全 文 ：农业环境科学学报 2010,29(9):1757-1762
Journal of Agro-Environment Science
摘 要：通过对芦苇、菖蒲和水葱在 6种 Cd浓度（0.5、1.0、5.0、15.0、30.0、60.0 mg·L-1）处理条件下的水培实验，测定分析了 3种湿地
植物及其不同生长部位对于 Cd的富集能力。结果表明，3种湿地植物在不同 Cd处理浓度条件下的 Cd的富集能力表现出明显的差
异性。植株地上和地下部分富集的 Cd含量均随着水培溶液中 Cd处理浓度的增加而增加，呈现出显著的正相关关系。菖蒲对水体中
的 Cd具有最强的富集能力，而芦苇对 Cd的富集能力最弱。高浓度的 Cd处理会显著促进 3种湿地植物对 Cd的吸收和富集，低浓
度条件对植物的 Cd富集能力没有明显影响。3种湿地植物地下部分对水体中 Cd的富集能力显著大于地上部分，均达到 1倍以上。
水葱、菖蒲、芦苇均能够有效吸收水体中的 Cd，对 Cd的去除最高分别可达 10 074.17、14 759.33 mg·kg-1和 4 620.00 mg·kg-1，均可作
为植物修复重金属污染水体的遴选物种，用于重金属 Cd污染水体的生物修复。
关键词：菖蒲；芦苇；水葱；Cd2+；富集
中图分类号：X173 文献标志码：A 文章编号：1672- 2043(2010)09- 1757- 06
芦苇 菖蒲和水葱对水体中 Cd富集能力的研究
任 珺 1，2，陶 玲 1，2，杨 倩 1，2，余方可 1，2
（1．兰州交通大学环境与市政工程学院，环境生态研究所，兰州 730070；2．甘肃高等学校环境科学与技术实验教学示范中心，兰州
730070）
Accumulation Ability of Cd in Water for Phragmites australis, Acorus calamus and Scirpus tabernaemontani
REN Jun1，2, TAO Ling1，2, YANG Qian1，2, YU Fang-ke1，2
（1.School of Environmental and Municipal Engineering, Institute of Environmental Ecology, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070,
China; 2.Demonstration Center for Experimental Teaching of Environmental Science and Technology in Colleges of Gansu Province, Lanzhou
Jiaotong University, Lanzhou 730070, China）
Abstract：The hydroponic experiments for Phragmites australis, Acorus calamus, Scirpus tabernaemontani were carried out to measure and
establish the Cd accumulation ability of these three wetland plants under 6 Cd treatments（0.5，1.0，5.0，15.0，30.0，60.0 mg·L-1）in hydro－
ponic solution. The results suggested that the Cd accumulation ability was varied depending on the plant species, growing parts of plants and
the Cd concentration in treatments, and there were significant difference among 3 plant species and among different Cd treatments. There
were significant correlation relationships between the Cd accumulation contents and Cd concentrations for the overground and underground
growing parts of each plant species, and the Cd accumulation contents in plant bodies always increased with the addition of Cd concentrations
in proportion. Among these 3 wetland plants, Acorus calamus always performed the strongest Cd accumulation ability, and Phragmites aus－
tralis had the lowest Cd accumulation ability. Comparing with the control, the lower concentration Cd treatments did not affected the Cd accu－
mulation of three wetland plants, but the higher concentration Cd treatments promoted the accumulation of Cd for three plants. The Cd accu－
mulation ability of the underground parts of three wetland plants was greater than the overground parts significantly, and the Cd accumulation
contents of the underground parts was to more than double of the overground parts. The Cd accumulation contents in bodies of three plants
could arrive to 10 074.17, 14 759.33, 4 620.00 mg·kg -1 for Phragmites australis, Acorus calamus, Scirpus tabernaemontani respectively.
These three wetland plant species all were suitable to use as the plants for controlling the Cd pollution in waste water.
Keywords：Acorus calamus; Phragmites australis; Scirpus tabernaemontani; Cd2+; accumulation
收稿日期：2010－04－07
基金项目：长江学者和创新团队发展计划（IRT0966）
作者简介：任 珺（1969—），博士，教授，主要从事环境科学、生态学的
教学和研究工作。E－mail：renjun＠mail．lzjtu．cn
水体环境中的重金属对水生动植物有很高的毒 性且不易从环境中去除[1-4]。水环境的重金属污染不但
影响到水域生态系统，而且也威胁到人类的健康。湿
地植物通过体内吸收富集和根系的吸附作用，对水体
中重金属的净化有明显的效果，是一种重要的水体重
金属污染的生态修复方法。有许多种湿地植物对污染
2010年 9月
表 1 Cd处理和植物种类对 3种湿地植物
Cd富集能力的影响的方差分析
Table 1 The analysis of variance for the effects of different Cd
treatments and species on accumulative ability of 3 wetland plants
特征 变量 df F P
地上部分 Cd污染物浓度 6 39.952 8*** <0.001
植物种类 2 33.813 6*** <0.001
Cd污染物浓度×植物种类 12 17.632 7*** <0.001
地下部分 Cd污染物浓度 6 58.810 1*** <0.001
植物种类 2 32.725 7*** <0.001
Cd污染物浓度×植物种类 12 14.646 3*** <0.001
废水中的重金属具有极强的富集能力，这些植物体内
的重金属浓度可达其生长废水中重金属浓度的数百、
甚至数千倍[5-6]。
目前，已经发现了 Co、Cu、Pb、Ni、Se、Mn和 Zn重
金属或类重金属的超富集植物 400余种[7]。其中发现
的 Cd富集植物均为十字花科遏蓝菜属植物（Thlaspi
caerulescens）[9]。不同植物对环境中的 Cd表现出不同
的生物学反应和富集能力[1，2，8-11]。
本文以芦苇、菖蒲、水葱这 3种黄河流域湿地中
常见且具有较好的处理效果的挺水植物为研究对象，
探讨了在不同 Cd处理浓度下植物体内 Cd的含量与
分布，不仅为人工湿地处理不同污水的植物筛选提供
科学依据，同时也为利用湿地植物修复重金属污染水
体提供了理论指导[12-15]。
1 材料与方法
选取湿地中常见、且具有较好处理效果的挺水植
物芦苇、菖蒲和水葱作为供试材料。植物来源于江苏
沭阳县新槐苗圃的水栽苗，实验前将其置于营养液中
培养备用。
采用水培法进行幼苗预培养，取 35 个容积为
14 L的清洁塑料圆桶，每桶内分别注人 10 L营养液，
在桶上放置开孔泡沫板作为植物的生长载体。从 3种
植物中分别选取高度、生物量相近的各 3株移入泡沫
载体的 3个圆孔内，使其根部浸没入营养液中。每桶内
芦苇、菖蒲、水葱各 3株。另外每种植物各设定一株作
为平行样。于 2008年 4月 9日开始将植物幼苗置于
营养液中培养 14 d。营养液采用 Hoagland 配方：
（mmol·L-1）1.25 Ca（NO3）2·4 H2O，0.5 KH2PO4，1.5 KNO3，
0.5 MgSO4·7 H2O，0.25 NaCl；（μmol·L-1）11.5 H3BO3，
1.8 MnSO4，0.08 CuSO4，0.026 H2MoO4，22.4 FeEDTA。
水培溶液组成为营养液和含 Cd污染物的溶液，污染
物以 CdCl2·2.5H2O的形态添加。待植物生长状况稳
定（14 d）后，根据浓度梯度的不同，向桶内添加重金
属污染物。共设计 7个处理，其中不添加重金属的营
养液为对照处理（0.0 mg·L-1），Cd的投加浓度为：0.5、
1.0、5.0、15.0、30.0、60.0 mg·L-1，每个处理 6次重复。
对植物的生长管理采用露天培养，每隔 3 d浇水
并补充一次营养液，始终保持植物能够获得充足的通
风和光照。并于 15 d后采集植物样品，对植物体内富
集的重金属含量进行测定，重复 6次。在此期间对植
株的生长反应进行观察、记录。
将 7个处理的植物根据物种、添加的污染物浓度
的不同，分别整株采回。将取回的样品带回实验室，先
用自来水进行冲洗，去除表面污物，再用去离子水冲
洗 3遍。洗净的植物分成地上与地下两部分，放在培
养皿中待用。将晾干后的植物样品放入烘箱中，在
105℃杀青 30 min。将杀毒过的植物在 70 ℃烘干 8 h
至恒重，将烘干样品用电子天平进行称重，分别得到
地上与地下部分的干重。然后用粉碎机将烘干后的样
品粉碎，如有需要，用研钵进行 2次粉碎。粉碎后的样
品粉末装入乙烯袋中备用。准确称量芦苇、菖蒲地上
与地下部分各 0.250 0（±0.000 1）g，水葱地上与地下
部分各 0.100 0（±0.000 1）g样品粉末，直接放入 30
mL瓷坩埚内。将称量好的样品先在低温电炉上碳化
至不冒烟为止（约 10～30 min），再将瓷坩埚转入马弗
炉中在 600 ℃下灰化 5 h。向灰化后的样品粉末中加
入 1∶1的硝酸溶液 10 mL，进行样品的稀释、提取，然
后转入 50 mL容量瓶内，并用去离子水定容。全过程
以空白样为对照。采用电感耦合等离子发射仪（ICP-
AES）测定样品内重金属浓度。
采用 Statistica6.0统计软件，对实验数据利用方
差分析（ANOVA），对不同污染物浓度和不同生长部
位之间的差异性进行显著性分析。
2 结果与分析
2.1 不同湿地植物对 Cd富集能力的差异性
双因素方差分析的结果表明（表 1），植物种类和
不同 Cd浓度处理均显著影响植物地上和地下部分
对 Cd的富集能力，3种湿地植物的地上和地下部分
富集的 Cd含量，在植物种类间和不同 Cd浓度处理
间均表现出显著差异。
在对照条件下，水葱、菖蒲、芦苇的地上部分和地
下部分富集的 Cd含量间没有显著差异（表 2）。在所
注：***方差分析的结果为极显著差异（P<0.001）。
任 珺等：芦苇 菖蒲和水葱对水体中 Cd富集能力的研究1758
第 29卷第 9期 农 业 环 境 科 学 学 报
表 2 3种植物地上部分与地下部分 Cd2+积累浓度（mg·kg-1）
Table 2 Cd2+ accumulative concentration in above-ground parts and under-ground parts of three wetland plants（mg·kg-1）
有 6种不同 Cd浓度处理条件下，植物地上部分和地
下部分富集的 Cd含量在植物间均表现出显著差异。
在 Cd浓度为 0.5 mg·L-1处理条件下，菖蒲地上部分
富集的 Cd含量显著高于水葱而低于芦苇富集的 Cd
含量，水葱和芦苇地下部分富集的 Cd含量没有显著
差异，且均显著低于菖蒲地下部分富集的 Cd含量。
在 Cd浓度为 1.0 mg·L-1处理条件下，水葱和芦苇地
上和地下部分富集的 Cd含量间没有显著差异，但均
显著低于菖蒲。在 Cd浓度为 5.0 mg·L-1处理条件下，
水葱地上部分富集的 Cd含量显著高于芦苇而低于
菖蒲富集的 Cd含量，芦苇地上部分富集的 Cd含量
显著高于水葱而低于菖蒲地下部分富集的 Cd含量。
在 Cd浓度为 15 mg·L-1处理条件下，芦苇地上部分富
集的 Cd含量显著高于水葱而低于菖蒲富集的 Cd含
量，水葱和芦苇地上和地下部分富集的 Cd含量间没
有显著差异，但均显著低于菖蒲。在高浓度 Cd处理
（30.0、60.0 mg·L-1）条件下，水葱地上和地下部分富集
的 Cd含量显著高于芦苇而低于菖蒲地上和地下部
分富集的 Cd含量（表 2）。
2.2 不同 Cd浓度处理对植物 Cd富集能力的影响
随着 Cd处理浓度的升高，水葱、菖蒲、芦苇的地
上部分和地下部分富集的 Cd含量明显升高。在对照
和各个 Cd处理之间，菖蒲和芦苇的地上和地下部分
富集的 Cd2+含量均表现出极显著差异（水葱地上部
分：F=61.62，P<0.001；水葱地下部分：F=272.95，P<
0.001；菖蒲地上部分：F=212.63，P<0.001；菖蒲地下部
分：F=54.58，P<0.001；芦苇地上部分：F=136.47，P<
0.001；芦苇地下部分：F=228.03，P<0.001）。
水葱地上部分富集的 Cd 含量在对照和低浓度
Cd处理（0.5、1.0、5.0、15.0 mg·L-1）之间没有显著差
异，但均显著低于高浓度 Cd处理（30.0，60 mg·L-1），
而最高浓度 Cd处理条件下，水葱地上部分富集的 Cd
含量又显著高于 30.0 mg·L-1浓度的 Cd处理。水葱和
菖蒲地下部分富集的 Cd含量在对照和低浓度 Cd处
理（0.5、1.0、5.0 mg·L-1）之间、30.0 mg·L-1和 60 mg·L-1
浓度的 Cd处理之间没有显著差异。在 15.0 mg·L-1浓
度 Cd处理条件下，这两种植物地下部分富集的 Cd
含量显著低于高浓度的 Cd处理（30.0、60 mg·L-1），显
著高于对照和低浓度 Cd处理。菖蒲地上部分富集的
Cd含量在对照和低浓度 Cd处理（0.5、1.0 mg·L-1）之
间、30.0 mg·L-1和 60 mg·L-1浓度的 Cd处理之间没有
显著差异。15.0 mg·L-1浓度 Cd处理与对照和低浓度
Cd处理相比，显著促进了菖蒲地上部分的 Cd富集
量。在较高浓度 Cd处理（30.0、60 mg·L-1）条件下，菖
蒲地上部分的 Cd富集量之间没有显著差异，但均显
著高于其他处理。在 30.0 mg·L-1浓度 Cd处理条件
Cd处理浓度/mg·L-1 水葱 菖蒲 芦苇 F-值
地上部分 0 20.20±16.77aA 11.61±9.54aA 8.24±5.75aA 1.69
0.5 94.50±9.93cA 124.92±28.03bA 160.51±13.44aAB 18.45***
1.0 167.17±86.08cA 500.60±30.24aA 208.00±20.93bB 67.95***
5.0 469.59±146.28bA 1328.20±59.37aB 291.70±28.94cB 214.65***
15.0 474.24±150.25cA 4207.00±662.87aC 1040.67±264.56bC 136.93***
30.0 3505.92±287.14bB 7301.67±415.65aD 2134.43±314.47cD 364.20***
60.0 5374.42±1714.84bC 7166.67±1214.25aD 1145.97±108.19cC 38.86***
F-值 61.62*** 212.63*** 136.47***
地下部分 0 31.097±17.62aA 31.72±14.76aA 18.04±10.27aA 1.69
0.5 198.28±26.64bA 365.67±92.50aA 200.55±24.66bAB 16.80***
1.0 361.91±52.22bA 534.17±122.31aA 416.00±40.84bB 7.22**
5.0 550.67±28.58cA 2162.13±215.25aA 1939.00±148.74bC 198.09***
15.0 3876.42±1140.65bB 8655.00±1503.26aB 3266.67±501.82bD 41.11***
30.0 10074.17±891.65bC 14759.33±5405.23aC 4620.00±506.63cE 15.31***
60.0 9994.17±1074.92bC 13494.67±831.82aC 2821.00±206.21cF 281.98***
F-值 272.95*** 54.58*** 228.03***
注：同行中带有相同小写字母或同列中带有相同大写字母的数值之间不存在显著性的差异（P>0.05）；*表示同行或同列数据间有显著差异（P<
0.05），**较显著差异（P<0.01），***极显著差异（P<0.001）。
1759
2010年 9月
下，芦苇地上和地下部分富集的 Cd含量显著高于对
对照和其他处理。芦苇地上部分富集的 Cd 含量在
15.0 mg·L-1和 60 mg·L-1浓度的 Cd处理条件下没有
显著差异，但均显著高于对照和低浓度 Cd处理。芦
苇地下部分在 60 mg·L-1浓度 Cd处理下的 Cd富集
量显著低于 15.0 mg·L-1浓度的 Cd处理，而显著高于
对照和其他处理。根据现场观察，在60 mg·L-1浓度
Cd处理条件下，芦苇的根和茎叶的生长均受到了抑
制，出现了烂根和黄叶现象，说明芦苇富集量在高浓
度条件下的下降是由于植物生长减慢、新陈代谢水平
下降引起的。
对同一污染物浓度下同种植物体内不同部位的
Cd富集量进行分析，结果表明同一植物不同部位对
水体中 Cd的富集效果存在差异。水葱地下部分 Cd
富集量显著高于地上部分。不同 Cd浓度处理条件
下，水葱地下部分 Cd富集量是地上部分的 1.17～8.17
倍；菖蒲地下部分 Cd富集量显著高于地上部分，菖
蒲地下部分 Cd 积累浓度是地上部分的 1.07～2.93
倍；芦苇地下部分 Cd富集量显著高于地上部分，芦
苇地下部分 Cd 富集量是地上部分的 1.25～6.65 倍
（表 2）。在较高 Cd浓度处理条件下，菖蒲和芦苇地下
部分富集的 Cd含量明显高于地上部分，表现出较强
的对高浓度 Cd污染水体的富集能力。
2.3 植物体内富集的 Cd含量与水溶液中 Cd浓度的
相关关系
水葱、菖蒲、芦苇 3种植物地上和地下部分富集
的 Cd含量（y）与水溶液中 Cd处理浓度（x）均具有显
著的正相关关系（P<0.001）。3种湿地植物对 Cd的富
集量均随着水培溶液中 Cd含量的增加而增加（表
3）。说明影响植物吸收和富集重金属的主要因素是生
长介质内这种重金属的浓度，但在吸收速度和 Pb的
生物毒性方面还需要进一步研究。
3 讨论
在同一 Cd浓度处理条件下，菖蒲的地上和地下
部分总是表现出较强的富集能力；对于同一种湿地植
物，生长介质中的 Cd浓度较高时，其富集的 Cd浓度
也较高。水葱、菖蒲和芦苇的 Cd富集浓度与水培溶
液中 Cd浓度呈显著的线性关系。3种湿地植物体内
的 Cd富集量会随着水培溶液中 Cd2+浓度的增加而增
加，影响植物吸收和富集重金属的主要因素往往是生
长介质内这种重金属的浓度[15-16，27]。
有研究表明，将有害离子积累于根部是植物阻止
其对光合作用及新陈代谢活性毒害的一种策略[18，29-30]。
Stolts等研究认为重金属在湿地植物体内的分布趋向
于根部积累[18]。大量研究表明，植株体内的重金属含
量都随着污染物浓度的增加而升高，地下部分含量均
高于地上部分含量[1，4，17，20-22，28，31]。黄艺等研究发现 Cu、
Pb和 Cd被根际吸收后半数以上被限制在根中而未
输送到茎叶中，其在根内的平均百分含量分别为
58.0%、72.6%和 57.2%[23]。翅碱蓬不同部位对不同重
金属的累积情况有所不同，根对 Cd的累积能力最
强，但是茎和叶子累积能力却变化不明显[24]。胡恭任
等对 3种重金属进入桐花树植物体后大都积聚在根
部的研究也证明了这一点[25]。这与本实验研究结果相
符，在相同培养时间下同种植物不同部位对 Cd的吸
收存在差异，植株地下部分 Cd含量显著高于地上部
分 Cr含量，其中菖蒲体内地上部分和地下部分 Cd积
累浓度均为最高。因为重金属与植物作用时，根首先
接触重金属，对重金属进行吸收或排斥，同时根细胞
壁中存在大量交换位点，能将重金属离子交换吸收或
固定，从而促进或阻止重金属离子进一步向地上部分
运输[26]。
表 3 3种植物体内 Cd2+积累浓度与水溶液中 Cd2+浓度的相关性
Table 3 Correlation of Cd2+ content in cadmium contaminated water to above-ground parts and under-ground parts of three wetland plants
植物种类 线性回归方程 R2 F P
地上部分 水葱 y＝-35.758 4+92.882x 0.866 2 259.05*** <0.001
菖蒲 y＝857.581 3+131.278 9x 0.785 4 146.39*** <0.001
芦苇 y＝334.428 8+23.753 5x 0.453 5 33.19*** <0.001
地下部分 水葱 y＝566.219 5+189.445 3x 0.823 4 186.50*** <0.001
菖蒲 y＝1 663.872 3+254.310 1x 0.691 6 89.71*** <0.001
芦苇 y＝1 064.706 4+52.271 8x 0.422 8 29.30*** <0.001
注：***表示回归方程具有极好的拟合性（P<0.001）。
任 珺等：芦苇 菖蒲和水葱对水体中 Cd富集能力的研究1760
第 29卷第 9期 农 业 环 境 科 学 学 报
4 结论
水葱、菖蒲、芦苇均能够有效吸收水体中的 Cd，
均可作为植物修复重金属污染水体的遴选物种。其
中菖蒲对水体中 Cd的积累效果明显高于水葱和芦
苇，故菖蒲作为低、中浓度重金属污染水体的修复植
物优于水葱和芦苇。水体中的不同 Cd浓度处理会明
显影响到植物的吸收和富集作用，3 种湿地植物在
较高Cd浓度的处理条件下，无论是地下还是地上部
分均表现出较强的 Cd富集能力。水葱、菖蒲、芦苇均
能够有效吸收水体中的 Cd，对 Cd的去除最高分别可
达 10 074.17、14 759.33 mg·kg-1和4 620.00 mg·kg-1，
其中菖蒲的吸收能力显著高于水葱和芦苇。菖蒲和芦
苇可以用于高浓度的 Cd污染水体的植物修复。
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