环境科学学报
ACTA SCIENTIAE CIRCUMSTANTIAE
1999年 第19卷 第5期 Vol.19 No.5 1999



模拟秋茄湿地系统中镍、铜的分布积累与迁移*
缪绅裕　陈桂珠
摘要　温室中建立模拟湿地系统.对照组用15‰的人工海水，污水处理组分别用正常、5倍和10倍浓度的人工污水定时、定量对模拟系统污灌一年，用以研究Ni、Cu在系统中的分配与迁移.结果表明：污水中的Ni、Cu主要存留于土壤中，占88.13%—94.12%；留存于植物体中的占0.10%—0.34%；凋落物占0.02%—0.09%.由植物吸收的Ni、Cu主要分布于根部，分别占总量的31.08%—56.19%和7.81%—57.49%；原胚轴中-11.70%—25.53%和5.26%—48.26%；叶片中6.67%—53.31%和5.32%—13.78%，其余分配在茎中.各污水处理组植物对土壤中的Ni、Cu的累积系数分别平均为0.67—1.60和0.67—2.61，以根部的1.59和2.11为最大；系统中Ni、Cu的周转期分别平均为8.1年和10.1年.
关键词　模拟湿地系统；秋茄；Ni;Cu;分布；迁移.
Distribution, accumulation and migration of Ni and Cu in simulated Kandelia candel wetland system
MIAO Shenyu (Department of Biology,Guangzhou Teachers College,Guangzhou 510400)
CHEN Guizhu (Research Institute of Environmental Sciences,Zhongshan University,Guangzhou 510275)
Abstract　A greenhouse experiment has been performed for one year to research the behaviour of Ni and Cu in artificial wastewater within the simulated mangrove wetland system.Three different strenghts of artificial wastewater had been discharged into the system in fixed quantity.Artifical seawater of 15‰ salinity was used as the control.Results showed that about 88.13% to 94.12% of the total Ni and Cu in artificial wastewater discharged into the simulated systems stagnated in soil subsystem,only a few in seedlings(0.10% to 0.34%) and litters(0.02% to 0.09%).In plant body,the distribution of Ni and Cu in roots were about 31.08% to 56.19% and 7.81% to 57.49%,respectively.In their turns,-11.70% to 25.53% and 5.26% to 48.26% in pro-hypocotyls;6.67% to 53.31% and 5.32% to 13.78% in leaves,and the others in stems.In three wastewater treatment groups,the average accumulative coefficients of plants to Ni and Cu were 0.67 to 1.60 and 0.67 to 2.61,respectively.Among them,the coefficient of Ni and Cu were the highest in roots,which reached 1.59 and 2.11.In the simulated system,the means of cycling period of Ni and Cu were 8.1 years and 10.1 years,respectively.
Keywords　simulated wetland system,Kandelia candel,Ni,Cu,distribution,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］，底泥可沉积较多的重金属污染物［3—5］.本文旨在研究人工污水中的Ni、Cu在模拟湿地系统中的分配和迁移规律，以讨论该系统对污水中重金属的承受力.
1　材料与方法
1.1　实验材料、模拟试验方法及人工污水成分
　　模拟湿地系统含底泥、潮汐海水和1年生秋茄苗，具体实验方法和人工污水成分参见文献［6—8］.人工污水中Ni、Cu的含量分别为1.0mg/L、2.0mg/L.对照组(不加人工污水)、正常、5倍和10倍浓度污水处理组分别用C0、C1、C5和C10代表.
1.2　样品采集与分析测试方法
　　每次更换潮汐水时取水样并记录水体积.水中Ni、Cu含量用甲基异丁基酮-乙酸异戊酯萃取二乙基二硫代氨基甲酸钠(DDTC)的金属螯合物同时进行萃取，消化后用电感耦合高频等离子体发射光谱仪(ICP)仪测定.
　　灌污实验前后对每盆土壤取样4个，测定取平均值.土壤含水量用称重法，Ni、Cu含量经预处理后用ICP仪测定.取实验前、后的植株洗净，分根、原胚轴、茎和叶烘干，研磨过筛，测定生物量的部分在105℃下烘至恒重.凋落物随时收集洗净，分月汇总.植物(含凋落物)样品的消化、测定方法同土壤.
2　结果与讨论
2.1　潮汐水中Ni、Cu含量的变化
　　经一年6次对系统潮汐水体积及Ni、Cu浓度的测定，计算出一年内系统排水所带走的Ni、Cu总量.所测定的各次潮汐水中Ni、Cu含量结果显示：对照组(C0)基本上呈下降趋势，所有污水处理组(C1、C5、C10)均有上升趋势，3组污水加入的Ni、Cu量之比为1∶5∶10，而潮汐水中输出量之比依次约为1∶3.8∶5.3和1∶4.6∶6.4，表明土壤的吸附沉积作用大于释放作用，而秋茄幼苗对金属元素的吸收也会影响所排出的潮汐水中的含量，共同导致输出比低于加入比.
2.2　土壤中Ni、Cu含量的变化
表1　土壤中Ni、Cu平均含量(mg/kg)
Table 1 Average Content of Ni and Cu in soil

元素背景值C0C1C5C10
Ni2.522.504.11*10.31**18.48**
Cu0.150.143.31**16.23**33.36**

　　与对照组比较，*P<0.05,**P<0.01,n=3
　　对土壤Ni、Cu含量的背景值和实验一年后的土样分别测定，结果见表1.测得的Ni含量背景值与台湾竹围秋茄林下土壤表层(0—30cm)的2.1—2.7mg/kg［9］相近；Cu含量背景值远低于台湾竹围的5.2—6.2mg/kg［9］和福建九龙江口秋茄林下的29.7mg/kg［10］.一年后土壤中Ni、Cu的含量，对照组因土壤中重金属的释放被排出的人工潮汐水带走而略有下降；各污水处理组则随着污水处理浓度的增大而升高，表明由污水加入的Ni、Cu大部分被土壤吸附沉积，这是因为一般红树林土壤除了表层10cm左右外，大致呈还原状态(含较高的H2S)，有助于重金属形成硫化物或水合氢氧化物的沉淀，因而减低土壤溶液中的重金属浓度.
2.3　植物体中Ni、Cu含量的变化及植物对Ni、Cu的累积系数
　　对植物各器官中Ni、Cu含量进行测定，结果见表2.
表2　植物体各器官中Ni、Cu含量
Table 2 Contents and accumulative ratios of Ni and Cu in different organs of Kandelia plant

元素器官含量，mg/kg累积系数
背景值C0C1C5C10背景值C0C1C5C10
Ni根7.487.759.4613.33**21.79**2.993.102.301.291.18
原胚轴2.192.841.743.992.890.871.140.420.390.16
茎2.262.492.254.06*3.040.901.000.550.390.16
叶2.472.883.386.19**21.79**0.461.150.820.601.18
平均3.603.924.216.8912.381.311.601.020.670.67
Cu根10.6814.4014.6015.6831.49**71.20102.864.410.970.94
原胚轴1.021.454.0516.09**19.89**6.8010.361.220.990.60
茎9.6510.3910.7423.29*29.64**64.3374.213.241.430.89
叶4.745.715.236.488.1531.6040.791.580.400.24
平均6.527.998.6615.3916.7943.4857.062.610.950.67

　　同一器官同种元素含量与背景值比较，*P<0.05,*　*P<0.01,n=3
　　表2中，各组植株Ni含量基本为根>叶>茎>原胚轴；Cu含量，C0组和C1组为根>茎>叶>原胚轴，C5和C10组为根、茎>原胚轴>叶.随着污水处理浓度的增大，各器官的重金属含量均增大，其中以叶中的Ni和原胚轴中的Cu增加最为显著.与背景值比较，C0组累积系数变大，各污水处理组均变小.同一处理组中植株对Cu的累积系数平均大于Ni，但随着污水处理浓度的上升，二者差异越来越小.累积系数平均值大小排列有一定差异，Ni为根>叶>原胚轴、茎，而Cu为根>茎>原胚轴和叶.不同处理组植株的不同器官对Ni、Cu的富集作用差异较大.各器官的累积系数随污水处理浓度的上升而下降.本文的结果提示根部的Ni、Cu含量显著高于土壤，其它部位的稍低或较接近，与台湾淡水的情况［4］相似.
　　根据回归方程［8］及每组45株秋茄苗试验前的茎高和茎径求出各组植株各器官试验前的总生物量，与各器官重金属含量的背景值之积为表3中的背景值.用实验一年后的实际生物量乘以各组植物各器官Ni、Cu含量，求出表3中的现存量.现存量减去背景值为各器官Ni、Cu含量的分配值.各组植株各器官的生物量排列顺序均为原胚轴>茎>根>叶.各器官的重金属现存量，可由各器官生物量乘各自的重金属含量(表2)求得，结果是各组植物Ni的累积量顺序基本为根>原胚轴>茎、叶，Cu的累积量为茎、原胚轴>根>叶.表3中，植物所吸收的Ni主要分配在根和叶片中，Cu主要分配在原胚轴和茎中.而C0组Ni分配量为根>原胚轴、茎>叶片；Cu为根>茎>叶>原胚轴；积累的Ni、Cu占当年吸收总量的比例以根、茎中为主，叶中所占比例较小.
　　秋茄的原胚轴实际是上一代的繁殖器官，形成幼苗后停止发育成为幼苗茎基的一部分，Ni的分配较少，甚至把原有的重新分配到别的器官(如叶)中，结果出现了负值；但大部分Cu却分配积累在此处，叶中较少，可能与这种元素在植物体内的迁移情况有关.植物把重金属转运到叶片后，可通过落叶排出体外，提高植物体对环境中的重金属高含量的适应性.
表3　植物各器官中Ni、Cu总量的背景值、现存量及分配值
Table 3 Baselines and standing amounts of Ni and Cu,and their distributions in different organs of seedlings

元素器官背景值，mg/3盆现存量，mg/3盆分配值，mg/3盆
C0C1C5C10C0C1C5C10C0C1C5C10平均
Ni根0.720.690.750.721.311.151.532.570.590.460.781.850.92
原胚轴0.640.620.630.610.840.511.180.860.20-0.110.550.250.22
茎0.260.240.240.230.450.480.800.600.190.240.560.370.34
叶0.180.160.180.160.250.510.802.980.070.350.622.820.97
总和1.801.711.801.722.852.654.317.011.050.942.515.292.45
Cu根1.020.981.081.032.441.771.803.711.420.790.722.681.40
原胚轴0.300.290.290.280.431.194.745.930.130.904.455.652.78
茎1.111.021.020.971.871.274.585.860.761.253.564.892.62
叶0.340.310.350.310.500.780.841.110.160.470.490.800.48
总和2.772.602.742.595.246.0111.9616.612.473.419.2214.027.28

2.4　凋落物中Ni、Cu含量的变化
　　试验期间收集各组凋落物(落叶为主)每月汇总统计生物量，并分析其Ni、Cu含量(表4)，以求出凋落物在排污一年期间所含的Ni、Cu总量(以组计)，即归还量(表5中的凋落物列).
表4　凋落物生物量及Ni、Cu含量
Table 4 Biomasses and contents of Ni and Cu in litters

月份C0C1C5C10
生物量，
gNi,
mg/kgCu,
mg/kg生物量，
gNi,
mg/kgCu,
mg/kg生物量，
gNi,
mg/kgCu,
mg/kg生物量，
gNi,
mg/kgCu,
mg/kg
110.727.633.286.796.143.284.1910.996.3511.258.4615.74
213.017.393.2213.265.603.049.8411.066.0014.5010.5017.84
35.834.613.154.9212.784.435.729.218.578.699.0115.37
44.033.746.664.408.906.804.2310.2416.684.0217.869.50
52.525.066.252.658.446.262.845.7610.233.678.1510.83
63.423.065.742.613.995.952.973.959.045.854.649.40
77.712.467.858.994.4522.215.644.3043.585.716.9393.38
88.164.207.0410.157.1821.058.966.0116.999.987.8426.50
98.593.566.364.105.7312.453.936.3926.805.4511.4613.20
107.443.007.834.174.5310.964.195.2515.314.707.4922.68
118.584.205.595.703.8910.145.406.7411.165.679.0612.79
129.315.026.486.176.2410.645.638.118.108.059.3823.14
总计89.30　　73.92　　63.55　87.48　　　
平均7.444.495.796.166.499.775.307.3314.907.299.2322.53

　　表4中各污水处理组与对照组相比，一年内凋落物的总生物量无显著差异.随着污水处理浓度的增大，各组凋落物中Ni、Cu的含量也逐渐上升.一年中凋落物的金属含量变化较大，Ni以1—4月的最大，6、7月的最小，最大值与最小值相差4倍左右；而Cu以1—3月最小，7、8月最大，大小相差近10倍，这种状况可能与植物的生长阶段及元素的利用率有关.微量Cu在植物体内可参与某些生化反应，而Ni则不一定.例如，当植物生长缓慢时，Ni可能通过大量的凋落物排出体外以减轻毒害作用，但Cu可能被积累在植物体内.
2.5　模拟系统中Ni、Cu的分配
　　若不考虑模拟系统外因素的影响，则Ni、Cu在水体、土壤及植物3个子系统的分配见表5.表5中土壤存留量列为表1中各处理组质量减去背景值质量(每组3盆共300kg风干土，含水量平均为4.78%，相当于285.67kg烘干土).各污水处理组以水体加入(包括各组由换人工潮汐水时带入的重金属)为基准，计算得各子系统中所含Ni、Cu的百分比.表5中C0组土壤子系统中只有支出是因为该组未加入污水，而原来沉积在土壤中的Ni、Cu会被释放到水中.
　　由表5可见，加入模拟系统的污水中的重金属主要存留于土壤中.本文的结果说明红树林土壤能沉积重金属的90%左右，与以前的研究一致［3—5］.污水中的浓度Ni<Cu，植物体内的积累量Ni<Cu，但由凋落物排出体外的Ni和Cu比例相当，表明Ni、Cu在系统中的积累和迁移有各自的特点.广西英罗湾 红海榄群落中Cu的流动系数较小，低于Cd、Zn、Pb等［10］，本研究中也显示出Cu的迁移速率小于Ni.
表5　Ni、Cu在模拟系统中的分配
Table 5 Distribution of Ni and Cu within simulated system

子系统水体，mg/3盆土壤，mg/3盆植物，mg/3盆
组别元素加入排出(%)存留　(%)支出存留　(%)凋落物(%)
C0Ni3.668.37　5.431.050.43
Cu0.200.932.862.470.50
C1Ni507.6650.14(9.88)453.07(89.25)　0.94(0.19)0.47(0.09)
Cu1008.2086.60(8.59)902.72(89.54)3.41(0.34)0.78(0.08)
C5Ni2523.66192.05(7.61)2224.22(88.13)2.50(0.10)0.44(0.02)
Cu5040.20402.19(7.98)4593.57(91.14)9.22(0.18)0.93(0.02)
C10Ni5043.66265.89(5.27)4558.99(90.39)5.29(0.10)0.80(0.02)
Cu10080.20552.39(5.48)9487.10(94.12)14.02(0.14)1.71(0.02)

　　元素的周转期是以某元素的现存总量(表3)与年凋落物中元素重量(表5)的比率［10］，本研究计算出C0—C10组Ni、Cu元素的周转期依次为6.6、10.5年；5.6—7.7年；9.8、12.9年；8.8、9.7年.C1—C10组Ni平均周转期为8.1年、Cu为10.1年，高于该模拟系统中氮元素周转期的4.7年［7］，而低于广西英罗湾红海榄群落中的Ni的54年和Cu的56年［10］.
　　尽管秋茄幼苗的凋落物和叶片中Ni、Cu含量并不一定比原胚轴或茎中的低，但凋落物生物量没有随着污水处理浓度的增大而增加(表4)，且凋落物中总Ni、Cu量占总系统加入的极小部分(表5)，所以造成的二次污染并不严重.本文实验材料为幼苗，其生物量较小，故体内的重金属累积量较小，且幼苗木质化程度低，对重金属的抗性相应比成熟植株弱.
3　结论
　　模拟湿地系统中Ni、Cu主要分布在土壤中，占由人工污水加入量的90%左右，因此系统对重金属的承受力主要取决于土壤的环境容量.由植物吸收的Ni、Cu(含凋落物中的)仅占加入量的极小部分(<0.5%)，故重金属对秋茄幼苗的影响不大，何况植物体本身对重金属的抗性较强.植物体内，根中的Ni和原胚轴中的Cu占大部分，且系统中的Ni的周转期小于Cu,表明植物对土壤或潮汐水中这二种元素的吸收和富集有一定的选择性.
* 国家自然科学基金资助项目(39470151)
作者单位：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
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1998-01-12收到原稿
1998-05-20收到修改稿
