碱蓬属(Suaeda)植物属于重要的盐生植物资源, 全球约100余种，主要生长于海滨、湖边和荒漠等处的盐碱荒地，是一种典型的盐碱地指示植物。我国有碱蓬属植物20种及1个变种, 分布广泛[1]。目前, 人们对碱蓬属植物的研究主要集中在其栽培与组织培养[2]、耐盐基因开发与利用[3]以及离子运输与信号传导[4]等方面。也有学者研究了碱蓬属植物在水培条件下对重金属元素的吸收效应[5], 但碱蓬属植物对有盐度富营养化水体的生物修复效应报道较少。
江苏沿海地区未围滩涂总面积为50 016.7 km2, 约占全国滩涂面积的1/4, 占江苏省土地后备资源总量的87.76%[6]。目前, 人们对沿海滩涂土地的利用方式以水产养殖为主, 但生产方式粗放, 滩涂养殖用水大多不经过严格处理就直接使用, 造成养殖水质恶化; 而且养殖尾水、废水未经处理任意排放, 造成滩涂水体氮、磷浓度持续增高, 富营养化程度加剧[7]。近年来, 针对水环境污染问题, 利用水生植物进行生物修复的研究已获得很大进展[8], 但对沿海滩涂污染水体的植物修复研究还处于对耐盐植物的筛选阶段, 实际应用较少[9]。另一方面, 尽管水生植物可吸收去除水体氮、磷达到净化目的, 但植物存在去向难题[10]。因此, 为净化而净化的生物修复方法需要与生产结合, 需要通过资源化利用途径解决水体生物修复后的植物去向问题。
为此, 研究以陆生耐盐植物碱蓬(Suaeda glauca)为材料, 通过模拟滩涂养殖尾水水质特征, 分析碱蓬对滩涂不同程度富营养化水体中氮、磷的吸收和净化效果。同时, 考虑到碱蓬本身是一种海水蔬菜, 富含营养物质, 幼苗时可作为蔬菜食用, 成体脱水后用作食品有机配料[11]。因而, 对碱蓬在不同水体环境中的各器官生物量分配特征与氮、磷元素含量及积累量也进行分析, 研究结果对沿海滩涂污染水体的生物修复和碱蓬属植物资源的开发利用具有重要的理论和实践意义。
1 材料与方法 1.1 供试材料供试碱蓬取自南通市郊区沿海滩涂, 地理坐标为32°20′ N, 120°57′ E。选取株高基本一致且根、茎和叶完整的植株, 用去离子水冲洗干净, 去除杂质和附着生物等, 用海绵固定于有孔的2 cm厚泡沫板载体上, 每块泡沫板定植9株碱蓬, 将泡沫板置于长536 mm、宽390 mm、高148 mm的塑料水培箱中。
1.2 供试水体试验用模拟海水的理化指标按照南通沿海养殖基地水样配置。大量元素Ca2+浓度为0.25 mmol·L-1(CaCl2), Mg2+为0.21 mmol·L-1(MgSO4·7H2O); 微量元素Zn2+浓度为0.6 μmol·L-1(ZnSO4·7H2O), Cu2+为0.787 μmol·L-1(CuSO4·5H2O), Mn2+为0.9 μmol·L-1(MnSO4·H2O), BO33-为23.8 μmol·L-1(H3BO3), MoO42-为4.4 μmol·L-1(Na2MoO4·2H2O), Fe2+为5.89 μmol·L-1(FeSO4·7H2O)。同时, 加入16 g·L-1 NaCl模拟滩涂盐度, 水体pH值为8。
1.3 试验设置与处理方法试验设置高浓度富营养化(T1)、中浓度富营养化(T2)和低浓度富营养化(T3)3种处理浓度, 用KNO3和KH2PO4配置, 每梯度各6个重复。T1处理依据南通滩涂养殖体的TN和TP浓度(8月测定)确定, TN和TP浓度分别为2.4和0.05 mmol·L-1, 已远高于水体重度富营养化水平, 研究以此为上限设置中浓度处理T2, TN和TP浓度分别为1.6和0.03 mmol·L-1; 低浓度处理T3的TN和TP浓度分别为0.8和0.01 mmol·L-1。
试验于2015年9月上旬在南京中山植物园的通风玻璃房(32°07′ N, 118°48′ E)内进行。将含有16 g·L-1NaCl的模拟海水分别加入水培箱中, 根据上述实验设置, 首先选择大小均一的碱蓬植株, 株高12 cm, 鲜重约为25 g, 用自来水和去离子水冲洗干净, 移入水培箱中驯化1周。然后, 进行3个梯度的富营养化处理, 每个梯度设6个重复。每箱水体中用泡沫板固定12株碱蓬植物, 覆盖在水箱体上, 爆气增氧。分别在实验0、5、10、15、20和25 d取水样, 以测定氮、磷浓度。实验结束时, 统计植物生物量并测定不同植株部位的氮、磷含量。试验过程中每天补给蒸馏水, 以保持培养容器内水位不变。
1.4 测试方法 1.4.1 植物生物量测定实验结束时收获植物, 并用自来水、去离子水冲洗干净, 吸水纸吸干后称取鲜重; 然后将植物分为根、茎、叶和种子4个部分, 装入牛皮信封后在105 ℃条件下杀青, 在75 ℃条件下烘至恒重, 称取干重后, 研磨、过筛以进行元素测定。从茎下端至最高枝叶处为株高, 减去初始值, 即为植物株高的增量; 植株洗净后平放, 用直尺量其根长, 以根系中各须根总长除以总根数的平均值作为标准根长[12]。
1.4.2 水体TN、TP测定水体TN含量测定参照HJ 636—2012 《水质总氮的测定碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法》, TP含量测定参照GB 11893—89《水质总磷的测定钼酸铵分光光度法》。
1.4.3 植物氮、磷含量测定将上述处理好的植物样品, 在测定前再次置入65 ℃烘箱8 h, 冷却后称样。成熟绿叶、新鲜凋落叶的氮、磷元素测定:经浓H2SO4-HClO消煮, 然后用凯氏定氮法测定消解液中氮浓度, 利用电感耦合等离子发射光谱仪(ICP-AES)测定磷浓度。
1.5 数据分析数据均为3次重复的平均值, 采用Excel 2010和SPSS 13.0软件对数据进行统计和方差分析(Duncan), 差异显著性水平为P＜0.05。
2 结果与分析 2.1 碱蓬对不同程度富营养化养殖海水中氮的净化效应实验启动时, 高富营养化(T1)、中富营养化(T2)和低富营养化(T3)3个处理的碱蓬被水培在同一盐度(16 g·L-1NaCl)且pH值均等于8的模拟海水中。由图 1可见, 在实验开始的前10 d, 各水体的TN浓度下降最快, 其中T1处理的TN浓度由2.44下降至1.37 mmol·L-1; T2处理的TN浓度由1.60下降至0.53 mmol·L-1; T3处理的TN浓度由0.80下降至0.06 mmol·L-1。从TN去除率来看, 在实验进行10 d时, T3处理的TN去除率达91.1%, T2和T1处理的去除率分别达67.3%和43.7%。实验结束时(25 d), T3处理中的氮已被碱蓬耗尽, 去除率达100%, 而T2和T1处理的TN去除率分别为83.4%和73.2%。因此, 碱蓬对不同程度富营养化模拟海水中TN的去除效果良好, 但对TN的去除率随着水体起始TN浓度的增高而降低。
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图 1 不同程度富营养化水体中TN浓度和去除率的动态变化 Figure 1 Dynamics of TN concentration and TN removal rate in sea water relative to eutrophication degree T1、T2和T3处理水体起始TN浓度分别为2.4、1.6和0.8 mmol·L-1, TP浓度分别为0.05、0.03和0.01 mmol·L-1。 |
由图 2可见, 在实验前15 d, 各处理TP浓度下降较快。T1处理中TP浓度由0.05下降至0.025 mmol·L-1; T2处理中TP浓度由0.03下降至0.01 mmol·L-1; T3处理中TP浓度由0.01下降至0.002 mmol·L-1。实验15 d时, 富营养化程度最低的T3处理中TP去除率达80.6%, T2处理的TP去除率达74.2%, 富营养化程度最高的T1处理中TP去除率达50.0%。实验结束时, T3处理中碱蓬对TP的去除率达91.6%, 而T2和T1处理中TP的去除率分别为81.6%和74.4%。由此可见, 碱蓬对不同程度富营养化模拟海水中TP的净化效果也很明显, 去除率也随着起始TP浓度的增高而降低。
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图 2 不同程度富营养化水体中TP浓度和去除率的动态变化 Figure 2 Dynamics of TP concentration and removal rate in sea water relative to eutrophication degree T1、T2和T3处理水体起始TN浓度分别为2.4、1.6和0.8 mmol·L-1, TP浓度分别为0.05、0.03和0.01 mmol·L-1。 |
由表 1可知, 实验期间, 3个处理中碱蓬的单株鲜、干重, 根长和株高均呈增长趋势, 且不同处理组间鲜重的变化量差异显著(P＜0.05)。与实验前相比, 实验结束时, 不同程度富营养化水体中碱蓬鲜重变化量在19.10~50.97 g之间, 干重变化量在1.50~4.11 g之间, 根长变化量在18.7~19.4 cm之间, 株高变化量在2.1~2.8 cm之间。各处理比较而言, T1处理碱蓬的鲜、干重, 根长以及株高的变化量均最大。
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表 1 碱蓬对不同程度富营养化水体的生长响应 Table 1 Response of Suaeda glauca in growth to eutrophication degree of the water |
由表 2可知，碱蓬在不同程度富营养化水体中培养后各器官生物量都显著增加。与实验前相比, 实验结束时不同程度富营养化水体中碱蓬总干重, 茎、根干重均有大幅度增加。T2和T3处理碱蓬茎干重显著高于实验前(P < 0.05), 但T1和T2处理碱蓬叶干重与实验前差异不显著(P>0.05)。生长于不同程度富营养化水体中碱蓬的茎、叶、种子干重均高于实验前, 但差异不显著(P>0.05)。
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表 2 不同程度富营养化水体中碱蓬根﹑茎﹑叶和种子干重 Table 2 Dry weight of root, stem, leaves and seeds of Suaede glauca growing in eutrophied water relative to eutrophication degree |
由图 3可以看出, 与实验前相比, 实验结束时不同水体中碱蓬叶片氮含量由初始的14.2减少到6.23 mg·g-1以下, 磷含量由初始的2.55下降到0.92 mg·g-1以下。不同水体中碱蓬茎的氮、磷含量均有所减少, 根中氮、磷含量均有所增加。碱蓬各器官氮含量均随水体氮、磷初始浓度的增加而增加, 根中磷含量也水体氮、磷初始浓度的增加而增加。比较同一处理水体中碱蓬各器官氮、磷含量发现, 碱蓬各器官中氮含量高低次序为根(11.93~15.3 mg·g-1)>种子(10.89~13.95 mg·g-1)>叶(6.23~9.23 mg·g-1)>茎(4.92~7.40 mg·g-1)。磷含量高低次序为种子(2.14~2.50 mg·g-1)>根(1.41~1.72 mg·g-1)>叶(0.94~1.59 mg·g-1)>茎(0.86~1.34 mg·g-1)。
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图 3 不同程度富营养化水体中碱蓬各器官氮﹑磷含量 Figure 3 N and P content in the four organs of Suaeda glauca growing in eutrophied water relative to eutrophication degree T1、T2和T3处理水体起始TN浓度分别为2.4、1.6和0.8 mmol·L-1, TP浓度分别为0.05、0.03和0.01 mmol·L-1。同一幅图中同一组直方柱上方英文小写字母不同表示处理间某指标差异显著(P < 0.05)。 |
由图 4可以看出, 与实验前(CK)相比, 实验结束时, T2和T3处理中碱蓬叶部氮、磷积累量均显著减少(P < 0.05), 但生长于高浓度水体(T1)中的碱蓬叶部氮、磷积累量与实验前差异不显著(P>0.05)。从碱蓬茎部的氮积累量分析, 3种不同程度富营养化水体中碱蓬茎部氮积累量与实验前差异不显著(P>0.05), 且处理间也无明显差异(P>0.05)。同时, 3种不同程度富营养化水体中碱蓬根部氮、磷积累量均较实验前显著增加(P＜0.05), 其中T1处理碱蓬根部氮、磷积累量增幅最大, 较实验前分别提高3.78和0.71倍。
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图 4 不同程度富营养化水体中碱蓬各器官TN和TP积累量 Figure 4 TN and TP accumulation in the four organs of Suaeda glauca growing in eutrophied water relative to eutrophication degree T1、T2和T3处理水体起始TN浓度分别为2.4、1.6和0.8 mmol·L-1, TP浓度分别为0.05、0.03和0.01 mmol·L-1。同一幅图中同一组直方柱上方英文小写字母不同表示处理间某指标差异显著(P < 0.05)。 |
植物修复是利用植物的吸收作用去除污染物, 或使污染物降解为无毒害物质, 进而达到改善和净化水质的目的[13], 具有耗能低、投资少、无二次污染等特点。笔者的实验结果表明, 碱蓬对3种不同程度富营养化水体TN和TP的去除效果良好, 去除率分别在73.2%和74.4%以上, 但去除率随着水体起始氮、磷浓度的增高而降低。同时, 在实验前10 d, 不同程度富营养化模拟海水TN和TP浓度下降幅度较大, 后期趋于平缓, 这是由于植物移栽初期会快速吸收和转移水体养分以维持自身的生长需要。在实验后期, 一方面植物本身对营养的需求减少; 另一方面植物体内氮、磷元素的再分配, 使得植物吸收水体氮、磷的速率减慢, 导致水体总氮、总磷浓度的降低速度有所减缓[14]。
通常, 植物对氮、磷的吸收能力与植株的生长以及根系的发育程度密切相关。植物生长越快, 从水体中去除氮、磷的效率就越高, 而植物的根系越发达, 能够扩展净化污水的空间就越大, 从而大大提高其对污水的净化能力[15]。同时, 富营养化水体的氮、磷浓度对植物的元素吸收效率也有一定的影响。研究表明, 在一定浓度范围内, 水生植物对氮、磷的吸收量会随水体氮、磷浓度的升高而增加[16]。笔者研究发现, 生长在高浓度氮、磷水体(T1)中的碱蓬鲜、干重的增量均显著高于生长在其他2种水体中的碱蓬, 但3种不同程度富营养化水体中碱蓬根长和株高差异不显著, 说明T1处理中碱蓬对氮、磷的去除效果最佳是由其生物量最高所致。
此外, 碱蓬是一种优质的海水蔬菜和饲料[11], 因此进行水体修复后的碱蓬可考虑资源化二次利用。笔者对不同程度富营养化养殖海水中碱蓬各器官的氮、磷含量和积累量进行测定，结果发现, 碱蓬不同器官中磷含量高低次序为种子>根>叶>茎, 氮含量高低次序为根>种子>叶>茎。3种不同程度富营养化海水中碱蓬叶部氮、磷积累量较实验前有所下降, 这是因为实验期间碱蓬由营养生长阶段过渡到了生殖生长阶段, 其他部位吸收的氮、磷向碱蓬种子发生了转移, 使得叶部氮、磷积累量下降。不同程度富营养化养殖海水中碱蓬4个器官氮、磷积累量的高低均为叶>种子>茎>根。
植物体内的氮、磷含量和积累量能够直接反映植物对氮、磷元素的去除能力, 其营养物质的分配特点也会影响到收割方式[17]。由于植物体中积累的营养物质可通过凋落、死亡、腐烂等过程回归到水体中, 因而植物的收割是去除系统中营养物质的一种有效方法[18]。在该研究中, 水上部分的氮、磷积累量明显高于水下部分, 说明在不同程度富营养化海水中生长的碱蓬, 其氮、磷积累量主要集中在水上部分, 可通过收割去除大部分氮、磷。
因此, 碱蓬作为滨海盐渍化土壤中生长的一年生优势物种, 也可人工水培于滨海滩涂的不同程度富营养化养殖海水中, 对大面积的养殖废水进行生物修复。此外, 碱蓬作为一种海水蔬菜, 可与渔业水产养殖中虾或鱼形成立体共养模式, 从而提高水产养殖效益。
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