4種木本植物在潛流人工濕地環(huán)境下的根系誘導

郝 君，陳永華，吳曉芙，梁 希，張富運

（中南林業(yè)科技大學 環(huán)境科學與工程研究中心，湖南 長沙410004）

4種木本植物在潛流人工濕地環(huán)境下的根系誘導

郝 君，陳永華，吳曉芙，梁 希，張富運

（中南林業(yè)科技大學 環(huán)境科學與工程研究中心，湖南 長沙410004）

為了讓木本植物更廣泛的應用于潛流人工濕地，采用單因子與正交設計2種方法對影響夾竹桃Nerium oleander、木槿Hibiscus syriacus、梔子Gardenia jasminoides、女貞Ligustrum lucidum 4種木本植物在潛流人工濕地環(huán)境下誘導根系生長的4個因素（切根程度，基質(zhì)類型，激素濃度和曝氣時間）在5種水平上進行優(yōu)化試驗。結果表明：正交設計采用直觀分析法獲得影響因素最佳反應水平與單因子試驗找出影響因素最佳反應水平有一定差異，通過綜合比較分析，夾竹桃最適合的切根方式是切根1/4，木槿、梔子最適合的切根方式是切根1/8，女貞最適合的切根方式是切根1/2；夾竹桃最適宜的基質(zhì)是泥炭土，木槿、梔子最適宜的基質(zhì)是蛭石，女貞最適宜的基質(zhì)是珍珠巖；夾竹桃、木槿最合適的生根劑濃度為1 000 mg/kg，梔子、女貞不適宜添加過高濃度的生根劑；夾竹桃最合適的曝氣時間是每日8 h，木槿、女貞最合適的曝氣時間是每日16 h，梔子最合適的曝氣時間是每日12 h。關鍵詞：木本植物；根系誘導；正交設計；基質(zhì)

植物是人工濕地系統(tǒng)的重要組成部分，目前潛流人工濕地應用的植物基本為：香蒲、千屈菜、水蔥、花葉蘆竹、美人蕉、花菖蒲、菖蒲、蘆葦、再立花、風車草、梭魚草等草本植物[1-3]。我國屬于亞熱帶地區(qū)，目前該地區(qū)廣泛應用的這些人工濕地植物一般到了冬季時地上部分會逐漸枯死，出現(xiàn)“一歲一枯榮”的草本植物自然枯死更新現(xiàn)象，這就造成人工濕地系統(tǒng)冬季時水質(zhì)處理效果不穩(wěn)定和景觀效果較差的問題。系統(tǒng)處理效果的穩(wěn)定性是人工濕地技術的關鍵，也是亞熱帶地區(qū)人工濕地大面積推廣運行的難點。

為了解決上述問題，將木本植物引入潛流型人工濕地，但是潛流人工濕地的水生環(huán)境對木本植物最大的影響是造成木本植物缺氧死亡，我們發(fā)現(xiàn)用潛流人工濕地系統(tǒng)中污水在濕地床的表層10～20 cm下流動的工藝特點，也就是說利用這個相對氧氣濃度較高的表層，進行木本植物根系誘導技術研究，使植物根系的組織結構，長出水生根系，達到最終完全對水環(huán)境具有較強的適應性目的。如果能夠將安全越冬的木本植物應用到潛流人工濕地中，既可解決冬季人工濕地多數(shù)草本植物枯死的問題，又能擴大了人工濕地植物的篩選范圍，增加物種的多樣性和景觀性，具有很好的應用前景。

本試驗在潛流型人工濕地環(huán)境，設計單因子與正交設計2種方法對影響4種木本植物（夾竹桃，木槿，梔子和女貞）在潛流人工濕地環(huán)境下誘導根系生長的4個因素（切根程度，基質(zhì)類型，激素濃度和曝氣時間）在5種水平上進行優(yōu)化根系誘導優(yōu)化，最終確定引入人工濕地的4種陸生木本植物的最佳環(huán)境條件，為將木本植物引入潛流型人工濕地解決人工濕地冬季植物問題提供技術參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

夾 竹 桃Nerium oleander， 木 槿Hibiscus syriacus， 梔 子Gardenia jasminoides和 女 貞Ligustrum lucidum生長狀況一致幼株，各100株備用。

1.2 試驗條件

采用相同規(guī)格長方體小型移動式潛流人工濕地箱（70 cm×45 cm×25 cm）25個，作為種植培育植物的人工濕地設備，保持水位在濕地床的表層10～20 cm下。4臺小型曝氣裝置，每個裝置具有5根輸出管道，每個輸出管道分別接通各個小型人工濕地箱的底部用分氣管道鋪設均勻，各裝置分別設定曝氣時間分別為：8、12、16和24 h。5種基質(zhì)包括泥炭土、活性炭、珍珠巖、沸石和蛭石。生根粉為國光生根粉（生產(chǎn)），有效成分含量為20%。

1.3 試驗方法

1.3.1 正交設計試驗

針對影響植物生理狀況的切根程度、基質(zhì)類型、激素濃度和曝氣時間4個因素，選用L25(5^4)正交表在5個水平上試驗。影響因素水平分析見表1，L25(5^4)正交設計方案[4]見表2。對結果進行直觀分析，確定4種植物根系生長影響因素的最佳水平。

表1 影響因素水平Table 1 Factors and their concentrations

表2 正交試驗設計Table 2 Orthogonal design

1.3.2 試驗處理方法

處理分為5個步驟。①分株：在備用植物中挑選長勢良好，大小均勻的植株，貼上編號標簽，并進行分株，每種植物挑選3株，4種植物（共12株）共同進行同一個處理。②洗根、切根：用自來水清洗根部，按照標簽對植物分別進行5種切根處理修剪，并且只保留少量的葉片。③激素誘導：植物根系清洗干凈后，按照標簽放置在預先配制好的0、1 000、2 000、4 000和8 000 mg/kg不同濃度的生根粉溶液容器中，以淹沒全部根系為標準，浸泡時間為1 h。④基質(zhì)種植：根據(jù)標簽分類，分別用5種基質(zhì)包裹住植株的基部，使其固定在25個小型移動式潛流人工濕地箱中培養(yǎng)，每個裝置中各分別按行列種植4種植物，每種植物試種3株。⑤曝氣：待植物種植完畢后，通過曝氣裝置進行預設定時間的曝氣。

1.3.3 測定的項目及方法

測定根系的發(fā)根數(shù)、根長（單位分別為：根和cm），記錄植物新葉數(shù)量及生長勢。發(fā)根數(shù)的測定是3株植物發(fā)根的平均值，根長是測量3株植物中最長的根[5]，根數(shù)、根長在植物生長的第一階段（2012年5月19日）和第二階段（2012年6月1日）各測量定1次。

2 結果與分析

2.1 根系誘導單因子試驗結果與分析

2.1.1 不同切根程度對植物發(fā)根數(shù)和根長的影響

從4種植物在不同切根程度下根系誘導情況（表3）可知，不同切根程度對夾竹桃、木槿、梔子3種植物的根長影響較小，但對發(fā)根數(shù)量影響很大。發(fā)根數(shù)量排名夾竹桃為：切1/4＞不切根＞切1/8 ＞切1/2＞全切，切1/4最多平均達到68.3條，全切根最少只有9.7條；木槿為：切1/8＞切1/2＞不切根＞切1/4＞全切，最多平均達到105.3條，最少有44.8條；梔子為：切1/8＞切1/2＞切1/4＞不切根＞全切，最多平均達到71.3條，最少為19.7條。但是，不同切根程度對女貞的發(fā)根數(shù)量影響很大，全切根和不切根都沒有發(fā)根，發(fā)根數(shù)量排名為：切1/2＞切1/8＞切1/4。

表3 不同切根程度影響下植物平均生根情況Table 3 Rooting states of different kinds of cutting root effect

2.1.2 不同基質(zhì)類型對植物發(fā)根數(shù)和根長的影響

從4種植物在不同基質(zhì)類型條件下根系誘導情況（表4）可以得出，4種植物對發(fā)根數(shù)量和長度在不同的基質(zhì)中差異很大，夾竹桃發(fā)根數(shù)量排名為：泥炭土＞蛭石＞活性炭＞珍珠巖＞沸石，在泥炭土中最多平均達到94.9條，沸石中最少只有15.8條；木槿為：蛭石＞沸石＞泥炭土＞ 活性炭＞珍珠巖，最多平均達到147.4條，最少也有51.4條，最長根能達到8.7cm；梔子為：蛭石＞珍珠巖＞沸石＞泥炭土＞活性炭，最多平均達到71.3條，最少為19.7條；對女貞而言，基質(zhì)類型對其影響較明顯，在泥炭土和活性炭中完全沒有發(fā)根，發(fā)根數(shù)量排名為：珍珠巖＞蛭石＞沸石。

表4 不同基質(zhì)類型條件下植物平均生根情況Table 4 Rooting states of different kinds of substrate forms

2.1.3 不同激素濃度對植物發(fā)根數(shù)和根長的影響

從4種植物在不同激素濃度環(huán)境下根系誘導情況（表5）可知，在一定范圍內(nèi)，隨著激素濃度的升高，發(fā)根數(shù)越多，但是濃度過高會抑制植物發(fā)根。夾竹桃、木槿的發(fā)根數(shù)和根長在不同生根劑濃度中的排名基本一致，夾竹桃、木槿最適合的激素濃度為1 000 mg/kg時，夾竹桃發(fā)根數(shù)最多平均為57.6條，木槿最多平均能夠達到131.1條。梔子、女貞對激素的濃度要求較低，在濃度超過1 000 mg/kg時均死亡，而在激素濃度為0時，發(fā)根數(shù)最多分別為：42.7條和35.8條，因此梔子、女貞不適宜采用過高濃度的生根劑。

表5 不同激素濃度影響下植物平均生根情況Table 5 Rooting states of different kinds of hormone density

2.1.4 不同曝氣時間對植物發(fā)根數(shù)和根長的影響

從4種植物在不同曝氣時間下根系誘導情況（表6）可知，曝氣時間對4種植物的發(fā)根數(shù)和根長的影響很大。發(fā)根數(shù)量排名夾竹桃為：8 h＞0 h＞16 h＞12 h＞24 h，最多平均達到86條，最少也有34.3條；木槿為：16 h＞0 h＞8 h＞24 h＞12 h，最多平均達到124.8條，最少為49.8條；梔子為：8 h＞12 h＞16 h＞0 h＞24 h，最多平均達到71.3條，最少為19.7條；女貞為：16 h＞8 h＞12 h，最多平均達到40條，最少也有29.3條。

表6 不同曝氣時間影響下植物平均生根情況Table 6 Rooting states of different kinds of aeration time

2.2 根系誘導正交設計直觀分析

根據(jù)L25(5^4)正交試驗現(xiàn)場記錄植物發(fā)根數(shù)和根長的結果分析要求，從高到低依次打分。根系最長、發(fā)根數(shù)最多的記為9分，與此相反，最差的記為0分。如表7所示，4種植物25個組合的分數(shù)依次如下。

表7 植物發(fā)根數(shù)和根長直觀評分Table 7 Intuitive analysis of root number and length

根據(jù)分數(shù)求出每個因素同一水平下的試驗值之和ki以及每一因素水平下的數(shù)據(jù)平均值ki，并求出同一因素不同水平間平均值的極差R，見表8。

極差R反映了影響因素對反應體系的影響情況，R越大，影響越顯著。由表8可知，各因素水平的變化對夾竹桃發(fā)根數(shù)和根長影響從大到小依次為：激素濃度、切根程度、填料類型、曝氣時間；對木槿的影響從大到小為：激素濃度、填料類型、曝氣時間和切根程度；而對梔子和女貞而言，影響最大的均為激素水平。

每一因素水平下的數(shù)據(jù)平均值ki反映了影響因素各水平對反應體系的影響情況，ki值越大，反應水平越好。由表8可知，影響夾竹桃發(fā)根數(shù)和根長生長因素的最佳水平為：切根1/4、泥炭土、激素濃度0～1 000 mg/kg、曝氣16 h/d；木槿：切根1/8、1/4、1/2、蛭石、激素濃度1 000 mg/kg、曝氣16 h/d；梔子：切根1/8、蛭石、激素0、曝氣8 h/d；女貞：切根1/2、珍珠巖、激素0、曝氣16 h/d。從正交表（表2）中可以看出，編號為18的女貞和編號為10的梔子與分析結果基本一致，而夾竹桃、木槿的4個因素的最佳水平組合并沒有在正交表中出現(xiàn)，但都有分值接近的編號，分別為：11號和6號、15號和10號。因此，正交設計采用直觀分析法獲得影響因素最佳反應水平與單因子試驗找出影響因素最佳誘導水平有一定差異，在使用正交設計進行誘導體系優(yōu)化時，也需要經(jīng)過直觀分析，通過綜合比較分析才能夠得到較好的誘導體系。

表8 正交設計直觀分析Table 8 Intuitive analysis of orthogonal design

3 討 論

潛流人工濕地對于絕大多數(shù)木本植物來說是一種缺氧的環(huán)境，根系缺氧容易造成植物生理上的變化，跟著形態(tài)結構也發(fā)生變化，一般植物根系在缺氧信號的脅迫下，分泌出纖維素酶，分解纖維素，導致細胞自溶形成通氣組織，最后在外觀上可以看出植物根系長出了水生根，這種根系具有發(fā)達的通氣組織可以適應水生環(huán)境[6-8]。將木本植物應用于潛流人工濕地中最關鍵技術是能夠將木本植物根系進行根系誘導，讓其長出水生根，讓其適應潛流型人工濕地環(huán)境。對于部分木本種植物可以適應水生環(huán)境的研究已經(jīng)有報道，如陸松柳[8]，羅杰[9]，張允偉[10]，趙蘭枝[11]等分別對水柳，月季，夾竹桃，木槿等植物進行了研究，結果表明，這些木本植物根系發(fā)達，耐水濕，耐寒是適宜人工濕地生長的優(yōu)良植物。梔子的環(huán)境適應能力強，女貞須根發(fā)達，生長快，也可作為潛流人工濕地系統(tǒng)的配置植物進行應用[12-14]。而本研究的重點是在人工控制條件下進行根系誘導試驗，旨在得到在潛流人工濕地中進行木本植物根系誘導最佳環(huán)境條件。

目前根系誘導技術的主要研究集中在水培花卉上，為了擴大花卉的篩選范圍，我們將木本植物進行潛流人工濕地誘導，由此產(chǎn)生了根系誘導技術，根系誘導技術在地表水體的治理方面已經(jīng)有較多研究和工程應用[15-18]。然而，植物根系誘導是一個復雜的過程，植物種類、切根程度、基質(zhì)類型、激素濃度和曝氣時間都對植物的生根產(chǎn)生很大影響。該試驗研究中可以看出，切根1/2和1/4對植物根系的生長有一定的促進作用，全切根對于木槿這種適宜扦插的植物根系的生長更有利?；|(zhì)的物理性狀及營養(yǎng)對生根效果影響極大，蛭石、泥炭土和珍珠巖對一般植物的生根效果較好，因為對根系誘導的植物而言，通氣孔隙度較小或適中時,有利于愈傷組織形成、生根及根系生長[19-20]。生根劑對生根有促進作用，能加快扦插苗生根速度，提高扦插苗成活率，促進提早生根和增加生根數(shù)量，但是濃度使用不當時，不僅不會促進提早生根，還會導致插條死亡[21-22]。曝氣使植物根區(qū)氧氣得以從分的利用，在一定范圍內(nèi)（8～16 h）曝氣對增強植物根系誘導起促進作用。

[1] Brix H. Use of constructed wetland in water pollution control:historical development, present status, and future perspectives[J]. Water Sci&Tech,1994, 30(8): 209-223.

[2] Huett D O, Morris S G, Smith G, et al. Nitrogen and phosphorus removal from plant nursery runoff in vegetated and unvegetated subsurface fl ow wetlands[J]. Water Res.,2005,39: 3259-3272.

[3] 陳永華,吳曉芙,陳明利,等.人工濕地污水處理系統(tǒng)冬季植物的篩選與評價[J].環(huán)境科學, 2010,31(8):1789-1794.

[4] 王希田, 溫廣玉. 概率論與數(shù)理統(tǒng)計[M]. 哈爾濱: 東北林業(yè)大學出版社, 1999.

[5] 陳文音, 陳章和, 何其凡. 兩種不同根系類型濕地植物的根系生長[J]. 生態(tài)學報, 2007, 27(2): 450-457.

[6] 陳永華, 吳曉芙, 胡曰利, 等. 花卉水培的機理與應用[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學, 2007, 35(32): 10291-10293.

[7] House C H. Combining constructed wetlands and soil filter for reclamation and reuse of water[J]. Ecological Engineering.1999,12:27-38.

[8] 陸松柳,胡洪營,孫迎雪,等. 3種濕地植物在水培條件下的生長狀況及根系分泌物研究[J]. 環(huán)境科學, 2009, 30(7): 1901-1905.

[9] 羅 杰,謝宜勤,朱宗彥.不同基質(zhì)對月季半成熟枝扦插繁殖的影響[J].安徽農(nóng)業(yè)科學, 2005, 33(7): 1211-1212.

[10] 張允偉. 夾竹桃水培繁殖試驗[J]. 廣西園藝, 2007, 18(3): 31-33.

[11] 趙蘭枝, 劉振威, 張允偉, 等. 木槿水培繁殖研究[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學, 2006, 34(10): 2100-2107.

[12] 陳永華, 吳曉芙. 人工濕地植物配置與管理[M]. 北京: 中國林業(yè)出版社, 2012.

[13] 陳永華, 吳曉芙, 張冬林, 等.不同營養(yǎng)液濃度與配方對水培觀賞植物的影響[J].中南林業(yè)科技大學學報,2007,12(6):34-37.

[14] 陳永華, 吳曉芙, 陳明利, 等. 不同基質(zhì)及生根劑濃度對五種園林植物扦插生根的影響[J].北方園藝, 2009,(2): 194-196.

[15] 徐偉忠, 朱麗霞, 趙 根. 生態(tài)適應性在植物水生誘導上的運用[J]. 亞熱帶植物科學, 2006, 35(3): 28-32.

[16] Foni C, Chen J. Evaluation of the fem azolla for growth, nitrogen and phosphorus removal form wastewater. [J] Water Research,2001,35(6):1592-1598.

[17] Boonsong K, Piyatiratitivorakul S, Patanaponpaiboon P. Potential use of mangrove plantation as constructed wetland for municipal wastewater treatment[J]. Water Sci. & Tech., 2003,48:257-266.

[18] 王 超, 任勇翔, 張 海, 等. 水培技術作為人工濕地預處理工藝可行性研究[J].中國環(huán)境科學, 2010, 30(8): 1079-1085.

[19] 林存杰, 趙 玲, 江 偉. 常見花卉的扦插繁殖技術[J]. 吉林農(nóng)業(yè), 2005, 22(10): 16.

[20] 趙 珊, 張 軍, 陳 沉. 木本植物作為人工濕地植物的可行性試驗[J]. 凈水技術, 2012, 31(1): 73-79.

[21] 耿 芳, 張冬林, 李志輝, 等. IBA生根劑對卡羅來納杜鵑插條生根的影響[J]. 華中農(nóng)業(yè)大學學報, 2008, 27(1): 127-130.

[22] 許曉崗, 趙九洲, 童麗麗,等. 生長調(diào)節(jié)劑對木本花卉扦插生根的影響機理研究[J]. 江西林業(yè)科技, 2006, (1): 33-36.

Study on induced root of 4 woody plants with subsurface fl ow constructed wetlands

HAO Jun, CHEN Yong-hua, WU Xiao-fu, LIANG Xi, ZHANG Fu-yun
(Research Center of Environment Science and Engineering, Central South University of Forestry and Technology,Changsha 410004, Hunan, China)

Abstrac: The aim was to expand application of 4 woody plants in subsurface fl ow constructed wetlands (SSFCWs), the optimization experiment with single factor and orthogonal design methods was conducted to 4 factors (root cutting effect, substrate forms, hormone density, aeration time)which inf l uenced the growth of reduced root of 4 woody species (Nerium oleander, Hibiscus syriacus, Gardenia jasminoides, Ligustrum lucidum) under 5 levels. The results indicate that the best response level of influencing factors have some differences between the visual analysis methods and single factor tests. On the basis of comprehensive analysis, it was found that the most appropriate root cutting for N. oleander was 1/4, H. syriacus and G. jasminoides was 1/8, L. lucidum was 1/2. The most appropriate substrate for N. oleander was peaty soil, H. syriacus and G. jasminoides was vermiculite, L. lucidum was perlite. The most appropriate rooting of hormone density for N. oleander and H. syriacus was 1 000 mg/kg, high hormone density was not suitable for G. jasminoides and L. lucidum. The most appropriate aeration time for N. oleander was 8 hours per day, H. syriacus and L. lucidum was 16 hours per day, and G. jasminoides was 12 hours per day.

woody plant; rooting induction; orthogonal design; substrate

S719

A

1673-923X(2012)12-0046-05

2012-06-13

環(huán)保公益性行業(yè)科研專項（200909066）；國家科技支撐計劃項目(2012BAC09B03)；湖南省科技計劃項目（2012SK3167）；湖南省環(huán)境科學與工程重點學科建設項目

郝 君(1987-)，男，河南信陽人，碩士研究生，研究方向：環(huán)境生態(tài)學

陳永華(1977-)，男，湖南株洲人，副教授，博士后，碩士研究生導師，研究方向：環(huán)境生態(tài)學；

E-mail: chenyonghua3333@163.com

[本文編校：吳 彬]