洞庭湖濕地植物根系氧化力對氮、磷去除的影響1)

李永進 湯玉喜 黎蕾 唐潔 楊艷

(湖南省林業(yè)科學院，長沙，410004)

洞庭湖濕地作為長江中下游最為重要的湖泊濕地生態(tài)系統(tǒng)，對氣候變化、生物多樣性、水文和人類健康等具有重要作用[1]。近年來，由于受圍墾、生活污水、工業(yè)廢水排放等人為因素的影響，致使水體富營養(yǎng)化過程大大加速，嚴重影響了洞庭湖流域生物多樣性保護、生態(tài)安全和社會經(jīng)濟發(fā)展[2-3]。植物生態(tài)修復是進行水體污染修復主要途徑之一，因其操作簡單、修復效果好而越來越多地被運用于土壤、水體污染物的清除與修復，而如何利用并提高植物治理濕地水體富營養(yǎng)化污染效率一直受到廣泛關(guān)注[4-15]。

濕地植物作為濕地的重要組成部分，在氮磷污染物的去除、氧氣傳輸和根系泌氧及美化環(huán)境等方面起了重要的作用，其中根系氧化力是反映植物根系活力的一種指標，它能夠使植物根際溶解氧及其微生物分布發(fā)生變化，對生態(tài)環(huán)境中氮、磷及重金屬等污染物去除具有重要作用。近年來，許多學者在濕地植物對水體富營養(yǎng)化污染去除效果、濕地植物的篩選等方面研究較多[16-22]，有關(guān)濕地植物根系氧化力對污染物去除的作用及機理方面的研究較少[23-26]，而洞庭湖鄉(xiāng)土濕地植物根系氧化力與污染物去除關(guān)系的研究尚未見報道。因此，文中選擇洞庭湖濕地典型群落優(yōu)勢植物種，通過對這些濕地植物根系氧化力、根表面積、氮磷去除能力等特征進行研究，以期為在實踐上篩選凈化效率高的濕地植物，提高濕地污染修復效率與穩(wěn)定性提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

以國家級自然保護區(qū)東洞庭湖濕地典型群落的優(yōu)勢植物蘆葦(Phragmitesaustralis)、苔草(Carexcinerascens)、益母草(Leonurusartemisia)、水芹(Oenanthejavanica)、艾蒿(Artemisiaargyi)、菖蒲(Acoruscalamus)等6種濕地植物為供試材料。

1.2 試驗方法

于2019年4月份，選取生長健壯、長勢一致的1年生野生植物材料，先用蒸餾水去土洗凈根后，在清水中預培養(yǎng)7 d，培養(yǎng)前先測定植物材料的生物量及氮磷質(zhì)量濃度，然后移入試驗塑料盆中進行水培培養(yǎng)，營養(yǎng)液采用Hoagland’s營養(yǎng)液[23](購自青島市海博生物技術(shù)有限公司)，以泡沫塑料板作為定植板，每板定植12株植株，設(shè)3個重復，同時，設(shè)無植物空白為對照。每天定時定量補充由于蒸發(fā)和植物蒸騰散失的水分以保證各處理都基本保持相同水位。

試驗植物在培養(yǎng)液中培養(yǎng)28 d后收獲，先用自來水把植株洗凈，再用蒸餾水沖洗2次。把清洗后的植株分為兩部分，一部分測定根系表面積和根系氧化力，其余的植株分成地上部分和地下部分，在105 ℃下殺青固定30 min，再在70 ℃下烘干至恒質(zhì)量，測定其干物質(zhì)質(zhì)量，并將烘干樣品磨碎，過60目篩，備用。收集每次更換的營養(yǎng)液并測定其硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和總磷質(zhì)量濃度，培養(yǎng)結(jié)束后測定植株中的生物量、總氮和總磷質(zhì)量濃度。

1.3 指標測定方法

總磷采用H2SO4-H2O2消化，鉬銻抗分光光度法測定；總氮采用C/N元素分析儀(Vario MACRO cube)測定；根系氧化力采用α-萘胺法測定；根系形態(tài)采用全自動根系掃描分析儀(winRHIZO)測定。

去除率的計算：水體中氮、磷的去除率參照葛瀅等[27]的方法計算。

其中，C0為氮、磷初始時的質(zhì)量濃度；V0為培養(yǎng)液初始時的體積；Ci為氮、磷第i天的質(zhì)量濃度；Vi為培養(yǎng)液第i天的體積。因定時補充消耗的水分至原刻度，故V0=Vi。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

對試驗測得的初始數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010軟件進行初步處理，用SPSS20.0進行單因素方差分析(one-way ANOVA)和Tukey HSD法進行多重比較，并采用JMP11.0進行生物量與氮、磷質(zhì)量濃度之間的相關(guān)關(guān)系分析與制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 6種濕地植物對氮的去除

整個試驗期間，6種濕地植物培養(yǎng)液中氮質(zhì)量濃度隨著培養(yǎng)時間的延長均出現(xiàn)不同程度下降(圖1)。菖蒲和苔草在14～21 d氮質(zhì)量濃度出現(xiàn)小幅回升。至試驗結(jié)束時，6種濕地植物氮質(zhì)量濃度均集中在3.04～7.75 mg·L-1。在培養(yǎng)過程中，前7 d培養(yǎng)液氮質(zhì)量濃度下降較快，第7 d時，艾蒿、益母草、水芹、苔草培養(yǎng)液的氮質(zhì)量濃度已由21.0 mg·L-1分別降到8.66、8.10、7.46、6.74 mg·L-1，氮去除率分別達到41.20%、38.53%、35.49%和32.06%。之后隨著培養(yǎng)時間的延長，培養(yǎng)液中氮質(zhì)量濃度下降速度趨緩。培養(yǎng)28d后，艾蒿、水芹、苔草、益母草、菖蒲和蘆葦6種濕地植物對氮的去除率與CK(15.65%)相比，分別提高了69.89%、64.56%、67.41%、62.74%、50.53%和47.48%。方差分析表明，6種濕地植物對水體氮中的去除率存在顯著性差異(P<0.05)，其中，艾蒿、苔草和水芹對氮的去除效果較好，而蘆葦對氮的去除效果最差。

2.2 6種濕地植物對磷的去除

培養(yǎng)液中磷質(zhì)量濃度隨著時間的延長呈現(xiàn)出試驗前期快速下降、后期緩慢下降的變化趨勢(圖2)。濕地植物培養(yǎng)液中磷質(zhì)量濃度的下降速度均超過CK，其中，艾蒿、水芹和苔草培養(yǎng)液在0～21 d表現(xiàn)出明顯的下降趨勢，去除率分別達85.21%、84.27%和83.55%，較CK分別提高了60.59%、59.65%和58.93%；28 d時，CK中磷質(zhì)量濃度比初始質(zhì)量濃度降低了0.85 mg·L-1，艾蒿、苔草、水芹、益母草、菖蒲和蘆葦比初始磷質(zhì)量濃度分別降低了2.92、2.85、2.81、2.69、2.39和2.23 mg·L-1，6種濕地植物對磷的去除率為71.85%～94.13%，較CK(27.42%)提高了44.43%～66.71%，且6種濕地植物對磷的去除率存在顯著性差異(P<0.05)，其中艾蒿對磷的去除率最高，達94.13%，其次為苔草(92.08%)、水芹(90.52%)，而菖蒲對磷的去除率(71.85%)最低。

2.3 6種濕地植物生長量及氮、磷積累

由表1可知，試驗期間6種濕地植物均生長良好，經(jīng)過28 d的培養(yǎng)后，不同濕地植物的生長量存在差異，植株的平均生長量為9.52～22.17 g，其中艾蒿、水芹、苔草3種植物生長量較大，分別為22.17、19.83、16.55 g，顯著高于菖蒲(11.28 g)和蘆葦(9.52 g)的生長量。6種濕地植物地上部分與地下部分生長量的比值在2.49～5.01，其中艾蒿、水芹、苔草地上部分與地下部分生長量比值均大于4，與其他濕地植物間存在顯著性差異(P<0.05)。

表1 6種濕地植物生長量及氮、磷積累量

6種濕地植物體內(nèi)氮、磷積累量也存在差異，單株植物體內(nèi)氮的積累量為206.57～399.03 mg·株-1，磷的積累量為27.26～53.78 mg·株-1，其中地上部分對氮和磷的積累量分別為160.65～335.97 mg·株-1和22.05～47.31 mg·株-1。其中，氮、磷積累量較大的濕地植物分別是艾蒿、苔草，而蘆葦和菖蒲的氮、磷積累量較少。相關(guān)性分析表明，植株體內(nèi)的氮質(zhì)量濃度與植物體的生物量呈極顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為(r2=0.981 567,p=0.000 1),植株體內(nèi)的磷質(zhì)量濃度與植物體的生物量呈顯著相關(guān)(r2=0.701 561,p=0.037 4)。

2.4 6種濕地植物根系特征對氮、磷質(zhì)量分數(shù)的影響

從表2中可知，根表面積為36.91～58.57 cm2，其中艾蒿、水芹和苔草的根表面積較大，且6種植物間存在顯著性差異(P<0.05)。6種濕地植物的根尖數(shù)為5 733.32～7 592.12個，根尖數(shù)較多的植物為水芹、艾蒿和苔草，而蘆葦和菖蒲根尖數(shù)較少，這可能與根的類型有關(guān)，其中水芹、艾蒿等為須根型，蘆葦和菖蒲為根莖型。根系氧化力為4.63～23.57 μg·g-1·h-1，其中艾蒿、水芹的根系氧化能力顯著高于菖蒲和蘆葦根系氧化力(P<0.05)。在6種濕地植物中，艾蒿的根表面積和根系氧化能力最大，水芹和苔草次之，蘆葦最低。6種濕地植物根表面積、根系氧化力與氮質(zhì)量分數(shù)之間均呈極顯著性相關(guān)(圖3)，相關(guān)系數(shù)分別為r2=0.931 390(p=0.001 1)和r2=0.979 696(p=0.000 2)；根表面積、根系氧化力與磷質(zhì)量分數(shù)呈顯著相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為r2=0.764 543(p=0.022 7)和r2=0.649 760(p=0.042 8)。

表2 6種濕地植物的根系特性

3 結(jié)論與討論

濕地植物在生態(tài)系統(tǒng)中起著重要的作用，其本身不僅可以吸收同化大量的污染物，而且它發(fā)達的根系有利于微生物的生存和生長，提高了周圍基質(zhì)內(nèi)物質(zhì)的擴散性，增強了對污染物的吸收和沉淀[28-29]。Brix[30]、Michela et al.[31]、Haberl et al.[32]認為，濕地植物吸收在人工濕地處理污水的整個過程中具有重要作用；Rogers et al.[33]采用室內(nèi)模擬試驗對有植物和無植物條件下污水中氮去除率的研究認為，水蔥(Schoenoplectusvalidus)氮去除率達90%。本研究認為艾蒿、苔草和水芹等濕地植物對氮具有較好的去除作用，去除率明顯高于CK，表明這些濕地植物在富營養(yǎng)化水體中的氮去除過程中起重要作用。一方面是因為水體中溶解性的氮被濕地植物體吸收，另一方面，濕地植物還能夠分泌一些促進微生物的生長物質(zhì)，提高了氮的硝化與反硝化速率，從而間接提高富營養(yǎng)化水體中氮磷的去除率，這與Haberl et al.[32]就濕地植物對水體富營養(yǎng)化污染凈化研究結(jié)果一致。但不同濕地植物對氮的吸收能力也不同，艾蒿、水芹、苔草對氮的去除效果較好，而蘆葦對氮的去除效果最差，這與艾蒿、苔草和水芹具有發(fā)達的根系、試驗期間生長量大有關(guān)，同時植物根系分泌物有利于微生物的生長，促進降解物質(zhì)的分泌，從而增強水中污染物的去除效果，這與何娜等[13]、徐德福等[22]的研究結(jié)果一致。

目前，對濕地植物吸收在脫氮除磷中的貢獻說法不一。徐和勝等[34]研究表明，填料對磷的吸附是除磷的主要途徑，而植物對磷的吸收并不占主要作用；金衛(wèi)紅等[35]認為，在高負荷下，濕地主要的除磷機理是基質(zhì)的吸附存儲，而不是植物吸收；王全金等[36]、袁東海等[37]研究認為，植物、污染物質(zhì)量濃度、水體等因素都對磷的去除效果存在影響，并且不同組合的濕地植物和根系環(huán)境也會產(chǎn)生不同的效果。造成這些研究結(jié)果不同的原因，一方面可能因為磷被根系、基質(zhì)吸附或以磷酸鹽沉降，另一方面是植物吸收了水體中可溶性的磷。在本試驗中，6種濕地植物的去磷效果存在顯著性差異，其中艾蒿的磷去除率最高，其次是苔草和水芹，而菖蒲對磷去除率最低，且無植物的空白對照組對磷去除率也達到了27.42%，說明植物根系吸收和吸附是磷的主要去除方式，一方面是因為本研究是在水培條件下進行的，無填料的作用，沒有填料對磷的吸附；另一方面，植物發(fā)達的根系所形成的微環(huán)境系統(tǒng)在磷的吸附、吸收和轉(zhuǎn)化等過程中同樣起著非常重要的作用[38-39]。

根系氧化力是表征濕地植物根系活力的重要指標，根系氧化力指標可反映植物根系泌氧能力的強弱。劉志寬[40]、褚光等[41]研究認為，根系氧化力能夠增加根系吸收面積和養(yǎng)分吸收，提高微生物污染物降解速度，且不同植物的泌氧能力存在差異。本研究認為，不同濕地植物根系表面積、根系氧化力存在顯著差異，說明隨著根表面積的增大和根系氧化力的增強，植物根系與污染物的接觸面積和有氧環(huán)境就會更大、更強，這樣能提高植物對污染物的吸收和利用?？傮w上看，6種植物中具有發(fā)達的根系、生長量大和根系氧化能力強的艾蒿、苔草、水芹對水體中氮、磷的去除率大于蘆葦和菖蒲，但是本研究只是短期靜態(tài)水培植物進行室內(nèi)環(huán)境模擬培養(yǎng)試驗，對野外實際環(huán)境中成熟個體根系去除污染物能力還需進一步研究。