中国环境科学
CHINA ENVIRONMENTAL SCIENCE
1998年 第18卷 第1期 No.1 Vol.18 1998
科技期刊

模拟秋茄湿地系统中Pb的分配与迁移*
缪绅裕　(广州师范学院生物系,广州 510400)
陈桂珠　(中山大学环境科学研究所, 广州 510275))

文　摘　在温室中建立模拟秋茄湿地系统，分别用3种不同浓度的人工污水每周定时定量对模拟系统进行污灌1年, 用以研究Pb在系统中的分配与迁移。结果表明：加入系统的Pb主要分配存留在土壤中, 很少迁移到植物体和掉落物中。由于红树植物的拒盐机制以及被秋茄吸收的Pb主要积累在非生理活动区，表明秋茄幼苗对Pb具较强抗性。同时, 应用物质平衡模型, 计算得土壤子系统Pb的环境容量较大, 因此整个模拟系统对Pb污染的承受力较大。
关键词　模拟湿地系统　秋茄　Pb　分配　迁移
Allocation and migration of lead in simulated wetland system of Kandelia candel. Miao Shenyu(Department of Biology,Guangzhou Teachers'College, Guangzhou 510400)；Chen Guizhu(Research Institute of Environmental Science,Zhongshan University,Guangzhou 510275).China Environmental Science.1998,18(1):48～51
Abstract—A greenhouse experiment was performed for one year to research the behaviour of Pb in artificial wastewater within simulated mangrove wetland system.Three different strenghts of artificial wastewater had been discharged into the system in fixed quantity twice a week.Results showed that the total lead in artificial wastewater discharged into the simulated systems stagnated mainly in soil subsystem, only a few migrated into seedlings and litters. For the mechanism of resisting salt in mangrove plant and the assimilated lead by seedlings were restored at the non-active regions, the plant of Kandelia candel has potential resistance of lead. As the environmental capacity of lead in soil subsystem is calculated by using the equilibrium model of matter, it shows that the simulated wetland system has a high capacity for bearing the heavy metal pollution of lead.
Key words:simulated wetland system　Kandelia candel　lead　allocation　migration
　　红树林是热带、亚热带潮间带的优势植物群落, 能耐受高浓度重金属〔1〕。红树林沼泽对稀释的有机废水具较大的净化潜力〔2〕,底泥可作为废水污染物的沉积地〔3〕。本文旨在讨论人工污水中的Pb在该系统中的分配和迁移规律, 以研究模拟湿地系统对污水中重金属Pb的承受力及秋茄对Pb的抗性机制。
1　材料与方法
1.1　实验材料与模拟试验方法
　　试验用植物材料为中国红树林优势种之一的秋茄Kandelia candel(L.)Druce 1年生幼苗。 模拟湿地系统的建立、污水的排放处理时间、排放量及成份见文献〔4,5〕。对照组(以C0代表)不灌污水, 正常、5倍和10倍浓度污水处理组分别用C1、C5、C10表示。其中正常浓度人工污水(国家污水排放标准)Pb的含量为 1.0 mg/L。
1.2　样品采集与分析测试方法
　　每次更换潮汐水时每盆取1个水样并记录潮汐水体积。采集的水样用1mL浓HNO3固定, 再用甲基异丁基酮-乙酸异戊酯萃取二乙基二硫代氨基甲酸钠(DDTC)的金属螯合物, 在pH值6.0的条件下,萃取Pb(进行2次), 然后加浓HNO3(原子吸收纯)和30％的过氧化氢在电热板上低温消化至样品澄清, 再用ICP仪(电感藕合高频等离子体发射光谱仪)法测定, 结果由计算机联机打印出。
　　试验前和结束时每盆土壤取样4个，测定后求平均值。所用土壤取自深圳福田红树林底泥(预处理使容重相等)。土样风干磨研过10目筛后, 用浓HNO3-浓H2SO4(5:1)在160℃消化至完全澄清呈浅蓝绿色, 定容25mL, 用ICP仪测定。植物样品取试验前、后的植株洗净, 分根、胚轴、茎和叶不同器官在60℃下烘干, 研磨过10目筛; 用于测定生物量的部分在恒温105℃下烘至恒重。掉落物随时收集洗净, 分月汇总。所有植物(含掉落物)样品的消化、测定方法同土壤。
　　Pb在秋茄植物体内的分布用玫瑰红酸钠与Pb产生红色沉淀法检测; 石蜡切片用光学树脂封固,光学显微镜下观察。
2　结果与讨论
2.1　水体中Pb含量
　　经过6次对系统潮汐水体积及Pb浓度的测定, 计算得1年内系统排水(径流输出)所带走的Pb总量分别为C0 0.016 mg、C1 0.044 mg、C5 0.102 mg及C10 0.124 mg。可见由排水带走的Pb总量并不存在明显的5倍或10倍的关系，表明加入的Pb大部分存留于土壤或植物子系统中,即在一定程度上, 系统对所加入污水的净化效应随污水处理浓度的升高而加大。
2.2　土壤中Pb含量
　　对土壤Pb含量的背景值和灌污1年后的土样分别测定, 结果见表1, 其中的重量指每组3盆(平行处理)共285.669kg烘干土(风干土含水量平均为4.777％)所含Pb的总量。
表1　土壤中Pb含量(mg/kg)及重量(g)
Table 1　Content (mg/kg) and weight (g) of lead in soils

项目 背景值C0C1 C5 C10 
含量14.97014.89016.55223.284*31.822**
重量 4.2764.2544.7286.652 9.091　

　　注:与背景值比较 *P<0.05　**P<0.01,n=3
　　据报道,各地红树林土壤中Pb含量的背景值变化较大, 如台湾竹围为13 mg/kg〔6〕,海南岛10 mg/kg〔7〕,澳大利亚的布里斯班51 mg/kg〔8〕。本文测定的土壤Pb含量的背景值与竹围的接近,高于海南岛而低于布里斯班。随着污水处理浓度的增大, 土壤中Pb的含量有显著增加。
2.3　植物体中Pb含量
　　对植物各器官中Pb含量进行测定的结果见表2。
表2　植物体各器官中Pb含量(mg/kg)
Table 2　Content of lead in different organs of plant

植物器官 背景值污水处理1年后
C0C1C5C10
根 35.631 37.350 39.938 66.913**63.225**
胚轴 1.423 1.638 1.55012.613** 22.750**
茎 1.495 1.748 2.050 2.300　 26.238**
叶 0.871 1.550 　1.938* 2.356** 4.774**

　　注:与背景值比较 *P<0.05　**P<0.01　n=3
　　背景值和污水处理1年后的结果均显示植物各器官中Pb的含量在根中最高, 胚轴和茎接近,叶片中最低。提示了Pb主要通过根部吸收进入体内，然后经木质部运输转移到胚轴、茎和叶片,但由木质部向上运输的比例很小，只有当根部积累较多时, 才有更多部分转移到胚轴或茎中。
　　结合4组植物各器官的总干重, 求得每组植物各器官Pb的净增值和从土壤中吸收的总量(未包括掉落物部分, 见表3植物存留量)。
表3　Pb在模拟系统中的分布(g)
Table 3　Distribution of lead within simulated system

子系统组别 水体土壤植物
加入排出存留支出存留掉落物带走
C0 0.001 0.016 　0.0220.0030.001
C1 0.5050.044 0.452 　0.002 0.001
C5 2.5210.102 2.376 　0.008 0.001
C10 5.041 0.124 4.815 　0.0160.002

2.4　掉落物中Pb含量
　　污水处理期间收集的各组掉落物每月汇总统计出生物量, 并分析其Pb含量(表4),以求出掉落物带走的Pb总量(即归还量, 表3中掉落物带走量)。掉落物中大部分为老叶,也含少量嫩叶和枯枝。因每年夏季(6～8月)为秋茄生长的旺季, 绝大部分物质运转到生长部位, 掉落物中Pb的含量有较明显的下降, 所以出现了表4中有未检出的现象。实际上,红树植物能通过大量的掉落物把体内过多的盐份或有害物质排出体外, 这是红树植物适应于高盐生活环境的生理表现, 也是秋茄对Pb具有较强抗性的原因之一。
表4　掉落物中Pb含量(mg/kg)
Table 4　Content of lead in litters

月份 C0 　 C1 　 C5 C10 
1 6.61 8.8528.31 10.91 
26.74 6.1120.38 16.41 
3 4.66 18.21 16.83 15.35 
4 8.39 23.78 49.0080.11 
5 8.23 20.51 9.70 19.26 
6 - 1.94- -
7 - 5.39 6.00 24.38 
8 - 10.943.6917.68 
9 6.55 10.28 16.51 21.18 
10 0.95 5.48 4.50 26.01 
11 6.71 5.23 10.63 31.43 
126.43 9.15 17.35 22.18 

　　注："-"表示未检出
2.5　模拟系统中Pb的分配
　　若不考虑模拟系统外其它因素的影响, 则Pb在水体、土壤及植物3个子系统的分配见表3。其中C0土壤子系统中只有支出是因为该组未加入污水, 而原来土壤中的Pb会被水溶出。各污水处理组存留于土壤中Pb的总量占所加入系统Pb总量的比例(相当于对污水的净化率)分别为:C1 89.50％、C5 94.24％和C10 95.51％, 且随着污水浓度增加而增大。
2.6　秋茄幼苗对Pb的吸收系数
　　吸收系数为元素的流动系数之一,在一定程度上可以反映元素的迁移速率。按单位时间、面积植物所吸收某元素的量与土壤中相应元素总量之比求得重金属元素的吸收系数〔9〕。各处理组依次为：C0 0.85‰、C1 0.60‰、C5 1.34‰和C10 1.96‰,在计算每组植物Pb的吸收量时已包括掉落物中Pb总量。随着污水处理浓度的增大,土壤含Pb量明显增加, 秋茄对Pb的吸收系数也明显增大。因为Pb不是植物的必需元素, 因此上述现象可能是由植物的被动吸收引起的。
2.7　Pb在秋茄体内的分布及植物对Pb的抗性机制
　　红树植物的排盐机制(秋茄也是拒盐种)对重金属也具类似排斥功能〔10〕,因此Pb可经根部的拒盐机制阻止进入植物体内, 这是红树植物耐重金属污染的原因之一。组织的化学检测结果表明,Pb主要分布在秋茄根、胚轴和茎的周皮(含大量单宁)的木栓层细胞或皮孔的补充细胞内, 也有一部分积累在细胞间隙, 而这些细胞(包括石细胞)或其间隙均非生理活动区, 故对植株正常的生长和生理功能影响不大, 这种在死细胞内或细胞壁间隙中对重金属离子的贮存, 可能起到对重金属的解毒作用, 这是秋茄对重金属污染的主要抗性机制之一。此外, 红树植物还可通过大量的掉落物把进入体内的重金属排出体外。
2.8　模拟系统中土壤Pb的环境容量
　　环境容量指环境单元所允许承纳污染物质的最大数量。本研究以基本环境容量为主，建立物质平衡模型。根据质量平衡定律，确定一定时限内土壤Pb的环境容量。该平衡模型的总体示意式为：

式中：S为土壤中Pb的浓度(mg/kg),t为时间(a)；I为输入项；O为输出项。
　　本模型的构造原则是把土壤子系统定义为有输入输出的开放系统，Pb在其中发生各种形式的迁移、转化和循环，制约着土壤Pb浓度的动态变化。对于输入项，包括土壤背景值贡献、污水的年输入量、潮汐水的年输入量以及掉落物的年归还量；输出项则包括潮汐水年输出量、植物年富集量。在一定年限内，土壤允许Pb输入的总量Qsc＝Q*t
式中：Qsc为总容量(g)；Q为年容量(g)；t为时间(а)。
　　系统总容量Qsc＝(临界值Cs － 本底值S0) × 每组土壤总烘干重量
　　计算时所用参数的设定：(1)因掉落物在1年之内能完全分解，故其分解速率为1。(2)植物富集系数指植物某部位(器官)Pb的含量与土壤中Pb的含量之比。求得的各组秋茄对土壤中Pb的富集系数见表5。富集系数的计算有助于了解Pb对植物的毒害作用, 表5中显示根部对Pb的富集作用最强, 植物体一旦受害首先表现在根部。(3)土壤Pb的临界值Cs在研究土壤－植物子系统中, 通常根据作物减产10％或20％的效应制定临界含量等级标准〔11〕。本研究主要依据Pb对秋茄幼苗生物量的影响效应而定, 由于所有污水处理组植株的生物量与对照组相比未发现明显下降〔4〕,且持续1年的污灌未对土壤子系统产生明显不利的影响〔12〕,表明所有组的土壤Pb的含量均未达到临界值。有研究表明，秋茄幼苗根部含Cd量达 500 mg/kg时开始产生抑制和毒害作用〔10〕,而一般耕作土壤重金属含量临界值设定为Cd 3.0mg/kg, Pb 500mg/kg〔13〕,可见Cd的毒性远大于Pb,本研究由此确定土壤Pb含量的临界值为500mg/kg。
表5　秋茄对土壤中Pb的富集系数
Table 5　Enrichment coefficients of lead by 
Kandelia candel seedling 

处理组 C0 C1 C5C10
根 2.5082.413 2.8741.989
胚轴 0.1100.0940.5420.715
茎 0.1170.1240.0990.825
叶 0.104 0.1170.1010.150

　　根据以上确定的参数，求得土壤中Pb的总容量Qsc＝(500mg/kg－14.970mg/kg)×285.699kg＝138.573 (g)。再根据Qsc＝Q*t求得各污水处理组模拟系统的使用寿命分别为C1　306年、C5　58年、C10　28年。由于C5、C10的污水浓度分别是正常浓度污水Pb含量的5倍和10倍, 若以正常浓度污水为基准, 它们的使用寿命分别相当于290年、280年，均超过一般土壤污灌使用寿命要求的50年〔11〕。
3　结论
　　模拟的秋茄湿地系统施放污水1年，未发现植物出现明显可见的受害症状。根据物质平衡模型计算得土壤子系统中Pb的环境容量较大, 若排放正常浓度的污水使用年限可长达280年以上。同时由于秋茄的拒盐机制，根中内皮层的凯氏带可以限制Pb由皮层大量进入内部组织, 即使有少量的Pb进入维管组织, 也可通过与植物体各部位所含的大量单宁结合沉积于非生理活动部位, 从而起到对Pb的解毒作用。因此，模拟湿地系统中土壤对Pb的承受力较大, 秋茄对Pb的抗性较强，用本系统处理人工污水有较大的可行性。
参考文献
1　林　鹏，陈荣华.海洋学报,1989,11(2):242～247
2　Teas H J.Biology and Ecology of Mangroves(Vol.8).Lancaster:Dr Junk W Publishers,1983.163～179
3　Tam N F Y， Wong Y S.Environmental Technology,1993,14:719～729
4　Chen G Z,et al.Hydrobiologia,1995,295：(1～3)，263～273
5　陈桂珠等.环境科学学报,1996,16(1):44～50
6　邱志郁,周昌弘.生物科学(台湾),1989,32:1～6
7　王景华,钟　义.环境科学学报,1983,3(2):123～131
8　Mackey A P,et al.Australian Marine Pollution Bulltin,1992,79(2):113～120
9　林　鹏等.厦门大学学报(自然科学版),1985,24(4):508～514
10 郑逢中等.植物生态学与地植物学学报,1992,16(3):220～226
11 高拯民.土壤-植物系统污染生态研究.北京:中国科学技术出版社,1986.515
12 缪绅裕,陈桂珠.土壤,1995,27(2):70～73
13 杜庆民,沈伟然.环境科学,1987,8(6):57～62
作者简介
缪绅裕　男,1965年6月生。1994年于中山大学获博士学位。现任广州师范学院生物系植物教研室主任，副教授。主要从事植物学、红树林污染生态学的教学和科研工作。承担或参加过“大亚湾红树林的遗传结构及红树林的复育研究”、“海湾污染对红树林湿地的影响及红树林的净化效应研究”等项目。发表论文20余篇，专著2本。
收稿日期：1996-12-03
*国家自然科学基金资助项目
