植物气生根在富营养水治理中的应用——以夹竹桃为例

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(1.四川大学 建筑与环境学院,成都 610065；2.成都纺织高等专科学校,成都 611731)

1 研究背景

富营养化水体易发黑、发臭，严重影响生态环境，给人们的生产带来不便，甚至威胁到了人类健康[1-4]。水土流失导致的氮磷流失是水体富营养化的一个重要影响因素[5-7]。因此，寻求一种既能减少水体富营养化负荷，又能保持水土，还能改善和美化环境的综合解决方法具有较大的理论和应用价值。

目前的富营养水治理方法主要采用在水体上设置浮床并在浮床上栽培植物的方法，利用植物吸收水体中的营养物质，从而达到减轻水体富营养化程度、建立景观和美化环境的目的[8-12]。但浮床一般由泡沫浮床或其它塑料材料制成，在水中易因老化而破碎，且破碎的材料易滞留在水体中形成二次污染。

针对现有技术的不足，通过试验提供一种集富营养水体处理、水土保持和景观绿化为一体的环保方法，并能完全避免对水体的二次污染。其技术方案是：在含富营养水体的池塘、河流或水库的堤岸上或堤岸壁上栽种可长出气生根的植物，栽种时将植株的顶部朝向富营养水体，并使枝条尽可能多地接触富营养水体的水面或适当浸入富营养水体中，利用枝条上长出的气生根吸收水体中富营养成分。因此，植物能长出气生根，且气生根具富营养水净化能力是证明该方法可行的关键。夹竹桃(Neriumindicum)是夹竹桃科常绿大型灌木，喜光、喜湿润、适应性强、不择土壤的肥沃与贫瘠[13]。枝条萌发力强，病虫害较少，栽培较易成活。叶片革质，较耐水淹[14]，具有净化富营养化水体的潜力。本试验以夹竹桃为研究对象，在人工模拟滨水环境中诱导其气生根生长，并检验其净化富营养水的效率。

2 材料与方法

本研究由夹竹桃气生根诱导试验和夹竹桃气生根净化富营养水试验2部分组成。

2.1 夹竹桃气生根诱导试验

2.1.1 供试材料

选取1～2 a生夹竹桃枝条，通过扦插繁殖，成活后，选择每株无分枝，枝长35 cm以上，健康无虫害的夹竹桃，以10株为1组，移栽于15个上口内直径9 cm，盆高10 cm，已装8～9 cm高泥土的塑料花盆内，从1—15对花盆随机编号。

2.1.2 滨水环境模拟设计

试验地点设于四川大学实验室，保持室内通风良好，将15组花盆置于窗边光照条件较好的位置。

试验模拟植物种植于堤岸壁或堤岸上、枝条浸于湖水中的情形。首先将花盆排成2行，平行于窗台整齐摆放，花盆之间两两间距50 cm；再于每行每个花盆的右侧放置一铁盆(铁盆内径30 cm，高6 cm)，加人工湖水至铁盆外沿以不溢出为准；将花盆侧放在地，垫高花盆底侧，使盆内夹竹桃倒置在铁盆上方，使夹竹桃枝叶浸于水中。每隔3 d取人工湖水补充铁盆内因蒸发和蒸腾损失的水分。

2.1.3 植物管理

试验时间为2012年5月8日至7月10日。考虑到花盆口处于倾斜状态，若直接从花盆口浇水会将土壤冲刷下来，因此在花盆壁朝上的一面割出两道5 cm×2 cm的开口，每隔3 d用洒水壶装静置过夜的自来水,从开口处浇灌花盆内的土，至可见花盆口处的土壤湿润为止。在试验进行15 d后，仅见一株夹竹桃浸于水中的茎段上长出一根3 cm的气生根。考虑到根系具有向水性[15]，植株的愈伤组织具有生根能力[16]，因此采取了2个措施诱导气生根：①延长浇灌间隔时间，改为每周1次，减少灌水量，仅湿润开口处露出的土即止；②用小刀在夹竹桃植株浸于水中的茎部任意位置环割表皮3～4处。

2.2 夹竹桃净化富营养水试验

2.2.1 供试材料

从15盆夹竹桃中筛选4盆植株大小基本一致、生长良好、气生根须较多的用于试验。

2.2.2 供试水体

取自来水作为基质，配制成了劣V类富营养水。劣V类水的定义为污染程度已超过V类的水，配制时参考《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)中V类水的总磷、总氮和氨氮含量标准。配制方法如下：①称取1 500 g风干土壤，用高压灭菌锅在压力为1.5 kg/cm2条件下灭菌1 h；②将土分装于3个已灭菌的塑料桶内，3个桶一共加入40 L自来水充分搅拌，静置12 h；③移取上清液34 L至已灭菌的塑料水箱内，在上清液中加入磷酸氢二钾0.31 g、碳酸铵0.50 g、亚硝酸钠0.31 g、硝酸钾1.45 g、邻苯二甲酸氢钾8 g、尿素1.07 g，并补充自来水14 L搅拌均匀配制成48 L富营养水备用。配置后实测的水体指标见表1。

2.2.3 试验方法

将48 L试验用富营养水平均分装于6个容积为8 L的塑料盆中，做好水位线标记。其中2盆不做任何处理作为对照组，夹竹桃处理组4盆按“滨水环境模拟设计”中的步骤摆放，使气生根须全部浸入富营养水体中，枝叶尽量多的浸于水中。试验期内不给花盆内土壤浇水。

表1 实测水体主要水质指标和标准(GB3838—2002)比较

2.2.4 测定方法与项目

试验于2012年7月12日至28日进行。每隔3 d用移液管在水体中心位置水面以下5 cm处移取水样400 mL至烧杯用于测试，测试指标和方法如表2所示。每次采样时间为早上8:00—9:00，采样前12 h用蒸馏水补充盆内因蒸发及蒸腾所消耗的水分至水位线标记处。试验数据取3次平行测试的平均值。

表2 水质指标测试项目和监测方法

3 结果与分析

3.1 淹水状态的夹竹桃植株形态特征变化

由于每个花盆的每株夹竹桃植株长度及在花盆中所处的位置有所不同，盆中夹竹桃被水淹没的部位有所不同，出现2种情况：第1种情况是夹竹桃茎基部露出水面，茎其余部分及其附生叶全被水淹没；第2种情况是夹竹桃茎中部及其附生叶被水淹没，茎其余部分及其附生叶露出水面。试验进行63 d后，2种情况下的植株形态特征都发生了变化：第1种情况的夹竹桃植株死亡，无气生根长出；第2种情况的夹竹桃植株生长健康，部分未淹的茎上长出了分枝，被淹叶片坏死脱落，茎基部和被淹茎段上的愈伤组织长出了气生根，其中茎基部长出的气生根较愈伤组织上长出的多。第1种情况下的夹竹桃死亡是由于叶片在淹水状态下气孔关闭，光合作用效率下降[17]，植株呼吸以无氧呼吸为主，能源急剧消耗，最终植株死亡，无气生根长出。第2种情况下的夹竹桃仍能健康生长是由于露出水面的夹竹桃叶有充足的氧气和二氧化碳来源，能将光合作用合成的物质和能量供给处于水淹的部分，保证处于水淹部分的植物细胞功能正常运转，因此植株还能健康生长并长出气生根，但随淹水时间延长，被淹叶片的叶绿素含量降低，因此被淹叶片脱落。

3.2 夹竹桃生长及发根情况

试验结束，6盆(编号分别为2,5,8,11,13,15号)夹竹桃成活率最高，为100%；3盆(编号分别为1,3,10号)夹竹桃成活率为90%；4盆(编号分别为4,6,7,12号)夹竹桃的成活率在50%～80%之间；2盆(编号分别为9,14号)夹竹桃成活率最低，为10%；15盆夹竹桃的平均成活率为77%(表3)。

表3 夹竹桃成活率及生根情况

注：扦插株数指每个花盆内移植的10株夹竹桃；成活数指试验结束仍然存活的夹竹桃数目，未包括夹竹桃枝上生出的新枝数目；新生枝数指夹竹桃枝上生出的新枝数目。

试验结束，5号盆的新生枝数最多，为6枝；3盆(3,6,12号)夹竹桃的新生枝数为4枝；3盆(2,13,15)夹竹桃的新生枝数为3枝；6盆(1,4,8,10，11,14号)夹竹桃的新生枝数为2枝；2盆(7,9号)夹竹桃的新生枝数最低，为1枝；15盆夹竹桃的平均新生枝数为3(表3)。

除4,9,14号盆的夹竹桃未长出气生根外，其余12盆夹竹桃均长出气生根。13号盆的生根率最高，为80%；5号盆的生根率为70%；3盆(8,10,12号)的生根率为60%；1号盆的生根率为50%；2盆(7,11号)的生根率为40%；3盆(2,3,15号)的生根率为30%；6号盆的生根率最低为20%。4盆(2,7,12,13号)夹竹桃气生根根须最长长度15 cm；5盆(3,5,8,10,15号)夹竹桃气生根根须最长长度11 cm；3盆(1，6，11号)夹竹桃气生根根须最长长度4 cm；15盆夹竹桃的平均生根率为38%(表3)。

3.3 夹竹桃净水效率

试验结果显示(表4)，夹竹桃处理组对总磷(TP)、总氮(TN)、氨氮(NH3-N)、亚硝酸盐氮(NO2-N)、硝酸盐氮(NO3-N)和浊度(NTU)的实际去除率分别达到27.3%,29.1%,17.1%,20.5%,1.6%和0.7%，各试验组TP，TN，NH3-N，NO2-N和NO3-N的实际削减总量(即每盆8L富营养实验用水中实际减少的总量，平均值)分别为2.16,42.24,2.24,4.72，1.04 mg。

植物净化富营养水机理一方面是植物根系的吸收，另一方面是植物与微生物的协同作用。选取的4盆(5，8，10，13号)夹竹桃生长状况良好(表3)，生根率分别为70%,60%,60%和80%，气生根须生长较密，试验时间正值夏季，是夹竹桃生长旺盛时期，其生长需要吸收氮磷作为营养物质，再加上附生在植物上的微生物协同作用，因此夹竹桃处理组去除氮磷效率明显优于对照组，表明夹竹桃气生根对富营养水有净化能力。夹竹桃处理组和对照组对浊度的平均去除率分别为94.9%和94.2%，差别不明显，这是因为浊度的产生来自于土壤溶液中的悬浮物，一段时间悬浮物重力沉降后，浊度自然下降。

表4 夹竹桃对富营养水的净化效果

注：表中试验组的各参数为4个处理组的平均值；对照组的各参数为2个对照组的平均值；试验组去除率(%)=[(试验初始浓度-试验组在试验结束时的浓度)/试验初始浓度]×100；对照组去除率(%)=[(试验初始浓度-对照组在试验结束时的浓度)/试验初始浓度]×100；试验组实际去除率(%)=试验组去除率-对照组去除率；各试验组实际削减总量(平均值，mg/组)=试验初始浓度×试验组实际去除率×8 ，式中，“8”表示各试验组盆中有8 L富营养试验用水。

4 讨 论

夹竹桃气生根能有效削减富营养水体中氮、磷及其化合物，降低水体浊度，对富营养水体有良好的净化效果。

气生根是不定根的一种，形态较为特殊，具有吸收水分和养料的功能，可离开土壤在空气或水中生长[15]。本研究利用了气生根的这些特性，模拟夹竹桃栽种在富营养水体的岸堤壁或岸堤上的情景，与一般将富营养水净化植物栽培在浮床上相比具有以下优点：①岸堤壁或岸堤上的树枝主干对水中或水面的枝条起着固定和支持作用，不受水体深度和流动性的制约，既适合流动水体，又适合静止水体，适用范围较广；②夹竹桃的根系具有良好的土体加筋效果，抗剪强度较高，根系表面与土体间的摩擦力较大，有利于防治水土流失和坡面滑动[18]，因此栽种在岸堤壁或岸堤上的夹竹桃具有一定水土保持的作用；③本研究中夹竹桃的顶端朝向水体，枝条沿水面方向生长，达到一定规模后能自然形成水岸一体化绿色景观；④夹竹桃栽种无需浮床做载体，无废弃材料滞留在水体中，能完全避免一般方法对水体的二次污染。

需要注意的是，受植物本身生长特性的影响，气生根不可能无限增长，该方法可能只对水体的中上层净化效果较好。研究结果表明15盆夹竹桃的平均生根率(38%)不高，还有很大的提升空间，在气生根诱导生长措施方面还需完善和改进。实验室内对气生根的诱导生长采取了“延长浇水时间”和“利用愈伤组织生根”2个措施，但试验过程中观察到，夹竹桃样株茎基部比愈伤组织处长出的气生根更多更密集，表明“延长浇水时间”措施可作为气生根诱导生长的主要手段，而“利用愈伤组织生根”可能非必要。

5 结 语

夹竹桃气生根的诱导操作简单，对富营养水的净化效果较好，随着水淹时间的延长，夹竹桃气生根生长趋于旺盛，净化能力会趋于增强，因此夹竹桃可作为水体富营养化防治方法的栽培植物。该种集富营养水体处理、水土保持和景观绿化为一体的环保方法是可行的，值得开展深入的研究并进一步推广应用。植物能长出气生根是实现该方法的关键，在今后的研究中可以此为条件进行植物种类筛选，使更多植物应用到该方法中来。

致谢：感谢成都纺织高等专科学校污水处理技术集成创新团队支持。

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