3種種植方式對生態介質箱中苦草的生長生理和水體修復效果的影響*

田 嘯 王趁義# 楊 娜 郭煒超 王鳳玲

(1.浙江萬里學院生物與環境學院，浙江 寧波 315100；2.寧波晟乾環境技術開發有限公司，浙江 寧波 315100)

隨著社會經濟的發展及城市化進程的加快，水體富營養化及黑臭現象加劇，水環境生態平衡遭到嚴重破壞，不但影響城市河湖景觀，還會危害人類身體健康[1]。同時，治理水體占用大量的公共資源，阻礙國民經濟的可持續發展。沉水植物是維護水體生態系統結構和功能的重要組成部分[2]?？嗖?Vallisnerianatans)是沉水植物中的典型代表，耐污耐寒，能在缺氧環境中正常生長，具有較強的氮、磷吸收能力，且能增加水體透明度，提升水中溶解氧水平，被廣泛用于河湖庫水體的生態修復中[3]。但水體深于100 cm將嚴重影響苦草植株的生長，同時由于植物凋零腐爛后會引起水體二次污染，而一般的栽培方式只能保證植物的種植面積和數量，并不能保證后續植物的養護、植物死亡和凋零后的處理處置，因此選擇種植方式和種植基質是影響水生植物生長與生理狀況、水體生態修復效果的重要影響因素。

潛水式生態介質箱是本課題組研發的一種集成化綜合治理技術裝置，該裝置可根據受污染水體的水質特點和深度來靈活調節潛浮深度，解決污染水體深度大、透明度低、不適應于沉水植物生長的問題，實現對各類污染物及營養鹽等多層次、多梯度的吸附利用和有效去除。為更好發揮沉水植物和生態介質箱的協同修復作用，本研究以苦草為受試植物，利用靜態水培試驗，探究3種種植方式對苦草生長生理形態特征和水體修復效果的影響，為河湖庫黑臭水體治理提供有效的新技術和試驗依據，并為構建新型集約化修復方式提供實踐基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

苦草植株的初始平均株高和質量分別為(36.4±0.26) cm、(10.41±0.24) g，試驗前用蒸餾水洗去泥土和枯葉，再植入暴曬一周后的河道污水中馴化1周?？嗖莺秃幽嗑蓪幉汕h境技術開發有限公司提供。

試驗水樣采自寧波市鄞州區某生活區旁的黑臭河道，水質如下：總磷(TP)、總氮(TN)、氨氮、高錳酸鹽指數、Ca2+、Mg2+分別為5、15、10、80、2.6、0.92 mg/L，各微量元素均小于0.15 mg/L，pH為6.5～7.5。

試驗所用的構筑材料為亞克力板；基質為外購的沸石、陶粒、活性炭，粒徑分別為15～20、10～15、5～8 mm。

1.2 試驗裝置

潛水式生態介質箱裝置見圖1，長×寬×高為350 mm×350 mm×250 mm。箱體分為4層，上3層分層放置基質，從上到下依次填充厚度均為50 mm的沸石、陶粒、活性炭；箱體四周、隔離板及管壁中均布有孔徑小于所用基質粒徑的滲水孔；將苦草植入100 mm厚的河泥放入第4層箱底，通過塑料管延伸出箱體；箱體頂部用帶孔塑料板封閉，箱體底部懸掛竹球。

1—箱體；2—浮體；3—隔離板；4—基質；5—河泥；6—沉水植物；7—竹球；8—塑料管圖1 潛水式生態介質箱示意圖Fig.1 Schematic diagram of submersible ecological medium box

1.3 試驗設計

試驗使用9個160 L水箱，每個水箱均注入100 L河道污水，為排除溶解氧對試驗的影響，對每個試驗組進行不間斷曝氣處理，曝氣量為3 L/min。共設計3組試驗：河泥組(苦草植入河泥中)、基質組(苦草植入基質中)、混合組(苦草植入混合河泥(河泥和基質)中)，每組種植10株苦草，做3個重復取平均值。

試驗于2020年3月28日至4月28日進行，將事前馴化過的苦草植入裝置，試驗水體溫度為16～26 ℃，適應3 d后采樣，每隔7 d采樣一次，共采樣5次，于采集日的10：00采集植物樣本和水面下5～10 cm處的水樣，每次采集100 mL，并用接近水樣水質的人工污水進行補充，維持總體積不變，每次采集的植物樣本為同一株苦草的葉片。試驗結束時測定苦草株高、根系長度、單株干質量、單株鮮質量與植株含水率。

1.4 試驗方法與數據處理

利用分析天平稱量單株質量和干質量；皮尺測定株高和根系長度；乙醇提取法測定植物的葉綠素a+b含量，ɑ-萘胺比色法測定植物的根系活力[4]；電導率法測定植物的質膜透性[5]；硫代巴比妥酸法測定植物的丙二醛[6]122。水體中TP、TN、氨氮、高錳酸鹽指數和pH分別采用《水質 總磷的測定 鉬酸銨分光光度法》(GB 11893—89)、《水質 總氮的測定 堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》(GB 11894—89)、《水質 氨氮的測定 水楊酸分光光度法》(HJ 536—2009)、《水質 高錳酸鹽指數的測定》(GB 11892—89)及便攜式pH計(MIK-pH5050)測定。

2 結果與討論

2.1 種植方式對植物生長生理的影響

2.1.1 苦草生長狀況

沉水植物通過根莖葉從種植基質和水體中吸收營養物質來供自身生長，河泥中含有氮、磷、鐵和錳等營養元素，基質中營養物質相對于河泥較貧瘠，且基質會吸附水體中的氮、磷元素，因此基質與植物之間存在著競爭關系，不利于苦草的生長。由表1可見，種植方式對苦草的單株干質量與含水率無顯著影響；不同試驗組中苦草的株高和單株鮮質量均依次為河泥組>混合組>基質組，且差異顯著；混合組的苦草根系長度最長，基質組最短?？梢?，混合組和河泥組環境更適合苦草扎根，促進植株株高和生物量的增長。

表1 苦草的生長狀況比較1)Table 1 Comparison of growth status of Vallisneria natans

2.1.2 根系活力

根系是植物吸收水分和營養物質的重要器官，根系活力反映了植物吸收氮、磷的能力及生長發育狀況[7]。經過28 d的培養，各試驗組苦草的根系活力依次為河泥組(2.39 mg/(g·h))>混合組(1.83 mg/(g·h))>基質組(1.42 mg/(g·h))，且差異顯著(P<0.05)。河泥組和混合組中含有利于苦草生長所需的營養元素和細菌、真菌分泌的次生代謝產物，可促進植物的根系活力；基質中的營養物質貧瘠，微生物缺乏，不利于植物的扎根生長。

2.1.3 葉綠素a+b

由圖2(a)可知，試驗前14天，苦草對新環境存在適應階段，各試驗組的葉綠素a+b呈現先下降后升高的趨勢。之后，各試驗組苦草的葉綠素a+b均呈波動下降趨勢，這是因為苦草表面聚集并附著了微生物，影響植物的光合作用及葉綠素含量[8]。經過28 d的培養，各試驗組的葉綠素a+b依次為河泥組(0.725 mg/g)>混合組(0.632 mg/g)>基質組(0.439 mg/g)，且差異顯著(P<0.05)。原因是混合組和基質組中基質對光照進行阻隔，苦草接收到的光照強度降低，直接植入河泥中更利于苦草生長。隨著苦草的生長，植物密度會進一步變大，在試驗中后期，各試驗組苦草的葉綠素a+b均呈下降趨勢。

2.1.4 質膜透性

質膜透性是植物抗逆性生理指標之一，是觀察膜系統受到損壞的重要標志[9]，質膜的損害程度可用相對電導率表示[10]。由圖2(b)可知，試驗前7天，由于苦草初期的移栽與前期的環境適應導致相對電導率均呈快速上升趨勢；7 d后，各試驗組的相對電導率緩慢變化趨于穩定。經過28 d的培養后，各試驗組的相對電導率依次為基質組(13.82%)>混合組(11.15%)>河泥組(10.00%)，且差異顯著(P<0.05)。河泥組對苦草的損害程度最小，說明基質的脅迫進一步損害了苦草的質膜。

圖2 種植方式對植物生理生化指標的影響Fig.2 Effects of planting method on physiological and biochemical indexes of plants

2.1.5 丙二醛

丙二醛是植物細胞膜脂過氧化產物，其含量高低可反映膜脂過氧化作用強弱及質膜損壞程度[6]124。植物通過增加丙二醛分泌量來保護質膜免受損害。由圖2(c)可知，最初因移植受到基質和外界環境的脅迫，使苦草細胞內電解質外滲量上升，隨著逐漸適應環境，各試驗組苦草中丙二醛含量減小，第7天丙二醛含量出現了轉折：河泥組的苦草得到來自河泥的營養，丙二醛含量持續下降，而基質組和混合組的苦草因基質營養貧瘠，且堿性侵害不利植物的扎根生長，致使其丙二醛含量不斷升高，這進一步證實基質的脅迫對苦草有一定的損害。經過28 d的培養，各試驗組苦草中丙二醛依次為基質組(14.15 nmol/g)>混合組(12.07 nmol/g)>河泥組(3.41 nmol/g)，且差異顯著(P<0.05)，河泥組更適合苦草生長。

2.2 種植方式對水體修復效果的影響

2.2.1 TP去除率

多孔基質不僅有吸附作用，還能為微生物的生長提供附著載體，促進其代謝作用。由圖3(a)可見，各試驗組水體中TP去除率都呈上升趨勢。試驗前7天，基質組和混合組的TP去除率上升迅速，是因為水體中可溶性磷酸鹽與基質中的Ca2+、Al3+、Mg2+等離子反應，產生了固相沉淀[11]。試驗進行到28 d時，各試驗組TP去除率依次為混合組(46.0%)>基質組(45.1%)>河泥組(11.1%)。河泥組對TP的去除率遠低于另外兩組，說明單一的水生植物除磷作用較弱，除磷主要靠生態介質箱中的基質吸附或絮凝沉淀實現[12]。

2.2.2 TN去除率

水體中氮元素主要依靠苦草的吸收與同化[13]、基質吸附[14]、根際微生物代謝[15]等作用去除。由圖3(b)可見，各試驗組水體中的TN去除率隨時間延長而不斷升高。當試驗進行到28 d時，TN去除率依次為混合組(54.5%)>基質組(36.1%)>河泥組(21.0%)。混合組在第14～21天有一段明顯的上升趨勢，這是由于混合組中各種基質孔隙中滋生了微生物，形成沉水植物-生物膜系統，同時苦草逐漸適應基質的環境，開始與基質一起發揮協同凈化作用。

2.2.3 氨氮去除率

由圖3(c)可見，在試驗前7天，各試驗組氨氮去除率迅速上升?；旌辖M和基質組對氨氮的去除率遠高于河泥組，這與混合組和基質組中各種基質對氨氮的初期吸附有關；試驗進行到28 d時，各試驗組的氨氮去除率依次為混合組(72.7%)>基質組(61.1%)>河泥組(39.6%)，此時水體中滋生了一些有利于氨氮去除的菌種，如硝化細菌。3個試驗組對水體中氨氮的去除效果存在明顯差異，混合組和基質組對TN和氨氮的去除效果較優。

圖3 種植方式對水質指標的影響Fig.3 Effect of planting method on water quality indicators

2.2.4 高錳酸鹽指數去除率

由圖3(d)可見，各試驗組水體的高錳酸鹽指數去除率都呈先快速上升，再逐步穩定的趨勢。試驗前7天，由于高錳酸鹽指數的初期濃度較高，通過苦草根系的吸收、基質的吸附以及根際土著微生物膜的代謝等協同作用[16]，使各試驗組的高錳酸鹽指數濃度快速下降，試驗21 d時達到穩定；到28 d時，河泥組、基質組和混合組中高錳酸鹽指數去除率基本相近，分別為89.0%、89.9%、91.2%。此時，基質已吸附飽和，出現少量藻類和根系有機分泌物等，使3個試驗組的高錳酸鹽指數去除率無明顯差異。

2.2.5 裝置生物膜的鏡檢

鏡檢發現，生物膜中不僅存在硝化菌，還生長了大量的原生動物和藻類，如菌膠團(Corynebacteriummicelles)、輪蟲(Rotifer)、草履蟲(Paramecium)、小球藻(Chlorellavulgaris)、線蟲(CaenorhabditisElegans)、曲型小環藻(Cyclotella)(見圖4)等，說明該裝置的微生物掛膜性能良好。上述微生物在去除污染物方面發揮著重大的作用，相對于外來投加的微生物，水體中的土著微生物群能更好地應對水體污染，裝置所用掛膜材料能使土著微生物快速附著成膜，增加裝置對水中TN、TP、高錳酸鹽指數的處理性能。

圖4 顯微鏡檢查裝置內生物膜中微生物(200倍)Fig.4 Microscopic examination of microorganisms in biofilm in the device (200 times)

3 結 語

(1) 從苦草生長和生理生化角度看，將沉水植物直接植入介質箱底層河泥中對苦草的損害最小，最有利于苦草的生長發育，其次是混合組，而直接植入介質箱基質中的苦草雖然也能生長發育，但生長存在抑制和脅迫。從水體凈化效果來看，種植方式對高錳酸鹽指數的去除無明顯影響，但混合組的水質(TP、TN、氨氮)均優于河泥組和基質組，綜合比較，混合組對水體的凈化效果最佳。

(2) 將苦草種植在潛水式生態介質箱的底層河泥中(傳統的生態浮床是將苦草種植在河道的河泥中)，雖有利于苦草的生長，但對水體修復效果并不明顯；同時存在河泥和基質雖對苦草的生長有一定的損害，但在總體上卻有利于水體修復效果的提升。因此，生態介質箱采用混合組“基質+河泥”的方式種植苦草，能充分發揮苦草和基質的協同修復和凈化能力。