路易斯安娜鳶尾‘Pastiche’對(duì)污水凈化作用的探究

王 鵬， 李 艷， 黃 杰

（1.河南牧業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)院，鄭州 450046； 2.南召縣林業(yè)局，河南南召 474650）

路易斯安娜鳶尾‘Pastiche’是鳶尾科、鳶尾屬無髯鳶尾群中的一個(gè)園藝品種［1-3］，屬于鳶尾濕生生態(tài)類型［2］. 在原產(chǎn)地的河湖水域、岸邊和沼澤、潮濕地域生長良好［4-5］. 為了改善生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展，對(duì)路易斯安娜鳶尾開展生態(tài)適應(yīng)性、凈化污水作用的系統(tǒng)研究. 本試驗(yàn)將路易斯安娜鳶尾‘Pastiche’種植于3 種不同濃度的富營養(yǎng)化污水中，研究其生長期間葉片N 含量的變化，通過測(cè)定葉片N 含量和污水理化指標(biāo)，分析其在不同濃度污水中的生態(tài)適應(yīng)性和凈化污水的能力，為在生產(chǎn)中推廣應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 材料

路易斯安娜鳶尾‘Pastiche’，引種自武漢農(nóng)業(yè)科學(xué)院.

1.2 方法

1.2.1 種植方法 ①在充分腐熟的雞糞中加蒸餾水，配制出3種不同濃度的富營養(yǎng)化污水，即處理Ⅰ、處理Ⅱ及處理Ⅲ，并取井水做對(duì)照（CK）. 取容積10 L的塑料水桶，每種處理20桶，每桶放入8 L配制好的處理液，貼好標(biāo)簽. 處理液及對(duì)照的主要成分及理化指標(biāo)見表1. ②選擇生長良好、體量相同或相近的路易斯安娜鳶尾‘Pastiche’從種植池的花盆中取出，用清水小心沖去根部的泥土，再用干凈的小鵝卵石將其種植于口徑與水桶口徑相當(dāng)?shù)男滤芰蠝\花盆中，每盆3株. ③將種植好的無土盆栽路易斯安娜鳶尾‘Pastiche’先放進(jìn)自來水清水池中培養(yǎng)7～10 d，待有新根發(fā)出且性狀穩(wěn)定后取出，分別放入處理Ⅰ、處理Ⅱ、處理Ⅲ及對(duì)照水桶中，掛上處理標(biāo)牌，并在水桶的外壁劃線標(biāo)明原水位的位置. 將種植好路易斯安娜鳶尾‘Pastiche’的水桶放入透明的塑料避雨大棚下進(jìn)行培養(yǎng). 以后每隔7 d觀察測(cè)定鳶尾葉片及污水理化指標(biāo)1次，再用蒸餾水補(bǔ)水至初始水位. 從種植開始至試驗(yàn)結(jié)束共70 d.

表1 不同處理的富營養(yǎng)化污水和井水的理化指標(biāo)Tab.1 Physical and chemical indexes of eutrophic sewage and well water treated by different treatments

1.2.2 理化指標(biāo)的測(cè)定 葉片N含量的測(cè)定使用硫酸消解-分光光度法［6］；污水TN測(cè)定使用堿性過硫酸鉀消解、紫外分光光度法［7］；污水TP測(cè)定使用鉬酸銨-分光光度法［7］；污水鹽度測(cè)定及污水電導(dǎo)率測(cè)定均使用電導(dǎo)儀（上海雷磁DDS307A）測(cè)定；污水pH值使用pH計(jì)（越平PHS-3CB）測(cè)定.

1.2.3 分析方法 使用SPSS17.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行方差分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 處理Ⅰ對(duì)路易斯安娜鳶尾‘Pastiche’生長期葉片N含量的影響

自種植日起至試驗(yàn)結(jié)束，對(duì)處理Ⅰ和CK中路易斯安娜鳶尾‘Pastiche’葉片（以下簡稱鳶尾葉片）中N的含量進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如圖1所示.

從圖1可以看到，種植后28 d，處理Ⅰ中的鳶尾葉片N含量緩慢上升；28 d后極速上升，42 d時(shí)上升達(dá)到極顯著水平（p<0.05）. 以后開始緩慢下降，70 d時(shí)下降達(dá)到極顯著水平（p<0.05）. CK中的鳶尾葉片N素含量在種植后的35 d與處理Ⅰ沒有差異，42 d時(shí)CK中的鳶尾葉片N含量變化較處理Ⅰ表現(xiàn)顯著（p<0.05）；42 d以后CK的鳶尾葉片N含量急劇下降，下降幅度與處理Ⅰ相比在56 d時(shí)表現(xiàn)顯著（p<0.05）.

N主要以NH4+、NO3-的形式由鳶尾的根系吸收，N的多少與其根系的吸收能力有很大關(guān)系，根系的吸收能力反映在根系的活力上［8］.

從處理Ⅰ和CK中的鳶尾葉片N含量的變化來看，在種植后的前28 d，N含量緩慢上升，說明鳶尾在處理Ⅰ和CK中生長平穩(wěn)，差別不是很大. 處理Ⅰ中的鳶尾葉片N含量要比CK大很多（表1），但為什么兩者在第一個(gè)月時(shí)的生長沒有太大的變化呢？這可能與處理Ⅰ污水的鹽分濃度較高有關(guān)，較高的鹽分濃度在一定程度上會(huì)抑制鳶尾根系對(duì)礦物質(zhì)的吸收［8］，而在一定濃度范圍內(nèi)，鹽分的濃度越低，根系的吸收能力反而越強(qiáng)［9］. 在42 d以后，CK中鳶尾葉片的N含量明顯低于處理Ⅰ，這與生長后期CK的營養(yǎng)水平較處理Ⅰ顯著下降有關(guān).

圖1 鳶尾葉片在處理Ⅰ和CK中N含量的變化Fig.1 Changes of N content in growing leaves of Louisiana Iris‘Pastiche’during treatment of eutrophic sewage and CK

2.2 處理Ⅱ?qū)β芬姿拱材萨S尾‘Pastiche’生長期葉片N含量的影響

路易斯安娜鳶尾‘Pastiche’在處理Ⅱ中生長期間，其葉片中N含量的變化如圖2所示.

圖2 鳶尾葉片在處理Ⅱ和CK中N含量的變化Fig.2 Changes of N content in growing leaves of Louisiana Iris‘Pastiche’during treatment of Ⅱeutrophic sewage and CK

從圖2 可以看到，處理Ⅱ中的鳶尾從種植后到21 d，其葉片N 含量快速上升；21 d 到28 d 時(shí)緩慢升高；28 d 以后到42 d又快速升高；42 d之后開始緩慢下降. 與CK比較，在種植后的前21 d，處理Ⅱ與CK中鳶尾葉片N含量的變化沒有差異（p>0.05）；28～42 d時(shí)，處理Ⅱ中鳶尾葉片的N增長幅度變化較CK表現(xiàn)達(dá)到顯著水平（p<0.05）；42 d以后CK中鳶尾葉片的N下降幅度的變化較處理Ⅱ達(dá)到顯著水平（p<0.05）；42 d以后處理Ⅱ組間的鳶尾葉片N含量沒有顯著的差異（p>0.05）.

分析以上結(jié)果認(rèn)為，在種植后的前21 d，處理Ⅱ與CK中鳶尾葉片N含量差異不顯著的原因，可能與處理Ⅱ在前期鹽分濃度較高抑制了鳶尾根系對(duì)養(yǎng)分的吸收有關(guān). 種植28 d以后，處理Ⅱ中的鹽分濃度下降，鳶尾根系的吸收能力增強(qiáng)，對(duì)N的吸收和利用水平顯著高于CK；尤其是在42 d以后，CK中鳶尾葉片的N水平較處理Ⅱ快速降低，其原因可能是處理Ⅱ中豐富的營養(yǎng)使鳶尾保持在良好的生長發(fā)育狀態(tài)，而CK中的鳶尾因養(yǎng)分供應(yīng)不足生長能力下降，受測(cè)葉片的N含量快速下降.

2.3 處理Ⅲ對(duì)路易斯安娜鳶尾‘Pastiche’生長期葉片N含量的影響

路易斯安娜鳶尾‘Pastiche’在處理Ⅲ中葉片N含量的變化如圖3所示.

圖3 鳶尾葉片在處理Ⅲ和CK中N含量的變化Fig.3 Changes of N content in growing leaves of Louisiana Iris‘Pastiche’in sewage treatment Ⅲ

從圖3可以看到，處理Ⅲ中鳶尾葉片的N含量種植后呈緩慢上升趨勢(shì)，28～42 d時(shí)N含量趨于平緩，42～56 d時(shí)緩慢下降，56 d以后快速下降，70 d時(shí)下降達(dá)到極顯著水平（p<0.01）. 處理Ⅲ中鳶尾葉片的N含量與CK相比，在種植后的前21 d 增高幅度達(dá)到顯著水平（p<0.05），可能是由于處理Ⅲ雖然較處理Ⅰ和處理Ⅱ溶液中的鹽分濃度低，但又較CK高的原因. 56 d以后，處理Ⅲ中鳶尾葉片的N含量較CK下降，且表現(xiàn)極為顯著的原因可能是處理Ⅲ中鳶尾新生葉較CK多（處理Ⅲ新生葉平均5.5個(gè)，CK新生葉平均2.5個(gè)）N再分配而轉(zhuǎn)化到新葉上有關(guān)［10-12］.

2.4 3種處理中路易斯安娜鳶尾‘Pastiche’葉片N含量的比較

由于本試驗(yàn)中3種處理（處理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）和CK中的鳶尾葉片N含量的起點(diǎn)（0 d時(shí)）不一，要想進(jìn)一步分析3種處理和CK中鳶尾葉片N含量的差異，可以通過對(duì)在同一測(cè)試時(shí)間測(cè)定的鳶尾葉片N含量與前一次測(cè)試的N含量的差值（平均值）的變化規(guī)律來進(jìn)行分析. 3種不同處理和CK在同一測(cè)試時(shí)間鳶尾葉片N含量平均值與前次測(cè)試的N含量平均值的差值見表2.

表2 3種處理中的鳶尾葉片N含量與CK的差異Tab.2 The difference between the N content of the three treatments and the control and the previous test 單位：mg·g-1

從表2可以看到，在種植后的前35 d，除處理Ⅲ中的鳶尾葉片N含量在35 d時(shí)較前一周有小幅下降外，其他處理和CK中鳶尾葉片的N含量都有不同程度的增長；在42～70 d中，除了在42 d時(shí)處理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ中的鳶尾葉片N含量還在增長外，CK中的鳶尾葉片N含量不再增長，且明顯降低；49 d以后，各處理和CK中鳶尾葉片的N含量都呈不同程度的下降趨勢(shì).

種植后的前21 d，處理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ中的鳶尾葉片N含量都呈增加狀態(tài)，都較CK平穩(wěn)增長，這可能與處理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的水中在前期具有較豐富的礦物質(zhì)元素，尤其是豐富的N均較CK高有關(guān)（表1）；但處理Ⅰ、Ⅱ由于起初的鹽分濃度較高可能會(huì)在一定程度上影響鳶尾根系對(duì)N的吸收，而CK因?yàn)辂}分濃度較低對(duì)N的吸收效率會(huì)更有利，因而處理Ⅰ、Ⅱ和CK中的鳶尾葉片N含量增速都沒有處理Ⅲ的那么顯著.

種植后28 d，處理Ⅰ中鳶尾葉片N的含量增幅不大，處理Ⅱ、Ⅲ中的鳶尾葉片N含量均較前一次相比增幅有所下降，但CK中的鳶尾葉片N含量在此時(shí)增幅卻突然升高，這些現(xiàn)象都可能與處理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的鹽分濃度較CK高有關(guān). 種植后35 d時(shí)，處理Ⅰ、Ⅱ中鳶尾葉片N含量均較前次增幅顯著，在CK中鳶尾葉片N含量增幅有所下降，但此時(shí)處理Ⅲ中鳶尾葉片N含量較前次減少（減少了0.1 mg·g-1），但減少幅度不顯著，與前次比較無顯著差異；42 d時(shí)CK中鳶尾葉片N含量顯著下降，這可能是CK中含N量較其他處理本身就低而又已被吸收利用殆盡的原因.

從鳶尾種植49 d以后其葉片N的下降幅度來看，下降幅度較大的是處理Ⅲ，較其他處理表現(xiàn)顯著，這可能是處理Ⅲ受測(cè)葉片中的N分配給其他幼葉和器官（如新生芽）的原因［12］；其次，下降幅度大的是處理Ⅰ和對(duì)照（CK），它們下降幅度相當(dāng)，差異不顯著；下降幅度最小的是處理Ⅱ，說明處理Ⅱ中的鳶尾此時(shí)還保持著旺盛的活力，這與葉綠素含量的測(cè)定、生長量調(diào)查結(jié)果是一致的.

2.5 易斯安娜鳶尾‘Pastiche’葉片N含量與富營養(yǎng)化污水理化性質(zhì)變化的關(guān)系

經(jīng)于0、35、70 d測(cè)試，3種處理的污水和CK井水中N、鹽、電導(dǎo)率的變化結(jié)果見表3.

表3 3種處理和CK培養(yǎng)液中N、鹽、電導(dǎo)率等理化性質(zhì)的變化Tab.3 Changes of physicochemical properties of N，salinity and electrical conductivity in the culture medium of three treatments and CK

鳶尾葉片中N含量的變化與處理污水中的N、鹽和電導(dǎo)率等理化性質(zhì)的變化具有直接的聯(lián)系. N由鳶尾根系吸收后輸送到莖和葉片，參與植物體內(nèi)的生理生化代謝活動(dòng)，促進(jìn)了植物的形態(tài)建成和產(chǎn)量的形成［13］；污水溶液的鹽分影響到鳶尾根系的活力，直接或間接地影響植物根系對(duì)礦物質(zhì)的吸收、運(yùn)輸和利用［14］；污水溶液中電導(dǎo)率的變化反映了污水中礦物質(zhì)元素的性質(zhì)和含量變化等. 從表3 看出，3 種處理污水和CK 井水中的N、鹽和電導(dǎo)率都隨著鳶尾生長而逐漸降低，說明污水和井水溶液中的N被鳶尾吸收和利用，污水和井水中的多數(shù)礦物質(zhì)元素也因吸收和利用而減少，說明路易斯安娜鳶尾‘Pastiche’具有凈化富營養(yǎng)化污水的效果. 從表3 還可以看出，處理Ⅲ富營養(yǎng)化污水和井水中的N 從開始的8.65、2.25 mg·L-1減少到了0.48、0.35 mg·L-1，凈化效果達(dá)到了國家飲用水的標(biāo)準(zhǔn)（小于0.5 mg·L-1）［15］.

以上試驗(yàn)結(jié)果表明，在鳶尾種植后的前35 d，3種處理和CK中的鳶尾葉片N含量都處于增幅狀態(tài)，這與水中N的減少呈正相關(guān)的關(guān)系，說明在前35 d鳶尾生長良好，有效地利用了污水和井水中的營養(yǎng)元素；49 d以后，3種處理和CK中的鳶尾葉片N都呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，而污水和井水中的N仍在減少，兩者呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系，這與鳶尾的生長發(fā)育規(guī)律有關(guān). 因?yàn)榇藭r(shí)（8月27日）已是立秋之后的處暑季節(jié)，是鳶尾根莖發(fā)育和幼芽發(fā)育的時(shí)期，也是一年中植物根系生長發(fā)育的一次小高峰，需要較多營養(yǎng)供給，因此水分中的礦質(zhì)營養(yǎng)又被吸收和利用，鹽分降低，電導(dǎo)率下降；49 d以后有新葉、新根、新芽發(fā)生和生長，所檢測(cè)的葉片是檢測(cè)前后固定下來的葉片，由于N屬于可再利用物質(zhì)［8］，此時(shí)如果根系吸收到的N不能滿足新器官發(fā)育的需要，N將從老的器官中被轉(zhuǎn)移到新生器官進(jìn)行再分配［8］，這也是鳶尾葉片中的N在種植49 d以后明顯下降的主要原因.

3 結(jié)論與討論

1）N是植物生長發(fā)育必需的元素，是葉綠素的重要組成成分，直接影響著植物的光合作用和生長發(fā)育. 本試驗(yàn)中植物體內(nèi)N含量源于富營養(yǎng)化污水中的N，植物體內(nèi)N含量的多少?zèng)Q定于其根系在污水中的生存條件和對(duì)養(yǎng)分的吸收能力［16］. 以上分析表明：在鳶路易斯安娜鳶尾‘Pastiche’的生長前期，處理Ⅰ、Ⅱ中的鳶尾葉片N含量與CK中鳶尾葉片N含量沒有顯著差異，但處理Ⅲ與CK中的鳶尾葉片N含量差異顯著（p<0.05）；在鳶尾的生長后期，3種處理和CK中的鳶尾葉片N含量均有所下降，但處理Ⅱ的下降幅度小于其他處理. 試驗(yàn)表明，與CK相比，路易斯安娜鳶尾‘Pastiche’在3種處理中都生長良好，其中以處理Ⅱ的富營養(yǎng)化污水更適合其生長，在生長期內(nèi)其葉片N的增加明顯高于其他處理.

2）過多的N含量是水體富營養(yǎng)化的主要原因之一［17］. 植物對(duì)富營養(yǎng)化污水中N有效的吸收和利用是減少污水N含量的有效措施［18］. 通過以上對(duì)路易斯安娜鳶尾‘Pastiche’葉片中N含量變化分析來看，其對(duì)不同處理的污水都具有一定的凈化作用. 其中處理Ⅰ對(duì)N的凈化率是68.5%，處理Ⅱ?qū)的凈化率是82.0%，處理Ⅲ對(duì)N的凈化率是94.8%，CK對(duì)N的凈化率是84.4%（凈化率的計(jì)算方法見參考文獻(xiàn)［19］）. 從對(duì)污水凈化的效果來看，處理Ⅲ>處理Ⅱ>CK>處理Ⅰ.

3）影響植物根系吸收礦物質(zhì)元素的因素有很多，主要因素有溫度、通氣狀況、溶液中鹽分的濃度、氫離子的濃度等［13］. 溫度是通過影響植物根系的呼吸速率來影響對(duì)礦物質(zhì)吸收的［20］；通氣狀況的影響體現(xiàn)在氧氣供應(yīng)；溶液中高濃度的鹽分是影響植物根系吸收作用的限制因子；溶液中氫離子的濃度即pH值的大小間接影響植物根系對(duì)礦物質(zhì)元素的吸收［21-23］. 本試驗(yàn)是在特定的條件下進(jìn)行的，也受溫度、光照、通氣以及污水的鹽分濃度等綜合因素的影響，試驗(yàn)結(jié)果與把路易斯安娜鳶尾‘Pastiche’種植于大田中不盡相同. 如果該植物在本試驗(yàn)環(huán)境條件下能很好地生長，說明在大田適宜的環(huán)境中會(huì)生長得更好，生長發(fā)育、凈化水分的效果會(huì)更顯著. 因此，對(duì)以路易斯安娜鳶尾‘Pastiche’為代表的濕生鳶尾對(duì)大田污水的凈化作用有待下一步深入研究.