宋凤鸣,尹振文,陈博儒,杨淇椋,周 丽,王文明

(湖南先导洋湖再生水有限公司,湖南 长沙 410208)

人工湿地作为一种新型污水处理技术,具有适用面广、可以小型化和分散化建设的特点,适合我国目前城镇污水回用水平不高的实际情况[1];尤其较适合在无霜期长、植物生长期长的南方农村或城镇应用,建造小规模低负荷的污水处理站。人工湿地应用的植物以草本湿地植物最多,湿生草本植物生长较迅速,可消耗掉一部分氮磷营养盐,同时,能够使植物根系形成氧化态的微环境,为微生物提供栖息地,促进微生物的代谢,从而达到净化水体的效果[2]。部分耐盐湿地植物还可耐盐碱胁迫,故可用于含盐工业废水、餐厨垃圾废水以及滨海区域、内陆盐碱地区水体净化,如芦苇、水葱等[3],耐盐性较强的湿地植物多为禾本科和莎草科植物。

近年来,已有大量关于禾本科草类植物对盐胁迫反应的研究,多集中于陆生的植株生长和生物量变化[4-5]、离子变化[6-7]和有机渗透调节物质的变化[8]上。但是目前筛选的耐盐湿生草本植物种类仍较单一,鲜有湿生湿地植物耐盐品种筛选和评价方面的研究报道。我们选取银边山菅兰(Dianellaensifolia)、金边草露兜(Pandanuspygmaeus)、红叶白茅(Imperatacylindrical)、星光草(Rhynchosporacolorata)和金叶石菖蒲(Acorusgramineus)作为研究对象,研究了它们在湿地环境下对盐胁迫的生理响应,以期为新优抗性湿地植物种的筛选提供理论参考,为增加湿地草本植物的多样性提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料为银边山菅兰、金边草露兜、红叶白茅、星光草、金叶石菖蒲共5种湿地植物。

1.2 试验方法

1.2.1 试验材料的养护和管理 将生长较一致的幼苗移栽到塑料盆中,每盆3棵幼苗。栽培基质的成分比例为泥炭土∶蛭石∶珍珠岩∶田园土=1∶1∶1∶1；种植后进行缓苗。

1.2.2 NaCl胁迫的处理方法 用NaCl溶液模拟不同盐分浓度,以不加NaCl的营养液作为对照组(CK)；盐分浓度梯度设置为0.2%、0.4%、0.6%、1.0%。配制好盐溶液后,将溶液倒入实验整理箱,将参试的盆栽植物放入箱内,每箱溶液约25 L。将水深控制为20 cm,定期补水以维持稳定的盐浓度。

1.2.3 指标测定 参考相关文献[9-10],制定了盐害症状鉴定标准以及按照盐害指数评定的耐盐级别,如表1。持续观察和记录植物的生长状况,根据叶片变黄、凋落等盐害症状,参照表1对植物盐害状况进行记录,并测量株高、冠幅生长量,记录各处理组植物的死亡率。

表1 盐害症状鉴定标准以及按照盐害指数评定的耐盐级别

盐害指数的计算公式为：盐害指数(%)=∑[(各等级的受害植株数×相应等级值)/(调查总株数×最高盐害等级值)] ×100%。

当有处理出现植株死亡现象时,结束本实验。剪取植株相同部位的叶片,用蒸馏水洗净、擦干,当天测定叶片相对含水量、叶片相对电导率。取植物地上和地下部分,洗净、烘干,粉碎后用火焰光度计分别测K+、Na+含量。

1.2.4 数据分析 用Excel软件进行数据整理和作图,用SPSS 19.0进行方差分析和多重比较。

2 结果与分析

2.1 盐胁迫对5种湿地植物存活率和盐害率的影响

实验持续1个月后开始出现植株死亡现象。不同浓度盐胁迫对5种湿地植物存活率和盐害率的影响见表2。在0.4%盐度下,5种植物均能正常生长,除星光草外其他植物均没有表现出明显的盐害特征。星光草在0.2%盐度胁迫下盐害率为13.3%,在0.4%盐度下盐害率为23.6%。当盐度为0.6%时,金叶石菖蒲和星光草均出现一定的死亡率和盐害,其中金叶石菖蒲的存活率为66.7%,盐害率为75.0%,星光草的存活率为72.0%,盐害率为45.8%。银边山菅兰在0.6%盐度下表现出15.0%的盐害率。在盐度1.0%的胁迫下,除金边草露兜和红叶白茅外其余植物均表现出一定的死亡率,其中银边山菅兰的存活率约为50.0%,星光草的为35.0%,金叶石菖蒲的为31.0%。当盐度为1.5%时，其他3种植物均已死亡,而金边草露兜和红叶白茅分别表现出10.0%和15.0%的盐害率,未出现死亡现象。

表2盐胁迫对5种湿地植物存活率和盐害率的影响%

盐度处理银边山菅兰存活率盐害率金边草露兜存活率盐害率红叶白茅存活率盐害率星光草存活率盐害率金叶石菖蒲存活率盐害率CK100010001000100010000.20%10001000100010013.3±2.010000.40%10001000100010023.6±2.010000.60%10015±2.01000100072±3.545.8±3.066.7±3.375±4.51.0%50±5.070±6.61000100035±2.389.1±4.031.0±1.490±5.61.5%010010010±2.010015±3.301000100

2.2 盐胁迫对5种湿地植物渗透调节生理的影响

2.2.1 5种植物的叶片相对含水量对比 5种植物的叶片相对含水量对比见图1。随着盐浓度的升高,5种植物叶片的相对含水量均表现出下降趋势,部分叶片叶尖出现一定程度黄化或焦枯。金叶石菖蒲、星光草叶片的相对含水量下降较显著,黄化比例较大;金边草露兜和红叶白茅的下降幅度较小,叶片没有黄化；银边山菅兰仅在盐浓度1.0%下表现出明显的叶片失水和黄化。

2.2.2 5种植物的叶片相对电导率对比 5种植物的叶片相对电导率对比见图2。随着盐浓度的升高,5种植物叶片的相对电导率均表现出上升趋势。金叶石菖蒲、星光草的叶片相对电导率在盐浓度0.6%时便已超过30%,在1.0%时接近50%,表明这2种植物叶片细胞电解质的渗漏量较多,细胞膜受害程度严重。金边草露兜、红叶白茅、银边山菅兰这3种彩叶植物的叶片细胞内含物成分相对复杂,它们的叶片相对电导率随盐浓度升高而上升的幅度较小,银边山菅兰和红叶白茅仅在1.0%浓度下相对电导率有较大升高,而金边草露兜的相对电导率在各处理下均较为稳定。

图1 5种植物的叶片相对含水量对比

图2 5种植物的叶片相对电导率对比

2.2.3 5种植物的地上部分钠离子含量对比 5种植物的地上部分钠离子含量对比见图3。随着盐浓度的升高,银边山菅兰和星光草植株地上部分钠离子含量表现出持续上升趋势,且银边山菅兰在盐度0.60%时即开始呈现出大幅上升趋势。随着盐浓度的升高,金边草露兜和红叶白茅的地上部分钠离子含量表现为先上升后下降,而金叶石菖蒲的则变化不明显。金边草露兜在盐浓度1.0%处理下的地上部分钠离子含量较对照组要低。

2.2.4 5种植物的地下部分钠离子含量对比 5种植物的地下部分钠离子含量对比见图4。随着盐浓度的升高,5种植物地下部分钠离子含量表现出升高的趋势,而且银边山菅兰、金边草露兜和红叶白茅的地下部分钠离子含量在盐浓度大于0.6%后表现出大幅增加的态势。金叶石菖蒲在盐度0.4%后地下部分钠离子含量增长变慢,而星光草则呈现持续上升趋势。

2.2.5 5种植物的地上部分钾离子含量对比 5种植物的地上部分钾离子含量对比见图5。随着盐浓度的升高,银边山菅兰和金边草露兜的地上部分钾离子含量变化趋势为先下降再上升,金叶石菖蒲的地上部分钾离子含量表现为持续下降趋势,而红叶白茅和星光草的地上部分钾离子含量变化规律不明显。在处理组中,金叶石菖蒲的地上部分钾离子含量变化幅度最大。在1.0%盐度处理下,银边山菅兰的地上部分钾离子含量较对照组高,其余较对照组低。在5个处理组中，金边草露兜地上部分钾离子含量的变化幅度较小。

图3 5种植物的地上部分钠离子含量对比

图4 5种植物的地下部分钠离子含量对比

2.2.6 5种植物的地下部分钾离子含量对比 5种植物的地下部分钾离子含量对比见图6。随着盐浓度的升高,银边山菅兰、金边草露兜、红叶白茅的地下部分钾离子含量变化趋势是先下降后上升,而星光草和金叶石菖蒲的变化趋势为先上升后下降。金边草露兜和金叶石菖蒲在对照组的地下部分钾离子含量较其他3种植物的高,在14 mg/g以上,且随着盐度达到0.4%,金边草露兜的地下部分钾离子含量大幅降低,随后缓慢上升。在1.0%盐度处理中,红叶白茅的地下部分钾离子含量较对照组高,其余较对照组低。

图5 5种植物的地上部分钾离子含量对比

2.2.7 5种植物的地上部分钠钾比对比 从图7可以看出：随着盐浓度的升高,银边山菅兰、红叶白茅、星光草和金叶石菖蒲地上部分钠钾比表现出升高的趋势；银边山菅兰的地上部分钠钾比在盐度从0.4%升高至0.6%时增幅不明显；星光草和金叶石菖蒲的地上部分钠钾比在盐度大于0.4%后表现出大幅增长趋势；金边草露兜的地上部分钠钾比随着盐度升高而升高,在盐度为0.4%后表现出持续下降趋势；金边草露兜在盐度1.0%处理下的地上部分钠钾比较对照组要低。

图6 5种植物的地下部分钾离子含量对比

2.2.8 5种植物的地下部分钠钾比对比 由图8可见：随着盐浓度的升高,除了金边草露兜的地下部分钠钾比出现先上升后下降趋势外,其余几种植物的地下部分钠钾比均表现出持续上升趋势；金边草露兜的地下部分钠钾比在盐度上升到0.4%前表现为上升趋势,此后开始下降；银边山菅兰的地下部分钠钾比在盐度0%～0.4%范围内上升幅度显著增大,而星光草的地下部分钠钾比在盐度上升到0.4%后上升幅度增大。

图7 5种植物的地上部分钠钾比对比

3 讨论

植物组织的相对含水量(RWC)是反映植物生理状态的指标之一。植物叶和茎中的相对含水量随着植物的成熟衰老而减少。在本次试验中,5种受试验植物的叶片相对含水率均比对照组低,说明这5种植物受到盐害后叶片失水导致了其相对含水量的下降,这与相关耐盐实验结果[11]一致。

在盐胁迫下，5种植物的叶片相对电导率和地上、地下部分的钠离子含量普遍比对照组高，说明本试验盐浓度已对5种植物产生了盐胁迫和膜伤害,其原因可能是叶片相对含水量是植物细胞正常生理活动的基础,当植物受各种逆境胁迫时往往会引起叶片相对含水量的下降,盐胁迫首先会降低植物吸收水分的能力,造成水分亏缺,即生理干旱效应,然后钠离子进入蒸腾流而逐渐伤害叶片的细胞，造成单盐毒害或过量Na+毒害,从而导致叶片的光合效率降低而逐渐枯黄[12-13]。在5种试验植物中,金边草露兜的地上部分钠离子含量略低于对照组,而其地下部分的钠离子含量则显著高于对照组,说明金边草露兜与华北盐碱植物盐芥[12]可能有着相似的植物内部保护机制,其对Na+的吸收主要集中在根部,从而可以减轻Na+对叶片细胞的伤害。

图8 5种植物的地下部分钠钾比对比

3 讨论

植物组织的相对含水量(RWC)是反映植物生理状态的指标之一。植物叶和茎中的相对含水量随着植物的成熟衰老而减少。在本次试验中,5种受试验植物的叶片相对含水率均比对照组低,说明这5种植物受到盐害后叶片失水导致了其相对含水量的下降,这与相关耐盐实验结果[11]一致。

在盐胁迫下，5种植物的叶片相对电导率和地上、地下部分的钠离子含量普遍比对照组高，说明本试验盐浓度已对5种植物产生了盐胁迫和膜伤害,其原因可能是叶片相对含水量是植物细胞正常生理活动的基础,当植物受各种逆境胁迫时往往会引起叶片相对含水量的下降,盐胁迫首先会降低植物吸收水分的能力,造成水分亏缺,即生理干旱效应,然后钠离子进入蒸腾流而逐渐伤害叶片的细胞，造成单盐毒害或过量Na+毒害,从而导致叶片的光合效率降低而逐渐枯黄[12-13]。在5种试验植物中,金边草露兜的地上部分钠离子含量略低于对照组,而其地下部分的钠离子含量则显著高于对照组,说明金边草露兜与华北盐碱植物盐芥[12]可能有着相似的植物内部保护机制,其对Na+的吸收主要集中在根部,从而可以减轻Na+对叶片细胞的伤害。

关于Na+/K+比值与植物耐盐性的关系已有不少研究报道,得到的基本结论[14-15]是：植物体内Na+/K+越大,植物体地下部分的Na+向上运输的选择性越大,植物体的抗盐性越差;反之,植物体的抗盐性越强。在盐胁迫初期,随着盐浓度增加,叶片Na含量增加,而Na+/K+却始终维持在一定的水平,说明根系向叶片运输了大量的Na,通过这种方式来减弱Na+对细胞的毒害作用,这也是弗栎对盐胁迫的适应机制之一[16];但随着盐胁迫时间的延长,向叶片运输的K+也减少,造成Na+/K+比值迅速上升。本试验结果表明：在盐胁迫处理中金边草露兜的地上部分Na+含量低于对照,而其地上部分的K+含量略高于对照；其余植物均呈现相反的趋势。因此，金边草露兜的地上部分Na+/K+比值较其余试验植物低,说明其耐盐能力较其余植物强。另外，红叶白茅对Na+和K+的吸收也与金边草露兜相似，其在盐浓度1.0%下Na+/K+高于金边草露兜的,而显著低于其余试验植物的。因此可以认为红叶白茅的耐盐能力弱于金边草露兜的,但强于其它3种试验植物的。

在5种受试植物中,以银边山菅兰和红叶白茅的园林应用较多,但以往两者多作为地被或观赏草应用。在本研究中，采用水培方式进行试验,这两种植物对湿生环境的适应性较好,未表现出明显涝害,表明可用于人工湿地或生态浮床。金边草露蔸、金叶石菖蒲[17]和星光草[18]均已有文献报道可用于人工湿地,具备一定的污染去除能力。本文仅研究了5种植物的耐盐阈值,在对氮磷污染物去除方面未进行实验。关于5种植物的净化能力尚有待进一步研究。