錳污染土壤滲漏液與徑流生態(tài)攔截凈化系統(tǒng)的植物篩選

陳 星，文仕知，陳永華，郝 君，劉 凱，吳子劍

（中南林業(yè)科技大學，湖南 長沙 410004）

錳污染土壤滲漏液與徑流生態(tài)攔截凈化系統(tǒng)的植物篩選

陳 星，文仕知，陳永華，郝 君，劉 凱，吳子劍

（中南林業(yè)科技大學，湖南 長沙 410004）

為建立錳污染土壤滲漏液和徑流收集處理系統(tǒng)，在湘潭錳礦廢棄地開展了植物篩選試驗。5個月植物生長的試驗結(jié)果表明，香菇草成活率低，花葉蘆竹、菖蒲生長量下降，而再力花、苧麻、紫葉美人蕉、蘆葦、香蒲、夾竹桃、梭魚草、水蔥和德國鳶尾長勢良好，其地上部分錳的含量多高于1 000 mg/kg，鋅、銅、鎘的含量也相對較高，錳含量地上組織與根部的比值大于1，可作為錳污染土壤滲濾液收集處理系統(tǒng)的備選植物。菖蒲的錳、鋅、銅、鎘和花葉蘆竹的鋅、銅、鎘含量地上組織與根部的比值小于1，說明其轉(zhuǎn)移和利用重金屬的能力弱，重金屬元素在根部積累而導致植物中毒。苧麻單株地上部分錳的吸收量高達217.8 mg，其次是再力花，紫葉美人蕉、蘆葦，吸收量最低的是梭魚草和水蔥。

錳礦污染區(qū)；生態(tài)攔截；凈化系統(tǒng)；土壤滲漏液；地表徑流；植物篩選

重金屬礦區(qū)的污染土壤既是采礦廢水、廢渣等污染物的受體，也是周邊區(qū)域的污染源。由降水帶來的土壤滲漏液和地表徑流，尤其是暴雨時期產(chǎn)生的水土流失會導致污染的擴散，對礦區(qū)周邊的土水生態(tài)環(huán)境帶來危害。污染土壤中可溶性金屬離子和化合物最終會進入水體，從而影響著更大區(qū)域的飲食與飲水安全。采用生物修復技術來修復重金屬污染土壤，通常需要一個較為漫長的時期[1-2]，因此，在實現(xiàn)污染區(qū)生態(tài)修復的遠期目標前，有必要采取適當?shù)拇胧⑼寥罎B漏液和地表徑流攔截處理系統(tǒng)，控制重金屬元素污染的擴散，以保證礦區(qū)周邊環(huán)境的生態(tài)安全。

項目組在湘潭錳礦污染區(qū)建立的土壤滲漏液與地表徑流處理系統(tǒng)是一個組合人工濕地系統(tǒng)，其包含三個串聯(lián)的潛流人工濕地單元，基于可滲透反應墻技術原理，每個潛流單元鋪設有不同的反應介質(zhì)作為基質(zhì)填料，表層種植不同類型的濕地植物，通過填料和植物的物理、化學、生物化學等復合功能作用凈化水質(zhì)。在生態(tài)攔截系統(tǒng)中，濕地植物是核心要素[3]。實踐中，不同重金屬污染土壤類型要求選用具有不同功能的濕地植物種類與群落配置。本論文報道的是湘潭錳礦污染區(qū)土壤滲漏液與徑流處理系統(tǒng)中植物篩選與應用的部分研究內(nèi)容。

1 試驗材料與方法

1.1 植物篩選的原則

基于攔截凈化系統(tǒng)的功能需求，篩選的植物應具有以下一個以上的特點：

（1）具有較強的抗重金屬污染的能力。篩選在重金屬污染區(qū)種植的植物，必備條件是植物的存活和繁衍能力。不同污染區(qū)的土壤母質(zhì)、水熱條件及污染程度不同，要篩選出適合的植物必須因地制宜，先鋒植物種類的篩選，應以本土植物種類為主，如選用適地生長的苧麻、蘆葦?shù)龋兄诳焖俳⒅脖幌到y(tǒng)，恢復污染區(qū)景觀。

（2）具有較強的富集重金屬元素的能力或較大的生物量。在具有抗性的基礎上，篩選的植物必須具有一定的重金屬吸收富集能力，其不僅要求植物（尤其是地上部分）組織器官重金屬元素的濃度高，還要求植物的生物量大。植物地上部分重金屬元素的總富集量，指植物地上部分組織器官濃度與其干物質(zhì)量的乘積，因此，當篩選的植物吸收富集錳元素的能力達不到文獻中規(guī)定的富集植物的標準時[4]，可通過促進植物的生長來增加總富集量、達到增強篩選植物去錳能力的目的[2，5-8]。

（3）具有一定的美學價值。在上述基礎上，篩選植物的景觀價值也是一個重要的指標。礦山廢棄地作為人為破壞的退化生態(tài)系統(tǒng)[9]，景觀受到極大程度的損害，因此，可在攔截系統(tǒng)生物群落構(gòu)建中配置一定數(shù)量的景觀植物（例如紫葉美人蕉、夾竹桃等），增強修復植被的景觀效果[10]。

（4）具有一定的經(jīng)濟價值。我國廢棄礦區(qū)面積大、污染嚴重，大多數(shù)污染土壤不適宜農(nóng)作物的生長，導致土地資源極大的浪費。本研究的目標之一是在用材、工業(yè)原料、園林景觀、能源等植物類型中選育出既能適應污染土壤環(huán)境又具有經(jīng)濟效益的植物種類，這類植物的種植，即能避免重金屬進入食物鏈，又可在污染土壤修復的同時帶來一定的經(jīng)濟效益，從而在植被與景觀修復的基礎上，提高污染土壤的生態(tài)化利用效益。

(5) 具有適應干濕交替的生長環(huán)境。與用于礦山污染土壤修復植物篩選的側(cè)重點不同，污染區(qū)生態(tài)攔截凈化系統(tǒng)是土壤滲漏液和雨水收集處理系統(tǒng)，因此在系統(tǒng)生長的植物要求具有抗旱和耐濕的能力、能在干濕交替的環(huán)境中正常地生長發(fā)育。基于這一原因，生態(tài)攔截凈化系統(tǒng)植物的篩選以濕地植物類型為主。由于生態(tài)攔截凈化系統(tǒng)基質(zhì)中除了鋪設有一定比例的吸附填料外，還添加了一些用以通過氧化還原、絡合、沉淀等反應鈍化重金屬元素的化學物質(zhì)，系統(tǒng)基質(zhì)中重金屬元素含量和生物毒性會遠低于污染土壤的水平，因此，攔截凈化系統(tǒng)的植物篩選對植物抗性的要求可低于用以修復污染土壤的植物種類。

1.2 植物篩選試驗樣地

植物篩選試驗設置在湘潭錳礦污染區(qū)生態(tài)攔截凈化系統(tǒng)示范工程連接的自然濕地邊緣地帶。試驗樣地為一天然濕地，周圍天然長成一片蘆葦，并有野生苧麻等先鋒植物。濕地周圍的丘陵為廢棄堆積30年的錳渣地。濕地水質(zhì)分析結(jié)果見表

表1 錳礦區(qū)植物篩選種植試驗濕地水質(zhì)情況Table 1 Water quality condition of experiment site for selecting of plant species in constructed wetland in manganese mining area mg·L-1

1.3 供篩選植物種類

羅亞平等對桂北錳礦廢棄地生長的主要植物類型、分布、豐富度和富集特性進行了較為系統(tǒng)的調(diào)查[11]，孫黎，余李新等[12]統(tǒng)計了濕地植物各科屬對不同種類重金屬的富集能力。上述研究為錳礦污染土壤抗性植物的篩選提供了基礎資料。基于建立土壤滲漏液和污染土壤地表徑流收集處理系統(tǒng)的需要，在查閱文獻和實地考查的基礎上[13]，本研究按照植物抗重金屬污染特性、耐干、濕能力、地上部生物量、根系發(fā)達程度、適生范圍、抗病蟲害能力、種植與收獲難易程度、經(jīng)濟與美學價值等原則，確定了13個供篩選植物種類(見表2)，其中包括了去錳能力較強的本土先鋒植物蘆葦和美學價值較高的紫葉美人蕉等。

表2 測試的植物種類Table 2 Tested plant species

1.4 植物種植和樣本采集

篩選植物于2011年5月4日種植于試驗濕地岸邊，每種三株，呈一字排開，均勻挖穴種植以做適應性培養(yǎng)，5個月后，將植物小心連根拔起，不傷害根系的完整性。采集完后將植物運至試驗室用小刷洗凈，將地上地下部分從植株基部分開，放進烘箱以120 ℃殺青半小時，再調(diào)至80 ℃至恒重，獲得植物干物質(zhì)量。

1.5 測定分析項目與方法

（1）植物鮮重與根長的測定

稱取種植前（2011年5月4日）試驗植物（每種植物三株）的初重，種植5個月后，收獲所有試驗植物再次稱重，取3株植物樣本生長增量的平均值，計算生長率。植株根系生長用皮尺測量讀數(shù)，取3株樣本的平均值。

（2）植物重金屬含量測定

將處理過后的植物樣品稱取2 g樣品放入放入瓷坩堝中，用馬沸爐，打開爐門調(diào)至300 ℃，加熱約半小時至無煙，再關緊爐門，再將溫度調(diào)制500 ℃、 2 h。之后冷卻，加1∶1鹽酸2 mL，溶解灰分，過濾于100 L容量瓶中，用去離子超純水定容至標線。

用原子吸收儀測出各樣品在溶液中的濃度(mg/L)，再換算出其在植物樣品中的含量(mg/kg)。

式（1）中：M——每千克植物干樣中的重金屬含量；C——原子吸收儀測定的消解樣品濃度；V——用于定容的容量瓶體積（換算成L為單位）；m——稱取的樣品重量（換算成kg為單位）。

2 結(jié)果與討論

2.1 植物生長狀況

篩選的植物種植五個月后，香菇草的葉片發(fā)黃呈現(xiàn)中毒癥狀，并逐漸死亡，說明這一植物的抗性差，不適應在錳污染水體生長。試驗期間降雨導致濕地水位上升，試驗植物被淹沒一段時間，小葉女貞被淹死，說明這一植物耐濕能力很差，不適應在濕地環(huán)境中生長。因此，在后期的試驗、分析和篩選中去除了香菇草和小葉女貞。

水生植物最初在栽種時已經(jīng)剪去葉柄，灌木也剪掉了分枝和未木質(zhì)化部分，經(jīng)過五個多月的生長，觀察中發(fā)現(xiàn)，德國鳶尾、香蒲、苧麻、夾竹桃、水蔥、蘆葦、長勢最好，長出許多新葉和分枝；其次是梭魚草、再力花與紫葉美人蕉，雖然也長出許多新葉，但也觀察到部分葉面出現(xiàn)枯萎跡象；花葉蘆竹和菖蒲生長狀況較差，大多植株只剩下枯萎的葉柄，有些只剩下稀疏的枝干。試驗植物的平均生長量、根長及其增長量百分比見表3。

表3 試驗植物鮮重及根長變化Table 3 Fresh mass and root length of examined plant species

種植5個月后，花葉蘆竹和菖蒲的鮮重分別下降了92%和86%（表3），說明花葉蘆竹和菖蒲不適合作為錳污染土壤修復的植物種類。除了花葉蘆竹和菖蒲以外，其它試驗植物均在錳污染濕地中生長良好，尤其是再力花、苧麻、紫葉美人蕉和蘆葦，其生物增量百分比分別為221%、180%、140%和139%。其它植物的生物量增長百分比低于100%，生物量鮮重百分比依次遞減的順序為香蒲、夾竹桃、梭魚草、水蔥和德國鳶尾。

生物增量百分比是增量與植物起始生物量的比值，其值得大小與植物起始生物量相關，因此，植物生物增長量百分數(shù)不能完全說明植物適應能力的差異。僅從具有抗性（或耐重金屬毒性能力）的植物的用途或應用價值來說，給定時期不同植物的生長增量是比較植物可用性的重要依據(jù)之一。另外，不同植物種類之間的生長差異很大，因此，和植物生物增長量百分數(shù)一樣，植物生物增長量也不能完全作為反映植物適應污染環(huán)境能力的指標，例如，許多富集性很強的植物生長量很小，但適應污染環(huán)境的能力很強。自圖1a可看出，不同植物單株生物量（鮮重）增量的遞減順序為：

再力花＞蘆葦＞紫葉美人蕉＞苧麻＞梭魚草＞香蒲＞夾竹桃＞德國鳶尾＞水蔥

其中，雖然蘆葦和紫葉美人蕉的生物增長量百分數(shù)小于苧麻，但其在試驗期間的生物增量顯著大于苧麻（p＜0.001）。梭魚草與香蒲和夾竹桃生物增長量百分數(shù)和生物增量的關系也一樣。梭魚草由于起始生物量大，生物增長量百分數(shù)相對小，但其絕對增量卻遠大于香蒲和夾竹桃的值（p＜0.001）。

圖1 篩選植物生長與根長增量Fig. 1 Increment of growth and root length of examined plant species

值得說明的是，圖1展示的生物增量的順序僅僅反映測試植物在錳污染環(huán)境的生長能力，對選擇用以迅速恢復污染區(qū)植被與景觀的植物類型具有重要的參考價值。然而，圖1給出的順序不能代表測試植物去除重金屬污染的能力，因為圖1a所有的數(shù)據(jù)是測試植物單株的生長增量，而非單位面積的生物增量，單位面積的生物增量與植物種植密度相關，單株生物量大，不一定單位面積生物量大。其次，植物去除重金屬污染的能力還與植物重金屬元素含量相關，給定植物生長量，植物通過吸收去除重金屬污染物的能力與植物重金屬元素含量呈正相關。更值得提及的是，植物的去污能力不僅僅限于植物通過吸收直接去除的污染物量，植物的去污效應還包含了植物與基質(zhì)填料、根際微生物以及其它共生或關聯(lián)動植物的綜合效應[14-19]。實踐證明，植物的生長可改善基質(zhì)環(huán)境，植物的特性與其根系分泌物質(zhì)與基質(zhì)微生物、系統(tǒng)中其它動植物的共生關系等方面的功能，在凈化污染環(huán)境中發(fā)揮的作用，遠遠大于植物直接吸收去除污染物的貢獻。因此，植物根系生長發(fā)育狀況也是判別測試植物優(yōu)劣的重要指標之一。

表3中的數(shù)據(jù)顯示，所有測試植物中，香蒲的根長增長率最高，達到420%，其次是再力花、苧麻、水蔥和蘆葦，再其次是夾竹桃、德國鳶尾和紫葉美人蕉等。然而，如圖1b所示，從根長增長的絕對值來說，測試植物的遞減順序為：

蘆葦＞再力花＞香蒲＞苧麻＞水蔥＞德國鳶尾＞夾竹桃＞梭魚草＞紫葉美人蕉

其中，蘆葦根增長的絕對值最大，香蒲的根增長也大于苧麻和梭魚草，而生物增量最小的水蔥的根增長僅次于苧麻，這些在一定程度上反應了相關植物根系對污染土壤的適應能力。試驗結(jié)果表明，試驗篩選的植物生物量和根系生長狀況具有不同的特點，在實際應用中可根據(jù)植物配置的需要作為備選植物。由于表3給出的僅為一季植物試驗平均單株生長的數(shù)據(jù)，要全面準確地評價備選植物的性能，還有必要在今后的研究中開展大面積種植的比較試驗。

2.2 植物重金屬含量與吸收量

植物重金屬的富集能力是由植物重金屬濃度和生物增長量所決定的，因此，植物體內(nèi)重金屬的含量是重金屬污染礦區(qū)的植物篩選的一個重要的指標，植物體內(nèi)重金屬的含量也同時反映植物對重金屬毒性的耐受能力。有學者認為，在治理重金屬污染土壤中，植物修復技術中最重要、最有發(fā)展?jié)摿Φ氖侵参镙腿〖夹g[20]，因此，分析與比較植物地上與地下部分重金屬含量，可為鑒別植物的富集特性提供基礎數(shù)據(jù)。篩選植物的Mn元素含量分析結(jié)果見表4。

表4 篩選植物重金屬元素含量Table 4 Heavy metal contents of examined plant species

由表4可以看出，紫葉美人蕉、苧麻、再力花、香蒲四種植物的地上部分的錳含量都在4 000 mg/kg以上，梭魚草接近4 000 mg/kg；其次是水蔥、德國鳶尾、夾竹桃、花葉蘆竹和蘆葦，其地上部分錳含量介于1 000～4 000 mg/kg之間，屬于居中水平；菖蒲地上部分Mn含量最低，僅為355.4 mg/kg，而其地下部分重金屬含量卻高達2 462.9 mg/kg，遠高大于地上部分的值，說明菖蒲Mn元素轉(zhuǎn)移能力很差，吸收的Mn主要積累在根部而導致中毒，這很有可能是菖蒲生長出現(xiàn)負增長的原因。參考表3的數(shù)據(jù)可看出，再力花、紫葉美人蕉、苧麻和香蒲四種植物不僅地上和地下部分的錳含量都很高，生物量與根長增量也大，說明這四種植物不僅能適應錳污染的環(huán)境，還具有較強的吸收Mn元素的能力。

在錳礦污染區(qū)，雖然植物吸收錳的性能是最重要的指標，但錳礦開采也同時會帶來其它重金屬元素的污染，因此，了解篩選植物其它重金屬元素的含量狀況具有一定的科學意義。自表4可看出，錳含量高的植物，其鋅、銅、鎘含量也較高。比較不同元素地上部分的狀況，鋅含量最高的是紫葉美人蕉和梭魚草，最低的是夾竹桃和蘆葦，銅含量最高的是香蒲和菖蒲，最低的是夾竹桃和水蔥，鎘含量最高的是水蔥和再力花，最低的是梭魚草和花葉蘆竹。

值得提及的是，生長最差的菖蒲的鋅、銅、鎘的含量相對較高，而且根部鋅、銅、鎘的含量均大于地上部分的值。另一生長差的花葉蘆竹的情況與菖蒲有相似性，其根部鋅、銅、鎘含量也高于地上部分的值。這種現(xiàn)象一定程度說明這兩種植物轉(zhuǎn)移和利用鋅、銅、鎘的能力很弱，重金屬元素在植物根部積累而導致植物中毒的現(xiàn)象，是抗性差植物在重金屬污染環(huán)境中表現(xiàn)出的一般規(guī)律。與菖蒲和花葉蘆竹相比，其它生長狀況好的植物這種趨勢均不明顯，不同植物地上部分與地下部分鋅、銅、鎘含量差異雖然有差別，但整體上地上部分與地下部分的差異較小。在植物萃取技術中，植物富集重金屬的能力不僅僅由植物體內(nèi)的濃度所決定，還與植物生長總量相關。植物去除土壤重金屬元素的總量等于植物收獲部分（通常是地上部分）的吸收總量，因此，單位面積里植物地上部分吸收重金屬元素的總量是鑒別植物富集性能的一個關鍵性指標。

圖2展示了試驗植物地上部分不同元素的吸收總量的差異，總體上來說，在錳污染土壤培植的所有植物錳的吸收量要高于其它三個金屬元素吸收量的數(shù)百至上千倍，其中尤其是苧麻、其單株地上部分錳的吸收量高達217.8 mg，說明其是極具潛力的去錳植物。篩選植物中錳元素吸收量最大的前三位除了苧麻，還有再力花，紫葉美人蕉和蘆葦，鋅元素吸收量最大的前三位是苧麻、蘆葦和紫葉美人蕉，銅元素吸收量最大的前三位是苧麻、蘆葦和香蒲，鎘元素吸收量最大的是蘆葦、苧麻和夾竹桃，所有檢測的重金屬元素中，吸收量最低的是梭魚草和水蔥。

苧麻、再力花、紫葉美人蕉和蘆葦顯然是測試植物中表現(xiàn)最好的植物種類，其生物量、不同重金屬元素含量和吸收總量都排在前列。香蒲、夾竹桃和德國鳶尾三種植物的重金屬元素吸收總量居中，因為干物質(zhì)量小，梭魚草和水蔥地上部分重金屬元素吸收量最低。

如前所述，圖2展示植物之間的差異是基于一季試驗單株植物吸收量的數(shù)據(jù)，然而，經(jīng)管在試驗過程中存在不可避免的誤差，以致圖2給出的結(jié)果不能完全真實地反映測試植物重金屬吸收量的差異，但總體上，本次篩選植物的重金屬元素吸收量分析結(jié)果，可為在不同重金屬污染土壤治理中篩選植物的研究提供基礎性的參考數(shù)據(jù)。

圖2 植物地上部分重金屬吸收總量Fig. 2 Total heavy metal uptake of above-ground tissues of examined plant species

3 結(jié) 論

（1）篩選植物在錳污染試驗區(qū)種植5個月，香菇草呈現(xiàn)中毒癥狀，小葉女貞不適宜過濕環(huán)境后期死亡，花葉蘆竹和菖蒲的生物量分別下降了92%和86%。花葉蘆竹和菖蒲根部鋅、銅、鎘的含量及菖蒲根部的錳含量遠高于地上部分的含量，說明其轉(zhuǎn)移和利用重金屬的能力弱，重金屬元素在植物根部積累而導致植物中毒。

（2）苧麻、再力花、紫葉美人蕉、香蒲、德國鳶尾、夾竹桃、蘆葦、梭魚草和水蔥在錳污染土壤中生長良好，其地上部分錳含量均大于1 000 mg/kg，鋅、銅、鎘的含量也較高。根據(jù)植物群落配置、景觀效果和經(jīng)濟價值的需要,上述植物可在實際應用中作為備選植物。

（3）所有試驗植物地上部分錳的吸收量要高于其鋅、銅、鎘吸收量的數(shù)百至上千倍，其中尤其是苧麻、其單株地上部分錳的吸收量高達217.8 mg，說明其是極具潛力的去錳植物。

（4）篩選植物中錳元素吸收量最大的前三位除了苧麻，還有再力花，紫葉美人蕉和蘆葦，鋅元素吸收量最大的前三位是苧麻、蘆葦和紫葉美人蕉，銅元素吸收量最大的前三位是苧麻、蘆葦和香蒲，鎘元素吸收量最大的是蘆葦、苧麻和夾竹桃，所有檢測的重金屬元素中，吸收量最低的是梭魚草和水蔥。

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Screening of plant species for establishing an retention and purif i cation ecosystem of soil inf i ltration water and surface runoff in manganese polluted area

CHEN Xing, WEN Shi-zhi, CHEN Yong-hua, HAO Jun, LIU Kai, WU Zi-jian
(Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

Screening of plant species were carried out for establishing an ecosystem for retention and purif i cation of soil inf i ltration water and surface runoff in Xiangtan manganese polluted area. The results obtained from a fi ve month plant growth period indicate that mushroom grass had a very low survival rate while Arundo donax var. versicolor and Acorus calamus Linn had a negative value in its biomass increment. In comparison, the other nine plant species, Thalia dealbata, Boehmeria, Canna warscewiezii A．Dietr, Phragmites australis, Typha orientalis Presl, Pontederia cordata, Nerium oleander, Pontederia cordata, Softstem bulrush and Iris germanica grew well in the manganese polluted sites. The manganese contents in shoots of the nine plant species were all more than 1000 mg/kg and their zinc, copper and cadmium contents were also relatively high, with the ratio of the metal content in above-ground tissues to that in roots being greater than 1. In contrast, the above-ground tissue to root ratio of zinc, copper, manganese and cadmium contents in A. calamus and that of zinc, copper, and cadmium contents in A. donax var versicolor were lower than 1, suggesting that the metal accumulation in roots due to weak heavy metal transfer abilities of these species had led to poisoning effects on the pant growth. The highest manganese uptake in above-ground tissues of Boehmeria reached 217.8 mg per plant. The next uptake value was given by T. dealbata, Boehmeria,followed in turn by C. warscewiezii, Dietr, P. australis, P. cordata and S. bulrush.

manganese polluted area; eco-retention; purif i cation system; soil inf i ltration water; surface runoff; plant screening

S718.57

A

1673-923X(2012)12-0097-07

2012-10-09

國家林業(yè)科技推廣項目[2010-43]；國家十二五科技支撐項目(2012BAC09B03-4)；湖南省環(huán)境科學與工程重點學科與重點實驗室基金

陳 星（1986-），女，湖南邵陽人，碩士研究生，主要從事環(huán)境生態(tài)學方面的研究；E-mail：niki_chen@163.com

文仕知（1963-），男，湖南衡陽人，教授，博導，主要從事生態(tài)學領域方面的研究；E-mail：wenshizhi@163.com

[本文編校：文鳳鳴]