)。

植物修復(fù)法是現(xiàn)階段普遍推崇的濕地生態(tài)修復(fù)技術(shù)之一，因其費(fèi)用低廉、不會(huì)破壞甚至?xí)纳仆寥览砘再|(zhì)以及具有較高的美學(xué)價(jià)值等優(yōu)點(diǎn)而倍受青睞(Garbisu et al, 2001; 周桑揚(yáng)等, 2016)，但超富集重金屬植物往往存在生物量低、生長(zhǎng)緩慢、修復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)等缺陷以及重金屬?gòu)?fù)合污染的制約(王宏鑌等, 2003)，所以尋找和篩選生物量大、生長(zhǎng)迅速且能夠富集或超富集一種或多種重金屬的植物成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)問題。

現(xiàn)在已發(fā)現(xiàn)的能用于重金屬污染修復(fù)的超富集植物大約有400多種，其中富集銅(Cu)的植物有34種，富集鉛(Pb)的植物有14種(韋朝陽(yáng)等,2000)。有學(xué)者對(duì)濕地優(yōu)勢(shì)植物的富集研究顯示其對(duì)Cu、Pb、鎘(Cd)其中的1種或2種重金屬具有富集能力，且不同植物對(duì)于重金屬的富集表現(xiàn)出明顯的差異性(楊兵等, 2004; 周雪玲等, 2013)。而通過對(duì)水鱉(Hydrocharis dubia)、蘆葦(Phragmites communis)、香蒲(Typha orientalis Presl)等8種植物的研究顯示，植物地下部位與地上部位對(duì)重金屬的富集能力表現(xiàn)出明顯的差別(黃永杰等,2006; 嚴(yán)莉等, 2016)。

目前對(duì)三江平原重金屬方面的研究主要有重金屬的變化及分布(于磊等, 2004; 梁玉凱等,2017; 尚二萍等, 2018)和污染評(píng)價(jià)(周濤等,2018; 王春勇等, 2019; 王輝等, 2019)，而對(duì)三江平原典型濕地植物重金屬富集的研究較少(王金達(dá)等, 2003; 劉汝海等, 2004)。

以黑龍江三江自然保護(hù)區(qū)濕地典型植物作為研究對(duì)象，分析臌囊苔草(Carex schmidti)、小葉章(Deyeuxia angustifolia)、柳葉繡線菊(Spiraea salicifolia)(張喜祥等, 2003)中Cu、Pb、鋅(Zn)、錳(Mn)、鉻(Cr)的含量，并與土壤中同種重金屬濃度進(jìn)行對(duì)比，探討不同植物對(duì)重金屬的富集效應(yīng)和去除效率，篩選適合三江平原土壤污染特點(diǎn)且具有較廣適應(yīng)性的重金屬超富集濕地植物，以期為三江平原濕地治理和保護(hù)和提供一定的理論技術(shù)支持。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

黑龍江三江國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)位于三江平原東北部，地處黑龍江、烏蘇里江交匯處(134°36′12"～134°4′38" E ， 47°44′40"～48°8′20" N) 。三江平原是中國(guó)最大的沼澤分布區(qū)。濕生和沼生植物主要有小葉章、沼柳(Salix rosmarinifolia)、苔草(Carexspp.)和蘆葦?shù)?，其中苔草沼澤分布最廣，占沼澤總面積的85%左右，其次是蘆葦沼澤。土壤類型主要有黑土、白漿土、草甸土以及沼澤土等，其中草甸土和沼澤土分布最廣。三江平原屬溫帶濕潤(rùn)、半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，年降水量500～650 mm，75%～85%的降水集中在6—10月，夏季溫暖，雨熱同季。

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集每個(gè)樣地隨機(jī)選取3個(gè)1 m×1 m樣方，記錄樣方內(nèi)植物的種類、數(shù)量、高度和蓋度等基本信息(表1)。用鐮刀沿地徑橫向收割全部地上生物量稱重裝袋，并單獨(dú)收集地上植物的根系，隨后在樣方內(nèi)用不銹鋼取土鉆(總長(zhǎng)1 m；鉆長(zhǎng)50 cm；鉆頭直徑5 cm)獲取0～50 cm內(nèi)的土壤剖面樣品，每10 cm為一層，共5層。

表1 各采樣點(diǎn)植物的基本信息Table 1 Basic information of plants in different sampling plots

1.2.2 實(shí)驗(yàn)方法

(1)植物樣本。每個(gè)樣地取3個(gè)樣方內(nèi)同種植物混合，用蒸餾水和去離子水反復(fù)清洗植物樣本，將根及其以上部分分開，放入烘箱在80℃下殺青2 h，于40℃下干燥。將干燥后樣品粉碎并混勻后，準(zhǔn)確稱取一定質(zhì)量的樣品于聚四氟乙烯坩堝中加熱消解至無色，蒸干后加入少量濃HNO3，然后定容待測(cè)(楊兵等, 2004; Lutts et al, 2016)。

(2)土壤樣本。室內(nèi)風(fēng)干土壤，去除根系等植物殘?bào)w后磨細(xì)，過100目篩。然后將樣品于聚四氟乙烯坩堝中進(jìn)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堿熔- HCl提取法(LY/T 1253-1999)；Cr采用HF-HClO4-H2SO4-HNO3法消解(GB/T 17137-1997)，經(jīng)HNO3酸化和定容，待測(cè)。

采用火焰原子吸收法對(duì)土樣和植物體中的Cu、Pb、Zn、Mn和Cr含量進(jìn)行測(cè)定。

1.2.3 數(shù)據(jù)分析與處理利用重金屬富集系數(shù)(BCF)和重金屬轉(zhuǎn)移系數(shù)(TF)(韋朝陽(yáng)等, 2000;黃永杰等, 2006; 周雪玲等, 2013)可在一定程度上反映沉積物或土壤中重金屬向植物體內(nèi)遷移的難易程度和植物系統(tǒng)中元素由根部向地上部位轉(zhuǎn)移的難易程度，分別表現(xiàn)了重金屬在植物體內(nèi)的富集情況和植物對(duì)重金屬的修復(fù)能力。

其計(jì)算公式分別為：

式中：C植物體指植物體內(nèi)某一部位(根、莖、葉)的重金屬元素濃度(mg/kg)，C土壤指土壤中對(duì)應(yīng)的重金屬元素濃度(mg/kg)。

式中：C地上部指植物地上部位(莖和葉)的重金屬元素濃度(mg/kg)，C地下部指植物地下部位(根)重金屬元素濃度(mg/kg)。

實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)用SPSS 26.0和Excel 2016軟件進(jìn)行分析，每個(gè)樣地土壤重金屬含量為3個(gè)重復(fù)的算術(shù)平均值，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)誤差(SE)。

用一元方差分析(one-way ANOVA, Duncan analysis)探討不同土壤樣本的重金屬含量差異與不同植物對(duì)重金屬離子Cu、Pb、Zn、Mn和Cr的富集能力，當(dāng)P＜0.05時(shí)認(rèn)為差異具有顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 典型濕地土壤重金屬含量

小葉章沼澤土壤Cu、Pb、Zn和Cr含量分別為 56.22 mg/kg、128.30 mg/kg、17.89 mg/kg、37.88 mg/kg，均高于其他兩個(gè)樣地，其中土壤Cu和Pb含量差異顯著(P＜0.05)。臌囊苔草沼澤土壤Mn含量為224.16 mg/kg，顯著高于其他兩個(gè)樣地(P＜0.05)。小葉章沼澤土壤Cu和Pb含量分別為56.22 mg/kg、128.30 mg/kg，高于國(guó)家Ⅰ級(jí)土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB 15618-1995)，存在一定的生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)(圖1)。

圖1 不同類型樣地土壤重金屬含量Fig.1 Heavy metal contents in different sampling plots

2.2 典型濕地植物不同部位重金屬含量

所有植物地下部位、地上部位Zn含量和地下部位的Cr含量遠(yuǎn)高于其他重金屬含量，其范圍分別為135.89～379.83 mg/kg、8.26～59.37 mg/kg(表2)。所有植物地下部位Cu含量差異不顯著(P＞0.05)，小葉章沼澤和臌囊苔草沼澤中小葉章的地上部位Cu含量顯著高于其他組植物(P＜0.05)。臌囊苔草沼澤中小葉章和臌囊苔草的地下部位Zn、Mn含量差異不顯著(P＞0.05)，其他植物地下部位Pb、Zn、Mn和Cr含量差異均達(dá)到了顯著程度(P＜0.05)；臌囊苔草沼澤和臌囊苔草-小葉章沼澤中臌囊苔草地上部位Pb含量差異不顯著(P＞0.05)，其他植物地上部位的Pb、Zn、Mn含量均呈顯著性差異(P＜0.05)。臌囊苔草-小葉章沼澤中小葉章的地上部位Cr含量顯著高于臌囊苔草沼澤和臌囊苔草-小葉章沼澤中臌囊苔草地上部位(P＜0.05)，其余植物地上部位的Cr含量差異不顯著(P＞0.05)。

表2 不同樣地植物體內(nèi)重金屬含量表Table 2 Heavy metal content in plants of different sampling plots

2.3 典型濕地植物土壤重金屬的富集和轉(zhuǎn)移

3個(gè)樣地中僅臌囊苔草沼澤中小葉章Cu的富集系數(shù)大于1，為1.51。3個(gè)樣地所有植物Pb和Mn的富集系數(shù)均小于1，其范圍分別在0.13～0.88和0.03～0.05之間。3個(gè)樣地所有植物Zn的富集系數(shù)均高于1，其中臌囊苔草-小葉章沼澤中小葉章Zn的富集系數(shù)高達(dá)144.03。臌囊苔草-小葉章沼澤中植物Cr的富集系數(shù)低于1，其他兩個(gè)樣地中所有植物Cr的富集系數(shù)均高于1(表3)。

3個(gè)樣地中小葉章僅Cr的轉(zhuǎn)移系數(shù)均小于1，轉(zhuǎn)移系數(shù)為0.03～0.78，而小葉章其他重金屬的轉(zhuǎn)移系數(shù)均大于1。臌囊苔草沼澤中柳葉繡線菊Cu的轉(zhuǎn)移系數(shù)為1.09，而臌囊苔草Cu、Mn的轉(zhuǎn)移系數(shù)分別為1.32、1.67。臌囊苔草-小葉章沼澤中臌囊苔草僅Mn的轉(zhuǎn)移系數(shù)大于1，為2.07(表3)。

3 討論

小葉章沼澤、臌囊苔草沼澤是退耕地，受農(nóng)藥化肥等人為污染的影響較大，樣地中Cu、Pb、Zn、Mn、Cr多種重金屬含量比天然濕地高。三江平原退耕恢復(fù)濕地和天然濕地土壤重金屬的研究表明：退耕11 a的恢復(fù)濕地土壤Cu、Pb、Zn和Cr含量均顯著高于天然濕地(李海興等, 2018; 2020)。臌囊苔草沼澤中大部分重金屬含量低于小葉章沼澤是因?yàn)殡S著退耕時(shí)間的延長(zhǎng)，土壤中植物根系、微生物群系對(duì)重金屬不斷地降解以及重金屬隨環(huán)境因子產(chǎn)生的形態(tài)變化(何池全等, 2003)。

關(guān)于超富集植物的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，目前主要包括以下3點(diǎn)：(1)重金屬在植物體內(nèi)的含量需超過一定數(shù)值(如 Cu、Pb、Cr為1 000 mg/kg，Zn、Mn為10 000 mg/kg)，或植物體內(nèi)重金屬含量大于普通植物體內(nèi)重金屬含量的10倍以上；(2) 植物對(duì)重金屬的富集系數(shù)需大于1，即植物體內(nèi)重金屬含量高于所生長(zhǎng)的土壤重金屬含量；(3) 植物對(duì)重金屬的轉(zhuǎn)移系數(shù)大于1，即植物地上部位重金屬含量高于地下部位(潘義宏等, 2010; 潘攀等, 2011)。

本研究中所有植物均不符合以上第一個(gè)條件，是因?yàn)闃拥赝寥乐亟饘俸枯^低，可供植物吸收的固定重金屬含量較少。天然的超富集植物往往生長(zhǎng)在一些污染嚴(yán)重的地區(qū)(劉威等, 2003; 魏樹和等,2008)。試驗(yàn)中6組植物對(duì)Cu、Zn和Cr 3種重金屬的富集系數(shù)均大于1，其中6組植物都顯示出對(duì)Zn良好的富集能力，臌囊苔草-小葉章沼澤中的小葉章富集系數(shù)達(dá)到了144.03。因?yàn)橥寥乐蟹e累的Zn存在不同形態(tài)，受根系或環(huán)境影響并隨著時(shí)間推移在不同狀態(tài)之間互相轉(zhuǎn)化，其中易降解的可溶態(tài)與交換態(tài)含量上升，是被具有一定富集能力的植物吸收產(chǎn)生的結(jié)果(薛生國(guó)等, 2003)。土壤樣品的采樣時(shí)間也會(huì)對(duì)金屬含量產(chǎn)生影響，有研究表明：Zn含量會(huì)隨季節(jié)的變化出現(xiàn)增加和減少，其中夏季含量最低(黃藝等, 2000)。本研究采樣時(shí)間為7月，正處于夏季，在今后的工作中應(yīng)注意季節(jié)變化帶來的影響。

在重金屬轉(zhuǎn)移過程中，所有樣地內(nèi)小葉章中Cr的轉(zhuǎn)移系數(shù)均小于1，而小葉章中其他重金屬的轉(zhuǎn)移系數(shù)均大于1。臌囊苔草在臌囊苔草沼澤中Cu和Mn的轉(zhuǎn)移系數(shù)大于1，而在臌囊苔草-小葉章沼澤中Mn的轉(zhuǎn)移系數(shù)大于1，柳葉繡線菊僅Cu的轉(zhuǎn)移系數(shù)大于1。這是因?yàn)橹参镌谖胀寥乐械闹亟饘贂r(shí)，植物地上生物量的總量對(duì)吸收值有很大影響，生物量大能夠容納的臨界值就越高(郝玉嬌等,2010)，小葉章的地上生物量占整株的比重較大，有助于重金屬的轉(zhuǎn)移。所有植物體地下部位Cr含量大于地上部位，有研究表明：植物對(duì)吸收到根系的重金屬通過特定結(jié)構(gòu)、細(xì)胞壁的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、主動(dòng)產(chǎn)生有機(jī)酸、谷胱甘肽、植物螯合肽等物質(zhì)和莖節(jié)部位阻攔重金屬這些機(jī)制的共同作用，阻滯重金屬向地上部分轉(zhuǎn)移，以減輕重金屬對(duì)植物的毒害(梁莉莉等, 2008)。分別對(duì)比生長(zhǎng)在不同樣地的小葉章與臌囊苔草，發(fā)現(xiàn)這兩種植物在臌囊苔草沼澤中對(duì)絕大部分重金屬的富集能力都高于小葉章沼澤與臌囊苔草-小葉章沼澤。不同樣地溫度、pH、土壤理化性質(zhì)等環(huán)境因素對(duì)植物吸收能力有影響(劉利等,2015)，臌囊苔草沼澤中植物種數(shù)可能會(huì)增強(qiáng)植物對(duì)重金屬的吸收能力。

表3 植物對(duì)重金屬的轉(zhuǎn)移系數(shù)和富集系數(shù)Table 3 Bioconcentration and Translocation of heavy metals in plants

4 結(jié)論

(1)研究區(qū)土壤受Zn和Cr的污染程度較低，受Pb和Cu污染具有一定風(fēng)險(xiǎn)，但6組植物長(zhǎng)勢(shì)良好，說明它們對(duì)Pb和Cu具有一定耐性或抗性。

(2)同一樣地植物地下部位和地上部位Zn含量和地下部位Cr含量遠(yuǎn)高于其他重金屬含量，小葉章對(duì)土壤中的Zn、Cr有較強(qiáng)的富集效應(yīng)，柳葉繡線菊對(duì)土壤中Cu、Zn、Cr有較強(qiáng)的富集效應(yīng)，而臌囊苔草僅對(duì)土壤中Zn有較強(qiáng)的富集效應(yīng)。小葉章對(duì)Cu、Zn、Cr的富集效應(yīng)強(qiáng)于柳葉繡線菊和臌囊苔草。