由于养殖饲料中所含的N和P等营养物质只有少部分能被水产生物同化^[1], 因此, 传统的池塘养殖模式产生了较为严重的污染, 如残剩饲料、生物代谢产物以及池塘底泥等^[2]。水芹(Oenanthe javanica)是属于伞形科、水芹菜属的多年水生宿根草本植物, 不仅能适应水面栽培、净化水体, 而且还具有研究开发价值^[3]。传统水芹性喜凉爽, 忌炎热干旱, 15~25 ℃生长较快, 30 ℃以上则生长不良, 故传统的水芹种植生产季节均在秋冬季和春季, 夏季则进入开花期。近年来开发了可在夏季种植的耐热新品种，如“伏芹1号”、“91-55水芹”、“鄂水芹1号”等。

有关生态浮床的研究报道较多, 已有的研究侧重于浮床的设计、面积、浮床植物的选择以及净化效果等^[4-6], 对浮床植物的根系发展、根系相应的生理生态特性以及对植株生长的影响和对水体环境的生态反馈与响应的研究则鲜有报道。植物根系径向泌氧特性及功能在湿地植物的研究中已得到确认^[7-8]。湿地植物根系泌氧是构造湿地植物根际微环境中氧化-还原共生系统中的关键因子, 为根际好氧及厌氧微生物提供了优良的生态条件, 使得湿地植物根际成为污染降解和物质循环的首要场所。根际泌氧可加速根际周围的Fe和Mn等元素被氧化, 在根际表面形成铁锰氧化膜。植物根系表面铁锰氧化膜能富集大量的营养元素, 如P、Zn、N、Mg和Mn等, 是营养元素的富集库^[9-10]。当介质中营养缺乏时, 这些营养元素能被植物活化吸收利用^[11-12];而当介质中物质过多时则形成保护, 减少植物对相应的金属元素及营养元素的吸收^[13-14], 但这种情况在浮床植物系统中是否存在尚鲜见报道。为此, 笔者通过对南京市水产科学研究所原位循环生态养殖系统中浮床水芹的生长特性、根系发生及相应性状进行研究, 了解浮床水芹对水体生态的动态响应及相关净化机制, 以期为在池塘养殖中更好地应用生态浮床提供参考依据。

1 材料与方法 1.1 仪器与试剂

仪器:WFX-210原子吸收分光光度计(北京瑞利分析仪器公司), SX716便携式溶解氧仪(上海三信仪表厂), HI98121防水型PH/ORP测试笔(哈纳), DigiBlock ED54电热消解仪(北京莱伯泰科仪器股份有限公司), UV-1200紫外-可见分光光度计(上海析谱仪器有限公司), AL104电子分析天平(瑞士METTLER仪器有限公司), TOMY Autoclave SS-325全自动高压蒸汽灭菌锅(上海驭璟科学仪器有限公司), DHG90电热恒温干燥箱(吴江长胜烘箱设备制造有限公司), BCD-18WSL电冰箱(海尔), NDK-36氮吹仪(上海皓庄仪器), K-370全自动凯氏定氮仪(BÜCHI)等。

试剂:硫酸钾、硫酸铜、硫酸、盐酸、硝酸、柠檬酸钛、钼酸铵、氢氧化钠、过硫酸钾、硝酸钾、抗坏血酸等均为分析纯(A.R), 国药集团化学试剂公司产品; 琼脂, 国药集团化学试剂公司产品; 铁和锰标准物质(1 000 μg·mL^-1)由国家标准物质中心提供。

1.2 试验方法 1.2.1 水芹浮床系统及样品采集处理

试验在南京市水产科学研究所的原位循环生态养殖池塘中进行, 设对照组和试验组各1个, 池塘养殖面积约2.67 hm²。试验池中构建1 000 m²生态浮床, 每个浮床单体1.0 m×1.0 m, 四周为直径2.0 cm的PVC材料所构成的框架, 中间是聚乙烯网片, 每20个单体互相连接成排, 垂直于水流方向排列。水芹初始种植量为2 000 g·m^-2, 将水芹秧苗切成约20 cm长撒在浮床网片上。对照组为未设置生态浮床的池塘, 对照塘与试验塘在养殖品种、养殖密度和养殖管理上均严格一致。试验于2015年7月26日开始, 10月13日结束, 共持续80 d。

分别于试验30、50和80 d时采集池塘水样和浮床水芹样品进行分析测定。在生态浮床区随机选取5排浮床, 每排浮床上选取1个浮床单体, 取6株完整的水芹植株用于分析植株的生长情况。随机选出6株生长状况良好的植株进行根部泌氧能力测试。将剩余植株洗净后105 ℃条件下杀青1 h, 65 ℃条件下烘干至恒重, 测定各部位干重, 之后将烘干的植物样品粉碎过0.150 mm孔径筛, 用于测定植株中N、P、Fe和Mn含量。

1.2.2 水质和植物样品的测定方法

试验期间池塘水体的水温、pH值和DO含量等指标采用便携式溶解氧仪和HI98121防水型pH/ORP测试笔现场测试; TN含量采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法(GB 11894—89)，TP含量采用钼酸铵分光光度法(GB 11893—89)，Fe和Mn采用火焰原子吸收分光光度法(GB 11911—89) 测定。

植株高度、根系等采用直接观察测量法, 每克根表面积采用滴定法^[15]测定。植株中N、P、Fe和Mn含量的分析:分别称取过0.150 mm孔径筛的烘干植物样品0.2 g, 经消化后采用凯氏定氮法(LY/T 1269—1999) 测定N含量，钼锑抗比色法(LY/T 1270—1999) 测定P含量，火焰原子吸收光度法(LY/T 1270—1999) 测定Fe和Mn含量。

水芹根系泌氧能力的测定:将水芹根部用去离子水洗净, 在1/2霍格兰改良配方营养液中加入10 g·L^-1琼脂, 模拟缺氧条件^[16]进行1周的暂培养, 之后用柠檬酸钛法^[17]进行泌氧速率测定。在527 nm波长条件下测定吸光度, 制作柠檬酸钛浓度与吸光度的标准曲线, 并采用以下公式计算：

$ {{L}_{\text{RO}}}=c\text{ }\left( y-z \right), $

(1)

$ {{R}_{\text{ROL}}}=c\text{ }\left( y-z \right)/g。$

(2)

式(1)~(2) 中, L_RO为植株泌氧量, μmol·h^-1·株^-1; c为加入每个试验组的柠檬酸钛的起始体积, L;y为对照组柠檬酸钛溶液浓度, μmol·L^-1; z为放入植物6 h后柠檬酸钛溶液浓度, μmol·L^-1; R_ROL为植株泌氧率, μmol·h^-1·g^-1; g为每株水芹的根系干重, g。

1.3 数据统计与分析

试验数据经Excel 2010软件处理后, 应用SPSS 20.0软件进行差异性显著分析和双变量相关分析, 并运用Origin 9.0软件作图。

2 结果与分析 2.1 浮床水芹的植株生长及氮磷含量变化

试验期间, 浮床水芹的植株生长及N和P含量变化如表 1所示。30~50 d时植株总高度为23.05~25.82 cm, 虽与初始相比有所增高, 但差异不显著(P > 0.05);80 d时为(38.37±10.70) cm, 与30和50 d时的高度差异显著(P < 0.05)。无论是主根数、根尖数、主根直径还是一级根直径均是30~50 d内增速显著, 后期变化不大。每克根表面积的相对值在30、50和80 d时均存在显著差异(P < 0.05), 且单株根表面积呈逐渐增加趋势。由此可以认为, 浮床水芹种植后首先从水体中吸收营养以促进根系的发展。

水芹植株中N和P含量的变化也各不相同。80 d内水芹植株中N含量百分比变化不显著, 但N的绝对含量随着植株质量的增加而逐渐增加, 30、50和80 d间差异显著(P < 0.05), 且与植株的干重呈高度正相关(r=0.952);而水芹植株中P含量百分比随时间推移呈下降趋势, 30和50 d时差异显著(P < 0.05), 但植株中P的绝对含量较为稳定, 并未随着植株质量的增加而增加, 30~80 d内每株水芹的平均P含量为3.45~4.14 mg, 变化不显著(P > 0.05), 说明水芹植株对磷的固定量相对稳定, 前期根系形成过程中对磷的吸收较多。

水芹植株各部分的N/P比随时间的变化如图 1所示。试验期间, 水芹整株植株的平均N/P比为2.51~6.80, 但植株各部分的N/P比在不同生长阶段均存在显著差异。30 d时水芹植株各部位N/P比从大到小依次为叶、根和茎, 80 d时则为叶、茎和根。水芹根部N/P比最低为4.27±0.01, 最高为4.67±0.02, 与茎、叶部位相比变化最小。

植物生物量和营养元素的分配受遗传因素和外界环境的共同影响。遗传因素是自然选择的结果, 具有一定的稳定性, 环境因素具有短暂性。最优化分配理论认为:植物在生长过程中会优先将生物量分配到其竞争部位, 以适应受限的环境条件。在植物的生殖生长阶段, 当营养充足时植物会优先满足叶片的营养供给^[18-20], 以进行更多的光合作用, 而当营养缺乏时, 植物往往通过增加根部的生物量, 如扩大根系表面积等, 以吸收较多的营养物质^[21], 满足自身生长需要。浮床水芹各部位N含量高于P含量, 这是由于N是合成蛋白质的主要成分, 且蛋白质在植物干物质中占有较大的比例, 因此植物体中N含量较高。而P主要以磷酸盐形式存在, 参与生物体中磷脂、核酸等物质的构成, 比例较小, 且不稳定, 易损失^[22], 植物体内N、P含量还受周围环境条件的影响^[23]。该研究中浮床水芹处于生殖生长阶段, 叶中N、P含量相对较高, 符合植物在自然界中的最优分配理论。

HAN等^[24]的研究表明, 草本植物的N/P比为13.5, 而笔者研究中浮床水芹的N/P比在2.5~6.8之间, 这主要是由于HAN的研究对象是在土壤磷较缺乏的自然状态下生长的草本植物, 所以植物体P含量较低。养殖池塘中P较为充足, 能够满足植物生长所需, 所以在生长初期植物吸收大量P, 导致N/P比较低。当生长到一定阶段时, 植物对P的吸收能力受阻, 对P的固定量基本保持稳定, 而固N量还在不断增加, 因此, 水芹的N/P比逐渐增大。浮床水芹各部位N、P含量不同, 且同一部位在不同生长阶段也存在差异, 根部N/P比较为稳定, 而茎、叶部位N/P比增加较为迅速。

2.2 池塘水体理化指标的变化

表 2显示, 试验期间对照组水温为19.65~28.42 ℃, 试验组水温为20.08~29.33 ℃, 此温度适宜水中动植物和微生物的生存。对照组pH值为6.57~8.86, 且随着时间的推移和水温的下降而降低; 试验组pH值为7.38~8.72, 变化幅度较对照组小。水体pH值主要受浮游植物光合作用和生物呼吸作用的影响, 浮床植物因可与浮游植物竞争营养而调控水体pH值。对照组ρ(DO)为2.42~7.63 mg·L^-1, 其中30 d时最低, 可能是当时水温较高, 水中耗氧性有机物较多, 微生物呼吸作用加强所致; 试验组ρ(DO)为4.71~6.84 mg·L^-1, 这也与水体中浮游植物的光合作用相关。水体中DO含量均呈随着温度降低而升高的趋势, 符合DO-水温效应关系。

浮床植物生长所需的营养元素来自于池塘水体, 其生长与水体中N和P等营养盐浓度密切相关^[25]。比较2组池塘水体中TN和TP含量发现, 对照组TN含量先降后升, 80 d时与初始相比增加1.32%;而试验组TN含量呈逐渐下降趋势, 80 d时与初始相比下降43.46%, 其中50~80 d间下降32.08%, 且试验区水质TN浓度与浮床植物水芹N含量之间呈高度负相关(r=-0.952), 表明浮床水芹对水体TN有良好的去除效果。随着水芹的生长, 特别是30~50 d时根系的发展促使大量的包括氮循环细菌在内的微生物附载在根系上。有报道指出, 植物根系上同时存有氨氧化细菌(AOB)、亚硝酸盐氧化菌(NOB)和氨氧化古菌(AOA)等^[26]。根系微生物加速了对水体N的转化去除, 如有机氮的矿化和无机氮的转化, 并促进了浮床水芹对N的吸收。经统计分析, 试验区水质TN含量与浮床植物水芹N含量呈高度负相关(r=-0.952)。对照组TP含量呈增高趋势, 50 d时比初始增加62.50%, 80 d时比初始高11.11%;试验组TP含量呈降低—增高—降低的变化趋势, 30 d时最低, 下降45.45%, 80 d时比初始下降18.18%, 说明浮床水芹对磷的吸收并非一直在增加, 这种变化与水芹植株中磷含量的变化趋势相吻合。

试验期间, 对照组水体中Fe浓度呈上升趋势, Mn浓度呈先增加后减少趋势, 而试验组水体中Fe和Mn浓度呈下降趋势。水体中Fe浓度高于Mn浓度, 且Fe浓度的波动幅度较大。30 d时, 试验组与对照组水体ρ(Fe)分别为(0.77±0.09) 和(0.79±0.05) mg·L^-1, 80 d时分别为(0.49±0.10) 和(2.16±0.10) mg·L^-1。水体中Fe和Mn浓度的变化反映出浮床水芹对池塘水质的综合调控效果。作为变价金属, 水体中Fe和Mn的价态和浓度变化与水体中DO、Eh等理化因子有一定的关联^[27], 其变化机制还有待进一步深入了解。池塘水质的变化除了与浮床植物的生长吸收有关外, 还与其根部的泌氧等一系列因素有关。浮床系统的构建可导致硝化细菌和反硝化细菌等好氧、厌氧细菌同时在根系着生, 加大了对水质的处理能力^[5]。

2.3 浮床水芹根系的生理特性及池塘水体生态化学响应

为了解浮床植物根系的泌氧情况及相应引发的铁锰含量变化, 对试验期间栽种30、50和80 d的水芹根际泌氧能力和铁锰水平进行分析。80 d中, 浮床水芹根系的泌氧率为2.74~3.27 μmol·h^-1·g^-1, 此与文献报道的湿地中水芹泌氧率为3.0 μmol·h^-1·g^-1较一致^[28];浮床水芹根系的泌氧率在50 d时达最大, 其与单克根表面积呈正相关(r=0.795), 表明每克根(鲜重)表面积越大, 根系泌氧率越高。当根系发展稳定时, 水芹植株根系的泌氧率较为恒定。植株根系的泌氧量随着根系质量和表面积的增大而逐渐增加。水芹根系中Fe和Mn的累积量呈先升后降的趋势, 50 d时达最高峰, 与30 d时差异显著(P < 0.05), 80 d时有所下降。研究表明, 浮床植物根际同样存在泌氧能力和形成铁锰氧化膜的情况。

浮床植物根系的泌氧能力使得不同类群微生物在根系共存成为可能。因浮床植物的茎叶在水面上生长, 阻碍了水面的大气复氧, 造成水面下Eh下降, 还原性物质(如Fe²⁺、Mn²⁺、NO₂^-、HS^-、H₂S等)积累较多。因植株根系的交错, 根系小生境中来自水体的供氧不足, 有利于厌氧和兼性厌氧微生物的生存。而浮床植物的泌氧可使其在生长过程中利用从茎部至根部的低阻气体运输, 将O₂运往根系并部分释放到根际生境中, 改变了生境中的氧浓度、pH值和Eh, 形成好氧-厌氧共存的环境, 导致根系中各种厌氧菌、好氧菌以及兼性厌氧菌的种群共同分布和存在。同时，根际周围还原性Fe和Mn被氧化形成氧化铁或锰膜, 阻止了一些还原性物质和有害金属对植株的损害, 提高了根系对物质吸收的选择性。

为了解浮床植物水芹根际的生理特性及相关变化与所处水体生态环境因子的相关性, 对浮床水芹根系指标及相应的水体生态环境指标进行双变量相关分析, 结果见表 3。

浮床水芹根系的泌氧率，每克根表面积，根系的铁、锰含量这些因素间均相互呈正相关性, 根系泌氧量与根系泌氧率相关(r=0.654), 且与水中溶解氧呈高度正相关(r=0.786);根系泌氧量与水体中铁、锰浓度呈负相关(r=-0.882，r=-0.853)。可认为水芹根系面积的增大导致其泌氧量的增加, 所泌氧的扩散加剧了根际周围Fe和Mn的氧化, 在根际表面形成Fe-Mn膜而导致根际Fe和Mn含量增加。这与张西科等^[29]关于根系氧化力越强的水稻品种, 其根表形成的铁膜量越多研究结果基本一致。同时, 水体中Mn浓度分别与根系Mn含量和Fe含量呈负相关(r=-0.844，r=-0.579), 表明植物根际表面的泌氧加剧了Mn和Fe的氧化和吸附, 减少了水体中Mn浓度。而水体中Fe浓度虽然也存在这种趋势, 但相关性不如Mn显著, 这可能与水体的流动性、生物可利用性等其他因素的影响有关。

水芹根系Fe和Mn含量与根系表面积的相关系数r > 0.776, 表明根系表面积的不同对根表Fe和Mn膜数量具有显著影响, 这一点与蔡妙珍等^[30]认为的是根系表面积导致Azucena和IR64这2种水稻品种根表铁膜数量的差异相符。值得注意的是, BACHA等^[31]的研究表明, Fe在植物根表的沉积速率是Mn的42倍, 而该研究中根系Mn含量在50~80 d时却高于根系Fe含量, 其原因还有待进一步研究。水体中TP浓度与根系Fe含量呈正相关(r=0.746), 表明植物根际Fe的氧化阻碍了植物对水体中磷的吸收, 说明浮床植物对磷的吸收并非随植物生长而增加, 存在一个阈值, 这与2.1节中的研究结果相吻合。

3 结论

浮床水芹种植后首先从水体中吸收营养, 以促进根系的发展。试验前期, 植株根系无论是主根数、根尖数、主根直径还是一级根直径, 均增速显著。复杂而又巨大的根系加快了对水体中营养物质的吸收, 以用于植株长度和质量的增加。试验后期植株生长迅速, 50~80 d时植株高度为23.05~38.37 cm。

浮床水芹植株中氮含量随着植株质量的增加而增加, 呈正相关性(r=0.952), 而氮含量百分比几乎不变; 植株中磷含量较为稳定, 平均含量为3.45~4.14 mg·株^-1, 而含量百分比随生长时间的推移而下降。水芹植株平均N/P比为2.51~6.80, 其中，根部N/P比为4.27~4.67, 较为稳定, 而茎、叶的N/P比变化则较为显著。

浮床水芹的根系具有径向泌氧的特性, 其泌氧率为2.74~3.27 μmol·h^-1·g^-1, 泌氧率与单克根表面积呈正相关(r=0.795)。根系泌氧导致水体中Fe和Mn被氧化, 吸附集中于根系, 形成铁锰氧化膜, 使水体中Fe和Mn含量下降, 并影响植物对磷的吸收。

浮床水芹通过利用池塘水体中的营养盐来维持植株的生长, 并对水体生态因子进行反馈和响应。浮床水芹可稳定水温和pH值, 调节DO, 降低TN和TP浓度, 但对TP的去除有一定的限制。