不同富营养化水平对挺水植物生长及氮磷吸收能力的影响

2012-10-31刘利华郭雪艳达良俊李静文

华东师范大学学报（自然科学版） 2012年6期

刘利华，郭雪艳，达良俊，2，李静文

（1.华东师范大学环境科学系，上海 200062；2.华东师范大学上海市城市化生态过程与生态恢复重点实验室，上海 200062）

0 引言

水体富营养化治理不仅是一个全球性难题，也是我国面临的严峻问题.据国家环保总局统计，至2010年，全国26个国控重点湖泊（水库）中，有11个处在富营养化状态，主要污染来源为氮和磷.富营养化水体的修复已成为我国环境污染治理焦点.目前，有关富营养修复的方法较多，如化学、物理等方法，但多数耗资较大，易造成环境的二次污染.而选择水体的生态治理，即应用水生植物去除氮磷相对成本低廉，且修复效果显著，同时又能增加水体的生态服务效益［1－4］.然而，地域迥异造成各地的营养化来源和适宜治理种类品系的差异.有关治理水体的植物较多，从经济作物水稻［5］、黑麦草和水芹［6］、香根草［7］发展到美人蕉［8］、菖蒲和鸢尾［9］等景观植物.除上述挺水植物外，苦草、菹草和金鱼藻等沉水植物也作为水下森林的主要构筑材料［10，11］，被用于水体修复，效果均十分显著.但在选择水生植物修复时需要谨慎，以防止凤眼莲等生物入侵现象的再次出现［12］.运用芦苇等为代表的乡土植物，可避免入侵现象，已成为新的趋势.

前人研究多针对同一水体或者同一富营养水平条件下的植物修复效果；对不同富营养化水平下，植物耐受的富营养化水体浓度，以及去除效果研究不多.本研究选择千屈菜、野茭白和花叶芦竹3种上海市乡土挺水水生植物为研究对象，通过跟踪记录不同富营养化水平下植物的生物量变化，分析不同富营养化水体下器官间的氮磷含量分布.比对分析，选择最为合适的水生植物作为去除富营养化水体的备选材料.可为城市水体修复的植物筛选提供理论依据，并进一步为城市水体绿化建设提供一定的指导和建议.

1 材料与方法

1.1 实验材料

千屈菜（Lythrum salicaria）千屈菜科千屈菜属，喜温暖和光照充足，通风好的环境，喜水湿，我国南北各地均有生，多生长在沼泽地、水旁湿地和河边、沟边.

花叶芦竹（Arundo donax）禾本科芦竹属，通常生于河旁、池沼、湖边，常大片生长形成芦苇荡.喜温喜光，耐湿较耐寒，国内已广泛种植.

野茭白（Zizania latifolia）禾本科菰属，原产自我国和东南亚，具有很强的适应能力，生物量大，易于无土栽培，国内分布广泛.

1.2 实验方法

实验采用浮板栽培方式，用方形整理箱为容器，整理箱的规格为70 cm×20 cm×25 cm.在泡沫板均匀打9个孔.将事先挑选好的长势相同的植株，插入孔中并用海棉填充加以固定，植株初始生物量均约为5 g.根据《地表水环境质量标准》（GB3838—2002），将实验水体设置5种浓度梯度（见表1），植物所需其余元素浓度采用Hoagland营养液配方（见表2）.调整PH值到同一水平，每种处理进行3次重复，即进行3次平行样实验，并设置空白对照（即桶内水面上只放泡沫板，不种植物）每月采集植物样品，分离根、茎叶，分别称量鲜重，105℃杀青处理后75℃烘干至恒重，称量干重，磨碎、过筛、硝解，用流动分析仪（SKALAR）测定氮磷含量.植物各器官的总氮、总磷测量结果代表其对氮磷元素的吸收能力，以间接反应植物从水体中吸收氮磷的能力.

实验期间，方型整理箱培养植物放置尽量保证植物处于相同的温度、光照条件下，考虑到蒸发以及植物的蒸腾作用，每星期加入一次蒸馏水，保证水总量不变，实验时间为2011年5月～11月.

表1 实验水体氮磷浓度梯度设置Tab.1 Water experiment of nitrogen and phosphorus concentration gradient settings

表2 营养元素浓度表（除N，P外）Tab.2 Nutrition elements concentration table（except N，P） mg·L－1

1.3 数据分析

运用EXCEL2003进行图表制作，在SPSS 17.0数据分析软件进行差异性分析.

2 结果与分析

2.1 不同富营养化水平下根和茎叶的生物量变化

随着植物的生长，试验期间3种植物的根生物量均稳定增加，具有不同的生长最适浓度，对富营养化的耐受性也存在差异（见图1）.同期的千屈菜（最大值为28.2 g／株）和花叶芦竹（最大值27.8 g／株）生物量相差不大，但两者均比野茭白（最大生物量为18 g／株）的同期生物量要大.

从A浓度到D浓度，千屈菜的生物量随浓度的升高而增加，至重—中度富营养即D浓度时达到最大；后又在E浓度时生物量呈现减小趋势.表明重富营养对千屈菜生长具有一定的抑制作用；花叶芦竹的生长最适的浓度也为D浓度，而在E浓度中仍保持较高的生物量积累，表明花叶芦竹对富营养化水体相对于千屈菜具有更强的耐受性.与前者不同，野茭白的生长最适浓度为轻—中度富营养的C浓度，其他生物量依次为D浓度＞B浓度＞A浓度＞E浓度.

在这5种梯度的水体中，千屈菜、花叶芦竹和野茭白植株茎叶的生物量与根在实验期间无顶峰期不同，呈现出先增大后减少的相似性趋势，存在明显的峰值（见图2）.千屈菜和花叶芦竹出现在10月，最大值分别为40.5 g／株和42.6 g／株，野茭白最大生物量在9月，最大值为28.6 g／株.

图1 不同富营养水平下植物根的生物量变化Fig.1 The changes of plant root biomass in different eutrophical waters

图2 不同富营养水平下茎叶的生物量变化Fig.2 The changes of plant stem－leaf biomass in different eutrophication waters

与根的生物量变化趋势相似（见图1），千屈菜和花叶芦竹在D浓度中茎叶生物量最大，从A浓度到D浓度，随富营养化水平的提高，生物量也随之增大，在E浓度水平条件下，生物量呈现急剧减少的趋势.野茭白生物量最大值仍出现在C浓度，其它依次为D浓度＞B浓度＞A浓度＞E浓度，其最适合的浓度水平最低.

2.2 不同富营养化水平下植物总氮磷含量

在5种梯度水体中，通过计算实验末期平行实验的中植物体中总氮总磷平均含量（见表3），3种实验植物的总氮磷含量变化相似，均表现出先增加后减少的变化趋势.花叶芦竹和千屈菜的总氮磷含量从A浓度至D浓度随浓度的提高而增加；最大含量都出现在D浓度，此时花叶芦竹的植株的氮含量平均达32.18 mg／g、磷含量达到6.16 mg／g，千屈菜植株的氮含量和磷含量分别为29.98 mg／g和5.94 mg／g；在E浓度时减少.与前两者不同，野茭白总氮磷含量最大值都出现在C浓度，植株的总氮总磷含量分别达到25.12 mg／g和4.94 mg／g.同时，从表3也可看出，不同种类及同种的不同器官间其氮磷含量存在差异性，同浓度水平下氮磷含量大小依次为花叶芦竹＞千屈菜＞野茭白，3种植物茎叶氮磷含量均大于根.

3 讨论

3.1 不同富营养化水平对植物生长的影响

植物的生物量是表征不同富营养化水体对植物生长影响的最优指标.随着氮磷水培浓度的升高，植物的生物量先增加后降低，表明富营养化梯度起着先促进后抑制的作用.花叶芦竹和千屈菜在D浓度（重—中富营养化水平）下生物量和氮磷含量达到最大值，而在E浓度，植物的生物量，氮磷含量均呈下降趋势.对于野茭白，它的最大值出现在C浓度（轻—中度富营养水平），植株的生物量在D浓度和E浓度水平下，随着富营养化水平的加重，植物出现生长抑制，表明花叶芦竹和千屈菜对富营养化水体的耐受程度比野茭白要高.更适合在污染重的水体中种植.且3种植物均存在最适合的浓度，超过最合适的浓度后，植株生物量和生长便受到抑制.这和潇源等的研究结果类似［11，13］.葛莹等认为，在轻度富营养水平下，氮磷是水生植物生长的限制因子，在一定范围内增加氮磷浓度可以促进植物的生长，表现为生物量增加，但在重度富营养化的水体中，矿质元素取代氮磷成为了限制因子，因而限制了生物量的进一步增加［14］.同时，过高浓度氮磷会胁迫导致植物体内过氧化物酶活性下降，抑制植物生长，最终导致植物死亡.但这种胁迫及限制在种间存在差异，如野茭白在D浓度水平下就出现生长抑制，而花叶芦竹和千屈菜在E浓度水平下才出现生长抑制.

表3 不同富营养化水体中根与茎叶总氮总磷含量Tab.3 The total nitrogen phosphorus contents of root and stem－leaf in different eutrophication waters

3.2 不同生活型水生植物氮磷吸收能力比较与植物优选

水生植物具有显著的氮磷吸收作用，治理水污染效果明显，但在植物种间存在明显差异.通过归纳总结已有相关研究成果，并结合本实验的结果，以单位干物质氮磷的含有量比较不同生活型间的物种对氮磷吸收能力，以期优选出最为高效的水生植物（见表4）.

表4 不同生活型水生植物氮磷含量［15－18］Tab.4 The nitrogen and phosphorus content in different life form aquatic plants

从生活型总体来看，浮水植物的单位干物质氮磷含量优于沉水植物和挺水植物.分析原因可能与氮磷的获取以及吸收动力有关，氮磷的吸收主要源自水中，而浮水植物和沉水植物在水中的面积较挺水植物大，吸收的面积也大很多，吸收氮磷的过程是主动吸收，需要能量；其次浮水植物浮在水面，光合作用效率比在水下的沉水植物要大，因而浮水植物最大氮磷含量要比沉水植物最大的含量要高，另研究也表明，浮水植物凤眼莲比沉水植物伊乐藻具有较高的吸收速率，适合作为先锋植物对水体进行前期的治理修复［19，20］.

对于浮水植物，例如浮萍单位面积生物量较小，有研究表明，在21 cm×31 cm的浮萍培养箱中，种植满浮萍鲜重10 g，但是如果种植鸢尾，平均鲜重高达132 g，比浮萍要大很多.通过计算，单位水体面积内，鸢尾同化吸收的氮磷总量比浮萍要大.因而在选择植物时不仅要考虑单位含量，还应考虑单位水域面积生物量大的水生植物［18］.

对于沉水植物，马凯的研究表明，4种沉水植物均能吸收水中的磷，降低水中的磷含量.但金鱼藻，微齿眼子菜和苦草，对水中总氮含量无显著影响，仅能调控氮元素在各态化合物之间的循环，而无法利用水环境中的无机氮；穗花狐尾藻甚至可以明显提高水中的总氮水平［21］.此外，沉水植物生长在水下，移除出水体难度较大，且容易搅动水体，导致水体底泥中营养盐的释放，造成二次污染.沉水植物可以维持水体稳态，在后期应用较多.

综上所述，高大挺水植物因为单位水域面积生物量大，故积累的氮磷量较大；且在水面生长，管护较为容易，移除出水体成本低，所以高大挺水植物将是较为合理的选择之一.本研究结果证明，花叶芦竹可被认为是上海地区治理富营养化水体的优选植物材料之一.而针对具体实践，研究表明，多种植物形成上中下垂直水中森林比单种更能有效处理水体富营养化的问题［22］.

4 结论

（1）不同植物最适浓度不同，花叶芦竹和千屈菜最适浓度在重－中度富营养化水平，而野茭白在轻—中度富营养.超过植物的最适浓度，植物的生长均受到抑制.因此，针对不同的富营养化水体，以植物的最适浓度作为参考，选择合适的植物治理水体.本研究表明，花叶芦竹和千屈菜比野茭白更耐污，花叶芦竹效果最好.

（2）花叶芦竹和千屈菜最大生物量出现在10月份，野茭白最大生物量出现在9月.因此，通过不同生长期的植物进行搭配，保持水体的氮磷吸收的延续性，在达到最大生物量后及时清除衰亡的植株，可以达到最好的净化效果.

（3）通过比对分析前人的研究成果，发现浮水植物体内氮磷含量最大，其次是沉水植物，最后是挺水植物.浮水植物吸收效率高，一般作为先锋物种，对水体进行前期的修复.高大挺水植物生长在水面，光照充足，生物量大，吸收氮磷量大，可以用来治理富营养化水体.沉水植物可以维持水体稳态，在后期应用较多.本研究中，花叶芦竹是最为理想的植物.

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