污水胁迫下7种草本地被植物耐污性比较研究

李 媛， 韩迎儒， 赵 冰*, 马 笑， 张 哲

(1. 西北农林科技大学， 风景园林艺术学院， 陕西 杨凌 712100；2. 陕西省西咸新区沣西新城海绵城市技术中心， 陕西 咸阳 712000)

地被植物是指能对裸露地面覆盖，起到保护地面和装饰作用的植物，包括草本植物、一些低矮的丛木和匍匐藤木等，地被植物的高度一般在1 m以下[1]。地被植物是现代园林城市绿化不可缺少的重要组成部分，不仅能够增加绿地面积，丰富景观层次，还具有生长迅速、抗性强、耐修剪和便于管理的优点[2]。地被植物被广泛应用于园林建设中，尤其是现在如火如荼建设中的海绵城市中。海绵城市植物是海绵城市建设中的基本要素之一，但目前我国对海绵城市的研究主要集中在工程方面，对植物的功能作用，选择搭配方面研究甚少[3]。而对地被植物的抗旱性[4]、耐盐性[5]、耐荫性和引种驯化[6]等方面研究广泛。

我国对于植物耐污能力的研究主要集中在一些水生植物、湿生植物和农作物，且大多数都在研究其对于污染物的净化能力和富集能力[7]，很少研究植物在污水胁迫下的相关生理生化特性和植物的外观表现[8]。尤其草本地被植物的耐污性研究方面更是少之又少。植物的生长状况可以影响其在园林绿地中的景观功能和生态功能，不同的植物其耐污能力存在差异，对于污水胁迫后的响应机制也有所不同。因此，本试验选取了在西北地区应用较多的7种草本地被植物为试验材料，采用双套盆法，以人工配置污水对其进行30天的胁迫，通过观测植株胁迫期间形态表现，并测定相关生理指标，并运用隶属函数法对7种草本地被植物的耐污性进行评价，以期为城市园林绿地建设中的植物选择提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验在陕西杨凌雅绣花卉生物科技有限公司试验基地进行，选取了7种西北地区常用草本地被植物萱草(Hemerocallisfulva)、葱兰(Zephyranthescandida)、狼尾草(Pennisetumalopecuroides)、黄菖蒲(Irispseudacorus)、马蔺(Irislactea)、玉簪(Hostaplantaginea)、波斯菊(Cosmosbipinnata)为试验材料。试验前将购买的植物材料移栽到花盆中(上盆径25 cm，下盆径18 cm，高25 cm)，进行30天恢复生长，恢复结束后进行污水胁迫试验。培养基质为泥炭∶珍珠岩=5∶1。

1.2 试验设计

本试验设置实验组和对照组，每组每种植物30株。对照组正常管理，实验组采用双套盆法，即将栽有植物的花盆放到不透水的塑料桶内(高29 cm，上口直径30 cm，下口直径23 cm)，缓慢将配制好的污水加入花盆中，使水面始终高于盆土4 cm左右。每天观察植株的外部形态变化并拍照记录，并于胁迫的第1 d、第3 d、第10 d及第30 d采样以测定膜透性变化、叶绿素含量、丙二醛含量和脯氨酸含量等生理指标。实验重复三次。试验所用的污水参考西安市路面及屋面雨水中的COD(化学需氧量)、TN(总氮)等含量配制[9],即葡萄糖300 mg·L-1，硝酸钾8.0 mg·L-1，氯化铵3.0 mg·L-1，磷酸二氢钾2.0 mg·L-1，氯化铜0.15 mg·L-1，硫酸锌2.0 mg·L-1，氯化铬0.10 mg·L-1。

1.3 形态观测

在胁迫期间，对7种草本地被的外部形态进行观测记录，包括植株的生长态势，叶片的颜色、形态及大小等，并根据形态表现对其耐污性进行等级划分。(表1)

表1 耐污等级划分Table 1 Classification of Stain resistance

注：A：耐污能力强，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 生理指标的测定

随机摘取每种植物叶片，用蒸馏水冲洗干净，进行各项生理指标测定，需要鲜样测定的是相对电导率和叶绿素含量，其余样品可称量好后用铝箔纸包好放到液氮中保存待测。每组重复3次。

细胞膜透性变化采用紫外分光光度计测定，MDA含量的测定参考硫代巴比妥酸法，叶绿素含量测定采用80%丙酮浸泡法。脯氨酸含量测定采用酸性茚三酮比色法测定[10]。

1.5 数据处理

运用Microsoft Excel 2010和SPSS 17.0对试验数据进行处理分析，利用隶属函数法[11-12]对7种地被植物耐污性进行评价。计算公式如下：

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指标耐污性隶属函数值，Xij表示i植物j指标的测定值,Xjmax为各个植物中j指标的最大值，Xjmin为各个植物中j指标的最小值，当该指标与耐污性呈正相关时用公式(1)进行隶属函数值的计算，反之呈负相关时用公式(2)进行计算。

2 结果与分析

2.1 污水胁迫下7种草本地被植物形态指标的变化与分析

随着胁迫天数的增加，7种草本地被植物的形态差异也随之呈现出来(图1)。未胁迫前，7种植物均生长状况良好，叶色正常。胁迫第1 d,7种植物都没有表现出受害症状，依然生长良好。胁迫第3 d，各草本地被植物开始表现出形态上的差异，狼尾草和马蔺的叶片呈现出黄化干枯现象。胁迫第10 d，差异性更加显著。萱草、葱兰和玉簪出现黄化症状。狼尾草和马蔺受害加剧。黄菖蒲和波斯菊基本表现正常，未出现明显症状。胁迫第20 d，黄菖蒲开始表现出受害症状，个别叶尖黄化，波斯菊依然表现正常且生长良好。葱兰和狼尾草与胁迫第3d差别不大，其他植物受害症状加重。胁迫第30 d,与胁迫20 d相比，波斯菊下部叶片稍有黄化，萱草、葱兰和黄菖蒲变化不显著。玉簪的受害程度加深，叶面出现1/2以上的黄化现象。马蔺整株褐化程度略增加，近于死亡。在整个胁迫期间，随着胁迫天数的增加，各草本地被出现不同程度的叶片黄化、褐化、干枯等现象，且出现受害症状的先后顺序也有明显的差异。根据整个胁迫期间各植物的形态表现对其进行耐污等级评价(表2)。总体上，葱兰、黄菖蒲和波斯菊的受害症状较轻，且症状出现较晚，萱草和狼尾草表现一般，其次是玉簪，受害症状明显，表现较差，最后是马蔺，受害最严重，前期表现较好，后期表现差，耐污性最弱。

2.2 污水胁迫对7种草本地被植物细胞膜透性的影响

由图2可知，胁迫第1 d，萱草、葱兰、马蔺细胞膜透性与对照相比显著增加，波斯菊显著降低(P<0.05)，狼尾草和玉簪变化不显著(P>0.05)。胁迫第3 d，各植物细胞膜透性较未胁迫前有不同程度降低，而胁迫第10 d均有显著增加(P<0.05)。至胁迫第30 d，与胁迫10 d相比各植物细胞膜透性显著降低(P<0.05)，与未胁迫前相比，萱草、葱兰、黄菖蒲和玉簪的细胞膜透性显著降低(P<0.05)，狼尾草和波斯菊变化不显著(P>0.05)，而马蔺的细胞膜透性显著增加(P<0.05)。

表2 污水胁迫下7种草本地被的耐污等级Table 2 Stain resistance grade of 7 Herbaceous Ground Cover Plants under Sewage Stress

图1 污水胁迫下7种草本地被的形态变化Fig.1 Morphological changes of 7 Herbaceous Ground Cover Plants under sewage stress

图2 污水胁迫下7种草本植物细胞膜透性变化Fig.2 Changes in cell membrane permeability of 7 herbaceous plants under sewage stress注：不同的小写字母表示同种植物不同处理间差异显著(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 污水胁迫对7种草本地被植物叶绿素含量的影响

由图3可知，整个胁迫期间，萱草的叶绿素含量持续降低，胁迫前后变化显著(P<0.05)。葱兰在胁迫前10 d叶绿素含量持续增加，到第10 d达到最大值0.974 mg·g-1后降低。玉簪在胁迫前3 d叶绿素含量持续增加后大幅度降低。狼尾草、马蔺和波斯菊于胁迫前3天变化不显著(P>0.05)，胁迫第10 d其叶绿素含量较未胁迫前大幅度增加，而第30 d时大幅度降低，变化显著(P<0.05)。黄菖蒲整个胁迫期间叶绿素含量变化显著，胁迫前后相比其叶绿素含量降低了49.80%。

图3 污水胁迫下7种草本植物叶绿素含量变化Fig.3 Changes of Chlorophyll Content of 7 herbaceous plants under sewage stress

2.4 污水胁迫对7种草本地被植物丙二醛含量的影响

由图4可知，胁迫第1 d时，各植物丙二醛含量无显著变化(P>0.05)，胁迫第3 d与未胁迫前比较，丙二醛含量均大幅度降低。与胁迫3 d相比，萱草和波斯菊的丙二醛含量在胁迫10 d时显著增加，其他植物变化不大。至胁迫30 d时，萱草、黄菖蒲和波斯菊的丙二醛含量较未胁迫前大幅降低，变化显著(P<0.05)。葱兰、狼尾草、马蔺和玉簪的丙二醛含量胁迫前后变化不显著(P>0.05)。

图4 污水胁迫下7种草本植物丙二醛含量变化Fig.4 Changes of MDA Content of 7 herbaceous plants under sewage stress

2.5 污水胁迫对7种草本地被植物脯氨酸含量的影响

由图5可知，萱草、葱兰、马蔺、玉簪和波斯菊在胁迫前3 d脯氨酸含量基本呈降低状态，变化显著(P<0.05)。胁迫第10 d较胁迫3 d显著增加，与未胁迫相比，萱草、马蔺和波斯菊变化不大，葱兰的脯氨酸含量显著降低，玉簪显著增加。胁迫30 d时，葱兰和波斯菊的脯氨酸含量与未胁迫前相比大幅降低，萱草和玉簪的变化不大，而马蔺在胁迫第30 d的脯氨酸含量是未胁迫前的2.80倍。狼尾草和黄菖蒲的脯氨酸含量整体上是升降升降的趋势，狼尾草在胁迫后期脯氨酸含量趋于稳定，与未胁迫前相比，显著降低。而黄菖蒲整个胁迫期间变化显著(P<0.05)，胁迫完成后脯氨酸含量显著降低。

图5 污水胁迫下7种草本植物脯氨酸含量变化Fig.5 Changes of PRO Content of 7 herbaceous plants under sewage stress

2.6 隶属函数评价

为研究7个草本地被植物的耐污性，运用隶属函数法对其进行综合评价。首先用胁迫30 d各指标的测定值比对照值得到相对值，再根据隶属函数相关公式进行计算。其中细胞膜透性和丙二醛含量与植物耐污性呈负相关，用公式(2)计算，叶绿素含量和脯氨酸含量与植物耐污性呈正相关，用公式(1)计算。求出各草本地被植物各指标的隶属函数值后，计算平均隶属函数值，进行排序。得出7种草本地被植物的耐污性顺序为：波斯菊>黄菖蒲>葱兰>狼尾草>萱草>玉簪>马蔺。

表4 7种草本植物各耐污性指标隶属函数值Table4 Subordinative function analysis on the stain-resistant indices of 7 herbaceous plants

3 讨论

植物在逆境条件下的形态变化可以直接反映出植物的抗性强弱[13]。试验发现随着胁迫天数的增加，植物在外部形态表现为叶片黄化、褐化、干枯现象。不同植物出现受害症状的时期不同，且受害程度也有明显差异。玉簪和马蔺在胁迫前期就出现了受害症状，且随着时间的增加，受害程度加深，波斯菊、葱兰、黄菖蒲受害症状出现较晚且受害程度轻。何玲玲[14]的研究也发现各草种都能在污水条件下进行营养生长，但部分草种的颜色和盖度都会受到不良影响。根据形态观测，波斯菊、葱兰、黄菖蒲耐污性较强，其次是狼尾草和萱草，玉簪和马蔺耐污性最弱。

在污水环境下，不同的植物外观表现不同，其生理指标的变化也有差异。当植物遭到胁迫时，细胞膜受到损伤和破坏，影响其选择透过性，使细胞膜透性发生改变，同时发生膜质过氧化反应产生大量MDA，其对细胞膜造成伤害[15]。研究表明植物细胞膜透性和MDA含量可以作为研究植物抗性的指标之一[16]。盛玉辉[17]和陈桂葵[18]等都认为短时间的污水胁迫对植物相对电导影响不大，还可促进植物生长。本试验也同意此种结论，在胁迫第3 d时，细胞膜透性比对照有明显降低，而植物生长均表现良好，随胁迫时间的增加，在胁迫第10 d时所有植物的细胞膜透性达到最大，此时植物所受的伤害最大，随着胁迫时间的延长，植株逐渐适应污水环境，其细胞膜透性降低。MDA含量呈现不规律的变化，在胁迫中期的含量都比较低，葱兰、狼尾草是先上升后下降再上升的趋势，萱草、黄菖蒲和波斯菊是先下降后上升再下降的趋势，马蔺和玉簪是先下降后上升的趋势这与前人研究结果相似[19-20]，何江等[21]认为这是由于植物体内的活性氧清除系统有效的清除了活性氧而减少了MDA，但随胁迫时间增加，酶活性降低，MDA逐渐累积。

叶绿素含量的变化可以反映植物的光合能力强弱，也可以反映植物在逆境下器官和组织的衰老状况。一般叶绿素含量减少，植物叶片会发黄失绿，趋于老化[22]。解静芳[23]等认为污水会降低植物体内叶绿素含量，胡宏友[24]等的研究表明污水可以增加叶绿素含量。而冯鹏[25]等的研究也表明了重金属离子可以促进植物叶片叶绿素的合成。本试验中除萱草的叶绿素含量持续下降，其余植物基本上呈现出先增后减的趋势，这与何玲玲[14]的研究结果一致，说明短期的污水浇灌有利于植物叶绿素的合成，长期污水胁迫会降低叶绿素。脯氨酸是一种保护机制，研究表明植物在受到胁迫时，体内脯氨酸含量增加以提高抗性[26]。萱草、葱兰、玉簪和波斯菊在胁迫期间第10 d的脯氨酸含量较高，抗性较强。胁迫30 d时下降，抗性相应减弱。狼尾草和黄菖蒲的脯氨酸含量是先升后降，前期抗性较好，后期抗性变弱。马蔺在后期其脯氨酸含量为未胁迫前2.80倍，但其外观表现最差，抗性最差。这是由于植物体内脯氨酸的积累有两种意义，一是有适应性的意义，二是细胞的结构功能受损[27]，而马蔺就属于后者。

综合7种草本地被在污水胁迫下的外观表现和生理指标变化，研究发现黄菖蒲、波斯菊和葱兰不仅生长状况良好，而且隶属函数评价其耐污性也较强。此类植物适合种植在园林绿地中受污水污染区域，可兼顾景观和生态功能。

4 结论

综合7种草本地被在污水胁迫下的外观表现和生理指标变化，采用隶属函数法对7种草本地被植物耐污性进行综合评价，得出耐污性排序为：波斯菊>黄菖蒲>葱兰>狼尾草>萱草>玉簪>马蔺，排序与形态观测结果一致。