随着社会经济的快速发展和城市化进程的不断加剧，重金属污染物通过各种途径进入生态系统，引起大气污染、土壤污染、地下水污染等，造成重金属在食物链中的富集，严重威胁人类生存安全^{[1, 2, 3]}。重金属污染具有范围广、持续时间长、污染隐蔽等特点，如何减轻重金属污染已成为国内外研究热点之一^{[4, 5]}。植物修复是治理重金属污染最切实可行的手段，但前提是找到对某种(些)重金属具有特殊吸收富集能力的植物种或基因型，即重金属的“超富集植物”^{[6, 7]}。 然而，在国内外已经报道的700多种重金属超富集植物中，大多数还处在实验摸索阶段，较少用于大规模的环境治理工程^[8]。究其原因，除土壤中重金属的有效性差、难以被植物吸收外，另一个重要的制约因素是已知的超富集植物不同程度地存在着不能同时超量积累多种重金属元素、生物量低、生长缓慢、地域性强、难以广泛应用等缺点，在利用基因工程培育理想的超富集植物方面进展也十分缓慢^[9]。因此，寻找更多更为理想的超富集植物仍然是这一技术的基础和关键。

与作物相比，杂草普遍具有较强的抗逆境能力和争光、争水、争肥能力强的特点，是一类人为与自然选择下产生的高度进化的植物类群，它们生长迅速、总体生物量大，在水土保持、土壤改良和生物多样性的维持等方面起着重要作用^[10]，从杂草中筛选重金属超富集植物并加以有效利用，可以弥补现有超富集植物的不足，为植物修复技术的产业化提供必要的物质保证。岷江下游五通桥段位于四川丘陵平原过渡带，自然条件优越，水热充沛，植被丰富，同时工业和农业生产都比较发达，在这一地区寻找具有超富集植物特征的杂草可能会有收获。因此，本研究以岷江下游五通桥段典型集水区中自然生长的11种杂草为研究对象，对其重金属积累特性进行探讨，为重金属超富集植物的筛选和污染土壤修复提供基础资料和科学依据。

集水区(103°44′329″～103°44′481″E，29°24′291″～29°24′566″N)位于岷江下游五通桥段，地处川西南平原丘陵结合部，位于长江上游和四川盆地西部，面积4.31 hm²(有林地2.82 hm²，农耕地0.48 hm²，水田1.01 hm²)，海拔358~395 m，平均坡度25 °。主要植被类型有人工纯林和天然次生林；土壤类型主要为水稻土、黄壤、紫色土和少量的山地黄壤。

在研究区内选择象草(Pennisetum purpureum-Schum)、五节芒[Miscanthus floridulus(Labill.)Warb. ex Schum. et Laut.]、淡竹叶(Lophatherum gracile Brongn.)、巴天酸模(Rumex patientia Linn.)、一点红[Emilia sonchifolia(L.)DC]、云南海金沙(Lygodium yunnanense Ching)、铁芒箕[Dicranopteris dichotoma(Thunb.)Bernh]、麦冬[Ophiopogon Japonicus(L. f.)Ker-Gawl.]、绣球藤(Clematis montana Buch.-Ham. ex DC)、酸浆草(Oxalis corniculata L. var. corniculata)、蜈蚣草(Pteris vittata L.)共11种草本植物为研究对象。把研究区分为4个大采样点，每个大采样点中包括6个小采样点，在每个小采样点采用四分法采集0~20 cm表层土壤1 kg，用样品袋封装。根据草本植物生长特点，在每个小采样点，每种植物均选2~6株整体采集用塑料袋封存，连同土壤样品一起带回实验室处理。

采集的土壤样品经自然风干，剔除样品中植物根系，用木棍碾碎并用玛瑙研钵研磨成粉末，过100 目尼龙网筛测定重金属含量。植物样品分为根部和地上部(茎、叶和花序)两部分，分别用自来水充分冲洗，去除粘附于植物样品上的泥土和污物，再用去离子水冲洗并沥去水分，在烘干前先经105 ℃杀青，于70 ℃烘箱中烘至恒重。烘干后的植物样分别称重，再将地上部( 茎、叶、花序混合在一起)磨碎并充分混合均匀，整个根系亦磨碎并充分混合均匀。

称取0.2 g植物或0.5 g土壤样品，用4 mL HNO₃和1 mL HClO₄混合液消解，重金属(As、Cd、Pb、Cu和Zn)含量均采用电感耦合等离子体质谱 ICP-MS测定。用3%硝酸溶液配制混合标准溶液，浓度分别为 0、0.5、1、2、5、10、20 μg·L^-1。重金属As、Cd、Cu、Pb、Zn检出限依次为0.003 4、0.002 9、0.003 8、0.007 1、0.010 7 μg·L^-1，加标回收率依次为95.32%~98.13%、90.2%~96.6%、92.4%~96.2%、101.3%~105.8%、99.5%~107.1%。

所有数据均采用Excel 2003 和SPSS 16.0 软件进行统计分析。采用单因素方差分析法比较不同杂草5种重金属总体差异显著性，通过Pearson 相关分析法分析不同重金属间的关系。

富集系数：EC=A/S 式中：A为植物地上部分重金属含量；S为土壤中元素含量。

转运系数：TC=S/R 式中：S为植株地上部分重金属含量；R为地下部分重金属含量。

如表 1所示，岷江下游五通桥区的小型集水区土壤中重金属As、Cd、Cu、Pb、Zn的平均浓度分别为9.14、0.96、29.54、34.99、205.37 μg·g^-1。变异系数最大的重金属是Pb，为36.84%，最小是Cu，为16.84%。集水区土壤平均pH值为5.57，呈酸性，有机质平均含量为12.94 μg·g^-1。

表 1 土壤重金属含量特征 Table 1 Concentrations of heavy metals in soils

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根据我国土壤环境质量标准^[11](GB 15618—2008)，农业用地土壤二级标准如下：pH值5.5~6.5，污染限制As 不超过40 mg·kg^-1，Cd 不超过 0.3 mg·kg^-1，Cu 不超过50 mg·kg^-1，Pb 不超过80 mg·kg^-1，Zn不超过 200 mg·kg^-1。本研究土壤呈现较严重的Cd污染，Zn在某些地段超过标准限制浓度，存在一定污染，As、Pb、Cu浓度均符合土壤二级标准。

表 2 为11种草本植物不同部位重金属As、Cd、Cu、Pb、Zn的含量。不同植物器官由于外部形态及内部结构不一致，其吸收重金属的生理生化机制不同，对所吸收重金属的积累量也不相同^[12]。11种草本地上部As含量都低于根中含量；淡竹叶、云南海金沙、铁芒箕、绣球藤和蜈蚣草根As含量超过土壤含量，其中蜈蚣草根和地上部中As含量最高，分别为14.72、7.06 μg·g^-1；巴天酸模和一点红重金属As未检出。除象草和五节芒外，其余9种杂草地上部Cd含量高于根，绣球藤地上部Cd含量最高，为12.69 μg·g^-1，是土壤含量的13.21倍；一点红根中Cd含量最高，为6.60 μg·g^-1，是土壤含量的6.88倍；巴天酸模根和五节芒地上部Cd含量最低，分别为1.36、0.66 μg·g^-1。一点红、铁芒箕、麦冬和蜈蚣草地上部Cu含量高于根，其中铁芒箕根和地上部Cu含量最高，分别为45.07、67.27 μg·g^-1；一点红根中Cu含量最低，为10.01 μg·g^-1；五节芒地上部Cu含量最低，为10.55 μg·g^-1。除象草、五节芒、麦冬和绣球藤外，其余7种杂草地上部Pb含量高于根；麦冬根中Pb含量最高，为49.02 μg·g^-1；蜈蚣草地上部Pb含量最高，为79.26 μg·g^-1；巴天酸模根中Pb含量最低，为8.40 μg·g^-1；象草地上部Pb含量最低，为18.15 μg·g^-1。除象草、五节芒和麦冬外，其余8种杂草地上部Zn含量均高于根；绣球藤根Zn含量最高，为213.02 μg·g^-1；酸浆草地上部中Zn含量最高，为468.13 μg·g^-1；巴天酸模根Zn含量最低，为49.92 μg·g^-1；象草地上部Zn含量最低，为101.35 μg·g^-1。

表 2 11 种杂草重金属含量特征 Table 2 Mean values and standard deviation（±SD） of As, Cd, Cu, Pb and Zn content in roots,branches and leaves of plants

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近年来，有关植物富集的研究较多，如徐勤松等^[13]以黑藻(Hydrilla verticillata)为研究对象，研究了Cu、Zn在黑藻体内的富集，结果表明Cu、Zn在黑藻叶中富集得越多，造成毒害越重。曹德菊等^[14]研究发现，鸭跖草(Commelina communis)是Cu超富集植物，空心泡(Rubus rosaefolius)和酸模(Rumex)对 Pb 有富集能力。黄永杰等^[15]在Cu、Pb和Zn等重金属复合污染水域发现浮萍(Lemna minor)、香蒲(Typha)、芦苇(Phragmites anstrlis)等植物对Cu、Pb和Zn等重金属有较强富集能力。

11种草本植物重金属含量为Zn>Pb>Cu>As>Cd，表明这11种杂草对Zn的吸收明显高于其他4种重金属。这可能与土壤中重金属的含量特征有关，当土壤污染较轻，未超过植物吸收的临界值时，植物中重金属的含量会随着环境浓度的升高而升高^[16]。一般情况下，重金属在植物根系的积累高于地上部分，这是植物对逆境的一种适应，即将有害离子积累于根部，以阻止其对光合作用及新陈代谢活性毒害^[17]，但当植物对某种(些)重金属表现出富集特征时，地上部分重金属含量反而高于根含量^[18]。本研究中11种杂草根系对As的滞留效应最明显，但淡竹叶、巴天酸模、一点红、云南海金沙、铁芒箕、麦冬、绣球藤、酸浆草和蜈蚣草都表现出地上部有2种或者2种以上的重金属含量高于根部，可作为潜在的富集植物予以考虑。

目前，评价植物对重金属元素修复效果的常用指标是富集系数和转运系数^{[19, 20]}。富集系数反映土壤-植物体系中元素迁移的难易程度，是植物将重金属吸收转移到体内能力大小的评价指标^[21]。生物富集系数高，表明植株地上部分富集的重金属含量大。转运系数是地上部某元素含量与地下部某元素含量之比，用来评价植物将重金属从地下部向地上部的运输和富集能力^{[22, 23]}。

从植物对重金属的积累特点来看(表 3)，研究区的11种杂草大多数表现为根部重金属含量大于地上部重金属含量，不具备重金属超积累植物的一般特征，也就是说，与其他大部分普通植物对重金属积累的特点相似^{[24, 25]}。相反，淡竹叶、巴天酸模、一点红、云南海金沙、铁芒箕、麦冬、绣球藤、酸浆草和蜈蚣草对Cd存在一定的富集能力，富集系数分别为7.92、1.87、8.01、3.12、3.87、2.81、13.21、3.75、3.96；铁芒箕、麦冬、酸浆草和蜈蚣草对重金属Cu存在一定的富集能力，富集系数分别为2.28、1.83、1.29、1.48；淡竹叶、一点红、云南海金沙、铁芒箕、酸浆草和蜈蚣草对Pb有富集能力，富集系数分别为2.20、1.21、1.27、1.98、1.66、2.27；淡竹叶、一点红、云南海金沙、铁芒箕、绣球藤、酸浆草和蜈蚣草对Zn具有富集能力，富集系数分别为1.63、1.25、2.14、1.18、1.64、2.28、1.66。这11种杂草对重金属As富集能力都不强，富集系数均小于1。象草和五节芒对土壤中5种重金属的富集能力最弱，富集系数相对较低。麦冬对重金属As的转运能力相对较强，转运系数为0.84；绣球藤对Cd的转运能力最强，转运系数高达11.43；一点红对Cu的转运能力最强，转运系数为2.02；巴天酸模对Pb的转运能力最强，转运系数为3.45；一点红对Zn的转运能力最强，转运系数为2.80。五节芒对重金属Cd、Cu、Pb、Zn的转运能力最低，转运系数为0.45、0.33、0.46、0.86。在巴天酸模和一点红中未检出As，表明这两种杂草对重金属As不具备吸收能力。

表 3 11 种杂草富集系数和转运系数 Table 3 Enrichment coefficients and translocation factors of heavy metals in different plants

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超富集植物这一概念是由Brooks等于1977年提出的，其界定主要有三个因素^{[26, 27]}：一是植物地上部(茎和叶)重金属含量是普通植物在同一生长条件下的100倍，其临界含量分别为Zn 10 000 mg·kg^-1、Cd 100 mg·kg^-1、Pb 1000 mg·kg^-1、Cu 1000 mg·kg^-1；二是植株地上部重金属含量大于根部该种重金属含量，即转运系数大于1；三是植物的生长未受明显伤害且富集系数较大。较理想的超富集植物还应具有生长期短、抗病虫能力强、地上部生物量大、能同时富集2种或2 种以上重金属的特点，因为土壤重金属污染通常都是复合污染。

植物地上部富集系数大于1，意味着植物地上部某种重金属含量大于所生长土壤中该种重金属的浓度，是超富集植物区别于普通植物的一个重要特征^[28]。魏树和等^[10]研究发现，小酸浆、龙葵、山苦荬、苣荬菜、大刺儿菜、欧洲千里光、欧亚旋覆花、狼把草8种植物地上部Cd的富集系数均大于1，且其中除小酸浆外的7种植物地上部Cd含量大于根部，具备了超富集植物一般所具有的富集系数高和地上部含量大于根部含量的基本特征，其中狼把草和龙葵对Zn 的积累也具有超富集植物的基本特征。不同植物从根到地上部分转运重金属的能力不同^[29]。董小霞等^[30]发现美人蕉、梭鱼草、旱伞草和大薸根中Cd累积量高达茎叶中的几十甚至几百倍。

本研究结果表明，铁芒箕和蜈蚣草对重金属Cd、Cu、Pb、Zn的富集系数大于1，转运系数也大于1，表明这两种杂草地上部富集重金属Cd、Cu、Pb、Zn的能力较强，且具有同时富集4种重金属的能力，满足超富集植物的两个基本特征，有待于进一步研究。淡竹叶、一点红、云南海金沙和酸浆草对重金属Cd、Pb和Zn的富集系数和转运系数都大于1，表明这4种杂草对重金属Cd、Pb和Zn的富集能力较强；麦冬对Cd和Cu的富集系数和转运系数大于1，表明其对这两种重金属的富集能力强；绣球藤对重金属Cd和Zn的富集系数和转运系数都大于1，表明其对Cd和Zn的富集能力较强。这6种植物都具有一定的研究价值。值得注意的是酸浆草对Cu的富集系数大于1，但转运系数小于1，说明酸浆草地上部Cu的含量低于其根含量，但高于土壤环境，重金属Cu大部分富集在根部，与大多数植物积累特征一样^[31]。巴天酸模对重金属Pb和Zn、一点红对Cu的转运系数大于1，但富集系数却小于1，可能是这些重金属在这两种植物中的迁移特性不同于其他植物，根向地上部转移的Cu或Pb、Zn比较多，所以出现转运系数大的现象，对此还需要进一步的研究。

对重金属的富集不仅与植物种类有关，而且与重金属的元素价态、物质结构、各种元素在环境中共存离子的浓度和溶解度等有关^[32]。有研究表明，植物对重金属的积累有随土壤中重金属浓度的升高而增加的特点^{[33, 34]}，其地上部要达到超富集植物的临界值，土壤中重金属浓度也要达到一定量，甚至超过超富集植物的临界值。如Chen 等^[35]的野外调查发现，As 超富集植物蜈蚣草地上部As 含量为1530 mg·kg^-1，土壤As 含量则高达23 400 mg·kg^-1；Tang等^[36]的研究也发现，多金属共超富集植物圆锥南芥地上部Pb、Zn、Cd 含量分别为2490、20 700、457 mg·kg^-1，土壤中3 种元素含量却分别高达27 800、17 900、4240 mg·kg^-1；Robinson等^[37]通过室内水培实验研究3种水生植物对As 的富集表明，在水体As 浓度为0.01~3.9 mg·L^-1 的范围内，金鱼藻、西洋菜、乌苏里狐尾藻体内As 含量不断增加，水体As 含量在3.9 mg·L^-1 时金鱼藻体内As 含量超过临界值1000 mg·kg^-1。因此，环境中重金属浓度高低是影响植物富集重金属的主要因素之一。

研究区土壤重金属含量较低可能是导致采集的11种杂草体内重金属含量未达到或超过临界值的原因之一，尤其如As的超富集植物蜈蚣草。确定一种植物是否为超富集植物，野外条件下获得的调查数据是非常重要和宝贵的，Reeves^[38]对超富集植物的定义特别强调地上部达到临界含量的植物必须生长在自然生境。但是，由于环境介质中元素含量变化范围大，在室内受控条件下做进一步的验证试验便显得非常有必要。因此，可以通过室内盆栽实验等手段进一步研究以上富集系数和转移系数大于1 的植物是否具有超富集植物临界含量特征。

(1)研究区土壤整体污染较轻，只存在严重的Cd污染。

(2)11种杂草重金属含量为Zn>Pb>Cu>As>Cd。11种杂草根对As的滞留效应最明显，但淡竹叶、巴天酸模、一点红、云南海金沙、铁芒箕、麦冬、绣球藤、酸浆草和蜈蚣草植株都存在地上部有2种或者2种以上的重金属含量高于根部。

(3)富集系数和转运系数大于1的植物有：铁芒箕和蜈蚣草对重金属Cd、Cu、Pb、Zn的富集，淡竹叶、一点红、云南海金沙和酸浆草对Cd、Pb、Zn的富集，麦冬对Cd和Cu的富集，绣球藤对Cd和Zn的富集。这些植物都具备超富集植物的一些特征，具有一定的研究价值，有待进一步研究。