全 文 ：农业环境科学学报 2011,30(10):1966-1971
Journal of Agro-Environment Science
摘 要：通过温室盆栽试验研究东方香蒲对重度污染土壤中 As、Cd、Pb的耐受性能与累积特征。研究结果表明，与未污染土壤处理
相比，当土壤中 As、Cd、Pb含量分别达到 48.4、16.9 mg·kg-1和 316 mg·kg-1时，东方香蒲生物量、叶绿素含量和过氧化氢酶活性等均
无显著降低，东方香蒲对土壤中 As、Cd、Pb表现了较强的耐受性能；当土壤中 As、Cd、Pb含量分别达到 285、42.1、1 008 mg·kg-1时，
东方香蒲生物量、叶绿素含量和过氧化氢酶活性等均明显下降（P<0.05），表现出植株矮小、叶片枯黄等中毒症状。东方香蒲对土壤
中 As、Cd、Pb的累积主要在根部，其含量分别可达 31.69、35.12 mg·kg-1和 87.12 mg·kg-1，而在茎叶中仅为 2.06、2.83 mg·kg-1和
20.18 mg·kg-1，根部向地上部转移系数小。研究结果表明，东方香蒲可作为 As、Cd、Pb重度污染土壤植物稳定修复的潜在目标植物
之一。
关键词：重金属；东方香蒲；叶绿素含量；过氧化氢酶活性；植物稳定修复
中图分类号：X173 文献标志码：A 文章编号：1672- 2043(2011)10- 1966- 06
东方香蒲（Typha orientalis Presl）对重度污染土壤中
As、Cd、Pb的耐性与累积特征
王凤永，郭朝晖 *，苗旭峰，肖细元
（中南大学冶金科学与工程学院环境工程研究所，长沙 410083）
Tolerance and Accumulation Characteristics of Typha orientalis Presl for As, Cd and Pb in Heavily Contami－
nated Soils
WANG Feng-yong, GUO Zhao-hui*, MIAO Xu-feng, XIAO Xi-yuan
（Institute of Environmental Engineering, School of Metallurgical Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China）
Abstract：The tolerance and accumulation characteristics for As, Cd and Pb in contaminated soils by Typha orientalis Presl were studied in
greenhouse. The results showed that the biomass, chlorophyll content and catalase activities of Typha orientalis Presl had slight difference
compared to the control, and Typha orientalis Presl possessed strong tolerance capacity for As, Cd and Pb in soils when concentrations of As,
Cd and Pb in tested soils reached 48.4, 16.9 mg·kg-1 and 316 mg·kg-1. When concentrations of As, Cd and Pb in tested soils reached 285,
42.1 mg·kg-1 and 1 008 mg·kg-1, however, those indices of Typha orientalis Presl were significant decreased（P<0.05）, and toxic symptoms
of the plant, such as shoots stunted, leaves withered and yellow, were observed. As, Cd and Pb from the soil were mainly accumulated in roots
of Typha orientalis Presl and the concentration of these elements reached 31.69, 35.12 mg·kg-1 and 87.12 mg·kg-1, while the concentration of
these elements in shoots were only 2.06, 2.83 mg·kg-1 and 20.18 mg·kg-1, respectively. The transferring coefficient of As, Cd, and Pb from
roots into shoots of Typha orientalis Presl was slight. Finally, Typha orientalis Presl is a suitable pioneer plant for phytostabilization of As, Cd
and Pb heavily-contaminated soils.
Keywords：heavy metal; Typha orientalis Presl; chlorophyll content; catalase activity; phytostabilization
收稿日期：2011－03－07
基金项目：湖南省环境保护科技项目资助（湘财建指 2010-277-027）
作者简介：王凤永（1985—），男，硕士研究生，主要从事矿冶区重金属
污染土壤生态修复技术研究。E-mail: wfy001002@163.com
*通讯作者：郭朝晖 E-mail：zhguo@csu.edu.cn
土壤重金属污染是人们关注的环境焦点问题之
一。矿产资源中重金属由于化学性质相似而常常伴生[1]。
随长期的采选冶活动造成的矿区土壤重金属污染往
往表现为多金属污染。复合污染土壤中重金属元素对
植株生长及在植株体内的生物积累相互间往往表现
出拮抗或协同作用[2-3]。重金属在低浓度时可以促进一
些植物的生长，但高浓度的重金属胁迫会对根系细胞
和组织、茎叶组织等造成伤害，影响植物代谢活动和
对重金属的吸收[5]。有色金属矿区土壤中 As、Cd、Pb等
污染较为常见[6-7]。采用对土壤中重金属元素具有一定
富集能力的植物作为目标植物进行多元素污染土壤
第 30卷第 10期 农 业 环 境 科 学 学 报
的修复是目前较易接受、环境友好的治理技术[8-9]。
对于重金属污染土壤的植物修复，较高的植物生
物产量及较高的体内富集浓度是决定重金属去除效
率的关键性因素[10]，鉴于超累积植物生长速度缓慢，
生物量小，只对特定的重金属起作用且不利于机械化
操作等缺点，采用生物量大的中等富集植物或耐性植
物进行矿区土壤的植物稳定修复在生产实际中具有
很好的应用潜力。Santibá觡ez等研究了智利某铜尾矿
土上生长的黑麦草（Lolium perenne Linn）对 Cu、Zn、
Mo和 Cd等重金属的修复作用，发现黑麦草对 Cu、
Zn、Mo和 Cd的累积主要在根部，向茎叶处转移很
少，有效减小了向食物链中转移的风险，对铜尾矿重
金属起到良好的稳定作用[11]。这类植物中重金属主要
积累在根部，地上部积累的较少，但可以通过对土壤
重金属吸收、积累及根系分泌物的螯合沉淀作用来降
低土壤中重金属的移动性，达到固定重金属，使其处
于稳定状态，同时枯枝落叶不会四下扩散而污染周围
环境，地面由于被植物覆盖，不易发生风蚀和水蚀，也
会防止污染土壤向四周扩散，因此这类植物具有较好
的应用前景。
湖南是有色金属之乡，长期的采选冶活动导致矿
区土壤中重金属污染严重，2010 年正式获批通过的
《重金属污染综合防治“十二五”规划》把湖南列为 14
个重金属污染综合防治重点省份之一。本研究以东方
香蒲作为我国有色金属矿区重金属重度污染土壤植物
稳定修复的目标植物，在温室条件下通过盆栽试验模
拟重度污染土壤中 As、Cd、Pb对东方香蒲的生理、生长
情况的影响，以及其对重污染土壤中 As、Cd、Pb的耐受
性能与富集特征，探讨土壤中 As、Cd、Pb复合污染条件
下东方香蒲作为植物稳定修复目标植物的潜力。
1 材料与方法
1.1 供试土壤和植物
供试土壤取自湖南省长沙市岳麓山附近的红壤，
经风干、去杂，磨细分别过 5 mm和 0.125 mm筛后备
用，其理化性质如表 1所示。
供试植物东方香蒲（Typha orientalis Presl）为多年
沼生草本挺水植物，其根茎粗壮，根系发达，生物量
大，在我国南方地区分布较广。
1.2 试验设计
将风干、过 5 mm筛的土壤充分混匀后分别装入
直径 20 cm、高 17 cm的塑料盆中，每盆装土 4 kg，混
入 1.08 g CO（NH2）2，0.2 g NH4H2PO4，0.64 g KNO3作为
基肥，再依次加入 Na3AsO4·12H2O、CdCl2·1/2H2O、
Pb（CH3COO）2·3H2O溶液，混和均匀，形成 As、Cd 和
Pb重度污染土壤，同时设置对照（不外加任何污染
物）。每处理重复 3次，加去离子水至 70%的田间持水
量，静置 15 d后，对每处理水平取土样测定重金属含
量（表 2）。
目标植物东方香蒲预先经沙培育苗，向每盆土壤
中移栽 3株大小基本一致的东方香蒲幼苗。植物生长
期间定期浇灌去离子水，分别在培养后的第 56、70 d
和 84 d进行取样，测定叶片中叶绿素含量和过氧化
氢酶活性。至第 98 d收获植株，测量株高、主根数和
生物量。
1.3 样品处理与分析
收获的盆栽植株洗净晾干后直接测其鲜重，然后
在 105℃杀青 30 min、60℃烘干后称其干重。土壤 pH
值按水土比 2.5∶1，采用 Mettler toledo 420 pH计测定；
土壤中速效 N、P和 K分别采用碱解扩散法、碳酸氢
钠法和乙酸铵提取法测定，土壤中全量 N、P和K分别
采用高锰酸钾-还原性铁修正凯氏法、碳酸钠熔融法、
氢氟酸-高氯酸消煮法测定，土样和植物样中 As、Cd
和 Pb含量采用 HNO3-HF-HClO4和 HNO3-HClO4法
消煮[12]。采用平行全空白、国家标准参比物质土壤样
（GBW08303）和植物样（GBW08513）进行质量控制。
重金属含量采用等离子发射光谱仪（IntrepidⅡXSP，
ICP-OES）测定。植株样中重金属含量以干重计。采用
分光光度计法和高锰酸钾滴定法测定叶绿素含量（叶
表 1 供试土壤的理化性质
Table 1 Physico-chemical properties of tested soil
pH 全 N/g·kg-1
全 P/
g·kg-1
全 K/
g·kg-1
速效 N/
mg·kg-1
有效 P/
mg·kg-1
速效 K/
mg·kg-1
土壤背景值/mg·kg-1
As Cd Pb
6.48 2.04 0.44 14.3 76.8 14.6 48.4 13.7 1.07 52.4
表 2 供试土壤中重金属含量（mg·kg-1）
Table 2 Contents of As, Cd and Pb in tested soils（mg·kg-1）
项目 As Cd Pb
对照 13.7 1.07 52.4
处理 1 48.4 16.9 316
处理 2 180 27.5 536
处理 3 285 42.1 1 008
1967
2011年 10月
绿素 a+叶绿素 b，mg·g-1）和过氧化氢酶活性（用每克
鲜重样品 1 min内分解 H2O2的毫克数表示）[13]。
1.4 数据分析与处理
采用 Excel2003和 SPSS13.0进行数据处理。所有
数据经对数转换后进行正态分布检验（Shapiro-wilk
检验，P<0.05），对符合正态分布的数据进行显著性和
方差分析。
2 结果与讨论
2.1 污染土壤上东方香蒲的生长及其生物量
从表 3可以看出，污染土壤中东方香蒲株高、根数
和生物量均较低。As、Cd、Pb的浓度对东方香蒲的生长
产生了明显影响，各处理间东方香蒲的平均株高存在显
著差异（P<0.05），对照和处理 1的根数和生物量与处理
2和处理 3之间存在显著差异（P<0.05）。对照和处理 1
之间生物量没有显著性差异，说明在污染土壤中 As、
Cd、Pb浓度分别为 48.4、16.9 mg·kg-1和 316mg·kg-1时，
东方香蒲生长状况未受到明显抑制，东方香蒲生物量仍
然较大，表现出对土壤中 As、Cd、Pb较强的耐受性能。
在处理 2和处理 3中，东方香蒲平均株高、根数和生物
量均明显下降（P<0.05），尤其是在污染土壤中 As、Cd、Pb
浓度分别为 285、42.1mg·kg-1和 1 008mg·kg-1时，东方
香蒲根数和生物量减少一半以上，同时出现植株矮小、
叶片枯黄等中毒症状，说明土壤中 As、Cd、Pb浓度过高
明显抑制了东方香蒲生长，与土壤中 As对豆瓣菜（Nas－
turtiumofficinaleR.B）生长影响的报道结果一致[14]。
2.2 东方香蒲叶片中叶绿素含量和过氧化氢酶活性
东方香蒲叶片中叶绿素含量在培养 70 d时达到
较高水平，与 84 d后取样结果存在显著差异（P<0.05）
（图 1A），而过氧化氢酶活性随培养时间变化趋势不
表 3 不同处理水平下东方香蒲的株高、根数和总生物量
Table 3 Shoot height, roots number and total biomass of Typha orientalis Presl in different treatments
项目 株高/cm 植株生长特征
鲜重/g·盆-1 干重/g·盆-1
对照 136±0.58a 14.5±0.71a 685±20.45a 212±12.30a 生长迅速，叶色青绿
处理 1 131±2.08b 14.5±2.12a 670±39.85a 199±5.16a 生长迅速，叶色青绿
处理 2 127±1.53c 6.67±0.58b 370±77.22b 62±8.27b 生长减慢，叶片出现黄色
根数/条·盆-1
总生物量
注：同一列中标注不同小写字母表示处理间存在显著差异（P<0.05）。
王凤永等：东方香蒲（Typha orientalis Presl）对重度污染土壤中 As、Cd、Pb的耐性与累积特征1968
第 30卷第 10期 农 业 环 境 科 学 学 报
明显（图 1B）。从图 1A中可以进一步看出，对照、处理
1和处理 2中东方香蒲叶片中叶绿素含量在第 56、70
d分别呈增加趋势，且均保持在 0.180、0.310 mg·g-1
以上水平，而在处理 3中东方香蒲叶片中叶绿素含量
在第 56、70 d虽呈增加趋势，但与处理 1和处理 2相
比明显降低（P<0.05）。表明在供试土壤中 As、Cd、Pb
浓度分别为 285、42.1 mg·kg-1和 1 008 mg·kg-1，已超
过东方香蒲对土壤中 As、Cd、Pb浓度的耐性阈值，导
致叶片中叶绿素分子遭到破坏或其合成受到抑制，叶
绿素含量下降，与在 Cr、Cu、Ni、Pb、Zn多金属胁迫下
的宽叶香蒲（Typha latifolia）叶绿素含量在低浓度环
境下变化不大而高浓度下明显下降的报道一致[3]。从
图 1B中可以进一步看出，在对照和处理 1中，东方
香蒲叶片中过氧化氢酶活性随生长期变化几乎没有
明显变化。随土壤中 As、Cd、Pb浓度增加，同一生长
时期东方香蒲叶片中过氧化氢酶活性呈明显下降趋
势，如第 84 d时处理 2和处理 3东方香蒲叶片中过
氧化氢酶活性有显著性差异（P<0.05）。随土壤中 As、
Cd、Pb浓度增加，这种变化趋势更为明显。在处理 3
中，与第 56 d相比，第 70 d和 84 d时东方香蒲过氧
化氢酶活性分别下降 33%和 86%。上述结果表明，低
浓度重金属胁迫时植株体内活性氧与抗氧化解毒体
系之间平衡没有被破坏，过氧化氢酶活性处于稳定或
增加状态；重金属处理浓度超过植株的耐性阈值时，
植株出现中毒症状，过氧化氢酶的产生受到抑制[15]。处
理 3中，污染土壤中 As、Cd和 Pb浓度超过东方香蒲的
耐性阈值，使叶片中过氧化氢酶活性明显减弱，与 Cd
胁迫下的香根草（Vetiveria zizanioides）[16]、Pb胁迫下的
刺苦草（Vallisneria spinulosa）[17]、Ni、Pb、Cu、Zn胁迫下
的榆钱菠菜（Atriplex hortensis） 和红滨藜（Atriplex
rosea）[18]过氧化氢酶活性变化趋势一致。
2.3 东方香蒲对土壤中 As、Cd、Pb的累积与运移特征
从图 2可以看出，污染土壤上东方香蒲茎叶中
As、Cd、Pb含量随土壤中重金属浓度增大而增大。对
照组和处理 1中东方香蒲茎叶中 As、Cd、Pb 含量差
异不显著，处理 2和处理 3中 Pb含量明显高于对照组
和处理 1（P<0.05），分别达到 17.37 mg·kg-1和 20.18
mg·kg-1。但东方香蒲根部和茎叶对土壤中 As、Cd、Pb
的累积能力明显不同。东方香蒲根部对 As、Cd、Pb的
积累浓度在处理 2中分别达到 31.69、35.12 mg·kg-1和
87.12 mg·kg-1，显著高于对照组和处理 1（P<0.05），但
随土壤中重金属处理浓度增加，处理 3中东方香蒲根
部对 As、Cd、Pb的积累浓度反而有所下降。但植株对
重金属的积累并不随土壤中重金属含量增大而一直
1969
2011年 10月
表 4 东方香蒲对土壤中 As、Cd、Pb的转移和富集特征
Table 4 Transferring and enrichment characteristics of As, Cd and Pb from the soils for Typha orientalis Presl
注：*转运系数是指东方香蒲地上部（茎叶）中 As、Cd、Pb含量与地下部（根）中 As、Cd、Pb含量之比；富集系数是指东方香蒲地上部（地下部）中
As、Cd、Pb含量与土壤中 As、Cd、Pb含量之比。
处理 元素
地上部（茎叶）/
mg·kg-1
地下部（根）/
mg·kg-1 转移系数
*
富集系数 *
地上部（茎叶） 地下部（根）
对照 As 0.14 2.86 0.049 0.010 0.209
Cd 0.52 5.56 0.094 0.486 5.196
Pb 7.78 12.59 0.618 0.148 0.240
处理 1 As 0.23 4.85 0.047 0.005 0.100
Cd 0.97 7.53 0.129 0.057 0.446
Pb 9.12 31.50 0.290 0.029 0.100
处理 2 As 1.79 31.69 0.056 0.010 0.176
Cd 2.73 35.12 0.078 0.099 1.277
Pb 17.37 87.12 0.199 0.032 0.163
处理 3 As 2.06 29.00 0.071 0.007 0.102
Cd 2.83 32.99 0.086 0.067 0.783
Pb 20.09 74.47 0.270 0.020 0.074
增大，当重金属处理浓度超过其最大积累重金属浓
度时，植株出现明显中毒症状，植株对重金属吸收出
现下降。处理2时东方香蒲根部对 As、Cd、Pb积累浓
度高于处理3，即土壤中 As、Cd、Pb分别为 285、42.1、
1 008 mg·kg-1时，东方香蒲受重金属胁迫出现明显中
毒症状，导致对土壤中 As、Cd、Pb吸收积累下降，与
印度芥菜在不同浓度 Cd和 Pb胁迫下对 Cd和 Pb的
积累规律的报道一致[19]。
从表 4可以看出，东方香蒲根部对 Cd的富集系
数较高，在污染土壤中 Cd浓度为 27.5 mg·kg-1的处
理 2中，根部对 Cd的富集系数（地下部）可达 1.277，
但转移系数仅为 0.078，说明东方香蒲对 Cd地上部
积累的能力较差，积累主要集中在根部。在污染土壤
中 Pb浓度为 316 mg·kg-1的处理 1中，根部对 Pb的
富集系数（地下部）仅为 0.100，而转移系数可达
0.290，说明东方香蒲对 Pb的转运能力较强，能够相
对有效地从环境中吸收铅，并将其转运到地上部分。
但东方香蒲对 As的转移系数和富集系数均较小。东
方香蒲根部对重金属富集能力较强，地上部积累的较
少，使得茎叶不会四下扩散而污染周围环境，污染土
壤由于具有生长旺盛的东方香蒲的覆盖，不会被风蚀
和水蚀，也会防止污染土壤向四周扩散，表现出较好
的植物稳定作用。
3 结论
（1）东方香蒲对土壤中 As、Cd、Pb有较强的耐受
能力。与对照相比，在土壤中 As、Cd、Pb浓度分别为
48.4、16.9 mg·kg-1和 316 mg·kg-1时，东方香蒲的根
数、生物量、叶绿素含量和过氧化氢酶活性均没有明
显变化。在土壤中 As、Cd、Pb 浓度分别为 285、42.1
mg·kg-1和 1 008 mg·kg-1时，东方香蒲生物量、株高、
根数、叶绿素和过氧化氢酶活性均明显下降（P<
0.05），同时表现出植株矮小、叶片枯黄等中毒症状。
（2）东方香蒲根部对土壤中 As、Cd、Pb的积累明
显大于地上部分。在土壤中 As、Cd、Pb浓度为 180、
27.5 mg·kg-1和 536 mg·kg-1时，东方香蒲根部对 As、
Cd、Pb的含量分别达到 31.69、35.12 mg·kg-1和 87.12
mg·kg-1，在土壤中 As、Cd、Pb浓度为 285、42.1 mg·kg-1
和 1 008 mg·kg-1时，茎叶对 As、Cd、Pb的含量分别仅
为 2.06、2.83 mg·kg-1和 20.18 mg·kg-1。东方香蒲根部
中 As、Cd向茎叶的转移系数较小而 Pb的较大。东方
香蒲根部对重金属积累多、地上部积累较少的富集特
点是稳定修复较好植物的特点。
（3）东方香蒲生物量较大，对土壤中 As、Cd、Pb有
较强的耐受能力，可通过连续收获和辅助各种工程措
施提高其对 As、Cd、Pb等重金属的绝对富集能力。
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