典型人工湿地系统中植物对苯并[a]芘的去除作用及机制

陈信含; 张建; 胡振; 刘华清; 蒋鹏

doi:10.7524/j.issn.0254-6108.2022101706

典型人工湿地系统中植物对苯并[a]芘的去除作用及机制

1.
山东科技大学，黄河三角洲地表过程与生态完整性研究院，青岛，266590
2.
山东科技大学安全与环境工程学院，青岛，266590
3.
山东大学环境科学与工程学院，青岛，266237
4.
山东环保产业研究院有限公司，济南，250000

通讯作者: E-mail：zhangjian00@sdu.edu.cn;

基金项目:
国家自然科学基金重点国际合作研究项目（51720105013）资助.

Removal of benzo[a]pyrene by plants in typical constructed wetland system and its mechanism

1.
Institute of Yellow River Delta Earth Surface Processes and Ecological Integrity, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, 266590, China
2.
College of Safety and Environmental Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, 266590, China
3.
School of Environmental Science & Engineering, Shandong University, Qingdao, 266237, China
4.
Shandong Environmental Protection Industry Research Institute, Jinan, 250000, China

Corresponding author: ZHANG Jian, zhangjian00@sdu.edu.cn ;

Fund Project: the National Science Foundation of China ( 51720105013).

摘要: 人工湿地（CWs）可有效去除环境中的苯并[a]芘（BaP），湿地植物对BaP的吸收是受生物、化学等因素影响的复杂过程，其对CWs中BaP环境归趋的影响机制还不明确. 本文系统分析了典型湿地植物菖蒲中BaP的去除、吸收和归趋规律. 结果表明，菖蒲可累积大量的BaP，含量达到（2.13±0.05）μg·g⁻¹；根部组织中观察到较高浓度的BaP，BaP可以更容易地从菖蒲的根部到地上部组织进行迁移. 菖蒲大幅提升了CWs对BaP的去除效果，菖蒲CWs的BaP去除率较对照系统提升79.47%. 菖蒲的根系分泌物可以提高BaP的生物可利用性，加速BaP的组分净化和转化.
- 苯并[a]芘 /
- 环境归趋 /
- 人工湿地 /
- 植物 /
- 根际
Abstract: Constructed wetlands (CWs) can effectively remove benzo[a]pyrene (BaP) from the environment. The absorption of BaP by wetland plants is a complex process affected by biological, chemical and other factors, and its impact mechanism on the environmental fate of BaP in CWs is still unclear. In this paper, the removal, absorption and fate of BaP in typical wetland plant Acorus calamus were systematically analyzed. The results showed that Acorus calamus could accumulate a large amount of BaP. The content of BaP in Acorus calamus could reach (2.13±0.05) μg·g⁻¹. Higher concentrations of BaP were observed in the root tissues, and BaP could migrate more easily from the root to the shoot tissues. The BaP removal rate of CWs with Acorus calamus was 79.47% higher than that of the control CWs, indicating the presence of Acorus calamus can greatly improve the removal effeciency of CWs on BaP. The root exudates of Acorus calamus can enhance the bioavailability of BaP and subsequently accelerate the purification and transformation of BaP components.
- BaP /
- environmental fate /
- constructed wetlands /
- plant /
- rhizosphere

我国是世界上最大的煤炭生产与消费国，2019年，全国原煤产量为38.5亿吨，消费总量为22.2亿吨，占全国一次能源消费总量的57.7%^[1-2]。《中国可持续能源发展战略专题》中指出到2050年煤炭在我国能源结构消费比例中仍占50%以上，短期内，煤炭作为主体能源的地位不会发生改变^[3]。然而，我国多数煤矿水文地质条件复杂，矿井水害时有发生，据统计从2000年到2014年，4500人死于矿井突水事故，造成了巨大的经济损失与人员伤亡。煤矿一旦发生突水事故，准确快速地进行突水水源识别是水害治理的关键^[4]。

我国煤矿区地下水系统一般由多个含水层组成，且各含水层之间存在着不同程度的水力联系^[5]。受采煤活动的影响，地下水系统的输入、输出与系统结构将会发生变化，从而诱发矿井水害^[6]。地下水水化学成分及组成是地下水流动过程中与周围环境相互作用的产物^[7]，通常可利用煤矿区地下水水化学成分及特征示踪地下水循环途径，进一步研究其形成因素可阐明地下水演化本质，准确识别矿井突水水源。因此研究煤矿区地下水水化学特征及其形成作用对矿井突水水源识别及水害防治具有重要的意义。

地下水水化学成分的组成主要受大气降水、地表水、地下水含水层性质、水动力条件及人类活动等多种因素控制，因此其演化过程需要多组变量综合刻画^[8]。目前，Piper三线图、同位素、Gibbs图、离子比例系数法等成为研究地下水水化学特征及其形成作用的重要方法^[9-10]。许多学者借助这些方法对矿区地下水的水化学特征及形成作用开展了研究。王剑等^[11]利用Piper三线图及同位素研究了滇东北毛坪矿区地下水化学特征及控制因素，揭示了研究区各含水系统特征的差异；潘玥等^[12]借助Gibbs图分析了徐州东部废弃矿井地下水化学的控制因素；张妹等^[13]综合Piper三线图、同位素及离子比例分析出顾北矿区地下水化学性质主要受蒸发及岩石风化作用影响；刘凯旋等^[14]利用同样的手段分析了孙疃矿地下水水化学特征以及其形成作用，为孙疃矿矿井水水源判别及煤炭开采安全提供了依据。

伊敏矿区隶属呼伦贝尔大型煤电基地，位于国家生态保护区呼伦贝尔草原，目前关于该矿区的地下水特征、分布规律、形成作用等方面的研究少有报道。因此，本文在掌握矿区水文地质条件的基础上，采集该区不同类型水样，综合运用Piper三线图、同位素、Schoeller图、Gibbs图、离子组合比例图来分析伊敏矿区地下水及矿井水水化学特征、形成作用及主要离子来源，以期为伊敏矿区矿井水防治提供依据与理论基础。

1. 实验部分（Experimental section）

1.1 研究区概况

伊敏矿区行政区域隶属内蒙古自治区呼伦贝尔市鄂温克族自治旗，位于大兴安岭西坡，伊敏河中下游的东部，包含敏东一矿及二矿两个矿区，目前主采敏东一矿，其面积约49.1422 km²，主要煤种为褐煤，井田设计规模500 万t·a⁻¹。矿区可采煤层大部分属于伊敏组，其中主采煤层为16-3上煤及16-3煤。

矿区地表水系主要有伊敏河和锡泥河，分别流经矿区的西部及东部，地下水主要含水层从上至下依次为：第四系粉中、粗砂、砂砾石孔隙含水层（第四系），15煤层组顶板及层间砂砾岩、砂岩含水岩组（Ⅰ含水层，简称Ⅰ含），16煤层组顶板砾岩、砂砾岩含水岩组（Ⅱ含水层，简称Ⅱ含），16煤层间砾岩、砂砾岩含水岩组（Ⅲ含水层，简称Ⅲ含）。其中第四系为潜水层，距离主采煤层16-3距离较远；Ⅰ含水层厚度为0—136.5 m，平均厚度46.36 m，渗透系数为1.62—3.37 m·d⁻¹；Ⅱ含水层厚度为0—133.45 m，平均厚度55.00 m，渗透系数为1.26—4.66 m·d⁻¹；Ⅲ含水层厚度为0—135.41 m，平均厚度38.13 m，渗透系数为0.19—1.71 m·d⁻¹；Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ含水层均为承压含水层。研究区综合水文地质柱状图，如图1所示。

图 1 研究区综合水文地质柱状图

Figure 1. Comprehensive hydrogeological histogram of the study area

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1.2 样品采集与检测

为了解研究区地下水水化学特征，准确识别伊敏矿区矿井水补给水源，分别采集区域大气降水、伊敏河地表河流水、第四系潜水、Ⅰ含、Ⅱ含、Ⅲ含承压水及矿井水水样21组，水样类型及具体取样位置如图2所示。水样采集选用2.5 L塑料瓶，采样前先润洗3—5次，采样后立即密封，标注地点与日期，送往陕西省煤矿水害防治技术重点实验室进行检测，检测项目包括K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、SO₄^2-、Cl⁻、HCO₃⁻、pH值、溶解性总固体（TDS）及δD和δ¹⁸O同位素。其中K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、SO₄^2-、Cl⁻采用离子色谱检测；HCO₃⁻采用化学滴定法；pH及TDS使用便携式检测仪器检测；δD和δ¹⁸O采用波长扫描光强衰荡光谱技术测试，结果采用VSMOW 标准。

图 2 不同类型水样取样点位置分布

Figure 2. Sampling point locations of different water samples

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2. 结果与讨论（Results and discussion）

2.1 水化学特征

此次共采集水样21组，其中大气降水2组，地表水2组，第四系潜水3组，Ⅰ含、Ⅱ含、Ⅲ含承压水7组及矿井水7组，各组水样水化学参数检测结果见表1。

表 1 研究区水样主要离子分析表（mg·L⁻¹）

Table 1. Main ion concentration of water samples from study area（mg·L⁻¹）

序号Serial number	水样类型Sample type	取样点位Sampling point	K⁺	Na⁺	Ca²⁺	Mg²⁺	SO₄^2-	HCO₃⁻	Cl⁻	pH	TDS
1	大气降水Meteoric water	Me-1	3.06	3.12	5.82	0.41	4.02	21.33	1.05	7.54	45.46
2	大气降水Meteoric water	Me-2	2.52	2.90	6.01	0.31	3.26	26.59	2.01	7.43	36.90
3	河流水Surface water	S-1	2.20	9.10	31.69	3.66	12.01	122.6	1.93	8.03	183.00
4	河流水Surface water	S-2	1.06	8.01	22.70	5.12	7.43	111.18	1.77	8.33	188.00
5	第四系潜水Quaternary water	Q-1	2.29	46.40	73.18	26.54	126.50	292.30	36.17	7.55	606.00
6		Q-2	1.26	17.60	60.36	11.90	37.04	238.90	9.80	7.76	377.00
7		Q-3	1.81	22.53	30.15	10.40	22.65	171.12	10.60	8.31	368.00
8	Ⅰ含承压水Ⅰ aquifer water	Ⅰ-1	3.05	14.80	24.14	8.69	7.57	154.00	1.91	8.10	215.00
9	Ⅰ含承压水Ⅰ aquifer water	Ⅰ-2	2.81	21.22	30.02	9.30	31.03	170.01	1.00	8.06	132.00
10	Ⅱ含承压水Ⅱ aquifer water	Ⅱ-1	2.22	70.00	30.18	7.78	21.23	301.7	5.18	8.22	440.00
11		Ⅱ-2	1.45	26.90	33.95	8.24	3.53	220.00	1.63	7.81	296.00
12		Ⅱ-3	1.56	28.10	30.18	10.07	3.36	220.00	1.69	7.80	295.00
13	Ⅲ含承压水Ⅲ aquifer water	Ⅲ-1	2.87	211.00	15.09	3.20	47.39	414.90	104.4	7.97	800.00
14	Ⅲ含承压水Ⅲ aquifer water	Ⅲ-2	3.29	218.00	15.84	5.95	0.65	534.30	76.27	7.80	855.00
15	矿井水Mine water	Mi-1	1.18	114.14	5.21	1.06	15.36	291.64	10.60	8.23	352.00
16		Mi-2	1.03	116.52	10.52	0.66	12.08	328.68	3.54	7.94	252.00
17		Mi-3	8.21	128.80	10.34	1.83	18.39	359.47	230.00	8.27	708.00
18		Mi-4	7.11	121.70	10.21	1.02	17.47	356.45	70.90	7.74	800.00
19		Mi-5	1.24	113.98	3.58	1.10	15.67	287.47	53.20	7.78	460.00
20		Mi-6	2.62	271.42	7.93	1.61	0.89	663.14	7.09	7.91	1003.00
21		Mi-7	0.60	22.91	8.40	5.16	7.26	114.70	35.4	7.75	420.00

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研究区水样阳离子以Na⁺为主，浓度为2.90—271.42 mg·L⁻¹，平均为75.67 mg·L⁻¹，其次为Ca²⁺、Mg²⁺、K⁺；阴离子主要为 ${\rm{HCO}}_3^{-}$ ，浓度为21.33—663.14 mg·L⁻¹，平均为257.17 mg·L⁻¹，其次为Cl⁻、 ${\rm{SO}}_4^{2-}$ 。其pH值为7.43—8.33，平均为7.92，属于弱碱性水。其TDS的值为36.90—1003 mg·L⁻¹，平均为420.59 mg·L⁻¹，该区地下水及矿井水均属于淡水（TDS<1000 mg·L⁻¹）。根据表1绘制7种离子Piper三线图（图3）.

图 3 主要水化学离子Piper三线图

Figure 3. Hydrochemistry piper diagram

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大气降水、地表水、第四系水、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ含及矿井水均靠近HCO₃+CO₃端元，远离SO₄^2-和Cl⁻端元，阴离子以HCO₃⁻为主（阴离子三角图），在阳离子三角图中，大气降水、地表水、第四系水、Ⅰ含水样品分布在Ca端元，而Ⅱ含水样在Na+K端元及Ca端元均有分布，Ⅲ含水及矿井水样主要分布在Na+K端元。大气降水、地表水、第四系水、Ⅰ含水水化学类型为HCO₃-Ca型，Ⅱ含水层水化学类型主要为HCO₃-Ca型和HCO₃-Na型，Ⅲ含水及矿井水水化学类型主要为HCO₃-Na型。水化学类型分析结果表明，大气降水、地表水、第四系水以及Ⅰ含水层之间联系密切，Ⅱ含水层为过渡层，与上部含水层联系稍弱，Ⅲ含水及矿井水水化学类型主要为HCO₃-Na型，矿井水与Ⅲ含水联系密切。

2.2 同位素特征

水中δD和δ¹⁸O一般受水岩作用影响较弱，是确定不同水源与成因的有效手段^[15-16]。检测21组水样δD和δ¹⁸O同位素值，并计算不同类型水样δD和δ¹⁸O的平均值（表2）。

表 2 研究区各类型水样δD、δ18O平均值

Table 2. δD、δ18O average value of each various-type water samples from study area

序号Serial number	水样类型Sample type	δD/‰平均值δD/‰mean value	δ¹⁸O/‰平均值δ¹⁸O/‰mean value
1	大气降水Meteoric water	−87.15	−11.01
2	地表河流Surface water	−114.00	−14.10
3	第四系潜Quaternary water	−108.00	−13.85
4	Ⅰ含水层Ⅰ aquifer water	−113.65	−14.75
5	Ⅱ含水层Ⅱ aquifer water	−118.50	−15.50
6	Ⅲ含水层Ⅲ aquifer water	−103.00	−13.60
7	矿井水Mine water	−102.95	−13.81

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不同含水层地下水稳定同位素δD（VSMOW）在−118.50‰— −87.15‰之间，δ¹⁸O（VSMOW）在−15.50‰— −11.01‰之间，据文献报道若δD<−400‰—10‰，δ¹⁸O在−60‰—0‰之间，主要来源为大气降水。根据大气降水、地表水、地下水及矿井水δD、δ¹⁸O平均值绘制δD—δ¹⁸O关系图（图4）。

图 4 研究区水样δD-δ18O关系图

Figure 4. δD-δ18O diagram of water samples from study area

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因缺少本地大气降水线，故选择距离最近气候相似地区大气降水方程代替：δD=7.1781δ¹⁸O−8.1151^[17]，所取大气降水样品基本落在此线上，验证了所引方程适用。显然，第四系水、Ⅰ含水和Ⅱ含水δD和δ¹⁸O平均值均落在当地大气降水线附近，说明其主要补给来源为大气降水；而Ⅲ含水偏离当地大气降水线较多，介于全球和当地大气降水线之间，且矿井水样的δD和δ¹⁸O接近Ⅲ含水，对比表2中δD和δ¹⁸O平均值发现，矿井水δD和δ¹⁸O的平均值与Ⅲ含水样δD和δ¹⁸O平均值差距最小，说明矿井水主要来源于Ⅲ含承压水补给，这与水化学类型分析结果一致。

2.3 形成作用分析

（1）岩石风化作用

Gibbs图是利用水中Na⁺、Ca²⁺、Cl⁻、HCO₃⁻与TDS之间的关系来研究地下水中主要离子形成的控制因素，包括蒸发浓缩控制型、岩石风化控制型、降水作用控制型3种^[18-19]。近年来，国内外学者广泛利用Gibbs图来研究地表水及地下水的形成作用^[20-21]。

利用Gibbs对研究区地下水及矿井水的形成作用进行分析（图5），地下水及矿井水TDS均小于1000 mg·L⁻¹，Na⁺/(Na⁺+Ca²⁺)值在0.22—0.97，Cl⁻/(Cl⁻+HCO₃⁻)值在0.03—0.99，且水样均落在岩石风化区域，说明该区地下水及矿井水主要离子形成作用均为岩石风化控制。此外，在Gibbs图中，第四系水、Ⅰ含水和Ⅱ含水与矿井水分布较远，Ⅲ含水与矿井水分布靠近，进一步佐证了Ⅲ含水层与矿井水联系密切。

图 5 研究区水样Gibbs图

Figure 5. Gibbs diagram of water samples from study area

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（2）离子交换作用

绘制研究区水样Schoeller图（图6），分析离子总体变化特征，判断是否存在阳离子交换作用。地下水中阴离子以HCO₃⁻为主，其变化呈现出由地表水、第四系至承压含水层增加的趋势，阳离子Na⁺+K⁺浓度（meq·L⁻¹）也有相同的趋势。而阳离子Ca²⁺和Mg²⁺浓度呈现出相反的趋势（Ca²⁺更为明显），即随着深度的增加，由地表水、第四系至承压水，Ca²⁺和Mg²⁺浓度逐渐减小。这是由于阳离子Ca²⁺和Mg²⁺较浓的浅层地下水向深层补给过程中与有含有Na⁺和K⁺的岩土发生阳离子交替吸附作用，使得深层地下水中Na⁺+K⁺浓度含量上升，Ca²⁺和Mg²⁺浓度含量下降，阳离子交换反应化学方程如下式：

图 6 主要水化学离子Schoeller图

Figure 6. Hydrochemistry Schoeller diagram

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$2{\rm{N}}{{\rm{a}}^ + } + {\rm{Ca}} - {{\rm{X}}_2} \leftarrow \! \to 2{\rm{Na}} - {\rm{X}} + {\rm{C}}{{\rm{a}}^{2 + }}$

$(1)$

$2{\rm{N}}{{\rm{a}}^ + } + {\rm{Mg}} - {{\rm{X}}_2} \leftarrow \! \to 2{\rm{Na}} - {\rm{X}} + {\rm{M}}{{\rm{g}}^{2 + }}$

$(2)$

2.4 主要离子来源分析

伊敏矿区地下水主要受岩石风化作用控制及离子交换作用影响，地表水及地下水中主要离子的比例关系可进一步分析主要离子的来源。根据研究区地表水、地下水及矿井水的离子浓度，绘制不同离子间关系图，分析追踪伊敏矿区地下水主要离子来源（图7）。

图 7 离子比值关系图

Figure 7. Ion ratio diagram

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利用(Ca²⁺+Mg²⁺)/(HCO₃⁻+SO₄^2-)可以分析水中主要矿物来源，若比值大于1，则表明水化学形成作用主要是以碳酸盐类溶解为主，若比值小于1，则主要是以硅酸盐类溶解为主，若比值约等于1，则证明水化学的形成主要以碳酸盐和硅酸盐溶解为主^[22]。由7（a）可知，所有水样点均落在1∶1直线下方，说明该矿区各层水中主要离子主要来源于硅酸盐的溶解作用，同时表明水中 ${\rm{HCO}}_3^{-}$ + ${\rm{SO}}_4^{2-}$ 的含量大于Ca²⁺+Mg²⁺含量，这是由于地下水中的Ca²⁺、Mg²⁺与含水介质表面吸附的Na⁺、K⁺发生了离子交换，使水中Ca²⁺、Mg²⁺减少，进一步证实了Schoeller图的分析结果。另外，从图中可以发现地表水、第四系含水层和Ⅰ含水层更接1∶1直线，Ⅱ含水层稍有偏离，Ⅲ含水层、矿井水偏离较大（小于1∶4），进一步说明地表水、第四系含水层与Ⅰ含水层联系紧密，与Ⅱ含水层减弱，而Ⅲ含水层与上部含水层联系较弱，与水化学类型分析结果一致。

由(Ca²⁺+Mg²⁺)/ ${\rm{SO}}_4^{2-}$ 比例（图7（b））可知，所有水样点均落在1∶1直线上方，只有部分Ⅲ含水层（包括矿井水）水样接近1∶1直线，其余均大于1∶1直线，表明水中的Ca²⁺+Mg²⁺大于 ${\rm{SO}}_4^{2-}$ 的含量，说明岩层中硫酸盐岩含量较少。由(Ca²⁺+Mg²⁺)/HCO₃⁻（图7（c）比例可知，大多数水样落在1∶1直线下方，表明硅酸盐物质的溶解在水化学形成作用中占主导地位，并有大量的 ${\rm{HCO}}_3^{-}$ 存在，可以说明游离的CO₂溶于水中形成 ${\rm{HCO}}_3^{-}$ 或少量的碳酸盐岩溶解。

地下水主要离子成分的多数与硅酸盐的溶解作用有很大的关系。硅酸盐在地下水中的溶解强弱可以用(Na⁺+K⁺)/TZ⁺、(Ca²⁺+Mg²⁺)/TZ⁺进行估算，其中TZ⁺为总阳离子含量^[23]，如图8所示。

图 8 (Na⁺+K⁺)/TZ⁺、(Ca²⁺+Mg²⁺)/TZ⁺关系图

Figure 8. (Na⁺+K⁺)/TZ⁺、(Ca²⁺+Mg²⁺)/TZ⁺ relationship diagram

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从图8（a）可以看出，(Na⁺+K⁺)/TZ⁺均在（1∶1）与（1∶4）直线之间，表明地下水中化学成分的形成作用包括硅酸盐的溶解作用，Na⁺与K⁺来源于硅酸盐（钾长石、钠长石等）的溶解（式3、4）。从图8（b）可以看出，(Ca²⁺+Mg²⁺)/TZ⁺均在（1∶1）直线下方，表明地下水中的Ca²⁺和Mg²⁺大多来自于硅酸盐（钙长石）的溶解作用（式5）。通过对（a）与（b）的对比可知，(Na⁺+K⁺)/TZ⁺中Ⅲ含水层、矿井水、第四系更接近1∶1直线，其次为Ⅱ含水层、Ⅰ含水层与地表水，而(Ca²⁺+Mg²⁺)/TZ⁺中规律相反，而各层最初来源均为大气降水，进一步证明地下水在径流的过程中发生了离子交换的作用，离子交换作用也是Mg²⁺的主要来源。

${\rm{2NaAlS}}{{\rm{i}}_{\rm{3}}}{{\rm{O}}_{\rm{8}}}({\text{钠长石}}) + {\rm{2}}{{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{C}}{{\rm{O}}_{\rm{3}}} + {\rm{9}}{{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{O}} \longrightarrow {\rm{A}}{{\rm{l}}_{\rm{2}}}{\rm{S}}{{\rm{i}}_{\rm{2}}}{{\rm{O}}_{\rm{5}}}{\left( {{\rm{OH}}} \right)_4} + 2{\rm{N}}{{\rm{a}}^ + } + 2{\rm{HC}}{{\rm{O}}^ -_3} + 4{{\rm{H}}_4}{\rm{Si}}{{\rm{O}}_4}$

$(3)$

$2{\rm{KAlS}}{{\rm{i}}_{\rm{3}}}{{\rm{O}}_{\rm{8}}}({\text{钾长石}}) + 11{{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{O}} \longrightarrow {\rm{A}}{{\rm{l}}_{\rm{2}}}{\rm{S}}{{\rm{i}}_{\rm{2}}}{{\rm{O}}_{\rm{5}}}{\left( {{\rm{OH}}} \right)_4} + 2{{\rm{K}}^ + } + 2{\rm{O}}{{\rm{H}}^ - } + {\rm{4}}{{\rm{H}}_{\rm{4}}}{\rm{Si}}{{\rm{O}}_{\rm{4}}}$

$(4)$

$2{\rm{CaA}}{{\rm{l}}_{\rm{2}}}{\rm{S}}{{\rm{i}}_{\rm{2}}}{{\rm{O}}_{\rm{8}}}({\text{钙长石}}) + 4{\rm{C}}{{\rm{O}}_2} + 6{{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{O}} \longrightarrow 2{\rm{A}}{{\rm{l}}_{\rm{2}}}{\rm{S}}{{\rm{i}}_{\rm{2}}}{{\rm{O}}_{\rm{5}}}{\left( {{\rm{OH}}} \right)_4} + 2{\rm{C}}{{\rm{a}}^{2 + }} + 4{\rm{ HC}}{{\rm{O}}^ -_3}$

$(5)$

综上所述，伊敏矿区地下水及矿井水中主要离子来源于硅酸盐包括钾长石、钠长石及钙长石的岩石风化溶解，并受到Ca²⁺、Mg²⁺、K⁺、Na⁺阳离子交换作用的影响。

3. 结论（Conclusion）

（1）伊敏矿区不同类型水样主要阳离子为Na⁺，其次为Ca²⁺、Mg²⁺、K⁺；阴离子主要为 ${\rm{HCO}}_3^{-}$ ，其次为 ${\rm{SO}}_4^{2-}$ 、Cl⁻；pH值平均7.92，属于弱碱性水；TDS平均420.59 mg·L⁻¹，属于淡水。

（2）大气降水、地表水、第四系水以及Ⅰ含水水化学类型均为HCO₃-Ca型，Ⅱ含水水化学类型为HCO₃-Ca型和HCO₃-Na型，上部含水层之间水力联系紧密；Ⅲ含水和矿井水水化学类型为HCO₃-Na型，且Ⅲ含水与矿井水δD、δ¹⁸O平均值最接近，介于全球和当地大气降水线之间，矿井水主要源于Ⅲ含承压水补给。

（3）伊敏矿区地下水及矿井水主要离子形成作用受岩石风化控制，主要离子来源于钾长石、钠长石、钙长石等硅酸盐矿物的溶解，并受到阳离子交换作用的影响。

图 1 试验装置设计及结构

Figure 1. Microcosm design and structure

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图 2 植物中BaP积累

Figure 2. Accumulation of BaP in the plant

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图 3 基质中DOM含量变化（a）和DOM的根部诱导生成率 $\sigma \left(x\right)$ 与离假根距离的模型模拟（b）

Figure 3. The change of DOM contents （a） in the substrate and the model simulation of the relationship between root induced generation rate of DOM $\sigma \left(x\right)$ and the distance to artificial root （b）

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图 4 基质中BaP的赋存形态

Figure 4. The form of BaP in the substrate

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图 5 CW-P和CW-C废水中BaP浓度的变化

Figure 5. Variation of BaP concentrations with time in the effluents of CW-P and CW-C

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图 6 基质中BaP的赋存形态

Figure 6. The form of BaP in the substrate

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表 1 菖蒲组织中BaP分配规律（*P≤0.05；**P≤0.01）

Table 1. Distribution of BaP in various tissues of Acorus calamus （*P≤0.05; **P≤0.01）

指标 Index 菖蒲 Acorus calamus

根系富集因子RCF 13.00**
茎叶富集因子SCF 3.30
迁移因子TF 3.60
RCF $\times$ SCF 6.20**
RCF $\times$ TF 14.60**
SCF $\times$ TF 2.40

指标 Index 菖蒲 Acorus calamus

根系富集因子RCF 13.00**
茎叶富集因子SCF 3.30
迁移因子TF 3.60
RCF $\times$ SCF 6.20**
RCF $\times$ TF 14.60**
SCF $\times$ TF 2.40

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图( 6) 表( 1)

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1. 实验部分（Experimental section）
1.1 研究区概况
1.2 样品采集与检测
2. 结果与讨论（Results and discussion）
2.1 水化学特征
2.2 同位素特征
2.3 形成作用分析
2.4 主要离子来源分析
3. 结论（Conclusion）

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多环芳烃（PAHs）是一种难降解性有机污染物，其环境归趋受到人们的广泛重视与关注^[1-2]. 其中，苯并[a]芘（BaP）是环境中主要的PAHs种类，我国每年约有470—900 t的BaP排放到环境中. BaP作为强致癌类物质的代表，是我国环境监测的常规项目^[3]. 人工湿地（CWs）可以利用基质吸附、植物吸收、微生物降解等物理、化学、生物协同作用有效降低BaP浓度. 研究表明，CWs对BaP的去除率约为78%—92%，是环境中BaP一个重要的汇^[4]. 与基质吸附相比，植物生物修复可以将汇入CWs中的BaP进行捕获、吸附或吸收，这一去除过程更为彻底，体现了CWs的“绿色”特征^[5].

植物对环境中BaP的吸收是一个复杂而系统的过程，涉及不同的生物和化学等过程^[6]. 研究表明，植物具有高比表面积和脂肪含量的侧根可有效吸附BaP^[7]，根系吸附的BaP不能被植物完全吸收，BaP只有在穿过质膜进入细胞质通道时才能被根吸收^[8]. 植物通过释放根系分泌物造成基质上有机质分解速率改变的现象被称为植物激发效应^[9]，其对于地下环境有机质周转以及全球碳循环的影响至关重要^[10]，但当前尚缺乏CWs中根系分泌物激发效应的系统研究.

本研究以BaP为研究对象，系统分析典型湿地水生植物菖蒲中BaP的去除、吸收和归趋规律及其对CWs去除BaP的影响，并通过根箱试验，深入探究根系分泌物存在情况下湿地基质-水界面BaP的组分转化，明确根系分泌物对BaP赋存状态与环境归趋的影响机制.

3. 结论（Conclusions）

（1）菖蒲可累积大量BaP，且大多累积于根部组织中，较高的易位因子表明BaP可以更容易从根到地上部组织进行迁移.

（2）菖蒲大幅提升了CWs对BaP的去除效果，去除率较对照系统提升79.47%.

（3）菖蒲的根系分泌物可以提高BaP的生物可利用性，有效促进基质中不稳定态BaP转化.

参考文献 (19)

典型人工湿地系统中植物对苯并[a]芘的去除作用及机制

通讯作者: E-mail：zhangjian00@sdu.edu.cn;