廢水脅迫條件下生態(tài)溝渠盤(pán)培多花黑麥草的生長(zhǎng)適應(yīng)性

沈 燕,金斌斌

(浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院,浙江杭州 311231)

浙江省杭嘉湖區(qū)域是浙江省最大的糧食產(chǎn)區(qū),河道密布,溝渠縱橫[1].農(nóng)村生活污水作為農(nóng)業(yè)面源污染的一個(gè)重要組成部分,由于量大、分散、難于管理等特點(diǎn)一直沒(méi)有得到有效的控制和治理.隨著農(nóng)村經(jīng)濟(jì)和鄉(xiāng)村休閑旅游業(yè)的發(fā)展,浙江省杭嘉湖區(qū)域農(nóng)村人口承載量不斷增加,生活方式日趨城鎮(zhèn)化,生活污水排放源和排放量都在不斷增加.而早些年由于農(nóng)村建房缺乏規(guī)劃管理,杭嘉湖區(qū)域大多數(shù)農(nóng)村居民住宅布局較為零亂,基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)滯后,沒(méi)有完整的污水收集管網(wǎng)和污水處理設(shè)施,這些未經(jīng)處理的生活污水流經(jīng)溝渠后直接排入江河湖泊等水體中,或排出室外空地后任其滲入地下,成為農(nóng)村環(huán)境的重要污染源,造成農(nóng)村河道水體變黑發(fā)臭、魚(yú)蝦絕跡、蚊蠅孳生,生活污水中的病菌蟲(chóng)卵甚至?xí)鸺膊鞑?危害人們的身體健康.因此,對(duì)農(nóng)村生活污水治理進(jìn)行科技攻關(guān),從源頭上控制農(nóng)村面源污染,遏制水體富營(yíng)養(yǎng)化趨勢(shì),已經(jīng)成為河網(wǎng)水質(zhì)治理和解決重點(diǎn)流域水環(huán)境水質(zhì)惡化的最主要、最迫切的任務(wù)之一[2].同時(shí),浙江省杭嘉湖區(qū)域河道中也存在著嚴(yán)重的養(yǎng)豬場(chǎng)廢水污染問(wèn)題.近年來(lái),由于規(guī)模化集約化養(yǎng)豬業(yè)蓬勃發(fā)展,很多養(yǎng)豬場(chǎng)的大量廢水未經(jīng)回收利用與處理,而流經(jīng)溝渠后直接排放至河道,對(duì)水體造成嚴(yán)重污染,也對(duì)當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)、居民環(huán)境和飲用水源構(gòu)成直接的威脅.由于養(yǎng)豬業(yè)是微利行業(yè),受到自然與市場(chǎng)雙重風(fēng)險(xiǎn)的影響,難以承受過(guò)高的污水處理運(yùn)行費(fèi)用,而采用植物修復(fù)的方法來(lái)處理養(yǎng)豬場(chǎng)廢水,則具有效率高、處理方便、運(yùn)行成本低的特點(diǎn)[3-4].多花黑麥草(Lolium multiflorum Lam.)是一種冷季型牧草,具有適應(yīng)性強(qiáng)、生長(zhǎng)量大、再生能力強(qiáng)的特點(diǎn),是畜禽的優(yōu)質(zhì)青飼料[5].許多研究表明,多花黑麥草可以?xún)艋B(yǎng)豬場(chǎng)廢水、啤酒廢水、黃金廢水以及水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水等多種污水,以多花黑麥草為主構(gòu)建針對(duì)污水的生態(tài)凈化工程具有較好的環(huán)境效應(yīng)、生態(tài)效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)效益[6-9].本文通過(guò)生態(tài)溝渠降解污染物的試驗(yàn),采用在農(nóng)田排水溝渠鋪設(shè)盤(pán)培多花黑麥草的方法,利用其龐大密實(shí)的根系產(chǎn)生的機(jī)械濾清效果和植株生長(zhǎng)速度快而大量吸收污水中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的特點(diǎn),來(lái)降解流經(jīng)溝渠流向河道中的養(yǎng)豬場(chǎng)廢水和生活污水,著重分析盤(pán)培多花黑麥草在處理養(yǎng)豬場(chǎng)廢水和生活污水時(shí),其生長(zhǎng)情況和保護(hù)酶系統(tǒng)的變化,探索生態(tài)溝渠中多花黑麥草對(duì)不同富營(yíng)養(yǎng)化程度廢水的逆境生態(tài)適應(yīng)性,為陸生植物凈化農(nóng)田溝渠中各種污染物的推廣應(yīng)用提供理論依據(jù).

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)地點(diǎn)位于浙江省杭嘉湖平原腹地的平湖市新埭鎮(zhèn)民主村水稻田排水溝渠.該地區(qū)地處杭嘉湖平原,海拔較低,地勢(shì)平坦,田地成塊,溝渠呈網(wǎng)狀分布,溝渠坡度較小(＜0.2%).溝渠與河道落差小,溝渠常年保持一定水位.

選擇2條位置相對(duì)、距離相近的三面光渠道,一條溝渠中污水源為民主村養(yǎng)豬專(zhuān)業(yè)戶(hù)的養(yǎng)豬場(chǎng)廢水,另一條溝渠中的污水源為民主村衛(wèi)生院的生活污水,2條溝渠都長(zhǎng)約600m,溝渠中鋪設(shè)盤(pán)培多花黑麥草來(lái)進(jìn)行污水凈化,分別記為T(mén)1和T2.

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)?zāi)敛葸x用多花黑麥草,在浙江大學(xué)農(nóng)業(yè)生物環(huán)境工程研究所玻璃溫室內(nèi)培育,種植于育苗盤(pán)中[5],生長(zhǎng)時(shí)間為60d,經(jīng)過(guò)5次刈割,留茬高度為60mm,最后一次刈割為試驗(yàn)開(kāi)始前1天.育苗盤(pán)尺寸為:底面400mm×400mm,厚約0.7mm,含576個(gè)6mm×6mm方孔,孔面積為總面積的13%;上口430mm×430mm,高60mm,每盤(pán)播種量為5g,即31.3g/m2.育苗盤(pán)上墊層為3層無(wú)紡布(10g/m2),在育苗時(shí)能防止草籽滲漏,可吸水保濕和固定根系,草的根系通過(guò)育苗盤(pán)上側(cè)的上墊層和底面方孔后,在盤(pán)底形成一定厚度的密集的根網(wǎng).然后于2009年12月2日移植到平湖市新埭鎮(zhèn)民主村水稻田排水溝渠里.2條溝渠中廢水的污染物質(zhì)量濃度見(jiàn)表1.

表1 生態(tài)溝渠廢水中污染物初始質(zhì)量濃度Tab le 1 Initial concentrations of pollutants in wastewater in ecological ditch mg/L

1.3 試驗(yàn)方法

在生態(tài)溝渠中鋪設(shè)盤(pán)培多花黑麥草后,分別于6 d,12 d,18 d,24 d,30 d后對(duì)2條生態(tài)溝渠中的多花黑麥草植株進(jìn)行取材分析,測(cè)定其植物生物量和活性氧清除系統(tǒng)酶含量[10].

a.生物量測(cè)定:取邊長(zhǎng)為10 cm的正方形樣塊,齊根部剪下,將根洗凈,晾干,測(cè)量地上、地下生物量的鮮質(zhì)量,再將它們分別置于小鋁盒中,在105℃下烘干至恒重,測(cè)定干質(zhì)量.

b.葉綠素含量測(cè)定:采用分光光度法,用80%丙酮研磨提取后,分別在663nm,665nm和440nm波長(zhǎng)下測(cè)定光密度.

c.超氧化物歧化酶(SOD)活性測(cè)定[11]:采用氮藍(lán)四唑(NBT)光化還原法,723分光光度計(jì)在560nm波長(zhǎng)下測(cè)定吸光度值,以抑制NBT光化還原50%所需的酶量為1個(gè)酶活性單位(以鮮質(zhì)量計(jì)).整體試驗(yàn)平行重復(fù)3次.

d.POD酶活性測(cè)定[10]:酶液加樣完畢后,立即將酶標(biāo)板置于酶標(biāo)儀470 nm波長(zhǎng)下測(cè)定吸光值,每隔1min讀數(shù)1次,共讀15次.以在470nm波長(zhǎng)下每分鐘吸光度值變化0.01為1個(gè)POD酶活性單位.整體試驗(yàn)平行重復(fù)3次.

e.CAT酶活性測(cè)定:采用過(guò)氧化氫分解量法.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同富營(yíng)養(yǎng)化程度廢水脅迫對(duì)盤(pán)培多花黑麥草生長(zhǎng)的影響

不同富營(yíng)養(yǎng)化程度廢水脅迫對(duì)生態(tài)溝渠中盤(pán)培多花黑麥草的生長(zhǎng)情況影響是不同的.T1中多花黑麥草的生長(zhǎng)勢(shì)和生長(zhǎng)量明顯高于T2.試驗(yàn)結(jié)果表明,T1中多花黑麥草的地上部分鮮質(zhì)量為3432mg/m2,比T2的3115mg/m2高出10.2%.T1中多花黑麥草的地上部分干質(zhì)量為1103mg/m2,比T2的950mg/m2高出16.1%.T1中多花黑麥草的根鮮質(zhì)量為3015mg/m2,比T2的2975mg/m2高出1.3%.T1中多花黑麥草的根干質(zhì)量為923mg/m2,比T2的885mg/m2高出4.3%.T1中多花黑麥草地上部分高為17 cm,比T2的16 cm高出1 cm.這說(shuō)明多花黑麥草對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化程度相對(duì)較高的廢水有較強(qiáng)的生態(tài)適應(yīng)性.

2.2 不同富營(yíng)養(yǎng)化程度廢水脅迫對(duì)盤(pán)培多花黑麥草葉片葉綠素含量的影響

葉片中葉綠素含量是評(píng)價(jià)植物植株光合效率和營(yíng)養(yǎng)脅迫的重要指標(biāo),植株葉片中葉綠素含量越高,光合作用能力也就越強(qiáng),生態(tài)適應(yīng)性也就越強(qiáng).試驗(yàn)結(jié)果表明,T1中多花黑麥草的葉綠素a質(zhì)量比為1.61mg/g,比T2的1.29mg/g高出24.8%.T1中多花黑麥草的葉綠素b質(zhì)量比為0.90mg/g,比T2的0.87mg/g高出3.4%.這與多花黑麥草生物量的變化情況相一致.這是由于廢水的富營(yíng)養(yǎng)化程度越高,其所含的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)如氮、磷就越高,植物光合能力和生長(zhǎng)能力也就越強(qiáng).

2.3 不同富營(yíng)養(yǎng)化程度廢水脅迫對(duì)盤(pán)培多花黑麥草SOD酶活性的影響

SOD,POD和CAT酶共同組成植物體內(nèi)一個(gè)有效的活性氧清除系統(tǒng),逆境會(huì)影響植物的這個(gè)酶促系統(tǒng)[12-13].在不同廢水脅迫條件下的三面光渠道中鋪設(shè)盤(pán)培多花黑麥草后,其葉片SOD酶活性的測(cè)定結(jié)果表明,在處理的前期,各處理的多花黑麥草的SOD酶活性呈緩慢上升趨勢(shì),到第12天時(shí),各處理的多花黑麥草的SOD酶活性急劇上升.第18天后,各處理的多花黑麥草的SOD酶活性又有所下降,可能是隨著廢水脅迫時(shí)間的延長(zhǎng),多花黑麥草葉片SOD酶合成受到抑制.經(jīng)過(guò)短暫的適應(yīng)后,葉片SOD酶活性又開(kāi)始升高.這說(shuō)明了廢水脅迫誘導(dǎo)了多花黑麥草SOD酶活性的提高,同時(shí)也說(shuō)明了多花黑麥草對(duì)廢水脅迫環(huán)境有個(gè)逐步適應(yīng)的過(guò)程.

從圖1還可看出,不同富營(yíng)養(yǎng)化程度廢水脅迫對(duì)盤(pán)培多花黑麥草SOD酶活性的影響是不同的,T1多花黑麥草植株中的SOD酶活性一直高于T2多花黑麥草植株中的SOD酶活性.

多花黑麥草葉片SOD酶活性的變化表明了在生態(tài)溝渠中,盤(pán)培多花黑麥草對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化程度較高的養(yǎng)豬場(chǎng)廢水有著較高的逆境適應(yīng)性.

2.4 不同富營(yíng)養(yǎng)化程度廢水脅迫對(duì)盤(pán)培多花黑麥草POD酶活性的影響

對(duì)在不同廢水脅迫條件下多花黑麥草葉片POD酶活性進(jìn)行測(cè)定,結(jié)果(圖2)表明,在處理的前期,各處理的多花黑麥草葉片POD酶活性相對(duì)原始點(diǎn)(處理前)均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì),到第12天時(shí)出現(xiàn)最低值,但隨后POD酶活性急劇升高,從第12天時(shí)到第18天增大幅度最大,第18天后開(kāi)始下降.可能是隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng),POD酶合成也受到抑制,其活性也開(kāi)始下降.

圖1 廢水脅迫下生態(tài)溝渠中多花黑麥草SOD酶活性變化Fig.1 Variation of SOD activity of Lolium multiflorum Lam.under wastewater stress in ecological ditch

圖2 廢水脅迫下生態(tài)溝渠中多花黑麥草POD酶活性變化Fig.2 Variation of POD activity of Lolium multiflorum Lam.under wastewater stress in ecological ditch

從圖2還可看出,廢水中污染物濃度的不同對(duì)盤(pán)培多花黑麥草植株中的POD酶活性的影響存在著較大的差異.高濃度廢水條件下生長(zhǎng)的多花黑麥草POD酶活性始終高于低濃度廢水條件下生長(zhǎng)的多花黑麥草POD酶活性,從本研究來(lái)看,POD活性的變化表明多花黑麥草對(duì)高濃度的養(yǎng)豬場(chǎng)廢水條件下的適應(yīng)性要高于低濃度生活污水條件下的適應(yīng)性.

2.5 不同富營(yíng)養(yǎng)化程度廢水脅迫對(duì)盤(pán)培多花黑麥草CAT酶活性影響

圖3 廢水脅迫下生態(tài)溝渠中多花黑麥草CAT酶活性變化Fig.3 Variation of CAT activity of Lolium multiflorum Lam.under wastewater stress in ecological ditch

如圖3所示,T1多花黑麥草植株中的CAT酶活性同樣高于T2多花黑麥草植株中的CAT酶活性,第6天檢測(cè)出的T1多花黑麥草植株中的CAT酶活性為63min-1·g-1,比T2多花黑麥草植株中的CAT酶活性高173.9%.第24天檢測(cè)出的T1多花黑麥草植株中的CAT酶活性為78min-1·g-1,比T2多花黑麥草植株中的CAT酶活性高21.9%.第30天檢測(cè)出的T1多花黑麥草植株中的CAT酶活性為123m in-1·g-1,比T2多花黑麥草植株中的CAT酶活性高12.8%.從植株CAT酶活性的平均值來(lái)看,T1多花黑麥草植株中的CAT酶活性為87.4min-1·g-1,比T2多花黑麥草植株中的CAT酶活性要高38.3%.

3 結(jié) 語(yǔ)

農(nóng)業(yè)面源污染具有形成過(guò)程隨機(jī)性大、影響因子復(fù)雜、分布范圍廣、形成過(guò)程復(fù)雜、機(jī)制模糊、潛伏周期長(zhǎng)、危害大等特點(diǎn),由此導(dǎo)致研究和控制農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染難度加大.人工濕地、緩沖帶等生態(tài)工程被認(rèn)為是控制面源污染的有效措施并被國(guó)內(nèi)外廣泛采用[14].杭嘉湖區(qū)域人口密度高,而構(gòu)建人工濕地、緩沖帶、生態(tài)交錯(cuò)帶等生態(tài)工程需要占用大量土地,會(huì)進(jìn)一步加劇當(dāng)?shù)厝硕嗟厣俚拿?杭嘉湖區(qū)域處于浙江省北部平原地區(qū),地勢(shì)低平,農(nóng)田溝渠眾多且較為統(tǒng)一,如果利用現(xiàn)有農(nóng)田溝渠建成具有攔截功能的生態(tài)溝渠,就能減小農(nóng)業(yè)面源污染進(jìn)入河道湖泊等水體的風(fēng)險(xiǎn).因此,在浙江省杭嘉湖平原水稻田溝渠中,建設(shè)以盤(pán)培多花黑麥草為主要內(nèi)容的生態(tài)溝渠在降解農(nóng)業(yè)面源污染方面有著重要的意義.本文研究結(jié)果表明,在三面光渠道中鋪設(shè)盤(pán)培多花黑麥草后,養(yǎng)豬場(chǎng)廢水中的多花黑麥草植株的生長(zhǎng)勢(shì)和生長(zhǎng)量明顯高于生活污水中的多花黑麥草相應(yīng)指標(biāo),說(shuō)明高濃度污水中豐富的氮、磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)促進(jìn)了多花黑麥草的生長(zhǎng).同樣,養(yǎng)豬場(chǎng)廢水中的多花黑麥草植株的活性氧清除系統(tǒng)POD,SOD,CAT酶活性均明顯高于生活污水中的多花黑麥草相應(yīng)指標(biāo),說(shuō)明盤(pán)培多花黑麥草對(duì)溝渠中的高濃度廢水有著較強(qiáng)的生態(tài)適應(yīng)性.

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