洞庭湖湿地植物根系氧化力对氮、磷去除的影响1)

李永进 汤玉喜 黎蕾 唐洁 杨艳

(湖南省林业科学院，长沙，410004)

洞庭湖湿地作为长江中下游最为重要的湖泊湿地生态系统，对气候变化、生物多样性、水文和人类健康等具有重要作用[1]。近年来，由于受围垦、生活污水、工业废水排放等人为因素的影响，致使水体富营养化过程大大加速，严重影响了洞庭湖流域生物多样性保护、生态安全和社会经济发展[2-3]。植物生态修复是进行水体污染修复主要途径之一，因其操作简单、修复效果好而越来越多地被运用于土壤、水体污染物的清除与修复，而如何利用并提高植物治理湿地水体富营养化污染效率一直受到广泛关注[4-15]。

湿地植物作为湿地的重要组成部分，在氮磷污染物的去除、氧气传输和根系泌氧及美化环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种指标，它能够使植物根际溶解氧及其微生物分布发生变化，对生态环境中氮、磷及重金属等污染物去除具有重要作用。近年来，许多学者在湿地植物对水体富营养化污染去除效果、湿地植物的筛选等方面研究较多[16-22]，有关湿地植物根系氧化力对污染物去除的作用及机理方面的研究较少[23-26]，而洞庭湖乡土湿地植物根系氧化力与污染物去除关系的研究尚未见报道。因此，文中选择洞庭湖湿地典型群落优势植物种，通过对这些湿地植物根系氧化力、根表面积、氮磷去除能力等特征进行研究，以期为在实践上筛选净化效率高的湿地植物，提高湿地污染修复效率与稳定性提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

以国家级自然保护区东洞庭湖湿地典型群落的优势植物芦苇(Phragmitesaustralis)、苔草(Carexcinerascens)、益母草(Leonurusartemisia)、水芹(Oenanthejavanica)、艾蒿(Artemisiaargyi)、菖蒲(Acoruscalamus)等6种湿地植物为供试材料。

1.2 试验方法

于2019年4月份，选取生长健壮、长势一致的1年生野生植物材料，先用蒸馏水去土洗净根后，在清水中预培养7 d，培养前先测定植物材料的生物量及氮磷质量浓度，然后移入试验塑料盆中进行水培培养，营养液采用Hoagland’s营养液[23](购自青岛市海博生物技术有限公司)，以泡沫塑料板作为定植板，每板定植12株植株，设3个重复，同时，设无植物空白为对照。每天定时定量补充由于蒸发和植物蒸腾散失的水分以保证各处理都基本保持相同水位。

试验植物在培养液中培养28 d后收获，先用自来水把植株洗净，再用蒸馏水冲洗2次。把清洗后的植株分为两部分，一部分测定根系表面积和根系氧化力，其余的植株分成地上部分和地下部分，在105 ℃下杀青固定30 min，再在70 ℃下烘干至恒质量，测定其干物质质量，并将烘干样品磨碎，过60目筛，备用。收集每次更换的营养液并测定其硝态氮、铵态氮和总磷质量浓度，培养结束后测定植株中的生物量、总氮和总磷质量浓度。

1.3 指标测定方法

总磷采用H2SO4-H2O2消化，钼锑抗分光光度法测定；总氮采用C/N元素分析仪(Vario MACRO cube)测定；根系氧化力采用α-萘胺法测定；根系形态采用全自动根系扫描分析仪(winRHIZO)测定。

去除率的计算：水体中氮、磷的去除率参照葛滢等[27]的方法计算。

其中，C0为氮、磷初始时的质量浓度；V0为培养液初始时的体积；Ci为氮、磷第i天的质量浓度；Vi为培养液第i天的体积。因定时补充消耗的水分至原刻度，故V0=Vi。

1.4 数据处理与分析

对试验测得的初始数据采用Microsoft Excel 2010软件进行初步处理，用SPSS20.0进行单因素方差分析(one-way ANOVA)和Tukey HSD法进行多重比较，并采用JMP11.0进行生物量与氮、磷质量浓度之间的相关关系分析与制图。

2 结果与分析

2.1 6种湿地植物对氮的去除

整个试验期间，6种湿地植物培养液中氮质量浓度随着培养时间的延长均出现不同程度下降(图1)。菖蒲和苔草在14～21 d氮质量浓度出现小幅回升。至试验结束时，6种湿地植物氮质量浓度均集中在3.04～7.75 mg·L-1。在培养过程中，前7 d培养液氮质量浓度下降较快，第7 d时，艾蒿、益母草、水芹、苔草培养液的氮质量浓度已由21.0 mg·L-1分别降到8.66、8.10、7.46、6.74 mg·L-1，氮去除率分别达到41.20%、38.53%、35.49%和32.06%。之后随着培养时间的延长，培养液中氮质量浓度下降速度趋缓。培养28d后，艾蒿、水芹、苔草、益母草、菖蒲和芦苇6种湿地植物对氮的去除率与CK(15.65%)相比，分别提高了69.89%、64.56%、67.41%、62.74%、50.53%和47.48%。方差分析表明，6种湿地植物对水体氮中的去除率存在显著性差异(P<0.05)，其中，艾蒿、苔草和水芹对氮的去除效果较好，而芦苇对氮的去除效果最差。

2.2 6种湿地植物对磷的去除

培养液中磷质量浓度随着时间的延长呈现出试验前期快速下降、后期缓慢下降的变化趋势(图2)。湿地植物培养液中磷质量浓度的下降速度均超过CK，其中，艾蒿、水芹和苔草培养液在0～21 d表现出明显的下降趋势，去除率分别达85.21%、84.27%和83.55%，较CK分别提高了60.59%、59.65%和58.93%；28 d时，CK中磷质量浓度比初始质量浓度降低了0.85 mg·L-1，艾蒿、苔草、水芹、益母草、菖蒲和芦苇比初始磷质量浓度分别降低了2.92、2.85、2.81、2.69、2.39和2.23 mg·L-1，6种湿地植物对磷的去除率为71.85%～94.13%，较CK(27.42%)提高了44.43%～66.71%，且6种湿地植物对磷的去除率存在显著性差异(P<0.05)，其中艾蒿对磷的去除率最高，达94.13%，其次为苔草(92.08%)、水芹(90.52%)，而菖蒲对磷的去除率(71.85%)最低。

2.3 6种湿地植物生长量及氮、磷积累

由表1可知，试验期间6种湿地植物均生长良好，经过28 d的培养后，不同湿地植物的生长量存在差异，植株的平均生长量为9.52～22.17 g，其中艾蒿、水芹、苔草3种植物生长量较大，分别为22.17、19.83、16.55 g，显著高于菖蒲(11.28 g)和芦苇(9.52 g)的生长量。6种湿地植物地上部分与地下部分生长量的比值在2.49～5.01，其中艾蒿、水芹、苔草地上部分与地下部分生长量比值均大于4，与其他湿地植物间存在显著性差异(P<0.05)。

表1 6种湿地植物生长量及氮、磷积累量

6种湿地植物体内氮、磷积累量也存在差异，单株植物体内氮的积累量为206.57～399.03 mg·株-1，磷的积累量为27.26～53.78 mg·株-1，其中地上部分对氮和磷的积累量分别为160.65～335.97 mg·株-1和22.05～47.31 mg·株-1。其中，氮、磷积累量较大的湿地植物分别是艾蒿、苔草，而芦苇和菖蒲的氮、磷积累量较少。相关性分析表明，植株体内的氮质量浓度与植物体的生物量呈极显著相关，相关系数分别为(r2=0.981 567,p=0.000 1),植株体内的磷质量浓度与植物体的生物量呈显著相关(r2=0.701 561,p=0.037 4)。

2.4 6种湿地植物根系特征对氮、磷质量分数的影响

从表2中可知，根表面积为36.91～58.57 cm2，其中艾蒿、水芹和苔草的根表面积较大，且6种植物间存在显著性差异(P<0.05)。6种湿地植物的根尖数为5 733.32～7 592.12个，根尖数较多的植物为水芹、艾蒿和苔草，而芦苇和菖蒲根尖数较少，这可能与根的类型有关，其中水芹、艾蒿等为须根型，芦苇和菖蒲为根茎型。根系氧化力为4.63～23.57 μg·g-1·h-1，其中艾蒿、水芹的根系氧化能力显著高于菖蒲和芦苇根系氧化力(P<0.05)。在6种湿地植物中，艾蒿的根表面积和根系氧化能力最大，水芹和苔草次之，芦苇最低。6种湿地植物根表面积、根系氧化力与氮质量分数之间均呈极显著性相关(图3)，相关系数分别为r2=0.931 390(p=0.001 1)和r2=0.979 696(p=0.000 2)；根表面积、根系氧化力与磷质量分数呈显著相关性，相关系数分别为r2=0.764 543(p=0.022 7)和r2=0.649 760(p=0.042 8)。

表2 6种湿地植物的根系特性

3 结论与讨论

湿地植物在生态系统中起着重要的作用，其本身不仅可以吸收同化大量的污染物，而且它发达的根系有利于微生物的生存和生长，提高了周围基质内物质的扩散性，增强了对污染物的吸收和沉淀[28-29]。Brix[30]、Michela et al.[31]、Haberl et al.[32]认为，湿地植物吸收在人工湿地处理污水的整个过程中具有重要作用；Rogers et al.[33]采用室内模拟试验对有植物和无植物条件下污水中氮去除率的研究认为，水葱(Schoenoplectusvalidus)氮去除率达90%。本研究认为艾蒿、苔草和水芹等湿地植物对氮具有较好的去除作用，去除率明显高于CK，表明这些湿地植物在富营养化水体中的氮去除过程中起重要作用。一方面是因为水体中溶解性的氮被湿地植物体吸收，另一方面，湿地植物还能够分泌一些促进微生物的生长物质，提高了氮的硝化与反硝化速率，从而间接提高富营养化水体中氮磷的去除率，这与Haberl et al.[32]就湿地植物对水体富营养化污染净化研究结果一致。但不同湿地植物对氮的吸收能力也不同，艾蒿、水芹、苔草对氮的去除效果较好，而芦苇对氮的去除效果最差，这与艾蒿、苔草和水芹具有发达的根系、试验期间生长量大有关，同时植物根系分泌物有利于微生物的生长，促进降解物质的分泌，从而增强水中污染物的去除效果，这与何娜等[13]、徐德福等[22]的研究结果一致。

目前，对湿地植物吸收在脱氮除磷中的贡献说法不一。徐和胜等[34]研究表明，填料对磷的吸附是除磷的主要途径，而植物对磷的吸收并不占主要作用；金卫红等[35]认为，在高负荷下，湿地主要的除磷机理是基质的吸附存储，而不是植物吸收；王全金等[36]、袁东海等[37]研究认为，植物、污染物质量浓度、水体等因素都对磷的去除效果存在影响，并且不同组合的湿地植物和根系环境也会产生不同的效果。造成这些研究结果不同的原因，一方面可能因为磷被根系、基质吸附或以磷酸盐沉降，另一方面是植物吸收了水体中可溶性的磷。在本试验中，6种湿地植物的去磷效果存在显著性差异，其中艾蒿的磷去除率最高，其次是苔草和水芹，而菖蒲对磷去除率最低，且无植物的空白对照组对磷去除率也达到了27.42%，说明植物根系吸收和吸附是磷的主要去除方式，一方面是因为本研究是在水培条件下进行的，无填料的作用，没有填料对磷的吸附；另一方面，植物发达的根系所形成的微环境系统在磷的吸附、吸收和转化等过程中同样起着非常重要的作用[38-39]。

根系氧化力是表征湿地植物根系活力的重要指标，根系氧化力指标可反映植物根系泌氧能力的强弱。刘志宽[40]、褚光等[41]研究认为，根系氧化力能够增加根系吸收面积和养分吸收，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异。本研究认为，不同湿地植物根系表面积、根系氧化力存在显著差异，说明随着根表面积的增大和根系氧化力的增强，植物根系与污染物的接触面积和有氧环境就会更大、更强，这样能提高植物对污染物的吸收和利用。总体上看，6种植物中具有发达的根系、生长量大和根系氧化能力强的艾蒿、苔草、水芹对水体中氮、磷的去除率大于芦苇和菖蒲，但是本研究只是短期静态水培植物进行室内环境模拟培养试验，对野外实际环境中成熟个体根系去除污染物能力还需进一步研究。