近年来，随着我国经济飞速发展，水环境污染日益严重，尤其是城市河流普遍污染严重^[1]。面源污染涉及范围广、控制难度大，已成为影响河流水质的主要原因^[2]。其中重金属污染具有难降解、隐蔽性强、毒性大等特点，对水体和土壤造成严重污染^[3]。这些重金属能够通过食物链进入生物体内，严重危害人类及其他生物的健康^[4]。因此，重金属污染成为如今亟待解决的突出环境问题。植物修复用于治理重金属污染具有很好的发展前景^[5]。植物修复技术利用植物对重金属的过滤、吸收、富集等作用实现重金属污染的修复，是一种成本低、效益高、吸附量大、操作简单、不易造成二次污染的独特的绿色修复方法^[6-7]。

滨岸缓冲带作为保护水资源的最佳管理措施之一，对防治非点源污染和防止水土流失具有重要的作用^[8-9]。近年来，国内普遍关注的是滨岸缓冲带对农业面源污染物氮、磷的去除，而对微污染重金属研究较少^[10-11]。植物具有富集和去除面源污染重金属的作用，但由于自身特性不同，各物种对重金属去除及富集能力也有差异^[12]。目前，植物修复重金属污染土壤和水生植物修复水体重金属的研究较多^[13-14]，但结合滨岸缓冲带去除地表径流中溶解态重金属污染的研究较少。

本研究以黑麦草、紫花苜蓿、早熟禾3种草本植物为研究对象，通过水培实验的方法探究植物对模拟污水中重金属Cu、Cd、Pb的去除能力，筛选并探讨对重金属去除能力较佳的实验植物，为构建具有观赏性和污染治理效果的内河滨岸缓冲带提供参考。水培试验是一种快捷、有效的试验方法，虽然其与滨岸缓冲带试验存在差异，但二者的结果仍具有一致性，可有效模拟植物对重金属的去除能力^[15]。

1 材料与方法 1.1 实验材料

根据东北地区地理特征、气候条件、植物特性和滨岸缓冲带特征，通过查阅文献，选择3种具有截污能力、水土保持能力、景观价值的本土植物作为实验植物，分别为紫花苜蓿（Medicago sativa）、早熟禾（Poapretensis）和黑麦草（Lolium perenne）。3种植物均为典型草坪植物，须根发达，对土壤要求不严格，耐瘠薄。培养过程中，植物的生长期分为三个阶段：幼苗期（第1周）、生长期（第2周到第6周）、成熟期（第7周）。

1.2 实验用水

实验采用的人工配水，使用氯化铵（NH₄Cl）、磷酸二氢钾（KH₂PO₄）、硝酸钠（NaNO₃）、氯化镉（CdCl₂·1/2 H₂O）、硝酸铅[Pb（NO₃）₂]、硫酸铜（CuSO₄·5H₂O）（分析纯）进行配制。重金属浓度根据测定的哈尔滨市地表径流中溶解态重金属浓度确定。配水水质见表 1。

另配制重金属Cu、Cd、Pb低浓度（0.05 mg·L^-1）和高浓度（0.08 mg·L^-1）的培养液，考察不同浓度下植物对重金属的去除。

1.3 研究方法

本研究采用水培法。设置4个处理（黑麦草、紫花苜蓿、早熟禾、无植物空白），每个处理3次重复，各处理随机排放。将黑麦草、紫花苜蓿、早熟禾种植在用锡箔纸包好的150 mL三角瓶中，锥形瓶中放置210 mL的人工配制的污水。实验共进行7个周期，每隔7 d彻底换水，在第1、3、5、7周的第5 d取样，并在24 h内测定水中残留重金属浓度。另设置0.05、0.08 mg·L^-1的重金属浓度处理，每个处理3次重复，培养5 d后取样测定残留重金属浓度。由于本实验采用的装置较小，为减少水分蒸发和植物蒸腾对浓度的影响，每天添加去离子水，保持水的体积不变。重金属去除率按公式（1）计算。

式中：C₀为初始质量浓度；C_i为第id的质量浓度。

1.4 分析方法

水样中Cu、Pb、Cd采用电感耦合等离子体发射光谱（ICP-MS）法测定。在α=0.05水平下，应用SPSS软件通过方差分析对数据进行显著性检验，P＜0.05时差异显著。

2 结果与讨论 2.1 不同植物对重金属的去除效果

不同植物对3种重金属均有不同的净化效果，整个实验过程的平均去除率如图 1所示。通过单因素方差分析，不同草本植物对重金属Cu、Cd的去除率无显著差异，对Pb的去除率显著差异。

由图 1可知，在Cu平均浓度为0.055 mg·L^-1条件下，早熟禾净化效果最好，平均去除率为44.03%。而黑麦草和紫花苜蓿对Cu的去除率略低于早熟禾，分别为41.72%、35.55%。但对Cd的去除率差别较大。Cd平均浓度为0.058 mg·L^-1时，去除率最高为黑麦草42.41%，紫花苜蓿和早熟禾分别为28.14%、20.63%。Pb平均浓度为0.056 mg·L^-1，3种草本植物对Pb的去除率由高到低分别为紫花苜蓿（45.77%）＞黑麦草（37.72%）＞早熟禾（20.52%）。植物作为滨岸缓冲带的重要组成部分，在处理面源污染重金属的过程中具有非常重要的作用。一方面，植物可以直接吸收和积累离子态的重金属，另一方面，可以通过植物吸附作用和根际分泌物来去除面源污染中的重金属^[16-17]。

2.2 不同浓度下植物对重金属的去除效果 2.2.1 对Cu的去除效果

随着Cu浓度的变化，3种草本植物对Cu的去除率也有变化。图 2为不同浓度下，3种草本植物对重金属Cu污染的去除率，不同Cu浓度下植物对重金属Cu去除率无显著差异（P＞0.05）。

由图 2可知，3种草本植物对Cu有较好的净化效果，且随着Cu浓度的增加，去除率逐渐增加，且去除率明显比空白高。当Cu污染浓度为0.05 mg·L^-1时，黑麦草的去除率最高为43.75%，紫花苜蓿和早熟禾分别为36.25%、26.91%。当Cu浓度为0.08 mg·L^-1时，3种草本植物去除率差别不大，早熟禾的最高，为48.02%。

Cu是植物生长发育所必需的微量营养元素，它是多酚氧化酶、细胞色素氧化酶及抗坏血酸氧化酶等多种酶类的组成成分之一，因此低浓度的Cu对植物生长是有益的^[18]。在本实验浓度范围内，Cu的浓度越高，3种草本植物对Cu的去除率越高^[19]。

2.2.2 对Cd的去除效果

不同浓度下3种草本植物对Cd的去除率变化如图 3所示，不同Cd浓度下植物对Cd去除率有显著差异（P＜0.05）。由图 3可知，3种草本植物对Cd的去除率明显比空白高，且随着Cd浓度的增加，去除率降低。当Cd浓度为0.05 mg·L^-1时，3种草本植物对Cd的去除率表现出一定的差异性，黑麦草对Cd的净化效果最好，去除率为47.01%。当Cd浓度为0.08 mg·L^-1时，黑麦草、紫花苜蓿、早熟禾对Cd的去除率分别为35.00%、23.71%、25.35%，黑麦草去除率最高。

Cd的浓度越高时，3种草本植物对Cd污染物的去除率就越低，Cd的浓度低时，去除率相对较高。植物对Cd存在一个耐受范围，在该范围内，植物对Cd的去除率随Cd浓度的升高而升高，而超过了耐受范围时，去除率随Cd浓度的升高而降低^[20]。本研究结果可能就是由于Cd浓度超过了3种草本植物的耐受范围所导致的。在低浓度的Cd溶液中，草本植物可以正常生长并富集Cd，但是当Cd浓度超过草本植物的耐受范围时，植物各种功能器官会受到胁迫，从而导致去除率下降。

2.2.3 对Pb的去除效果

植物对重金属Pb污染也有一定的去除效果，且Pb污染浓度不同，去除效果也不同。不同浓度下植物对Pb的去除结果如图 4所示，不同Pb浓度下植物对重金属Pb去除率无显著差异（P＞0.05）。

由图 4可知，随着Pb浓度增加，3种草本植物对Pb的去除率也增加，且明显比空白高。当Pb污染浓度为0.05 mg·L^-1时，3种草本植物对Pb的去除率相差不大，由高到低分别为黑麦草（38.98%）＞紫花苜蓿（32.45%）＞早熟禾（26.68%）。当Pb污染浓度为0.08 mg·L^-1时，紫花苜蓿去除效果最好，去除率为65.03%。

林芳芳等^[21]研究发现Pb培养液浓度越大，植物体富集的Pb量越大，本研究结果与其观点一致，Pb的浓度高时，3种草本植物对Pb污染物的去除率就高，Pb浓度低时，去除率相对也低。

2.3 不同植物生长期对重金属的去除效果 2.3.1 黑麦草不同生长期对重金属的去除效果

植物在不同的生长期，由于植物植株大小、根系等情况不同，对重金属污染的去除结果也不同^[22-23]。

黑麦草在各生长期对重金属Cu、Cd、Pb均有一定的去除效果，且随着培养时间延长，黑麦草对3种重金属的去除率呈先上升后下降趋势（图 5）。黑麦草在生长期第5周时对Cu的去除效果最好，去除率为56.85%，生长期第3周时对Cd、Pb的去除率最高，分别为63.72%、55.03%。在实验的前几周，黑麦草对重金属的去除率呈上升趋势，这是由于水培黑麦草幼苗期根系迅速增长，为重金属提供了足够的吸附位点。进入生长期植物生长迅速，生物量增大，能够有效吸收富集水体中的重金属。但随着黑麦草培养时间增加，黑麦草对重金属去除率降低，由于吸附位点有限，植物根系的吸附趋于饱和，此时，黑麦草对水中重金属的去除以吸收为主，且去除率降低^[24]。

2.3.2 紫花苜蓿不同生长期对重金属的去除效果

紫花苜蓿在各生长期对3种重金属均有一定的去除效果，且随着培养时间增加，去除率呈下降趋势（图 6）。紫花苜蓿生长期第5周时对Cu的去除率最高，为41.98%，幼苗期第1周期时紫花苜蓿对Cd和Pb的去除效果比其他生长期的效果好，去除率分别为45.37%、68.41%。整个试验阶段，紫花苜蓿对重金属去除率总体呈下降趋势。一方面由于紫花苜蓿对环境的要求高，水培条件下生长较弱，另一方面是由于重金属对紫花苜蓿的生理代谢有一定的伤害^[25]。

2.3.3 早熟禾不同生长期对重金属的去除效果

早熟禾在各生长期对3种重金属均有一定的去除效果，且去除率随时间的增加呈先上升后下降趋势（图 7）。早熟禾在生长期第3周时对Cu、Cd、Pb的去除效果最好，去除率分别为51.25%、33.83%、26.55%。

整个试验阶段，早熟禾对重金属Cu、Cd、Pb的去除率呈先上升后下降趋势。这一现象可能与植物的生长习性和生物量有关，在实验前几周早熟禾的生物量随时间的增加而不断增长。但早熟禾不耐水湿，后期生长状况不良，导致去除率下降。

2.3.4 植物不同生长期对重金属的去除

水培条件下植物对重金属的去除主要通过植物吸收、植物富集、植物吸附及根系微生物活动^[26]。植物与重金属作用时，植物根系首先接触重金属，并对重金属进行吸收，根细胞中存在大量的交换位点，能对重金属进行吸收和固定，另一方面，直接影响根际酸化、沉淀、螯合作用及氧化还原反应，进而影响重金属离子的溶解度和生物可利用性^[27-28]；牛之欣等^[29]研究发现生物量大的植物对重金属污染有更好的修复作用。

植物的生长过程中，伴随着一系列的生理生态过程，包括植株高度、根系增长、根际活动增强、生物量积累等。黑麦草和早熟禾在幼苗期时，根系迅速扩展，表面积增大，提供了充足的吸附位点，有助于植物对重金属的吸收；生长期时，植物保持在旺盛生长状态，生物量增大，植物根系扩张；植物成熟期时，生物量以及根系趋于稳定，且由于在水中培养时间较长，根部出现腐烂现象，植物生长状况不佳，从而导致去除率下降。紫花苜蓿对重金属的去除呈下降趋势，是由于紫花苜蓿在水培条件下生长不好，随着水培时间的增加，植物出现根系腐烂、叶片枯黄现象。

3 结论

（1）不同草本植物对3种重金属的去除效果不同。水培条件下，3种草本植物黑麦草、紫花苜蓿、早熟禾对重金属Cu、Cd、Pb均有较好的去除效果，可以作为滨岸缓冲带的备选植物。

（2）重金属浓度不同时，3种草本植物对重金属的去除率也不同。因此，在实际构建缓冲带时可根据不同地区的污染物种类及浓度选择最适植物。

（3）3种草本植物在不同生长期由于植物根系、生物量等不同，对重金属Cu、Cd、Pb污染的去除效果不同。