寒地稗草对污水的净化效果研究*

吴丽群 范力文 崔佳宁 于海慧 吴姝菊 王晓萍

(哈尔滨师范大学生命科学与技术学院，黑龙江 哈尔滨 150025)

近年来，水体富营养化现象越来越严重，不仅导致经济损失，而且破坏生态系统结构和功能，不利于生态文明建设，更不利于人体健康[1]。植物修复技术具有低投资、高产出、环境效益好等特点，应用前景十分广阔[2]。黑龙江省地处43°26′N～53°33′N、121°11′E～135°5′E，年平均气温为我国最低，由于气温降低会导致植物生长受到影响，从而影响净化效果，甚至导致水体的二次污染。因此，筛选或培育出适应黑龙江地区且快速高效修复多种污染的植物品种显得尤为重要。

稗草隶属于禾本科稗属(EchinochleaBeauv.)，其繁殖能力和生态适应性较强，在稻田、沼泽、沟渠和低洼荒地中均有广泛分布[3]。稗草既喜温又耐寒，耐涝性很强，稗草喜肥，施氮肥可提高稗草产量[4]。稗草对镉、铅、锌等重金属具有良好的富集作用[5-7]；稗草还具有一定的经济价值，是家畜牛马羊喜食的优良牧草和饲料[8]；稗草的茎叶纤维可做造纸原料，根和幼苗可入药，有止血功效，颖果还可用来制糖和酿酒[9]。这些符合水体修复植物的选择要求。

目前，对于稗草的研究更多的是将其作为杂草，对农药及除草剂的抗性、优势基因利用、抗重金属等方面[10-13]进行研究，阎骄阳等[14]根据云南滇池水污染治理情况，对在特定水域利用无土栽培稗草修复水体的可行性进行了全面分析。黑龙江省寒地稗草种质资源丰富，因该省独特的地理位置和气候特点，使得稗草在自然生长中对环境变化具有较好的抗逆性。

课题组前期研究表明，寒地稗草可作为饲草，并且对重金属镉具有较好的耐受能力[15]。故本研究从哈尔滨市周边收集8种寒地稗草，观察不同浓度污水中的稗草生长状况，考察其对污水的净化效果，筛选净化效果较好的稗草品种，发挥稗草的生态效益，为黑龙江省污水净化提供新的思路。

1 材料与方法

1.1 试验稗草

试验稗草种子由黑龙江省牧草研究所提供。Ⅰ号是来自哈尔滨市呼兰区的雁头稗，Ⅱ号是来自黑龙江省宁安市的稗子，Ⅲ号是来自哈尔滨市阿城区的雁头稗，Ⅳ号是来自哈尔滨市呼兰区的雁头稗，Ⅴ号是来自哈尔滨市呼兰区的稗子，Ⅵ号是来自哈尔滨市木兰县的鹅头稗，Ⅶ号是来自哈尔滨市呼兰区的米稗，Ⅷ号是来自黑龙江省宁安市的大粒稗。

课题组前期依据形态分类鉴定发现，Ⅰ、Ⅱ、Ⅵ号属野稗(Echinochleacrusgalli)，Ⅴ、Ⅶ、Ⅷ号属栽培稗(Echinochleafrumentacea)，Ⅲ、Ⅳ号属无芒野稗(Echinochleacrusgallivar.Submutica)。

1.2 试验水质

供试水样取自哈尔滨师范大学周边水体。试验前水样用200目分样筛滤去其中的杂质及悬浮物后以自来水稀释得到2个处理：处理1水样TN、TP、氨氮分别为53.06、2.20、22.30 mg/L；处理2水样TN、TP、氨氮分别为293.50、3.52、35.64 mg/L。

1.3 试验方法

1.3.1 发芽试验

2019年4月10日开始，挑选大小、饱满程度均一的稗草种子，种于自制水盆(直径17.0 cm、高9.5 cm，装有80 g蛭石)中，每盆种植30粒种子，各处理均设置3个重复。处理1、2均加入1 200 mL对应污水，对照组加入1 200 mL自来水。27 ℃左右，自然光照，水培30 d，对稗草萌发、株高、根长等进行观察统计，期间添加蒸馏水使得水体总体积保持恒定。

1.3.2 水培净化试验

2019年5月23日开始，于试验田中挑选生长健壮、大小基本一致的健康稗草植株(高13～16 cm)，去除腐烂根叶并冲洗根部，自来水中驯化7 d后，种植于自制水盆中(直径16.7 cm、高11.7 cm)，每盆植物鲜质量10 g左右，用纱布固定，加入处理1水样(总体积为2 L)，同时设置静置组(即不栽种植物)，各处理均3个重复。水培30 d，每5天测一次各处理水样的各项指标，期间添加蒸馏水使得水样总体积保持恒定。

1.4 测定方法

水培30 d后，每盆中随机取3株稗草，清洗干净，测量稗草株高和根长，取其平均值。植株全部收获，将植株分成地上茎叶和地下根两部分称其鲜质量，105 ℃杀青1 h，80 ℃烘干称其干质量。

TN测定采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法，TP测定采用钼酸铵分光光度法，氨氮测定采用纳氏试剂法[16]。

2 结果与分析

2.1 稗草种子在不同浓度污水中的萌发率

不同浓度污水中8种稗草种子的萌发率均为处理1>对照>处理2。其中，处理1中Ⅷ号稗草种子萌发率最高(平均值77%)，Ⅵ号萌发率最低(平均值54%)；对照中Ⅷ号稗草种子萌发率最高(平均值61%)；处理2中Ⅲ号稗草种子萌发率最高(平均值44%)，Ⅰ、Ⅴ和Ⅷ号萌发率平均值均为42%。

2.2 稗草在不同浓度污水中的生长情况

不同浓度污水对稗草生长状况的影响见图1。处理1中8种稗草株高总体高于对照，处理2总体低于对照；处理1中Ⅰ号稗草株高与Ⅱ、Ⅲ、Ⅷ号差异不显著，与其他稗草均差异显著；处理2中Ⅴ号稗草株高与其他稗草均差异显著。与对照相比，不同浓度污水对8种稗草根长影响不明显。处理1中8种稗草鲜质量均大于对照和处理2，处理2总体低于对照；处理1中Ⅴ号稗草地上鲜质量与Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅶ号差异显著，Ⅰ号稗草地下鲜质量与Ⅴ、Ⅵ号差异显著；处理2中Ⅰ号稗草地上鲜质量与Ⅵ、Ⅶ号差异显著，Ⅰ号稗草地下鲜质量与Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ号差异显著。

注：不同字母表示8种稗草之间差异显著(P<0.05)，表1至表3同。图1 不同浓度污水对稗草生长状况的影响Fig.1 Effects of sewage with different concentration on growth of barnyard grass

2.3 稗草在水培试验结束时的生物量

由表1可见，水培30 d结束时，8种稗草品种间鲜、干质量差异均不显著，其中Ⅱ号稗草鲜质量最大(24.86 g)。

表1 水培结束时8种稗草的生物量

2.4 稗草对污水水质的改善作用

由表2可见，栽种稗草的试验组的水培液中TP、TN和氨氮均显著低于静置组。其中，栽种Ⅰ号稗草的水培液中TN、TP与Ⅵ号差异显著，与其他稗草均差异不显著；栽种Ⅴ号稗草的水培液中氨氮与其他稗草均差异显著。

表2 水培液中各指标质量浓度

2.5 稗草对污水TN、TP及氨氮的去除效果

由表3可见，栽种稗草的试验组对TP、TN和氨氮的去除量和去除率均显著高于静置组。栽种稗草的试验组中，Ⅰ号稗草对TN、TP的去除效果最好，且Ⅰ号稗草对TN、TP的去除量和去除率均与Ⅵ号差异显著；Ⅴ号稗草对氨氮的去除效果最好，与其他稗草均差异显著；Ⅵ号稗草对各指标去除量均最小。总的来说，Ⅰ、Ⅴ号稗草作为污水净化的植物效果较好。

表3 8种稗草对TN、TP、氨氮的去除量和去除率

3 讨 论

3.1 稗草在污水中的生长状况

植株在特定的生长阶段，适当增加氮磷能促进作物的生长，提高作物的产量和品质，但超过限度，植株不能吸收养分[17]。国内外对稗草在污水中生长影响的研究甚少。余爱等[18]的研究结果表明，低磷更适合柱花草根系和地上部分的生长，高磷水平对根系生长有抑制；杨晓霞等[19]的研究结果表明，磷添加促进高寒草甸植物禾草的地下生物量及总生物量的增加。本研究结果表明，稗草在污水中能正常生长，与对照相比，在较低氮磷浓度范围内促进稗草的萌发、生长和生物量的增加，较高氮磷浓度中稗草的萌发和生长受到抑制。研究表明，氮磷元素的增加，可促进植物的光合作用，使光合速率加快，可溶性蛋白等光合作用产物增多，并通过输导组织运输到植株的地上和地下部分，使植物的生物量增加，当氮磷浓度过高时，光合作用会受到影响，相关蛋白产物的生成受到抑制，从而导致植物生长受到影响[20-21]。植物对氮磷的吸收与水体氮磷浓度、水体氮磷比、生长环境等因素有关[22]。本研究中稗草生长环境均相同，稗草根长在两种不同浓度污水中生长情况差异不明显，稗草地下鲜质量总体高于地上，可能与稗草根系发达及水体中氮磷比有关。

3.2 稗草对污水的净化效果

植物对污水中氮磷的净化，主要通过植物自身生长和代谢活动吸收水体中的氮磷等营养物质，从而降低水体中氮磷含量改善水环境[23]。曹开银等[24]对水生植物净化富营养化水体的研究结果表明，再力花(CannaindicaL.)、美人蕉(CannaedulisKer)、水芹(Oenanthejavanica(Blume) DC)对水中氨氮和TP的去除效果较好，氨氮去除率分别为75.54%、84.66%、76.22%，TP去除率分别为73.61%、77.33%、82.67%；莫负恩等[25]的研究结果表明，禾本科双穗雀稗(PaspalumdistichumL.)对污水中的TN、TP具有较好的去除效果，TN、TP去除率分别为98.75%～99.31%、96.54%～99.79%。本研究水培30 d后，8种稗草对污水中TN、TP、氨氮的去除率分别为87.10%～91.81%、89.29%～96.73%、89.70%～95.76%。试验结束后，稗草鲜质量增加1倍以上，进一步表明稗草在一定浓度污水中，通过吸收水体中氮磷等元素满足自身生长代谢所需，促进生物量的增加，从而降低水体中氮磷的含量。

4 结 论

(1) 8种寒地稗草在不同浓度的污水中可正常生长，与对照相比，较低氮磷浓度促进种子的萌发和生长，较高浓度氮磷抑制其种子萌发和生长，但浓度变化对稗草根长影响不显著。

(2) 处理1中，8种稗草对污水中TN、TP、氨氮的去除率分别为87.10%～91.81%、89.29%～96.73%、89.70%～95.76%，去除量分别在46.21～48.71、1.96～2.12、20.00～21.35 mg/L。Ⅰ、Ⅴ号稗草作为污水净化植物效果较好。