再生水對兩種綠地植物光合特性及葉綠素含量的影響

劉金榮,張 旭,楊有俊,劉譯鍇,柳 莉

(蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院 草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點實驗室，甘肅 蘭州 730020)

再生水對兩種綠地植物光合特性及葉綠素含量的影響

劉金榮,張 旭,楊有俊,劉譯鍇,柳 莉

(蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院 草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點實驗室，甘肅 蘭州 730020)

為拓寬再生水在城市綠地灌溉中的應(yīng)用范圍,采用盆栽試驗，通過對白三葉(Trifoliumrepens)和紫花苜蓿(Medicagosativa)主要光合指標(biāo)及葉綠素含量的測定，研究了再生水灌溉對這兩種常見綠地植物的影響。結(jié)果表明，再生水灌溉下白三葉和紫花苜蓿各光合指標(biāo)在一定時期均不同程度優(yōu)于自來水灌溉，再生水灌溉后期白三葉凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)和胞間CO2濃度(Ci)顯著高于自來水灌溉，兩種植物Tr、Pn、Ci的變化與Gs密切相關(guān)；再生水灌溉對兩種綠地植物的熒光參數(shù)(Fv/Fm)和葉綠素含量的影響與自來水灌溉相比差異不顯著。由此可見，再生水對白三葉和紫花苜蓿的生長未造成脅迫，且有一定的促進(jìn)作用。

再生水；綠地植物；光合特性；葉綠素

白三葉(Trifoliumrepens)廣泛分布于溫帶及亞熱帶高海拔地區(qū)，與禾本科草坪相比，白三葉在管理上不需頻繁修剪、需肥少、節(jié)省人力物力，常用于城市大面積綠化地的建植。紫花苜蓿(Medicagosativa)是我國種植面積最大的栽培牧草[1]，同時由于苜蓿生長年限長，根系發(fā)達(dá)，也是進(jìn)行水土保持、恢復(fù)生態(tài)建設(shè)以及發(fā)展栽培草地不可缺少的主要綠地植物之一[2]。

近年來，城市人口激增和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，以及城市綠地的大規(guī)模建設(shè)，加劇了城市生活、工業(yè)與環(huán)境用水的矛盾，再生水利用技術(shù)日益受到人們的重視。再生水(Reclaimed Water)也稱中水，是生活污水和工業(yè)廢水經(jīng)過處理后水質(zhì)達(dá)到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，在一定范圍內(nèi)能重復(fù)使用的非飲用水[3-4]。再生水灌溉在我國農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用有了很大發(fā)展，對其在綠地灌溉中的應(yīng)用等方面也開展了不少研究[5-6]，但多集中在禾本科草坪草、喬木、灌木等植物生長及土壤理化性質(zhì)方面[7-8]，有關(guān)其對植物光合特性影響的研究較少，且鮮見有關(guān)再生水灌溉白三葉和紫花苜蓿這兩種綠地植物的報道。目前，甘肅地區(qū)的再生水灌溉技術(shù)比較滯后，再生水灌溉對城市綠地影響的研究尚未見報道?；诖?，本研究采用溫室盆栽培養(yǎng)分析白三葉和紫花苜蓿這兩種綠地植物的葉片葉綠素含量、光合作用能力等對再生水灌溉的響應(yīng)，旨在為大面積綠地植物的再生水灌溉利用提供科學(xué)的理論依據(jù)。

1 試驗材料與方法

1.1試驗材料

1.1.1供試水 試驗灌溉用水來自蘭州大學(xué)榆中校區(qū)污水處理中心(表1)。

1.1.2供試植物 供試綠化植物為白三葉和紫花苜蓿，種子由美國百綠集團提供。

表1 試驗再生水和自來水水質(zhì)指標(biāo)Table 1 Quality index of reclaimed water and tap water

1.2試驗方法 試驗于2011年5-10月在蘭州大學(xué)榆中校區(qū)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院人工智能溫室進(jìn)行，溫室環(huán)境條件設(shè)定為白天25 ℃(07:00-21:00)，晚上19 ℃(21:00-07:00)，相對濕度65%，光照強度800 μmol·m-2·s-1。將白三葉和紫花苜蓿種子分別撒播于直徑11 cm，深15 cm的花盆內(nèi)，每盆播種10～15粒，出苗1周后定苗，每盆保留5株。盆中裝當(dāng)?shù)卦?.35 kg，土壤類型為黃綿土，基本理化指標(biāo)如下：pH值7.44，容重1.29 g·cm-3，有機質(zhì)含量0.737%，全氮0.058 9%，速效磷含量4.77 mg·kg-1，速效鉀含量132.95 mg·kg-1。

試驗采用完全隨機設(shè)計，出苗1周后將每種試驗綠地植物都分為兩組,并對兩種綠地植物分別進(jìn)行灌溉處理，對照組采用自來水灌溉，處理組采用再生水灌溉，每次定量澆灌(約350 mL)。進(jìn)行草坪養(yǎng)護(hù)管理并及時防治病蟲害。自2011年7月8日開始，每隔25 d測定光合指標(biāo)及葉片葉綠素含量，共測5次，于10月16日處理結(jié)束。

1.3測定指標(biāo)及方法 凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、胞間CO2濃度(Ci)、氣孔導(dǎo)度(Gs)利用Li-6400型便攜式光合儀測定，測定時間為08:30-11:30；熒光參數(shù)Fv/Fm，選取生長一致且受光方向相同的連體葉片，充分暗適應(yīng)后用便攜式調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨xPAM-2100測定；葉綠素含量參照楊振德[9]的分光光度法。

用SPSS 17.0軟件對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，用SigmaPlot 10.0軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1凈光合速率 使用再生水灌溉后，各時期內(nèi)紫花苜蓿的Pn與自來水之間無顯著差異(Pgt;0.05)；白三葉使用再生水灌溉后，從8月2日測定指標(biāo)開始到試驗結(jié)束，同一時期Pn均顯著大于自來水灌溉 (Plt;0.05)，各測定期內(nèi)再生水灌溉的Pn值分別比自來水灌溉高出52.53%、51.64%、42.97%和77.41%(圖1A)。

各測定期之間進(jìn)行比較，9月21日測定的Pn值顯著高于其它時期的測定值(Plt;0.05)(圖1A)。

圖1 再生水和自來水灌溉下兩種綠地植物光合參數(shù)的變化Fig.1 Variation of the two greenbelt plants’ photosynthetic parameter under reclaimed water and tap water irrigation

注：*表示兩種水質(zhì)灌溉之間存在顯著差異(Plt;0.05)。下同。

Note: * mean significant difference under two kinds of water irrigation at 0.05 level. The same below.

2.2蒸騰速率 同一時期內(nèi)紫花苜蓿再生水灌溉較自來水Tr無顯著差異(Pgt;0.05)，再生水灌溉的白三葉，在9月21日與10月16測定的Tr顯著高于自來水(Plt;0.05)，較自來水分別高187%和99%(圖1B)。

2.3氣孔導(dǎo)度 各時期內(nèi)，紫花苜蓿再生水灌溉與自來水之間Gs值差異不顯著。再生水灌溉白三葉Gs值在8月27、9月21日和10月16日與自來水之間差異顯著(Plt;0.05)，到10月16日較自來水增加108%(圖1C)。

2.4胞間CO2濃度 9月21日測定紫花苜蓿Ci，再生水灌溉顯著高于自來水灌溉(Plt;0.05)。白三葉在8月27日、9月21日和10月16日再生水灌溉下Ci值顯著高于與自來水灌溉(Plt;0.05)。兩種綠地植物各時期間Ci值差異不顯著(圖1D)。

2.5葉片葉綠素含量 與自來水相比，再生水灌溉的白三葉和紫花苜蓿的葉片葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素含量均差異不顯著(Pgt;0.05)(圖2)。

圖2 再生水和自來水灌溉下兩種綠地植物葉綠素含量的變化Fig.2 Variation of the two greenbelt plants’ chlorophyll content under reclaimed water and tap water irrigation

2.6葉片熒光參數(shù) 各時期內(nèi)兩種綠地植物再生水灌溉與自來水灌溉之間無顯著差異(Pgt;0.05)，不同測定時期間Fv/Fm也無顯著差異(圖3)。由此可見，再生水灌溉未對這兩種綠地植物PSⅡ的最大光化學(xué)效率造成影響。

圖3 再生水和自來水灌溉下兩種綠地植物熒光參數(shù)的變化Fig.3 Variation of the two greenbelt plants’ photochemical efficiency (Fv/Fm) under reclaimed water and tap water irrigation

3 討論

植物的Pn、Tr、Gs、Ci及Fv/Fm可以反映植物的生長狀況。再生水灌溉影響綠地植物的途徑多種多樣，其會影響綠地植物自身代謝、物質(zhì)及氣體交換，從而直接或間接地影響光合作用的各項指標(biāo)，包括Pn、Tr、Gs和Ci等[5]。植物的Pn、Tr、Ci的變化與Gs密切相關(guān)[10-11]。Tr是反映植物水分代謝的一個重要生理指標(biāo)[12]。Gs反映了植物氣孔傳導(dǎo)CO2和水汽的能力，其開度的大小與Tr密切相關(guān)[13]。在不同水質(zhì)灌溉下植物可通過調(diào)節(jié)Gs的大小來控制CO2和H2O的傳導(dǎo)。本研究使用再生水灌溉兩種綠地植物后，Gs隨灌溉時間的延長而發(fā)生變化，且Gs變化與Tr、Pn、Ci的變化保持在同一水平。再生水灌溉下，兩種綠地植物的Pn、Tr、Gs和Ci在一定時期均高于自來水灌溉，后期再生水灌溉下白三葉Pn、Tr、Gs顯著高于自來水灌溉，說明再生水灌溉促進(jìn)了植物的光合作用，這可能與再生水中豐富的氮磷等營養(yǎng)元素及微量離子有關(guān)[14-17]。在N、P等充足的情況下，植株光合作用所需的各種酶、NADP+和ATP的合成增加，光合作用原初反應(yīng)、電子傳遞和光合磷酸化、碳同化活性增加[18]，最終增強植物光合作用，從而促進(jìn)植物生長。李康等[19]研究再生水(二級水、三級水)灌溉對冬小麥(Triticumaestivum)形態(tài)及光合特性的影響表明，在光合和蒸騰速率方面，三級水灌溉處理冬小麥較其它處理表現(xiàn)較好，這與本研究結(jié)果一致。本研究中，再生水灌溉后期測定的各光合參數(shù)有所下降，可能與再生水中所含鹽分和其它有害離子有關(guān)，前期積累少，植物未受到影響，后期由于鹽分等的增多導(dǎo)致氣孔關(guān)閉、Tr減小、Pn隨之下降，但差異不顯著，未影響到植物正常生長。有研究表明，兩種綠地植物的光合生理沒有受到再生水灌溉的影響。

葉綠素是植物進(jìn)行光合作用的重要色素，其含量的高低直接影響著植物光合作用的光能利用效率[20]。本研究中，再生水灌溉兩種綠地植物后，與自來水比較總?cè)~綠素、葉綠素a和葉綠素b含量均無顯著差異，未造成不良影響，這與王北洪等[21]的研究結(jié)果一致。可能是因為兩種綠地植物本身具有較好的耐氯性，且本研究所用的再生水中氯化物含量(214 mg·L-1)還未達(dá)到其上限值。葉綠素?zé)晒鈪?shù)，即PSⅡ的最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)[22]，作為反映PSⅡ活性中心的光能轉(zhuǎn)化效率的參數(shù)，極少變化[23]，一般恒定在0.80～0.85，只有在發(fā)生光抑制的情況下Fv/Fm值才會降低[24]。本研究中，再生水灌溉下兩種綠地植物的Fv/Fm保持穩(wěn)定，未造成顯著影響。有研究證實，色素含量增加，初始熒光Fo升高，PSII受到影響[25]，可見與其關(guān)系最密切的是葉綠素濃度。這就可以從葉綠素的角度證明，本研究中再生水灌溉未影響葉片色素含量，故沒有影響PSII，所以Fv/Fm未受到影響。而且本研究中Fv/Fm數(shù)值都在0.82～0.84，說明它們均處于非光逆境環(huán)境條件下，再生水灌溉對Fv/Fm未造成影響。

很多研究表明，植物的光合特性和葉片葉綠素含量、Fv/Fm有一定的正相關(guān)關(guān)系，本研究卻出現(xiàn)不同的結(jié)果，再生水灌溉下白三葉光合存在顯著差異，但是葉綠素含量、Fv/Fm未發(fā)生明顯變化，這一結(jié)果與盧振蘭等[26]的研究結(jié)果類似。原因可能是再生水中含有多種營養(yǎng)成分及各種重金屬，短期連續(xù)澆灌后其在土壤中含量迅速增加到高點，使兩種植物需要更長的時間來適應(yīng)土壤環(huán)境變化。另一方面，再生水成分復(fù)雜，既有豐富的有機營養(yǎng)物質(zhì)，也含有一定的重金屬，在N、P等營養(yǎng)充足與否情況下，重金屬對植物的影響也是不同的[18]，同時重金屬含量不同對植物的影響以及影響機制也有所不同[27-29]。再生水短期灌溉后兩種綠地植物反應(yīng)復(fù)雜，所表現(xiàn)的是促進(jìn)和抑制協(xié)同作用的結(jié)果。由此可見，再生水應(yīng)用于綠地植物，需考慮分期澆灌，進(jìn)行自來水與再生水交替灌溉，盡可能降低再生水不同水質(zhì)對植物的不利影響。

4 結(jié)論

兩種綠地植物在為期5個月的再生水灌溉下生長正常。本研究從這兩種常見綠地植物光合生理上再一次驗證了再生水灌溉不會對其產(chǎn)生脅迫危害，再生水作為城市綠地灌溉用水具有非常好的應(yīng)用前景。但是本研究灌溉期較短，再生水灌溉方式及重金屬毒害作用與營養(yǎng)元素的協(xié)同作用機理需深入研究，長期再生水灌溉的影響還有待進(jìn)一步試驗研究。總言之，在蘭州地區(qū)，再生水用于城市綠地灌溉具有寬闊的推廣應(yīng)用前景，對解決蘭州地區(qū)水資源的緊缺問題有深遠(yuǎn)的意義。

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Influenceofreclaimedwateronphotosyntheticcharacteristicandchlorophyllcontentofthetwogreenbeltplants

LIU Jin-rong, ZHANG Xu, YANG You-jun, LIU Yi-kai, LIU Li

(Sate Key Laboratory of Grassland Agro-ecosgstems, College of Pastoral Agriculture Science and Technology, Lanzhou University, Lanzhou 730020, China)

In order to broaden the application range of reclaimed water in urban greenbelt, a pot experiment was conducted, reclaimed water was used in greenbelt irrigation test of white clover and alfalfa. The changes of photosynthetic characteristic and chlorophyll content under reclaimed water irrigation have been studied. The results showed that reclaimed water irrigation can improve photosynthetic indices in a certain period of time and to some extent. Later, reclaimed water for white clover irrigation, the photosynthetic rate (Pn), transpiration rate (Tr), conductance to H2O (Gs) and CO2concentration (Ci) under the irrigation test is significantly higher than that under running water irrigation. Two plants species’ changes of Tr, Pn, intercellular Ciare closely related with Gs. There is no significant difference in photochemical efficiency (Fv/Fm) and chlorophyll content between running water and reclaimed water. In short, reclaimed water irrigation does not cause damage to white clover and alfalfa, and has a certain role in promotion.

reclaimed water; greenbelt plants; photosynthetic characteristics; chlorophyll

LIU Jin-rong E-mail:ljr2197@163.com

Q945.11

A

1001-0629(2013)10-1535-05

2012-09-24 接受日期：2012-10-16

甘肅省科技計劃項目(1011FKCA137)作者簡介:劉金榮(1967-)，男，甘肅張掖人，副教授，博士，研究方向為草坪逆境生理。E-mail:ljr2197@163.com