几种湿地植物的耐盐性与净化水质效果研究

范 真，胡 海 波，连 经 纬，王 灿

(1.南京林业大学 南方现代林业协同创新中心，江苏 南京 210037； 2.江苏省水土保持与生态修复重点实验室，江苏 南京 210037)

随着海洋资源的开发和经济社会的快速发展，我国东部重要的河口海湾、入海河流大多水质较差、富营养化严重[1]。滨海地区地表水体受到高含盐土壤和地下水的影响，咸化问题突出[2]；加之工业污水、大型船舰污水、海水直接利用等产生的高盐污水[3]，威胁着我国沿海水资源安全、影响水体美观度和资源利用率。对此类盐化的富营养化水体进行生态修复，面临着颇为严峻的挑战。目前，以生物浮床技术、人工湿地法、净化塘法等为代表的生物修复法已在处理含盐污染水体方面得到了日益广泛的应用。水生植物凭借其对氮、磷等营养元素的吸收作用、物理作用和化学沉淀，以及对藻类的抑制和微生物的降解作用[4-6]，可起到良好的净化水质效果，同时兼具节约成本、环境影响小、管理简便等优势。因此，筛选出适宜的湿地植物，是含盐水体污染控制和生态修复的基础，对维持区域生态系统多样性和稳定性具有重要意义。

本文从耐盐湿地植物筛选开始，针对江苏省东部长江入海口地区几种常见的湿地植物开展研究，进一步探究了优选植物的水质净化效果和耐盐机理。有助于指导盐化水体富营养化调控，重建湿地植物群落，构筑怡人湿地生态景观。

1 材料与方法

1.1 植物选择

通过对江苏东部河口海岸带湿地植物的现场调查，从耐盐性、耐污性、观赏性等方面出发，选择适生于当地环境、具有一定经济价值、净化能力强、观赏效果好的水葱(Scirpusvalidus)、再力花(Thaliadealbata)、花菖蒲(Irisensatavar.hortensis)、香蒲(Typhaorientalis)和千屈菜(Lythrumsalicaria)作为试验植物。

1.2 试验方法

1.2.1耐盐能力筛选

在南京中山植物园大棚内，采用无土栽培的方式将5种植物在自来水中培养2周后栽培于设有低、中、高3种不同盐度(3.5‰，7.0‰，10.5‰)水体的塑料盆中。每盆栽种4株同种植物，以泡沫板和海绵固定，对每盆植物适时曝气，在第3，7，14d观察和记录植物的生长状况。设3组平行试验取平均值。试验过程中适时补充自来水，每天测定盐度并使其维持在设定的浓度。根据植物的存活阈值，筛选出2种耐盐植物。

1.2.2耐盐植物净化效果比较

将筛选出的耐盐植物在自来水中培养4周后，栽培于含有8L富营养化水体(TN 2.5～3.0 mg/L，TP 0.4～0.5 mg/L)的塑料盆中，并以NaCl试剂设置6种不同盐度(0‰、2.5‰、5.0‰、7.5‰、10.0‰、12.5‰)，栽培方式同上；另设不种任何植株的水盆作为对照。胁迫持续27d，期间采集各处理组植物叶片及水样，测定植物的生长、生理指标及水质指标。

1.2.3植物生长、生理指标及水质指标测定方法

植物生长指标有植物株高增量、相对生长率(RGR)；生理指标有叶片相对含水量、叶片相对电导率，丙二醛、叶绿素以及Na+和K+含量；水质指标有硝氮、氨氮、总氮、总磷含量。

株高增量=实验结束时株高-实验开始时株高；植物相对生长率=(lnWi+1-lnWi)/(Ti+1-Ti)，其中Wi、Wi+1分别为Ti、Ti+1时刻的地上部生物量[7]；叶片相对含水量采用称重法；叶片相对电导率采用浸泡法；丙二醛含量采用硫代巴比妥酸法[8]；叶绿素含量采用无水乙醇法[9]；Na+、K+含量采用火焰光度法[10]。硝氮含量采用紫外分光光度法；氨氮含量采用靛酚蓝比色法；总氮含量采用紫外分光光度法；总磷含量采用钼酸铵分光光度法。盐度采用AZ8371盐度计测定；分光光度法采用TU-1810紫外可见分光光度计。

1.3 统计分析

采用SPSS 22.0进行数据结果处理与差异显著性分析，利用Origin 9.1软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 植物耐盐能力筛选

对水葱、再力花、花菖蒲、香蒲、千屈菜进行盐胁迫试验，植物生长状况观察记录(如表1所示)。可以看出，在10.5‰盐度下，水葱、千屈菜具有较好的耐盐能力，尤其以水葱长势最好，香蒲在胁迫3 d时即出现植株大量死亡现象；7.0‰盐度下，除水葱、千屈菜外，花菖蒲也具有一定的耐盐能力，其他植物表现出叶尖发黄，快速萎蔫现象；3.5‰盐度下，5种植物均生长良好，具有较好的景观效果。因此，选定水葱和千屈菜进行进一步的水质净化效果研究。

表1 盐胁迫下5种植物生长状况Tab.1 Growth of five plants under salt stress

注：百分比指植物经过盐胁迫后，正常生长数量占总数的比例。“++”表示所有植株正常生长；“+-”表示有植株出现枯黄死亡，存活率50%～100%；“--”表示植株出现枯黄死亡，且萎蔫数量大于50%。

2.2 耐盐植物净化效果比较

2.2.1植物对盐胁迫的响应

(1) 生长指标。在盐胁迫环境下，抗盐能力越强的植物，长势越好。相对生长率(RGR)、株高增量等均是评价植株逆境伤害程度的重要生长指标。在0‰、2.5‰、5.0‰、7.5‰、10.0‰、12.5‰盐度下，千屈菜的RGR依次为0.051 1，0.053 5，0.049 0，0.042 4，0.041 0和0.039 9 g/(g·d)，水葱的RGR依次为0.030 3，0.033 8，0.034 7，0.024 7，0.022 0，0.011 7 g/(g·d)。各盐度梯度下水葱的RGR均低于千屈菜，这是由于本指标仅计算植物地上部生物量。千屈菜茎多分枝，叶片茂盛，呈披针形；而水葱秆呈圆柱状，中空，叶片线形，故地上部干重低于千屈菜。轻微盐度刺激下2种植物的RGR略有增加，但高盐度环境下植物的生长速率受到抑制。

由表2可知，随着盐度增加，2种植物的株高增量呈现先增加后降低的趋势。对于千屈菜而言，在盐度2.5‰时株高增量达到最大值；当盐度高于或等于10.0‰时，经过不同处理的植物的株高增量无显著差异(P>0.05)。对于水葱而言，在盐度5.0‰时株高增量最高。同一盐度处理下，水葱株高增量显著高于千屈菜(P<0.05)。千屈菜最高增长量是最低增长量的5.6倍，水葱最高增长量是最低增长量的1.8倍。千屈菜株高增量的最高值与最低值相差较大，说明千屈菜耐盐能力较水葱低。

(2) 生理指标。高盐除了导致植物生长迟缓外，还对叶片相对含水量、叶片相对电导率、丙二醛、叶绿素等生理指标造成影响。

叶片相对含水量通常被作为叶片保水能力的指标[11]。由表2知，随着盐度的增加，千屈菜的叶片相对含水量呈下降趋势。水葱的叶片相对含水量在盐度为2.5‰时达到最高，5.0‰～10.0‰盐度处理下含水量差异不显著(P>0.05)，但均显著高于12.5‰盐度时的含水量(P<0.05)。随着盐胁迫增强，水葱的叶片相对含水量下降速率较小，耐盐性较强。0‰盐度时，千屈菜的叶片相对含水量显著高于水葱(P<0.05)，这可能是由于千屈菜为草质叶片，自身含水量较水葱高的缘故。

表2 盐胁迫下千屈菜、水葱生长和生理指标变化Tab.2 Growth and physiological index change of Lythrumsalicaria and Scirpus validus under salt stress

注：同一盐度处理下不同大写字母表示植物种类间差异达显著水平(P<0.05)，同种植物不同小写字母表示盐度处理间差异达显著水平(P<0.05)

叶片相对电导率能反映植物细胞膜在逆境条件下透性的变化以及受破坏的情况[12]。由图1知，2种植物的叶片相对电导率均随着盐度升高、胁迫时间延长呈现上升趋势。胁迫27 d时，千屈菜在盐度为5.0‰时叶片相对电导率显著升高(P<0.05)，与2.5‰盐度相比，增幅达到了124.80%。说明千屈菜不能长时间耐受高于5.0‰的盐度；而水葱在低于10.0‰盐度时各处理组间无显著差异(P>0.05)，说明水葱至少能耐受小于10.0‰的盐度。胁迫末期，千屈菜的叶片相对电导率显著高于水葱(P<0.05)，说明千屈菜对盐胁迫更敏感，即抗盐性较差。

丙二醛(MDA)是膜脂过氧化作用的产物之一，能破坏膜结构，其含量的高低表征膜细胞的受损程度[8]。由图2可知，不同盐度下千屈菜MDA含量在试验前期普遍上升，但增幅较小。试验后期，在5.0‰及以上盐度胁迫下，千屈菜MDA含量随着胁迫时间的延长呈显著上升趋势(P<0.05)。12.5‰盐度下，胁迫末期千屈菜MDA含量是初始含量的6.72倍，出现明显膜脂过氧化胁迫特征，说明高盐胁迫对千屈菜的细胞系统造成了一定伤害。各盐度梯度下，水葱叶片的MDA含量变化小，且含量显著低于千屈菜(P<0.05)。说明在不同盐度和胁迫时间下，水葱在持续胁迫时可通过自身的调节作用适应环境的胁迫反应，耐盐性较强。

图1 盐胁迫下千屈菜和水葱叶片相对导电率变化Fig.1 Tendency of relative conductivity of Lythrum salicaria andScirpus validus under salt stress

高盐胁迫下，植物叶绿体结构被破坏，直接影响植株的光合作用和生长发育情况。由图3知，盐胁迫前期，叶绿素含量是先下降，而后上升，胁迫18d之后，2种植物叶绿素均发生不同程度的降解，叶绿素含量再次下降，说明高盐浓度持续胁迫可以明显导致叶绿素含量降低。其中，千屈菜降幅较大，说明其不能长时间耐受盐分胁迫。胁迫27d，千屈菜在盐度大于5.0‰时叶绿素含量迅速下降，说明其能耐受的盐度为5.0‰。而水葱叶绿素在不同盐浓度下差异不显著(P>0.05)，对高盐环境的适应能力强于千屈菜。

由以上分析可知，水葱和千屈菜均能耐受一定范围内的盐浓度。从株高增量等生长指标和含水量、膜透性等生理指标来看，水葱的耐盐能力强于千屈菜。随着胁迫时间的延长、盐浓度的增大，千屈菜受盐害损伤加重。不同植物对盐分胁迫有不同的适应性，这是由于植物的耐盐途径不同，因此通过各自的方式来应对盐离子产生的渗透胁迫伤害。

图2 盐胁迫下千屈菜(a)和水葱(b)丙二醛含量变化Fig.2 Tendency of MDA of Lythrum salicaria andScirpus validus under salt stress

Na+、K+等是参与无机渗透调节的主要离子。不同浓度盐胁迫对千屈菜地上部和根部、水葱根部的Na+/K+比值影响达到了显著水平(P<0.05)。由图4可见，随着盐浓度的增加，Na+/K+大致呈上升趋势。千屈菜根部Na+/K+比值在盐胁迫下呈现快速升高趋势，而水葱根部的Na+/K+升高速度较慢。这是由于Na+和K+的离子半径较为相似，当Na+含量增高时，千屈菜吸收了较多的Na+，由于竞争吸收关系K+含量减少[13]。而耐盐植物水葱能缓冲Na+进入细胞，从而减少盐胁迫的伤害。

千屈菜属兼性耐盐植物[14]，能耐受一定范围的盐度[15]。由图5可见，当盐度在0‰～5‰时，千屈菜的根部/地上部Na+比大于1，说明低盐度时，千屈菜根部具有截留Na+的能力，根是千屈菜吸收Na+的先锋器官，可以延迟Na+对植株地上部分的伤害。高盐度时，千屈菜生长减缓，根部/地上部Na+比小于1，说明随着盐度的增加，千屈菜根部的Na+逐渐运输到其地上部分，植物健康受到威胁。水葱根部/地上部Na+比小于1，表明其根部Na+向地上部分不断运输，地上部分含有较高的Na+含量，且水葱根部向植株部分输送Na+的能力大于千屈菜。但水葱属于聚盐植物[16]，能从环境中吸收并积累盐分于体内而免受其害[17]。2种植物根部/地上部K+含量均小于1，表明2种植物的K+主要存储于地上部分；随着盐浓度的上升，千屈菜和水葱根部K+向地上部分运输，根部积累K+能力降低。

图3 盐胁迫下千屈菜(a)和水葱(b)叶绿素含量变化Fig.3 Tendency of chlorophyll of Lythrum salicaria andScirpus validus under salt stress

2.2.2植物对水体的净化效果

(1) 植物对氮的去除效果。盐胁迫下水葱、千屈菜对氨氮、硝氮、总氮的净化能力见图6～8。在水葱、千屈菜处理下，水体中氨氮、硝氮和总氮去除率随着盐度的增加大致呈降低趋势，但轻微盐度(2.5‰)可刺激水葱、千屈菜对氨氮和总氮的去除率略微升高，这与低盐度刺激植物生长有关。

不同盐度下各处理组对氨氮的去除率相近，植物组在87.4%～93.7%之间，空白对照组在76.6%～90.2%之间。但试验初期，植物处理组氨氮浓度表现出快速降低的趋势，与空白对照组相比24 h氨氮去除率差异显著(P<0.05)，说明植物处理可以明显加速氨氮去除的进程。低盐环境下(0‰～2.5‰)，千屈菜对氨氮净化效果更好。不同盐度下水葱对硝氮的去除率在39.5%～55.0%之间，显著高于千屈菜组(P<0.05)。2种植物处理下，硝氮含量在胁迫18 d后略微上升，这可能与其叶绿素含量降低、吸收存储能力降低，水体中溶解氧含量上升[18]，导致硝化-反硝化作用减弱有关。水葱对总氮的去除率在33.6%～38.5%之间，平均比千屈菜高13.4%。由此可见，高盐环境下千屈菜由于生长受限，对硝氮和总氮的去除效果不明显。

图4 不同盐度下千屈菜和水葱Na+/K+比Fig.4 Tendency of Na+/K+ of Lythrum salicaria andScirpus validus under different salinities

(2) 植物对磷的去除效果。盐胁迫下，水葱、千屈菜对总磷的净化能力见图9。在2种植物处理下，水体中总磷的浓度随着盐度的提高呈升高趋势，但轻微盐度(2.5‰)可刺激水葱、千屈菜对总磷的去除率升高。低盐浓度(0‰～2.5‰)时，千屈菜对总磷的去除率显著高于水葱(P<0.05)，去除率在95%以上。高盐浓度下，千屈菜的总磷去除率降低，甚至出现负去除率，这与高盐环境下千屈菜有叶片脱落进入水体有关。而水葱由于耐盐性强，生长良好。不同盐度下水葱的总磷去除率均介于63.9%～90.2%之间，显著高于空白对照组的总磷去除率(4.8%～42.8%)，水葱对总磷的净化效果更为明显、稳定。

图5 不同盐度下千屈菜和水葱根部/地上部离子比Fig.5 Ion ratio of root /above-ground parts of Lythrumsalicaria and Scirpus validus under different salinities

3 讨 论

盐胁迫下植物的生长发育会受到明显抑制，最直观地表现在生长速率减慢。从相对生长率、株高增量等生长指标可以看出，轻微盐度刺激对2种植物的生长均具有一定的促进作用，而高盐度环境对植物的长势带来不利影响。盐胁迫下，水葱通过调节细胞膜透性、分泌渗透调节物质等生理响应来适应含盐富营养化水体，具有更强的耐盐能力。

水生植物主要通过直接挥发、植物吸收、硝化-反硝化作用等途径从水体中移除含氮物质。该试验中植物处理与空白对照组各盐度梯度下氨氮去除率均在75%以上，说明挥发作用是氨氮去除的主要因素，且盐度对氨氮的挥发过程影响较小。也可能是由于在夏季开展试验导致硝化细菌活力增强，从而促进了对氨氮的去除效果。与对照组相比，植物处理组中硝氮浓度下降速度与程度更高。这是由于硝态氮是一种活跃的氮素形态，容易被植物吸收利用。2种植物对总氮的去除率分析显示，各盐度梯度下，水葱的去除率均高于千屈菜，这可能与水葱生物量大、对总氮吸收量大有关。

图6 盐胁迫下千屈菜和水葱对氨氮的去除效果Fig.6 Removal efficiency of ammonia nitrogen by Lythrum salicaria and Scirpus validus under salt stress

图7 盐胁迫下千屈菜和水葱对硝氮的去除效果Fig.7 Removal efficiency of nitrate nitrogen by Lythrum salicaria and Scirpus validus under salt stress

图8 盐胁迫下千屈菜和水葱对总氮的去除效果Fig.8 Removal efficiency of total nitrogen by Lythrum salicaria and Scirpus validus under salt stress

图9 盐胁迫下千屈菜和水葱对总磷的去除效果Fig.9 Removal efficiency of total phosphorus by Lythrum salicaria and Scirpus validus under salt stress

水体中的磷一部分是以磷酸盐的形式沉积，成为难以去除的物质；另一部分是以可溶性活性磷的形式被植物吸收，转化为ATP、DNA等有机成分[19]。本研究中水质监测时间在7～8月，水生植物处于生长旺季。因此，水葱和千屈菜在净化试验初期，在含盐污水中具有一定的适应能力，加速了磷浓度的降低。特别是千屈菜对于水中含磷物质具有较强的吸收能力[20-21]，这可能与其须根吸附含磷物质，同时为根系微生物提供了良好环境有关。但在试验后期高盐度水体中(大于5‰)，千屈菜叶绿素含量快速降低，细胞膜相对透性增大、MDA含量增加，叶片易脱落造成水面二次污染，致使水质、氮磷浓度升高。故栽植千屈菜后期应采取相应的收割措施。

4 结 论

(1) 盐胁迫下，水葱、再力花、花菖蒲、香蒲、千屈菜均具有一定的耐盐能力，其中以水葱和千屈菜对盐水胁迫适应性更强。

(2) 通过不同盐度下水葱和千屈菜的相对生长率、株高增量等生长指标以及叶片相对电导率、丙二醛、叶绿素、Na+/K+等生理指标对比，表明盐胁迫下水葱的生长状况明显优于千屈菜，耐盐性较强。低盐环境下，根是千屈菜截留Na+的先锋器官，而水葱的耐盐方式可以积累盐分于体内而不受害。

(3) 在0‰～5‰盐度下，水葱和千屈菜均可以作为净化水质的植物；5‰以上盐浓度时，水葱可以作为盐化富营养水体生态修复的首选植物。