陳澄，曲豪杰，胡力，陳光才*

（1.杭州市富陽區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，浙江杭州 311400；2.中國林業(yè)科學(xué)研究院亞熱帶林業(yè)研究所，浙江杭州 311400；3.浙江墨泉生態(tài)建設(shè)有限公司，浙江杭州 311215）

近年來我國土壤重金屬污染受到極大關(guān)注，高濃度土壤重金屬具有較高毒性［1］,導(dǎo)致土壤質(zhì)量下降、農(nóng)作物減產(chǎn)、農(nóng)產(chǎn)品重金屬濃度超標(biāo)，影響生態(tài)系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定［2-3］。重金屬是不可被生物所降解的，因此進(jìn)入食物鏈的重金屬會積累在動植物體內(nèi)，最終會威脅到人類的健康和生存，給社會可持續(xù)發(fā)展造成嚴(yán)重威脅［4］。植物修復(fù)是利用植物來轉(zhuǎn)移、容納或轉(zhuǎn)化土壤中污染物的技術(shù)，具有新穎、經(jīng)濟、高效、環(huán)保、原位修復(fù)等特點［5-6］。其中，利用超積累植物消除土壤中的重金屬是最常用的修復(fù)方式［7-9］。然而，不同植物對生長環(huán)境的適應(yīng)能力各異，污染土壤中原生草本植物通常對當(dāng)?shù)氐臍夂蚝屯寥谰哂休^好的適應(yīng)性，能夠維持較好的生長勢頭，保持較高的生物量，常常表現(xiàn)出優(yōu)于特定超積累植物的潛力［8］。此外，根據(jù)《農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)》（GB 15618—2018），土壤重金屬超過風(fēng)險管控值的土壤，需要退耕還林/還草，以控制污染物的擴散帶來的生態(tài)風(fēng)險。在營建重金屬重度污染地生態(tài)修復(fù)林時，需要開展喬草結(jié)合的植物配置，以形成較好的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提升生態(tài)修復(fù)林的生態(tài)穩(wěn)定性。鑒于此，本研究以杭州市某地重金屬污染嚴(yán)格管控區(qū)生態(tài)修復(fù)幼林地為研究區(qū)域，研究了林下出現(xiàn)頻率較高的8種草本植物及其根際土壤的重金屬含量，采用生物富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運系數(shù)對植物的重金屬富集和轉(zhuǎn)運能力進(jìn)行了評價，旨在篩選出對重金屬具有較強富集能力的草本植物，為構(gòu)建喬-草結(jié)合的生態(tài)修復(fù)林提供候選植物材料。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

本研究在杭州市富陽區(qū)重金屬污染嚴(yán)格管控區(qū)開展，土壤pH值在7.49～8.03，2018年營建納塔櫟、楓香、黃連木、麻櫟、青岡、水紫樹、白櫟為主的生態(tài)修復(fù)林，林地尚未郁閉，于2019年6月調(diào)查林下草本植被，隨機采集8種林下草本植物（表1），每種植物采集3株，用鐵鍬挖出植物的完整根系，抖下根系附著比較松散的土壤，然后用毛刷刷下根系附著的土壤作為根際土［10］。

表1 研究區(qū)域主要草本植物種類Table 1 Main herbaceous plant species in the study area

1.2 試樣分析

將采集好的植物樣品帶回實驗室，先用自來水沖洗以去除粘附于植物樣品上的泥土和污物，然后用純水沖洗3次，瀝干并于105℃殺青，之后在70℃下烘干至恒重。烘干后的植物樣品進(jìn)行剪碎，用球磨機（Retsch MM400，GER）磨碎，過0.149 mm篩后的樣品用來測定重金屬含量；將采集好的的土壤樣品進(jìn)行自然風(fēng)干，揀出磚頭、石塊、雜草等雜質(zhì)，用木棒碾碎后過0.149 mm篩，消解后用來測定重金屬（Cd、Zn、Pb、Cu）含量。

土壤樣品采用王水（鹽酸∶硝酸為3∶1）進(jìn)行消解，植物樣品用硝酸-雙氧水（硝酸∶雙氧水=5∶2）消解，經(jīng)消解后土壤和植物樣品用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS，Perkin elemer NexION300D，USA）和電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP-AES，ThermoFisher CAP 7400，Germany）測定重金屬含量。

1.3 評價方法

生物富集系數(shù)可反映植物對重金屬的富集能力［11］，針對單一重金屬污染，計算公式如下：

式中，C?arvested tissue為目標(biāo)部位重金屬含量；Csoil為土壤重金屬含量。

針對多重金屬污染，可以采用綜合生物富集指數(shù)(CBCI)計算植物對重金屬的綜合富集能力［12］，公式如下：

式中，x為重金屬的地上部生物富集系數(shù)，xmin和xmax分別是每種重金屬中富集系數(shù)最小值和最大值，N為重金屬總數(shù)，ui為u(x)中的元素i。

轉(zhuǎn)移系數(shù)可反映植物對重金屬的富集能力［13］，計算方法如下：

式中，Cshoot為地上部重金屬含量；Croot為根部重金屬含量。

利用隸屬函數(shù)對植物修復(fù)潛力進(jìn)行評價，計算指標(biāo)分別包括植物對重金屬的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運系數(shù)。隸屬函數(shù)的公式:

Xi為所屬指標(biāo)的實測值，Xmin為所屬指標(biāo)的最小值，Xmax為所屬指標(biāo)的最大值，R（Xi）為各處理中植物相應(yīng)指標(biāo)得分的平均值。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel對數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，給出平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與討論

2.1 植物根際土壤重金屬污染狀況

如表2所示，8種草本植物根際土壤的重金屬以Cd、Zn、Pb和Cu為主，含量范圍分別為Cd 70.1～122 mg/kg，Zn 1 922～6 128.31 mg/kg，Pb 247.23～728.13 mg/kg，Cu 136.17～444.54 mg/kg，各重金屬濃度變化較大，最大值分別為最低值的1.74倍（Cd），3.19倍（Zn），2.85倍（Pb），3.26倍（Cu），說明土壤重金屬污染分布不均，異質(zhì)性較強。根據(jù)《農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)》（GB 15618—2018），4種重金屬Cd、Zn、Pb和Cu的濃度均超出了農(nóng)用地土壤污染篩選值，Cd濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了農(nóng)用地風(fēng)險管制值（1.5～4 mg/kg），需要嚴(yán)格管控土地用途，以控制生態(tài)風(fēng)險擴散。

表2 不同植物根際土壤重金屬含量（mg/kg）Table 2 Heavy metal content in rhizosphere soil of different plants(mg/kg)

2.2 植物體內(nèi)重金屬含量

根據(jù)表3，4種重金屬的植物體含量分別為：Cd 21.50～60.88 mg/kg，Zn 198.86～747.41 mg/kg，Pb 1.49～4.25 mg/kg，Cu 12.19～33.48 mg/kg。植物根部各重金屬含量范圍分別為：25.27～51.60 mg/kg，Zn 258.11～577.09 mg/kg，Pb 6.72～64.68 mg/kg，Cu 24.30～53.57 mg/kg。8種草本植物體對同一重金屬積累量也表現(xiàn)出較大差異，對于Cd和Zn的植物地上部含量一般都要高于根系，8種草本植物地上部含量最高的分別為小蓬草（Cd，99.15 mg/kg）和商陸（Zn，1 139.65 mg/kg），最低分別為蛇床（Cd，1.47 mg/kg）和一年蓬（Zn，195.21 mg/kg）；對于Pb和Cu的根系含量一般高于地上部，以含量最大值分別出現(xiàn)在花葉滇苦菜（Pb，82.42 mg/kg）和一年蓬（Cu，81.10 mg/kg），最小值分別出現(xiàn)在蛇床（Pb，4.62 mg/kg）和商陸（Cu，16.69 mg/kg）。不同植物對重金屬的吸收能力也存在差異［15］，例如小蓬草地上部Cd的含量最高，龍葵和加拿大一支黃花地下部Cd的含量較高，同樣8種植物中Zn、Pb、Cu的差異也與植物自身相關(guān)。在植物耐受范圍內(nèi)，植物植株中的重金屬含量與土壤中重金屬的含量具有正相關(guān)性［6］，根際土壤重金屬含量決定了同種植物體內(nèi)該重金屬的水平［14］，例如商陸植株中Zn、Pb的含量最高，同樣其根際土壤中Zn、Pb的含量也是最高的。在土壤污染水平持續(xù)增加的情況下，也可能因為重金屬毒性效應(yīng)超過植物的耐受性而導(dǎo)致植物生理生化過程失衡而影響植物對污染物的吸收［6］。另外，植物中重金屬含量影也會受到其他因素如土壤理化性質(zhì)、土壤重金屬形態(tài)等影響［14］。

表3 植物地上部和根系的重金屬含量（mg/kg）Table 3 Heavy metal content in plant shoots and roots(mg/kg)

續(xù)表

2.3 植物對重金屬的富集及轉(zhuǎn)運特征

植物對重金屬的富集和提取潛力可以用生物富集系數(shù)（BCF）和轉(zhuǎn)運系數(shù)（TF）進(jìn)行評價。根據(jù)表4，植物對重金屬的生物富集系數(shù)各不相同，8種草本植物對Cd的BCF（0.26～0.76）要高于Zn（0.09～0.22）、Cu（0.07～0.30）和Pb（0.01～0.12），8種植物對Pb的生物富集能力最低。8種植物對同一種重金屬的富集能力差異較大，Cd和Zn地上部含量高于根系，Pb和Cu根系含量低于地上部；根據(jù)BCF平均值，地上部對Cd富集能力最強和最弱的分別是小蓬草（0.76）和蛇床（0.26），對Zn富集能力最強和最弱的分別是小蓬草（0.22）和龍葵（0.09）；根系對Pb富集能力最強和最弱的分別是花葉滇苦菜（0.12）和商陸（0.02），對Cu富集能力最強和最弱的分別是一年蓬（0.39）和商陸（0.07）。植物對重金屬的富集能力受植物自身特性和土壤重金屬種類和含量等因素影響［16］，根據(jù)8種植物對重金屬的富集系數(shù)的平均值、最大值和最小值，可以發(fā)現(xiàn)同種植物對重金屬富集能力在不同根際土壤環(huán)境下變化也比較大，例如小蓬草地上部對Cd的BCF為0.21～1.29，商陸地上部對Cd的BCF為0.11～0.81。

表4 植物對重金屬的生物富集系數(shù)和綜合生物富集指數(shù)Table 4 Bioconcentration factors(BCF)and CBCI of heavy metals in plants

因研究區(qū)域為多種金屬的復(fù)合污染，單一重金屬的BCF難以說明復(fù)合污染條件下植物的重金屬富集能力，因此進(jìn)一步計算綜合富集系數(shù)（CBCI）。結(jié)果表明，小蓬草地上部（0.95）對4種重金屬的富集能力較強，其次是加拿大一枝黃花（0.49）和花葉滇苦菜（0.38），一年蓬根系（0.82）對4種重金屬的富集能力較強，其次是花葉滇苦菜（0.78）和龍葵（0.52）。進(jìn)一步計算、比較了植物對重金屬的轉(zhuǎn)運系數(shù)（表5），發(fā)現(xiàn)8種植物對4種重金屬的轉(zhuǎn)運能力存在一定的差異。其中小蓬草、酸模、商陸對Cd、Zn和Cu的轉(zhuǎn)運系數(shù)大于1，說明其具有較強的重金屬轉(zhuǎn)運能力，但是相同植物處理的最大最小值差異較大。另外，花葉滇苦菜對Cd，蛇床對Zn，加拿大一枝黃花對Zn、Cu的轉(zhuǎn)運系數(shù)也超過1。

表5 植物的重金屬轉(zhuǎn)運系數(shù)Table 5 Translocation factors of heavy metals in plants

2.4 植物的重金屬積累特性能力評價

根據(jù)基于富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運系數(shù)的隸屬函數(shù)計算的結(jié)果（表6），我們可以發(fā)現(xiàn)小蓬草、花葉滇苦菜、加拿大一枝黃花和一年蓬的排序順序為前4名，表明小蓬草、花葉滇苦菜、加拿大一枝黃花和一年蓬對4種重金屬的綜合富集和轉(zhuǎn)運能力更高。其中小蓬草地上部對Cd、Zn的BCF和對Cd、Zn的轉(zhuǎn)運系數(shù)得分是最高的，花葉滇苦菜根部對Zn和Pb的BCF得分是最高的。

表6 基于隸屬函數(shù)排序的植物修復(fù)潛力評價Table 6 Rank of bioconcentration and translocation ability

3 結(jié)論

本研究中，8種草本植物根際土壤中Cd、Zn、Pb和Cu的含量均超出了農(nóng)用地土壤污染篩選值，其中Cd遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過風(fēng)險管控值。8種草本植物對重金屬污染適應(yīng)性較強，根據(jù)隸屬函數(shù)排序，小蓬草、花葉滇苦菜、加拿大一枝黃花和一年蓬對4種重金屬（Cd，Zn，Pb和Cu）的綜合富集和轉(zhuǎn)運能力最高，但考慮到加拿大一枝黃花是入侵植物，具有一定的生態(tài)風(fēng)險，因此只推薦小蓬草、花葉滇苦菜和一年蓬作為亞熱帶地區(qū)重金屬污染嚴(yán)格管控區(qū)土地生態(tài)修復(fù)林林下候選草本植物。