4種木本植物在潛流人工濕地環(huán)境下的根系誘導(dǎo)

郝 君，陳永華，吳曉芙，梁 希，張富運(yùn)

（中南林業(yè)科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程研究中心，湖南 長(zhǎng)沙410004）

4種木本植物在潛流人工濕地環(huán)境下的根系誘導(dǎo)

郝 君，陳永華，吳曉芙，梁 希，張富運(yùn)

（中南林業(yè)科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程研究中心，湖南 長(zhǎng)沙410004）

為了讓木本植物更廣泛的應(yīng)用于潛流人工濕地，采用單因子與正交設(shè)計(jì)2種方法對(duì)影響夾竹桃Nerium oleander、木槿Hibiscus syriacus、梔子Gardenia jasminoides、女貞Ligustrum lucidum 4種木本植物在潛流人工濕地環(huán)境下誘導(dǎo)根系生長(zhǎng)的4個(gè)因素（切根程度，基質(zhì)類(lèi)型，激素濃度和曝氣時(shí)間）在5種水平上進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)。結(jié)果表明：正交設(shè)計(jì)采用直觀分析法獲得影響因素最佳反應(yīng)水平與單因子試驗(yàn)找出影響因素最佳反應(yīng)水平有一定差異，通過(guò)綜合比較分析，夾竹桃最適合的切根方式是切根1/4，木槿、梔子最適合的切根方式是切根1/8，女貞最適合的切根方式是切根1/2；夾竹桃最適宜的基質(zhì)是泥炭土，木槿、梔子最適宜的基質(zhì)是蛭石，女貞最適宜的基質(zhì)是珍珠巖；夾竹桃、木槿最合適的生根劑濃度為1 000 mg/kg，梔子、女貞不適宜添加過(guò)高濃度的生根劑；夾竹桃最合適的曝氣時(shí)間是每日8 h，木槿、女貞最合適的曝氣時(shí)間是每日16 h，梔子最合適的曝氣時(shí)間是每日12 h。關(guān)鍵詞：木本植物；根系誘導(dǎo)；正交設(shè)計(jì)；基質(zhì)

植物是人工濕地系統(tǒng)的重要組成部分，目前潛流人工濕地應(yīng)用的植物基本為：香蒲、千屈菜、水蔥、花葉蘆竹、美人蕉、花菖蒲、菖蒲、蘆葦、再立花、風(fēng)車(chē)草、梭魚(yú)草等草本植物[1-3]。我國(guó)屬于亞熱帶地區(qū)，目前該地區(qū)廣泛應(yīng)用的這些人工濕地植物一般到了冬季時(shí)地上部分會(huì)逐漸枯死，出現(xiàn)“一歲一枯榮”的草本植物自然枯死更新現(xiàn)象，這就造成人工濕地系統(tǒng)冬季時(shí)水質(zhì)處理效果不穩(wěn)定和景觀效果較差的問(wèn)題。系統(tǒng)處理效果的穩(wěn)定性是人工濕地技術(shù)的關(guān)鍵，也是亞熱帶地區(qū)人工濕地大面積推廣運(yùn)行的難點(diǎn)。

為了解決上述問(wèn)題，將木本植物引入潛流型人工濕地，但是潛流人工濕地的水生環(huán)境對(duì)木本植物最大的影響是造成木本植物缺氧死亡，我們發(fā)現(xiàn)用潛流人工濕地系統(tǒng)中污水在濕地床的表層10～20 cm下流動(dòng)的工藝特點(diǎn)，也就是說(shuō)利用這個(gè)相對(duì)氧氣濃度較高的表層，進(jìn)行木本植物根系誘導(dǎo)技術(shù)研究，使植物根系的組織結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)出水生根系，達(dá)到最終完全對(duì)水環(huán)境具有較強(qiáng)的適應(yīng)性目的。如果能夠?qū)踩蕉哪颈局参飸?yīng)用到潛流人工濕地中，既可解決冬季人工濕地多數(shù)草本植物枯死的問(wèn)題，又能擴(kuò)大了人工濕地植物的篩選范圍，增加物種的多樣性和景觀性，具有很好的應(yīng)用前景。

本試驗(yàn)在潛流型人工濕地環(huán)境，設(shè)計(jì)單因子與正交設(shè)計(jì)2種方法對(duì)影響4種木本植物（夾竹桃，木槿，梔子和女貞）在潛流人工濕地環(huán)境下誘導(dǎo)根系生長(zhǎng)的4個(gè)因素（切根程度，基質(zhì)類(lèi)型，激素濃度和曝氣時(shí)間）在5種水平上進(jìn)行優(yōu)化根系誘導(dǎo)優(yōu)化，最終確定引入人工濕地的4種陸生木本植物的最佳環(huán)境條件，為將木本植物引入潛流型人工濕地解決人工濕地冬季植物問(wèn)題提供技術(shù)參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

夾 竹 桃Nerium oleander， 木 槿Hibiscus syriacus， 梔 子Gardenia jasminoides和 女 貞Ligustrum lucidum生長(zhǎng)狀況一致幼株，各100株備用。

1.2 試驗(yàn)條件

采用相同規(guī)格長(zhǎng)方體小型移動(dòng)式潛流人工濕地箱（70 cm×45 cm×25 cm）25個(gè)，作為種植培育植物的人工濕地設(shè)備，保持水位在濕地床的表層10～20 cm下。4臺(tái)小型曝氣裝置，每個(gè)裝置具有5根輸出管道，每個(gè)輸出管道分別接通各個(gè)小型人工濕地箱的底部用分氣管道鋪設(shè)均勻，各裝置分別設(shè)定曝氣時(shí)間分別為：8、12、16和24 h。5種基質(zhì)包括泥炭土、活性炭、珍珠巖、沸石和蛭石。生根粉為國(guó)光生根粉（生產(chǎn)），有效成分含量為20%。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)

針對(duì)影響植物生理狀況的切根程度、基質(zhì)類(lèi)型、激素濃度和曝氣時(shí)間4個(gè)因素，選用L25(5^4)正交表在5個(gè)水平上試驗(yàn)。影響因素水平分析見(jiàn)表1，L25(5^4)正交設(shè)計(jì)方案[4]見(jiàn)表2。對(duì)結(jié)果進(jìn)行直觀分析，確定4種植物根系生長(zhǎng)影響因素的最佳水平。

表1 影響因素水平Table 1 Factors and their concentrations

表2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 2 Orthogonal design

1.3.2 試驗(yàn)處理方法

處理分為5個(gè)步驟。①分株：在備用植物中挑選長(zhǎng)勢(shì)良好，大小均勻的植株，貼上編號(hào)標(biāo)簽，并進(jìn)行分株，每種植物挑選3株，4種植物（共12株）共同進(jìn)行同一個(gè)處理。②洗根、切根：用自來(lái)水清洗根部，按照標(biāo)簽對(duì)植物分別進(jìn)行5種切根處理修剪，并且只保留少量的葉片。③激素誘導(dǎo)：植物根系清洗干凈后，按照標(biāo)簽放置在預(yù)先配制好的0、1 000、2 000、4 000和8 000 mg/kg不同濃度的生根粉溶液容器中，以淹沒(méi)全部根系為標(biāo)準(zhǔn)，浸泡時(shí)間為1 h。④基質(zhì)種植：根據(jù)標(biāo)簽分類(lèi)，分別用5種基質(zhì)包裹住植株的基部，使其固定在25個(gè)小型移動(dòng)式潛流人工濕地箱中培養(yǎng)，每個(gè)裝置中各分別按行列種植4種植物，每種植物試種3株。⑤曝氣：待植物種植完畢后，通過(guò)曝氣裝置進(jìn)行預(yù)設(shè)定時(shí)間的曝氣。

1.3.3 測(cè)定的項(xiàng)目及方法

測(cè)定根系的發(fā)根數(shù)、根長(zhǎng)（單位分別為：根和cm），記錄植物新葉數(shù)量及生長(zhǎng)勢(shì)。發(fā)根數(shù)的測(cè)定是3株植物發(fā)根的平均值，根長(zhǎng)是測(cè)量3株植物中最長(zhǎng)的根[5]，根數(shù)、根長(zhǎng)在植物生長(zhǎng)的第一階段（2012年5月19日）和第二階段（2012年6月1日）各測(cè)量定1次。

2 結(jié)果與分析

2.1 根系誘導(dǎo)單因子試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1.1 不同切根程度對(duì)植物發(fā)根數(shù)和根長(zhǎng)的影響

從4種植物在不同切根程度下根系誘導(dǎo)情況（表3）可知，不同切根程度對(duì)夾竹桃、木槿、梔子3種植物的根長(zhǎng)影響較小，但對(duì)發(fā)根數(shù)量影響很大。發(fā)根數(shù)量排名夾竹桃為：切1/4＞不切根＞切1/8 ＞切1/2＞全切，切1/4最多平均達(dá)到68.3條，全切根最少只有9.7條；木槿為：切1/8＞切1/2＞不切根＞切1/4＞全切，最多平均達(dá)到105.3條，最少有44.8條；梔子為：切1/8＞切1/2＞切1/4＞不切根＞全切，最多平均達(dá)到71.3條，最少為19.7條。但是，不同切根程度對(duì)女貞的發(fā)根數(shù)量影響很大，全切根和不切根都沒(méi)有發(fā)根，發(fā)根數(shù)量排名為：切1/2＞切1/8＞切1/4。

表3 不同切根程度影響下植物平均生根情況Table 3 Rooting states of different kinds of cutting root effect

2.1.2 不同基質(zhì)類(lèi)型對(duì)植物發(fā)根數(shù)和根長(zhǎng)的影響

從4種植物在不同基質(zhì)類(lèi)型條件下根系誘導(dǎo)情況（表4）可以得出，4種植物對(duì)發(fā)根數(shù)量和長(zhǎng)度在不同的基質(zhì)中差異很大，夾竹桃發(fā)根數(shù)量排名為：泥炭土＞蛭石＞活性炭＞珍珠巖＞沸石，在泥炭土中最多平均達(dá)到94.9條，沸石中最少只有15.8條；木槿為：蛭石＞沸石＞泥炭土＞ 活性炭＞珍珠巖，最多平均達(dá)到147.4條，最少也有51.4條，最長(zhǎng)根能達(dá)到8.7cm；梔子為：蛭石＞珍珠巖＞沸石＞泥炭土＞活性炭，最多平均達(dá)到71.3條，最少為19.7條；對(duì)女貞而言，基質(zhì)類(lèi)型對(duì)其影響較明顯，在泥炭土和活性炭中完全沒(méi)有發(fā)根，發(fā)根數(shù)量排名為：珍珠巖＞蛭石＞沸石。

表4 不同基質(zhì)類(lèi)型條件下植物平均生根情況Table 4 Rooting states of different kinds of substrate forms

2.1.3 不同激素濃度對(duì)植物發(fā)根數(shù)和根長(zhǎng)的影響

從4種植物在不同激素濃度環(huán)境下根系誘導(dǎo)情況（表5）可知，在一定范圍內(nèi)，隨著激素濃度的升高，發(fā)根數(shù)越多，但是濃度過(guò)高會(huì)抑制植物發(fā)根。夾竹桃、木槿的發(fā)根數(shù)和根長(zhǎng)在不同生根劑濃度中的排名基本一致，夾竹桃、木槿最適合的激素濃度為1 000 mg/kg時(shí)，夾竹桃發(fā)根數(shù)最多平均為57.6條，木槿最多平均能夠達(dá)到131.1條。梔子、女貞對(duì)激素的濃度要求較低，在濃度超過(guò)1 000 mg/kg時(shí)均死亡，而在激素濃度為0時(shí)，發(fā)根數(shù)最多分別為：42.7條和35.8條，因此梔子、女貞不適宜采用過(guò)高濃度的生根劑。

表5 不同激素濃度影響下植物平均生根情況Table 5 Rooting states of different kinds of hormone density

2.1.4 不同曝氣時(shí)間對(duì)植物發(fā)根數(shù)和根長(zhǎng)的影響

從4種植物在不同曝氣時(shí)間下根系誘導(dǎo)情況（表6）可知，曝氣時(shí)間對(duì)4種植物的發(fā)根數(shù)和根長(zhǎng)的影響很大。發(fā)根數(shù)量排名夾竹桃為：8 h＞0 h＞16 h＞12 h＞24 h，最多平均達(dá)到86條，最少也有34.3條；木槿為：16 h＞0 h＞8 h＞24 h＞12 h，最多平均達(dá)到124.8條，最少為49.8條；梔子為：8 h＞12 h＞16 h＞0 h＞24 h，最多平均達(dá)到71.3條，最少為19.7條；女貞為：16 h＞8 h＞12 h，最多平均達(dá)到40條，最少也有29.3條。

表6 不同曝氣時(shí)間影響下植物平均生根情況Table 6 Rooting states of different kinds of aeration time

2.2 根系誘導(dǎo)正交設(shè)計(jì)直觀分析

根據(jù)L25(5^4)正交試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)記錄植物發(fā)根數(shù)和根長(zhǎng)的結(jié)果分析要求，從高到低依次打分。根系最長(zhǎng)、發(fā)根數(shù)最多的記為9分，與此相反，最差的記為0分。如表7所示，4種植物25個(gè)組合的分?jǐn)?shù)依次如下。

表7 植物發(fā)根數(shù)和根長(zhǎng)直觀評(píng)分Table 7 Intuitive analysis of root number and length

根據(jù)分?jǐn)?shù)求出每個(gè)因素同一水平下的試驗(yàn)值之和ki以及每一因素水平下的數(shù)據(jù)平均值ki，并求出同一因素不同水平間平均值的極差R，見(jiàn)表8。

極差R反映了影響因素對(duì)反應(yīng)體系的影響情況，R越大，影響越顯著。由表8可知，各因素水平的變化對(duì)夾竹桃發(fā)根數(shù)和根長(zhǎng)影響從大到小依次為：激素濃度、切根程度、填料類(lèi)型、曝氣時(shí)間；對(duì)木槿的影響從大到小為：激素濃度、填料類(lèi)型、曝氣時(shí)間和切根程度；而對(duì)梔子和女貞而言，影響最大的均為激素水平。

每一因素水平下的數(shù)據(jù)平均值ki反映了影響因素各水平對(duì)反應(yīng)體系的影響情況，ki值越大，反應(yīng)水平越好。由表8可知，影響夾竹桃發(fā)根數(shù)和根長(zhǎng)生長(zhǎng)因素的最佳水平為：切根1/4、泥炭土、激素濃度0～1 000 mg/kg、曝氣16 h/d；木槿：切根1/8、1/4、1/2、蛭石、激素濃度1 000 mg/kg、曝氣16 h/d；梔子：切根1/8、蛭石、激素0、曝氣8 h/d；女貞：切根1/2、珍珠巖、激素0、曝氣16 h/d。從正交表（表2）中可以看出，編號(hào)為18的女貞和編號(hào)為10的梔子與分析結(jié)果基本一致，而夾竹桃、木槿的4個(gè)因素的最佳水平組合并沒(méi)有在正交表中出現(xiàn)，但都有分值接近的編號(hào)，分別為：11號(hào)和6號(hào)、15號(hào)和10號(hào)。因此，正交設(shè)計(jì)采用直觀分析法獲得影響因素最佳反應(yīng)水平與單因子試驗(yàn)找出影響因素最佳誘導(dǎo)水平有一定差異，在使用正交設(shè)計(jì)進(jìn)行誘導(dǎo)體系優(yōu)化時(shí)，也需要經(jīng)過(guò)直觀分析，通過(guò)綜合比較分析才能夠得到較好的誘導(dǎo)體系。

表8 正交設(shè)計(jì)直觀分析Table 8 Intuitive analysis of orthogonal design

3 討 論

潛流人工濕地對(duì)于絕大多數(shù)木本植物來(lái)說(shuō)是一種缺氧的環(huán)境，根系缺氧容易造成植物生理上的變化，跟著形態(tài)結(jié)構(gòu)也發(fā)生變化，一般植物根系在缺氧信號(hào)的脅迫下，分泌出纖維素酶，分解纖維素，導(dǎo)致細(xì)胞自溶形成通氣組織，最后在外觀上可以看出植物根系長(zhǎng)出了水生根，這種根系具有發(fā)達(dá)的通氣組織可以適應(yīng)水生環(huán)境[6-8]。將木本植物應(yīng)用于潛流人工濕地中最關(guān)鍵技術(shù)是能夠?qū)⒛颈局参锔颠M(jìn)行根系誘導(dǎo)，讓其長(zhǎng)出水生根，讓其適應(yīng)潛流型人工濕地環(huán)境。對(duì)于部分木本種植物可以適應(yīng)水生環(huán)境的研究已經(jīng)有報(bào)道，如陸松柳[8]，羅杰[9]，張?jiān)蕚10]，趙蘭枝[11]等分別對(duì)水柳，月季，夾竹桃，木槿等植物進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，這些木本植物根系發(fā)達(dá)，耐水濕，耐寒是適宜人工濕地生長(zhǎng)的優(yōu)良植物。梔子的環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，女貞須根發(fā)達(dá)，生長(zhǎng)快，也可作為潛流人工濕地系統(tǒng)的配置植物進(jìn)行應(yīng)用[12-14]。而本研究的重點(diǎn)是在人工控制條件下進(jìn)行根系誘導(dǎo)試驗(yàn)，旨在得到在潛流人工濕地中進(jìn)行木本植物根系誘導(dǎo)最佳環(huán)境條件。

目前根系誘導(dǎo)技術(shù)的主要研究集中在水培花卉上，為了擴(kuò)大花卉的篩選范圍，我們將木本植物進(jìn)行潛流人工濕地誘導(dǎo)，由此產(chǎn)生了根系誘導(dǎo)技術(shù)，根系誘導(dǎo)技術(shù)在地表水體的治理方面已經(jīng)有較多研究和工程應(yīng)用[15-18]。然而，植物根系誘導(dǎo)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，植物種類(lèi)、切根程度、基質(zhì)類(lèi)型、激素濃度和曝氣時(shí)間都對(duì)植物的生根產(chǎn)生很大影響。該試驗(yàn)研究中可以看出，切根1/2和1/4對(duì)植物根系的生長(zhǎng)有一定的促進(jìn)作用，全切根對(duì)于木槿這種適宜扦插的植物根系的生長(zhǎng)更有利。基質(zhì)的物理性狀及營(yíng)養(yǎng)對(duì)生根效果影響極大，蛭石、泥炭土和珍珠巖對(duì)一般植物的生根效果較好，因?yàn)閷?duì)根系誘導(dǎo)的植物而言，通氣孔隙度較小或適中時(shí),有利于愈傷組織形成、生根及根系生長(zhǎng)[19-20]。生根劑對(duì)生根有促進(jìn)作用，能加快扦插苗生根速度，提高扦插苗成活率，促進(jìn)提早生根和增加生根數(shù)量，但是濃度使用不當(dāng)時(shí)，不僅不會(huì)促進(jìn)提早生根，還會(huì)導(dǎo)致插條死亡[21-22]。曝氣使植物根區(qū)氧氣得以從分的利用，在一定范圍內(nèi)（8～16 h）曝氣對(duì)增強(qiáng)植物根系誘導(dǎo)起促進(jìn)作用。

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Study on induced root of 4 woody plants with subsurface fl ow constructed wetlands

HAO Jun, CHEN Yong-hua, WU Xiao-fu, LIANG Xi, ZHANG Fu-yun
(Research Center of Environment Science and Engineering, Central South University of Forestry and Technology,Changsha 410004, Hunan, China)

Abstrac: The aim was to expand application of 4 woody plants in subsurface fl ow constructed wetlands (SSFCWs), the optimization experiment with single factor and orthogonal design methods was conducted to 4 factors (root cutting effect, substrate forms, hormone density, aeration time)which inf l uenced the growth of reduced root of 4 woody species (Nerium oleander, Hibiscus syriacus, Gardenia jasminoides, Ligustrum lucidum) under 5 levels. The results indicate that the best response level of influencing factors have some differences between the visual analysis methods and single factor tests. On the basis of comprehensive analysis, it was found that the most appropriate root cutting for N. oleander was 1/4, H. syriacus and G. jasminoides was 1/8, L. lucidum was 1/2. The most appropriate substrate for N. oleander was peaty soil, H. syriacus and G. jasminoides was vermiculite, L. lucidum was perlite. The most appropriate rooting of hormone density for N. oleander and H. syriacus was 1 000 mg/kg, high hormone density was not suitable for G. jasminoides and L. lucidum. The most appropriate aeration time for N. oleander was 8 hours per day, H. syriacus and L. lucidum was 16 hours per day, and G. jasminoides was 12 hours per day.

woody plant; rooting induction; orthogonal design; substrate

S719

A

1673-923X(2012)12-0046-05

2012-06-13

環(huán)保公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（200909066）；國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAC09B03)；湖南省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2012SK3167）；湖南省環(huán)境科學(xué)與工程重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目

郝 君(1987-)，男，河南信陽(yáng)人，碩士研究生，研究方向：環(huán)境生態(tài)學(xué)

陳永華(1977-)，男，湖南株洲人，副教授，博士后，碩士研究生導(dǎo)師，研究方向：環(huán)境生態(tài)學(xué)；

E-mail: chenyonghua3333@163.com

[本文編校：吳 彬]