植物氣生根在富營養(yǎng)水治理中的應用
——以夾竹桃為例

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(1.四川大學 建筑與環(huán)境學院,成都 610065；2.成都紡織高等專科學校,成都 611731)

1 研究背景

富營養(yǎng)化水體易發(fā)黑、發(fā)臭，嚴重影響生態(tài)環(huán)境，給人們的生產帶來不便，甚至威脅到了人類健康[1-4]。水土流失導致的氮磷流失是水體富營養(yǎng)化的一個重要影響因素[5-7]。因此，尋求一種既能減少水體富營養(yǎng)化負荷，又能保持水土，還能改善和美化環(huán)境的綜合解決方法具有較大的理論和應用價值。

目前的富營養(yǎng)水治理方法主要采用在水體上設置浮床并在浮床上栽培植物的方法，利用植物吸收水體中的營養(yǎng)物質，從而達到減輕水體富營養(yǎng)化程度、建立景觀和美化環(huán)境的目的[8-12]。但浮床一般由泡沫浮床或其它塑料材料制成，在水中易因老化而破碎，且破碎的材料易滯留在水體中形成二次污染。

針對現有技術的不足，通過試驗提供一種集富營養(yǎng)水體處理、水土保持和景觀綠化為一體的環(huán)保方法，并能完全避免對水體的二次污染。其技術方案是：在含富營養(yǎng)水體的池塘、河流或水庫的堤岸上或堤岸壁上栽種可長出氣生根的植物，栽種時將植株的頂部朝向富營養(yǎng)水體，并使枝條盡可能多地接觸富營養(yǎng)水體的水面或適當浸入富營養(yǎng)水體中，利用枝條上長出的氣生根吸收水體中富營養(yǎng)成分。因此，植物能長出氣生根，且氣生根具富營養(yǎng)水凈化能力是證明該方法可行的關鍵。夾竹桃(Neriumindicum)是夾竹桃科常綠大型灌木，喜光、喜濕潤、適應性強、不擇土壤的肥沃與貧瘠[13]。枝條萌發(fā)力強，病蟲害較少，栽培較易成活。葉片革質，較耐水淹[14]，具有凈化富營養(yǎng)化水體的潛力。本試驗以夾竹桃為研究對象，在人工模擬濱水環(huán)境中誘導其氣生根生長，并檢驗其凈化富營養(yǎng)水的效率。

2 材料與方法

本研究由夾竹桃氣生根誘導試驗和夾竹桃氣生根凈化富營養(yǎng)水試驗2部分組成。

2.1 夾竹桃氣生根誘導試驗

2.1.1 供試材料

選取1～2 a生夾竹桃枝條，通過扦插繁殖，成活后，選擇每株無分枝，枝長35 cm以上，健康無蟲害的夾竹桃，以10株為1組，移栽于15個上口內直徑9 cm，盆高10 cm，已裝8～9 cm高泥土的塑料花盆內，從1—15對花盆隨機編號。

2.1.2 濱水環(huán)境模擬設計

試驗地點設于四川大學實驗室，保持室內通風良好，將15組花盆置于窗邊光照條件較好的位置。

試驗模擬植物種植于堤岸壁或堤岸上、枝條浸于湖水中的情形。首先將花盆排成2行，平行于窗臺整齊擺放，花盆之間兩兩間距50 cm；再于每行每個花盆的右側放置一鐵盆(鐵盆內徑30 cm，高6 cm)，加人工湖水至鐵盆外沿以不溢出為準；將花盆側放在地，墊高花盆底側，使盆內夾竹桃倒置在鐵盆上方，使夾竹桃枝葉浸于水中。每隔3 d取人工湖水補充鐵盆內因蒸發(fā)和蒸騰損失的水分。

2.1.3 植物管理

試驗時間為2012年5月8日至7月10日。考慮到花盆口處于傾斜狀態(tài)，若直接從花盆口澆水會將土壤沖刷下來，因此在花盆壁朝上的一面割出兩道5 cm×2 cm的開口，每隔3 d用灑水壺裝靜置過夜的自來水,從開口處澆灌花盆內的土，至可見花盆口處的土壤濕潤為止。在試驗進行15 d后，僅見一株夾竹桃浸于水中的莖段上長出一根3 cm的氣生根。考慮到根系具有向水性[15]，植株的愈傷組織具有生根能力[16]，因此采取了2個措施誘導氣生根：①延長澆灌間隔時間，改為每周1次，減少灌水量，僅濕潤開口處露出的土即止；②用小刀在夾竹桃植株浸于水中的莖部任意位置環(huán)割表皮3～4處。

2.2 夾竹桃凈化富營養(yǎng)水試驗

2.2.1 供試材料

從15盆夾竹桃中篩選4盆植株大小基本一致、生長良好、氣生根須較多的用于試驗。

2.2.2 供試水體

取自來水作為基質，配制成了劣V類富營養(yǎng)水。劣V類水的定義為污染程度已超過V類的水，配制時參考《地表水環(huán)境質量標準》(GB3838—2002)中V類水的總磷、總氮和氨氮含量標準。配制方法如下：①稱取1 500 g風干土壤，用高壓滅菌鍋在壓力為1.5 kg/cm2條件下滅菌1 h；②將土分裝于3個已滅菌的塑料桶內，3個桶一共加入40 L自來水充分攪拌，靜置12 h；③移取上清液34 L至已滅菌的塑料水箱內，在上清液中加入磷酸氫二鉀0.31 g、碳酸銨0.50 g、亞硝酸鈉0.31 g、硝酸鉀1.45 g、鄰苯二甲酸氫鉀8 g、尿素1.07 g，并補充自來水14 L攪拌均勻配制成48 L富營養(yǎng)水備用。配置后實測的水體指標見表1。

2.2.3 試驗方法

將48 L試驗用富營養(yǎng)水平均分裝于6個容積為8 L的塑料盆中，做好水位線標記。其中2盆不做任何處理作為對照組，夾竹桃處理組4盆按“濱水環(huán)境模擬設計”中的步驟擺放，使氣生根須全部浸入富營養(yǎng)水體中，枝葉盡量多的浸于水中。試驗期內不給花盆內土壤澆水。

表1 實測水體主要水質指標和標準(GB3838—2002)比較

2.2.4 測定方法與項目

試驗于2012年7月12日至28日進行。每隔3 d用移液管在水體中心位置水面以下5 cm處移取水樣400 mL至燒杯用于測試，測試指標和方法如表2所示。每次采樣時間為早上8:00—9:00，采樣前12 h用蒸餾水補充盆內因蒸發(fā)及蒸騰所消耗的水分至水位線標記處。試驗數據取3次平行測試的平均值。

表2 水質指標測試項目和監(jiān)測方法

3 結果與分析

3.1 淹水狀態(tài)的夾竹桃植株形態(tài)特征變化

由于每個花盆的每株夾竹桃植株長度及在花盆中所處的位置有所不同，盆中夾竹桃被水淹沒的部位有所不同，出現2種情況：第1種情況是夾竹桃莖基部露出水面，莖其余部分及其附生葉全被水淹沒；第2種情況是夾竹桃莖中部及其附生葉被水淹沒，莖其余部分及其附生葉露出水面。試驗進行63 d后，2種情況下的植株形態(tài)特征都發(fā)生了變化：第1種情況的夾竹桃植株死亡，無氣生根長出；第2種情況的夾竹桃植株生長健康，部分未淹的莖上長出了分枝，被淹葉片壞死脫落，莖基部和被淹莖段上的愈傷組織長出了氣生根，其中莖基部長出的氣生根較愈傷組織上長出的多。第1種情況下的夾竹桃死亡是由于葉片在淹水狀態(tài)下氣孔關閉，光合作用效率下降[17]，植株呼吸以無氧呼吸為主，能源急劇消耗，最終植株死亡，無氣生根長出。第2種情況下的夾竹桃仍能健康生長是由于露出水面的夾竹桃葉有充足的氧氣和二氧化碳來源，能將光合作用合成的物質和能量供給處于水淹的部分，保證處于水淹部分的植物細胞功能正常運轉，因此植株還能健康生長并長出氣生根，但隨淹水時間延長，被淹葉片的葉綠素含量降低，因此被淹葉片脫落。

3.2 夾竹桃生長及發(fā)根情況

試驗結束，6盆(編號分別為2,5,8,11,13,15號)夾竹桃成活率最高，為100%；3盆(編號分別為1,3,10號)夾竹桃成活率為90%；4盆(編號分別為4,6,7,12號)夾竹桃的成活率在50%～80%之間；2盆(編號分別為9,14號)夾竹桃成活率最低，為10%；15盆夾竹桃的平均成活率為77%(表3)。

表3 夾竹桃成活率及生根情況

注：扦插株數指每個花盆內移植的10株夾竹桃；成活數指試驗結束仍然存活的夾竹桃數目，未包括夾竹桃枝上生出的新枝數目；新生枝數指夾竹桃枝上生出的新枝數目。

試驗結束，5號盆的新生枝數最多，為6枝；3盆(3,6,12號)夾竹桃的新生枝數為4枝；3盆(2,13,15)夾竹桃的新生枝數為3枝；6盆(1,4,8,10，11,14號)夾竹桃的新生枝數為2枝；2盆(7,9號)夾竹桃的新生枝數最低，為1枝；15盆夾竹桃的平均新生枝數為3(表3)。

除4,9,14號盆的夾竹桃未長出氣生根外，其余12盆夾竹桃均長出氣生根。13號盆的生根率最高，為80%；5號盆的生根率為70%；3盆(8,10,12號)的生根率為60%；1號盆的生根率為50%；2盆(7,11號)的生根率為40%；3盆(2,3,15號)的生根率為30%；6號盆的生根率最低為20%。4盆(2,7,12,13號)夾竹桃氣生根根須最長長度15 cm；5盆(3,5,8,10,15號)夾竹桃氣生根根須最長長度11 cm；3盆(1，6，11號)夾竹桃氣生根根須最長長度4 cm；15盆夾竹桃的平均生根率為38%(表3)。

3.3 夾竹桃凈水效率

試驗結果顯示(表4)，夾竹桃處理組對總磷(TP)、總氮(TN)、氨氮(NH3-N)、亞硝酸鹽氮(NO2-N)、硝酸鹽氮(NO3-N)和濁度(NTU)的實際去除率分別達到27.3%,29.1%,17.1%,20.5%,1.6%和0.7%，各試驗組TP，TN，NH3-N，NO2-N和NO3-N的實際削減總量(即每盆8L富營養(yǎng)實驗用水中實際減少的總量，平均值)分別為2.16,42.24,2.24,4.72，1.04 mg。

植物凈化富營養(yǎng)水機理一方面是植物根系的吸收，另一方面是植物與微生物的協同作用。選取的4盆(5，8，10，13號)夾竹桃生長狀況良好(表3)，生根率分別為70%,60%,60%和80%，氣生根須生長較密，試驗時間正值夏季，是夾竹桃生長旺盛時期，其生長需要吸收氮磷作為營養(yǎng)物質，再加上附生在植物上的微生物協同作用，因此夾竹桃處理組去除氮磷效率明顯優(yōu)于對照組，表明夾竹桃氣生根對富營養(yǎng)水有凈化能力。夾竹桃處理組和對照組對濁度的平均去除率分別為94.9%和94.2%，差別不明顯，這是因為濁度的產生來自于土壤溶液中的懸浮物，一段時間懸浮物重力沉降后，濁度自然下降。

表4 夾竹桃對富營養(yǎng)水的凈化效果

注：表中試驗組的各參數為4個處理組的平均值；對照組的各參數為2個對照組的平均值；試驗組去除率(%)=[(試驗初始濃度-試驗組在試驗結束時的濃度)/試驗初始濃度]×100；對照組去除率(%)=[(試驗初始濃度-對照組在試驗結束時的濃度)/試驗初始濃度]×100；試驗組實際去除率(%)=試驗組去除率-對照組去除率；各試驗組實際削減總量(平均值，mg/組)=試驗初始濃度×試驗組實際去除率×8 ，式中，“8”表示各試驗組盆中有8 L富營養(yǎng)試驗用水。

4 討 論

夾竹桃氣生根能有效削減富營養(yǎng)水體中氮、磷及其化合物，降低水體濁度，對富營養(yǎng)水體有良好的凈化效果。

氣生根是不定根的一種，形態(tài)較為特殊，具有吸收水分和養(yǎng)料的功能，可離開土壤在空氣或水中生長[15]。本研究利用了氣生根的這些特性，模擬夾竹桃栽種在富營養(yǎng)水體的岸堤壁或岸堤上的情景，與一般將富營養(yǎng)水凈化植物栽培在浮床上相比具有以下優(yōu)點：①岸堤壁或岸堤上的樹枝主干對水中或水面的枝條起著固定和支持作用，不受水體深度和流動性的制約，既適合流動水體，又適合靜止水體，適用范圍較廣；②夾竹桃的根系具有良好的土體加筋效果，抗剪強度較高，根系表面與土體間的摩擦力較大，有利于防治水土流失和坡面滑動[18]，因此栽種在岸堤壁或岸堤上的夾竹桃具有一定水土保持的作用；③本研究中夾竹桃的頂端朝向水體，枝條沿水面方向生長，達到一定規(guī)模后能自然形成水岸一體化綠色景觀；④夾竹桃栽種無需浮床做載體，無廢棄材料滯留在水體中，能完全避免一般方法對水體的二次污染。

需要注意的是，受植物本身生長特性的影響，氣生根不可能無限增長，該方法可能只對水體的中上層凈化效果較好。研究結果表明15盆夾竹桃的平均生根率(38%)不高，還有很大的提升空間，在氣生根誘導生長措施方面還需完善和改進。實驗室內對氣生根的誘導生長采取了“延長澆水時間”和“利用愈傷組織生根”2個措施，但試驗過程中觀察到，夾竹桃樣株莖基部比愈傷組織處長出的氣生根更多更密集，表明“延長澆水時間”措施可作為氣生根誘導生長的主要手段，而“利用愈傷組織生根”可能非必要。

5 結 語

夾竹桃氣生根的誘導操作簡單，對富營養(yǎng)水的凈化效果較好，隨著水淹時間的延長，夾竹桃氣生根生長趨于旺盛，凈化能力會趨于增強，因此夾竹桃可作為水體富營養(yǎng)化防治方法的栽培植物。該種集富營養(yǎng)水體處理、水土保持和景觀綠化為一體的環(huán)保方法是可行的，值得開展深入的研究并進一步推廣應用。植物能長出氣生根是實現該方法的關鍵，在今后的研究中可以此為條件進行植物種類篩選，使更多植物應用到該方法中來。

致謝：感謝成都紡織高等?？茖W校污水處理技術集成創(chuàng)新團隊支持。

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