水生美人蕉(Canna glauca)与铜钱草(Hydrocotyle vulgaris)的光合特性及其对氮磷去除效果研究

余红兵 ，肖润林，周小梅

1. 湖南城市学院建筑与城市规划院，湖南 益阳 413000；2. 数字化城乡空间规划关键技术湖南省重点实验室（2018TP1042），湖南 益阳 413000；3. 湖南省城乡生态规划与修复工程技术研究中心（2017TP2006），湖南 益阳 413000；4. 中国科学院亚热带农业生态研究所，湖南 长沙 410125

利用水生植物净化水体是湖泊、沟渠等污染水体治理研究的热点，多集中在水生植物对沉积物底泥氮磷、有机质的吸附方面（俞振飞等，2012；李振国等，2014）。水生美人蕉为多年生湿地植物，其叶大花艳，株形优美，园林用价值极高。同时，因其根系发达，具有很高的生态应用价值，吸附能力强，对环境有较强的适应能力，属河道修复常见植物。铜钱草也为多年生湿地植物，植株较矮，春夏生长茂盛，根系发达，对水中总氮、总磷均有较好的去除效果。对水生美人蕉的研究多集中在其对水体和土壤中的重金属、氮磷有机污染物的吸收与富集能力上，且因水生美人蕉生长快，生物量大而备受关注（蔡秋亮等，2005；Bose et al.，2008；Li et al.，2009；李睿华等，2009；庄静静等，2019）。对铜钱草的研究主要集中在其对湖泊和河道中受污染水体的适应性和净化能力上（陈友媛等，2011；张凤娥等，2011），其中，在新型植物对河道受污染水体中TN、TP去除效果的研究中，铜钱草对水中TN的去除效率达到63%，当初始TN浓度增加时，铜钱草对TN的去除效率变为87.8%，在4种植物中铜钱草对TN的吸收能力较好。另外，因铜钱草对水中总氮均具有较好的去除效果，可作为用于景观水体污染修复的备选净水植物，又因其对不同污染负荷养殖模拟污水的TN去除率均在91%以上，TP去除率均在 96%以上，对养殖污水具有较好的净化效果（王浩等，2019；袁泉等，2019）。另外，研究表明在5种水生植物中，水生美人蕉吸收氮磷量最强，而铜钱草收氮磷量最弱（余红兵等，2012），但对水生美人蕉、铜钱草的光合特性与其脱氮去磷效果等方面少见报道。为此研究水生美人蕉、铜钱草两水生植物光合特性和氮磷净化效果具有重要意义。

本试验的目的是以生态沟渠水生美人蕉和铜钱草两种水生植物为材料，研究其净光合速率等生理生态指标的日变化及其之间的关系，探讨光合特性对氮磷去除效果的影响，为水生植物应用于沟渠污染水体的生态修复及沟渠科学利用与选择水生植物提供理论依据和参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验以生态沟渠水生美人蕉和铜钱草为材料，沟渠按工艺要求进行了工程改造和水生植物种植（图 1、2），是中国科学院城郊农业区环境质量修复与功能提升技术研究与示范基地。周边地区以稻田为主。整个试验区域通过沟渠系统与外部进行水交换。

图1 生态沟渠横断面示意图Fig. 1 Cross-section of the vegetated drainage ditch

图2 生态沟渠水生植物分布图Fig. 2 Location of the aquatic plants ditch

1.2 光合速率检测

于植物生长的季节，在8月中旬对光合作用日变化进行测定。在晴朗天气选择株型较一致的3株水生美人蕉，取每株的第3片叶（从顶部向下），并选铜钱草植株能受自然光照且生长旺盛的成熟叶 3片，每片叶测3次，测定净光合速率等生理生态指标。每2 h测定一次（从07:00—19:00），分别取平均值作为此时测量值。

采用便携式CID-340光合仪（美国CID公司生产的 CID-340光合测定系统），利用其开路法分别对水生美人蕉和铜钱草叶片进行测定，直接获得数据有：叶室面积（6.25 cm2）及各生理生态因子（空气 CO2浓度 Ca (μmol·mol−1)，气温 Ta (℃)，叶温 Tl(℃)，胞间 CO2浓度 Ci (μmol·mol−1)，空气相对湿度 RH (%)，净光合速率 Pn (μmol·m−2·s−1)，蒸腾速率 Tr (mmol·m−2·s−1)）， 光 合 有 效 辐 射 PAR（μmol·m−2·s−1）和气孔导度 Gs（mmol·m−2·s−1）。用SPSS软件进行统计分析。

1.3 水生美人蕉和铜钱草对氮、磷的净化能力检测

水样取样时间也每2小时一次，与光合作用测定时间同步，分别在水生美人蕉和铜钱草植物区的入口和出口取样。为分析水生美人蕉、铜钱草对氮、磷的净化能力用如下指标进行衡量：

式中：R1为铜钱草净化水体氮或磷的能力（TN或TP去除率）：CA1为铜钱草的入口水样氮、磷质量浓度（mg·L−1）；CB2为铜钱草的出口水样氮、磷质量浓度（mg·L−1）；R2为水生美人蕉净化水体氮或磷的能力（TN或TP去除率）；CA3为美人蕉入口水样氮、磷质量浓度（mg·L−1）；CB4为水生美人蕉的出口水样氮、磷质量浓度（mg·L−1）。

用流动分析仪测定水样 TN（用碱性过硫酸钾消化）（国家环境保护总局，2002）；用钼锑抗分光光度法测定水样TP（过硫酸钾消解）（国家环境保护总局，2002）。

2 结果与分析

2.1 水生美人蕉和铜钱草两种水生植物各生理生态因子的日变化

生态沟渠湿地中水生美人蕉和铜钱草光合有效辐射（PAR）变化呈现为中午高（11:00时）早晚低的趋势，日变化呈单峰曲线，该变化趋势与光照强度及晴朗天气有关。两种水生植物的光合有效辐射（PAR）与气温（Ta）的最高值（41.4 ℃），和出现时间同步，且气温（Ta）与叶温（Tl）的最高值出现时间也同步（图3a、b）。而大气相对湿度（RH）与叶周围空气温度变化则相反，早上（09:00时）相对湿度值最大，在13:00—15:00降至最低（图3a、b），是随太阳辐射的加强和气温的上升而有所下降。大气相对湿度，因为8月生态沟渠比较湿润，两种水生植物生长旺盛，大气相对湿度（53.97%—86.13%）比较高。

图3 铜钱草、水生美人蕉净光合速率与生态因子的日变化Fig. 3 Diurnal change of the net photosynthetic rates and ecological and physiological factors of Hydrocotyle vulgaris and Canna glauca

水生美人蕉和铜钱草的气孔导度（Gs）与胞间 CO2浓度（Ci）的日变化呈现不一样的曲线变化（图3d、e）。水生美人蕉气孔导度（Gs）日变化则呈双峰曲线，其日变化大体与净光合速率（Pn）的变化趋势相同，上午，水生美人蕉气孔导度（Gs）因气孔的缓慢关闭，气孔导度下降，而因气孔的缓慢开放，气孔导度随之增加（图3c、d）。铜钱草胞间 CO2浓度（Ci）的变化趋势总体呈凹形。其胞间 CO2浓度（Ci）的日变化曲线与气孔导度（Gs）变化曲线相反，其胞间CO2浓度（Ci）呈现先下降，后逐渐上升的趋势，于13:00降至最低。分析气孔导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）的变化，即细胞间隙 CO2浓度的高低受叶肉光合活性大小的影响，其原因与已研究的分析一致（李卫民，2003）。水生美人蕉胞间CO2浓度（Ci）则呈现先缓慢下降后逐渐上升趋势，上午有起伏变化，在 13:00左右出现最低值。而铜钱草的气孔导度（Gs）呈单峰曲线变化，气孔导度（Gs）峰和净光合速率（Pn）谷的出现时间一致（图3a、d）。气孔导度（Gs）出现早晨缓慢升高，随气孔开放度于11:00后再增加，于13:00后又缓慢下降的趋势（图3d）。水生美人蕉和铜钱草两种水生植物蒸腾速率Tr日变化一致，均呈单峰曲线变化。水生美人蕉蒸腾速率 Tr最高值为 5.95 mmol·m−2·s−1，且其日均值高于铜钱草的日均值（图3f）。铜钱草蒸腾速率 Tr的日均值为 2.91 mmol·m−2·s−1，最高值（4.62 mmol·m−2·s−1）和其净光合速率 Pn 的最高值同时出现。

2.2 水生美人蕉和铜钱草两种水生植物叶片净光合速率的日变化

水生美人蕉和铜钱草中午光合“午休”现象明显，其叶片净光合速率日变化均呈双峰曲线（图3c）。铜钱草净光合速率在 15:00左右出现主峰（19.32 μmol·m−2·s−1），次峰（16.21 μmol·m−2·s−1）在 11:00出现，于 13:00左右降至谷值（14.23 μmol·m−2·s−1），光合“午休”现象出现。而水生美人蕉主峰与次峰出现的时间则与之相反，即主峰（22.20 μmol·m−2·s−1）出现在 11:00 左右，次峰（19.83 μmol·m−2·s−1）出现在 15:00（图 3c），光合作用也出现明显的“午休”现象。结果表明，水生美人蕉净光合速率日均值大于铜钱草净光合速率日均值。

2.3 水生美人蕉和铜钱草两种水生植物光合特性及其对氮磷去除效果相关因素分析

2.3.1 净光合速率与主要因子及氮磷去除效果的相关因素分析

为了更进一步了解水生美人蕉、铜钱草净光合速率与其主要生理生态因子的相互关系，对主要生态因子之间、生理因子之间以及各因子对净光合速率的影响进行了相关分析，其相关系数如表1。

从相关分析可以看出，水生美人蕉的净光合速率与气孔导度呈极显著正相关，与光合有效辐射也呈极显著正相关，与蒸腾速率呈显著正相关，而与空气相对湿度呈负相关，与胞间氧化碳浓度不相关（表1）。铜钱草的净光合速率与其蒸腾速率、光合有效辐射、气孔导度分别有极显著正相关。相反，其净光合速率与胞间二氧化碳浓度和空气相对湿度呈显著负相关（表1）。这结果表明水生美人蕉和铜钱草的净光合速率的变化是在其生理生态因子的综合作用下进行的，其光合作用是一个复杂的过程（付为国等，2006），不同因素在不同阶段的影响是不同的，甚至是相反的（郭天财等，2002）。

结果显示，水生美人蕉和铜钱草的净光合速率与总氮去除率呈极显著正相关，说明植物可提高湿地氮素去除率。而水生美人蕉和铜钱草净光合速率与总磷的去除率无显著关系（表1），表明植物净光合速率与去磷效果的关系不大。

2.3.2 逐步多元回归分析

因为影响水生植物叶片净光合速率的因素很多，因此，净光合速率与其相关生理生态因子的简单相关分析简单相关分析在某些情况下无法真实准确地反映变量之间的关系。而逐步多元回归分析方法能有效地从众多影响因素中挑选出对Pn(y) 贡献大的因子，并建立y与这些因子的“最优”回归方程（吴瑞云，2007）。

水生美人蕉的逐步多元回归方程为：Pn=1.198693+0.044097 Gs（R=0.768），铜钱草的逐步多元回归方程为：Pn= −5.45613+0.006797 PAR+0.050099 Gs（R=0.868），此结果表明，影响水生美人蕉净光合速率的主要因子是气孔导度。而气孔导度和光合有效辐射对铜钱草的净光合速率的影响较大，影响顺序为：Gs>PAR，这两因子是影响其净光合速率的主要因子。

表1 水生美人蕉和铜钱草净光合速率与主要因子及氮磷去除效果的相关分析Table 1 Correlation analysis between net photosynthetic rate and main factors and removal efficiency nitrogen and phosphorus

3 讨论

水生美人蕉和铜钱草在自然条件下中午光合“午休”现象明显，且其净光合速率日变化呈双峰型。引起植物叶片净光合速率午间降低的植物自身因素不外乎气孔的部分关闭（气孔限制）和叶肉细胞自身活性下降（非气孔限制）两类，前者使胞间CO2浓度降低，而后者使胞间CO2浓度增高（许大全，1997）。在11:00、09:00时分别达到高峰后，水生美人蕉和铜钱草叶片净光合速率开始下降。同时两种植物胞间CO2浓度（Ci）呈现先下降，后逐渐上升的趋势，于13:00降至最低。这表明气孔限制可能是造成两种水生植物净光合速率下降的主要因素，即二氧化碳不足。

另外，光合午休与中午光照强、温度高、空气相对湿度低及胞间 CO2亏缺等因素有关，低的空气湿度是导致光合午休的重要生态因子（苏培玺等，2002），本试验图3也证明了这一点，中午RH迅速下降到最低点。该试验表明，植物自身因素与环境因子等因素导致了两种植物光合“午休”现象明显。

简单相关分析表明，水生美人蕉的净光合速率与气孔导度和光合有效辐射分别有极显著正相关，逐步回归分析结果也表明，气孔导度是影响水生美人蕉净光合速率的主要影响因子，这充分表明水生美人蕉光合作用固碳受气孔行为的影响，其气孔行为发挥了主导和控制作用。另外，铜钱草净光合速率（Pn）和气孔导度（Gs）呈极显著正相关，气孔导度（Gs）和光合有效辐射（PAR）对铜钱草净光合速率（Pn）有较大影响，影响顺序为：Gs>PAR，简单相关分析表明气孔导度（Gs）对铜钱草净光合速率（Pn）有较大影响，逐步回归分析结果也表明，气孔作为气体交换的调节机构，铜钱草光合作用的改变也受气孔导度改变的影响，其气孔行为对铜钱草光合作用固碳有明显的控制与主导作用，与已研究结果一致（赵平等，2000）。虽然气孔的开张受各种因素影响，但只会降低耗水量以维持二氧化碳的供应（苏培玺等，2002）。以上均表明植物的光合作用和生理过程与细胞活性和结构的变化密切相关。

湿地植物通过光合作用产生氧气，增加水体中的溶解氧，并向水体释放，从而改善了湿地的氧气环境，促进了污染物的净化（雒维国，2006；黄娟等，2006）。实验结果表明，水生美人蕉和铜钱草的净光合速率与湿地氮素去除率呈正相关，这是因为湿地的氧气环境通过植物的光合作用可以改善，植物的根际效应能使其硝化和亚硝化过程顺利进行，其根际微生物对氮进行分解去除，湿地氮素去除率由此提高。而磷的去除与植物产氧的关系不大，主要是通过沟渠底泥沉积物物理化学作用，因此植物净光合速率与去磷效果的关系不大。且夏季11:00—15:00时，水生美人蕉与铜钱草TN去除率均达到全天最高值，呈现与植物净光合速率 Pn相似的变化规律，明显高于其它时段，因为短时间的温度变化对微生物活性影响不大，故可推测植物光合作用对微生态的间接影响。而植物净光合速率 Pn与各污染物去除率的相关性存在差异，这与湿地内各污染物的去除机理有关，也反映出各类污染物降解对湿地溶解氧的依赖程度。

无论从提高各污染物的去除效果还是改善湿地供氧水平的角度出发，植物净光合速率 Pn均可作为湿地植物筛选的一项重要指标（黄娟等，2006）。本研究比较了水生美人蕉和铜钱草两种植物于夏季晴朗天气的日净光合速率峰值及日平均值，发现相同条件下水生美人蕉净光合速率峰值和平均值均明显高于铜钱草，从而水生美人蕉能有效改善湿地系统内溶解氧环境，提高污染物去除率。因此，在沟渠系统中，水生美人蕉对总氮的去除率效果更好。

4 结论

（1）水生美人蕉和铜钱草叶片净光合速率日变化出现不对称的双峰型，中午出现光合“午休”现象。水生美人蕉净光合速率日均值大于铜钱草。水生美人蕉其主峰（22.20 μmol·m−2·s−1）在 11:00 左右出现，在 15:00 出现次峰（19.83 μmol·m−2·s−1）。而铜钱草净光合速率主峰与次峰出现的时间则与之相反，其主峰（19.32 μmol·m−2·s−1）在 15:00 左右出现，次峰（16.21 μmol·m−2·s−1）在 11:00 出现。

（2）气孔导度是水生美人蕉净光合速率的主要影响因子。而气孔导度和光合有效辐射这两因子是影响铜钱草净光合速率的主要因子，影响顺序为：Gs>PAR。

（3）水生美人蕉和铜钱草的净光合速率与沟渠总氮的去除效果呈显著正相关，但与总磷去除效果无显著正相关。

（4）因此，根据上述规律，净光合速率可作为净化沟渠水体植物选择的重要依据之一，且水生美人蕉总氮的去除率与铜钱草相比有较大提高，可作为净化沟渠水体的优选植物。