造纸废水对湿地芦苇纤维素含量的影响

侯萌萌，苏芳莉，何雨泽，路天慧

(沈阳农业大学水利学院，辽宁 沈阳 110866)



造纸废水对湿地芦苇纤维素含量的影响

侯萌萌，苏芳莉，何雨泽，路天慧

(沈阳农业大学水利学院，辽宁 沈阳 110866)

芦苇(Phragmitesaustralis)是较好的造纸材料，其纤维素含量高低直接影响造纸的价值，纤维素越高，制浆、漂白工艺越简单，成纸紧度、透明度越高。为研究造纸废水灌溉对芦苇纤维素含量的作用效果，以灌溉造纸废水的芦苇茎和叶为试验对象，测定不同灌溉期和不同浓度废水下芦苇茎和叶的纤维素含量。结果表明，1)灌溉300 mg·L-1浓度废水对芦苇纤维素含量影响最大，出苗期芦苇茎纤维素含量表现为：300 mg·L-1(36.39%)>175 mg·L-1(35.39%)>50 mg·L-1(34.73%)>0(33.45%)；2)在快速生长期灌溉废水最利于芦苇纤维素的积累，如浓度为300 mg·L-1时芦苇茎纤维素含量变化量表现为快速生长期(11.75%)>抽穗期(9.64%)>成熟期(9.6%)>展叶期(7.68%)>出苗期(3.64%)；3)芦苇纤维素含量总体表现为茎>叶，如在出苗期灌溉浓度为300 mg·L-1的废水，芦苇纤维素含量表现为茎(33.45%)>叶(22.11%)；4)废水浓度(X)对芦苇纤维素含量(Y)有显著影响(P<0.05)，二者的回归方程分别为Y茎=0.012X+0.379 8，Y叶=0.008X+0.249 2。

芦苇；纤维素；造纸废水；生长时期

芦苇(Phragmitesaustralis)分布广泛，主要分布于温带及热带地区，在我国主要分布在湖南、辽宁、黑龙江、河北等省(区)。我国现有芦苇面积45.9万hm2，年产芦苇245万t，因其茎秆含有较高的纤维素，是重要的工业造纸原料之一，故70%用于造纸[1-2]，具有较高的经济价值。芦苇也是分布广泛的湿地植物，且具有良好的水质净化的功能[3]。

纤维素含量高低是衡量造纸价值的指标之一，纤维素含量越高，制浆、漂白工艺越简单，成纸紧度、透明度越高。芦苇有较高的纤维素且生物产量高，对生物能源的发展有一定的价值[4]。在秋天收割时，芦苇纤维含量、生物量、产量较高[5]。正常生长到成熟的芦苇，其纤维素含量在41.49%左右，是一种较好的造纸原料[6]，同时，芦苇能有效地利用造纸废水，其生物量随着造纸废水浓度的增加而增加，为芦苇造纸等工业的应用提供了基础依据[3]。

目前，造纸行业发展迅速，排放的废水污染物浓度高、成分复杂及生产量大[7-8]，且对周边环境有较大的污染[9-10]。辽河口湿地位于辽河入海流经区域的末端，沿途有辽宁省规模最大的金城造纸厂，造纸废水常年流入湿地，对湿地芦苇造成了影响。研究表明，一定质量浓度的造纸废水对湿地芦苇的生长有促进作用[11]，随着造纸废水浓度的增加，芦苇超氧化物歧化酶和过氧化物酶活性呈现先升高后下降的趋势[12]。而且废水造纸废水中含有许多有机营养物，有利于恢复退化的湿地[13]。同时，芦苇对造纸废水中的有毒有机污染物有较好的去除(是净化的作用，不会造成影响)效果，污染物的总量减少了80%以上[14]。

已有研究多集中于废水灌溉对芦苇植株生长、生理、生态效应等方面[15-19]，而关于废水灌溉下芦苇纤维素含量的研究鲜有报道。本研究以辽宁辽河口湿地芦苇为研究对象，采用小试装置模拟湿地造纸废水流入，研究废水灌溉对芦苇茎和叶纤维素含量的作用效果，旨为完善芦苇纤维理论及提高芦苇产业能力提供科学依据。

1　材料与方法

1.1试验区基本情况

辽宁双台河口湿地位于盘锦，距市区35 km，地处辽河平原，有118 km长的海岸线，是国内高纬度区面积最大的芦苇沼泽区，主要建群种为芦苇和碱蓬(Suaedaglauca)，种类单一。该湿地是最大的黑嘴鸥的繁育基地，也是丹顶鹤和斑海豹的繁殖地，生态保护作用不可替代。该区地貌类型为冲积海积相滨海平原，地势平坦、开阔，多苇塘泡沼和海域滩涂。湿地的成土物质主要是由河水携带泥沙沉积而形成，土壤类型以沼泽土、盐土、潮滩土为主，气候类型为暖温带大陆性半湿润半干旱季风气候。

本研究于2015年在沈阳农业大学综合试验场内进行。试验池建于2009年，均采用混凝土砌筑而成带有防渗处理的小试装置(图1)。每个试验池长均为2.0 m，宽1.0 m，在试验池的一侧距地面0.25 m以上每隔10 cm处留出水管，共有4个水龙头，以方便在试验池中取不同深度的水样。试验池基础深埋为0.8 m，防止冻胀，池内装土深度0.6 m、表面水层深度0.1 m，来模拟湿地水淹状态。

1.2试验设计

按照文献[20]中划分作物生育阶段的标准，将芦苇整个生长周期划分为出苗、展叶、快速生长、抽穗和成熟期。

1.2.1试验池设置试验共设置48个试验池，出苗期、展叶期、快速生长期、抽穗期、成熟期5种灌溉期处理，每种处理均各设9个试验池，同时设置3个试验池作为对照组，6组试验池编号分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ和CK。

1.2.2废水浓度设置试验设置3个废水浓度梯度，废水原始化学需氧量(CODcr)质量浓度为300 mg·L-1，将其用蒸馏水配成300、175和50 mg·L-1共3个浓度。

1.2.3试验灌溉方式设置Ⅰ组只在出苗期初(出苗率5%)灌废水，其余时期均灌清水；Ⅱ组只在展叶期初(展叶率5%)灌废水，其余时期均灌清水；Ⅲ组只在快速生长期初(展叶率100%)灌废水，其余时期均灌清水；Ⅳ组只在抽穗期初(抽穗率5%)灌废水，其余时期均灌清水；Ⅴ组只在成熟期初(抽穗率100%)灌废水，其余时期均灌清水；CK组在每个生长期均灌清水。共灌溉5次，每次分别有9个池子灌溉废水，39个池子灌溉清水。

图1　试验装置示意图

1.2.4废水灌溉量设置采用体积控制。试验池灌水深为10 cm，计0.2 m3，将配好的废水溶液用塑料桶从同一层灌入试验池。灌入的清水为自来水，不会对试验结果造成影响。

1.3供试废水

依据试验设计，每次灌溉废水前5天于辽宁某造纸排污口用水泵将造纸废水抽入事先备好的50 L的黑色厚塑料桶内，密封后运回沈阳农业大学试验场并放于阴凉处，用苫布盖好避光保存，及时调配并灌溉。经测定，造纸废水原液pH为7.6，CODcr为300 mg·L-1，生化需氧量(BOD5)为160 mg·L-1，水中悬浮物(SS)为140 mg·L-1，矿化度为1 400 mg·L-1。调配后的浓度为300、175、50 mg·L-1的废水中各指标分别对应为：pH 7.60、7.45、7.33，生化需氧量(BOD5)为160、93、27 mg·L-1，水中悬浮物(SS)为140、82、23 mg·L-1，矿化度为1 400、810、225 mg·L-1。

1.4供试植物

供试植物为芦苇，于2009年4月采自辽宁辽河口湿地。在允许采挖的地方，挖取带有健康芽并未萌发的芦苇的根状茎，每段截成约20 cm，将根外部包适量土壤，装入麻袋，洒适量清水以保证根系湿润，运回试验地，立即移栽试验池的土壤中，定时浇水以保证成活。各池中芦苇密度相似。由于芦苇纤维主要存在于茎和叶中，故本研究取灌溉废水后新长出的茎和叶为研究对象。

1.5样品采集及处理方法

芦苇样品的采集时间为每个生长期灌废水的前一天，选择每个试验池中长势可代表平均生长状况的10株芦苇，贴地面剪下，带回试验室置于烘箱中105 ℃下杀青30 min，然后80 ℃烘至恒重取出，置于室温下冷却，用剪刀将10株芦苇全部剪断，置于粉碎机中磨成粉末后，立即过0.38 mm(40目)的筛子，储存在250 mL具有磨砂玻璃塞的广口瓶中，备用。试验共取了6次样：第1次取样在Ⅰ组灌水前进行，从Ⅰ组的9个试验池和对照的3个试验池中取样；第2次取样在Ⅱ组灌水前进行，从Ⅰ和Ⅱ组共18个试验池和对照的3个试验池中取样；第3次取样在Ⅲ组灌水前进行，从Ⅱ和Ⅲ组共18个试验池和对照的3个试验池中取样；第4次取样在Ⅳ组灌水前进行，从Ⅲ和Ⅳ组共18个试验池和对照的3个试验池中取样；第5次取样在Ⅴ组灌水前进行，从Ⅳ和Ⅴ组共18个试验池和对照的3个试验池中取样；第6次取样在9月末进行，从Ⅴ组的9个试验池和对照的3个试验池中取样。采用酸碱洗涤剂法[21-23]进行纤维素含量的测定。每个样品重复3次，每批测试样品均测试1个空白进行对照。

1.6变化量的计算

纤维素变化量=该生长期末纤维素含量-该生长期初纤维素含量。

1.7数据分析

对各生长期芦苇茎、叶的纤维素含量及变化量采用Excel软件进行了数学整理和作图，采用SPSS软件对每个生长期的芦苇茎、叶的纤维素含量进行单因素方差分析和多重比较，并对废水浓度与芦苇茎、叶的纤维素含量间的关系进行回归分析。

2　结果与分析

2.1不同浓度造纸废水对芦苇各部位纤维素含量及变化量的影响

2.1.1出苗期芦苇纤维素含量及变化量在芦苇出苗期灌溉造纸废水，其纤维素含量均表现为茎>叶(图2)。芦苇茎、叶纤维素含量均随着废水浓度的增加而增加，在300 mg·L-1废水灌溉下达到最大值(茎36.39%、叶23.53%)，清水灌溉组最小，且清水灌溉组的均显著小于废水灌溉组的(P<0.05)。0～300 mg·L-1灌溉处理下，芦苇茎纤维素含量为36.39%～33.45%，叶纤维素含量为23.53%～22.11%。

芦苇茎、叶纤维素含量变化量均表现为300 mg·L-1>175 mg·L-1>50 mg·L-1>0 (CK)(图2)，说明在出苗期灌溉废水浓度越大，对芦苇体内纤维素含量影响越大。各废水灌溉组和清水灌溉组的芦苇纤维素含量变化量均表现为茎>叶。

2.1.2展叶期芦苇纤维素含量在芦苇展叶期灌溉造纸废水，其纤维素含量均表现为茎>叶(图3)。芦苇茎、叶纤维素含量均随着废水浓度的增加而增加，在300 mg·L-1废水灌溉下达到最大值(茎40.72%、叶26.46%)，清水灌溉组最小，且清水灌溉组的均显著小于废水灌溉组的(P<0.05)。0～300 mg·L-1废水灌溉处理下，芦苇茎纤维素含量为40.72%～37.32%，叶纤维素含量为26.46%～23.65%。

芦苇茎、叶纤维素含量变化量均表现为300 mg·L-1>175 mg·L-1>50 mg·L-1>0(CK)(图3)，说明在展叶期灌溉废水浓度越大，对芦苇体内纤维素含量影响越大。与出苗期相比，相同浓度相同部位展叶期纤维素积累量均高于出苗期的，说明在展叶期灌溉废水对纤维素含量影响更大。各废水灌溉组和清水灌溉组的芦苇纤维素含量变化量均表现为茎>叶。

图2　出苗期不同芦苇部位纤维素含量及变化量

图3　展叶期不同芦苇部位纤维素含量及变化量

2.1.3快速生长期芦苇纤维素含量在芦苇快速生长期灌溉造纸废水，其纤维素含量均表现为茎>叶(图4)。芦苇茎、叶纤维素含量均随着浓度的增加而增加，在300 mg·L-1废水灌溉下达到最大值(茎45.41%、叶29.54%)，清水灌溉组最小，且清水灌溉组的均显著小于废水灌溉组的(P<0.05)。0～300 mg·L-1灌溉处理下，芦苇茎纤维素含量为45.41%～38.89%，叶纤维素含量为29.54%～25.08%。

芦苇茎、叶纤维素含量变化量均表现为300 mg·L-1>175 mg·L-1>50 mg·L-1>0(图4)，说明在快速生长期灌溉废水浓度越大，对芦苇体内纤维素含量影响越大。与出苗期、展叶期相比，相同浓度相同部位纤维素积累量表现为快速生长期>展叶期>出苗期，说明在快速生长期灌溉废水对纤维素含量的影响更大。各废水灌溉组和清水灌溉组的芦苇纤维素含量变化量均表现为茎>叶。

2.1.4抽穗期芦苇纤维素含量其纤维素含量抽穗期灌溉造纸废水，其纤维素含量均表现为茎>叶(图5)。芦苇茎、叶纤维素含量均随着废水浓度的增加而增加，在300 mg·L-1废水灌溉下达到最大值(茎43.03%、叶28.85%)，清水灌溉组最小，且清水灌溉组的均显著小于废水灌溉组的(P<0.05)。0～300 mg·L-1灌溉处理下，芦苇茎纤维素含量为43.03%～39.08%，叶纤维素含量为28.85%～25.43%。

芦苇茎、叶纤维素含量变化量均表现为300 mg·L-1>175 mg·L-1>50 mg·L-1>0(图5)，说明在抽穗期灌溉废水浓度越大，对芦苇体内纤维素含量影响越大。与出苗期、展叶期、快速生长期相比，相同浓度相同部位纤维素积累量表现为快速生长期>抽穗期>展叶期>出苗期，说明在快速生长期灌溉废水对纤维素含量的影响很大。各废水灌溉组和清水灌溉组的芦苇纤维素含量变化量均表现为茎>叶。

图4　快速生长期不同芦苇部位纤维素含量及变化量

图5　抽穗期不同芦苇部位纤维素含量及变化量

2.1.5成熟期芦苇纤维素含量在芦苇成熟期灌溉造纸废水，其纤维素含量均表现为茎>叶(图6)。芦苇茎、叶纤维素含量均随着废水浓度的增加而增加，在300 mg·L-1废水灌溉下达到最大值(茎42.25%、叶28.42%)，清水灌溉组最小，且清水灌溉组的均显著小于废水灌溉组的(P<0.05)。0～300 mg·L-1灌溉处理下，芦苇茎纤维素含量为42.25%～39.29%，叶纤维素含量为28.42%～25.56%。

芦苇茎、叶纤维素含量变化量均表现为300 mg·L-1>175 mg·L-1>50 mg·L-1>0(CK)(图6)，说明在成熟期灌溉废水浓度越大，对芦苇体内纤维素含量影响越大。与出苗期、展叶期、快速生长期及抽穗期相比，相同浓度相同部位纤维素积累量表现为快速生长期>抽穗期>成熟期>展叶期>出苗期，说明在快速生长期灌溉废水对纤维素含量的影响最大。各废水灌溉组和清水灌溉组的芦苇纤维素含量变化量均表现为茎>叶。

图6　成熟期不同芦苇部位纤维素含量及变化量

图7　芦苇不同部位纤维素含量与灌溉废水浓度间的关系

2.2造纸废水浓度与芦苇纤维素含量的回归分析

废水浓度与纤维素百分含量存在相关性，废水浓度与芦苇茎、叶纤维素百分含量均呈显著正线性相关关系(P<0.05)，说明灌溉废水浓度越大，芦苇纤维素百分含量越高(图7)。

3　讨论与结论

3.1讨论

植物纤维素含量的多少起着重要的作用，体现在造纸、纺织、生物能源等方面[24]，其纤维素含量变化受多种因素影响[25]，包括木质素含量[26]、苯丙氨酸解氨酶活性[27]、株高[28]、自身光合作用[29]等因素。前人关于芦苇纤维素的研究仅限于在某一时期收割的芦苇[4-6]，并未涉及造纸废水处理后纤维素含量变化。本研究分析了废水灌溉后的芦苇纤维素含量，结果表明废水灌溉有助于纤维素在芦苇中的积累，且不同时期的积累效果不同，原因可能是废水灌溉后会促使芦苇体内的木质素、茎粗、可溶性糖等生理生长指标发生变化，进而促进纤维素的合成与积累[30]，相应的，芦苇在不同生长期，根据自身的生长状况[31]对废水的需求量也是不同，使纤维素的积累量产生差异。本研究既对废水利用提供了参考，也对提高芦苇经济品质提出了新的探索途径。对芦苇纤维素与酶活及株高等因子的关系及废水灌溉下纤维素含量与木质素含量的关系尚不明确，均有待今后进一步研究。

3.2结论

1)芦苇茎、叶纤维素含量均随着浓度的增加而增加，芦苇茎、叶纤维素含量均在300 mg·L-1废水灌溉下达到最大值，如成熟期芦苇茎纤维素含量为42.25%、叶纤维素含量为28.42%，清水灌溉组最小，说明300 mg·L-1造纸废水对芦苇纤维素含量影响最大。2)芦苇茎、叶纤维素含量变化量均表现为300 mg·L-1>175 mg·L-1>50 mg·L-1>0(CK)，且纤维素积累量快速生长期>抽穗期>成熟期>展叶期>出苗期，说明在快速生长期灌溉废水最有利于纤维素的积累。3)各废水灌溉组和清水灌溉组的芦苇纤维素含量变化量均表现为茎>叶，如在出苗期灌溉浓度为300 mg·L-1的废水，芦苇纤维素含量表现为茎(33.45%)>叶(22.11%)，说明茎的利用率高。4)废水浓度(X)对芦苇纤维素含量(Y)有显著影响，二者的回归方程分别为Y茎=0.011 9X+37.984，Y叶=0.008 9X+24.618。

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(责任编辑武艳培)

Influence of papermaking wastewater on the cellulose content of reed

Hou Meng-meng, Su Fang-li, He Yu-ze, Lu Tian-hui

(College of Water Conservancy, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, China)

Reed is a kind of better material for papermaking, in which the cellulose content directly affects the value of paper making，and the higher cellulose content is beneficial to the pulping, bleaching, and making the tightness and the transparency paper. A experiment was conducted to test the effect of different irrigation time and wastewater concentration (mg·L-1) of papermaking wastewater on the cellulose content in reed The results showed the cellulose content in reed stems and leaves was the highest when the concentration of wastewater irrigation was 300 mg·L-1, indicating that the cellulose content in reed stems of the germination period was 36.39%(300 mg·L-1)>35.39%(175 mg·L-1)>34.73%(50 mg·L-1)>33.45%(CK).The irrigation wastewater was the most beneficial to cellulose accumulation of reed when reed was during the fast growing period，for example, and the change quantity of the cellulose content in reed stems was 11.75% (rapid growth period) > 9.64% (heading) > 9.6% (maturity) > 7.68% (the leaf expansion period) > 3.64% (germination) when the wastewater concentration was 300 mg·L-1. The cellulose content in reed stems was higher than that in leaves, and they were 33.45% in stem and 22.11% in leaves when the wastewater concentration was 300 mg·L-1in the germination period. The concentration(X) had the significant effect on the cellulose content of reed(Y)，which would be described as equation：Y=0.01X+31.261%。

reed; cellulose; papermaking wastewater; growth period

Su Fang-liE-mail:sufangli8@163.com

10.11829/j.issn.1001-0629.2016-0111

后生物生产层

2016-03-03接受日期：2016-04-05

国家自然基金面上项目(31470710、31570706)；国家自然基金青年基金(31200392)；国家水体污染控制与治理科技重大专项(2012ZX07202004)

侯萌萌(1991-)，女(满族)，辽宁彰武人，在读硕士生，研究方向为水生态。E-mail:979491251@qq.com

苏芳莉(1977-)，女，辽宁营口人，教授，博士，研究方向为水生态。E-mail:sufangli8@163.com

S564+.2;X171

A

1001-0629(2016)8-1640-08

侯萌萌，苏芳莉，何雨泽，路天慧.造纸废水对湿地芦苇纤维素含量的影响.草业科学,2016,33(8)：1640-1647.

Hou M M,Su F L,He Y Z,Lu T H.Influence of papermaking wastewater on the cellulose content of reed.Pratacultural Science，2016,33(8)：1640-1647.