王 鵬, 李 艷, 黃 杰
(1.河南牧業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)院,鄭州 450046; 2.南召縣林業(yè)局,河南南召 474650)
路易斯安娜鳶尾‘Pastiche’是鳶尾科、鳶尾屬無(wú)髯鳶尾群中的一個(gè)園藝品種[1-3],屬于鳶尾濕生生態(tài)類(lèi)型[2]. 在原產(chǎn)地的河湖水域、岸邊和沼澤、潮濕地域生長(zhǎng)良好[4-5]. 為了改善生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展,對(duì)路易斯安娜鳶尾開(kāi)展生態(tài)適應(yīng)性、凈化污水作用的系統(tǒng)研究. 本試驗(yàn)將路易斯安娜鳶尾‘Pastiche’種植于3 種不同濃度的富營(yíng)養(yǎng)化污水中,研究其生長(zhǎng)期間葉片N 含量的變化,通過(guò)測(cè)定葉片N 含量和污水理化指標(biāo),分析其在不同濃度污水中的生態(tài)適應(yīng)性和凈化污水的能力,為在生產(chǎn)中推廣應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù).
路易斯安娜鳶尾‘Pastiche’,引種自武漢農(nóng)業(yè)科學(xué)院.
1.2.1 種植方法 ①在充分腐熟的雞糞中加蒸餾水,配制出3種不同濃度的富營(yíng)養(yǎng)化污水,即處理Ⅰ、處理Ⅱ及處理Ⅲ,并取井水做對(duì)照(CK). 取容積10 L的塑料水桶,每種處理20桶,每桶放入8 L配制好的處理液,貼好標(biāo)簽. 處理液及對(duì)照的主要成分及理化指標(biāo)見(jiàn)表1. ②選擇生長(zhǎng)良好、體量相同或相近的路易斯安娜鳶尾‘Pastiche’從種植池的花盆中取出,用清水小心沖去根部的泥土,再用干凈的小鵝卵石將其種植于口徑與水桶口徑相當(dāng)?shù)男滤芰蠝\花盆中,每盆3株. ③將種植好的無(wú)土盆栽路易斯安娜鳶尾‘Pastiche’先放進(jìn)自來(lái)水清水池中培養(yǎng)7~10 d,待有新根發(fā)出且性狀穩(wěn)定后取出,分別放入處理Ⅰ、處理Ⅱ、處理Ⅲ及對(duì)照水桶中,掛上處理標(biāo)牌,并在水桶的外壁劃線(xiàn)標(biāo)明原水位的位置. 將種植好路易斯安娜鳶尾‘Pastiche’的水桶放入透明的塑料避雨大棚下進(jìn)行培養(yǎng). 以后每隔7 d觀察測(cè)定鳶尾葉片及污水理化指標(biāo)1次,再用蒸餾水補(bǔ)水至初始水位. 從種植開(kāi)始至試驗(yàn)結(jié)束共70 d.
表1 不同處理的富營(yíng)養(yǎng)化污水和井水的理化指標(biāo)Tab.1 Physical and chemical indexes of eutrophic sewage and well water treated by different treatments
1.2.2 理化指標(biāo)的測(cè)定 葉片N含量的測(cè)定使用硫酸消解-分光光度法[6];污水TN測(cè)定使用堿性過(guò)硫酸鉀消解、紫外分光光度法[7];污水TP測(cè)定使用鉬酸銨-分光光度法[7];污水鹽度測(cè)定及污水電導(dǎo)率測(cè)定均使用電導(dǎo)儀(上海雷磁DDS307A)測(cè)定;污水pH值使用pH計(jì)(越平PHS-3CB)測(cè)定.
1.2.3 分析方法 使用SPSS17.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行方差分析.
自種植日起至試驗(yàn)結(jié)束,對(duì)處理Ⅰ和CK中路易斯安娜鳶尾‘Pastiche’葉片(以下簡(jiǎn)稱(chēng)鳶尾葉片)中N的含量進(jìn)行檢測(cè),結(jié)果如圖1所示.
從圖1可以看到,種植后28 d,處理Ⅰ中的鳶尾葉片N含量緩慢上升;28 d后極速上升,42 d時(shí)上升達(dá)到極顯著水平(p<0.05). 以后開(kāi)始緩慢下降,70 d時(shí)下降達(dá)到極顯著水平(p<0.05). CK中的鳶尾葉片N素含量在種植后的35 d與處理Ⅰ沒(méi)有差異,42 d時(shí)CK中的鳶尾葉片N含量變化較處理Ⅰ表現(xiàn)顯著(p<0.05);42 d以后CK的鳶尾葉片N含量急劇下降,下降幅度與處理Ⅰ相比在56 d時(shí)表現(xiàn)顯著(p<0.05).
N主要以NH4+、NO3-的形式由鳶尾的根系吸收,N的多少與其根系的吸收能力有很大關(guān)系,根系的吸收能力反映在根系的活力上[8].
從處理Ⅰ和CK中的鳶尾葉片N含量的變化來(lái)看,在種植后的前28 d,N含量緩慢上升,說(shuō)明鳶尾在處理Ⅰ和CK中生長(zhǎng)平穩(wěn),差別不是很大. 處理Ⅰ中的鳶尾葉片N含量要比CK大很多(表1),但為什么兩者在第一個(gè)月時(shí)的生長(zhǎng)沒(méi)有太大的變化呢?這可能與處理Ⅰ污水的鹽分濃度較高有關(guān),較高的鹽分濃度在一定程度上會(huì)抑制鳶尾根系對(duì)礦物質(zhì)的吸收[8],而在一定濃度范圍內(nèi),鹽分的濃度越低,根系的吸收能力反而越強(qiáng)[9]. 在42 d以后,CK中鳶尾葉片的N含量明顯低于處理Ⅰ,這與生長(zhǎng)后期CK的營(yíng)養(yǎng)水平較處理Ⅰ顯著下降有關(guān).
圖1 鳶尾葉片在處理Ⅰ和CK中N含量的變化Fig.1 Changes of N content in growing leaves of Louisiana Iris‘Pastiche’during treatment of eutrophic sewage and CK
路易斯安娜鳶尾‘Pastiche’在處理Ⅱ中生長(zhǎng)期間,其葉片中N含量的變化如圖2所示.
圖2 鳶尾葉片在處理Ⅱ和CK中N含量的變化Fig.2 Changes of N content in growing leaves of Louisiana Iris‘Pastiche’during treatment of Ⅱeutrophic sewage and CK
從圖2 可以看到,處理Ⅱ中的鳶尾從種植后到21 d,其葉片N 含量快速上升;21 d 到28 d 時(shí)緩慢升高;28 d 以后到42 d又快速升高;42 d之后開(kāi)始緩慢下降. 與CK比較,在種植后的前21 d,處理Ⅱ與CK中鳶尾葉片N含量的變化沒(méi)有差異(p>0.05);28~42 d時(shí),處理Ⅱ中鳶尾葉片的N增長(zhǎng)幅度變化較CK表現(xiàn)達(dá)到顯著水平(p<0.05);42 d以后CK中鳶尾葉片的N下降幅度的變化較處理Ⅱ達(dá)到顯著水平(p<0.05);42 d以后處理Ⅱ組間的鳶尾葉片N含量沒(méi)有顯著的差異(p>0.05).
分析以上結(jié)果認(rèn)為,在種植后的前21 d,處理Ⅱ與CK中鳶尾葉片N含量差異不顯著的原因,可能與處理Ⅱ在前期鹽分濃度較高抑制了鳶尾根系對(duì)養(yǎng)分的吸收有關(guān). 種植28 d以后,處理Ⅱ中的鹽分濃度下降,鳶尾根系的吸收能力增強(qiáng),對(duì)N的吸收和利用水平顯著高于CK;尤其是在42 d以后,CK中鳶尾葉片的N水平較處理Ⅱ快速降低,其原因可能是處理Ⅱ中豐富的營(yíng)養(yǎng)使鳶尾保持在良好的生長(zhǎng)發(fā)育狀態(tài),而CK中的鳶尾因養(yǎng)分供應(yīng)不足生長(zhǎng)能力下降,受測(cè)葉片的N含量快速下降.
路易斯安娜鳶尾‘Pastiche’在處理Ⅲ中葉片N含量的變化如圖3所示.
圖3 鳶尾葉片在處理Ⅲ和CK中N含量的變化Fig.3 Changes of N content in growing leaves of Louisiana Iris‘Pastiche’in sewage treatment Ⅲ
從圖3可以看到,處理Ⅲ中鳶尾葉片的N含量種植后呈緩慢上升趨勢(shì),28~42 d時(shí)N含量趨于平緩,42~56 d時(shí)緩慢下降,56 d以后快速下降,70 d時(shí)下降達(dá)到極顯著水平(p<0.01). 處理Ⅲ中鳶尾葉片的N含量與CK相比,在種植后的前21 d 增高幅度達(dá)到顯著水平(p<0.05),可能是由于處理Ⅲ雖然較處理Ⅰ和處理Ⅱ溶液中的鹽分濃度低,但又較CK高的原因. 56 d以后,處理Ⅲ中鳶尾葉片的N含量較CK下降,且表現(xiàn)極為顯著的原因可能是處理Ⅲ中鳶尾新生葉較CK多(處理Ⅲ新生葉平均5.5個(gè),CK新生葉平均2.5個(gè))N再分配而轉(zhuǎn)化到新葉上有關(guān)[10-12].
由于本試驗(yàn)中3種處理(處理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)和CK中的鳶尾葉片N含量的起點(diǎn)(0 d時(shí))不一,要想進(jìn)一步分析3種處理和CK中鳶尾葉片N含量的差異,可以通過(guò)對(duì)在同一測(cè)試時(shí)間測(cè)定的鳶尾葉片N含量與前一次測(cè)試的N含量的差值(平均值)的變化規(guī)律來(lái)進(jìn)行分析. 3種不同處理和CK在同一測(cè)試時(shí)間鳶尾葉片N含量平均值與前次測(cè)試的N含量平均值的差值見(jiàn)表2.
表2 3種處理中的鳶尾葉片N含量與CK的差異Tab.2 The difference between the N content of the three treatments and the control and the previous test 單位:mg·g-1
從表2可以看到,在種植后的前35 d,除處理Ⅲ中的鳶尾葉片N含量在35 d時(shí)較前一周有小幅下降外,其他處理和CK中鳶尾葉片的N含量都有不同程度的增長(zhǎng);在42~70 d中,除了在42 d時(shí)處理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ中的鳶尾葉片N含量還在增長(zhǎng)外,CK中的鳶尾葉片N含量不再增長(zhǎng),且明顯降低;49 d以后,各處理和CK中鳶尾葉片的N含量都呈不同程度的下降趨勢(shì).
種植后的前21 d,處理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ中的鳶尾葉片N含量都呈增加狀態(tài),都較CK平穩(wěn)增長(zhǎng),這可能與處理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的水中在前期具有較豐富的礦物質(zhì)元素,尤其是豐富的N均較CK高有關(guān)(表1);但處理Ⅰ、Ⅱ由于起初的鹽分濃度較高可能會(huì)在一定程度上影響鳶尾根系對(duì)N的吸收,而CK因?yàn)辂}分濃度較低對(duì)N的吸收效率會(huì)更有利,因而處理Ⅰ、Ⅱ和CK中的鳶尾葉片N含量增速都沒(méi)有處理Ⅲ的那么顯著.
種植后28 d,處理Ⅰ中鳶尾葉片N的含量增幅不大,處理Ⅱ、Ⅲ中的鳶尾葉片N含量均較前一次相比增幅有所下降,但CK中的鳶尾葉片N含量在此時(shí)增幅卻突然升高,這些現(xiàn)象都可能與處理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的鹽分濃度較CK高有關(guān). 種植后35 d時(shí),處理Ⅰ、Ⅱ中鳶尾葉片N含量均較前次增幅顯著,在CK中鳶尾葉片N含量增幅有所下降,但此時(shí)處理Ⅲ中鳶尾葉片N含量較前次減少(減少了0.1 mg·g-1),但減少幅度不顯著,與前次比較無(wú)顯著差異;42 d時(shí)CK中鳶尾葉片N含量顯著下降,這可能是CK中含N量較其他處理本身就低而又已被吸收利用殆盡的原因.
從鳶尾種植49 d以后其葉片N的下降幅度來(lái)看,下降幅度較大的是處理Ⅲ,較其他處理表現(xiàn)顯著,這可能是處理Ⅲ受測(cè)葉片中的N分配給其他幼葉和器官(如新生芽)的原因[12];其次,下降幅度大的是處理Ⅰ和對(duì)照(CK),它們下降幅度相當(dāng),差異不顯著;下降幅度最小的是處理Ⅱ,說(shuō)明處理Ⅱ中的鳶尾此時(shí)還保持著旺盛的活力,這與葉綠素含量的測(cè)定、生長(zhǎng)量調(diào)查結(jié)果是一致的.
經(jīng)于0、35、70 d測(cè)試,3種處理的污水和CK井水中N、鹽、電導(dǎo)率的變化結(jié)果見(jiàn)表3.
表3 3種處理和CK培養(yǎng)液中N、鹽、電導(dǎo)率等理化性質(zhì)的變化Tab.3 Changes of physicochemical properties of N,salinity and electrical conductivity in the culture medium of three treatments and CK
鳶尾葉片中N含量的變化與處理污水中的N、鹽和電導(dǎo)率等理化性質(zhì)的變化具有直接的聯(lián)系. N由鳶尾根系吸收后輸送到莖和葉片,參與植物體內(nèi)的生理生化代謝活動(dòng),促進(jìn)了植物的形態(tài)建成和產(chǎn)量的形成[13];污水溶液的鹽分影響到鳶尾根系的活力,直接或間接地影響植物根系對(duì)礦物質(zhì)的吸收、運(yùn)輸和利用[14];污水溶液中電導(dǎo)率的變化反映了污水中礦物質(zhì)元素的性質(zhì)和含量變化等. 從表3 看出,3 種處理污水和CK 井水中的N、鹽和電導(dǎo)率都隨著鳶尾生長(zhǎng)而逐漸降低,說(shuō)明污水和井水溶液中的N被鳶尾吸收和利用,污水和井水中的多數(shù)礦物質(zhì)元素也因吸收和利用而減少,說(shuō)明路易斯安娜鳶尾‘Pastiche’具有凈化富營(yíng)養(yǎng)化污水的效果. 從表3 還可以看出,處理Ⅲ富營(yíng)養(yǎng)化污水和井水中的N 從開(kāi)始的8.65、2.25 mg·L-1減少到了0.48、0.35 mg·L-1,凈化效果達(dá)到了國(guó)家飲用水的標(biāo)準(zhǔn)(小于0.5 mg·L-1)[15].
以上試驗(yàn)結(jié)果表明,在鳶尾種植后的前35 d,3種處理和CK中的鳶尾葉片N含量都處于增幅狀態(tài),這與水中N的減少呈正相關(guān)的關(guān)系,說(shuō)明在前35 d鳶尾生長(zhǎng)良好,有效地利用了污水和井水中的營(yíng)養(yǎng)元素;49 d以后,3種處理和CK中的鳶尾葉片N都呈現(xiàn)下降的趨勢(shì),而污水和井水中的N仍在減少,兩者呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系,這與鳶尾的生長(zhǎng)發(fā)育規(guī)律有關(guān). 因?yàn)榇藭r(shí)(8月27日)已是立秋之后的處暑季節(jié),是鳶尾根莖發(fā)育和幼芽發(fā)育的時(shí)期,也是一年中植物根系生長(zhǎng)發(fā)育的一次小高峰,需要較多營(yíng)養(yǎng)供給,因此水分中的礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)又被吸收和利用,鹽分降低,電導(dǎo)率下降;49 d以后有新葉、新根、新芽發(fā)生和生長(zhǎng),所檢測(cè)的葉片是檢測(cè)前后固定下來(lái)的葉片,由于N屬于可再利用物質(zhì)[8],此時(shí)如果根系吸收到的N不能滿(mǎn)足新器官發(fā)育的需要,N將從老的器官中被轉(zhuǎn)移到新生器官進(jìn)行再分配[8],這也是鳶尾葉片中的N在種植49 d以后明顯下降的主要原因.
1)N是植物生長(zhǎng)發(fā)育必需的元素,是葉綠素的重要組成成分,直接影響著植物的光合作用和生長(zhǎng)發(fā)育. 本試驗(yàn)中植物體內(nèi)N含量源于富營(yíng)養(yǎng)化污水中的N,植物體內(nèi)N含量的多少?zèng)Q定于其根系在污水中的生存條件和對(duì)養(yǎng)分的吸收能力[16]. 以上分析表明:在鳶路易斯安娜鳶尾‘Pastiche’的生長(zhǎng)前期,處理Ⅰ、Ⅱ中的鳶尾葉片N含量與CK中鳶尾葉片N含量沒(méi)有顯著差異,但處理Ⅲ與CK中的鳶尾葉片N含量差異顯著(p<0.05);在鳶尾的生長(zhǎng)后期,3種處理和CK中的鳶尾葉片N含量均有所下降,但處理Ⅱ的下降幅度小于其他處理. 試驗(yàn)表明,與CK相比,路易斯安娜鳶尾‘Pastiche’在3種處理中都生長(zhǎng)良好,其中以處理Ⅱ的富營(yíng)養(yǎng)化污水更適合其生長(zhǎng),在生長(zhǎng)期內(nèi)其葉片N的增加明顯高于其他處理.
2)過(guò)多的N含量是水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要原因之一[17]. 植物對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化污水中N有效的吸收和利用是減少污水N含量的有效措施[18]. 通過(guò)以上對(duì)路易斯安娜鳶尾‘Pastiche’葉片中N含量變化分析來(lái)看,其對(duì)不同處理的污水都具有一定的凈化作用. 其中處理Ⅰ對(duì)N的凈化率是68.5%,處理Ⅱ?qū)的凈化率是82.0%,處理Ⅲ對(duì)N的凈化率是94.8%,CK對(duì)N的凈化率是84.4%(凈化率的計(jì)算方法見(jiàn)參考文獻(xiàn)[19]). 從對(duì)污水凈化的效果來(lái)看,處理Ⅲ>處理Ⅱ>CK>處理Ⅰ.
3)影響植物根系吸收礦物質(zhì)元素的因素有很多,主要因素有溫度、通氣狀況、溶液中鹽分的濃度、氫離子的濃度等[13]. 溫度是通過(guò)影響植物根系的呼吸速率來(lái)影響對(duì)礦物質(zhì)吸收的[20];通氣狀況的影響體現(xiàn)在氧氣供應(yīng);溶液中高濃度的鹽分是影響植物根系吸收作用的限制因子;溶液中氫離子的濃度即pH值的大小間接影響植物根系對(duì)礦物質(zhì)元素的吸收[21-23]. 本試驗(yàn)是在特定的條件下進(jìn)行的,也受溫度、光照、通氣以及污水的鹽分濃度等綜合因素的影響,試驗(yàn)結(jié)果與把路易斯安娜鳶尾‘Pastiche’種植于大田中不盡相同. 如果該植物在本試驗(yàn)環(huán)境條件下能很好地生長(zhǎng),說(shuō)明在大田適宜的環(huán)境中會(huì)生長(zhǎng)得更好,生長(zhǎng)發(fā)育、凈化水分的效果會(huì)更顯著. 因此,對(duì)以路易斯安娜鳶尾‘Pastiche’為代表的濕生鳶尾對(duì)大田污水的凈化作用有待下一步深入研究.