全 文 ：第 10 卷 第 4 期 环 境 工 程 学 报 Vol． 10，No． 4
2 0 1 6 年 4 月 Chinese Journal of Environmental Engineering Apr ． 2 0 1 6
人工湿地宽叶香蒲对重金属的累积与机理
李 冰 舒 艳 李科林 宋金风 聂文博 汤春芳*
(中南林业科技大学林学院，长沙 410004)
摘 要 宽叶香蒲(Typha latifolia L．)对环境胁迫具有较强的耐性。为了解宽叶香蒲对重金属的富集能力与耐性机
理，通过野外调研，采集韶关凡口铅锌矿废水处理人工湿地中的宽叶香蒲与相应土壤样品，测定了土壤、植物的重金属总量
与叶片亚细胞中重金属含量，分析了植物重金属含量与土壤重金属含量的相关性，并估算了宽叶香蒲地上部对重金属的提
取量。土壤 pH值在 6． 83 ～ 7． 70 之间，宽叶香蒲能有效降低土壤中的 Cd、Pb、Zn、Cu和 Mn的含量，对重金属的吸收主要受
土壤重金属含量的影响，Pb和 Cd的富集系数平均在 0． 5 以上;除 Fe 外，叶片重金属主要分布在细胞壁和胞基质中。结果
表明，宽叶香蒲是多种重金属的耐性植物，根系对重金属的富集与选择性向上运输、叶片细胞壁和胞基质对过量重金属的
阻隔与结合作用是宽叶香蒲耐受重金属的重要机理。
关键词 宽叶香蒲 重金属 累积 机理
中图分类号 X173 文献标识码 A 文章编号 1673-9108(2016)04-2099-10
Accumulation and mechanism of heavy metals in
Typha latifolia L． in constructed wetland
Li Bing Shu Yan Li Kelin Song Jinfeng Nie Wenbo Tang Chunfang
(College of Forestry，Central South University of Forestry and Technology，Changsha 410004，China)
Abstract Typha latifolia L． has a high tolerance to environmental stresses． To understand the bioaccumula-
tion capacity and tolerance mechanisms of broad-leaf cattails to heavy metals，T． latifolia tissues and correspond-
ing soils were collected from a constructed wetland located in the Fankou lead and zinc mining area in Shaoguan
City． Total heavy metal concentrations in the soil and plant samples，and subcellular content of heavy metals in
leaves were determined． The correlations between heavy metal concentration in the soil，in the plant，and within
plant tissues were analyzed． The pH values of soils ranged from 6． 83 to 7． 70，and the concentrations of Cd，Pb，
Zn，Cu，and Mn in soils were efficiently reduced by broad-leaf cattails． Heavy metal uptake in T． latifolia was pre-
dominantly affected by metal content in the soil． Average bioaccumulation factors for Pb and Cd were above 0． 5，
and heavy metals，except for Fe，were primarily distributed in the cell wall and cytoplasmic matrix in the leaves．
The results indicated that T． latifolia is tolerant to several heavy metals． Ｒoot accumulation，select transportation
of heavy metals to aerial parts，cell wall binding，and cytosol compartmentation of excess heavy metals are impor-
tant mechanisms of the heavy-metal tolerance of T． latifolia．
Key words Typha latifolia L．;heavy metal;accumulation;mechanism
基金项目:湖南省教育厅科技项目(13C1141);湖南省科技厅计划项
目(2012FJ3144)
收稿日期:2014 － 11 － 27;修订日期:2014 － 12 － 20
作者简介:李冰(1987—)，女，硕士研究生，研究方向:重金属的吸附
与植物修复。E-mail:525700287@ qq． com
* 通讯联系人，E-mail:cshntcf@ 163． com
重金属主要包括有生物毒性很强的镉(Cd)、铅
(Pb)、汞(Hg)、铬(Cr)和类金属砷(As)等，也包含
毒性一般的锌(Zn)、铜(Cu)、锰(Mn)、铁(Fe)等生
物营养元素。重金属难以生物降解，易在土水环境
中累积，甚至可以转化为毒性更强的烷基化合物被
生物吸收、并通过食物链富集和放大，因此，重金属
污染不仅对耕地与农林作物质量造成严重威胁，还
能损害人类健康，影响社会稳定，其防治也成为研究
重点［1-3］。
重金属治理方法通常有理化法和生化法。理化
处理效果有限并可能破坏土壤结构，而且一般费用
较高;生物法对修复场地破坏小、能提高土壤肥力、
成本低、易推广，因此引起人们广泛关注。其中，植
物修复更是一种绿色经济的原位修复技术，操作简
单，对环境扰动小，适用于大面积污染的治理。目
环 境 工 程 学 报 第 10 卷
前，关于植物提取与根际过滤的研究较多，而且多为
水培或者土培［4-5］，野外调研相对较少。与实验室
盆栽相比，野外调研虽然实验因素难以控制，但综合
了不同时空的环境因素，具有客观性，可以为进一步
的实验室研究提供更切合实际应用的依据。
香蒲对环境胁迫耐性较强，已经一定程度用于
环境污染的修复［6-7］。与重金属相关的研究主要集
中于香蒲对重金属的吸收与累积［7-9］，香蒲对重金
属的转运、组织重金属含量与土壤重金属含量的相
关性、叶片重金属的亚细胞分布的研究少见。本研
究通过野外调研，采集了凡口铅锌矿废水处理人工
湿地的宽叶香蒲与土壤样品，测定了土壤理化性质
与重金属总量，宽叶香蒲根、地下茎、地上茎、叶片重
金属总量和叶片亚细胞中重金属含量，并对植物与
土壤重金属含量的相关性进行分析，旨在为重金属
污染的植物修复及其机理研究提供依据。
1 材料与方法
1． 1 研究区域概况
凡口铅锌矿是我国最大的铅锌生产地，位于广
东省韶关市仁化县内，属亚热带季风气候，年平均气
温 19． 7 ℃，年平均降雨量 1 858． 6 mm。矿区面积
约 6． 07 km2，目前 Pb和 Zn产量达 15 万 t / a，排放废
水量达 6 万 t /d，废水及尾砂中含有大量的 Pb、Cd、
Cu、Zn、Mn和 Fe 等重金属。1984 年中山大学环境
科学研究所和凡口铅锌矿环保监测站利用矿区废水
沉积物上生长的野生宽叶香蒲建造了一座人工湿地
净化系统。阳咸胜等［6，10］、叶志鸿等［7］对该系统的
调研结果表明，净化塘能够有效降低进入废水的重
金属含量，使出水水质达标排放。
1． 2 样品采集与预处理
2013 年 6 月于采选区宽叶香蒲净化塘(北纬
25°06，东经 113°37 ～ 113°38之间)及 2 个尾矿库
(北纬 25°02，东经 113°39)设置 6 个采样点，分别
采集宽叶香蒲和土壤样品。采样点 1 与 2 位于净化
塘的 2 个进水口，采样点 3 与 4 分别位于净化区与
出水口，采样点 5 和 6 设置在尾矿库(图 1)。每个
采样点均在附近区域重复 4 次采样。
采集的宽叶香蒲样品带回实验室，洗净，将植株
分成根、地下茎、地上茎、叶 4 个部分。称取新鲜嫩
叶 0． 500 0 g数份低温保存备用，剩余样品 105 ℃下
杀青 30 min，80 ℃烘干至恒重，经微型植物粉碎机
(FZ102，天津市泰斯特)粉碎碎后过 0． 25 mm 尼龙
图 1 采样点分布图
Fig． 1 Distribution of sampling sites
筛，聚乙烯密封袋保存备用。土壤样品放置实验室
通风干燥阴凉处自然风干，分别过 20 目和 100 目尼
龙筛，聚乙烯密封袋保存备用。
1． 3 土壤 pH值与重金属总量测定
土壤 pH 值与重金属总量测定依据《土壤农化
分析》［11］，消解液用原子吸收分光光度计(TAS-
990，北京)测定重金属含量。
1． 4 植物重金属总量与叶片亚细胞重金属含量
测定
称取 1． 000 g 干燥植物样品于锥形瓶中，加入
10 mL浓 HNO3 与 3 mL HClO4，在电热板上消解后
用原子吸收法测定金属含量。
叶片的亚细胞分离方法根据《植物生理生化实
验原理和技术》［12］。细胞壁组分设为 F1、细胞器组
分为 F2 和细胞质可溶性组分为 F3。
每个实验重复 4 次，结果为均值 ±标准差，用
Excel 2007 和 Spss 20． 0 进行统计分析。
2 结果与讨论
2． 1 土壤 pH值
pH值是影响土壤中重金属流动性和生物有效
性的重要因素［3］。土壤 pH 值结果见表 1，采样点
1 ～ 6的 pH值分别为 7． 42、7． 70、7． 47、6． 83、7. 25 与
7． 22。金属采选废水通常偏酸性，土壤 pH 偏碱与
采选废水排入人工湿地前投加碱性物质以中和废水
pH值并沉淀部分重金属有关。
2． 2 土壤与香蒲的重金属总量
从图 2 可知，土壤 Pb 和 Cd 含量分别在
1 475. 91 ～ 3 167． 34 mg /kg、4． 76 ～ 26． 23 mg /kg 之
间，其含量分别远低于阳成胜等［10］的 8 406 和 50
0012
第 4 期 李 冰等:人工湿地宽叶香蒲对重金属的累积与机理
mg /kg，但 Zn和 Cu 的含量(图 3)与其研究结果相
似，这可能与土壤采样方式、采样时间的差异及香蒲
对其的大量吸收和积累有关。其中 Pb 的减少量
(进水口到出水口)仅为 15． 08% ～ 20． 24%，而 Cd
则达到了 77% ～ 82%。宽叶香蒲根、地下茎、地上
茎与叶 Pb 含量平均值分别为 1 352． 06、335． 43、
64. 79 和 67． 61 mg /kg，Cd 为 12． 37、4． 08、3． 45 和
3. 10 mg /kg。宽叶香蒲 Pb和 Cd的富集系数(bioac-
cumulation factor，BAF):植物各器官与土壤中重金属
含量的比值)与转运系数(tran-slocation factor，TF):
植物地上部与地下部重金属含量的比值)见表 1 和表
2，地下部 BAF明显高于地上部，Cd的 TF大于 Pb。
表 1 铅的富集与转运系数
Table 1 BAF and TFs of Pb
采样点 TF
BAF
根 地下茎 地上茎 叶
1 0． 06 0． 73 0． 24 0． 02 0． 03
2 0． 14 0． 31 0． 14 0． 03 0． 03
3 0． 05 0． 58 0． 16 0． 02 0． 01
4 0． 10 0． 63 0． 13 0． 04 0． 04
5 0． 14 0． 95 0． 21 0． 07 0． 09
6 0． 05 0． 97 0． 15 0． 03 0． 03
表 2 Cd的富集与转运系数
Table 2 BAF and TF of Cd
采样点 TF
BAF
根 地下茎 地上茎 叶
1 0． 50 0． 36 0． 14 0． 13 0． 12
2 0． 45 0． 60 0． 20 0． 20 0． 16
3 0． 28 0． 59 0． 24 0． 13 0． 10
4 0． 37 2． 99 0． 83 0． 75 0． 66
5 0． 39 0． 74 0． 19 0． 18 0． 18
6 0． 41 0． 58 0． 20 0． 16 0． 16
Pb和 Cd不是植物生长的必需元素，对植物有
较大毒性。自然界中 Cd 和 Pb 往往与 Zn 等伴生，
易进入植物体内，与 Ca 和 Zn 等营养元素具有相似
的吸收与转运途径［13］。宽叶香蒲根对 Cd 和 Pb 的
富集能力较强，表明土壤 pH 值在 7 左右，Cd 和 Pb
的活性较高，宽叶香蒲对 Cd 和 Pb 的吸收和耐性较
强。Cd和 Pb积累的大小顺序为根 ＞地下茎 ＞地上
部，超过 90%的 Pb 与 50%的 Cd 富集在地下部，表
图 2 宽叶香蒲与土壤的铅、镉含量
Fig． 2 Contents of Pb，Cd in Typha latifolia L． and soil
图 3 宽叶香蒲与土壤的锌、铜含量
Fig． 3 Contents of Zn，Cu in Typha latifolia L． and soil
明宽叶香蒲更适合于 Cd 和 Pb 的根际过滤，根系吸
收的 Pb和 Cd通过韧皮部转运时移动性较低，利于
减小 Pb 和 Cd 对地上部的毒害。刘兆昌等［14］实验
表明，Pb易沉积在表土层中，这也是宽叶香蒲地下
1012
环 境 工 程 学 报 第 10 卷
部高浓度累积 Pb 的重要原因。Pb 的原子量大，极
易沉淀，同时净化区的水力停留时间较长，这可能是
采样点 3 土壤 Pb含量明显高于其他采样点的主要
原因。Pb的 BAF 与其在土壤中的含量负相关，表
明在过高重金属污染胁迫下宽叶香蒲有自行降低富
集量以避免被伤害的能力。除采样点 1，Cd 的 BAF
大于 1，表明宽叶香蒲对 Cd 的生物利用性强，是 Cd
修复的潜在植物。
从图 3可知，土壤 Zn、Cu 含量分别在 1 533． 55 ～
10 937． 61 mg /kg和 22． 62 ～ 288． 62 mg /kg 之间，从
进水到出水土壤 Zn 的减少量为 79% ～ 86%，而 Cu
的为 86% ～86%。宽叶香蒲根到叶平均 Zn 含量分
别为 963． 73、947． 12、352． 74 和 135． 12 mg /kg，Cu
含量分别为 35． 81、22． 52、11． 68 和 7． 97 mg /kg。由
表 3 和表 4 可见，除采样点 4 Cu 的 BAF 分别达到
1. 37、0. 76、0． 38 和 0． 28 外，Zn 和 Cu 的 BAF 和 TF
均小于 0． 5，尤其地上部的 BAF在 0． 1 以下。
表 3 锌的富集与转运系数
Table 3 BAF and TF of Zn
采样点 TF
BAF
根 地下茎 地上茎 叶
1 0． 22 0． 06 0． 04 0． 01 0． 01
2 0． 32 0． 07 0． 19 0． 06 0． 02
3 0． 17 0． 29 0． 26 0． 07 0． 02
4 0． 20 0． 47 0． 33 0． 10 0． 06
5 0． 41 0． 14 0． 08 0． 07 0． 02
6 0． 25 0． 12 0． 14 0． 05 0． 02
表 4 铜的富集与转运系数
Table 4 BAF and TF of Cu
采样点 TF
BAF
根 地下茎 地上茎 叶
1 0． 43 0． 27 0． 10 0． 09 0． 07
2 0． 42 0． 16 0． 18 0． 09 0． 05
3 0． 22 0． 25 0． 13 0． 05 0． 03
4 0． 31 1． 37 0． 76 0． 38 0． 28
5 0． 36 0． 31 0． 16 0． 09 0． 07
6 0． 31 0． 13 0． 12 0． 05 0． 03
Zn和 Cu存在于植物的光合系统和多种氧化酶
中，是某些酶组成和酶促反应的必需元素，极易被植
物吸收，但浓度过高会破坏植物的光合作用等生理
活动［15-19］。由图 3 可知，出水口土壤中 Zn 和 Cu 含
量明显少于进水口和净化区，表明香蒲对 Zn 和 Cu
有较好的净化效果，这和阳承胜等［10］的研究结果相
似。宽叶香蒲中 Zn 和 Cu 的累积顺序为根 ＞地下
茎 ＞地上茎 ＞ 叶，地下部分的积累量超过 80%，表
明 Zn和 Cu在宽叶香蒲中的流动性很低，使植物地
上部在满足生理代谢的前提下又免受过高浓度 Zn
和 Cu的伤害。采样点 1 和 2 根中 Zn 的 BAF 小于
0． 1，可见土壤 Zn浓度过高并不利于植物对其的吸
收和积累。除采样点 4 外，Cu 的 BAF 差异不大，说
明宽叶香蒲在满足自身的需求下，根限制了 Cu 元
素的吸收，这与植物选择性主动吸收和运输 Cu 等
矿质元素有关，也是宽叶香蒲耐 Cu的重要屏障。
从图4可知，土壤 Fe和 Mn含量分别在7 243. 34 ～
82 832． 24 mg /kg 和 172． 36 ～ 1 568． 00 mg /kg 之间，
进水口到出水口土壤 Mn的减少量为 72% ～84%，而
Fe含量却是显著增大。宽叶香蒲 Fe 从根到叶的平
均含量分别为 9 565． 27、3 958． 33、284． 43 和 530． 63
mg /kg，Mn的分别为 122. 42、45. 24、114. 04 和 250. 45
mg /kg。由表 5和表 6可知，Fe的 BAF地下部远大于
地上部，Mn则相反，两者的 TF分别在 0. 06 ～0. 13和
1. 18 ～3. 52之间(采样点 6为 26． 69)。
图 4 宽叶香蒲与土壤的铁、锰含量
Fig． 4 Contents of Fe，Mn in Typha latifolia L． and soil
Fe、Mn 元素参与植物的氧化还原等酶促反应
和光合作用，是植物生长必需的营养元素［18-19］。Fe、
2012
第 4 期 李 冰等:人工湿地宽叶香蒲对重金属的累积与机理
表 5 铁的富集与转运系数
Table 5 BAF and TF of Fe
采样点 TF
BAF
根 地下茎 地上茎 叶
1 0． 13 0． 37 0． 35 0． 02 0． 07
2 0． 06 0． 25 0． 16 0． 01 0． 02
3 0． 03 1． 94 0． 69 0． 03 0． 04
4 0． 07 0． 11 0． 02 0． 00 0． 01
5 0． 13 0． 23 0． 11 0． 01 0． 03
6 0． 06 0． 35 0． 15 0． 01 0． 02
表 6 锰的富集与转运系数
Table 6 BAF and TF of Mn
采样点 TF
BAF
根 地下茎 地上茎 叶
1 2． 31 0． 04 0． 05 0． 06 0． 13
2 1． 18 0． 86 0． 07 0． 51 0． 58
3 3． 52 0． 01 0． 05 0． 08 0． 15
4 2． 32 0． 41 0． 26 0． 62 0． 92
5 2． 04 0． 11 0． 10 0． 12 0． 30
6 26． 19 0． 01 0． 00 0． 01 0． 30
Mn在自然界的含量非常丰富，但 Fe 的生物积累作
用并不明显［20］，湿地土壤中的 Fe、Mn 会在植物根
系表面形成一层氧化膜［21-22］，反而减少了植物对有
毒还原性物质的吸收，因此，国内外少见将 Fe 单独
作为污染物报道。出水口土壤的 Fe 含量高达
82 832． 24 mg /kg，这可能与该矿区矿石本身富含
Fe，及土壤 pH小于 8 时，Fe元素仍有较强的迁移能
力有关，其原因有必要进一步研究分析。而出水口
土壤 Mn含量降到了 174． 36 mg /kg，但净化区的宽
叶香蒲积累的 Mn 量与其他采样点差异不大，说明
土壤 Mn含量的降低可能与整个植物群落的生物量
相关。一般来说，一定浓度范围内的重金属会促进植
物的吸收，高浓度则表现为抑制，而表 12 结果表明，
土壤 Fe和 Mn含量及 pH对宽叶香蒲吸收积累 Fe和
Mn的影响不大，宽叶香蒲对 Fe 和 Mn 的吸收与土壤
Fe和 Mn含量无明显线性关系，但耐性极强。
宽叶香蒲地下部 Fe 含量远多于地上部分，TF
和地上部 BAF极小，显然在高浓度 Fe 环境下，地下
部分限制了 Fe 向上的运输和转移。Mn 相反，地上
部分含量多于地下部分，TF 大于 1，除采样点 2 外，
Mn的 BAF均高于其他器官，与 Sasmaz 等［9］研究结
果类似。Demirezen 等［23］也报道 Fe 在植物中的流
动性低且趋于积累在地下部分，而 Mn 易在植物组
织中流动且主要积累在植物的绿色器官中，因此，利
用宽叶香蒲去除土壤 Fe污染的效果不明显，而通过
收割宽叶香蒲的地上部分可以有效降低土壤 Mn
含量。
植物对重金属的吸收与积累与土壤理化性质、
重金属含量、植物本身的耐性有关，宽叶香蒲是重金
属耐性极高的植物。在土壤 pH 值差异不大的范围
内，pH 值对宽叶香蒲吸收重金属的影响不大，而土
壤重金属的含量越大，宽叶香蒲积累的重金属也越
多。从进水到出水之间土壤 Pb与 Fe的去除率并不
理想，而实际上该人工湿地各类出水指标均以达到
排放标准［6-7］，其他 4 种重金属的减少量都达到了
80%左右。以上结果可见，宽叶香蒲并非超富集累
植物，但积累的重金属量仍较可观，根据李倩［24］的
宽叶香蒲的生物量，以本研究宽叶香蒲地上部重金
属含量的平均值作为估算参量，得到 Pb、Cd、Zn、
Cu、Fe和 Mn 的提取量分别为 23． 24、1． 15、85． 62、
3. 45、143． 04 和 63． 97 mg /m2。除 Fe 外，采样点 4
(出水口)土壤中各类重金属含量均大为降低，总趋
势为进水口 ＞净化塘 ＞出水口，说明宽叶香蒲能有效
的降低铅锌矿人工湿地重金属含量。采样点 1 与采
样点 6、采样点 2与采样点 5 土壤的重金属含量相似
(进水口与尾矿库)，但香蒲的重金属含量显然不同，
说明香蒲对重金属的积累并不完全与其环境中重金
属含量的规律一致，这点与室内单因素盆栽实验结果
不同，也说明植物富集重金属的机制复杂［25］。
Demrezen 等［13］、Carranza-álvarez 等［19］的野外
调研表明，香蒲能主动吸收环境中的重金属，Pb、Cd
和 Fe在根部的累积比茎叶高。除 Cd 和 Mn 以外，
宽叶香蒲将根部吸收的 80%以上的重金属积累在
地下部分，TF 在 0． 5 以下，其中 Pb 和 Fe 的 TF 极
低，减轻了重金属对植物地上部的毒害。赵燕
等［4］、王永凤等［5］、李德明等［26］、万敏等［27］的研究
表明，植物的耐性机理与根部对重金属的吸收积累、
外排及根细胞壁的区隔化等作用有关，以减轻重金
属对植物重要部分的伤害。而本研究表明，宽叶香
蒲不能通过根系的作用降低地上部镉锰的含量，但
其吸收大量重金属仍生长良好，说明其对 Cd 和 Mn
耐性机制较特殊，有待更进一步的研究。植物根系
限制重金属离子的吸收、原生质膜对金属离子的外
排作用是植物耐受重金属毒害的重要机制［25］。
3012
环 境 工 程 学 报 第 10 卷
2． 3 香蒲重金属与土壤重金属、pH 值的相关性
分析
土壤重金属之间的相关性与其性质、来源和所
处的环境有关，显著正相关则表明，重金属来源可能
相同，或者分布规律相似。各采样点土壤重金属的
积累主要来源于矿石采选废水中重金属的沉淀与大
量尾砂的沉降，土壤重金属之间及与土壤 pH 值的
相关性如表 7 所示。土壤 Pb、Cd与 Fe负相关，与其
他元素正相关，其中 Cd 与 Fe 显著负相关(P ＜
0. 05)，与 Zn显著正相关(P ＜ 0． 01);Cu与 Mn显著
正相关(P ＜ 0． 01)，Zn 与 Fe 显著负相关(P ＜
0. 05);Fe与其他元素都负相关，相关系数在 0． 5 以
上。说明 Pb、Cd与 Cu、Zn与 Mn 的伴生性强(同源
性高)，很可能来自同一矿石的采选，而 Fe 则与其
他元素异源。在 pH 值小于 8 的范围内，除 Fe 外，
土壤重金属含量与其 pH值正相关，说明土壤 pH值
增大有利于 Fe之外的重金属在土壤中沉积，一定程
度上影响重金属的生物有效性。谢鸿志等［28］的研
究表明，污泥 pH 值的大小与其重金属生物有效性
的强弱相反。
表 7 土壤重金属、pH的相关性
Table 7 Correlation coefficients of
heavy metals and pH in soil
金 属 Cd Pb Zn Cu Fe Mn pH
Cd 1 0． 117 0． 983＊＊ 0． 722 － 0． 906* 0． 652 0． 691
Pb 1 0． 045 0． 412 － 0． 520 0． 625 0． 376
Zn 1 0． 73 － 0． 854* 0． 667 0． 567
Cu 1 － 0． 747 0． 947＊＊ 0． 408
Fe 1 － 0． 784 － 0． 775
Mn 1 0． 365
pH 1
注:* 0． 05 水平(双侧)上显著相关;＊＊0． 01 水平(双侧)上显
著相关。下同。
植物对重金属的吸收和积累受土壤理化性质影
响，重金属元素之间也存在竞争或协同作用。宽叶
香蒲根中重金属与土壤 pH 值的相关性如表 8 所
示，Pb 与 Cd、Mn 负相关，说明存在竞争，与其他元
素正相关，则存在协同吸收。Cd和 Mn均与 Pb、Zn、
Cu和 Fe负相关，表明植物对 Cd 和 Mn 的吸收与其
他元素相互竞争，但 Cd 与 Mn 的相关性不大。Mn
和 Cu含量显著负相关(P ＜ 0． 05)，可能两者具有相
同的吸收途径;Fe 与 Zn 含量显著正相关(P ＜
0. 05)，说明 Fe 的存在有利于宽叶香蒲吸收 Zn，这
也可能与土壤 Zn和 Fe 含量高、宽叶香蒲对重金属
的耐性有关。除 Fe和 Mn外，根系其他重金属含量
与土壤 pH 均负相关，表明 pH 的增大不利于 Fe 和
Mn之外重金属的吸收。
表 8 宽叶香蒲根系重金属、土壤 pH的相关性
Table 8 Correlation of heavy metals in
Typha latifolia L． root and soil pH
Cd Pb Zn Cu Fe Mn pH
Cd 1 －0．194 － 0． 169 － 0． 465 － 0． 281 0． 072 － 0． 541
Pb 1 0． 795 0． 756 0． 382 － 0． 798 － 0． 128
Zn 1 0． 600 0． 822* － 0． 599 － 0． 005
Cu 1 0． 239 － 0． 840* － 0． 090
Fe 1 － 0． 231 0． 097
Mn 1 0． 576
pH 1
如表 9 所示，地下茎 Cd与 Cu显著正相关(P ＜
0． 01)，与 Fe 不相关，而与 Mn 在 0． 05 水平上显著
负相关，表明 Cd能促进宽叶香蒲根转运 Cu 到地下
茎，对运输 Fe 的影响不明显，但抑制 Mn 的转移。
Pb与 Cd、Cu，Mn与 Cu、Zn的相关系数为负数，说明
这些元素间的转运存在拮抗作用。
表 9 宽叶香蒲地下茎重金属含量的相关性
Table 9 Correlation coefficient of heavy metals in
Typha latifolia L． rhizome
金 属 Cd Pb Zn Cu Fe Mn
Cd 1 － 0． 338 0． 674 0． 976＊＊ 0． 001 － 0． 823*
Pb 1 0． 178 － 0． 129 0． 670 0． 418
Zn 1 0． 765 0． 708 － 0． 223
Cu 1 0． 160 － 0． 769
Fe 1 0． 448
Mn 1
表 10 宽叶香蒲地上茎重金属含量的相关性
Table 10 Correlation coefficient of heavy metals in
Typha latifolia L． stem
金 属 Cd Pb Zn Cu Fe Mn
Cd 1 0． 036 0． 070 0． 515 － 0． 378 0． 372
Pb 1 0． 685 － 0． 194 0． 871* － 0． 219
Zn 1 0． 000 0． 517 0． 116
Cu 1 － 0． 479 － 0． 113
Fe 1 － 0． 481
Mn 1
4012
第 4 期 李 冰等:人工湿地宽叶香蒲对重金属的累积与机理
表 11 宽叶香蒲叶重金属含量的相关性
Table 11 Correlation coefficient of heavy metals in
Typha latifolia L． leaves
金 属 Cd Pb Zn Cu Fe Mn
Cd 1 0． 575 0． 397 0． 551 0． 303 0． 299
Pb 1 0． 615 0． 335 0． 948＊＊ － 0． 221
Zn 1 0． 084 0． 526 0． 525
Cu 1 0． 147 － 0． 106
Fe 1 － 0． 407
Mn 1
地上茎重金属元素的相关性(表 10)与地下茎
差异极大，Pb与 Cu 负相关，与其他元素正相关，且
与 Fe显著正相关(P ＜ 0． 05);Cd 与 Fe 负相关，但
与其他元素正相关;Fe与 Cd、Cu、Mn 的相关系数为
负数;而 Cd 与 Pb、Zn，Cu 与 Zn 之间显著不相关。
表明重金属在宽叶香蒲地上茎中的转运也是极为复
杂的过程，地下部分通过积累和利用重金属之间的
拮抗或协同关系，来抑制某些元素的向上转移，保护
植物的地上部分。
重金属在叶中的相关性与地上茎相似。除 Mn
外，其他重金属元素之间都正相关，Pb与 Fe在 0． 01
水平上显著正相关，极有可能 Fe 促进了 Pb 在宽叶
香蒲地上部的转运，而 Mn 与 Fe、Pb 负相关，表现为
抑制作用(表 11)。也说明宽叶香蒲叶片对 Cd 和
Pb具有一定的耐性，Cd和 Pb 转运与其他元素竞争
不大，同时为满足叶片光合作用，营养元素的转运存
在协同性。原海燕等［29］研究 Pb 对马蔺的影响表
明在单一 Pb胁迫下，地上部 Pb与 Zn表现出拮抗作
用，而本文地上茎和叶的相关系数均大于 0． 6，表明
植物在多种金属环境下，一定程度上地上部 Pb 和
Zn的运输和积累是相互促进的。
表 8 ～表 11 表明，Pb、Zn和 Fe在宽叶香蒲各个
器官中都表现为正相关，在植物体内的分布极为相
似，表明宽叶香蒲对这 3 种元素的吸收、转运和积累
的途径不同，使得它们之间的竞争水平低。Mn 与
其他重金属之间大都为负相关，植物选择吸收积累
重金属是一个主动复杂的过程，通常植物会抑制某
些对自身毒性大的元素的吸收和向地上部运输，来
减小重金属的毒害，保护正常的生理代谢，因此，在
多种高浓度重金属胁迫下，宽叶香蒲有可能通过增
加 Mn的含量来控制其他金属的积累和转运。同时
重金属在土壤和宽叶香蒲中的相关性差异很大，如
Fe在土壤中与其他元素均负相关，但在宽叶香蒲根
茎叶中与 Zn和 Pb 都显著正相关，说明植物对重金
属的吸收与植物自身特殊的生理机能有关，并不一
定遵循重金属在环境中的分布规律［13］。
土壤重金属含量与 pH 值是影响植物对重金属
累积的重要因素。重金属在植物与土壤之间的相关
性可以作为指导植物科学施肥的重要依据。由表
12 可见，除 Fe外，土壤中的其他重金属元素均不利
于宽叶香蒲对 Cd 的积累，但利于 Pb 的积累，说明
宽叶香蒲中 Cd的吸收、累积与其他金属竞争明显，
而 Pb则具有协同性。土壤 Fe(很可能在根表形成
了 Fe膜)利于宽叶香蒲对 Cd 的吸收、累积，但不利
于其他元素的累积;而土壤 Mn(根表可能形成的
Mn膜)恰好与 Fe 相反，因此，实际应用中可以通过
对土壤施加 Mn来提高宽叶香蒲对 Pb、Zn、Cu 和 Fe
的富集，施加 Fe 来提高宽叶香蒲对 Cd 的吸收与累
积。宽叶香蒲中 Zn和 Fe与土壤 Pb含量，Pb、Cu与
土壤 Mn含量显著正相关，表明土壤中 Pb 和 Mn 分
别有利于植物对 Fe、Zn 和 Pb、Cu 的吸收与积累。
土壤 pH与宽叶香蒲累积的镉铅负相关，与其他元
素正相关，但都不显著，说明土壤 pH 在 7 左右对宽
叶香蒲吸收累积重金属影响不大，结合表 7 和表 8
发现，pH与土壤中重金属(Mn 除外)的相关性同根
相反，很可能说明在复杂环境下，土壤重金属之间的
互相作用(包括微生物对重金属的活化与抑制)与
植物根的选择吸收是影响宽叶香蒲吸收重金属的重
要因素。由此可以看出，不同种类的重金属，由于其
物理化学行为和生物有效性的差异，在土壤-宽叶香
蒲中的迁移转化规律明显不同。
表 12 宽叶香蒲与土壤重金属及 pH的相关性
Table 12 Correlation coefficient of heavy metals in
Typha latifolia L． and soil and soil pH
土壤
重金属
宽叶香蒲重金属
Cd Pb Zn Cu Fe Mn
Cd － 0． 446 0． 227 0． 110 0． 491 － 0． 335 0． 277
Pb － 0． 612 0． 575 0． 829* 0． 617 0． 866* － 0． 042
Zn － 0． 439 0． 324 － 0． 005 0． 536 － 0． 427 0． 248
Cu － 0． 354 0． 696 0． 495 0． 656 － 0． 007 0． 587
Fe 0． 649 － 0． 441 － 0． 432 － 0． 663 － 0． 088 － 0． 173
Mn － 0． 530 0． 817* 0． 554 0． 836* 0． 207 0． 349
pH － 0． 556 － 0． 138 0． 437 0． 078 0． 103 0． 352
2． 4 重金属在叶片中的亚细胞分布
过量重金属会对植物细胞器产生氧化损伤，导
5012
环 境 工 程 学 报 第 10 卷
致细胞不能正常光合作用和呼吸代谢。植物可以通
过调节重金属的亚细胞分布来抵御重金属伤害。
Pb、Cd、Zn、Cu、Mn 与 Fe 在宽叶香蒲亚细胞中的分
布如图 5 所示(柱状图上标注的不同字母表示亚细
胞组分间重金属含量的差异显著性(P ＜ 0． 05)，字
母不同则差异显著)。Pb 和 Cd 主要分布在细胞壁
和胞基质，可见宽叶香蒲主要通过细胞壁与胞基质
累积 Pb与 Cd，减小 Pb和 Cd对植物细胞器的伤害，
Cd的研究结果与［26-27，30-31］相似。Pb 的亚细胞分布
相关报道则较少，采样点 3 和采样点 4 Pb 分布大小
为 F1 ＞ F2 ＞ F3，很可能土壤 Pb含量降低，宽叶香蒲
仅通过细胞壁的作用就能对 Pb具有耐性。
Zn、Cu和 Mn 也主要分布在细胞壁和胞基质
中，可见在满足叶片细胞器适量的矿质营养后，细胞
壁与胞基质对 Zn、Cu和 Mn的结合可以阻止其在细
胞器中过量累积，使叶绿体、线粒体等细胞器保持正
常代谢活动。Fe 的亚细胞分布为 F2 ＞ F1 ＞ F3，可
见 Fe分布在以叶绿体、线粒体等细胞器为主的 F2
组分中，说明细胞的光合作用及能量代谢等生理活
动需要大量 Fe的参与。
细胞壁阻隔和液泡区隔化作用是植物耐受重金
属毒性的重要途径［31］。细胞壁是植物细胞防御重
金属毒害的第一道防线，当重金属含量超过细胞壁
的上限时，过量的重金属离子不可避免地跨过原生
质膜进入细胞内，此时液泡的区隔化、金属结合蛋白
和酶系统等的解毒作用能有效减轻重金属对植物的
毒害［24］。本研究除必要的矿物营养元素外，细胞壁
和细胞质可溶性组分对重金属的作用，保护了叶绿
体、线粒体等细胞器的正常光合作用和能量代谢等。
3 结 论
(1)该宽叶香蒲人工湿地进水口到出水口土壤
重金属的减少量(除 Pb、Fe外)均在 80%左右，对多
数重金属有较好的处理效果。
图 5 重金属在宽叶香蒲叶片中的亚细胞分布
Fig． 5 Subcellular distributin of heavy metals in Typha latifolia L． leaves
6012
第 4 期 李 冰等:人工湿地宽叶香蒲对重金属的累积与机理
(2)宽叶香蒲是多种重金属的耐性植物。宽叶
香蒲能有效降低人工湿地土壤重金属含量。相比单
一金属的超富集植物，宽叶香蒲能大量积累多种重
金属，符合环境需求，应用价值更大。
(3)宽叶香蒲对重金属的吸收主要受土壤重金
属含量的影响，其中重金属之间的相互作用与根的
选择吸收是影响重金属吸收的关键因素。
(4)根系对重金属的大量累积与抑制，尤其是
抑制植物非营养元素 Cd、Pb 向地上部分的转运，叶
片细胞壁和胞基质对重金属的阻隔和结合是宽叶香
蒲耐受重金属污染的重要机制。
参 考 文 献
［1］唐文忠，王立硕，张文强，等．天津市典型河网区沉积物
中重金属分布及生态风险评价．环境工程学报，2014，8
(6):2174-2180
Tang Wenzhong，Wang Lishuo，Zhang Wenqiang，et al．
Heavy metal distribution and ecological risk assessment in
sediments of river network region，Tianjin City． Chinese
Journal of Environmental Engineering，2014，8(6) :2174-
2180(in Chinese)
［2］李广云，曹永富，赵书民，等．土壤重金属危害及修复措
施．山东林业科技，2011(6):96-101
Li Guangyun，Cao Yongfu，Zhao Shumin，et al． Heavy metal
hazard and repairing measures in soil． Shandong Forestry
Science and Technology，2011(6) :96-101(in Chinese)
［3］周建军，周桔，冯仁国．我国土壤重金属污染现状及治理
战略．中国科学院院刊，2014，29(3):315-320
Zhou Jianjun，Zhou Ju，Feng Ｒenguo． Status of China’s
heavy metal contamination in soil and its remediation strate-
gy． Bulletin of Chinese Academy of Sciences，2014，29(3) :
315-320(in Chinese)
［4］赵艳，徐迎春，吴晓丽，等． Cu胁迫对狭叶香蒲体内元素
吸收分配的影响．生态学杂志，2009，28(4):665-670
Zhao Yan，Xu Yingchun，Wu Xiaoli，et al． Element absorp-
tion and distribution in Typha angustifolia under Cu stress．
Chinese Journal of Ecology，2009，28(4) :665-670(in Chi-
nese)
［5］王凤永，郭朝晖，苗旭峰，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．农业环境科学学报，2011，30(10):1966-1971
Wang Fengyong，Guo Zhaohui，Miao Xufeng，et al． Toler-
ance and accumulation characteristics of Typha orientalis
Presl for As，Cd and Pb in heavily contaminated soils． Jour-
nal of Agro-Environment Science，2011，30(10) :1966-
1971(in Chinese)
［6］阳承胜，史秀华，张干．宽叶香蒲人工湿地水体生物生态
学调查．深圳大学学报理工版，2007，24(3):294-298
Yang Chengsheng，Shi Xiuhua，Zhang Gan． An ecological
investigation of water body organisms in Typha latifolia wet-
land． Journal of Shenzhen University Science and Engineer-
ing，2007，24(3) :294-298(in Chinese)
［7］叶志鸿，陈桂珠，蓝崇钰，等．宽叶香蒲净化塘系统净化
铅 /锌矿废水效应的研究． 应用生态学报，1992，3(2):
190-194
Ye Zhihong，Chen Guizhu，Lan Chongyu，et al． Effect of
treating Pb /Zn mine wastewater with Typha latifolia purifi-
cation pond system． Chinese Journal of Applied Ecology，
1992，3(2) :190-194(in Chinese)
［8］Kissoon L． T． T．，Jacob D． L．，Otte M． L． Multiple elements
in Typha angustifolia rhizosphere and plants:Wetland ver-
sus dryland． Environmental and Experimental Botany，2011，
72(2) :232-241
［9］Sasmaz A．，Obek E．，Hasar H． The accumulation of heavy
metals in Typha latifolia L． grown in a stream carrying sec-
ondary effluent． Ecological Engineering，2008，33(3-4) :
278-284
［10］阳承胜，蓝崇钰，束文圣．重金属在宽叶香蒲人工湿地
系统中的分布与积累． 水处理技术，2004，28(2):
101-104
Yang Chengsheng，Lan Chongyu，Shu Wensheng． Accumu-
lation and distribution of heavy metals in artificial wetland
with Typha latifolia． Technology of Water Treatment，
2004，28(2) :101-104(in Chinese)
［11］鲍士旦．土壤农化分析(第 3 版)．北京:中国农业出版
社，2000
［12］李合生．植物生理生化实验原理和技术．北京:高等教
育出版社，2006
［13］Demrezen D．，Aksoy A． Accumulation of heavy metals in
Typha angustifolia (L．) and Potamogeton pectinatus
(L．)living in Sultan Marsh (Kayseri，Turkey)． Chemo-
sphere，2004，56(7):685-696
［14］刘兆昌，聂永丰，张兰生，等．重金属污染物在下包气带
饱水条件下迁移转化的研究．环境科学学报，1990，10
(2):160-172
Liu Zhaochang，Nie Yongfeng，Zhang Lansheng，et al．
Translocation and transformation of heavy metals in water
logged aeration zone of soil． Acta Scientiae Circumstanti-
ae，1990，10(2) :160-172(in Chinese)
［15］Laing G． D．，van de Moortel A． M． K．，Moors W．，et al．
Factors affecting metal concentrations in reed plants
(Phragmites australis)of intertidal marshes in the Scheldt
estuary． Ecological Engineering，2008，35(2) :310-318
7012
环 境 工 程 学 报 第 10 卷
［16］Nielsen H． D．，Brownlee C．，Coelho S． M．，et al． Inter-
population differences in inherited copper tolerance involve
photosynthetic adaptation and exclusion mechanisms in
Fucus serratus． New Phytologist，2003，160(1):157-165
［17］ Demirevska-Kepova K．，Simova-Stoilova L．，Stoyanova
Z．，et al． Biochemical changes in barley plants after exces-
sive supply of copper and manganese． Environmental and
Experimental Botany，2004，52(3) :253-266
［18］Bonanno G．，Lo Giudice Ｒ． Heavy metal bioaccumulation
by the organs of Phragmites australis (common reed)and
their potential use as contamination indicators． Ecological
Indicators，2009，10(3) :639-645
［19］ Carranza-álvarez C．，Alonso-Castro A． J．，Alfaro-De La
Torre M． C．，et al． Accumulation and distribution of heavy
metals in Scirpus americanus and Typha latifolia from an
artificial lagoon in San Luis Potosí，México． Water，Air，
and Soil Pollution，2008，188(1-4) :297-309
［20］曹德菊，岳永德，黄祥明，等．巢湖水体 Pb、Cu、Fe 污染
的环境质量评价．中国环境科学，2004，24(4):509-512
Cao Deju，Yue Yongde，Huang Xiangming，et al． Environ-
mental quality assessment of Pb，Cu，Fe pollution in Chao-
hu Lake waters． China Environmental Science，2004，24
(4) :509-512(in Chinese)
［21］Ye Zhihong，Baker A． J． M．，Wong M． H． Zinc，lead and
cadmium accumulation and tolerance in Typha latifolia as
affected by iron plaque on the root surface． Aquatic Bota-
ny，1998，61(1) :55-67
［22］姚海兴，叶志鸿．湿地植物根表铁膜研究进展．生态学
杂志，2009，28(11):2374-2380
Yao Haixing，Ye Zhihong． Iron plaques on wetland plant
root surface:A review． Chinese Journal of Ecology，2009，
28(11) :2374-2380(in Chinese)
［23］Demirezen D．，Aksoy A． Common hydrophytes as bioindi-
cators of iron and manganese pollutions． Ecological Indica-
tors，2005，6(2) :388-393
［24］李倩．三峡工程对洞庭湖生态环境的影响．长沙:湖南
大学硕士学位论文，2005
Li Qian． Effects of the three-gorge project on the ecological
environment of Dongting Lake． Changsha:Master Disserta-
tion of Hunan University，2005(in Chinese)
［25］杨居荣，黄翌．植物对重金属的耐性机理．生态学杂志，
1994，13(6):20-26
Yang Jurong，Huang Yi． Mechanism of heavy metal toler-
ance of plants． Chinese Journal of Ecology，1994，13(6) :
20-26(in Chinese)
［26］李德明，朱祝军． 镉在不同品种小白菜中的亚细胞分
布．科技通报，2004，20(4):278-282
Li Deming，Zhu Zhujun． Cadmium subcelluar distribution
in plants of Brassica campestris ssp． Chinensis L． Bulletin
of Science and Technology，2004，20(4) :278-282(in Chi-
nese)
［27］万敏，周卫，林葆．镉积累不同类型的小麦细胞镉的亚
细胞和分子分布．中国农业科学，2003，36(6):671-675
Wang Min，Zhou Wei，Lin Bao． Subcelluar and molecular
distribution of cadmium in two wheat genotypes differing in
shoot / root Cd partitioning． Scientia Agricultura Sinica，
2003，36(6) :671-675(in Chinese)
［28］谢鸿志，胡友彪．不同 pH 条件下对城市污泥中重金属
生物有效性的影响． 安徽农业科学，2009，37(5):
2163-2164
Xie Hongzhi，Hu Youbiao． Effects of different pH condi-
tions on bioavailability of heavy metals in municipal
sludge． Journal of Anhui Agricultural Sciences，2009，37
(5) :2163-2164(in Chinese)
［29］原海燕，郭智，黄苏珍． Pb 污染对马蔺生长、体内重金
属元素积累以及叶绿体超微结构的影响． 生态学报，
2011，31(12):3350-3357
Yuan Haiyan，Guo Zhi，Huang Suzhen． Effects of Pb on
growth，heavy metals accumulation and chloroplast ultra-
structure of Iris lactea var． Chinensis． Acta Ecologica sini-
ca，2011，31(12) :3350-3357(in Chinese)
［30］Vgeli-Lange Ｒ．，Wagner G． J． Subcellular localization of
cadmium and cadmium-binding peptides in tobacco leav-
es:Implication of a transport function for cadmium-binding
peptides． Plant Physiology，1990，92(4) :1086-1093
［31］Weigel H． J．，Jger H． J． Subcellular distribution and
chemical form of cadmium in bean plants． Plant Physiolo-
gy，1980，65(3) :480-482
8012