长江口潮滩植被营养元素和重金属元素累积特征研究

摘要

长江口因其环境自净能力较强一直被认为天然的排污场所，但是目前部分的城市工业废水和生活污水均采用直接排放的方式，在未经任何处理的条件下排向长江，导致河口水体和潮滩环境污染日渐严重。湿地植物是湿地生态系统中的重要的组成部分，它能从无机环境中吸收众多元素，其中包含氮磷钾等营养元素及一些重金属元素。植物吸收的重金属元素可分为必需(Cu、Zn等)和非必需(As、Cd、Hg等)，这些重金属元素在植物体内过渡累积，可通过食物链传递，影响整个生态系统的健康。对潮滩生物重金属研究具有重要的理论和应用价值。 本文研究工作是在上海市科委重大项目：“崇明东滩国际重要湿地的监测、维护和修复技术体系”的支持下开展的。通过野外采样调查和室内实验分析相结合，研究常规营养元素和重金属元素在长江河口潮滩几种主要大型湿地植物体内的分布及累积特征，及元素间吸收累积的相互关系。结合沉积物中对应元素的分析，研究不同器官在植物转移重金属元素时所起的作用及重金属元素在潮滩水生植物体内的循环过程。通过对潮滩植物生境的研究，寻找影响潮滩植物对重金属吸收的主要环境因子，根据不同种的植物吸收特征，探索出对重金属转移有明显优势的物种。主要得出以下结论： 1．大部分植物体内的重金属元素在不同器官中含量的分布是：根系>叶>茎。重金属主要在植物根系累积，通过加权计算，发现芦苇和互花米草茎及叶中重金属的含量均在40％左右，说明通过对芦苇和互花米草的收割对潮滩重金属的转移有其重要的生态意义。 2．从植物体总的平均值来看，芦苇对不同的重金属的吸收存在着差异性，主要在体内含量大小表现为：Ni>Cr>Pb>Cd，说明芦苇对Ni的吸收能力最强，其次是Cr和Pb；蔗草类植物则出现了不同的情况，长江南岸蔗草类植物吸收累积强弱表现为：Pb>Ni>Cr>Cd，崇明沿岸蔗草类植物吸收累积强弱表现为：Ni>Pb>Cr>Cd，说明蔗草类植物对Ni和Pb吸收更具有偏好性；而互花米草对重金属的偏好也有所不同，其吸收累积强弱表现为：Ni>Cr>Pb>Cd。 3．不同植物对重金属的吸收累积能力也同样有着一定的差异，就同一时期来说，互花米草对Cd、Pb、Ni、Cr的吸收和累积要强于芦苇和蔗草类植物，如夏季崇明沿岸三种不同植物的Pb的累积平均植物分别为1.01mg/kg(Lw<,2>)、1.8 mg/kg(B<,2>)、2.37 mg/kg(HHM<,2>)，说明互花米草对重金属的吸收与转移能力最强。 4．植物体内营养元素含量的时空及物种差异显著。总体上：三大主要营养元素(N、P、K)在植物体内都表现出明显的顶端优势，其含量：叶>茎>根，三者在植物体内移动性均较大，三大营养元素从总量平均值来看，其相关性并不是很好；从根系含量来看，分布特征则相对更加明显，K在根系的分布差异较小，而N和P则表现出较一致的规律，在大部分采样点，其分布曲线的起伏大致相似；Ca和Mg在植物体内含量相对N、P、K要低，两者在植物体内不同器官分布特征和重金属元素分布特征有点相似，总体来看：根>叶>茎，但茎、叶含量和根系含量的差异没有重金属元素那么大。 5．芦苇的不同器官营养元素累积状况大致相似，其含量大小是：K>P>N>Ca>Mg，但其中叶中的N、P、K的含量相差不大；互花米草不同器官表现出不同的含量特征，根系：K>Ca>P>N>Mg，茎：K>P>N>Ca>Mg，叶：K>P>N>Mg>Ca，从数据可以看出互花米草在吸收营养元素时，根系对Ca的累积能力相对较强；蔗草类植物根系各营养元素累积大小为：根系：P>Ca>K>N>Mg，叶：P>N>K>Ca>Mg；从以上分析可以发现，蔗草类植物及互花米草对Ca(尤其是根系)的吸收较多，而蔗草类植物同时对P具有偏好。 6．植物体营养元素的吸收与累积相互影响较小，从根系的营养元素含量相关关系来看，潮滩植物根系对营养元素的吸收与累积的相互作用较小，大部分元素间没有明显的相关性。根系中，不同的植物营养元素间显示出不同的特征，芦苇的根系中P和Ca，Ca和Mg成正相关关系，而蔗草类植物中K和Ca则呈现出一定的负相关关系。茎中，营养元素的含量间相互作用更大，相互之间并没有拮抗作用，反而大部分元素在茎中反应出很好的正相关关系。叶中，大部分营养元素间没有很好的相关性。 7．潮滩植物不同器官对重金属的吸收与累积表现出很强的相关性，尤其是一些植物的必需元素间的吸收与累积。但在不同的器官中显示的相关性强弱不同：根系中，在芦苇和蔗草类植物的根系中各重金属元素吸收与累积的相关性要强于茎叶中各元素的相关性，其它非必需重金属元素在植物体内相关性也较强。茎中重金属元素间的相互作用与根系中大致相似，各元素间正相关关系较强，重金属元素在植物体不同器官的传输转运过程中，在根系和茎中并没有明显的拮抗作用，但当重金属元素转运到叶时重新分布累积，部分元素间发生竞争，表现出负相关关系。 8．营养元素对植物吸收重金属元素的影响较大，某些表现出促进作用，另一些表现出阻滞作用。营养元素对重金属元素吸收与累积表现最为明显的是K和Ca对重金属的影响，无论是蔗草类植物还是芦苇，K在根系的含量与所测重金属元素的含量均成较强的负相关性，这反映出K的吸收对重金属的吸收有很大的拮抗作用；Ca表现出来的作用正好相反，它在根系的吸收与累积和重金属元素的吸收与累积成很强的正相关关系，从而促进了植物对重金属元素的的吸收与转移，对潮滩的净化有一定的积极作用。在植物的茎和叶中的情况和根系中的不一样，有的相关关系不是很明显，有的甚至相反，如叶中K和Cd呈正相关，说明重金属元素在不同的器官中所存在的关系是有差异的。 9．无论是蔗草类植物还是芦苇对这Fe、Ni、Cr三种元素的吸收能力都很差，相对而言，这些植物对Cd、Cu、Pb、Zn的吸收能力更强，尤其是对Cd的吸收能力最强。在秋季的植物样品中，芦苇的转运系数相对于其他植物的转运系数相对较高，转运系数大于1的样品数明显多于其它植物，从这点来看，说明芦苇从整个时期向上转运能力要强于其他类型植物。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1长江河口潮滩重金属的生物地球化学循环研究的意义

1.2河口地区重金属的生物地球化学循环研究进展

1.3本研究的整体构架

1.4论文的特色

第二章研究区概况

2.1长江河口潮滩的自然概况

2.2长江河口潮滩污染概况

2.3长江河口潮滩的生态环境

2.4采样断面概况

第三章样品的采集与实验方法

3.1样品采集与预处理

3.1.1沉积物样品的采集及预处理

3.1.2植物样品的采集及预处理

3.2样品分析方法及测定

3.2.1沉积物的分析方法

3.2.2植物的分析方法

3.3数据处理

第四章植物体中重金属元素分布特征

4.1镉在植物体内分布

4.2铅在植物体内分布

4.3镍在植物体内分布

4.4铬在植物体内分布

4.5植物体内铁的概况及分布特征

4.6植物体内铜的概况及分布特征

4.7植物体内锌的概况及分布特征

4.8植物体内锰的概况及分布特征

4.9表层沉积物的重金属及营养元素分布特征

4.10小结与讨论

第五章植物常规营养元素分布特征

5.1植物体内氮素概况及分布特征

5.2植物体内磷的概况及分布特征

5.3植物体内钾的概况及分布特征

5.4植物体内钙的概况及分布特征

5.5植物体内镁的概况及分布特征

5.6小结与讨论

第六章各元素吸收与累积的相互作用

6.1常规营养元素在植物吸收间的相互作用

6.2重金属元素在植物吸收间的相互作用

6.3重金属元素与营养元素在植物吸收间的相互作用

6.4小结与讨论

第七章潮滩植物对重金属的富集及迁移

7.1潮滩植物对重金属的富集状况

7.2潮滩植物对重金属的转运状况

第八章结论与展望

参考文献

致谢