重金属污染是我国面临的重要环境问题之一，已经受到各界的广泛关注^[1-3]。受工业化及人类活动的影响，其污染日益加剧^[4-6]，随之而引发的生态环境问题越来越突出^[7-8]。修复重金属污染的方法有很多，其中利用植物的修复方法操作简便、更为经济有效^[9-11]。

包头段黄河湿地处于黄河流域最北端，紧邻城市，属于干旱内陆且纬度较高但仅有的一处保护区，具有多样的湿地类型和原生的湿地生态系统，生物资源极为丰富，是包头市乃至西北寒旱区一个得天独厚的宝贵资源。包头黄河湿地分布着多种群落，包括芦苇草塘、沼泽、水域、滩涂、阔叶灌丛、杨树林、盐碱地、先锋植物等。包头黄河湿地的小白河片区堤北有大面积的蓄滞洪区，水面广阔，为游禽提供了觅食和嬉戏的场所，堤南分布有由芦苇和香蒲以及莎草科植物构成的多类型的湿地群落，该片区既有黄河湿地的缩影，又具有独特的人工湿地。

本研究通过对黄河湿地小白河片区芦苇、香蒲及虉草三个典型植被区土壤与植物重金属的累积分析，了解该湿地的土壤污染程度及植物生存能力，为小白河片区生态景观建设提供理论支持，并为黄河湿地今后的保护和修复提供基础理论数据。

1 材料与方法 1.1 采样

内蒙古包头黄河湿地位于包头市南侧，四至界限为:东至八里弯，南临鄂尔多斯市，西接巴彦淖尔市，北至黄河大堤以北2km。地理坐标为109°25'51''~111°1'36''E，40°14'39''~40°33'20''N，总面积30 000 hm²，其中包头黄河国家湿地公园的面积为12 222 hm²，由昭君岛、小白河、南海、共中海、敕勒川五个片区组成（图 1）。本研究以黄河湿地小白河片区为主要对象（图 2），研究小白河片区芦苇、香蒲、虉草三种主要植物群落的重金属累积特征。

2015年6月，在黄河湿地的小白河片区设置了芦苇、香蒲、虉草的3 个10 m×10 m 植物群落调查样地，每个样地设置5 个1 m×1 m×1 m样方，采集植物及土壤。将每个群落每个样方土壤自然风干、磨碎、过筛、混合均匀，实验做3 个平行样，最终取每个群落15 个土样的平均值。每个样方采集5 株约为平均高度的植物，分别混合这5 株植物的地上部和地下部，烘干、磨碎、过筛。实验做3个平行，最终分别取每个植物群落15 个植物地上部的平均值和地下部的平均值。参照《土壤农化分析》^[12]消解经过处理的土壤和植物，并采用ICP-AES（Inductive Coupled Plasma-Atomic Emission Spectrometer）测定土壤和植物的Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Ni、As共7种重金属元素的含量。应用统计分析软件SPSS 和Excel 进行描述性统计分析。通过对小白河片区土壤基本理化性质分析可知3 个区域土壤的pH值在7.99~8.34之间，整体偏碱性，土壤含水率在6.55%~7.97%之间，含水率相对较低。

1.2 评价方法 1.2.1 富集系数

富集系数（Bioconcentration factor，BCF）可反映植物对土壤中不同元素具有的选择性吸收能力^[13]，生物富集系数高，表明地上部植物体内重金属富集质量分数大。其公式为:

式中:Zi 为植物中重金属元素含量；Ti 为土壤重金属元素含量。

1.2.2 单因子指数和内梅罗综合指数评价法

式中:Pi 为土壤中重金属元素i 的污染指数；Ci 为土壤中重金属元素i 的实测值，mg·kg^-1；Si 为土壤中重金属元素i 的评价标准，mg·kg^-1。

式中:P_j综合为样点j 表层土壤中重金属的综合污染指数；P_ijmax 为样点j 表层土壤中重金属元素i 所有单因子污染指数的最大值；P_ijave为样点j 表层土壤中重金属元素i所有单因子污染指数的平均值。

根据污染指数划分的土壤质量标准见表 1。

2 结果与讨论 2.1 湿地3个植被区植物及土壤重金属含量

对黄河湿地小白河片区的虉草区、香蒲区及芦苇区植物及土壤重金属含量的监测结果如表 2 所示。

由3 个植物群落的监测结果可知，除虉草和香蒲对Ni 的累积及芦苇对Zn 的累积为地上部高于地下部外，3 种植物对其他重金属的累积均为地下部高于地上部。虉草地上部重金属的累积含量为Zn>Nitalic>Cr>Pb>As>Cu>Cd；香蒲地上部为Zn>Nitalic>Cr>Pb>As>Cd>Cu；芦苇地上部为Zn>Cr>Nitalic>Pb>As>Cu>Cd。三种植物地下部对重金属的累积含量均为Zn>Nitalic>Cr>Cu>Pb>As>Cd。

3 个植被区域土壤中As、Cd、Zn 含量高于国家一级标准值，Cr、Pb 含量低于国家一级标准值。虉草区土壤中Cd、Cr、Cu、Zn 含量高于其他区域，香蒲区土壤中As、Ni、Pb含量高于其他区域，芦苇区土壤重金属平均含量整体处于3 个区域的中等水平。

2.2 湿地土壤污染评价

对黄河湿地小白河片区虉草区、香蒲区及芦苇区的土壤重金属进行监测，并进行单因子分析及内梅罗综合指数分析，结果如表 3 所示。

由综合污染指数可知，三个区域的土壤综合污染指数在2.546~2.677 之间，显示均已受到中度污染，污染程度最重的为As，其次为Cd 和Zn。由单因子分析可知:虉草区土壤重金属污染为As>Cd>Zn>Pb>Cr>Nitalic>Cu；香蒲区土壤重金属污染为As>Cd>Zn>Pb>Nitalic>Cr>Cu；芦苇区土壤重金属污染为As>Zn>Cd>Pb>Cr>Nitalic>Cu。因此，对小白河片区土壤中As、Cd、Zn 的污染，需要加强治理和防范。

2.3 湿地植物生物富集系数

富集系数在一定程度上反应了土壤-植物系统中重金属迁移的难易程度，说明重金属在植物体内的积累能力^[15-16]。富集系数越大，说明重金属在该植物体内的积累能力越强。当土壤受到重金属污染时，植物地上部富集系数越大，越有利于修复受重金属污染的土壤^[17-18]。植物地上与地下部分相应重金属含量的比值为转移系数，用来表示植株对重金属从根部到地上部的有效转移程度^[3]。对于湿地虉草、香蒲、芦苇的富集系数及转运系数的分析结果如表 4所示。

由表 4可知，虉草和香蒲地上部对Ni 的富集效果较好，两种植物对Ni 的转运系数均大于1，香蒲对Ni 的富集效果比虉草更好，其地上部和地下部的富集系数均大于1，有利于植物对土壤中Ni 的修复。芦苇对Zn的富集效果相对较好。三种植物地上部对Cu的富集能力均为最差，植物将Cu 富集于根部，限制其向地上部转运，使地上部Cu 含量较小，减轻重金属对植物光合作用的有害影响。

虉草和香蒲地上部对重金属的富集强弱为Nitalic>Zn>Cr>Cd>Pb>As>Cu，芦苇地上部对重金属的富集能力为Zn>Nitalic>Cd>Cr>Pb>As>Cu。香蒲和虉草对Ni 的转运系数最高，其次为Cr、Pb、Zn；芦苇对Zn 的转运系数最高，其次为Cd、Cr。

从表 2 和表 3 可知，三个区域土壤中As、Cd、Zn的含量和污染程度均较高。而植物对某重金属的转运系数可间接衡量植物对重金属的耐性，转运系数越大则植物对重金属的耐性越强^[19]。由表 4 可知，香蒲对As的耐性相对较高，芦苇对重金属Zn 的耐性较好，虉草和香蒲对Ni的耐性较好。因此，相对而言，香蒲和芦苇对重金属As、Cd、Zn 的耐性较好，有利于该区域的湿地覆盖率的提高。但该区域优势植物对污染程度较高的As、Cd 元素的富集、转运系数均小于1，对该区域重金属的污染治理并不具有优势，因此建议湿地管理部门尝试栽培一些对As、Cd 具有超富集作用的植物，以治理该区域As、Cd的污染。

2.4 植物与土壤重金属间相关性

运用SPSS软件分析三个区域土壤与植物整体的体内相应重金属的相关性，结果如表 5~表 7所示。

2.4.1 虉草区重金属相关性

由表 5可知，虉草区土壤与植物间具有一定的相关关系。土壤中Zn元素与植物地上部和地下部的Zn都为显著负相关，其相关系数分别为-0.914和-0.831，表明土壤中超标的Zn 元素对虉草Zn 元素的吸收具有显著的影响；并且由表 4 可知，虉草对Zn 元素的富集系数和转运系数都小于1，长此以往，Zn 元素将在土壤中累积，对生态系统造成危害。因此，应加强对外源Zn 的控制，以避免Zn 元素的增加对小白河湿地造成生态危害。土壤中的Ni、Pb元素对虉草地上部Ni、Pb 的吸收具有一定的影响，土壤中Cd 元素含量与虉草根部Cd含量呈正相关。

虉草区土壤中重金属元素不仅影响植物对该重金属的吸收，还影响植物对其他重金属元素的吸收。如土壤中As 元素与虉草地上部的Pb 含量具有显著的相关性，与虉草地下部Zn含量具有显著的负相关性。土壤中Cd 元素与虉草地上及地下部分的Zn 含量均具有显著的负相关性。这表明土壤中超标的As、Cd 影响植物对其他元素的富集，对虉草区造成了不利的影响。

2.4.2 香蒲区重金属相关性

由表 6可知，香蒲区土壤中Zn元素与香蒲地上部及地下部的相关系数分别为-0.745 和-0.837，土壤中Zn 元素对香蒲根部Zn 的吸收影响更大。土壤中Cu元素与香蒲地上部Cd 含量呈显著负相关，土壤中Zn 元素与香蒲地上部Cr 含量呈显著负相关；土壤中Pb 元素与植物地下部Zn含量呈显著负相关。

2.4.3 芦苇区重金属相关性

从表 7可知，芦苇区土壤中Zn元素与芦苇地上部及地下部的Zn 元素均呈显著负相关，其相关系数分别为-0.910 和-0.913，可见相关程度要高于虉草区和香蒲区。由表 2 可知，三个区域中，芦苇区土壤中Zn 元素并不为最高，但芦苇对Zn 元素的吸收量却高于虉草和香蒲，因此芦苇对土壤中Zn 元素的耐性更好。

芦苇区土壤中Cd 元素与芦苇地上部Cr 含量呈显著负相关，与芦苇地上及地下部Zn 含量均呈现显著负相关。土壤中Ni 元素与芦苇地上部Pb 含量为显著的负相关，土壤中Pb 元素与芦苇地上部As、Cr 具有显著的相关性。在芦苇区，土壤中重金属元素对芦苇地上部重金属富集的影响更为显著。

3 结论

（1）黄河湿地小白河片区3 种优势植被区内土壤均受到重金属的中度污染，其中As、Cd、Zn 含量超过国家一级标准，湿地土壤受As、Cd、Zn 污染程度较为严重。

（2）小白河片区香蒲对Ni 的富集效果最好，虉草对Ni 的耐性较好，芦苇对Zn耐性较好，整体而言，该区域优势植物对As、Cd、Zn 具有一定的耐性，但未达到修复效果。

（3）土壤中重金属元素与植物体内重金属元素具有一定的相关性，土壤中重金属含量会影响植物对重金属的富集和转运。