寒地稗草對(duì)污水的凈化效果研究*

吳麗群 范力文 崔佳寧 于?；?吳姝菊 王曉萍

(哈爾濱師范大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150025)

近年來(lái)，水體富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)重，不僅導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失，而且破壞生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能，不利于生態(tài)文明建設(shè)，更不利于人體健康[1]。植物修復(fù)技術(shù)具有低投資、高產(chǎn)出、環(huán)境效益好等特點(diǎn)，應(yīng)用前景十分廣闊[2]。黑龍江省地處43°26′N～53°33′N、121°11′E～135°5′E，年平均氣溫為我國(guó)最低，由于氣溫降低會(huì)導(dǎo)致植物生長(zhǎng)受到影響，從而影響凈化效果，甚至導(dǎo)致水體的二次污染。因此，篩選或培育出適應(yīng)黑龍江地區(qū)且快速高效修復(fù)多種污染的植物品種顯得尤為重要。

稗草隸屬于禾本科稗屬(EchinochleaBeauv.)，其繁殖能力和生態(tài)適應(yīng)性較強(qiáng)，在稻田、沼澤、溝渠和低洼荒地中均有廣泛分布[3]。稗草既喜溫又耐寒，耐澇性很強(qiáng)，稗草喜肥，施氮肥可提高稗草產(chǎn)量[4]。稗草對(duì)鎘、鉛、鋅等重金屬具有良好的富集作用[5-7]；稗草還具有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，是家畜牛馬羊喜食的優(yōu)良牧草和飼料[8]；稗草的莖葉纖維可做造紙?jiān)希陀酌缈扇胨?，有止血功效，穎果還可用來(lái)制糖和釀酒[9]。這些符合水體修復(fù)植物的選擇要求。

目前，對(duì)于稗草的研究更多的是將其作為雜草，對(duì)農(nóng)藥及除草劑的抗性、優(yōu)勢(shì)基因利用、抗重金屬等方面[10-13]進(jìn)行研究，閻驕陽(yáng)等[14]根據(jù)云南滇池水污染治理情況，對(duì)在特定水域利用無(wú)土栽培稗草修復(fù)水體的可行性進(jìn)行了全面分析。黑龍江省寒地稗草種質(zhì)資源豐富，因該省獨(dú)特的地理位置和氣候特點(diǎn)，使得稗草在自然生長(zhǎng)中對(duì)環(huán)境變化具有較好的抗逆性。

課題組前期研究表明，寒地稗草可作為飼草，并且對(duì)重金屬鎘具有較好的耐受能力[15]。故本研究從哈爾濱市周邊收集8種寒地稗草，觀察不同濃度污水中的稗草生長(zhǎng)狀況，考察其對(duì)污水的凈化效果，篩選凈化效果較好的稗草品種，發(fā)揮稗草的生態(tài)效益，為黑龍江省污水凈化提供新的思路。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)稗草

試驗(yàn)稗草種子由黑龍江省牧草研究所提供。Ⅰ號(hào)是來(lái)自哈爾濱市呼蘭區(qū)的雁頭稗，Ⅱ號(hào)是來(lái)自黑龍江省寧安市的稗子，Ⅲ號(hào)是來(lái)自哈爾濱市阿城區(qū)的雁頭稗，Ⅳ號(hào)是來(lái)自哈爾濱市呼蘭區(qū)的雁頭稗，Ⅴ號(hào)是來(lái)自哈爾濱市呼蘭區(qū)的稗子，Ⅵ號(hào)是來(lái)自哈爾濱市木蘭縣的鵝頭稗，Ⅶ號(hào)是來(lái)自哈爾濱市呼蘭區(qū)的米稗，Ⅷ號(hào)是來(lái)自黑龍江省寧安市的大粒稗。

課題組前期依據(jù)形態(tài)分類鑒定發(fā)現(xiàn)，Ⅰ、Ⅱ、Ⅵ號(hào)屬野稗(Echinochleacrusgalli)，Ⅴ、Ⅶ、Ⅷ號(hào)屬栽培稗(Echinochleafrumentacea)，Ⅲ、Ⅳ號(hào)屬無(wú)芒野稗(Echinochleacrusgallivar.Submutica)。

1.2 試驗(yàn)水質(zhì)

供試水樣取自哈爾濱師范大學(xué)周邊水體。試驗(yàn)前水樣用200目分樣篩濾去其中的雜質(zhì)及懸浮物后以自來(lái)水稀釋得到2個(gè)處理：處理1水樣TN、TP、氨氮分別為53.06、2.20、22.30 mg/L；處理2水樣TN、TP、氨氮分別為293.50、3.52、35.64 mg/L。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 發(fā)芽試驗(yàn)

2019年4月10日開(kāi)始，挑選大小、飽滿程度均一的稗草種子，種于自制水盆(直徑17.0 cm、高9.5 cm，裝有80 g蛭石)中，每盆種植30粒種子，各處理均設(shè)置3個(gè)重復(fù)。處理1、2均加入1 200 mL對(duì)應(yīng)污水，對(duì)照組加入1 200 mL自來(lái)水。27 ℃左右，自然光照，水培30 d，對(duì)稗草萌發(fā)、株高、根長(zhǎng)等進(jìn)行觀察統(tǒng)計(jì)，期間添加蒸餾水使得水體總體積保持恒定。

1.3.2 水培凈化試驗(yàn)

2019年5月23日開(kāi)始，于試驗(yàn)田中挑選生長(zhǎng)健壯、大小基本一致的健康稗草植株(高13～16 cm)，去除腐爛根葉并沖洗根部，自來(lái)水中馴化7 d后，種植于自制水盆中(直徑16.7 cm、高11.7 cm)，每盆植物鮮質(zhì)量10 g左右，用紗布固定，加入處理1水樣(總體積為2 L)，同時(shí)設(shè)置靜置組(即不栽種植物)，各處理均3個(gè)重復(fù)。水培30 d，每5天測(cè)一次各處理水樣的各項(xiàng)指標(biāo)，期間添加蒸餾水使得水樣總體積保持恒定。

1.4 測(cè)定方法

水培30 d后，每盆中隨機(jī)取3株稗草，清洗干凈，測(cè)量稗草株高和根長(zhǎng)，取其平均值。植株全部收獲，將植株分成地上莖葉和地下根兩部分稱其鮮質(zhì)量，105 ℃殺青1 h，80 ℃烘干稱其干質(zhì)量。

TN測(cè)定采用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法，TP測(cè)定采用鉬酸銨分光光度法，氨氮測(cè)定采用納氏試劑法[16]。

2 結(jié)果與分析

2.1 稗草種子在不同濃度污水中的萌發(fā)率

不同濃度污水中8種稗草種子的萌發(fā)率均為處理1>對(duì)照>處理2。其中，處理1中Ⅷ號(hào)稗草種子萌發(fā)率最高(平均值77%)，Ⅵ號(hào)萌發(fā)率最低(平均值54%)；對(duì)照中Ⅷ號(hào)稗草種子萌發(fā)率最高(平均值61%)；處理2中Ⅲ號(hào)稗草種子萌發(fā)率最高(平均值44%)，Ⅰ、Ⅴ和Ⅷ號(hào)萌發(fā)率平均值均為42%。

2.2 稗草在不同濃度污水中的生長(zhǎng)情況

不同濃度污水對(duì)稗草生長(zhǎng)狀況的影響見(jiàn)圖1。處理1中8種稗草株高總體高于對(duì)照，處理2總體低于對(duì)照；處理1中Ⅰ號(hào)稗草株高與Ⅱ、Ⅲ、Ⅷ號(hào)差異不顯著，與其他稗草均差異顯著；處理2中Ⅴ號(hào)稗草株高與其他稗草均差異顯著。與對(duì)照相比，不同濃度污水對(duì)8種稗草根長(zhǎng)影響不明顯。處理1中8種稗草鮮質(zhì)量均大于對(duì)照和處理2，處理2總體低于對(duì)照；處理1中Ⅴ號(hào)稗草地上鮮質(zhì)量與Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅶ號(hào)差異顯著，Ⅰ號(hào)稗草地下鮮質(zhì)量與Ⅴ、Ⅵ號(hào)差異顯著；處理2中Ⅰ號(hào)稗草地上鮮質(zhì)量與Ⅵ、Ⅶ號(hào)差異顯著，Ⅰ號(hào)稗草地下鮮質(zhì)量與Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ號(hào)差異顯著。

注：不同字母表示8種稗草之間差異顯著(P<0.05)，表1至表3同。圖1 不同濃度污水對(duì)稗草生長(zhǎng)狀況的影響Fig.1 Effects of sewage with different concentration on growth of barnyard grass

2.3 稗草在水培試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的生物量

由表1可見(jiàn)，水培30 d結(jié)束時(shí)，8種稗草品種間鮮、干質(zhì)量差異均不顯著，其中Ⅱ號(hào)稗草鮮質(zhì)量最大(24.86 g)。

表1 水培結(jié)束時(shí)8種稗草的生物量

2.4 稗草對(duì)污水水質(zhì)的改善作用

由表2可見(jiàn)，栽種稗草的試驗(yàn)組的水培液中TP、TN和氨氮均顯著低于靜置組。其中，栽種Ⅰ號(hào)稗草的水培液中TN、TP與Ⅵ號(hào)差異顯著，與其他稗草均差異不顯著；栽種Ⅴ號(hào)稗草的水培液中氨氮與其他稗草均差異顯著。

表2 水培液中各指標(biāo)質(zhì)量濃度

2.5 稗草對(duì)污水TN、TP及氨氮的去除效果

由表3可見(jiàn)，栽種稗草的試驗(yàn)組對(duì)TP、TN和氨氮的去除量和去除率均顯著高于靜置組。栽種稗草的試驗(yàn)組中，Ⅰ號(hào)稗草對(duì)TN、TP的去除效果最好，且Ⅰ號(hào)稗草對(duì)TN、TP的去除量和去除率均與Ⅵ號(hào)差異顯著；Ⅴ號(hào)稗草對(duì)氨氮的去除效果最好，與其他稗草均差異顯著；Ⅵ號(hào)稗草對(duì)各指標(biāo)去除量均最小?？偟膩?lái)說(shuō)，Ⅰ、Ⅴ號(hào)稗草作為污水凈化的植物效果較好。

表3 8種稗草對(duì)TN、TP、氨氮的去除量和去除率

3 討 論

3.1 稗草在污水中的生長(zhǎng)狀況

植株在特定的生長(zhǎng)階段，適當(dāng)增加氮磷能促進(jìn)作物的生長(zhǎng)，提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，但超過(guò)限度，植株不能吸收養(yǎng)分[17]。國(guó)內(nèi)外對(duì)稗草在污水中生長(zhǎng)影響的研究甚少。余愛(ài)等[18]的研究結(jié)果表明，低磷更適合柱花草根系和地上部分的生長(zhǎng)，高磷水平對(duì)根系生長(zhǎng)有抑制；楊曉霞等[19]的研究結(jié)果表明，磷添加促進(jìn)高寒草甸植物禾草的地下生物量及總生物量的增加。本研究結(jié)果表明，稗草在污水中能正常生長(zhǎng)，與對(duì)照相比，在較低氮磷濃度范圍內(nèi)促進(jìn)稗草的萌發(fā)、生長(zhǎng)和生物量的增加，較高氮磷濃度中稗草的萌發(fā)和生長(zhǎng)受到抑制。研究表明，氮磷元素的增加，可促進(jìn)植物的光合作用，使光合速率加快，可溶性蛋白等光合作用產(chǎn)物增多，并通過(guò)輸導(dǎo)組織運(yùn)輸?shù)街仓甑牡厣虾偷叵虏糠?，使植物的生物量增加，?dāng)?shù)诐舛冗^(guò)高時(shí)，光合作用會(huì)受到影響，相關(guān)蛋白產(chǎn)物的生成受到抑制，從而導(dǎo)致植物生長(zhǎng)受到影響[20-21]。植物對(duì)氮磷的吸收與水體氮磷濃度、水體氮磷比、生長(zhǎng)環(huán)境等因素有關(guān)[22]。本研究中稗草生長(zhǎng)環(huán)境均相同，稗草根長(zhǎng)在兩種不同濃度污水中生長(zhǎng)情況差異不明顯，稗草地下鮮質(zhì)量總體高于地上，可能與稗草根系發(fā)達(dá)及水體中氮磷比有關(guān)。

3.2 稗草對(duì)污水的凈化效果

植物對(duì)污水中氮磷的凈化，主要通過(guò)植物自身生長(zhǎng)和代謝活動(dòng)吸收水體中的氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，從而降低水體中氮磷含量改善水環(huán)境[23]。曹開(kāi)銀等[24]對(duì)水生植物凈化富營(yíng)養(yǎng)化水體的研究結(jié)果表明，再力花(CannaindicaL.)、美人蕉(CannaedulisKer)、水芹(Oenanthejavanica(Blume) DC)對(duì)水中氨氮和TP的去除效果較好，氨氮去除率分別為75.54%、84.66%、76.22%，TP去除率分別為73.61%、77.33%、82.67%；莫負(fù)恩等[25]的研究結(jié)果表明，禾本科雙穗雀稗(PaspalumdistichumL.)對(duì)污水中的TN、TP具有較好的去除效果，TN、TP去除率分別為98.75%～99.31%、96.54%～99.79%。本研究水培30 d后，8種稗草對(duì)污水中TN、TP、氨氮的去除率分別為87.10%～91.81%、89.29%～96.73%、89.70%～95.76%。試驗(yàn)結(jié)束后，稗草鮮質(zhì)量增加1倍以上，進(jìn)一步表明稗草在一定濃度污水中，通過(guò)吸收水體中氮磷等元素滿足自身生長(zhǎng)代謝所需，促進(jìn)生物量的增加，從而降低水體中氮磷的含量。

4 結(jié) 論

(1) 8種寒地稗草在不同濃度的污水中可正常生長(zhǎng)，與對(duì)照相比，較低氮磷濃度促進(jìn)種子的萌發(fā)和生長(zhǎng)，較高濃度氮磷抑制其種子萌發(fā)和生長(zhǎng)，但濃度變化對(duì)稗草根長(zhǎng)影響不顯著。

(2) 處理1中，8種稗草對(duì)污水中TN、TP、氨氮的去除率分別為87.10%～91.81%、89.29%～96.73%、89.70%～95.76%，去除量分別在46.21～48.71、1.96～2.12、20.00～21.35 mg/L。Ⅰ、Ⅴ號(hào)稗草作為污水凈化植物效果較好。