氮、磷污染水體中荷花的生態(tài)效應(yīng)和生理響應(yīng)

常寶亮,周浩民,上官凌飛,,汪錫文,王彥杰,金奇江,徐迎春*

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部景觀設(shè)計重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210095;2.安徽蕪湖東源新農(nóng)村開發(fā)股份有限公司企業(yè)博士后工作站,安徽 蕪湖 241399)

近幾十年來,隨著人類對環(huán)境資源開發(fā)和不合理的利用,大量氮、磷營養(yǎng)物質(zhì)排入河流、湖泊,水環(huán)境迅速惡化,富營養(yǎng)化程度不斷加重并危害到生活用水和工業(yè)用水供給[1]。水體內(nèi)源污染還是水體富營養(yǎng)化的重要原因[2]。我國的主要河流湖泊底泥污染嚴(yán)重,外源污染一部分會沉降到表層沉積物中造成污染隱患[3-4],因此,水體富營養(yǎng)化問題日益嚴(yán)峻。治理和修復(fù)富營養(yǎng)化水體主要有物理、化學(xué)、生物等方法。與其他水體凈化措施相比,以水生植物為主體的生物治理法,具有投資、維護(hù)和運(yùn)行費(fèi)用低,觀賞價值高,管理方便,生態(tài)效益良好等特點(diǎn)[5]。因此,該方法已成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)之一[6]。

荷花(Nelumbonucifera)為我國十大傳統(tǒng)名花中唯一的水生花卉,對富營養(yǎng)化水體具有較好的凈化效果[7]。近年來,人們開始強(qiáng)化水生植物景觀營造與可持續(xù)利用的研究,不再局限于單一的污染治理,而是根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行植物選擇與景觀生態(tài)修復(fù)。目前對于荷花凈化富營養(yǎng)化水體的研究大多集中在不同荷花品種對富營養(yǎng)化水體凈化效果的差異性[8-9]、荷花原位修復(fù)富營養(yǎng)化水體[10]、荷花凈化效果的季節(jié)性差異[11]等方面,研究內(nèi)容主要關(guān)注的是荷花對富營養(yǎng)水體與底泥中氮、磷的去除效果[12]。然而,在應(yīng)用中不僅要關(guān)注荷花的凈化效果,還要探明荷花在富營養(yǎng)化水體中的生長和生理響應(yīng)情況,以營造良好的景觀效果及達(dá)到可持續(xù)利用的目的。實(shí)際污染程度較高水體中,荷花是否為適合應(yīng)用的水生觀賞植物,還尚未明確。

本研究以荷花品種‘紅巨子’為研究對象,通過人工配制模擬不同富營養(yǎng)化程度污水,分析荷花對不同濃度富營養(yǎng)化水體及底泥中氮、磷的吸收情況,結(jié)合荷花開花情況、葉片形態(tài)及葉綠素含量、葉片氮、磷含量,并檢測荷花丙二醛(MDA)含量及超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)活性變化,探究荷花對不同程度富營養(yǎng)化水體、底泥的凈化能力及生理響應(yīng)情況,旨在為利用荷花治理富營養(yǎng)化水體提供借鑒與參考。

1 材料與方法

1.1 材料

供試荷花品種為‘紅巨子’,種藕由南京藝蓮苑花卉有限公司提供。挑選生長健壯、大小基本一致的種藕(長約20 cm,直徑約5 cm)種植,所用花盆為380 mm標(biāo)準(zhǔn)口徑塑料無孔花盆。待生長出第1片立葉后,挑選生長狀態(tài)一致的荷花幼苗作為試驗(yàn)材料。

1.2 方法

1.2.1 試驗(yàn)處理和處理方法試驗(yàn)于2018年7月1日開始,試驗(yàn)場地為南京農(nóng)業(yè)大學(xué)白馬基地遮雨棚內(nèi)(北緯31°61′和東經(jīng)119°18′)。參考國家地表水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)文獻(xiàn)[13-16],采用KNO3、NH4Cl、KH2PO4并參考改良過的Hoagland營養(yǎng)液配方,以蒸餾水配制試驗(yàn)用水。設(shè)置高[HC,總氮(TN):30 mg·L-1;總磷(TP):3 mg·L-1]、中(MC,TN:20 mg·L-1;TP:2 mg·L-1)和低(LC,TN:10 mg·L-1;TP:1 mg·L-1)3種不同氮、磷濃度水平的富營養(yǎng)水體。以自來水正常培養(yǎng)荷花為對照組(CK0,TN:0.67 mg·L-1;TP:0.02 mg·L-1),高、中、低3種氮、磷濃度富營養(yǎng)化水體無荷花種植對照分別為CK1、CK2、CK3。每盆加入15 L相關(guān)處理用水,10 kg基地種植池底泥(TN:1.54 g·kg-1;TP:0.16 g·kg-1),每個處理設(shè)5盆重復(fù)。試驗(yàn)用水中硝態(tài)氮與銨態(tài)氮的質(zhì)量比為1∶1。每隔3 d,添加蒸餾水以補(bǔ)充損耗。每隔7 d,采集各組水樣、底泥、植物葉片,用于相關(guān)指標(biāo)的測定。

1.2.2 測定指標(biāo)及方法采用堿性過硫酸鉀消解-紫外分光光度計法測定水體總氮濃度;采用鉬酸銨分光光度計法測定水體總磷濃度[17]。采用硫酸-過氧化氫消解,連續(xù)流動分析法測定植物葉片總氮含量[18];采用微波消解儀進(jìn)行消解,電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP)測定植物葉片總磷含量。采用凱氏定氮法測定底泥總氮含量;采用氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法測定底泥總磷含量。采用姚睿等[16]的方法測定植物葉片各項生理指標(biāo)。采用95%乙醇浸提法測定植物體葉綠素含量;采用硫代巴比妥酸法測定丙二醛(MDA)含量;采用氮藍(lán)四唑(NBT)法測定超氧化物歧化酶(SOD)活性;采用愈創(chuàng)木酚法測定過氧化物酶(POD)的活性。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理;采用GraphPad 8.0.2軟件繪制圖表;采用SPSS 26.0軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同氮、磷濃度下荷花生長情況及葉綠素含量變化

由圖1和表1可見:與對照組相比,處理組的荷花開花數(shù)量、葉面積均增加,且花期明顯提前。處理組的荷花葉片濃綠程度均高于對照組,且低濃度處理組荷花生長情況最好,葉片濃綠程度最高。處理組荷花葉片中葉綠素含量明顯增加,低濃度處理組荷花葉片的葉綠素含量在處理7 d后急劇上升至22.86 mg·L-1,并與中、高濃度處理組間存在顯著性差異(圖2)。試驗(yàn)期間,對照組(CK0)荷花葉片的葉綠素含量為12.89～14.15 mg·L-1。3個氮、磷濃度處理組荷花葉片的葉綠素含量在處理7 d后均顯著升高,之后緩慢降低,中、高濃度處理組在21 d達(dá)到最低值,之后開始回升,至試驗(yàn)結(jié)束時仍高于對照組。至試驗(yàn)結(jié)束時(35 d),3個氮、磷濃度處理組荷花葉片的葉綠素含量達(dá)到同一水平且顯著高于對照組(CK0)。

圖1 各試驗(yàn)組荷花葉片狀態(tài)(7 d)Fig.1 The leaves status of Nelumbo nucifera in each experiment group(7 d) CK0:正常培養(yǎng)(對照組);HC:高濃度處理組[總氮(TN):30 mg·L-1;總磷(TP):3 mg·L-1];MC:中濃度處理組(TN:20 mg·L-1;TP:2 mg·L-1);LC:低濃度處理組(TN:10 mg·L-1;TP:1 mg·L-1)。下同。CK0:Normal culture(control group);HC:High concentration treatment group[total nitrogen(TN):30 mg·L-1;total phosphorus(TP):3 mg·L-1];MC:Medium concentration treatment group(TN:20 mg·L-1;TP:2 mg·L-1);LC:Low concentration treatment group(TN:10 mg·L-1;TP:1 mg·L-1). The same as follows.

圖2 不同氮、磷濃度下荷花葉片葉綠素含量變化Fig.2 Changes of chlorophyll content in N. nucifera leaves treated with different nitrogen and phosphorus concentrations

表1 不同氮、磷濃度下荷花生長與開花狀況

2.2 荷花對污染水體中總氮(TN)、總磷(TP)的凈化效果

由圖3可知:試驗(yàn)期間,隨著處理時間的延長,不同氮、磷濃度處理組水體中的TN濃度不斷下降,荷花對水體TN的去除率上升,且遠(yuǎn)高于各自濃度對照組。處理7 d內(nèi),低濃度處理組荷花對水體TN的凈化效率較高,而后趨于平緩。中和高濃度處理組荷花凈化水體TN的凈化效率較為穩(wěn)定,并保持在較高水平。處理35 d時,高、中和低濃度處理組荷花對水體TN濃度去除率分別達(dá)到79.49%、73.95%和57.34%。由此可見,荷花能夠吸收水體中過量的氮素,具備在不同污染程度富營養(yǎng)化水體中凈化TN的能力。

試驗(yàn)期間,不同濃度處理組水體TP濃度不斷下降,荷花對水體TP的去除率上升,且均遠(yuǎn)高于各自對照組,說明荷花能夠吸收水體中過量的磷素,具備凈化富營養(yǎng)化水體TP的能力。隨著處理時間的延長,不同濃度處理組荷花對水體TP的去除效率逐漸降低。處理21 d后,低、中濃度處理組水體TP濃度較為穩(wěn)定,變化較小。處理35 d時,高、中和低濃度富營養(yǎng)化處理組中荷花對水體TP濃度去除率分別達(dá)到83.69%、89.99%和84.75%。由此可見,荷花對于不同濃度富營養(yǎng)化水體TP均具有較好的凈化效果。

圖3 不同氮、磷濃度下荷花對污染水體總氮(TN,A)和總磷(TP,B)的去除率Fig.3 The removal rate of total nitrogen(TN,A)and total phosphorus(TP,B)in polluted water of N. nucifera at different nitrogen and phosphorus concentrationsCK1、CK2、CK3分別為高、中、低濃度富營養(yǎng)化水體無荷花種植的對照。下同。CK1,CK2,CK3 are no lotus culture control from low,medium and high concentrations of eutrophic water bodies,respectively. The same as follows.

2.3 不同氮、磷濃度下荷花對底泥中TN、TP的凈化能力

由圖4可知:試驗(yàn)期間,高、中濃度處理組底泥TN含量不斷下降。處理14 d后,3個濃度處理組底泥TN去除率明顯高于對照組,說明試驗(yàn)14 d后荷花對底泥TN具有較好的吸收效果。處理21 d,低濃度處理組底泥TN去除率為40.97%,然后趨于平緩。處理35 d時,高、中和低濃度處理組底泥TN去除率分別達(dá)到33.51%、32.37%和41.36%。由此可見,荷花對富營養(yǎng)化處理組底泥中的TN具有一定的吸收效果。試驗(yàn)期間,不同濃度處理組底泥TP含量不斷下降,處理35 d時高、中和低濃度處理組底泥TP去除率分別達(dá)到77.72%、80.01%和59.19%。處理14 d,高濃度處理組底泥TP去除率與對照組無明顯差異,說明試驗(yàn)14 d內(nèi)高濃度處理組荷花對底泥TP吸收效果較弱。處理21 d后,3個濃度處理組底泥TP去除率明顯高于對照組,說明荷花對不同濃度富營養(yǎng)化處理組底泥中的TP具有較好的吸收效果。由此可見,荷花對富營養(yǎng)化處理組底泥中的TP具備較好的吸收效果。整體來看,處理21 d后,荷花對中、低濃度處理組底泥中TP的去除率趨于平緩。高濃度處理組荷花對底泥TP去除率試驗(yàn)期間持續(xù)上升。表明荷花對不同濃度富營養(yǎng)化處理組底泥中TN去除率較低,但對TP去除率較高,均大于56%。

圖4 不同氮、磷濃度下荷花對底泥TN(A)和TP(B)的去除率Fig.4 TN(A)and TP(B)removal rate in sediment of N. nucifera at different nitrogen and phosphorus concentrations

2.4 不同氮、磷濃度下荷花葉片TN、TP含量的變化

由表2可見:試驗(yàn)期間,對照組荷花葉片中TN含量隨時間呈不斷下降趨勢。處理7 d后,處理組荷花葉片TN含量顯著高于對照組(P<0.05),說明荷花在富營養(yǎng)化水體中生長,其葉片的TN含量得到明顯提升,此后維持在較高水平。處理14 d后,不同處理組荷花葉片TN含量無顯著差異(P>0.05)。試驗(yàn)期間,對照組荷花葉片TP含量隨時間呈不斷下降趨勢。處理0～21 d期間,不同處理組荷花葉片TP含量變化較大。處理14 d后,處理組荷花葉片TP含量顯著高于對照組,說明荷花在富營養(yǎng)化水體中生長,其葉片的TP含量得到明顯提高。處理21 d后,不同氮、磷濃度水體中荷花葉片TP含量間無顯著差異。

表2 不同氮、磷濃度下荷花葉片TN和TP含量的變化Table 2 Changes of TN and TP contents in N. nucifera leaves treated with different nitrogen and phosphorus concentrations

綜上,不同氮、磷濃度水體中荷花葉片氮、磷含量與對照組相比均有明顯提高,但不同氮、磷濃度處理組間差異不顯著。3種氮、磷濃度水體中,低濃度處理組荷花葉片氮、磷含量較高,說明低濃度處理組對荷花葉片積累氮、磷起到了更為積極的促進(jìn)作用。

2.5 荷花葉片丙二醛(MDA)含量及抗氧化酶活性變化

由圖5可見:處理14 d后,高、中濃度處理組荷花葉片MDA含量顯著高于低濃度處理組及對照組。中、高濃度處理組葉片MDA含量無顯著差異。處理14 d后,對照組與低濃度處理組葉片MDA含量無顯著差異,說明低濃度處理組的荷花葉片MDA含量沒有明顯變化,與對照較為一致,且顯著低于中、高濃度處理組。

圖5 不同氮、磷濃度下荷花葉片MDA含量的變化Fig.5 Changes of MDA content in N. nucifera leaves at different nitrogen and phosphorus concentrations

由圖6可見:各處理組中荷花葉片SOD和POD活性由大到小依次表現(xiàn)為低濃度處理組、對照組、中濃度處理組、高濃度處理組。試驗(yàn)期間,低濃度處理荷花葉片SOD活性顯著高于對照組,中濃度和高濃度富營養(yǎng)化水體中對荷花葉片SOD活性較低。處理21 d后,中濃度處理荷花葉片SOD活性與對照組相比無顯著差異,表明中濃度處理初期抑制了荷花SOD活性,后期恢復(fù)至正常水平。高濃度處理組具有同樣的趨勢。低濃度處理組荷花葉片POD活性相較對照組有所升高,之后隨著富營養(yǎng)化水平升高,荷花葉片SOD活性受到抑制的效果更加顯著。隨著處理時間的不斷延長,低濃度處理組荷花葉片POD活性保持在較為穩(wěn)定的水平,中、高濃度處理組荷花葉片POD活性隨試驗(yàn)時間延長逐步升高。

圖6 不同氮、磷濃度下荷花葉片SOD(A)和POD(B)活性的變化Fig.6 Changes of SOD(A)and POD(B)activities in N. nucifera leaves at different nitrogen and phosphorus concentrations

3 討論

在一定范圍內(nèi),氮、磷濃度的升高有利于水生植物的生長,但氮、磷濃度過高會產(chǎn)生抑制作用[19]。本試驗(yàn)中3種氮、磷濃度水體中荷花新生葉片數(shù)均高于對照組,說明荷花能夠在3種富營養(yǎng)化條件下正常生長,但過高的富營養(yǎng)化水體前期同樣對荷花葉片產(chǎn)生了抑制作用,高、中濃度處理組的新生荷花葉片會在一定時間內(nèi)會出現(xiàn)失綠癥狀。隨著時間的延長,荷花會逐漸適應(yīng)過高的富營養(yǎng)化水體,從水體中吸收了大量的氮、磷,以促進(jìn)植株生長[20]。低濃度處理組荷花葉片中的氮、磷含量增加最明顯,這與李琳等[21]的試驗(yàn)結(jié)果相似。低濃度處理組荷花生長情況、葉片葉綠素含量也明顯優(yōu)于其他處理,與葉片氮、磷含量變化規(guī)律呈現(xiàn)出較好的一致性。這可能是因?yàn)榈蜐舛任廴舅w的氮、磷濃度正符合荷花生長所需要的水體養(yǎng)分含量。本試驗(yàn)表明,荷花對富營養(yǎng)化水體中氮、磷污染物具有良好的去除效果,但由于對氮、磷的去除機(jī)制不同,荷花對TP的去除率高于TN,在底泥中尤為明顯,說明荷花對于磷的去除存在優(yōu)勢,對減輕水體沉積物中磷的釋放具有一定潛力。這可能是因?yàn)榱椎娜コ芡寥?、植物和微生物等多因素影?通過沉淀吸附、植物吸收等作用使去除效率提高,荷花因其獨(dú)特的根狀莖而具有一定優(yōu)勢[12]。本試驗(yàn)中荷花對氮、磷的去除效果高于杜紅霞等[22]的研究結(jié)果,這可能是由于底泥等試驗(yàn)環(huán)境的不同和荷花品種間的差異所致。

不同植物對不同營養(yǎng)因子的耐受程度各不相同[23],過高氮、磷濃度的水環(huán)境可能打破植物生理平衡[24-25]。一定濃度的氮、磷營養(yǎng)鹽脅迫下,水生植物體內(nèi)抗氧化酶活性呈升高狀態(tài)[26-27]。本試驗(yàn)中低濃度處理組荷花葉片中抗氧化酶活性變化情況與之相一致。低濃度處理組荷花葉片MDA含量無明顯變化,而抗氧化酶SOD和POD活性升高,可能是由于抗氧化酶活性的升高,清除了因逆境產(chǎn)生的活性氧,膜脂過氧化程度較低。而中、高濃度處理組荷花葉片中MDA含量較高、抗氧化酶活性較低,這與孫瑞蓮等[28]的研究結(jié)果相似,由于高氮、磷營養(yǎng)鹽脅迫超過植物正常調(diào)節(jié)范圍,導(dǎo)致抗氧化酶活性下降,進(jìn)而導(dǎo)致膜脂過氧化程度上升,影響植物正常生長。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),處理14 d后,中、高濃度處理組荷花抗氧化酶活性逐漸恢復(fù),葉片葉綠素含量、氮含量、磷含量也呈現(xiàn)相同趨勢,MDA含量保持穩(wěn)定,膜脂過氧化程度不再加深,表明荷花可以逐步適應(yīng)中、高濃度富營養(yǎng)化水體環(huán)境。

本研究中,荷花在不同氮、磷污染濃度水體中均表現(xiàn)出良好的凈化效果,尤其在高氮、磷濃度水體中TN和TP去除率分別達(dá)到79.49%和83.69%。除此之外,荷花對不同氮、磷濃度污染水體底泥中TP去除效果明顯,對TN去除效果相對較弱。不同氮、磷濃度污染水體對荷花生長總體呈現(xiàn)低促高抑的作用,但隨著時間延長,荷花可以逐漸改善高濃度富營養(yǎng)化水體環(huán)境,進(jìn)而適應(yīng)生長。以上研究表明,荷花是具有在多種復(fù)雜氮、磷污染水體中進(jìn)行生態(tài)修復(fù)和景觀應(yīng)用的水生植物。