全 文 ：　　　收稿日期:2004-12-19
作者简介:韩　露(1979-),女 ,安徽师范大学 2002级研究生 ,植物生态专业 ,主要从事植物生态学研究;
通讯作者:张小平 ,教授 ,E-mai l:pinghengxu@sina.com.cn。
基金项目:安徽省教育厅自然科学基金资助项目(2003kj149),安徽省重要生物资源保护与利用研究重点实验室基金
香根草对土壤中几种重金属离子富集能力的比较研究
韩　露 ,张小平 ,刘必融 ,许迪楼
(安徽师范大学生命科学学院;安徽省重要生物资源保护与利用研究重点实验室 ,芜湖　241000)
摘要:用组织培养的香根草无菌苗作为试验材料 , 进行香根草对 Cd、Cr、Pb 和 Ni四种重金属离子的富集能力比较试验 , 分
别测定了香根草体内的重金属含量 、香根草与重金属元素的相关性 、香根草对重金属的富集系数和根系滞留率。结果表
明:香根草对四种重金属离子都具有较高的富集能力。其中 , 香根草植物体中元素总含量表现为 Ni>Cr>Pb>Cd ,在茎叶
和根中的分含量 ,均表现为根>茎叶;香根草与重金属元素的关系中 , Cd 的相关性最显著;富集系数与重金属浓度呈负相
关 ,以 Ni最为明显;从滞留率的角度来看 , 以Cr在香根草根系的滞留率最大 , 但对同一种重金属来说 , 随浓度的变化 ,香根
草根系对它的滞留率却几乎是恒定的。
关键词:香根草;重金属;富集能力;根系;相关性
中图分类号:Q945.12 文献标识码:A 文章编号:1008-9632(2005)05-0020-04
　　重金属是一类特殊的污染物 ,具有显著不同于其
他污染物的特点 。首先 ,重金属在环境中不会被降解 ,
只会发生形态和价态变化;同时 ,重金属在土壤环境中
的迁移能力很差 , 因此 , 重金属可以在土壤中长期存
在。其次 ,重金属是生物生长发育所必需的营养元素 ,
如铜 、锌 、锰 、铬 、镍等 ,这些重金属很容易被植物富集 ,
在超过一定浓度后成为污染物 ,过高的积累就会对植
物的生长发育产生负影响 。另外 ,重金属在进入生物
体后 ,不易被排出 ,因此在食物链中的生物放大作用十
分明显 ,造成严重的生态灾难 。
香根草(Vetiveria zizanioides L.)为禾本科岩兰草属
的一种多年生草本植物 ,具有极强的生态适应性 ,近年
来被广泛应用于水土保持 、道路塌方滑坡治理 、生态环
境治理 、退化生态系统的恢复 、富营养水体的净化 ,以
及对重金属和污染物的生物恢复和土壤基质的改良等
方面[ 1～ 4] 。同时 ,香根草还具有生物量大 、叶粗 、茎硬 ,
动物不愿啃食 ,茎叶还可用来编织工艺品的特点[ 5] ,可
以较好地防止二次污染 ,副产品也可以得到充分利
用[ 6] ,因此 ,研究香根草对重金属离子的耐性作用非常
有意义。
本文通过香根草无菌苗在温室内的盆栽试验 ,研
究了香根草根系对 Cd 、Cr 、Pb和 Ni等重金属的吸收 、重
金属在香根草体内的转移等方面的情况 ,对香根草的
重金属富集能力进行了分析 ,试图为利用香根草对重
金属和污染物进行生物恢复和土壤基质的改良等方面
的工作提供参考依据。
1　材料与方法
1.1　试验材料
香根草无菌苗来自安徽师范大学重要生物资源保
护与利用研究重点实验室;盆栽用土采自安徽师范大
学敬文园 ,系无污染表土;中号花盆(D=24cm);试验处
理试剂为硫酸镉(CdSO4)、铬酸二钾(K2CrO4)、醋酸铅
[ Pb(CH3COO)2] 、氯化镍(NiCl2)、HCl ,均为分析纯;烘干
箱;托盘天平;原子吸收分光光度计。
1.2　测定指标和方法
1.2.1　测定指标
香根草体内的重金属含量;香根草与重金属元素
的相关系数;香根草对重金属的根系滞留率;香根草对
重金属的富集系数 。
1.2.2　试验方法
采用盆栽实验 ,温室培养 。每一重金属离子设计
六组处理 ,使每组浓度分别为 0 、5 、10 、30 、60 、120mg/kg ,
每种处理设 3个重复 。盆栽用土取回风干 ,过 2mm 筛 ,
每个花盆中用干土 5kg 。分别加入上述不同份量的硫
酸镉 、铬酸二钾 、醋酸铅 、氯化镍 。装盆前 ,分别与土一
并放入塑料袋内充分拌匀 。香根草无菌苗均为同一批
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移栽出来 ,经 40天沙土培养的高约 20cm 的健壮植株 。
栽植前进行简单的浸根处理 ,每盆均匀栽 5株 ,栽植后
置于透光玻璃温室内 ,保持室温为 25 ～ 29℃,按时浇水
(注:每次浇水量不宜太多 ,以免试剂随水流损失)。60
天后 ,分开收割地上部分(茎 、叶)和地下部分(根),去
离子水洗净 ,放入烘干箱内烘干(70℃)至恒重 ,称量 。
再将样品干灰化 , 1∶1 HCl定容 ,用原子分光光度计分
别测定地上部分和地下部分 Cd 、Cr、Pb 、Ni 的含量 。根
据测定重金属在香根草体内的含量 ,计算出其他相关
指标 。
2　结果与讨论
2.1　重金属在香根草体内的含量
生物个体或处于同一营养级的许多生物种群 ,从
周围环境中吸收并积累某种元素或难分解的化合物 ,
导致生物体内该物质的浓度超过环境中浓度的现象 ,
叫生物富集[ 7] ,因而当植物体内某物质含量大于生长
基质含量时就可确定植物对该物质有富集能力 。
从表 1可以看出 ,香根草根系对重金属离子有较
强的富集能力 ,在香根草耐受范围内 ,根系中富集的重
金属元素的量与土壤中重金属的含量呈显著正相关
(相关系数 r>0.9),以与镉的相关性最显著。且土壤
中含量越高 ,根系中的富集量越大。从表1和图1中还
可以看出 ,香根草对镍的富集能力最强 ,总的表现为 Ni
>Cr>Pb>Cd;几种重金属在香根草体内不同部分的
含量均表现为地下部分>地上部分 ,这在植物中是普
遍现象[ 6] 。香根草根系极为发达 ,所以吸收重金属离
子能力很强 ,重金属在根系中的滞留量远远超过茎叶 ,
这可能是香根草根系所吸收的重金属很少运输到地上
部分的原因。
表 1　土壤重金属对香根草植物体重金属离子含量的影响(mg/kg)
Table 1　The effect s of the heavy metal in soil on the heavy metal content of V.zizanioides(mg/ kg)
土中含量 硫酸镉处理 铬酸二钾处理 醋酸铅处理 氯化镍处理茎叶 根系 茎叶 根系 茎叶 根系 茎叶 根系
5 14.25 58.79 4.11 82.36 18.75 67.68 235.33 436.62
10 34.37 98.77 4.76 232.14 22.56 159.03 367.09 657.89
30 45.47 293.65 5.83 404.2 74.34 397.68 590.99 1040.3
60 48.87 561.07 8.25 765.1 98.44 523.61 648.77 1245.7
120 118.96 1090.2 18.14 1325.4 153.38 954.69 783.22 1435.8
r 0.96 0.98 0.94 0.97 0.90 0.95 0.94 0.92
　　注:r 为相关系数
图 1　土壤重金属含量与香根草根系重金属含量的关系(mg/ kg)
Fig.1　The relativity between the concent of heavy metal in soil and in the
root of V.zizanioides
　　图2的数据显示 ,除 Ni在香根草茎叶中的含量较
高 ,其余三种重金属的含量都很接近。说明植物对不
同元素的吸收 、迁移和积累的能力是不同的 ,这一方面
与植物本身的性质有关 ,另一方面与植物对金属的反
应性也有关系。
2.2　重金属浓度对香根草对金属的富集系数的影响
图 2　土壤重金属含量与香根草茎叶重金属含量的关系(mg/ kg)
Fig.2 The relativity between the content of heavy metal in soil and in the
stem-leaf of V.zizanioides
为了反映植物对重金属离子的富集能力 ,Chamber-
lain[ 8]曾定义过富集系数(concentration factor ,CF)这个概
念 ,即富集系数为植物体中的污染物含量与生长基质
中该污染物含量的比值。当富集系数大于 1 时 ,可确
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定植物体对该物质有富集能力 ,显然 ,富集系数越大 ,
表明植物对该金属元素的吸收能力越强(表2)。从表2
可以看出 ,香根草根系对四种重金属的富集系数都相
当高 ,证明香根草根系对重金属有很强的吸收能力 。
富集系数=生物体内污染物浓度生存环境污染物浓度
根系富集系数随重金属浓度变化而变化 ,当土壤
重金属含量超过一定值时 ,根系的富集系数与土壤重
金属含量呈负相关 ,这主要是因为重金属元素对细胞
的伤害作用降低了根系的吸收能力。根系富集系数与
茎叶富集系数不能完全对应 ,对 Ni 来说 ,香根草根系
和茎叶的富集系数均十分高 ,而 Cr 则不同 ,根系富集
系数相当高 ,茎叶富集系数却非常低(表 2)。根系富集
系数反映根系对重金属的吸收能力 ,香根草对不同的
重金属元素的吸收能力不同 ,从富集系数来看 ,Ni>Cr
>Pb>Cd ,说明香根草根系对四种重金属离子的吸收
能力依次为:Ni>Cr>Pb>Cd 。茎叶富集系数反映重金
属被根吸收后向茎叶的转移能力 ,茎叶对四种重金属
的富集能力是 Ni>Pb>Cr>Cd ,说明不同重金属被根
系吸收后 ,向茎叶转移的情况是不一样的。
表 2　土壤中不同Cd 、Cr 、Pb 、Ni含量对香根草根系及茎叶的富集系数的影响
Table 2　The effects of Cd 、Cr、Pb 、Ni in dif ferent soil content to concent ration factors of root and stem-leaf
土壤含量
(mg/kg)
硫酸镉处理 铬酸二钾处理 醋酸铅处理 氯化镍处理
茎叶富集系数 根系富集系数 茎叶富集系数 根系富集系数 茎叶富集系数 根系富集系数 茎叶富集系数 根系富集系数
5 2.85 11.76 0.82 16.47 3.75 13.54 47.07 87.32
10 3.44 9.88 0.48 23.21 2.26 15.90 26.71 65.79
30 1.52 9.79 0.19 13.54 2.48 13.26 19.70 34.68
60 0.81 9.35 0.14 12.82 1.64 8.73 10.81 20.76
120 0.99 9.09 0.15 11.04 1.28 7.96 6.53 11.97
平均 1.92 9.97 0.36 15.42 2.25 11.88 22.16 44.10
2.3　重金属在香根草根系的滞留率
滞留率(retention capacity)这一概念能直观反映植
物体对重金属离子在植物体内转移的情况 。滞留率高
说明该金属在植物体内向茎叶转移少 ,滞留在根系多。
滞留率=根系中元素的浓度-茎叶中元素浓度根系中元素浓度 ×
100%
比较根系对不同重金属离子的滞留率 ,可以看出 ,
Cr在香根草根系富集较多 ,而很少向茎叶转移 ,Ni由根
系向茎叶迁移最多 , Cd 、Pb 有一部分由根系向茎叶转
移 ,而 Cr几乎全部滞留在根系 ,较少向茎叶转移 。根
系对重金属的滞留率与土壤重金属含量没有明显相关
性(表 3),就是说 ,对某一种重金属来说 ,随着浓度的变
化 ,香根草根系对它的滞留却几乎是恒定的。
表 3　香根草根系对 Cd 、Cr 、Pb 、Ni的滞留率
Table 3　The retention of the V.zizanioides roots to Cd 、Cr 、Pb 、Ni
土壤含量
(mg/ kg)
硫酸镉
处理
铬酸二钾
处理
醋酸
铅处理
氯化镍
处理
5 76% 99% 72% 46%
10 65% 99% 86% 44%
30 85% 99% 81% 43%
60 90% 99% 81% 48%
120 89% 99% 84% 45%
平均 81% 99% 81% 45%
2.4　结论
实验证明 ,香根草对 Cd 、Cr、Pb 、Ni四种重金属存在
不同程度的富集能力。从现有的资料看 ,香根草对重
金属的生物富集能力首先决定于根系的吸收能力。从
以上研究数据得知 ,香根草根系的重金属含量远远高
于土壤中含量 ,这说明重金属离子进入香根草体内的
途径肯定不止是扩散 ,而有主动吸收 、传递的过程。在
有机体对阳离子的吸收中 ,一些重金属离子可以通过
电荷相同 、电子类型相似 、离子半径相近的必需金属离
子的吸收途径进入有机体内。另外 ,生物大分子众多
的配位点中的“软碱”(配位原子电负性小 ,半径大 ,易
给出电子的分子或离子 ,如 S2- , -SH 等),与属于“软
酸”(正电荷较少 ,半径较大 ,外层电子被束缚较松而易
变形的阳离子)及“中界酸”(性质介于“软碱”和“软酸”
之间)之间的亲和作用 ,也是重金属进入有机体的重要
渠道[ 9] 。至于重金属进入香根草体内主要通过哪一种
方式 ,还待进一步研究 。
香根草对重金属的吸收能力与土壤重金属含量密
切相关 ,在一定范围内土壤含量高 ,根系吸收多 。但当
土壤含量超过一定量后 ,重金属造成的伤害作用会降
低其吸收能力 。此外 ,香根草对重金属的吸收 、富集能
力还与污染物本身的性质 、土壤特性(土壤的 pH 、粘
性 、有机质含量 、钙镁磷等元素含量)等因素有关。不
同重金属元素在土壤中的扩散能力不同 ,扩散快的易
被吸收。土壤 pH 值低 ,可溶态重金属增加 ,植物吸收
加快 。土壤中的腐殖质可有效吸附重金属 ,所以有机
质含量高的土壤中植物吸收重金属量减少。钙 、镁 、磷
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等元素可减少重金属的被吸收和向作物籽实的迁移 、
积累[ 9] 。
研究表明 ,香根草对重金属的富集能力又受其本
身抗逆性的影响 ,当体内重金属积累到一定的量后 ,香
根草受到损伤而降低富集能力 。Paul Truong[ 10]等的研
究表明 ,香根草茎叶中 Cd 含量达到 48mg/kg 时 ,香根
草仍能正常生长 , 这明显高于一般植物茎叶中 5 ～
20mg/kg 的含量;香根草茎叶含 Cr、Ni分别达到 18mg/
kg 和 347mg/kg ,香根草生长未受明显影响 ,而普通植物
对Cr、Ni的耐受能力分别为 0.02 ～ 0.20mg/kg 和 10 ～
30mg/kg 。可见香根草对重金属的较强富集能力与其
超常的抗逆性是相关的。
重金属在香根草体内的迁移机制尚不完全清楚 。
彭鸣[ 11]等 1989年用扫描电子显微镜与 X射线显微分
析的结果证明 ,不同重金属在玉米根内的横向迁移方
式不同 。Ni主要是以共质体方式迁移 ,Pb主要是以非
共质体方式迁移 。
除Cr以外 ,香根草的茎叶对 Cd 、Ni 、Pb等存在不同
程度的富集性 ,还是Ni的超量富集植物。研究香根草茎
叶对重金属的富集情况更具有现实意义。利用香根草改
良重金属污染土壤和重金属尾矿(含Cd 、Ni 、Pb)方面 ,根
系所吸收的重金属被转移到茎叶后 ,可随茎叶的剪割而
被移走 ,逐渐降低土壤中重金属的含量 ,因而剪割下的香
根草茎叶不能再作肥料还田 ,要运往其他地点安全处理 ,
以免造成二次污染。另外 ,在污染土壤中生长的香根草
也不能作为动物饲料 ,防止重金属通过食物链造成进一
步富集 ,以免对生态系统和人类造成危害。
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In:Annual Report ofthe Vetiver Network(1996)[ J] .The Vetiver
Network , 1997:5～ 17.
Comparison of the accumulation ability of Vetiveria zizanioides
to several heavy metals in soil
HAN Lu , ZHANG Xiao-ping , LIU Bi-rong , XU Di-lou
(Life Science College , Anhui Normal University;The Key Laboratory of Conservation and Employment of
Biological Resources of Anhui , Wuhu 241000 ,China)
Abstract:To explore the accumulation ability of V.ziza-nioides to Cd , Ct , Pb and Ni , the aseptic seedling of V.zizan-
ioides from tissue culture were used as experiment materials.The metal contents , relativity between metal and V.zizanioides ,
accumulation of metal in V.zizanioides , and the detained percentage_of metal in root were measured respectively.The results
showed that V.ziza-nioides has high accumulation ability to all of the four heavy metals;The metal element contents of V.
zizanioides in sequence were Ni>Cr>Pb>Cd.The divided contents sequence between leaf -stem were root were root>leaf-
stem.The significant relativity in Cd contents of V.zizanioides was found.There was a negative correlation between accumula-
tion coefficient and concentration of metal , and it was the most evident to Ni.The detained percentage of Cr in root was consid-
ered as the highest.but to the same metal , with the change of its concentration , the detained percentage is nearly permanent to
V.zizanioides.
Key word:vetiveria zizanioides;heavy metal;accumulation ability ;roots;relativity
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