人工濕地基質和植物中重金屬的分布規律研究

葛光環，陳愛俠，寇 坤，儲玖琳

(1.安康學院 旅游與資源環境學院，陜西 安康 725000；2.安康市漢江水資源保護與利用工程技術研究中心/陜南生態經濟研究中心/秦巴國土資源利用與環境保護協同創新中心，陜西 安康 725000；3.長安大學 環境科學與工程學院，陜西 西安 710054)

人工濕地利用物理、化學以及生物的協同作用以達到高效處理廢水的目的[1-2]。趙紅[3]于2003年研究得出渭河流經耿鎮斷面時其水質已屬Ⅴ級。西安皂河人工濕地示范工程處理污水源于渭河支流——皂河。研究得出濕地中的蘆葦對重金屬有明顯的吸收作用[4-6]。

目前，人工濕地對重金屬去除的野外研究較少；同時，研究中人工濕地處理的污水大多為城市生活污水、工業廢水等高濃度廢水，人工濕地處理含低重金屬污染負荷的河流的研究甚少。故有必要研究西安皂河人工濕地示范工程中重金屬的分布規律。

1 試驗與方法

1.1 試驗區概況

試驗場地為二級表流人工濕地，詳見葛光環[7]文中試驗概況的介紹。該濕地栽植蘆葦和香蒲，即沿進水方向左右兩邊分別種植香蒲和蘆葦；濕地長約107 m，填充的基質為沙子和鋁污泥，其中濕地前段基質為沙子，靠近出水位置30 m段基質為鋁污泥。

1.2 樣品采集及測試分析

人工濕地中共設3個水樣采樣點，分別為濕地進水口、一級表流面和二級表流面之間以及出水口。該區域種植了蘆葦和香蒲2種水生植物，分別分布于濕地的兩側：一側為蘆葦，另一側為香蒲。由于蘆葦的種植密度大于香蒲，故結合實際情況，共設置11個蘆葦采樣點：其中一級表流面5個、二級表流面6個(間距大概為10 m)；6個香蒲采樣點，分別位于2個表流面的進水口、池中間和出水口處，其中一級表流面和二級表流面各3個(間距大概為20 m)，每個采樣處采集4株高度相近的植物，采樣時節為夏季，此時植物處于前生殖生長期，采樣時應保證植物的完整性。共計17個植物采樣點。基質的采樣點則與植物采樣點分布相同，分別采取對應植物采樣點的植物根系附近的表面基質。共計17個基質采樣點。采樣點分布如圖1所示。

2 結果與分析

2.1 人工濕地基質和植物中重金屬的分布特征分析

2.1.1 人工濕地基質中Cr和Cu的分布特征分析 由圖2可知，該濕地蘆葦根際基質中Cr的濃度為175.13～380.39 mg/kg，Cu的濃度為32.00～255.56 mg/kg，Cr濃度高于Cu濃度；重金屬濃度在前2個采樣點大幅度下降，隨后變化幅度趨于平緩；2種重金屬在二級表流面的后3個采樣點(鋁污泥基質)濃度均有小幅度上升。汪旭等[9]在實驗室進行模擬得出含重金屬廢水經過人工濕地處理后，被固定在基質中的系統截留金屬可以達到98%以上；但在pH值低于3.3時，已經被固定的Pb和Cu很可能會被再次釋放出來。

該濕地香蒲根際基質中Cr的濃度為174.75～254.38 mg/kg，Cu的濃度為51.53～94.76 mg/kg，Cr濃度高于Cu濃度；Cr的濃度波動相對較大，但總體上還是呈現出下降趨勢；Cu的濃度在一級表流面的前3個采樣點下降趨勢較為明顯，在二級表流面的后3個采樣點趨于穩定。

圖1 采樣點分布示意圖

2.1.2 人工濕地植物中Cr和Cu的分布特征分析 為方便對植物體內重金屬的分布遷移規律進行分析，故將所采集到的2種植物樣本分為3部分(根、莖、葉)，并分別對各部位Cr、Cu兩種重金屬濃度進行測定。用軟件計算出植物各部位重金屬濃度與方差，并繪制圖表進行分析。

2.1.2.1 人工濕地蘆葦中Cr和Cu的分布特征分析 由圖3可知，蘆葦根中Cr濃度為0.92～12.72 mg/kg，Cu濃度為4.25～19.11 mg/kg，遠低于其根際基質中的重金屬含量；Cr、Cu濃度沿程變化趨勢基本相同，都表現為在一級表流面的前4個采樣點明顯下降，隨后又有略微升高的趨勢，而后又開始慢慢下降，在二級表流面后3個采樣點又開始升高。

蘆葦莖中Cr濃度為0.71～5.68 mg/kg，Cu濃度為3.72～9.87 mg/kg，明顯低于根中重金屬含量；表現出與蘆葦根中重金屬濃度沿程變化相似的規律。

圖2 蘆葦和香蒲根際基質中重金屬沿程分布

蘆葦葉中Cr的濃度為0.38～0.76 mg/kg，整體濃度較低且低于根、莖中的濃度，沿程變化趨勢不明顯；Cu的濃度為3.63～9.80 mg/kg，低于根中濃度但比莖中濃度高；另外，葉中Cu濃度沿程變化規律不明顯。

將整個蘆葦根、莖、葉3個部分的重金屬濃度分布圖結合起來看，Cr濃度表現為根>莖>葉，Bragato等[10]研究表明，植物在人工濕地中起著至關重要的作用，水生植物不僅能吸附大量有毒有害物質，同時還能直接吸收水中營養物質供其生長發育；不同的部位吸收的濃度表現為根>莖>葉。Cu濃度表現為根>葉>莖，董志成等[6]發現蘆葦中Zn、Cu以及Cd的分布特征為根>葉>莖；蘆葦中Pb和Cr的分配特征為根>莖>葉，這可能與蘆葦自身性質、重金屬各自性質不同以及生長的環境相關[11]。R?mheld[12]在研究中提出，禾本科植物根系分泌的麥根酸類在活化濕地基質中難溶性Fe元素的同時，Cu、Zn、Cd及Mn等也被活化，故重金屬的生物富集能力增強。根、莖、葉中重金屬沿程分布與變化趨勢有很多相似之處，且蘆葦根中重金屬濃度分布特征表現出與蘆葦根際基質中重金屬濃度分布特征相似的規律，這也表明蘆葦根中重金屬濃度與蘆葦根際基質中重金屬濃度有一定的相關性。

2.1.2.2 人工濕地香蒲中Cr和Cu的分布特征分析 香蒲根中重金屬濃度與沿程分布見圖4。由圖4可知，香蒲根中Cr濃度為0.48～2.49 mg/kg，Cu濃度為4.24～10.38 mg/kg，Cr濃度在前3個采樣點(一級表流面)和后3個采樣點(二級表流面)均呈上升趨勢，只在兩池之間呈降低狀態；Cu濃度在一級表流面遞減，在二級表流面有上升趨勢。

香蒲莖中Cr和Cu濃度分別為0.34～1.34 mg/kg和3.87～8.61 mg/kg，低于根中重金屬含量；香蒲葉中Cr和Cu濃度分別為0.22～0.33 mg/kg和3.57～8.23 mg/kg，香蒲莖葉中Cr和Cu沿程波動不大。Lesage等[13]研究得出基質中Zn、Cd、Cu、Pb四種重金屬的沿程積累規律均與運行距離的增加呈負相關，只有Mn呈正相關，而植物中則無法明顯看出重金屬沿程變化規律。香蒲各部位中Cu的濃度高與Cr的濃度，這與香蒲根際基質中Cu、Cr的濃度恰好相反。香蒲各部位中，Cr的濃度大小依次為根>莖>葉；Cu的濃度則表現為根>葉>莖。

圖4 香蒲各部位中重金屬含量沿程分布圖

2.2 人工濕地基質和植物中重金屬轉移及富集性分析

2.2.1 人工濕地植物中Cr和Cu的轉移特征分析 為便于對人工濕地中Cr和Cu的轉移特征進行分析，故引入遷移指數(TF)進行分析，計算公式為：

TF莖/葉=C莖/葉/C根

而由上文中所列出的蘆葦和香蒲各部位的重金屬濃度表，可算出Cr、Cu在蘆葦和香蒲各部位中的遷移指數。經計算，濕地植物各部位中Cr、Cu遷移指數(TF)如表1所示。

由表1可以看出，蘆葦和香蒲莖中Cr的TF均大于葉中Cr的TF，而葉中Cu的TF則大于莖中Cu的TF，說明Cr易于由根向莖轉移，而Cu易于由根向葉轉移；同時，蘆葦和香蒲莖和葉中Cr和Cu的TF差別較小，表明植物的種類不是影響TF的主要因素；Cr和Cu的TF區間分別為0.14～0.62、0.61～0.99，表明在植物體內，Cu具有較強的從根部遷移到莖和葉的能力，此結論與Jan 等[14]的研究結果不一致，可能由于高濃度Cu環境影響根中Cu的代謝，從而使莖葉中Cu濃度發生改變[15]。

表1 植物各部位中Cr和Cu的遷移指數比較

2.2.2 人工濕地植物對Cr和Cu的富集特征分析 生物富集系數(BCF)可以體現出植物對基質中重金屬的富集能力。為便于對人工濕地植物對Cr和Cu的富集特性進行分析，故引入BCF進行分析，計算公式如下：

BCF=C根/C基質

由上文中所列出的蘆葦和香蒲根中及其根際基質中的重金屬濃度表，套入公式則可算出Cr、Cu在蘆葦和香蒲中的生物富集系數。由表2可知，濕地中蘆葦的BCF：Cu(0.17)>Cr(0.02)，香蒲的BCF：Cu(0.12)>Cr(0.01)，無論是蘆葦還是香蒲中，Cu的生物富集效果都要強于Cr，說明相比之下，基質中的Cu更易被植物的根吸收。

表2 植物中Cr和Cu的生物富集指數比較

2.2.3 人工濕地水樣、基質和植物中重金屬含量的相關性分析 為便于對人工濕地中重金屬含量的相關性進行分析，故引入皮爾遜相關系數(PCCs)，以上文中植物和基質樣品以及下文水樣樣品中重金屬濃度數據為基礎，用SPSS軟件計算出同種重金屬濃度變量的皮爾遜相關系數(R)，并通過f-檢驗驗證兩變量之間顯著相關性，當P<0.05時，說明兩變量之間有顯著相關性；當P≥0.05時，則說明兩變量之間無顯著相關性。

該濕地進水中Cr和Cu濃度分別為37.90±27.77 μg/L和7.30±1.41 μg/L，出水中Cr和Cu濃度分別為2.18±1.24和4.50±2.78 μg/L，Cr、Cu去除率分別為94%、38%。

2.2.3.1 樣品之間含Cr濃度的相關性 由表3可知，基質與水樣之間Cr濃度具有正相關性，表明水樣中Cr濃度與基質中的Cr濃度互相影響；植物莖與基質之間Cr濃度具有正相關性，而植物根與基質之間Cr濃度無顯著相關性，表明植物莖對Cr的生物富集能力強于根；植物莖和葉之間Cr濃度具有正相關性，表明植物體內Cr由莖向葉的轉移能力較強。

表3 樣品之間 Cr濃度的皮爾遜相關系數(R)和相關顯著性概率

2.2.3.2 樣品之間含Cu濃度相關性 由表4可知，植物葉與水樣之間Cu濃度呈正相關，表明植物葉與水樣中Cu濃度互相影響；植物的莖與基質之間Cu濃度呈正相關；植物莖和葉之間Cu濃度呈現出顯著相關性，說明植物體內Cu由莖向葉的轉移能力較強。這與Cr所表現出的規律基本相同。

表4 樣品之間Cu濃度的皮爾遜相關系數(R)和相關顯著性概率

3 結論

(1)蘆葦和香蒲中Cr的比例大小均表現為：根>葉>莖，而Cu的分布表現為：根>莖>葉。

(2)2種植物中Cr和Cu的遷移指數相差較小，說明植物的種類不是影響遷移指數的主要因素；植物根部較易富集Cu，且根部Cu遷移到莖和葉的能力強于Cr。

(3)水樣和基質中的Cr濃度、植物葉與水樣中Cu濃度呈正相關，說明水樣和基質中的Cr濃度互相影響，水樣中Cu含量與植物葉含Cu量呈正相關；植物莖、葉之間Cr和Cu濃度具有相關性。