基质类型和絮体浓度对沉水植物苦草种子萌发的影响

文冬华 黄敏 席寒 赵俊豪 陈俊格 王和云

摘要： 以苦草［Vallisneria natans （Lour.） Hara］種子为研究对象，分析了其在不同基质类型以及不同絮体浓度下的萌发速率、累计萌发率和最终萌发率。结果表明，基质类型对苦草种子的萌发有显著影响（P<0.05），以黄泥为基质的苦草种子最终萌发率最高，为55.8%，以底泥＋沙为基质的种子最终萌发率最低，为33.0%。添加絮体显著降低了苦草种子的最终萌发率（P<0.05），抑制效果最大的处理种子最终萌发率为29.4%，比未添加絮体的处理种子最终萌发率（49.2%）低19.8个百分点。在河湖生态修复中，高铁酸盐作为一种常用絮凝剂，可使水体中的污染物凝聚并从水体中分离去除，以达到净水目的，但高铁酸盐投加产生的絮体覆盖在苦草种子表面会影响其萌发。综合分析，黄泥相较于底泥和泥沙更适合苦草种子的萌发，而絮凝剂的使用可能对苦草种子的萌发产生不良影响。在实际应用中应综合考虑絮凝剂对水体透明度的提升作用和对沉水植物种子萌发产生的负面效果。

关键词：絮凝剂；基质类型；絮体浓度；苦草［Vallisneria natans （Lour.） Hara］；萌发率

中图分类号：X17；Q945.34         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2024）01-0052-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2024.01.009 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

The effects of substrate types and flocs concentration on seed germination of

Vallisneria natans

WEN Dong-hua， HUANG Min， XI Han， ZHAO Jun-hao， CHEN Jun-ge， WANG He-yun

（School of Civil Engineering Architecture and Environment， Hubei University of Technology/Key Laboratory of Ecological Remediation of Lakes and Rivers and Algal Utilization of Hubei Province， Wuhan  430068， China）

Abstract： Germination rate， cumulative germination rate and the final germination rate of Vallisneria natans  （Lour.） Hara seeds under different substrate types and different flocs concentrations were studied. The results showed that the substrate type had a significant effect on the seed germination（P<0.05）. The final germination rate of V. natans seed with yellow mud as substrate was the highest （55.8%）， while the final germination rate of seed with sediment + sand was the lowest （33.0%）. The addition of flocs significantly reduced the final germination rate of seeds， and the final germination rate of the treatment with the largest inhibition effect （29.4%） was 19.8 percentage points lower than that of the treatment without flocs （49.2%）. In the ecological restoration of rivers and lakes， ferrate， as an common flocculant， could condense pollutants in the water body and remove them from the water body to achieve the purpose of water purification. However， the flocs produced by ferrate dosing covered the surface of V. natans seeds， which would affect their germination. Comprehensive analysis， yellow mud was more suitable for the seed germination than sediment and sand， and the use of flocculants might have adverse effects on the seed germination. In practical applications， the improvement effect of flocculants on water transparency and the negative effect on the seed germination of submerged plants should be considered comprehensively.

Key words：flocculant； substrate types； floc concentration； Vallisneria natans （Lour.） Hara； germination rate

收稿日期：2023-03-24

基金项目：国家自然科学基金面上项目（32170383）；湖北工业大学大学生创新创业计划项目（S20211050057）

作者简介：文冬华（2002-），男，湖北蕲春人，在读本科生，研究方向为沉水植物生态学，（电话）13872005504（电子信箱）1934254196@qq.com；通信作者，王和云（1979-），女，湖北崇阳人，副教授，主要从事水生态修复研究，（电话）18971421647（电子信箱）wanghy2013@hbut.edu.cn。

沉水植物作为初级生产者，在水体污染物修复、净化水质和维持生态的稳定性与完整性方面有重要作用［1，2］，然而随着湖泊富营养化、气候变化和人类活动的干扰，野外沉水植物资源退化现象变得十分严重［3-6］，因此对沉水植被进行重建至关重要［7］。已有学者提出，针对沉水植被重建的问题，利用土壤中的种子库恢复受损湖泊中的沉水植被是一个重要的手段［8，9］。其原因在于天然湖体中种子库的基数相当广泛［10，11］，以太湖为例，其种子库数量在900～      1 500粒/m2［10］。同时种子库的繁殖形式也并不惟一，其由种子、地下茎和断枝共同组成［11］。并且种子库内各种沉水植物存在不一致的萌发态势，如苦草以恒定的萌发速率萌发，马来眼子菜前期萌发速度慢，后期萌发速度相对较快［10］，这种庞大的种子数量和不单一的繁殖方式以及持续不间断的萌发，有助于增加生长期内各种沉水植物的种群数量，对沉水植被的重建有积极作用。

苦草［Vallisneria natans （Lour.） Hara］是一种多年生沉水植物，耐受性强、分布范围广［12］，在受污染水体的修复上有着非常优良的效果［13-16］，常作为沉水植被重建的先锋物种被广泛利用［17，18］。因此，本试验以苦草种子为例，研究以促使种子库的萌发作为重建沉水植被的方式时，何种基质最适合苦草种子的萌发。

在被污染的水体中，水体透明度不够，而苦草种子的萌发对光照有一定要求［19］，表现为一定范围内的光照度才可促进种子萌发［20］，往往导致苦草种子不能在被污染的水体中自然萌发。高铁酸盐作为一种高效的三功能处理剂，集氧化、灭毒和净水3种功能［21］，被广泛应用于受污染的水体当中［22-26］。其经过氧化后最终的还原产物氢氧化铁是一种潜在的吸附剂和混凝剂［23］。作为混凝剂，氢氧化铁能破坏水中胶体稳定，吸附悬浮物形成絮体，增强混凝效果，达到降低浊度的目的［23，24］。通过促使种子库萌发来重建植被是一种非常经济有效的植被重建方式，是水体生态修复的重要手段。种子萌发作为重建的第一步，其重要性不言而喻。然而在使用高铁酸盐处理受污染水体的实际工程中，高铁酸盐絮凝最终的产物絮体是否会对沉水植物种子的萌发造成影响尚无报道。

为探究育苗阶段的基质选择以及不同浓度絮体对沉水植被种子萌发的影响，本试验通过观察在4种基质条件下苦草种子的萌发情况，同时比较不同浓度的絮体对苦草种子萌发造成的影响，探讨基质类型和絮凝剂添加对种子库萌发的影响，以期为以种子库萌发作为沉水植被重建方式的生态工程提出相关建议。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验用苦草种子于2021年12月采自湖北省荆州市洪湖，自然风干后保存，试验前挑选出一批成熟度高、颗粒饱满、无病虫害、大小相近的苦草种子置于浓度为0.5%的高锰酸钾溶液中浸泡15 min以消毒。使用到的基质分别为黄泥（采自梁子湖）、底泥（采自武汉金银湖）、沙（建筑用沙），所有类型基质试验前均放置于 105 ℃的烘箱中48 h后取出，碾碎并过筛除去种子等繁殖体后备用。试验容器采用直径9 cm、高2 cm的玻璃培养皿，使用之前洗净并用高温消毒。

1.2 试验药品

1.2.1 絮凝剂的制备过程 取185.340 0 g七水合硫酸亚铁于烧杯中，加去离子水80 mL、浓硫酸14.5 mL，再加入13.616 7 g的KClO3，待反应完全（KClO3完全溶解），再加入31.202 0 g的NaH2PO4·2H2O，完全溶解后置于水浴锅水浴约1 h，得到最终的絮凝剂溶液约200 mL。

1.2.2 絮体的制备及添加 将上述絮凝剂添加到约1 L巡司河水中（考虑到实际工程应用，以巡司河水体为重建水体，Ⅴ类水），静置2 d待其自然絮凝水解完全形成絮体沉淀，将上清液全部倒出，保留下层絮体悬浊液作为母液。

1.3 试验设计

1.3.1 不同基质处理试验 萌发试验包括4种基质，分别为黄泥（H）、底泥（D）、黄泥+沙（HS）、底泥+沙（DS），黄泥+沙与底泥+沙均由体积比为1∶1的泥与沙混合配制（表1）。试验开始前将不同类型的基质均匀铺1 cm厚，并将筛选消毒后的种子均匀撒在培养皿表面，各100粒，注入纯净水至高约1 cm，各处理组设5个重复。

1.3.2 不同絮体浓度处理试验 所用絮体悬浮液均用上述15 mL母液进行配制，将其分别稀释2、4、8倍，得到相对浓度为1、1/2、1/4、1/8的絮体悬浮液，将底泥均匀铺1 cm厚，并将筛选消毒后的种子均匀撒在培养皿表面，各100粒，将4种浓度絮体悬浮液（15 mL）分別加入到培养皿中，再注入纯净水至高约1 cm，分别记为T1、T2、T3、T4，各处理组设5个重复（表1）。

1.3.3 培养条件 将“1.3.1”和“1.3.2”配制好后的培养基放入恒温25 ℃、光周期12 h、光量子通量密度25 μmol/（m2·s）的光照培养箱中培养。试验开始于2022年4月2日，期间每天同一时间对培养皿进行补水，并记录萌发数据，监测发芽9周，数据记录直至1周内无新芽产生。

1.4 数据处理

研究主要基于苦草种子萌发速率、累积萌发率和最终萌发率等指标进行。其中，萌发速率为种子萌发快慢的指标，依据Greenwood等［27］的公式计算。

萌发速率= [N1+（N2-N1）×1/2+（N3-N2）×] [1/3+…+（Nn-Nn-1）×1/n×100%]

式中，N1、N2、N3、…Nn分别为第 1，2，3…，n 天发芽种子的比率。

累积萌发率=每周结束时累计萌发数/100×100%

最终萌发率=试验验结束时（第9周）萌发数/100×100%

基质和絮体条件对苦草种子萌发的影响采用t检验。数据分析采用 SPSS 26.0统计分析软件，作图采用Origin 2022软件。

2 结果与分析

2.1 不同基质条件下苦草种子的萌发情况

由图1可知，4个基质处理的苦草种子均在第5周萌发速率最快。相较于其他处理，H处理苦草种子萌发速率在第2周和第5周较快；D处理苦草种子在第2周萌发速率缓慢，且在前5周呈上升趋势，第6周下降，第7周的萌发速率大于第6周；HS处理的萌发速率在前3周呈上升趋势，在第4周减缓。

比较各基质处理的累积萌发率发现，在9周的培养试验中，各基质处理苦草种子均在第一周后开始萌发。由图2可知，HS、DS处理的苦草种子累积萌发率始终低于H、D处理，且DS处理的累积萌发率始终低于其他3个处理。H、D和DS处理苦草种子萌发率在前8周较高，第9周基本不萌发，而在HS处理中第8周以后基本不萌发。

比较各基质处理的最终萌发率（图3）发现，在4种基质条件下， H处理苦草种子的最终萌发率最高，达55.8%，DS处理苦草种子的最终萌发率最低，为33.0%，前者比后者萌发率高22.8个百分点。D处理的最终萌发率为49.2%，比H处理苦草种子的最终萌发率低6.6个百分点。HS处理苦草种子最终萌发率为40.0%，比DS处理最终萌发率高7.0个百分点。苦草种子的最终萌发率在不同基质条件之间均有显著差异（P<0.05）。

2.2 不同絮体浓度条件下苦草种子的萌发情况

比较各絮体浓度处理在不同萌发时间的萌发速率发现，无絮体覆盖（D处理）在第5周萌发速率最快，絮体相对浓度为1的T1处理在第4周萌发速率最快，絮体相对浓度分别为1/2、1/4的T2、T3处理在第5周萌发速率最快，絮体相对浓度为1/8的T4处理在第4～6周萌发速率较快（图4）。

比较各絮体浓度处理的累积萌发率发现，在9周的培养试验中，苦草种子在第一周后开始萌发。添加絮体后，苦草种子萌发率在前7周较高，第8周以后基本不萌发，而无絮体覆盖的D处理，苦草种子的累积萌发率在第8周达到高峰，第9周无新增萌发（图5）。

比较各絮体浓度处理的最终萌发率（图6）发现，絮体添加显著降低了苦草种子的最终萌发率（P<0.05）。在5种不同浓度的絮体培养条件下，无絮体覆盖的D处理苦草种子的最终萌发率最高。添加不同浓度絮体的处理中，相对浓度为1的T1处理最终萌发率最高，达41.4%，相对浓度为1/2的T2处理最终萌发率最低，为29.4%，T3、T4处理的最终萌发率分别为32.4%和36.8%。

3 讨论

3.1 基质类型对苦草种子萌发的影响

在4种不同类型的基质中，苦草种子的萌发情况有显著差异。其在黄泥中表现出最高的累积萌发率和较短的萌发时间。以黄泥为基质处理的苦草种子的最终萌发率最高，比底泥为基质处理的最终萌发率高6.6个百分点，即苦草种子在黄泥中的最终萌发率高于底泥，这与韩翠敏等［28］的研究结果一致。同时，在4种基质条件下，苦草种子最终萌发率由高到低依次为黄泥、底泥、黄泥+沙、底泥+沙，表明沙子不利于苦草种子的萌发。这与杨永清等［29］的研究结果相悖，其研究结果显示，沙质底有利于苦草种子萌发，推测是因为底泥中含有病原微生物或者存在萌发抑制物质的结果。而本试验所有类型基质试验前均经过高温灭活、碾碎并过筛种子繁殖体等处理，故排除了这种泥土中的潜在抑制作用。相较于底泥和底泥+沙，以黄泥和黄泥+沙为基质处理的苦草种子萌发速率在主要萌发时段内（第2～6周）均领先，也进一步说明了黄泥更适合苦草种子的萌发。

3.2 高铁酸盐絮体对苦草种子萌发的影响

本研究中，高铁酸盐应用所产生的絮体覆盖在苦草種子表面抑制其萌发，并且絮体的抑制效果与其浓度也有一定联系，抑制效果的峰值出现在絮体相对浓度为1和1/4两处理间。这可能是因为高铁酸盐溶解于酸性或中性溶液时产生质子化过程，与水分子中的氧原子进行反应最终生成黄褐色的Fe（OH）3胶体［25］，Fe（OH）3 胶体会对底栖藻类产生抑制效果［30-32，25］。有研究表明，巡司河水内含多种混合藻种［33］，水体藻生长代谢较为强烈［34］。而底栖藻的生长会对正处于萌发状态的苦草种子呈一定的抑制作用［35］。因此，Fe（OH）3 胶体对底栖藻类的抑制有助于苦草种子的萌发。但另一方面，絮体覆盖在苦草种子上，其物理包裹会影响植物的光合作用以及呼吸作用的正常进行，影响到种子对营养盐的利用［36，37］。

总之，实际工程应用中，絮凝剂施用产生的絮体对苦草种子的影响是多方面的，一方面絮体覆盖于种子表面不利于种子萌发，但另一方面絮体可通过抑制底栖藻的萌发有利于苦草种子萌发，且使用高铁酸盐净水后，存在光照对种子萌发的积极作用，但同时也存在水生动物对絮体干扰等问题。因此，利用高铁酸盐改善水质以提升种子库萌发重建沉水植被的工程中，必须充分考虑水体理化性质和底泥特征，选择合适的高铁酸盐浓度。

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