环境科学  2023, Vol. 44 Issue (2): 781-795   PDF    
引用本文
曾欢, 张华, 丁明军, 王鹏, 黄高翔, 彭翔, 秦瑗, 杨越, 邹天娥, 徐欢, 黄鹏. 鄱阳湖典型湿地土壤-植物系统重金属沿湖向富集及迁移转换特征分析[J]. 环境科学, 2023, 44(2): 781-795.
ZENG Huan, ZHANG Hua, DING Ming-jun, WANG Peng, HUANG Gao-xiang, PENG Xiang, QIN Yuan, YANG Yue, ZOU Tian-e, XU Huan, HUANG Peng. Enrichments, Migrations, and Conversions of Heavy Metal in the Soil/Sediment-Plant System Towards the Lake in Typical Poyang Lake Wetland[J]. Environmental Science, 2023, 44(2): 781-795.
鄱阳湖典型湿地土壤-植物系统重金属沿湖向富集及迁移转换特征分析
曾欢1, 张华1,2, 丁明军1,2, 王鹏1,2, 黄高翔1,2, 彭翔1, 秦瑗1, 杨越1, 邹天娥1, 徐欢1, 黄鹏1     
1. 江西师范大学地理与环境学院, 南昌 330022;
2. 江西师范大学鄱阳湖湿地与流域研究教育部重点实验室, 南昌 330022
收稿日期: 2022-03-31; 修订日期: 2022-05-15
基金项目: 国家自然科学基金项目（4206010185）；江西省师范大学鄱阳湖湿地与流域研究教育部重点实验室开放基金项目（PK2019003）
作者简介: 曾欢(1992~), 女, 博士研究生, 主要研究方向为环境重金属的迁移归趋机制, E-mail: zenghuan20180929@163.com
通信作者: 张华, E-mail: zhangh2013@jxnu.edu.cn
摘要: 特殊的水文节律导致鄱阳湖形成面积较大的周期性环湖消落带，大量的营养物质和污染物极易在消落带中发生沉积，选择鄱阳湖典型河口型消落带，沿湖向按照不同植被类型设置采样断面，采集土壤-沉积物和优势植物样品（不同组织），分析不同时空下土壤/沉积物和优势植物体中重金属（Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Sb和Pb）的含量特征及富集水平，并进一步分析土壤-植物系统中重金属的迁移转换特征，揭示鄱阳湖典型消落带土壤-植物系统重金属迁移转换的影响因素.结果表明，消落带土壤/沉积物重金属含量沿湖向表现为明显的分布规律，呈现为先升高后降低的分布特征，即季节性淹水带土壤/沉积物是重金属富集的主要地带，Cu、Pb和Sb在土壤/沉积物中的富集水平较高，其中Cu和Sb为显著富集（EF>5）；潜在生态风险结果表明季节性淹水带总体处于轻度生态危害水平（70≤RI < 140），显著高于淹水带和未淹水带.消落带沿湖向带状分布的优势植物体中重金属含量并未表现出显著的空间分布特征，但表现为显著的季节差异，生长季（4月）优势植物体内重金属具有较高的含量水平，重金属不同介质和组织的分配大体遵循基质>根部≥地上部分的分布特征，但根部Cd含量显著高于沉积物/土壤中Cd的含量，Sb含量在三者间差异不显著.消落带优势植物生物富集因子（BAF）与转移系数（TF）并未表现出明显的空间分布规律，其中未淹水带茵陈蒿具有较高的BAF和TF值；利用RDA综合排序发现，pH、有机碳、株高和铁锰氧化物是影响土壤-沉积物-优势植物迁移转换的关键环境因子.研究结果可为鄱阳湖典型湿地生物多样性和重金属污染防治提供科学依据和理论支撑.
关键词: 鄱阳湖      消落带      季节性淹水带      土壤/沉积物-植物系统      重金属      迁移转换     
Enrichments, Migrations, and Conversions of Heavy Metal in the Soil/Sediment-Plant System Towards the Lake in Typical Poyang Lake Wetland
ZENG Huan1 , ZHANG Hua1,2 , DING Ming-jun1,2 , WANG Peng1,2 , HUANG Gao-xiang1,2 , PENG Xiang1 , QIN Yuan1 , YANG Yue1 , ZOU Tian-e1 , XU Huan1 , HUANG Peng1     
1. School of Geography and Environment, Jiangxi Normal University, Nanchang 330022, China;
2. Key Laboratory of Poyang Lake Wetland and Watershed Research, Ministry of Education, Jiangxi Normal University, Nanchang 330022, China
Abstract: A large area of periodic water-level-fluctuating zone (WLFZ) in the Poyang Lake, regulated by a special hydrologic rhythm, was deposited with significant amounts of nutrients and pollutants. In this study, the WLFZ located in a typical estuarine wetland was chosen and sampling transects were arranged according to different vegetation types towards the lake. Soil/sediment and dominant plant (different tissues) samples were collected, and contents and enrichment levels of heavy metals (Cr, Ni, Cu, Zn, As, Cd, Sb, and Pb) in these samples were analyzed. The migrations and conversions of heavy metal in the soil/sediment-plant system were evaluated, and driving environmental factors were explored. The results indicated that the contents of heavy metal in the soil/sediment presented an obvious single-peak distribution towards the lake, that is, the seasonally flooded zone was identified as the main deposited zone of heavy metals. There was a high enrichment level of Cu, Pb, and Sb in the soil/sediment from the WLFZ, and significant Cu and Sb pollution was identified (EF>5). The results from the potential ecological risk evaluation (RI) indicated that the ecological risk of the seasonally flooded zone was significantly higher than that in the flooded and unflooded zones, being at a low ecological risk (70 ≤ RI < 140). There was no obvious spatial distribution of heavy metal contents in the dominant plant towards the lake, whereas significant seasonal differences were detected. The levels of heavy metals in plants at the growth phase (April) were higher compared to those at the other sampling times. The tissue distributions of heavy metal content basically followed the sequence of soil/sediment>root ≥ above-ground part, except for in Cd and Sb. The Cd content in the roots was significantly higher than that in the sediment/soil, and the Sb concentration was not significantly different among the three tissues. The bio-enrichment coefficient (BAF) and transfer factor (TF) of heavy metal in the dominant plant towards the lake did not show an obvious spatial pattern, and BAF and TF of heavy metals in the Artemisia capillaris Thunb. was higher than those in other dominant plants. The RDA revealed that pH, organic matter, plant height, and Fe-Mn oxides were the key environmental factors driving the migrations of heavy metals in the soil/sediment-plant system. These results will provide scientific basis and theoretical support for the biodiversity conservation and heavy metal pollution prevention and management in wetlands of the Poyang Lake.
Key words: Poyang Lake      periodic water-level-fluctuating zone      seasonally flooded zone      soil/sediment-plant system      heavy metal      migrations and conversions     

消落带作为水域与陆地环境系统的过渡地带, 受水位周期性涨落的影响, 具有生物的多样性、人类活动的频繁性和生态的脆弱性等特点, 是生态系统中物质、能量的输移和转化的活跃地带.系统内的地球化学生物过程耦合多变, 演变机制复杂, 环境过程多样, 具有独特的生态价值和环境意义[1~3].随着社会经济的快速发展, 大量人类活动产生的污染物在消落带中富集, 尤其是重金属对消落带生态安全产生较大的威胁[4, 5]. 土壤/沉积物-植物系统是消落带湿地重金属的主要富集载体, 有研究表明湿地污染物在土壤/沉积物-植物系统中的富集比例可达99%以上, 周期性干湿交替不仅影响湿地植物的生长和分布[6], 同时也会显著改变湿地基质的pH、氧化还原电位和微生物群落结构, 从而影响湿地重金属的环境行为[7~10].同时由于不同植物对重金属响应的差异性, 导致湿地土壤/沉积物的重金属迁移转化存在较大的差异[11].重金属在湿地土壤-植物系统的富集和迁移转换能够直接影响湿地生态系统的健康及其稳定性.但大多研究均发生在河口滨岸潮滩、水库消落带及水稻田, 而季节性干湿交替对淡水湿地的相关研究仍相对较少[4, 5, 12].

鄱阳湖季节性的水位变化致使每年将形成面积近3 000 km2的环湖周期性水位消落带(water-level-fluctuating zone, 以下简称为WLFZ)[13, 14].消落带中的河流入湖口是流域重金属污染物进入湖区的主要的通道[15~19], 有研究表明鄱阳湖河湖交错区已经成为鄱阳湖重金属的主要沉积库[17, 20, 21].同时周期性干湿交替使得消落带丰富的湿地植物沿高程梯度呈典型带状分布[22], 大型植被和较高的湿度形成的大量有机碳会吸附大量的重金属[23, 24].鄱阳湖季节性涨落形成的独特自然地理景观为开展干湿交替下土壤/沉积物-植物系统重金属的富集及迁移特征研究提供了天然的实验室, 但相关研究还不够深入.

因此, 本文选择鄱阳湖河湖交错区典型消落带, 分析土壤/沉积物-优势植物系统湖向重金属富集的时空变化特征, 并识别影响土壤/沉积物-植物系统重金属迁移的关键环境因子, 以期为鄱阳湖湿地污染防治和环境修复提供科学依据, 同时鄱阳湖湿地消落带作为河岸湖滨带的极端表现形式, 本研究结果也具有一定的借鉴意义.

1 材料与方法 1.1 研究区域概况及样品采集

本文采样点设置在赣江北支和修水交汇的周期性水位消落带上(图 1), 按照沿湖向不淹水带、季节性淹水带和淹水带设置采样点, 其中不淹水带优势植物为茵陈蒿(Artemisia capillaris Thunb.), 季节性淹水带沿湖向包括芦苇(Phragmites communis)-南荻(Triarrhena lutarioriparia)带, 苔草(Carex cinerascens)带及泥滩带[分布有蓼子草(Polygonum criopolitanum Hance)、藜蒿(Artemisia selengensis)和看麦娘(Alopecurus aequalis Sobol.)等植物], 按照周期性湖面涨落特征, 分别在1、4、6和11月进行样品采集(图 2).每个植被带设置3~5个采样点, 共采集根际土壤/沉积物样品89个和植物样品(根、茎和叶)182个.采集所得的土壤/沉积物和植物样品存放在干净的聚乙烯袋中, 封口冷藏保存, 采集到的每个土壤/沉积物样品分为两份, 一份用于理化性质的测试, 一份用于重金属含量的测试.

图 1 采样位置示意 Fig. 1 Location of sampling sites

括号中数字为样品采集月份 图 2 采样断面优势植物分布 Fig. 2 Schematic diagram of vegetation distribution in the sampling transect

1.2 样品处理及测试

带回实验室的土壤/沉积物样品自然风干后, 研磨过筛后经过湿法消解(HNO3+HF+HCl)后通过电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS, Thermo X series Ⅱ, USA)测定重金属Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Sb和Pb的含量[25].植物样品测定株高后, 分离根、茎、叶, 并利用超纯水反复清洗后烘干粉碎, 经过湿法消解(HNO3+HF+H2O2)后通过ICP-MS测定重金属的含量[26].

所有实验都在严格的质量控制下进行, 所用容器均在实验前24 h浸入10%的HNO3溶液中, 且实验试剂均为优级纯.采用沉积物标准样品(GSD-3a、GSS-9)和植物标准样品(GBW10020、GBW09588)进行质控.本文研究的土壤/沉积物和植物中8种重金属的回收率分别为95%~105%和89%~115%, 实验过程中设置15%的平行样品, 标准偏差(RSD)均控制在5%以内.

对土壤/沉积物其它理化性质(粒径分布、有机碳和pH)进行测定, 土壤/沉积物粒径组成采用激光散射粒度分布测定仪(LA-950, Horiba, Japan)测定; 有机碳含量采用高温外加热重铬酸钾氧化-容量法测定[27]; pH测定采用1∶2.5溶液法, 铁锰氧化物含量的测定与其它重金属测试方式一样, 不同淹水带及植被带基本理化性质状况见表 1.

表 1 不同植被带土壤/沉积物理化性质状况1) Table 1 Physical and chemical properties of soil/sediment in different vegetation zones

1.3 重金属富集评价和迁移转换特征分析

利用地累积指数(geo-accumulation index, Igeo)和富集因子(enrichment factor, EF)评价土壤/沉积物重金属富集状况[28], 采用Hakanson潜在生态风险指数(potential ecological risk index, RI)评价土壤/沉积物的潜在生态风险[29].采用生物富集因子(bio-accumulation factor BAF)评价植物对某种重金属元素的富集能力[30].采用迁移系数(translocation factor, TF)评价植物对某种重金属元素的迁移能力[30].由于Eir和RI的分级范围与污染物的种类和数量有关, 本研究涉及到10种重金属, 与Hakanson[29]研究的8种污染物不一致, 因此, 应根据研究的重金属种类和数量对评价指标的分级标准进行调整.参考李小平等[31]研究方法, 以Cd最低级上限值为参评污染物数目, Eir最低级上限值由Cif最低级上限值(=1)与最大毒性系数Tir值相乘得到(1×30=30), 其余级别上限值依次加倍.RI分级标准的最低级上限值由各污染物Tri值之和与Cfi最低级别上限值(为Zn=1) 相乘后取十位数上的整数得到(2+5+5+1+10+30+10+5=68≈70), 其余级别依次加倍[31].

1.4 数据分析方法

借助SPSS 20.0软件进行数据整理及基本分析, 利用单因素方差分析(ANOVA) 进行不同类型数据的差异分析, 借助Origin9.1软件进行图形绘制, 土壤-植物系统中重金属迁移特征影响因素的冗余分析借助R(http://cran.r-project.org/)完成.

2 结果与讨论 2.1 鄱阳湖典型消落带土壤/沉积物重金属含量特征及富集评价

结合表 2和图 3可以发现, 季节性淹水带和淹水带中土壤/沉积物中Cr和Ni的含量差异并不显著, 但均显著高于未淹水带; 而未淹水带和淹水带中土壤/沉积物Cu、Zn、Cd和Pb含量差异并不显著, 均显著低于季节性淹水带; 土壤/沉积物As含量在3个淹水带均表现出显著的差异, 其中季节性淹水带的均值含量最高(16.46mg·kg-1), 而未淹水带的均值含量最低(4.17 mg·kg-1); 而土壤/沉积物Sb含量在3个淹水带上未表现出显著差异.与背景值相比, 除Cd外, 不同淹水带土壤/沉积物重金属含量均明显高于其背景值, 尤其是季节性淹水带中芦苇-南荻群落土壤/沉积物中Cu、Zn、Pb和Sb含量分别是区域背景值的6.2、2.3、4.3和4.1倍.与40年前修水入湖沉积物重金属调查结果相比发现, 鄱阳湖湿地Cu、Zn和Pb的含量增加明显, 分别增加了2.18、4.81和9.84倍[32].季节性淹水带中除As外, 不同植被类型下的土壤/沉积物重金属含量均未表现出显著差异, 泥滩带ω(As)(16.46 mg·kg-1)显著高于芦苇-南荻带(13.49 mg·kg-1)和苔草带(9.71 mg·kg-1)的.

表 2 鄱阳湖典型消落带不同淹水带土壤/沉积物重金属含量1)/mg·kg-1 Table 2 Contents of heavy metal in soil/sediment from different flooded zones of typical WLFT of Poyang Lake/mg·kg-1

小写字母表示不同植被带土壤/沉积物中相同重金属含量的差异性, 相同小写字母表示差异不显著, 不同小写字母表示差异显著(P < 0.05), 下同 图 3 消落带不同淹水带土壤/沉积物重金属含量差异 Fig. 3 Differences in heavy metal contents in soils/sediments from different inundation zones in WLFT

从结果分析可知, 季节性淹水带是环境重金属富集的主要场所, 这与Xu等[11]的研究结果一致, 但季节性淹水带中不同植被类型下土壤/沉积物重金属含量差异并不显著.究其原因, 可能与降水及湖水季节性涨落有关, 由于不同淹水带存在一定的高程差异, 从未淹水带至淹水带高程逐渐降低, 降水产生的径流会携带重金属从未淹水带向下发生转移, 在植被的作用下, 极易发生富集; 同时湖水携带的污染物质也极易在季节性淹水带发生沉降并富集[23], 两者的共同作用直接导致在季节性淹水带成为重金属富集的主要场所.而水的相对均一性特征及植被的过滤作用可能会导致季节性淹水带土壤/沉积物重金属趋于均匀分布.从调查重金属的空间分布特征可以发现, Cr和Ni含量与以往调查结果及背景值相比差异并不明显, 表明消落带Cr和Ni可能仅反映这一区域的地质背景(表 2)[32, 33].而Cu、Zn、Cd和Pb含量的空间一致, 刘婉清等[20]和Fang等[34]认为Cu和Pb是鄱阳湖的主要污染因子, 位于乐安江中下游的德兴铜矿及位于信江中游的永平铜矿是湖区重金属Cu、Zn、Cd和Pb的主要来源(表 2)[35].不同淹水带及植被带土壤/沉积物中Sb在空间上并未表现出显著的差异, 但其含量均明显超过背景值, 可能与区域化石燃料燃烧产生的Sb污染与其大气沉降有关[36].

由于水文节律和环境条件的不同, 库区和滨海湿地土壤/沉积物重金属的空间分布与本文的研究结果存在较大的差异.三峡库区消落带土壤与沉积物重金属含量存在显著的差异, 沉积物重金属含量显著高于土壤中对应重金属的含量, 这与本研究的结果相反[37], 且不同植被类型下土壤/沉积物重金属含量存在显著差异的结论也与本文不同[38]; 海岸带由于水动力和植被的共同作用, 土壤/沉积物由海向陆重金属含量有随高程增加而逐渐增加的趋势[39].

鄱阳湖消落带土壤/沉积物重金属EF值分布范围为0.44~7.32, 富集水平为无富集至中度富集; 其中重金属Cu、Pb和Sb具有较高的EF值.不同淹水带土壤/沉积物对同种重金属的富集系数差异显著, 对Cu富集能力较强; 结果表明, 不同淹水带土壤/沉积物重金属Cu、Pb和Sb主要受人类活动的影响(EF>2).不同淹水带土壤/沉积物重金属Igeo值分布范围为-3.52~2.21, 为无污染至中度污染; Cu、Pb和Sb的Igeo值最高, 季节性淹水带富集程度最高, 这与EF的研究结果一致(表 3).

表 3 典型消落带土壤/沉积物重金属富集和潜在生态风险评价1) Table 3 Soil/sediment heavy metal enrichment and potential ecological risk assessment in typical WLFZ

不同淹水带土壤/沉积物重金属Eir值范围为0.62~30.96, 为轻微生态危害; 季节性淹水带土壤/沉积物具有中等生态危害(70≤RI < 140); 不同淹水带土壤/沉积物中重金属Cu、Cd和Pb具有较高的潜在生态危害系数.根据多种污染物生态风险指数RI判别标准可知(表 3), 不同淹水带土壤/沉积物重金属总体处于“轻微”潜在生态风险(RI < 70), 不同淹水带和植被带重金属潜在生态风险存在显著差异, 总体表现为：芦苇-南荻带>泥滩带>苔草带>沉积物>茵陈蒿带, 且Cu、Pb和Cd是主要的生态风险贡献因子, 且处于较重的一个生态风险程度, 这与弓晓峰等[40]的研究结果基本一致.季节性淹水带土壤/沉积物重金属的潜在生态风险显著高于未淹水带和淹水带.

2.2 消落带不同植被带优势植物重金属富集特征分析 2.2.1 消落带不同优势植物重金属富集差异

鄱阳湖湿地优势植物群落分布特征受湿地土壤元素分布特征、湖面水位波动及植物生长特性和土壤沉积及土壤养分的综合影响[41], 鄱阳湖湿地植被沿高程梯度呈典型带状分布[22], 不同植物对基质重金属的响应不同, 导致优势植物对重金属的富集能力差异较大[42].图 4显示, 消落带不同优势植物对不同重金属的富集能力存在显著差异, 不同优势植物中Cr、Ni和Sb含量差异不显著, Cu和Zn在茵陈蒿、看麦娘、藜蒿和蓼子草中的含量较高, 而在芦苇、南荻和苔草中的含量较低.As、Cd和Pb含量的高值分别出现在蓼子草、茵陈蒿和苔草等植物体中.可见, Cu、Zn、As和Cd含量的高值主要出现在相对极端环境(过度干燥和过度湿润)的优势植物体中.以往研究发现茵陈蒿在金属尾矿定植植物中对重金属Cu、Zn、As和Cd有较高的富集能力[43].藜蒿、看麦娘和蓼子草在落干条件下藜蒿对Cd有较高的富集能力[44, 45].以往研究认为芦苇等对一些重金属有着明显的富集作用[46], 但与消落带其它优势植物相比, 并未表现出对重金属富集的优势.有研究表明重金属Cd、Cu、Pb、Ni和Zn对植物毒性临界性水平(以干重计)分别为：6~10、20~30、0.6~28、10~50和100~300 mg·kg-1[47, 48], 本研究结果显示, 芦苇、南荻和看麦娘中Ni、茵陈蒿中Cu和Cd、藜蒿和看麦娘中Cu、苔草中的Cd和Pb均超出了临界水平.

图 4 消落带不同优势植物体中重金属含量差异 Fig. 4 Differences in heavy metal contents in different dominant plants in the WLFT

2.2.2 消落带优势植物重金属富集的季节差异

对消落带不同采样时间优势植物重金属富集水平的差异比较发现(图 5), 茵陈蒿、芦苇、南荻和蓼子草中Sb在不同时期差异显著, 最高值与最低值相差10~17 mg·kg-1.另一个典型特征表现为优势植物在4月的重金属含量水平均相对较高.很多大型水生植物中重金属含量也有相似的季节性变化, 特点为春季含量最高[49], 这可能是由于春季是植物的生长季节, 植物富集重金属能力最强.且温度对重金属的吸附-解吸和沉淀-溶解等一系列物理化学过程都有不同程度的影响, 温度升高有利于沉积物中重金属的释放[50].

(a)茵陈蒿, (b)芦苇, (c)南荻, (d)苔草, (e)藜蒿, (f)蓼子草 图 5 消落带采样期间优势植物重金属含量差异比较 Fig. 5 Comparison of heavy metal contents in dominant plants during sampling period in WLFT zone

2.2.3 消落带优势植物重金属富集的组织差异

消落带优势植物不同组织对不同重金属的富集水平差异较大(图 6), 消落带土壤/沉积物多数重金属含量均高于多数优势植物体中的重金属含量, 但也存在例外, 如消落带优势植物中Cd的含量会显著高于土壤/沉积物中重金属的含量, 茵陈蒿中的Ni、Cu和Zn含量、芦苇中的Cu含量显著高于土壤/沉积物对应金属的含量.重金属在植物体不同组织的含量水平基本遵循根≥地上部分(茎和叶)的分布特征, 仅个别重金属表现为相反的结果, 如茵陈蒿和藜蒿中的Zn和蓼子草中的Cd.重金属在消落带优势植物不同组织的分配沿湖向并无表现出明显的规律.总体而言, 同种植物不同组织重金属含量不同, 根部重金属含量大部分都要高于地上部分(茎和叶), 这与以往研究结果基本一致[51~53].不同时期优势植物重金属含量差异也主要表现在根部[54], 这可能与植物对重金属的相应适应机制有关, 如耐性机制, 即：将一些对植物有害的重金属滞留在根部, 使茎叶中含量较低, 以减轻重金属对茎叶的毒害[43, 55~58].此外, Norah[59]研究结果表明这可能也与沉积物中重金属的高生物有效性有关.以往研究已经证实鄱阳湖湿地Cd存在较高的生物有效性, 且落干的环境条件有利于土壤/沉积物中的有效Cd转移到植物体中[26, 40].尽管消落带植物对土壤/沉积物Cd存在较高的富集能力, 但多数植物对Cd的转移能力较低, 即Cd主要富集于根部, 仅有蓼子草有较高转运Cd的能力.值得注意的是, Sb在沉积物、优势植物根和地上部分的含量水平并未表现出显著的差异, 且这种现象在消落带不同植物具有一致性.证据表明Sb在大气中具有较强的迁移能力, 通过气溶胶形式沉降的Sb可被植物地上部吸附, 而植物对Sb的转运能力较弱, 这种通过大气沉降形成的Sb富集可能是导致Sb在消落带不同介质中富集水平相当的主要原因[60].

R表示根, A表示地上组织 图 6 优势植物根际土壤和不同组织中重金属的含量差异比较 Fig. 6 Comparison of heavy metal contents in rhizosphere soil and different tissues from dominant plants

2.3 消落带优势植物重金属迁移转换特征及环境影响因子分析 2.3.1 土壤-植物系统重金属生物富集因子与转移系数

生物富集因子(BAF)主要用于评价土壤/沉积物与植物各组织之间重金属含量关系, 富集系数越大, 则富集能力越强[61, 62].植物中重金属主要积累在根部, 少部分会转运到地上部分[63].转移系数能够直观反映植物将重金属从地下部分向地上部分转移的能力[64].图 7表明, 所有优势植物中Cd和Sb的BAF值均大于1, 芦苇根对Cr、Ni和Cd的富集能力很强, 分别为5.77、6.95和9.84, 茵陈蒿和藜蒿比芦苇更容易富集沉积物中Cd, 这与马宏瑞等的研究结果基本一致[65].

图 7 消落带不同优势植物重金属的BAF和TF值 Fig. 7 BAF and TF values of heavy metals in different dominant plants in WLFT zone

转移系数显示, 7种植物中重金属Cr、Ni、Cu、Zn和As的TF值为1~2, 茵陈蒿Ni的TF值(4.46)显著高于2, 表明茵陈蒿对Ni有较高的迁移能力.看麦娘Sb的TF值(3.52)和Ni的TF值(2.71)显著高于2, 表明看麦娘对Sb和Ni具有较强的迁移能力, 这可能与其生长特性有关.芦苇TF值均大于1, 芦苇根系较为发达, 且因为芦苇地下和地上部分Sb含量均较高, 表明当芦苇处于高浓度的重金属富集环境时, 会通过增加向地上部分的有效转移来降低对根部的影响[66].芦苇和南荻都是禾本科植物, Romheld[67]在研究中指出, 禾本科植物根系分泌的麦根酸类在活化湿地基质中难溶性Fe时, Cu、Zn、Cd和Mn等也被活化, 故重金属的生物富集能力增强.总体而言, 消落带优势植物BAF和TF值并未表现出明显的空间分布规律, 其中未淹水带茵陈蒿具有较高的BAF和TF值, 季节性淹水带苔草对部分重金属(如Sb和As)、看麦娘对部分重金属(如Cr、Ni和Sb)具有较高的BAF值, 而藜蒿对重金属Zn、Cd、Pb和As具有较高的TF值.

2.3.2 鄱阳湖典型湿地土壤-植物系统重金属迁移的环境影响因素

为了进一步确定影响消落带优势植物重金属迁移转换的关键因素, 采用RDA进行分析.结果表明, 本研究的4个植被带7种植物的RDA前4排序轴特征之和分别为：0.733、0.332、0.555和0.796, 分别累积解释了重金属BAF-环境因子关系的98.5%、98.7%、98.0%、和98.7%.排序轴前两轴植物重金属BAF环境因子关系累积百分比分别达：85.4%、94.5%、79.9%和78.4%, 本研究选择前两个排序轴绘制二维排序[68].

结果显示(图 8), 对于未淹水带旱生植物(茵陈蒿)而言, 株高、pH、有机碳和铁锰氧化物是影响重金属BAF的关键因子; pH、株高和有机碳是影响季节性淹水带芦苇和南荻重金属BAF的3个关键因子; pH、有机碳和铁锰氧化物是影响苔草带重金属BAF的关键因子.泥滩带中优势植物重金属BAF的影响关键因子是pH、株高、含水量、锰氧化物和土壤粒径.总体而言, 利用RDA综合排序发现, 消落带重金属的迁移主要受pH、有机碳、含水量、株高和铁锰氧化物的影响.

红线线表示影响因子, 蓝线表示重金属BAF值 图 8 不同植被带优势植物重金属富集因子与影响因子关系的RDA二维排序 Fig. 8 RDA 2-d sequencing diagram of the relationship between heavy metal enrichment factors and influence factors of dominant plants in different vegetation zones

有研究结果显示, 植物对重金属的吸收和富集一般也会受土壤/沉积物中重金属含量和理化性质(有机碳含量、pH、盐度和Eh)的影响[69, 70].pH值和有机碳对重金属在土壤和植物间的迁移转化具有重要影响.土壤pH值与重金属的溶解度关系密切, 一般情况下, pH值越高, 重金属离子浓度越低, 容易从土壤溶液中析出部分物质, 形成沉淀物; 即土壤pH值升高会促使重金属吸附[71].有机碳对沉积物中土壤微生物活性和有机碳分解、重金属释放、固定和污染物的迁移转化起关键作用[72], 如通过络合和吸附作用, 对沉积物中重金属的环境迁移起决定性的作用[73], 即土壤中有机碳含量越高, 越容易吸附重金属[71].土壤含水量调控土壤环境的理化性质, 当土壤含水量改变, 土壤容重和孔隙度等也会变化[74, 75]; 而土壤性质不同会影响重金属的迁移转化过程, 如淹水条件不同重金属在植物体内累积效应不同[74].淹水条件, 会影响沉积物好氧条件与植物根系的氧化能力等, 从而影响湿地植物根系铁膜形成, 如铁/锰氧化物的溶解可以增加重金属的活性, 从而影响重金属的迁移转化; 而铁膜也会影响根部对重金属的积累[76~78]. 以往大部分研究都证明湿地植物根部铁膜的形成有利于防止根部对重金属的吸收和富集[76, 79, 80].对于大型植物, 株高可以间接指示生物量, 生物量可以影响重金属的迁移转换, 如苔草、芦苇和南荻中重金属迁移受株高影响较大.锰氧化物可以对环境中无机物和有机物的迁移转化产生很大影响[81], 其表面富含羟基, 对不同重金属有着很强的吸附能力[82], 且这也很大程度改变了金属在土壤等环境中的含量和移动能力[83, 84].

3 结论

(1) 消落带土壤/沉积物重金属含量沿湖向表现为明显的分布规律, 呈现为单峰的分布特征, 即季节性淹水带土壤/沉积物是重金属富集的主要地带, Cu、Pb和Sb在土壤/沉积物中的富集水平较高(EF>5).季节性淹水带总体处于轻度生态危害水平(70≤RI < 140), 显著高于淹水带和未淹水带.

(2) 消落带的优势植物重金属含量在空间、季节及组织间的分配沿湖向并无表现出明显的规律.其中未淹水带和泥滩(季节性淹水带)优势植物体中重金属有较高的含量水平; 生长季植物体重金属有较高的含量水平; 植物不同组织重金属的分配大体遵循基质>根部≥地上部分的分布特征, 但Cd和Sb不同.

(3) 消落带优势植物BAF和TF值并未表现出明显的空间分布规律, 其中未淹水带茵陈蒿重金属均具有较高的BAF和TF值.季节性淹水带部分优势植物对部分重金属具有较高的BAF和TF值.利用RDA综合排序发现, pH、有机碳、株高和铁锰氧化物是影响土壤/沉积物-优势植物迁移转换的关键环境因子.

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