全 文 ：镉在白骨壤模拟湿地系统中的分布、
迁移及净化效应*
陈桂葵1
陈桂珠2* *
( 1 华南农业大学农学院,广州 510642; 2中山大学环境科学研究所,广州 510275)
摘要
在温室中建立红树林植物白骨壤模拟湿地系统, 分别用正常( C1 )、5 倍( C5)和 10 倍( C10 ) 3 种人
工配置的不同浓度的污水每周定时定量对模拟系统污灌 1 年,研究重金属 Cd 的分布、迁移以及系统对 Cd
污染的净化效果. 结果表明,由人工污水加入系统中的 Cd 主要存留在土壤子系统中( 87
67% ~ 96
74% ) ,
只有很少部分迁移到植物体和凋落物中 ,约占总加入量的 0
43% ~ 3
23% ; 白骨壤植物各器官中 Cd 含量
在根中最高; 模拟系统对污水中 Cd 的净化效果显著,在植物土壤系统中, 正常、5 倍和 10 倍浓度组的净
化率分别为 90
43%、97
17%和 97
06% , 在无植物系统中,对应组分别为 93
29%、93
10%和 90
54% .
关键词
白骨壤
模拟湿地系统
镉
分布
迁移
净化效应
文章编号
1001- 9332( 2005) 03- 0550- 05
中图分类号
Q948
116
文献标识码
A
Distribution, migration and purifying effect of cadmium in artificial Avicennia marina wetland system. CHEN
Guikui1, CHEN Guizhu2 ( 1College of Agr icultur e, South China Agr icultural University , Guangzhou 510642,
China; 2 I nstitute of Env ir onmental Science, Zhongshan University , G uangz hou 510275, China ) . Chin. J .
A pp l . Ecol . , 2005, 16( 3) : 550~ 554.
An ar tificial mangrove Av icennia marina wetland w as set up in a gr eenhouse, and an irrig at ion exper iment wit h
synthetic wastewater was performed to r esearch the behav ior o f cadmium in the artificial wetland system. The
synthetic wastewater C1 had the characteristics and str ength similar to normal municipal sew age, w hile C5 and
C10 had the nutrients and heavy metals as five and ten times as those in C1 , respectively. The control was of 15!
salinity . All t he test wastewater was quantitativ ely irr igated weakly for a year . The results showed that the cad
mium in the synthetic wastewater dischar ged into the system w as mainly stagnated in so il subsystem ( 87. 67% ~
96. 74% ) , and only a small por tion ( 0. 43% ~ 3. 23% ) mig rated into plants and litters. After a year tr ial, the Cd
content in roots was more than that in stems and leaves. The ar tificial A vicennia marina w etland system did
have a significant effect on pur ifying cadmium in synthet ic wastewater, and the purification rate for C1 , C5 and
C10 was 90. 43% , 97. 17% and 97. 06% , respectively.
Key words
A vicennia marina, Artificial wetland system, Cadmium, Distribution, M igr at ion, Purifying ef
fect .
* 国家自然科学基金资助项目( 39470151) .
* * 通讯联系人.
2004- 06- 07收稿, 2004- 10- 02接受.
1
引

言
红树林是全球热带海岸特有的湿地生态系统
(包括陆地生态系统和水体生态系统)
其特有习性
与结构为生物多样性增添了丰富的内涵. 由于它兼
具陆地生态和水体生态特征, 表现为复杂而多样性
的生态系统,为其他的生态系统所无法比拟. 然而,
由于不合理的开发利用, 全世界的红树林正面临着
资源枯竭的严重境地. 为保护和可持续利用这一独
特的珍贵资源, 各国相继开展了许多研究. 结果表
明,红树林是热带、亚热带潮间带的优势植物群落,
能耐受较高浓度的重金属[ 15~ 20] , 对废水具有较大
的净化潜力[ 1, 8, 12, 14] .
Cd是一种常见的、毒性非常强的重金属污染
物,可使植物细胞结构受到明显的伤害,组织的生理
生化特性发生改变, 高浓度时可导致植株死
亡[ 9, 13] .本文研究了 Cd在红树植物白骨壤( A vicen
nia marina)模拟湿地系统中的分布、迁移规律, 以
及系统对 Cd 污染的净化作用, 以了解红树林在重
金属污染净化方面的作用和 Cd 对红树植物的影
响.
2
材料与方法
2
1
供试材料
实验用植物为马鞭草科 ( Verbenaceae)多年生的红树植
应 用 生 态 学 报
2005 年 3 月
第 16 卷
第 3 期






























CH INESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY , Mar. 2005, 16( 3)∀550~ 554
物白骨壤,从湛江红树林育苗基地运回中山大学校内玻璃网
室中种植; 实验用底泥为深圳福田红树林林下底泥; 海水是
由海盐加自来水配置而成的人工海水,盐度为 15 ! (深圳湾
海水平均盐度) .
污水配置参考#污水综合排放标准∃ [ 7]及实测的香港城
市污水中各物质含量,确定正常浓度人工合成污水( C1)浓度
为: COD 300 mg%L- 1 , NH4 +N 40
0 mg%L - 1, NO3- N 1
0
mg%L- 1 , 有机氮 10
0 mg%L - 1, 总磷 10
0 mg%L - 1, K 50
0
mg% L- 1 , F e 30
0 mg% L- 1, Mn 5
0 mg%L - 1, Zn 5
0 mg%
L - 1 , Cu 2
0 mg%L - 1, N i 1
0 mg%L - 1, Pb 1
0 mg%L - 1, Cr
0
5 mg%L - 1, Cd 0
1 mg%L- 1
5 倍( C5)和 10 倍( C10 )浓度污
水所含物质分别是正常浓度污水的 5 倍和 10倍.
2
2
研究方法
2
2
1 实验设计
在温室中建立红树林模拟湿地系统, 试验
共设 8个处理组,分为种植白骨壤处理 ( CA
0
: 对照 A, CA
1
: 正
常浓度, CA
5
: 5 倍浓度, CA
10
: 10 倍浓度
每盆均匀种植 15
株)和不种植物处理( CB
0
: 对照 B, CB
1
: 正常浓度, CB
5
: 5 倍浓
度, CB
10
: 10倍浓度)两种类型
每组由 3 个平行试验盆和 1
个潮汐盆组成 (图 1) . 试验盆和潮汐盆均由 PVC 板制成
( 0
75 m & 0
5 m & 0
4 m) .每个试验盆内盛 100 kg (风干土
重)底泥(高约 0
3 m) .共有 24 个试验盆.
图 1
白骨壤模拟湿地系统示意图
Fig. 1 Sketch map of Av icen nia marina art ificial w et land system.
1)电源 Pow er supply; 2 )定时器 Timer; 3) 涨潮泵 Pump for flooding
t ide; 4)退潮泵 Pum p for ebbing tide; 5)电线 Wire; 6)水管Hosepipe; 7)
白骨壤 A vicennia marina .


通过定时器对水泵的自动控制, 模拟潮汐 24 h 内两涨
两退. 涨潮时人工海水被泵入 3 个连通的试验盆中, 淹没底
泥、植物的根和部分的茎;退潮时海水被泵入单个固定的潮
汐盆中贮存 .模拟系统 2 个月更换一次潮汐海水, 其间经常
用淡水补充因蒸发而失去的水分,使盐度保持恒定.
2
2
2 污水排放
白骨壤移植成活、生长正常后开始进行污
灌试验, 对照组不灌污水, 其余 3 组分别灌正常、5 倍和 10
倍浓度的人工污水.每周 2 次于退潮期内将不同浓度的污水
均匀排灌到相应组的试验盆中, 每次排放量为每盆 1
75 L .
灌污试验持续一年.
2
2
3 样品分析
每 2 个月更换潮汐水时, 每盆取 1 个水样
并记录潮汐水体积.采集的水样通过萃取富集、消化去除有
机质后用 ICP法测定[ 11 ] .灌污试验前后每盆土壤分上层( 1
~ 15 cm)和下层( 15~ 30 cm)以对角线布点法各取 1 个混合
样,风干研磨过筛,消化后用 ICP 光谱仪测定[ 10] . 植物样品
取实验前后的植株, 洗净, 分不同部位 60 ∋ 下烘干, 研磨过
60 目筛, 用于测定生物量的部分在恒温 105 ∋ 下烘至恒重.
凋落物随时收集洗净, 分月汇总.植物样品的消化、测定方法
同土壤.
3
结果与分析
3
1
不同处理间 Cd含量变化
3
1
1 随污水和潮汐水加入的 Cd
白骨壤模拟湿
地系统中 Cd的主要来源是人工合成污水加入和潮
汐水中的本底含量.本实验 1年内加入系统中的 Cd
含量见表 1.
3
1
2 更换海水时带走的 Cd
对系统潮汐水 Cd浓
度测定结果表明,各处理组间每次更换的潮汐水中
Cd浓度随着污水浓度的增加而增加, 但种植物系列
Cd浓度的增加没有未种植物系列明显,说明植物起
着很重要的作用.通过对排出潮汐水体积及 Cd浓度
的测定,计算得出 1年内系统排水带走的 Cd总量(表
1) .由此可见,由排水带走的 Cd总量不存在明显的 5
倍或 10倍关系,表明加入的 Cd大部分存留于土壤或
植物子系统中, 即在一定程度上, 系统对加入污水的
净化效应随污水处理浓度的升高而加大.
表 1
Cd在模拟湿地系统中的分配
Table 1 Allocation of Cd in the artificial system(mg)
处理
T reatment
水体 Seawat er
加入
Input
排出
Output
土壤Soil
存留
Retention
支出
Output
植物 Plant
存留
Retent ion
凋落物带走
Output
CA0 0
172 0
231 1
137 0
721 0
171
CA1 50
572 1
300 44
338 1
397 0
238
CA5 252
172 5
871 243
290 1
736 0
586
CA10 504
172 9
499 487
716 1
620 0
566
CB0 0
172 0
399 1
137
CB1 50
572 0
934 47
180
CB5 252
172 17
164 234
763
CB10 504
172 45
276 456
453
3
1
3 土壤子系统吸收积累的 Cd
土壤中的 Cd一
方面来源于污水释放, 一方面来源于土壤中积存的
本底含量.对土壤中 Cd含量的背景值和污灌 1年
后的土壤 Cd含量测定[其中重量栏指每组 3盆(平
行处理 ) 共 284
217 g 烘干土 (含水量平均为
5
261% )中含 Cd总量]结果表明, 随污水处理浓度
的增大,土壤中 Cd 含量显著增加. 种植物系列中高
浓度组的土壤 Cd 含量高于不种植物系列, 说明植
物系统中土壤的修复活性高.这可能是由于在植物
土壤系统中存在根际效应,根际微生物以及根系分
泌物的#共代谢∃协同植物根系和土壤起着积极的作
用.
5513 期









陈桂葵等:镉在白骨壤模拟湿地系统中的分布、迁移及净化效应











表 2
土壤中 Cd浓度及含量
Table 2 Concentration and content of Cd in soils( n= 3)
项目
Item
背景值
Basel ine
CA0 CA1 CA5 CA10 CB0 CB1 CB5 CB10
浓度
Concent rat ion
(
g%g- 1) 0
504( 0
038 0
500( 0
018 0
660( 0
071 1
360( 0
156
* 2
220( 0
123* * 0
500( 0
015 0
670( 0
077 1
330( 0
161* 2
110( 0
128* *
含量
Total amount(mg)
143
245 142
109 187
583 386
535 630
962 142
109 190
425 378
009 599
698
* P< 0
05; * * P< 0
01.下同 The sam e below .
表 3
植物体各器官中 Cd浓度
Table 3 Concentration of Cd in different organs of plant(
g%g- 1)
植物器官
Plant organ
背景值
Baseline
污水处理 1年后After a year trial
CA0 CA1 CA5 CA10
根 Root 1
00 ( 0
116 0
98 ( 0
117 1
30 ( 0
129 1
50 ( 0
150* 2
00 ( 0
132* *
茎 Stem 0
06 ( 0
020 0
10 ( 0
022 0
24 ( 0
044* 0
34 ( 0
049* 0
24 ( 0
037*叶 Leaf 0
06 ( 0
021 0
10 ( 0
021 0
18 ( 0
033* 0
20 ( 0
031* 0
12 ( 0
017*
3
1
4植物子系统吸收积累的 Cd
对污灌前后白
骨壤植株各器官 Cd含量的测定结果见表 3. 由表 3
可以看出,污水处理后植物各器官中 Cd含量都有
显著增加, 且在根中最高, 平均占整株的 79
23% .
这与前人的研究结果相一致[ 16~ 19] , 说明白骨壤的
根具有富集重金属的作用. 红树林植物将重金属吸
收并储存在根、树干,减少了因枯枝落叶而引起的二
次污染和向下一级消费者传递重金属的可能性, 从
而起到净化环境的作用.


植物对土壤元素的吸收富集能力可以用富集系
数来表示, 即植物体内某元素的含量与该元素在土
壤中含量的比值[ 6] .模拟生境下白骨壤植物对土壤
全量的富集系数变化规律见图 2. 图 2结果表明, 各
污水处理组均以根的富集能力最强.随着土壤重金
属 Cd含量提高,植物的富集系数逐渐下降,与郑逢
中等[ 20]的结果相一致.这说明在高浓度的含 Cd 环
境中,植物对 Cd的吸收累积达到一定程度后,对 Cd
的吸收富集能力下降, 从而减少了对植物自身生长
发育产生的危害.这也可能是红树植物在污染环境
中的一种适应性生长.
图 2
白骨壤植物对重金属 Cd的富集系数
Fig. 2 Enrichm ent coef ficients of Cd by Av icennia marina.
1)根 Root; 2)茎 Stem; 3)叶 Leaf.


结合各组植物各器官的生物量计算出一年中植
物对 Cd的净吸收量(表 1) . 随着处理浓度的增加,一
年中植物对 Cd的净吸收量也相应增加,但 CA10组反
而比 CA5低,这是因为 CA10组的生物量比 CA5低[ 3] .
3
1
5 凋落物带走的 Cd
定期收集凋落物, 每月汇
总统计出生物量, 并分析其 Cd含量, 从而计算出凋
落物所带走的 Cd 总量(表 1) . 一年试验期间, 凋落
物所带走的 Cd总量随着处理浓度的增加而相应增
加,说明生长在较高浓度重金属污染物环境中的红
树植物可以通过大量的凋落物排除体内的有毒污染
物,从而减少了对植物生长发育的危害.
3
2
Cd在模拟系统中的分布
如果不考虑模拟系统外因素的影响, 则 Cd在
水体、土壤和植物子系统中的分配见表 1. 假设实际
由凋落物带走的 Cd 全部返回土壤子系统, 则可构
成整个模拟系统中 Cd的循环. 表 1中 CA0和 CB0组
土壤子系统中只有支出是因为该组未加入污水, 而
原来在土壤中的 Cd会随着潮汐水的更换被带走或
被植物吸收.
如果把湿地系统中加入的 Cd看作是 100% ,则
Cd在各子系统中的分布如表 4. 由表 4 可见, 绝大
部分的 Cd 被吸收积累在土壤子系统中, 植物子系
统中的分布积累量很小, 约为 0
32% ~ 2
76%, 与
陈桂珠等[ 5]的研究结果相近.凋落物带走的 Cd量
极小( 0
11% ~ 0
47% ) ,说明如果用该模拟湿地系
表 4
Cd在模拟湿地系统中的分布
Table 4 Distribution of Cd in the artificial system(%)
处理
Treatment
土壤子系统
Soil
subsystem
植物子系统
Plant
subsystem
凋落物
Fallen
leaves
海水带走
S eaw ater
CA1 87
67 2
76 0
47 2
57
CA5 96
48 0
69 0
23 2
33
CA10 96
74 0
32 0
11 1
88
CB1 93
29 0
00 0
00 1
85
CB5 93
10 0
00 0
00 6
81
CB10 90
54 0
00 0
00 8
98
552



















应
用
生
态
学
报

















16 卷
统作为污水净化系统, 归还环境中引起二次污染的
可能性极小.


种植植物的 A 系列中, 土壤子系统积存的 Cd
量随着污水处理浓度的升高而增大,而白骨壤植物
吸收和凋落物带走的以及潮汐水更换带走的 Cd量
却随污水浓度的增大而呈减少的趋势; 但未种植植
物的 B系列中, 土壤子系统积存的 Cd量随污水浓
度的增加而降低, 而随潮汐水更换带走的 Cd 量却
随污水浓度的增大而增加. 这说明白骨壤植物在本
模拟湿地净化系统中起着重要作用.
3
3
Cd在模拟系统中的流动系数
根据白骨壤植物中 Cd 的现存量、吸收量和归
还量以及土壤中 Cd含量之间的关系, 可求出 Cd在
模拟系统中的流动系数即吸收系数、利用系数和循
环系数,从而揭示 Cd 在本模拟湿地系统中相对的
迁移状况(表 5) .由表 5可知, 随着污水处理浓度升
高,吸收系数减小. 这与郑逢中等[ 20]和陈桂珠等[ 5]
的研究相一致.
表 5
模拟湿地系统中 Cd的吸收系数、利用系数和循环系数
Table 5 Absorption, utilization and cycle coefficients of Cd in the artifi
cial wetland system
处理
T reatment
吸收系数
Absorpt ion coeff icient
( 10- 3)
利用系数
Utilizat ion
coeff icient
循环系数
Cycle
coef ficient
C A0 6
285 1
013 0
192
C A1 8
699 1
034 0
146
C A5 5
999 1
214 0
252
C A10 3
464 1
271 0
259
3
4
模拟湿地系统对污水中 Cd的净化效应
通过计算加入系统中 Cd的总量(含海水中的
量)、被土壤和植物吸收的量, 可计算出其净化污水
中 Cd的能力, 由土壤或植物中存留的 Cd量除以由
水体加入的总 Cd量即为净化率(表 6) . CA0、CB0为
对照组未灌污水,故未研究其净化率.
表 6
模拟湿地系统对污水中 Cd的净化率
Table 6 Purification rates of Cd in the arti ficial wetland system
项目 Item C A1 C A5 CA10 C B1 C B5 CB10
土壤子系统
S oil subsystem
87
67 96
48 96
74 93
29 93
10 90
54
植物子系统
Plant subsystem
2
76 0
69 0
32 - - -
总净化率
Purification rate
90
43 97
17 97
06 93
29 93
10 90
54


由表 6 可见,在有植物系统中,对污水中 Cd 起
净化作用的主要是土壤子系统, 与香蒲植物湿地净
化铅锌矿废水情况相似[ 4] . 随着处理的污水浓度增
大,其主导作用逐渐明显.在高浓度污水处理组( C5、
C10)中, 植物土壤系统的净化率大于无植物的对照
系统.这是因为除了植物本身对污染物的吸收作用
外,在种植植物系统中存在一个有利于污染物降解
的根际环境, 即根际微生物协同植物根系和土壤发
挥着积极作用,所以植物土壤系统对重金属污染的
净化效率高于单独的土壤系统.
尽管白骨壤植物本身的净化率远低于土壤,但
植物可以继续生长,不断吸收污染物,而且在自然界
中,红树林植物是高生产者,为其林下土壤中的小动
物和微生物提供了丰富的食物来源. 它们共同组成
一个复杂的生态系统, 所以植物土壤系统对污染物
修复的潜力不可低估.
4
讨

论


本模拟湿地系统排放污水 1 年后, 白骨壤植物
仍能维持正常生长, 并未发现植物出现明显的受害
症状[ 2, 3] .由人工污水加入系统中的 Cd主要存留在
土壤子系统中( 87
67% ~ 96
74%) ,只有很少部分
迁移到植物体和凋落物中,仅占总加入量的 0
43%
~ 3
23%
这可能是因为植物生物量小, 随着植物
的生长,生物量不断增大, 对污染物的吸收增加, 植
物在系统中的净化作用也越来越大. 在种植植物系
统中,土壤对污水中 Cd 的净化率随污水处理浓度
升高而增加, 而植物吸收和凋落物带走以及潮汐水
更换带走的 Cd 却随污水处理浓度升高而下降. 模
拟系统对污水中重金属 Cd的净化效果显著, 达到
90%以上.
需说明,本试验是在室内模拟状态进行,与自然
界中红树林的生境有很大的差别. 本文上述结果未
考虑如下因素: 气候变化造成的影响; 由于工作量
大,未作微生物的组分与活性分析;仅分析了污染物
在系统中的分布、迁移情况,对其作用机理未进行进
一步的探讨; 本试验污灌时间为 1年,相对较短. 自
然界中红树林生态系统的影响因素相当复杂,与模
拟系统的差异甚大, 应用时必须根据具体情况加以
研究.
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作者简介
陈桂葵, 女, 1972 年生,讲师,主要从事环境生态
学方面的研究, 发表论文 10 篇. T el: 02085280211; Email:
guikuichen@ 163. com
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应
用
生
态
学
报

















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