4种木本植物在潜流人工湿地环境下的根系诱导

郝 君，陈永华，吴晓芙，梁 希，张富运

（中南林业科技大学 环境科学与工程研究中心，湖南 长沙410004）

4种木本植物在潜流人工湿地环境下的根系诱导

郝 君，陈永华，吴晓芙，梁 希，张富运

（中南林业科技大学 环境科学与工程研究中心，湖南 长沙410004）

为了让木本植物更广泛的应用于潜流人工湿地，采用单因子与正交设计2种方法对影响夹竹桃Nerium oleander、木槿Hibiscus syriacus、栀子Gardenia jasminoides、女贞Ligustrum lucidum 4种木本植物在潜流人工湿地环境下诱导根系生长的4个因素（切根程度，基质类型，激素浓度和曝气时间）在5种水平上进行优化试验。结果表明：正交设计采用直观分析法获得影响因素最佳反应水平与单因子试验找出影响因素最佳反应水平有一定差异，通过综合比较分析，夹竹桃最适合的切根方式是切根1/4，木槿、栀子最适合的切根方式是切根1/8，女贞最适合的切根方式是切根1/2；夹竹桃最适宜的基质是泥炭土，木槿、栀子最适宜的基质是蛭石，女贞最适宜的基质是珍珠岩；夹竹桃、木槿最合适的生根剂浓度为1 000 mg/kg，栀子、女贞不适宜添加过高浓度的生根剂；夹竹桃最合适的曝气时间是每日8 h，木槿、女贞最合适的曝气时间是每日16 h，栀子最合适的曝气时间是每日12 h。关键词：木本植物；根系诱导；正交设计；基质

植物是人工湿地系统的重要组成部分，目前潜流人工湿地应用的植物基本为：香蒲、千屈菜、水葱、花叶芦竹、美人蕉、花菖蒲、菖蒲、芦苇、再立花、风车草、梭鱼草等草本植物[1-3]。我国属于亚热带地区，目前该地区广泛应用的这些人工湿地植物一般到了冬季时地上部分会逐渐枯死，出现“一岁一枯荣”的草本植物自然枯死更新现象，这就造成人工湿地系统冬季时水质处理效果不稳定和景观效果较差的问题。系统处理效果的稳定性是人工湿地技术的关键，也是亚热带地区人工湿地大面积推广运行的难点。

为了解决上述问题，将木本植物引入潜流型人工湿地，但是潜流人工湿地的水生环境对木本植物最大的影响是造成木本植物缺氧死亡，我们发现用潜流人工湿地系统中污水在湿地床的表层10～20 cm下流动的工艺特点，也就是说利用这个相对氧气浓度较高的表层，进行木本植物根系诱导技术研究，使植物根系的组织结构，长出水生根系，达到最终完全对水环境具有较强的适应性目的。如果能够将安全越冬的木本植物应用到潜流人工湿地中，既可解决冬季人工湿地多数草本植物枯死的问题，又能扩大了人工湿地植物的筛选范围，增加物种的多样性和景观性，具有很好的应用前景。

本试验在潜流型人工湿地环境，设计单因子与正交设计2种方法对影响4种木本植物（夹竹桃，木槿，栀子和女贞）在潜流人工湿地环境下诱导根系生长的4个因素（切根程度，基质类型，激素浓度和曝气时间）在5种水平上进行优化根系诱导优化，最终确定引入人工湿地的4种陆生木本植物的最佳环境条件，为将木本植物引入潜流型人工湿地解决人工湿地冬季植物问题提供技术参数。

1 材料与方法

1.1 试验材料

夹 竹 桃Nerium oleander， 木 槿Hibiscus syriacus， 栀 子Gardenia jasminoides和 女 贞Ligustrum lucidum生长状况一致幼株，各100株备用。

1.2 试验条件

采用相同规格长方体小型移动式潜流人工湿地箱（70 cm×45 cm×25 cm）25个，作为种植培育植物的人工湿地设备，保持水位在湿地床的表层10～20 cm下。4台小型曝气装置，每个装置具有5根输出管道，每个输出管道分别接通各个小型人工湿地箱的底部用分气管道铺设均匀，各装置分别设定曝气时间分别为：8、12、16和24 h。5种基质包括泥炭土、活性炭、珍珠岩、沸石和蛭石。生根粉为国光生根粉（生产），有效成分含量为20%。

1.3 试验方法

1.3.1 正交设计试验

针对影响植物生理状况的切根程度、基质类型、激素浓度和曝气时间4个因素，选用L25(5^4)正交表在5个水平上试验。影响因素水平分析见表1，L25(5^4)正交设计方案[4]见表2。对结果进行直观分析，确定4种植物根系生长影响因素的最佳水平。

表1 影响因素水平Table 1 Factors and their concentrations

表2 正交试验设计Table 2 Orthogonal design

1.3.2 试验处理方法

处理分为5个步骤。①分株：在备用植物中挑选长势良好，大小均匀的植株，贴上编号标签，并进行分株，每种植物挑选3株，4种植物（共12株）共同进行同一个处理。②洗根、切根：用自来水清洗根部，按照标签对植物分别进行5种切根处理修剪，并且只保留少量的叶片。③激素诱导：植物根系清洗干净后，按照标签放置在预先配制好的0、1 000、2 000、4 000和8 000 mg/kg不同浓度的生根粉溶液容器中，以淹没全部根系为标准，浸泡时间为1 h。④基质种植：根据标签分类，分别用5种基质包裹住植株的基部，使其固定在25个小型移动式潜流人工湿地箱中培养，每个装置中各分别按行列种植4种植物，每种植物试种3株。⑤曝气：待植物种植完毕后，通过曝气装置进行预设定时间的曝气。

1.3.3 测定的项目及方法

测定根系的发根数、根长（单位分别为：根和cm），记录植物新叶数量及生长势。发根数的测定是3株植物发根的平均值，根长是测量3株植物中最长的根[5]，根数、根长在植物生长的第一阶段（2012年5月19日）和第二阶段（2012年6月1日）各测量定1次。

2 结果与分析

2.1 根系诱导单因子试验结果与分析

2.1.1 不同切根程度对植物发根数和根长的影响

从4种植物在不同切根程度下根系诱导情况（表3）可知，不同切根程度对夹竹桃、木槿、栀子3种植物的根长影响较小，但对发根数量影响很大。发根数量排名夹竹桃为：切1/4＞不切根＞切1/8 ＞切1/2＞全切，切1/4最多平均达到68.3条，全切根最少只有9.7条；木槿为：切1/8＞切1/2＞不切根＞切1/4＞全切，最多平均达到105.3条，最少有44.8条；栀子为：切1/8＞切1/2＞切1/4＞不切根＞全切，最多平均达到71.3条，最少为19.7条。但是，不同切根程度对女贞的发根数量影响很大，全切根和不切根都没有发根，发根数量排名为：切1/2＞切1/8＞切1/4。

表3 不同切根程度影响下植物平均生根情况Table 3 Rooting states of different kinds of cutting root effect

2.1.2 不同基质类型对植物发根数和根长的影响

从4种植物在不同基质类型条件下根系诱导情况（表4）可以得出，4种植物对发根数量和长度在不同的基质中差异很大，夹竹桃发根数量排名为：泥炭土＞蛭石＞活性炭＞珍珠岩＞沸石，在泥炭土中最多平均达到94.9条，沸石中最少只有15.8条；木槿为：蛭石＞沸石＞泥炭土＞ 活性炭＞珍珠岩，最多平均达到147.4条，最少也有51.4条，最长根能达到8.7cm；栀子为：蛭石＞珍珠岩＞沸石＞泥炭土＞活性炭，最多平均达到71.3条，最少为19.7条；对女贞而言，基质类型对其影响较明显，在泥炭土和活性炭中完全没有发根，发根数量排名为：珍珠岩＞蛭石＞沸石。

表4 不同基质类型条件下植物平均生根情况Table 4 Rooting states of different kinds of substrate forms

2.1.3 不同激素浓度对植物发根数和根长的影响

从4种植物在不同激素浓度环境下根系诱导情况（表5）可知，在一定范围内，随着激素浓度的升高，发根数越多，但是浓度过高会抑制植物发根。夹竹桃、木槿的发根数和根长在不同生根剂浓度中的排名基本一致，夹竹桃、木槿最适合的激素浓度为1 000 mg/kg时，夹竹桃发根数最多平均为57.6条，木槿最多平均能够达到131.1条。栀子、女贞对激素的浓度要求较低，在浓度超过1 000 mg/kg时均死亡，而在激素浓度为0时，发根数最多分别为：42.7条和35.8条，因此栀子、女贞不适宜采用过高浓度的生根剂。

表5 不同激素浓度影响下植物平均生根情况Table 5 Rooting states of different kinds of hormone density

2.1.4 不同曝气时间对植物发根数和根长的影响

从4种植物在不同曝气时间下根系诱导情况（表6）可知，曝气时间对4种植物的发根数和根长的影响很大。发根数量排名夹竹桃为：8 h＞0 h＞16 h＞12 h＞24 h，最多平均达到86条，最少也有34.3条；木槿为：16 h＞0 h＞8 h＞24 h＞12 h，最多平均达到124.8条，最少为49.8条；栀子为：8 h＞12 h＞16 h＞0 h＞24 h，最多平均达到71.3条，最少为19.7条；女贞为：16 h＞8 h＞12 h，最多平均达到40条，最少也有29.3条。

表6 不同曝气时间影响下植物平均生根情况Table 6 Rooting states of different kinds of aeration time

2.2 根系诱导正交设计直观分析

根据L25(5^4)正交试验现场记录植物发根数和根长的结果分析要求，从高到低依次打分。根系最长、发根数最多的记为9分，与此相反，最差的记为0分。如表7所示，4种植物25个组合的分数依次如下。

表7 植物发根数和根长直观评分Table 7 Intuitive analysis of root number and length

根据分数求出每个因素同一水平下的试验值之和ki以及每一因素水平下的数据平均值ki，并求出同一因素不同水平间平均值的极差R，见表8。

极差R反映了影响因素对反应体系的影响情况，R越大，影响越显著。由表8可知，各因素水平的变化对夹竹桃发根数和根长影响从大到小依次为：激素浓度、切根程度、填料类型、曝气时间；对木槿的影响从大到小为：激素浓度、填料类型、曝气时间和切根程度；而对栀子和女贞而言，影响最大的均为激素水平。

每一因素水平下的数据平均值ki反映了影响因素各水平对反应体系的影响情况，ki值越大，反应水平越好。由表8可知，影响夹竹桃发根数和根长生长因素的最佳水平为：切根1/4、泥炭土、激素浓度0～1 000 mg/kg、曝气16 h/d；木槿：切根1/8、1/4、1/2、蛭石、激素浓度1 000 mg/kg、曝气16 h/d；栀子：切根1/8、蛭石、激素0、曝气8 h/d；女贞：切根1/2、珍珠岩、激素0、曝气16 h/d。从正交表（表2）中可以看出，编号为18的女贞和编号为10的栀子与分析结果基本一致，而夹竹桃、木槿的4个因素的最佳水平组合并没有在正交表中出现，但都有分值接近的编号，分别为：11号和6号、15号和10号。因此，正交设计采用直观分析法获得影响因素最佳反应水平与单因子试验找出影响因素最佳诱导水平有一定差异，在使用正交设计进行诱导体系优化时，也需要经过直观分析，通过综合比较分析才能够得到较好的诱导体系。

表8 正交设计直观分析Table 8 Intuitive analysis of orthogonal design

3 讨 论

潜流人工湿地对于绝大多数木本植物来说是一种缺氧的环境，根系缺氧容易造成植物生理上的变化，跟着形态结构也发生变化，一般植物根系在缺氧信号的胁迫下，分泌出纤维素酶，分解纤维素，导致细胞自溶形成通气组织，最后在外观上可以看出植物根系长出了水生根，这种根系具有发达的通气组织可以适应水生环境[6-8]。将木本植物应用于潜流人工湿地中最关键技术是能够将木本植物根系进行根系诱导，让其长出水生根，让其适应潜流型人工湿地环境。对于部分木本种植物可以适应水生环境的研究已经有报道，如陆松柳[8]，罗杰[9]，张允伟[10]，赵兰枝[11]等分别对水柳，月季，夹竹桃，木槿等植物进行了研究，结果表明，这些木本植物根系发达，耐水湿，耐寒是适宜人工湿地生长的优良植物。栀子的环境适应能力强，女贞须根发达，生长快，也可作为潜流人工湿地系统的配置植物进行应用[12-14]。而本研究的重点是在人工控制条件下进行根系诱导试验，旨在得到在潜流人工湿地中进行木本植物根系诱导最佳环境条件。

目前根系诱导技术的主要研究集中在水培花卉上，为了扩大花卉的筛选范围，我们将木本植物进行潜流人工湿地诱导，由此产生了根系诱导技术，根系诱导技术在地表水体的治理方面已经有较多研究和工程应用[15-18]。然而，植物根系诱导是一个复杂的过程，植物种类、切根程度、基质类型、激素浓度和曝气时间都对植物的生根产生很大影响。该试验研究中可以看出，切根1/2和1/4对植物根系的生长有一定的促进作用，全切根对于木槿这种适宜扦插的植物根系的生长更有利。基质的物理性状及营养对生根效果影响极大，蛭石、泥炭土和珍珠岩对一般植物的生根效果较好，因为对根系诱导的植物而言，通气孔隙度较小或适中时,有利于愈伤组织形成、生根及根系生长[19-20]。生根剂对生根有促进作用，能加快扦插苗生根速度，提高扦插苗成活率，促进提早生根和增加生根数量，但是浓度使用不当时，不仅不会促进提早生根，还会导致插条死亡[21-22]。曝气使植物根区氧气得以从分的利用，在一定范围内（8～16 h）曝气对增强植物根系诱导起促进作用。

[1] Brix H. Use of constructed wetland in water pollution control:historical development, present status, and future perspectives[J]. Water Sci&Tech,1994, 30(8): 209-223.

[2] Huett D O, Morris S G, Smith G, et al. Nitrogen and phosphorus removal from plant nursery runoff in vegetated and unvegetated subsurface fl ow wetlands[J]. Water Res.,2005,39: 3259-3272.

[3] 陈永华,吴晓芙,陈明利,等.人工湿地污水处理系统冬季植物的筛选与评价[J].环境科学, 2010,31(8):1789-1794.

[4] 王希田, 温广玉. 概率论与数理统计[M]. 哈尔滨: 东北林业大学出版社, 1999.

[5] 陈文音, 陈章和, 何其凡. 两种不同根系类型湿地植物的根系生长[J]. 生态学报, 2007, 27(2): 450-457.

[6] 陈永华, 吴晓芙, 胡曰利, 等. 花卉水培的机理与应用[J]. 安徽农业科学, 2007, 35(32): 10291-10293.

[7] House C H. Combining constructed wetlands and soil filter for reclamation and reuse of water[J]. Ecological Engineering.1999,12:27-38.

[8] 陆松柳,胡洪营,孙迎雪,等. 3种湿地植物在水培条件下的生长状况及根系分泌物研究[J]. 环境科学, 2009, 30(7): 1901-1905.

[9] 罗 杰,谢宜勤,朱宗彦.不同基质对月季半成熟枝扦插繁殖的影响[J].安徽农业科学, 2005, 33(7): 1211-1212.

[10] 张允伟. 夹竹桃水培繁殖试验[J]. 广西园艺, 2007, 18(3): 31-33.

[11] 赵兰枝, 刘振威, 张允伟, 等. 木槿水培繁殖研究[J]. 安徽农业科学, 2006, 34(10): 2100-2107.

[12] 陈永华, 吴晓芙. 人工湿地植物配置与管理[M]. 北京: 中国林业出版社, 2012.

[13] 陈永华, 吴晓芙, 张冬林, 等.不同营养液浓度与配方对水培观赏植物的影响[J].中南林业科技大学学报,2007,12(6):34-37.

[14] 陈永华, 吴晓芙, 陈明利, 等. 不同基质及生根剂浓度对五种园林植物扦插生根的影响[J].北方园艺, 2009,(2): 194-196.

[15] 徐伟忠, 朱丽霞, 赵 根. 生态适应性在植物水生诱导上的运用[J]. 亚热带植物科学, 2006, 35(3): 28-32.

[16] Foni C, Chen J. Evaluation of the fem azolla for growth, nitrogen and phosphorus removal form wastewater. [J] Water Research,2001,35(6):1592-1598.

[17] Boonsong K, Piyatiratitivorakul S, Patanaponpaiboon P. Potential use of mangrove plantation as constructed wetland for municipal wastewater treatment[J]. Water Sci. & Tech., 2003,48:257-266.

[18] 王 超, 任勇翔, 张 海, 等. 水培技术作为人工湿地预处理工艺可行性研究[J].中国环境科学, 2010, 30(8): 1079-1085.

[19] 林存杰, 赵 玲, 江 伟. 常见花卉的扦插繁殖技术[J]. 吉林农业, 2005, 22(10): 16.

[20] 赵 珊, 张 军, 陈 沉. 木本植物作为人工湿地植物的可行性试验[J]. 净水技术, 2012, 31(1): 73-79.

[21] 耿 芳, 张冬林, 李志辉, 等. IBA生根剂对卡罗来纳杜鹃插条生根的影响[J]. 华中农业大学学报, 2008, 27(1): 127-130.

[22] 许晓岗, 赵九洲, 童丽丽,等. 生长调节剂对木本花卉扦插生根的影响机理研究[J]. 江西林业科技, 2006, (1): 33-36.

Study on induced root of 4 woody plants with subsurface fl ow constructed wetlands

HAO Jun, CHEN Yong-hua, WU Xiao-fu, LIANG Xi, ZHANG Fu-yun
(Research Center of Environment Science and Engineering, Central South University of Forestry and Technology,Changsha 410004, Hunan, China)

Abstrac: The aim was to expand application of 4 woody plants in subsurface fl ow constructed wetlands (SSFCWs), the optimization experiment with single factor and orthogonal design methods was conducted to 4 factors (root cutting effect, substrate forms, hormone density, aeration time)which inf l uenced the growth of reduced root of 4 woody species (Nerium oleander, Hibiscus syriacus, Gardenia jasminoides, Ligustrum lucidum) under 5 levels. The results indicate that the best response level of influencing factors have some differences between the visual analysis methods and single factor tests. On the basis of comprehensive analysis, it was found that the most appropriate root cutting for N. oleander was 1/4, H. syriacus and G. jasminoides was 1/8, L. lucidum was 1/2. The most appropriate substrate for N. oleander was peaty soil, H. syriacus and G. jasminoides was vermiculite, L. lucidum was perlite. The most appropriate rooting of hormone density for N. oleander and H. syriacus was 1 000 mg/kg, high hormone density was not suitable for G. jasminoides and L. lucidum. The most appropriate aeration time for N. oleander was 8 hours per day, H. syriacus and L. lucidum was 16 hours per day, and G. jasminoides was 12 hours per day.

woody plant; rooting induction; orthogonal design; substrate

S719

A

1673-923X(2012)12-0046-05

2012-06-13

环保公益性行业科研专项（200909066）；国家科技支撑计划项目(2012BAC09B03)；湖南省科技计划项目（2012SK3167）；湖南省环境科学与工程重点学科建设项目

郝 君(1987-)，男，河南信阳人，硕士研究生，研究方向：环境生态学

陈永华(1977-)，男，湖南株洲人，副教授，博士后，硕士研究生导师，研究方向：环境生态学；

E-mail: chenyonghua3333@163.com

[本文编校：吴 彬]