水生蔬菜答農(nóng)民問（55-1）：菱角對生態(tài)環(huán)境適應(yīng)能力如何？在生態(tài)環(huán)境改良中有哪些主要用途？

劉義滿 王愛新 樂有章 魏玉翔

已在《水生蔬菜答農(nóng)民問》（53、54）[1～3]中，分別了介紹菱角（Trapa natans）的傳統(tǒng)利用、現(xiàn)代貯藏保鮮加工利用及現(xiàn)代藥用價(jià)值方面的內(nèi)容。有種植戶咨詢，湖面水體可否用來種植菱角？其實(shí)，這個(gè)問題涉及到菱角在生態(tài)環(huán)境改良中的應(yīng)用。在生態(tài)環(huán)境改良中，菱角主要用途包括水體凈化和園林水景園景觀打造。作為一種傳統(tǒng)水生蔬菜作物，菱角在環(huán)境改良應(yīng)用中，著重點(diǎn)在于其生態(tài)利用價(jià)值，兼顧食用價(jià)值，可以做到生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。而且，在環(huán)境改良應(yīng)用實(shí)踐中，菱角具有很高的食用安全性。本文主要介紹菱角對生態(tài)環(huán)境的適應(yīng)能力及其在生態(tài)環(huán)境改良中的主要用途。

1 菱角對環(huán)境的適應(yīng)能力

利用菱角進(jìn)行水體凈化，首先考慮的是菱角對擬凈化水體的適應(yīng)能力。這里，主要包括對環(huán)境溫度、水體深度、水體流速、水生生物、水體富營養(yǎng)化程度、重金屬含量等指標(biāo)的適應(yīng)能力。

1.1 菱角適應(yīng)季節(jié)和水深

在世界范圍內(nèi)，菱角是一種廣泛分布的植物，如我國從東北到華南都有菱角分布，這也說明菱角是一種適應(yīng)性很強(qiáng)的植物[4]。應(yīng)用菱角進(jìn)行水體凈化，首先要考慮環(huán)境溫度，具體體現(xiàn)在對季節(jié)的適應(yīng)性。菱角為一年生植物，生長季節(jié)主要在夏秋季，我國主要在4～10月。其次是水深，菱角植株能適應(yīng)5 m水深，但通常適宜2 m以內(nèi)水深環(huán)境[5]。不過，自然條件下水深10～30 cm時(shí)萌發(fā)率高，水深50 cm以上萌發(fā)速度慢[6]。以靜止或緩慢流動水體為宜。李超[7]還通過室外溫控模擬系統(tǒng)，研究氣候變暖情境下水生植物對富營養(yǎng)化和底棲魚類擾動響應(yīng)特征，結(jié)果表明，氣候變暖情境下的升溫對菱角植株的蓋度無顯著影響，而底棲魚類擾動導(dǎo)致沉積物中氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)的釋放，有助于促進(jìn)夏季菱角植株的生長。當(dāng)然，水體中不能有過多的草食性魚類。

1.2 菱角對富營養(yǎng)化水體的適應(yīng)能力

菱角對富營養(yǎng)化水體和底泥適應(yīng)極限值，未查到確切數(shù)據(jù)。不過，眾多研究和實(shí)踐結(jié)果顯示，菱角對我國目前存在的絕大多數(shù)富營養(yǎng)化湖泊、河流水體及人工養(yǎng)殖尾水均能適應(yīng)。如邱東茹等[8]研究結(jié)果表明，菱角在超富營養(yǎng)化水體中能自行繁衍和維持種群。移栽種植結(jié)果表明，富營養(yǎng)的湖泊底泥可以為菱角生長發(fā)育提供充足營養(yǎng)，因而可以正常萌發(fā)和生長，而且葉是N、P等營養(yǎng)元素積累的主要器官[9，10]。徐蕾等[11]用嚴(yán)重富營養(yǎng)化的污染河水[含總氮（TN）5.3～6.2 mg/L、總磷（TP）0.51～0.70 mg/L]和異常富營養(yǎng)化的養(yǎng)豬場排污塘水（含TN 22.1～30.2 mg/L、TP 4.5～6.1 mg/L）種植菱角，植株生長旺盛。第60天時(shí)，污染河水灌溉的菱角植株生物量凈增長率207.8%，養(yǎng)豬場排污塘水灌溉的菱角植株生物量凈增長率385.9%，表明菱角對富營養(yǎng)化水體有非常強(qiáng)的適應(yīng)能力。

菱角對水體底泥（基質(zhì)）的高磷含量亦有較強(qiáng)適應(yīng)能力。關(guān)保華等[12]利用細(xì)果野菱（Trapa incisa）進(jìn)行32株/m2（高密度）和11株/m2（低密度）2個(gè)種植密度，115.61μg/g（高磷濃度）、52.85μg/g（中磷濃度）和27.56μg/g（低磷濃度）3個(gè)總磷濃度基質(zhì)的雙因素種植試驗(yàn)，結(jié)果顯示，種植密度和基質(zhì)磷濃度，影響植株單株生物量、干質(zhì)量及磷在不同器官中的分配，種植密度對植株莖直徑和葉數(shù)影響不顯著，但高密度植株的單株生物量小，而干質(zhì)量大，同時(shí)莖葉磷含量高，而根中磷含量低，高磷濃度基質(zhì)植株的根干質(zhì)量和單株總干質(zhì)量均顯著高于中磷濃度和低磷濃度，莖干質(zhì)量顯著高于低磷濃度（P＜0.05）。

Kurihara等[13]調(diào)查認(rèn)為，菱角之所以能在富營養(yǎng)化水體中成功繁衍，是因?yàn)槠浞敝巢呗?。即使前一年沉底埋藏種子密度大大降低，菱角仍可通過主莖強(qiáng)大的分枝能力增加菱盤數(shù)量，使群體得到恢復(fù)。

1.3 菱角對水體重金屬的適應(yīng)能力

菱角對重金屬元素的適應(yīng)能力，與環(huán)境條件、植株?duì)顟B(tài)、污染物濃度及作用時(shí)間等有關(guān)。從如下相關(guān)模擬試驗(yàn)結(jié)果，可了解菱角重金屬耐受能力。

①鉛（Pb） 李大輝[14]分別用5、10、15、20 mg/L鉛離子（Pb2+）水溶液[以Pb（NO3）2配制]培養(yǎng)菱角（二角菱）幼苗，各Pb2+濃度處理第3天的超氧化物歧化酶（SOD）活性均極顯著高于對照，但SOD活性在20 mg/L處理第3天后開始下降，第5天低于對照，第7天則檢測不到活性；15 mg/L處理在第5天后開始下降，第7天則低于對照（約為對照的2/3）；SOD活性亦在5、10 mg/L處理第5天后開始下降，第7天均高于對照，但10 mg/L處理下降幅度明顯大于5 mg/L處理。至于過氧化物酶（POD）活性，前3天各處理均呈上升趨勢，第3天的活性比對照高44.73%～180.20%。但是，20 mg/L處理的POD活性在第3天后開始下降，第5天接近對照，第7天則僅為對照的37.80%；15 mg/L處理的POD活性在第5天達(dá)到峰值，之后下降，約為對照的1.7倍；5、10 mg/L處理的POD活性則一直呈上升趨勢。20 mg/L Pb2+溶液處理7天后，電子顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，葉細(xì)胞的葉綠體基粒數(shù)目減少，基粒片層解體，葉綠體雙層膜斷裂；線粒體、高爾基體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)等解體消失；細(xì)胞核的染色質(zhì)與核質(zhì)遭到破壞，核膜破裂；葉片組織總DNA電泳顯示，DNA完全斷裂呈現(xiàn)彌散狀。在Pb作用早期，脅迫使細(xì)胞活性氧自由基增多和膜脂過氧化加劇，菱角幼苗通過增強(qiáng)SOD和POD活性，進(jìn)而加強(qiáng)對活性氧自由基的清除和膜脂過氧化的抑制，以應(yīng)對Pb毒害作用，在一定程度上表現(xiàn)出抵御重金屬毒害的能力。但隨著Pb2+濃度增加及作用時(shí)間延長，SOD和POD活性受到抑制，活性氧自由基和膜脂過氧化的積累超出了抗氧化酶系統(tǒng)的清除能力，從而使細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能受到損害。該研究結(jié)果表明，菱角幼苗能耐受5～7天的Pb2+濃度應(yīng)不高于15～20 mg/L。

②鎘（Cd） 李大輝等[15，16]研究結(jié)果表明，濃度為5、10、15μmol/L的Cd2+能抑制菱角幼苗生長，使葉綠素含量下降；Cd2+處理最初誘導(dǎo)SOD、POD活性升高，但隨濃度加大和時(shí)間延長，酶活性急劇下降。深入研究表明，菱角體細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)變化可用于監(jiān)測重金屬污染。濃度為10～50μmol/L的Cd2+處理8天，菱角細(xì)胞核和葉綠體結(jié)構(gòu)明顯變化。其中，浮葉葉片細(xì)胞的細(xì)胞核染色質(zhì)與核質(zhì)受到破壞；細(xì)胞葉綠體基粒數(shù)目減少，基粒片層解體，葉綠體雙層膜斷裂，葉綠體質(zhì)體球流入細(xì)胞基質(zhì)中。不定根細(xì)胞核染色質(zhì)與核質(zhì)亦受到破壞，且細(xì)胞核核仁消失。菱角細(xì)胞核和葉綠體結(jié)構(gòu)破壞程度均隨Cd2+離子濃度增加而加重[16]。另有報(bào)道，在濃度50、100μmol/L的Cd2+溶液中培養(yǎng)8天，菱角細(xì)胞變形、溶解；組織松散、解體，柵欄組織和海綿組織均遭到破壞。菱葉細(xì)胞受濃度大于10μmol/L的Cd2+毒害后，細(xì)胞核核質(zhì)消失、葉綠體基粒數(shù)目減少、基粒片層解體、葉綠體雙層膜斷裂[18]。

李鑰[19]用5、10、20 mg/L鎘處理菱角24～72 h，隨濃度加大和時(shí)間延長，菱角受害癥狀加重。其中，處理72 h時(shí)葉片萎蔫，重者帶有死斑，葉綠素含量分別比對照減少42.33%、49.50%、67.17%，丙二醛（MDA）含量分別比對照增加290.20%、449.80%、457.50%，根系根尖部分壞死，重者部分根系脫落。另外，“鎘+銅”復(fù)合處理時(shí)，根系變黑，葉片整體萎蔫并出現(xiàn)死斑，重者葉片卷曲，局部枯萎，協(xié)同加劇葉綠素破壞和丙二醛含量增加；低濃度的“鎘2.5 mg/L+鋅5 mg/L”處理表現(xiàn)為拮抗作用，減輕葉綠素破壞，而較高濃度的“鎘5 mg/L+鋅10 mg/L”一定程度加劇葉綠素破壞?！版k+鋅”復(fù)合處理前期，丙二醛含量隨處理濃度加大和處理時(shí)間延長而增加，但是，48 h時(shí)，復(fù)合處理與單一處理的丙二醛含量基本持平，72 h時(shí)鎘單一處理高于復(fù)合處理，鎘與鋅表現(xiàn)為拮抗作用?！版k5 mg/L+鋅10 mg/L”復(fù)合處理72 h時(shí)，葉片受害情況與鎘10 mg/L、鋅20 mg/L單一處理的癥狀一致，均為整體出現(xiàn)萎蔫。

此外，羅玉明等[20]報(bào)道，5 mg/L的鈰（Ce3+）對菱角生長促進(jìn)作用比較明顯。與鎘離子單一處理相比，Cd2+-Ce3+復(fù)合處理中，葉片葉綠素含量和SOD、POD活性提高，其中，1 mg/L的Cd2++5 mg/L的Ce3+復(fù)合處理中，菱角POD活性較對照提高8.33倍，表明5 mg/L Ce3+對低濃度鎘引起菱角葉片毒害作用有較明顯緩解效果。

③汞（Hg） 李大輝等[15，16]、解凱彬等[17]研究結(jié)果表明，濃度為5、10、15μmol/L的Hg2+均與Cd2+一樣，抑制菱角幼苗生長，使葉綠素含量下降，但Cd2+的抑制作用比Hg2+明顯。Hg2+處理的酶活性變化相對平緩，其中5μmol/L和10μmol/L Hg2+處理的POD活性持續(xù)上升。隨著Hg2+濃度增加和處理時(shí)間的延長，POD呈下降趨勢。在相同處理時(shí)間和濃度條件下，Cd2+比Hg2+對菱的毒性大。濃度為10～50μmol/L的Hg2+處理8天，菱角細(xì)胞核和葉綠體結(jié)構(gòu)變化與10～50μmol/L的Cd2+處理基本一致。

④銅（Cu） 李鑰[19]用5、10、20 mg/L銅處理菱角24～72 h，表現(xiàn)與Cd基本相似，均隨濃度加大和時(shí)間延長，受害癥狀加重。其中，10、20 mg/L處理葉片72 h時(shí)卷曲、局部枯萎，各處理葉綠素含量分別比對照減少13.39%、33.93%、62.5%，丙二醛含量分別比對照增加197.64%、226.55%、345.27%；根系根尖部分壞死。

潘秋紅等[21]以含0、0.002、0.004、0.006、0.008 mmol/L CuSO4·5H2O（以純Cu2+計(jì)）的10%Hoagland培養(yǎng)液培養(yǎng)菱角植株7天后檢測，結(jié)果葉綠素（Chl）、葉綠素a（Chla）、葉綠素b（Chlb）、PSⅡ原初光能轉(zhuǎn)換效率（Fv/Fo）及PSⅡ潛在活性（Fv/Fm）均隨Cu2+濃度增加而下降，最小熒光（Fo）則隨Cu2+濃度增加而呈上升趨勢。Cu2+濃度為0.008 mmol/L時(shí)，Chl、Chla、Chlb、Fv/Fo、Fv/Fm及Fo分別為對照的42.31%、44.51%、36.84%、54.56%、87.39%及127.00%；活性氧（AOS）產(chǎn)生速率、丙二醛（MDA）含量、POD、過氧化氫酶（CAT）和抗壞血酸過氧化物酶（APX）活性隨著Cu2+增加逐漸升高；SOD、游離脯氨酸（Pro）和可溶性糖含量隨著Cu2+濃度增加顯著下降；抗壞血酸（ASA）、還原型谷胱甘肽（GSH）和谷胱甘肽還原酶（GR）含量隨著Cu2+濃度增加表現(xiàn)為先上升后下降的趨勢，不過一直高于對照。Cu2+對葉片葉綠體、線粒體和細(xì)胞核造成損傷。過量Cu2+脅迫破壞正常生理生化活動，造成功能紊亂，導(dǎo)致植株死亡。

⑤鋅（Zn） 李鑰[19]用10、20、40 mg/L鋅處理菱角24～72 h，表現(xiàn)與Cd和Cu基本相似，均隨濃度加大和時(shí)間延長，受害癥狀加重。其中，處理72 h時(shí)，受害葉片輕者褪綠、萎蔫，重者（20、40 mg/L處理）出現(xiàn)萎蔫并帶有死斑，葉綠素含量減少（分別比對照減少22.05%、57.32%、66.61%），丙二醛含量增加（72 h比對照分別增加171.08%、252.16%、351.69%）；根系根尖部分壞死。

⑥鉻（Cr） 楊頂田等[22]曾經(jīng)用0（對照）、4、8、16、32μg/g的K2Cr2O7（按純六價(jià)鉻Cr6+計(jì)）水培菱角植株，培養(yǎng)72 h后菱角浮葉和不定根鉻（Cr）含量均隨培養(yǎng)液Cr6+濃度加大而增加，呈現(xiàn)明顯正相關(guān)；鉀（K）含量則隨著Cr6+濃度增加而降低，呈現(xiàn)明顯負(fù)相關(guān)；鎂（Mg）含量亦隨著Cr6+濃度增加而呈現(xiàn)降低趨勢。另外，該研究數(shù)據(jù)顯示，培養(yǎng)液Cr6+濃度與浮葉鐵（Fe）含量呈正相關(guān)，其簡單相關(guān)系數(shù)r=0.872 7，接近顯著水平臨界值（自由度=5-2=3，r0.05=0.878、r0.01=0.959），與不定根錳（Mn）含量簡單相關(guān)系數(shù)r=0.984 3，呈極顯著正相關(guān)。培養(yǎng)液Cr6+濃度與浮葉中的Mn、Zn、Cu、Mo，以及與不定根中的Fe、Zn、Cu、Mo則均無明顯的線性相關(guān)關(guān)系。研究數(shù)據(jù)還顯示，在各培養(yǎng)時(shí)間段（12、24、36、48、60、72 h）下，浮葉受害（爛斑）面積均與培養(yǎng)液Cr6+濃度呈極顯著正相關(guān)（r為0.969 2～0.990 7＞r0.01=0.959）；Cr6+處理濃度分別為4、8、16、32μg/g時(shí)，浮葉受害面積與培養(yǎng)時(shí)間的相關(guān)系數(shù)分別為0.814 7、0.906 0、0.979 0、0.991 1，呈顯著或極顯著正相關(guān)（自由度=6-2=4，r0.05=0.811、r0.01=0.917）。其中，培養(yǎng)72 h，4μg/g Cr6+處理浮葉受害面積占7.1%，32μg/g Cr6+處理浮葉受害面積最大，達(dá)57.2%。Cr6+處理對菱角不定根亦有傷害，如培養(yǎng)36 h，4μg/g Cr6+處理不定根雖為綠色，但與對照差別明顯；8、16μg/g Cr6+處理不定根則已失綠。

1.4 菱角對過氧化氫的適應(yīng)能力

過氧化氫（H2O2，雙氧水）可用于應(yīng)急治理藍(lán)藻水華和湖泛（指在湖岸邊、入湖口和湖汊聚集的藍(lán)藻與發(fā)酵上浮的淤泥相混合，在厭氧狀態(tài)下分解造成水質(zhì)發(fā)黑發(fā)臭的現(xiàn)象），適宜濃度4 mg/L。但是，一定濃度的H2O2也可能影響水生植物生長。紀(jì)營雪等[23]用濃度為2、4、6、8、10 mg/L的H2O2溶液處理菱角葉片48 h，結(jié)果表明，光化學(xué)量子產(chǎn)量（Fv/Fm）均隨H2O2濃度增加而顯著下降，其中6、8、10 mg/L較高濃度處理24 h內(nèi)下降幅度較大（10 mg/L處理降幅99.6%），葉片基本處于死亡狀態(tài)；而2、4 mg/L低濃度處理雖然在24 h內(nèi)僅小幅下降，但處理48 h時(shí)則與較高濃度處理表現(xiàn)一致，葉片亦死亡。測定結(jié)果還顯示，暗適應(yīng)樣品的最大熒光（Fm）和光化學(xué)淬滅系數(shù)（qP）下降，暗適應(yīng)樣品的最小熒光（Fo）上升，說明植物光系統(tǒng)Ⅱ反應(yīng)中心被破壞，且H2O2濃度越高破壞作用越強(qiáng)。