马逍天 梁仁君 邱继彩 冯亮
（1．山东师范大学人口·资源与环境学院，山东济南370101；
2．临沂大学，山东 临沂371302）
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摘要：对武河湿地两种主要植物——芦苇和菖蒲不同组织及其底泥中Cu、Zn、Cd、Pb 4种重金属元素的含量进行了测定，结果表明：4种重金属元素在两种植物中的含量表现为Cu（628.51 mg/kg）>Zn( 578.05 mg/kg》Pb( 32,01 mg/kg 》Cd( 11.71 mg/kg)，但同一种元素在植物体不同组织中的含量有较大的差异；芦苇对于4种重金属元素的转移能力表现为Zn>Cu>Pb>Cd，富集能力表现为Zn>Cu>Cd>Pb，菖蒲对于4种重金属元素的转移能力表现为Zn>Cd>Pb>Cu，富集能力表现为Zn>Cd>Cu>Pb；芦苇处理Cu、Zn复合污染及Cd污染的污水效果较好，菖蒲净化Zn污染及Cd污染的水体效果较好，二者对于Pb元素的净化能力有限；相关分析表明，芦苇茎部对于碳酸盐结合态Pb元素的吸收效果良好，芦苇根部对于残渣态Pb吸收效果较好，但有机结合态Pb可能会抑制芦苇根部对于Pb元素的吸收，离子态的Pb可能会抑制菖蒲根部对其的吸收。
关键词：武河湿地；芦苇；菖蒲；重金属；富集能力；相关分析
由于工农业的迅速发展，近年来向水体中排放的污水中重金属的含量已经严重的超出了水域生态环境的的承载能力，重金属不能自然或生物降解，而是长期存在于水体中或沉积到水域底部，可能被水生植物吸收，然后通过食物链在动物和人体内富集，对人类的健康造成巨大危害。研究表明，许多湿地植物对重金属元素具有吸收、代谢和累积作用，某些湿地植物甚至能够大量富集重金属元素，净化能力较强，因此通过这些植物来修复水域的生态环境受到了越来越多的学者的重视。研究通过对武河湿地中芦苇和菖蒲两种植物体内重金属元素Cu、Zn、Pb、Cd含量的研究，分析了湿地中的主要植物芦苇和菖蒲对于重金属元素的富集能力。
武河湿地位于山东省临沂市罗庄区，东临沂河，北接蒋史汪橡胶坝，南至廖家屯闸，南北长15 km，占地面积866.67 hm2，临沂市的城市污水经过陷泥河上游的兰山区污水处理厂和南涑河上游的罗庄区污水处理厂处理后，进入武河湿地，是湿地的全部水源，因此武河湿地为典型的纳污型湿地，湿地通过栽植芦苇、蒲草等水生植物进行生态功能强化，提升湿地的自净能力。
1材料与方法
1.1样品的采集及预处理
2013年4月12日，在武河湿地内选择合适的水域，采用GPS定位以及SWB-1型柱状采泥器采集沉积物柱芯样品，采样点沿湿地人口至出口选取8个，如图1所示。选取柱状样界面水澄清及垂直剖面分层清晰完整的底泥柱为分析对象，柱长20 cm．虹吸法吸出界面水，柱芯样品用分样装置按2 cm间距精细分截，装入聚四氟乙烯袋中24 h内运回实验室。并采集相应采样点长势良好的芦苇和菖蒲，采样结束后先简单冲洗，分离根、茎、叶，再用蒸馏水冲洗3—5遍，40℃下烘干至恒重，研磨成粉过100目尼龙筛，装入样品瓶，保存于干燥器中。
1.2实验方法
底泥的消解采用四酸消解法(HCI-HN03-HF-HCI04)参照国家标准GB/T 17137-1997进行消化处理。对于植物的消解，称取0.3 g样品于坩埚中，加入10 mL浓硝酸、5 mL高氯酸，于电热板上加热（在通风厨中进行，开始低温，逐渐提高温度，但不宜过高，以防样品溅出），视消解情况加入2 mL硝酸和1 mL高氯酸，重复上述步骤直至溶液透明为止，取下冷却并用水洗涤滤渣2—3次，然后将溶液转移到25 mL容量瓶中定容。实验采用Vista-MPX型电感耦合等离子体质谱仪（美国瓦力安公司）测定各重金属元素的含量，实验中所使用的试剂均为优级纯，采样和试验用器皿用2%硝酸浸泡24 h以上，使用前用去离子水冲洗干净，实验数据的处理采用Excel和SPSS 13.0。
2结果与讨论
2.1武河湿地重金属污染现状分析
以各采样点重金属的平均含量代表武河湿地，Cu、Zn、Cd、Pb在武河湿地底泥和水中的含量如表1和表2所示。以《土壤环境质量标准》(GB 15618-1995)为参比，由表1可知，湿地底泥中Cu的平均含量在二级标准值100 mg/kg和三级标准值400 mg/kg之间，Zn含量在一级标准值100 mg/kg和二级标准值250mg/kg之间，Cd含量超出三级标准值l mg/kg，Pb含量接近一级标准值35 mg/kg。由以上分析可知，武河湿地底泥中Cd污染严重，Cu、Zn污染轻微，Pb不存在明显的污染，但Zn元素的变异系数较高，说明其在湿地中的分布并不均匀，可能存在点源污染。
以《地表水环境质量标准》( GB 3838-2002)为参比，由表2可知，湿地水环境中Cu的含量在I类0.01mg/L和Ⅱ类1 mg/L之间，Zn含量在I类0.05 mg/L和Ⅱ类l mg/L之间，Cd含量在Ⅳ类0.005 mg/L和V类0.01 mg/L之间，Pb含量在Ⅱ类0.01 mg/L和Ⅲ类0.05 mg/L之间。由以上分析可知，在武河湿地水环境中Cd污染较为严重，Zn空间变异性较高，其规律与底泥一致。
在重金属形态方面，Cu、Zn主要以稳定性最高的残渣态形式存在，Cu残渣态的平均含量占金属总量的93.80%，Zn残渣态占91.55%，环境风险较低。Cd和Pb主要以残渣态和易迁移转化的碳酸盐结合态存在，其中残渣态Cd的平均含量占金属总量的82.59%，碳酸盐结合态Cd占8.79%；残渣态Pb占89.16%，碳酸盐结合态占10.15%，存在一定的环境风险。
2.2植物不同组织中重金属元素的含量
2.2.1芦苇不同组织中重金属含量分析
芦苇不同组织中重金属元素的质量分数见表3和图2。由图2可知，同一种重金属元素在芦苇根部中的含量最高，而茎、叶中的相对较低，芦苇同一组织中各种重金属元素的含量也存在较大的差异。对于Cu、Zn、Pb元素而言，在芦苇植物体内的含量表现为根>叶>茎，而Cd元素则表现为根>茎>叶。这是因为芦苇在进行光合作用时，通过吸收水分和无机盐的形式，将Zn、Cu从根、茎组织迁移并富集到叶组织，而在茎组织中累积，从而造成叶组织中这3种元素质量分数高于茎组织。
在芦苇的各组织中，4种重金属元素的平均含量表现为Cu>Zn>Pb>Cd。Cu和Zn在芦苇的根组织中的含量较高，平均值分别高达344.58、250.16 mg/kg，这是因为Cu和Zn是植物生长的必需元素，所以其在芦苇根组织中含量相对较高。
研究表明，Cu元素的植物毒性阈值在60—150mg/kg之间，Zn元素的在70—400 mg/kg之间，Cd元素的在3—8 mg/kg之间，Pb元素的在100—400 mg/kg之间。由表3可知，Cu元素在芦苇根、叶组织中的平均含量大于毒性阈值上限，在茎组织中的平均含量接近于毒性阈值的上限；Cd元素在芦苇各组织中的平均含量接近于毒性阈值的上限，个别采样点根组织中的含量已超过毒性阈值上限；Zn、Pb在芦苇各组织中的平均含量小于毒性阈值下限。
植物对有毒重金属元素的抗性是指植物能够在有毒重金属元素质量分数较高的环境中存活而不出现生长率下降或死亡等毒害症状m。因此，通过以上分析可知，武河湿地中的芦苇对于Cu和Cd元素具有较高的抗性。李瑞玲等也发现芦苇对Cu、Zn、Cd、Pb等4种有毒重金属元素均具有抗性。
2.2.2菖蒲不同组织中重金属元素的含量
由表4可知，菖蒲的根组织中4种重金属元素的含量平均依次为：Cu>Zn>Pb>Cd，菖蒲的叶组织中4种重金属元素的含量平均依次为：Zn>Cu>Pb>Cd。Cu元素在菖蒲体内的含量大于毒性阈值上限，Cd元素的平均含量虽然小于毒性阈值上限，但个别采样点的含量已接近毒性阈值的上限甚至大于毒性阈值，Zn和Pb元素的含量均小于毒性阈值下限。由以上分析可知，菖蒲对于Cu、Cd 2种元素具有较高的抗性。
菖蒲不同组织中重金属元素的质量分数见表4和图3。由图3可知，菖蒲不同组织中重金属元素的含量差别不大，对于Zn、Cd 2种元素，在菖蒲体内的含量表现为叶>根，对于Cu、Pb元素则基本表现为根>叶。
2.3植物体重金属富集能力分析
富集系数是衡量植物重金属积累能力大小的一个重要指标，富集系数越大，其富集能力越强。对于不同生活型的水生植物，富集系数的计算也有所差异。挺水植物根生泥中，主要从底泥中吸收重金属元素，因此重金属富集系数计算公式：重金属富集系数(BCF)=植物根（或茎叶）重金属含量／底泥中该元素含量。
植物地上与根部重金属含量的比值称为植物的转移系数(TF)，用来表示植物体对重金属从根部到地上部的有效转移程度，迁移系数越大，则表明该重金属在植物体中迁移性越强。植物迁移系数=植物地上部重金属含量／根部该元素含量。
表5和表6分别为计算所得的芦苇、菖蒲中重金属元素的富集系数和转移系数。
2.3.1芦苇重金属富集能力分析
由表5可知，芦苇对于4种重金属元素的转移能力表现为Zn>Cu>Pb>Cd，富集能力表现为Zn>Cu>Cd>Pb。芦苇对于Cu元素和Zn元素的富集系数和转移系数均大于1，说明两种元素在芦苇的各个器官均出现明显的富集情况，且转移能力较强；而Cd元素主要在芦苇根部富集且转移能力较弱；Pb元素主要在芦苇根部和叶部富集，其转移系数为0.98，转移能相
对较强。
2.3.2菖蒲重金属富集能力分析
由表6可知，菖蒲对于4种重金属元素的转移能力表现为Zn>Cd>Pb>Cu．富集能力表现为Zn>Cd>Cu>Pb。菖蒲对于Zn元素的富集系数和转移系数均大于1，说明Zn元素在芦苇的各个器官均出现明显的富集情况，且转移能力较强；菖蒲根、叶对于Cd元素的富集系数分别为1.57、1.42，转移系数为0.9，其富集能力和转移能力相对较强；而Cu、Pb元素主要在菖蒲根部富集，且转移能力较弱。
2.3.3对比分析
由以上分析可知，芦苇和菖蒲的对各重金属元素的富集系数基本均是根部的值较大，这是因为芦苇和菖蒲属于挺水植物。研究表明挺水植物大多有粗壮的根系，还有许多发达的不定根，主要通过根系蓄积底泥中的重金属，根部净化效果明显大于叶部。
Cu、Zn元素在芦苇体内有着较高的转移系数，不同器官对于Cu、Zn元素的富集能力均大于1，且上述分析表明芦苇对于Cu、Zn元素具有较高的抗性，说明芦苇可用来处理Cu、Zn复合污染的污水。菖蒲对于Cu元素的富集和转移能力相对较弱，推测对于Cu污染严重的水体处理能力弱于芦苇。
大多数水生植物表现为根部的富集系数大于茎叶的富集系数，这是植物对重金属污染的一种适应，把水体中有害的重金属阻滞在根部。但Zn元素在菖蒲叶部的富集系数大于根部，这表明Zn从菖蒲根部向地上部位有较高的迁移率，可用来净化Zn污染严重的水体。
研究表明，菖蒲、芦苇均能够有效吸收水体中的Cd，对Cd的去除最高分别可达14 759.33、4 620.00mg/kg，其中菖蒲的吸收能力显著高于芦苇，且通过上述分析可知二者均对Cd元素有较高的抗性，菖蒲对Cd元素的富集和转移能力较强。说明二者虽均可作为Cd元素污染水体的植物材料，但菖蒲的处理效果更佳。
芦苇和菖蒲不同组织中Pb的含量远未达到毒性阈值的下限，除芦苇根部外，Pb元素在芦苇和菖蒲不同组织中的富集系数均小于1，且植物体内Pb元素的平均含量小于土壤环境中的平均含量26.39 mg/kg，二者对于Pb元素的去除能力有限。
2.4相关分析
芦苇茎部对和芦苇叶部中Cu、Pb元素的含量在0.05的置信水平下相关系数为0.826，呈现出明显的正相关性，推测这是因为芦苇对于Cu、Pb元素有着较高的转移系数，其茎部吸收的Cu、Pb元素向叶部的转移较为明显，这从另一个方面说明了芦苇对于Cu、Pb污染的污水有着良好的处理效果。
芦苇茎部Cu元素的含量和植物根区土壤铁锰氧化物结合态的Cu元素的含量在0.01的置信水平下相关系数为0.901，表现出明显的正相关性，推测这是因为芦苇根部对于铁锰氧化物结合态的Cu元素吸收效果较好。菖蒲叶部Cu元素的含量和其根区附近土壤中铁锰氧化物结合态Cu元素的含量的相关系数在0.1的置信水平下相关系数为0.592，表现出较为明显的正相关性，说明菖蒲对于铁锰氧化物结合态的Cu元素也有着较好的吸收效果，但其效果可能弱于芦苇。
芦苇根部和菖蒲叶部中Zn元素的含量在0.05的置信水平下相关系数为-0.778，表现出较为明显的负相关性，推测二者同时种植可能会抑制彼此对于Zn元素的吸收。
植物不同组织中Pb元素含量和不同赋存形态Pb元素的相关系数如表7所示。从表7中可以看出植物不同组织中Pb元素的含量和铁锰氧化物结合态的Pb元素之间没有表现出相关性。芦苇茎部Pb元素的含量和其根区附近土壤中碳酸盐结合态的Pb元素的含量表现出明显的正相关性，说明芦苇茎部对于碳酸盐结合态Pb元素的吸收效果良好。而芦苇根部Pb元素的含量则和残渣态的Pb元素表现出较为明显的正相关性，说明根部对于残渣态Pb的吸收效果良好；但根部Pb元素的含量和有机结合态Pb在表现出明显的负相关性，推测有机结合态的Pb元素可能会抑制芦苇根部对于Pb元素的吸收。此外，菖蒲根部Pb元素的含量和其根区附近土壤中可交换的离子态Pb元素表现出明显的负相关性，推测可交换的离子态的Pb可能会抑制菖蒲根部对其的吸收。
菖蒲根部对于碳酸盐结合态的Cd元素在0.1的置信水平下相关系数为0.714，表现出较为明显的正相关性，说明菖蒲根部对于Cd元素的吸收效果良好。
3结论与讨论
(1)在芦苇的各组织中，4种重金属元素的平均含量表现为Cu>Zn>Pb>Cd，Cu和Zn在芦苇的根组织中的含量较高，平均值分别高达344.58、250.16 mg/kg。芦苇同一组织中各种重金属元素的含量也存在较大的差异，对于Cu、Zn、Pb元素而言，在芦苇植物体内的含量表现为：根>叶>茎，而Cd元素则表现为根>茎>叶。Cu元素在芦苇各组织中的平均含量大于或接近毒性阈值上限，Cd元素在芦苇各组织中的平均含量接近于毒性阈值的上限，Zn、Pb在芦苇各组织中的含量小于毒性阈值下限，芦苇对Cu、Zn、Cd、Pb等4种有毒重金属元素均具有抗性。
(2)菖蒲的根组织中4种重金属元素的含量平均依次为：Cu>Zn>Pb>Cd，菖蒲不同组织中重金属元素的含量差别不大，对于Zn、Cd 2种元素，在菖蒲体内的含量表现为叶>根，对于Cu、Pb元素则基本表现为根>叶。Cu元素在菖蒲体内的含量大于毒性阈值上限，Cd元素的平均含量接近毒性阈值上限，Zn和Pb元素的含量均小于毒性阈值下限，菖蒲对于Cu、Cd两种元素具有较高的抗性。
(3)芦苇对于4种重金属元素的转移能力表现为Zn>Cu>Pb>Cd，富集能力表现为Zn>Cu>Cd>Pb。菖蒲对于4种重金属元素的转移能力表现为Zn>Cd>Pb>Cu，富集能力表现为Zn>Cd>Cu>Pb。
实验发现，芦苇用来处理Cu、Zn复合污染的污水效果较好，菖蒲用来净化Zn污染严重的水体效果较好，处理Cu污染严重的水体效果弱于芦苇。二者均对Cd元素有较强的净化能力，但菖蒲的净化能力较强。此外，二者对于Pb元素的净化能力有限。
芦苇和菖蒲均对于铁锰氧化物结合态的Cu元素也有着较好的吸收效果，但芦苇效果更好。芦苇茎部对于碳酸盐结合态Pb元素的吸收效果良好，芦苇根部对于残渣态Pb吸收效果较好，但有机结合态Pb可能会抑制芦苇根部对于Pb元素的吸收。此外，交换的离子态的Pb可能会抑制菖蒲根部对其的吸收。
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