滨海区黄花鸢尾的耐盐碱性及氮磷去除效果

中国环境科学2015,35(11)：3422~3430ChinaEnvironmentalScience滨海区黄花鸢尾的耐盐碱性及氮磷去除效果陈广琳1,陈友媛1,2*,孙萍1,王翔宇1,李胜玲1,孙鹏鹏1(1.中国海洋大学环境科学与工程学院,山东青岛266100；2.中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室,山东青岛266100)摘要：为探究黄花鸢尾(Irispseudoacorus)在滨海区的耐盐碱程度及对盐碱污染水体中氮磷的去除能力,采用水培实验,分析其幼苗在盐碱交互胁迫下的生长状况、生理响应及其对水体中氮磷的去除效果.结果表明,黄花鸢尾耐盐碱范围:pH值为7、8、9时,盐度分别低于9‰、6‰、3‰.在其耐盐碱范围内,植株的含水量和叶绿素含量与对照相差在5.0%以内,而Na+、Cl-与甜菜碱、可溶性糖含量随盐度和pH值的升高而增加,但增幅均低于130.0%.在低盐弱碱(pH7、盐度为3‰、6‰与pH8、盐度为3‰)条件下,黄花鸢尾幼苗相对生长速率比对照高0.6~6.1%,对水体中总氮、总磷的最大去除率分别为0.046mg/(g⋅d)、0.020mg/(g⋅d).在其耐盐碱范围外,Na+与脯氨酸含量与对照相比增幅高达14.0倍和91.4倍;黄花鸢尾生长受阻,对水体中氮磷的去除效果较差.因此,黄花鸢尾仅适用于滨海低盐弱碱水体的生态修复.关键词：黄花鸢尾幼苗；盐碱胁迫；渗透调节；耐受能力；水质净化中图分类号：X55文献标识码：A文章编号：1000-6923(2015)11-3422-09TheIrisPseudoacorus’tolerantabilityandremovalefficiencyfornitrogenandphosphorusinsaline-alkalinewaterofcoastalregion.CHENGuang-lin1,CHENYou-yuan1,2*,SUNPing1,WANGXiang-yu1,LISheng-ling1,SUNPeng-peng1(1.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,OceanUniversityofChina,Qingdao266100,China；2.KeyLaboratoryofMarineEnvironmentandEcology,MinistryofEducation,OceanUniversityofChina,Qingdao266100,China).ChinaEnvironmentalScience,2015,35(11)：3422~3430Abstract：Thestudyinvestigatedthesaline-alkalinetolerantabilityofIrispseudoacorusseedlingsincoastalregionsaswellasthenitrogenandphosphorusremovalcapabilityunderhydroponicculture.Thegrowthcharacteristics,physiologicalresponseofI.pseudoacorusandtheremovalefficiencyfornitrogenandphosphorusbyI.pseudoacoruswereanalyzedinsaline-alkalinewater.TheresultsshowedthelimitsofsalinitiesthatI.pseudoacoruscouldtoleratewerelessthan9‰,6‰and3‰,correspondingthepHvaluesofthewaterwere7,8,9,respectively.Withinthelimits,thedifferencesofwatercontentandleafchlorophyllcontentbetweentheplantsinsalt-alkalitreatedgroupsandthoseincontrolgroup(withoutsaltorpHstress)werelessthan5.0%.TheconcentrationsofNa+,Cl-,betaineandsolublecarbohydratesincreasedby130%atmostwithinthelimits.Atlowsalinitiesandlowalkalinities(salinitieswere3‰and6‰whilethepHwas7andsalinitywas3‰whilethepHwas8),therelativegrowthrateoftheplantsintreatedgroupswas0.6~6.1%higherthanthoseincontrolgroup,andI.pseudoacorusremoved0.046mg/(g·d)and0.020mg/(g·d)oftotalnitrogenandtotalphosphorus,respectively.Beyondthelimits,however,theconcentrationsofNa+andprolineofI.pseudoacoruswere14.0and91.4timeshigherthanthoseincontrolgroupinresponsetosalt-alkalistresses.Inaddition,thegrowthofI.pseudoacoruswereinhibitedandtheremovalefficiencyfornitrogenandphosphorusreducedsignificantly.Insummary,I.pseudoacoruscouldbechosentopurifythecoastalwaterwithlowsalinityandlowalkalinity.Keywords：IrisPseudoacorusseedlings；salt-alkalinestress；osmoticadjustment；tolerantability；waterpurification滨海河口区水体中的盐碱一方面来自海水的潮汐运动,另一方面来自底质盐碱土和咸化浅层地下水的传质作用[1].盐碱环境不利于大多数淡水植物生存,使得河口区水生态景观萧条,因此,亟需筛选耐盐碱水生植物来修复滨海河口区生态系统.植物可以通过吸收、吸附以及根系微生物的降解等途径去除水体中污染物[2].研究显示,植物收稿日期：2015-04-01基金项目：青岛市科技攻关项目(12-4-1-58-HY);青岛市政府采购项目(T-20150205-018)*责任作者,副教授,[e-mail]11期陈广琳等：滨海区黄花鸢尾的耐盐碱性及氮磷去除效果3423的耐盐能力、种植密度、植株大小和根系发达程度等因素直接影响植物去除含盐碱水体中氮磷的能力[3].其中,耐盐碱能力是限制其净化效率最重要的因素.盐碱会对植物产生渗透胁迫、离子毒害、造成营养亏缺、打破能量平衡等影响[4],使不耐盐碱植物的生长受到抑制,降低植物去除氮磷的能力.而在盐碱胁迫下,有些植物通过积累无机离子和脯氨酸等有机小分子物质调节渗透平衡[5],并能够通过细胞的选择性吸收、区域化作用以及跨膜转运蛋白维持离子平衡[6],提高植物的耐盐碱能力,增加植物在盐碱环境中对氮、磷的吸收.植物的成活率、相对生长速率可直观地反映植物耐盐碱性强弱[7];含水量、根系活力、叶绿素含量、膜渗透性等生理指标能更准确的表征植物耐盐碱程度[8].植物净化淡水水体的研究已有大量报道[9-10],而水生植物耐盐碱机理及盐碱交互胁迫下的生长规律、净化水体等方面的研究较少.本研究选用青岛滨海河口区较为常见且有较好景观效果的水生植物,黄花鸢尾,为研究对象,针对其最敏感的幼苗阶段,通过测量其相对生长速率、新增分蘖数等生长指标和含水量、根系活力、叶绿素含量、叶片相对电导率、渗透调节能力等生理指标,研究黄花鸢尾盐碱耐受性,分析其去除盐碱水体中氮、磷能力和影响因素,以期为滨海河口区盐碱水体的植物修复提供理论依据.1材料与方法1.1供试植物黄花鸢尾(IrisPseudoacorus),多年生草本,根状茎粗壮,须根生长旺盛,喜水湿,较耐盐,喜含石灰质弱碱性土壤.实验所用黄花鸢尾通过种子萌发获得长势均一的幼苗.实验前用霍格兰营养液水培1个月,让植物适应无土水培环境,温度在20~24℃之间,自然光照.1.2实验设计实验水质依据青岛李村河下游8个监测断面的水质分析结果配制(表1).实验前水体中氮、磷实测值为:氨氮3.6mg/L,硝氮2.6mg/L,总氮6.4mg/L,总磷3.4mg/L.用NaCl调整水体盐度分别为0‰、3‰、6‰、9‰、12‰、15‰;用NaHCO3-Na2CO3按照0:0、1:0、10:1的比例调整水体pH值依次为7、8、9.因pH值用碱性盐调节,故文中将pH值胁迫简称为碱胁迫.按照设定的盐度和pH值梯度进行正交实验,共18个盐碱胁迫组,每组3个平行.盐度为0‰,pH7的实验组中的植株为对照组植株.表1青岛李村河下游水体理化性质Table1PhysicochemicalpropertiesoftheLicunriverinQingdao项目盐度(‰)pH值氨氮(mg/L)总氮(mg/L)总磷(mg/L)浓度0~15.06.6~8.33.1~3.65.9~6.51.1~3.4实验用高20cm,上口直径10cm的烧杯作为实验容器,水体体积1L.每个容器种植3~4长势一致株幼苗.每组黄花鸢尾幼苗初始鲜重为(7.1±0.2)g.种植密度为127株/m2.为避免植株的盐激效应,实验开始前需对植株进行驯化,采用每天递增3‰盐度、0.5pH值的方式增加实验水体中盐度与pH值,当达到设定值时,维持设定盐度与pH值,没有达到的继续增加,直到第7d完成全部植株的驯化.实验的15d期间,每天用蒸馏水补充蒸发的水分,保证盐度在±0.2‰范围内,pH值在±0.1范围内变化.1.3实验仪器TU-1810(普析,中国)紫外可见分光光度计.离子色谱仪(CS-3000,USA).1.4分析方法1.4.1植物生长、生理指标的测定胁迫前后,测量植物鲜重、干重、分蘖数等生长指标,相对生长速率(RGR)通过公式(1)计算.选取各组植物的相同部位测定其生理指标,其中叶绿素含量采用乙醇提取法测定[11];根系活力采用氯化三苯基四氮唑法测定[12];叶片相对电导率采用浸泡法[12];叶片鲜重含水量采用烘干称重法测定[12].RGR=[ln(W2)-ln(W1)]/(t2-t1)(1)式中:W1为初始时刻t1(d)的植物干重,g;W2为结束时刻t2(d)的植物干重,g.3424中国环境科学35卷1.4.2植物体无机离子和有机溶剂的测定植物体内无机离子K+、Na+、Cl-含量用离子色谱法测定[13].脯氨酸含量用酸性茚三酮比色法测定[11];可溶性糖含量用蒽酮比色法测定[11];甜菜碱含量用雷氏盐比色法测定[14].1.4.3水体氮、磷质量浓度的测定水体中,总氮、硝氮采用紫外分光光度法测定[15];氨氮采用纳氏试剂分光光度法测定[15];总磷采用钼酸铵分光光度法测定[15].实验始末分别测各组水体中的氮磷质量浓度,用水体中氮磷减少质量减去空白对照组氮磷减少质量的值除以植株质量和时间,计算单位时间、单位质量植物体对水体中氮、磷的去除率.1.5统计分析数据采用统计软件SPSS16.0,通过双因素方差分析比较各项测试指标在实验条件下的显著性差异,显著性水平设置为P0.05.2结果与分析2.1盐碱胁迫下黄花鸢尾的生长状况黄花鸢尾在盐碱胁迫下的相对生长速率(RGR)、新增分蘖数见表2.pH7时,RGR随盐度增加而先升高后降低;盐度为3‰时达到最大,比对照高6.1%;盐度为9‰时,与对照持平;盐度为12‰时,RGR大幅下降(P0.0