寒地稗草對污水的凈化效果研究*

吳麗群 范力文 崔佳寧 于?；?吳姝菊 王曉萍

(哈爾濱師范大學生命科學與技術學院，黑龍江 哈爾濱 150025)

近年來，水體富營養化現象越來越嚴重，不僅導致經濟損失，而且破壞生態系統結構和功能，不利于生態文明建設，更不利于人體健康[1]。植物修復技術具有低投資、高產出、環境效益好等特點，應用前景十分廣闊[2]。黑龍江省地處43°26′N～53°33′N、121°11′E～135°5′E，年平均氣溫為我國最低，由于氣溫降低會導致植物生長受到影響，從而影響凈化效果，甚至導致水體的二次污染。因此，篩選或培育出適應黑龍江地區且快速高效修復多種污染的植物品種顯得尤為重要。

稗草隸屬于禾本科稗屬(EchinochleaBeauv.)，其繁殖能力和生態適應性較強，在稻田、沼澤、溝渠和低洼荒地中均有廣泛分布[3]。稗草既喜溫又耐寒，耐澇性很強，稗草喜肥，施氮肥可提高稗草產量[4]。稗草對鎘、鉛、鋅等重金屬具有良好的富集作用[5-7]；稗草還具有一定的經濟價值，是家畜牛馬羊喜食的優良牧草和飼料[8]；稗草的莖葉纖維可做造紙原料，根和幼苗可入藥，有止血功效，穎果還可用來制糖和釀酒[9]。這些符合水體修復植物的選擇要求。

目前，對于稗草的研究更多的是將其作為雜草，對農藥及除草劑的抗性、優勢基因利用、抗重金屬等方面[10-13]進行研究，閻驕陽等[14]根據云南滇池水污染治理情況，對在特定水域利用無土栽培稗草修復水體的可行性進行了全面分析。黑龍江省寒地稗草種質資源豐富，因該省獨特的地理位置和氣候特點，使得稗草在自然生長中對環境變化具有較好的抗逆性。

課題組前期研究表明，寒地稗草可作為飼草，并且對重金屬鎘具有較好的耐受能力[15]。故本研究從哈爾濱市周邊收集8種寒地稗草，觀察不同濃度污水中的稗草生長狀況，考察其對污水的凈化效果，篩選凈化效果較好的稗草品種，發揮稗草的生態效益，為黑龍江省污水凈化提供新的思路。

1 材料與方法

1.1 試驗稗草

試驗稗草種子由黑龍江省牧草研究所提供。Ⅰ號是來自哈爾濱市呼蘭區的雁頭稗，Ⅱ號是來自黑龍江省寧安市的稗子，Ⅲ號是來自哈爾濱市阿城區的雁頭稗，Ⅳ號是來自哈爾濱市呼蘭區的雁頭稗，Ⅴ號是來自哈爾濱市呼蘭區的稗子，Ⅵ號是來自哈爾濱市木蘭縣的鵝頭稗，Ⅶ號是來自哈爾濱市呼蘭區的米稗，Ⅷ號是來自黑龍江省寧安市的大粒稗。

課題組前期依據形態分類鑒定發現，Ⅰ、Ⅱ、Ⅵ號屬野稗(Echinochleacrusgalli)，Ⅴ、Ⅶ、Ⅷ號屬栽培稗(Echinochleafrumentacea)，Ⅲ、Ⅳ號屬無芒野稗(Echinochleacrusgallivar.Submutica)。

1.2 試驗水質

供試水樣取自哈爾濱師范大學周邊水體。試驗前水樣用200目分樣篩濾去其中的雜質及懸浮物后以自來水稀釋得到2個處理：處理1水樣TN、TP、氨氮分別為53.06、2.20、22.30 mg/L；處理2水樣TN、TP、氨氮分別為293.50、3.52、35.64 mg/L。

1.3 試驗方法

1.3.1 發芽試驗

2019年4月10日開始，挑選大小、飽滿程度均一的稗草種子，種于自制水盆(直徑17.0 cm、高9.5 cm，裝有80 g蛭石)中，每盆種植30粒種子，各處理均設置3個重復。處理1、2均加入1 200 mL對應污水，對照組加入1 200 mL自來水。27 ℃左右，自然光照，水培30 d，對稗草萌發、株高、根長等進行觀察統計，期間添加蒸餾水使得水體總體積保持恒定。

1.3.2 水培凈化試驗

2019年5月23日開始，于試驗田中挑選生長健壯、大小基本一致的健康稗草植株(高13～16 cm)，去除腐爛根葉并沖洗根部，自來水中馴化7 d后，種植于自制水盆中(直徑16.7 cm、高11.7 cm)，每盆植物鮮質量10 g左右，用紗布固定，加入處理1水樣(總體積為2 L)，同時設置靜置組(即不栽種植物)，各處理均3個重復。水培30 d，每5天測一次各處理水樣的各項指標，期間添加蒸餾水使得水樣總體積保持恒定。

1.4 測定方法

水培30 d后，每盆中隨機取3株稗草，清洗干凈，測量稗草株高和根長，取其平均值。植株全部收獲，將植株分成地上莖葉和地下根兩部分稱其鮮質量，105 ℃殺青1 h，80 ℃烘干稱其干質量。

TN測定采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法，TP測定采用鉬酸銨分光光度法，氨氮測定采用納氏試劑法[16]。

2 結果與分析

2.1 稗草種子在不同濃度污水中的萌發率

不同濃度污水中8種稗草種子的萌發率均為處理1>對照>處理2。其中，處理1中Ⅷ號稗草種子萌發率最高(平均值77%)，Ⅵ號萌發率最低(平均值54%)；對照中Ⅷ號稗草種子萌發率最高(平均值61%)；處理2中Ⅲ號稗草種子萌發率最高(平均值44%)，Ⅰ、Ⅴ和Ⅷ號萌發率平均值均為42%。

2.2 稗草在不同濃度污水中的生長情況

不同濃度污水對稗草生長狀況的影響見圖1。處理1中8種稗草株高總體高于對照，處理2總體低于對照；處理1中Ⅰ號稗草株高與Ⅱ、Ⅲ、Ⅷ號差異不顯著，與其他稗草均差異顯著；處理2中Ⅴ號稗草株高與其他稗草均差異顯著。與對照相比，不同濃度污水對8種稗草根長影響不明顯。處理1中8種稗草鮮質量均大于對照和處理2，處理2總體低于對照；處理1中Ⅴ號稗草地上鮮質量與Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅶ號差異顯著，Ⅰ號稗草地下鮮質量與Ⅴ、Ⅵ號差異顯著；處理2中Ⅰ號稗草地上鮮質量與Ⅵ、Ⅶ號差異顯著，Ⅰ號稗草地下鮮質量與Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ號差異顯著。

注：不同字母表示8種稗草之間差異顯著(P<0.05)，表1至表3同。圖1 不同濃度污水對稗草生長狀況的影響Fig.1 Effects of sewage with different concentration on growth of barnyard grass

2.3 稗草在水培試驗結束時的生物量

由表1可見，水培30 d結束時，8種稗草品種間鮮、干質量差異均不顯著，其中Ⅱ號稗草鮮質量最大(24.86 g)。

表1 水培結束時8種稗草的生物量

2.4 稗草對污水水質的改善作用

由表2可見，栽種稗草的試驗組的水培液中TP、TN和氨氮均顯著低于靜置組。其中，栽種Ⅰ號稗草的水培液中TN、TP與Ⅵ號差異顯著，與其他稗草均差異不顯著；栽種Ⅴ號稗草的水培液中氨氮與其他稗草均差異顯著。

表2 水培液中各指標質量濃度

2.5 稗草對污水TN、TP及氨氮的去除效果

由表3可見，栽種稗草的試驗組對TP、TN和氨氮的去除量和去除率均顯著高于靜置組。栽種稗草的試驗組中，Ⅰ號稗草對TN、TP的去除效果最好，且Ⅰ號稗草對TN、TP的去除量和去除率均與Ⅵ號差異顯著；Ⅴ號稗草對氨氮的去除效果最好，與其他稗草均差異顯著；Ⅵ號稗草對各指標去除量均最小?？偟膩碚f，Ⅰ、Ⅴ號稗草作為污水凈化的植物效果較好。

表3 8種稗草對TN、TP、氨氮的去除量和去除率

3 討 論

3.1 稗草在污水中的生長狀況

植株在特定的生長階段，適當增加氮磷能促進作物的生長，提高作物的產量和品質，但超過限度，植株不能吸收養分[17]。國內外對稗草在污水中生長影響的研究甚少。余愛等[18]的研究結果表明，低磷更適合柱花草根系和地上部分的生長，高磷水平對根系生長有抑制；楊曉霞等[19]的研究結果表明，磷添加促進高寒草甸植物禾草的地下生物量及總生物量的增加。本研究結果表明，稗草在污水中能正常生長，與對照相比，在較低氮磷濃度范圍內促進稗草的萌發、生長和生物量的增加，較高氮磷濃度中稗草的萌發和生長受到抑制。研究表明，氮磷元素的增加，可促進植物的光合作用，使光合速率加快，可溶性蛋白等光合作用產物增多，并通過輸導組織運輸到植株的地上和地下部分，使植物的生物量增加，當氮磷濃度過高時，光合作用會受到影響，相關蛋白產物的生成受到抑制，從而導致植物生長受到影響[20-21]。植物對氮磷的吸收與水體氮磷濃度、水體氮磷比、生長環境等因素有關[22]。本研究中稗草生長環境均相同，稗草根長在兩種不同濃度污水中生長情況差異不明顯，稗草地下鮮質量總體高于地上，可能與稗草根系發達及水體中氮磷比有關。

3.2 稗草對污水的凈化效果

植物對污水中氮磷的凈化，主要通過植物自身生長和代謝活動吸收水體中的氮磷等營養物質，從而降低水體中氮磷含量改善水環境[23]。曹開銀等[24]對水生植物凈化富營養化水體的研究結果表明，再力花(CannaindicaL.)、美人蕉(CannaedulisKer)、水芹(Oenanthejavanica(Blume) DC)對水中氨氮和TP的去除效果較好，氨氮去除率分別為75.54%、84.66%、76.22%，TP去除率分別為73.61%、77.33%、82.67%；莫負恩等[25]的研究結果表明，禾本科雙穗雀稗(PaspalumdistichumL.)對污水中的TN、TP具有較好的去除效果，TN、TP去除率分別為98.75%～99.31%、96.54%～99.79%。本研究水培30 d后，8種稗草對污水中TN、TP、氨氮的去除率分別為87.10%～91.81%、89.29%～96.73%、89.70%～95.76%。試驗結束后，稗草鮮質量增加1倍以上，進一步表明稗草在一定濃度污水中，通過吸收水體中氮磷等元素滿足自身生長代謝所需，促進生物量的增加，從而降低水體中氮磷的含量。

4 結 論

(1) 8種寒地稗草在不同濃度的污水中可正常生長，與對照相比，較低氮磷濃度促進種子的萌發和生長，較高濃度氮磷抑制其種子萌發和生長，但濃度變化對稗草根長影響不顯著。

(2) 處理1中，8種稗草對污水中TN、TP、氨氮的去除率分別為87.10%～91.81%、89.29%～96.73%、89.70%～95.76%，去除量分別在46.21～48.71、1.96～2.12、20.00～21.35 mg/L。Ⅰ、Ⅴ號稗草作為污水凈化植物效果較好。