污水脅迫下7種草本地被植物耐污性比較研究

李 媛， 韓迎儒， 趙 冰*, 馬 笑， 張 哲

(1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)， 風(fēng)景園林藝術(shù)學(xué)院， 陜西 楊凌 712100；2. 陜西省西咸新區(qū)灃西新城海綿城市技術(shù)中心， 陜西 咸陽 712000)

地被植物是指能對裸露地面覆蓋，起到保護(hù)地面和裝飾作用的植物，包括草本植物、一些低矮的叢木和匍匐藤木等，地被植物的高度一般在1 m以下[1]。地被植物是現(xiàn)代園林城市綠化不可缺少的重要組成部分，不僅能夠增加綠地面積，豐富景觀層次，還具有生長迅速、抗性強(qiáng)、耐修剪和便于管理的優(yōu)點(diǎn)[2]。地被植物被廣泛應(yīng)用于園林建設(shè)中，尤其是現(xiàn)在如火如荼建設(shè)中的海綿城市中。海綿城市植物是海綿城市建設(shè)中的基本要素之一，但目前我國對海綿城市的研究主要集中在工程方面，對植物的功能作用，選擇搭配方面研究甚少[3]。而對地被植物的抗旱性[4]、耐鹽性[5]、耐蔭性和引種馴化[6]等方面研究廣泛。

我國對于植物耐污能力的研究主要集中在一些水生植物、濕生植物和農(nóng)作物，且大多數(shù)都在研究其對于污染物的凈化能力和富集能力[7]，很少研究植物在污水脅迫下的相關(guān)生理生化特性和植物的外觀表現(xiàn)[8]。尤其草本地被植物的耐污性研究方面更是少之又少。植物的生長狀況可以影響其在園林綠地中的景觀功能和生態(tài)功能，不同的植物其耐污能力存在差異，對于污水脅迫后的響應(yīng)機(jī)制也有所不同。因此，本試驗(yàn)選取了在西北地區(qū)應(yīng)用較多的7種草本地被植物為試驗(yàn)材料，采用雙套盆法，以人工配置污水對其進(jìn)行30天的脅迫，通過觀測植株脅迫期間形態(tài)表現(xiàn)，并測定相關(guān)生理指標(biāo)，并運(yùn)用隸屬函數(shù)法對7種草本地被植物的耐污性進(jìn)行評價(jià)，以期為城市園林綠地建設(shè)中的植物選擇提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)在陜西楊凌雅繡花卉生物科技有限公司試驗(yàn)基地進(jìn)行，選取了7種西北地區(qū)常用草本地被植物萱草(Hemerocallisfulva)、蔥蘭(Zephyranthescandida)、狼尾草(Pennisetumalopecuroides)、黃菖蒲(Irispseudacorus)、馬藺(Irislactea)、玉簪(Hostaplantaginea)、波斯菊(Cosmosbipinnata)為試驗(yàn)材料。試驗(yàn)前將購買的植物材料移栽到花盆中(上盆徑25 cm，下盆徑18 cm，高25 cm)，進(jìn)行30天恢復(fù)生長，恢復(fù)結(jié)束后進(jìn)行污水脅迫試驗(yàn)。培養(yǎng)基質(zhì)為泥炭∶珍珠巖=5∶1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)設(shè)置實(shí)驗(yàn)組和對照組，每組每種植物30株。對照組正常管理，實(shí)驗(yàn)組采用雙套盆法，即將栽有植物的花盆放到不透水的塑料桶內(nèi)(高29 cm，上口直徑30 cm，下口直徑23 cm)，緩慢將配制好的污水加入花盆中，使水面始終高于盆土4 cm左右。每天觀察植株的外部形態(tài)變化并拍照記錄，并于脅迫的第1 d、第3 d、第10 d及第30 d采樣以測定膜透性變化、葉綠素含量、丙二醛含量和脯氨酸含量等生理指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)重復(fù)三次。試驗(yàn)所用的污水參考西安市路面及屋面雨水中的COD(化學(xué)需氧量)、TN(總氮)等含量配制[9],即葡萄糖300 mg·L-1，硝酸鉀8.0 mg·L-1，氯化銨3.0 mg·L-1，磷酸二氫鉀2.0 mg·L-1，氯化銅0.15 mg·L-1，硫酸鋅2.0 mg·L-1，氯化鉻0.10 mg·L-1。

1.3 形態(tài)觀測

在脅迫期間，對7種草本地被的外部形態(tài)進(jìn)行觀測記錄，包括植株的生長態(tài)勢，葉片的顏色、形態(tài)及大小等，并根據(jù)形態(tài)表現(xiàn)對其耐污性進(jìn)行等級劃分。(表1)

表1 耐污等級劃分Table 1 Classification of Stain resistance

注：A：耐污能力強(qiáng)，B：耐污能力一般，C：耐污能力弱

Note:A:strong tolerance to pollution；B:gneral tolerance to pollution；C:weak tolerance to pollution

1.4 生理指標(biāo)的測定

隨機(jī)摘取每種植物葉片，用蒸餾水沖洗干凈，進(jìn)行各項(xiàng)生理指標(biāo)測定，需要鮮樣測定的是相對電導(dǎo)率和葉綠素含量，其余樣品可稱量好后用鋁箔紙包好放到液氮中保存待測。每組重復(fù)3次。

細(xì)胞膜透性變化采用紫外分光光度計(jì)測定，MDA含量的測定參考硫代巴比妥酸法，葉綠素含量測定采用80%丙酮浸泡法。脯氨酸含量測定采用酸性茚三酮比色法測定[10]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用Microsoft Excel 2010和SPSS 17.0對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，利用隸屬函數(shù)法[11-12]對7種地被植物耐污性進(jìn)行評價(jià)。計(jì)算公式如下：

U(Xij)=(Xij-Xijmin)/(Xjmax-Ximin)

公式(1)

U(Xij)=1-(Xij-Xjmin)/(Ximax-Xjmin)

公式(2)

式中:U(Xij)表示i植物j指標(biāo)耐污性隸屬函數(shù)值，Xij表示i植物j指標(biāo)的測定值,Xjmax為各個(gè)植物中j指標(biāo)的最大值，Xjmin為各個(gè)植物中j指標(biāo)的最小值，當(dāng)該指標(biāo)與耐污性呈正相關(guān)時(shí)用公式(1)進(jìn)行隸屬函數(shù)值的計(jì)算，反之呈負(fù)相關(guān)時(shí)用公式(2)進(jìn)行計(jì)算。

2 結(jié)果與分析

2.1 污水脅迫下7種草本地被植物形態(tài)指標(biāo)的變化與分析

隨著脅迫天數(shù)的增加，7種草本地被植物的形態(tài)差異也隨之呈現(xiàn)出來(圖1)。未脅迫前，7種植物均生長狀況良好，葉色正常。脅迫第1 d,7種植物都沒有表現(xiàn)出受害癥狀，依然生長良好。脅迫第3 d，各草本地被植物開始表現(xiàn)出形態(tài)上的差異，狼尾草和馬藺的葉片呈現(xiàn)出黃化干枯現(xiàn)象。脅迫第10 d，差異性更加顯著。萱草、蔥蘭和玉簪出現(xiàn)黃化癥狀。狼尾草和馬藺受害加劇。黃菖蒲和波斯菊基本表現(xiàn)正常，未出現(xiàn)明顯癥狀。脅迫第20 d，黃菖蒲開始表現(xiàn)出受害癥狀，個(gè)別葉尖黃化，波斯菊依然表現(xiàn)正常且生長良好。蔥蘭和狼尾草與脅迫第3d差別不大，其他植物受害癥狀加重。脅迫第30 d,與脅迫20 d相比，波斯菊下部葉片稍有黃化，萱草、蔥蘭和黃菖蒲變化不顯著。玉簪的受害程度加深，葉面出現(xiàn)1/2以上的黃化現(xiàn)象。馬藺整株褐化程度略增加，近于死亡。在整個(gè)脅迫期間，隨著脅迫天數(shù)的增加，各草本地被出現(xiàn)不同程度的葉片黃化、褐化、干枯等現(xiàn)象，且出現(xiàn)受害癥狀的先后順序也有明顯的差異。根據(jù)整個(gè)脅迫期間各植物的形態(tài)表現(xiàn)對其進(jìn)行耐污等級評價(jià)(表2)?？傮w上，蔥蘭、黃菖蒲和波斯菊的受害癥狀較輕，且癥狀出現(xiàn)較晚，萱草和狼尾草表現(xiàn)一般，其次是玉簪，受害癥狀明顯，表現(xiàn)較差，最后是馬藺，受害最嚴(yán)重，前期表現(xiàn)較好，后期表現(xiàn)差，耐污性最弱。

2.2 污水脅迫對7種草本地被植物細(xì)胞膜透性的影響

由圖2可知，脅迫第1 d，萱草、蔥蘭、馬藺細(xì)胞膜透性與對照相比顯著增加，波斯菊顯著降低(P<0.05)，狼尾草和玉簪變化不顯著(P>0.05)。脅迫第3 d，各植物細(xì)胞膜透性較未脅迫前有不同程度降低，而脅迫第10 d均有顯著增加(P<0.05)。至脅迫第30 d，與脅迫10 d相比各植物細(xì)胞膜透性顯著降低(P<0.05)，與未脅迫前相比，萱草、蔥蘭、黃菖蒲和玉簪的細(xì)胞膜透性顯著降低(P<0.05)，狼尾草和波斯菊變化不顯著(P>0.05)，而馬藺的細(xì)胞膜透性顯著增加(P<0.05)。

表2 污水脅迫下7種草本地被的耐污等級Table 2 Stain resistance grade of 7 Herbaceous Ground Cover Plants under Sewage Stress

圖1 污水脅迫下7種草本地被的形態(tài)變化Fig.1 Morphological changes of 7 Herbaceous Ground Cover Plants under sewage stress

圖2 污水脅迫下7種草本植物細(xì)胞膜透性變化Fig.2 Changes in cell membrane permeability of 7 herbaceous plants under sewage stress注：不同的小寫字母表示同種植物不同處理間差異顯著(P<0.05)，下同Note:Different lowercase letters indicate significant difference within the same plant between different treatment at the 0.05 level,the same as below

2.3 污水脅迫對7種草本地被植物葉綠素含量的影響

由圖3可知，整個(gè)脅迫期間，萱草的葉綠素含量持續(xù)降低，脅迫前后變化顯著(P<0.05)。蔥蘭在脅迫前10 d葉綠素含量持續(xù)增加，到第10 d達(dá)到最大值0.974 mg·g-1后降低。玉簪在脅迫前3 d葉綠素含量持續(xù)增加后大幅度降低。狼尾草、馬藺和波斯菊于脅迫前3天變化不顯著(P>0.05)，脅迫第10 d其葉綠素含量較未脅迫前大幅度增加，而第30 d時(shí)大幅度降低，變化顯著(P<0.05)。黃菖蒲整個(gè)脅迫期間葉綠素含量變化顯著，脅迫前后相比其葉綠素含量降低了49.80%。

圖3 污水脅迫下7種草本植物葉綠素含量變化Fig.3 Changes of Chlorophyll Content of 7 herbaceous plants under sewage stress

2.4 污水脅迫對7種草本地被植物丙二醛含量的影響

由圖4可知，脅迫第1 d時(shí)，各植物丙二醛含量無顯著變化(P>0.05)，脅迫第3 d與未脅迫前比較，丙二醛含量均大幅度降低。與脅迫3 d相比，萱草和波斯菊的丙二醛含量在脅迫10 d時(shí)顯著增加，其他植物變化不大。至脅迫30 d時(shí)，萱草、黃菖蒲和波斯菊的丙二醛含量較未脅迫前大幅降低，變化顯著(P<0.05)。蔥蘭、狼尾草、馬藺和玉簪的丙二醛含量脅迫前后變化不顯著(P>0.05)。

圖4 污水脅迫下7種草本植物丙二醛含量變化Fig.4 Changes of MDA Content of 7 herbaceous plants under sewage stress

2.5 污水脅迫對7種草本地被植物脯氨酸含量的影響

由圖5可知，萱草、蔥蘭、馬藺、玉簪和波斯菊在脅迫前3 d脯氨酸含量基本呈降低狀態(tài)，變化顯著(P<0.05)。脅迫第10 d較脅迫3 d顯著增加，與未脅迫相比，萱草、馬藺和波斯菊變化不大，蔥蘭的脯氨酸含量顯著降低，玉簪顯著增加。脅迫30 d時(shí)，蔥蘭和波斯菊的脯氨酸含量與未脅迫前相比大幅降低，萱草和玉簪的變化不大，而馬藺在脅迫第30 d的脯氨酸含量是未脅迫前的2.80倍。狼尾草和黃菖蒲的脯氨酸含量整體上是升降升降的趨勢，狼尾草在脅迫后期脯氨酸含量趨于穩(wěn)定，與未脅迫前相比，顯著降低。而黃菖蒲整個(gè)脅迫期間變化顯著(P<0.05)，脅迫完成后脯氨酸含量顯著降低。

圖5 污水脅迫下7種草本植物脯氨酸含量變化Fig.5 Changes of PRO Content of 7 herbaceous plants under sewage stress

2.6 隸屬函數(shù)評價(jià)

為研究7個(gè)草本地被植物的耐污性，運(yùn)用隸屬函數(shù)法對其進(jìn)行綜合評價(jià)。首先用脅迫30 d各指標(biāo)的測定值比對照值得到相對值，再根據(jù)隸屬函數(shù)相關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算。其中細(xì)胞膜透性和丙二醛含量與植物耐污性呈負(fù)相關(guān)，用公式(2)計(jì)算，葉綠素含量和脯氨酸含量與植物耐污性呈正相關(guān)，用公式(1)計(jì)算。求出各草本地被植物各指標(biāo)的隸屬函數(shù)值后，計(jì)算平均隸屬函數(shù)值，進(jìn)行排序。得出7種草本地被植物的耐污性順序?yàn)椋翰ㄋ咕?黃菖蒲>蔥蘭>狼尾草>萱草>玉簪>馬藺。

表4 7種草本植物各耐污性指標(biāo)隸屬函數(shù)值Table4 Subordinative function analysis on the stain-resistant indices of 7 herbaceous plants

3 討論

植物在逆境條件下的形態(tài)變化可以直接反映出植物的抗性強(qiáng)弱[13]。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著脅迫天數(shù)的增加，植物在外部形態(tài)表現(xiàn)為葉片黃化、褐化、干枯現(xiàn)象。不同植物出現(xiàn)受害癥狀的時(shí)期不同，且受害程度也有明顯差異。玉簪和馬藺在脅迫前期就出現(xiàn)了受害癥狀，且隨著時(shí)間的增加，受害程度加深，波斯菊、蔥蘭、黃菖蒲受害癥狀出現(xiàn)較晚且受害程度輕。何玲玲[14]的研究也發(fā)現(xiàn)各草種都能在污水條件下進(jìn)行營養(yǎng)生長，但部分草種的顏色和蓋度都會受到不良影響。根據(jù)形態(tài)觀測，波斯菊、蔥蘭、黃菖蒲耐污性較強(qiáng)，其次是狼尾草和萱草，玉簪和馬藺耐污性最弱。

在污水環(huán)境下，不同的植物外觀表現(xiàn)不同，其生理指標(biāo)的變化也有差異。當(dāng)植物遭到脅迫時(shí)，細(xì)胞膜受到損傷和破壞，影響其選擇透過性，使細(xì)胞膜透性發(fā)生改變，同時(shí)發(fā)生膜質(zhì)過氧化反應(yīng)產(chǎn)生大量MDA，其對細(xì)胞膜造成傷害[15]。研究表明植物細(xì)胞膜透性和MDA含量可以作為研究植物抗性的指標(biāo)之一[16]。盛玉輝[17]和陳桂葵[18]等都認(rèn)為短時(shí)間的污水脅迫對植物相對電導(dǎo)影響不大，還可促進(jìn)植物生長。本試驗(yàn)也同意此種結(jié)論，在脅迫第3 d時(shí)，細(xì)胞膜透性比對照有明顯降低，而植物生長均表現(xiàn)良好，隨脅迫時(shí)間的增加，在脅迫第10 d時(shí)所有植物的細(xì)胞膜透性達(dá)到最大，此時(shí)植物所受的傷害最大，隨著脅迫時(shí)間的延長，植株逐漸適應(yīng)污水環(huán)境，其細(xì)胞膜透性降低。MDA含量呈現(xiàn)不規(guī)律的變化，在脅迫中期的含量都比較低，蔥蘭、狼尾草是先上升后下降再上升的趨勢，萱草、黃菖蒲和波斯菊是先下降后上升再下降的趨勢，馬藺和玉簪是先下降后上升的趨勢這與前人研究結(jié)果相似[19-20]，何江等[21]認(rèn)為這是由于植物體內(nèi)的活性氧清除系統(tǒng)有效的清除了活性氧而減少了MDA，但隨脅迫時(shí)間增加，酶活性降低，MDA逐漸累積。

葉綠素含量的變化可以反映植物的光合能力強(qiáng)弱，也可以反映植物在逆境下器官和組織的衰老狀況。一般葉綠素含量減少，植物葉片會發(fā)黃失綠，趨于老化[22]。解靜芳[23]等認(rèn)為污水會降低植物體內(nèi)葉綠素含量，胡宏友[24]等的研究表明污水可以增加葉綠素含量。而馮鵬[25]等的研究也表明了重金屬離子可以促進(jìn)植物葉片葉綠素的合成。本試驗(yàn)中除萱草的葉綠素含量持續(xù)下降，其余植物基本上呈現(xiàn)出先增后減的趨勢，這與何玲玲[14]的研究結(jié)果一致，說明短期的污水澆灌有利于植物葉綠素的合成，長期污水脅迫會降低葉綠素。脯氨酸是一種保護(hù)機(jī)制，研究表明植物在受到脅迫時(shí)，體內(nèi)脯氨酸含量增加以提高抗性[26]。萱草、蔥蘭、玉簪和波斯菊在脅迫期間第10 d的脯氨酸含量較高，抗性較強(qiáng)。脅迫30 d時(shí)下降，抗性相應(yīng)減弱。狼尾草和黃菖蒲的脯氨酸含量是先升后降，前期抗性較好，后期抗性變?nèi)?。馬藺在后期其脯氨酸含量為未脅迫前2.80倍，但其外觀表現(xiàn)最差，抗性最差。這是由于植物體內(nèi)脯氨酸的積累有兩種意義，一是有適應(yīng)性的意義，二是細(xì)胞的結(jié)構(gòu)功能受損[27]，而馬藺就屬于后者。

綜合7種草本地被在污水脅迫下的外觀表現(xiàn)和生理指標(biāo)變化，研究發(fā)現(xiàn)黃菖蒲、波斯菊和蔥蘭不僅生長狀況良好，而且隸屬函數(shù)評價(jià)其耐污性也較強(qiáng)。此類植物適合種植在園林綠地中受污水污染區(qū)域，可兼顧景觀和生態(tài)功能。

4 結(jié)論

綜合7種草本地被在污水脅迫下的外觀表現(xiàn)和生理指標(biāo)變化，采用隸屬函數(shù)法對7種草本地被植物耐污性進(jìn)行綜合評價(jià)，得出耐污性排序?yàn)椋翰ㄋ咕?黃菖蒲>蔥蘭>狼尾草>萱草>玉簪>馬藺，排序與形態(tài)觀測結(jié)果一致。