韓 帆 劉子森 嚴(yán) 攀 賀 鋒 孫 健 張 義 吳振斌,

(1. 武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院, 武漢 430070; 2. 中國科學(xué)院水生生物研究所淡水生態(tài)和生物技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430072; 3. 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049; 4. 中國市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司, 武漢 430010)

我國湖泊水體污染富營養(yǎng)化問題十分嚴(yán)峻[1—4],沉水植物是湖泊生態(tài)系統(tǒng)中重要的生產(chǎn)者[5], 重建以沉水植物為主的水生植被對(duì)富營養(yǎng)化湖泊的恢復(fù)至健康的草型湖泊關(guān)重要[6]。湖泊底質(zhì)是水生植物能否構(gòu)建成完整的水下生態(tài)系統(tǒng)的重要影響因素。底質(zhì)不僅是水生植物生根繁殖及穩(wěn)定生長(zhǎng)的基本條件, 同時(shí)為植物提供所需的大量營養(yǎng)元素[7,8],不同類型理化性質(zhì)的差異往往影響著沉水植物的生存和發(fā)展。我國許多湖泊的底質(zhì)不適合直接種植水生植物[9—13], 對(duì)湖泊底質(zhì)進(jìn)行改造以促進(jìn)水生植物的生長(zhǎng)在生態(tài)修復(fù)過程中至關(guān)重要。麥飯石是一種產(chǎn)自中國的古老藥石, 現(xiàn)代人多將其用于保健養(yǎng)生。麥飯石是一種傳統(tǒng)無機(jī)硅酸鹽礦物, 具有多孔性海綿狀的特殊結(jié)構(gòu), 表面積大[14]。據(jù)研究,麥飯石具有良好的溶出性、吸附性和離子交換性且對(duì)環(huán)境無毒害作用, 與傳統(tǒng)無機(jī)硅酸鹽材料相比,其性能更加良好[15]。我國麥飯石資源豐富, 儲(chǔ)量多、分布廣, 在天津薊縣、遼寧阜新、浙江四明山、江西信豐縣等地已形成了開發(fā)、應(yīng)用、研究麥飯石的基地[16]。目前對(duì)麥飯石的應(yīng)用更多在醫(yī)用保健層面, 環(huán)保領(lǐng)域內(nèi)的研究較少, 主要用于利用其吸附性降低水體污染等[17—19], 同時(shí)已有研究表明, 麥飯石可作為土壤調(diào)理劑, 改善土壤理化性能[20]。本研究團(tuán)隊(duì)已將麥飯石作為沉積物磷修復(fù)劑和底質(zhì)改良劑應(yīng)用于杭州西湖生態(tài)修復(fù)工程, 取得了較好的效果[21]。現(xiàn)階段麥飯石對(duì)植物生長(zhǎng)的影響作用研究鮮有報(bào)道, 本論文首次進(jìn)行麥飯石對(duì)沉水植物生理生態(tài)的影響研究。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

受試植物本實(shí)驗(yàn)所用沉水植物為苦草(Vallisneria natans)和輪葉黑藻(Hydrilla verticillata),室外預(yù)培養(yǎng)7d, 選取生長(zhǎng)狀況良好的苦草修剪一致至葉長(zhǎng)15 cm, 根長(zhǎng)3 cm; 輪葉黑藻取植株頂枝15 cm。苦草和輪葉黑藻是兩種常見的沉水植物, 分布廣,繁殖快, 目前已用于國家“十二五”水專項(xiàng)杭州西湖生態(tài)修復(fù)工程[22]。

實(shí)驗(yàn)基質(zhì)本實(shí)驗(yàn)所用的麥飯石為取自產(chǎn)地為蒙陰縣的原石, 其粒徑為2—4 cm, 洗凈后以超純水浸泡24h待用。為了提高麥飯石的吸附性等優(yōu)點(diǎn), 將其更好地應(yīng)用于生態(tài)修復(fù)工程, 需對(duì)麥飯石進(jìn)行改性處理。改性麥飯石的制備方法如下: 將麥飯石原石浸泡在2.5 mol/L的硫酸溶液中6h后以超純水洗至中性, 而后在400℃高溫下煅燒4h后放至室溫待用。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)所用玻璃缸尺寸為15 cm×20 cm×30 cm,每缸8株植物并設(shè)置三個(gè)平行。湖泊底泥取自杭州西湖子湖小南湖湖心, 經(jīng)處理后將6 cm底泥鋪至玻璃缸中, 依次將0、0.5、1、2和3 cm麥飯石原石和改性麥飯石平鋪至底泥上方, 后將植物種在底泥下方3 cm左右, 并保持玻璃缸內(nèi)水位一致。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

植物生長(zhǎng)指標(biāo)實(shí)驗(yàn)周期為150d, 每隔30d于每個(gè)裝置中隨機(jī)采樣, 測(cè)定其植株葉莖長(zhǎng)度、根長(zhǎng)、植株濕重等指標(biāo)。

植物生理生化指標(biāo)每隔30d測(cè)定微觀指標(biāo),其中植物葉片葉綠素采用Lichtenthaler-Arnon法[23]適當(dāng)改進(jìn); 根系活力采用TTC法[24]; 葉片丙二醛(MDA)采用硫代巴比妥酸法[25]; 葉片過氧化物酶活性(POD)采用愈創(chuàng)木酚法[26]。

2 結(jié)果與討論

2.1 植株生長(zhǎng)指標(biāo)

于6月27日起測(cè)定苦草、輪葉黑藻的生長(zhǎng)指標(biāo)如圖 1、圖 2。MM表示改性麥飯石(Modified Medical Stone), M代表麥飯石原石(Medical Stone),MM0.5表示鋪設(shè)改性麥飯石0.5 cm的組別, 以此類推; M0組為對(duì)照組, 只鋪設(shè)湖泊底泥。將6—27至11—27之間的5個(gè)月分為植物生長(zhǎng)期、穩(wěn)定期和衰敗期[27,28], 其中生長(zhǎng)期為6月27日至8月27日, 穩(wěn)定期為8月28日至9月27日, 衰敗期為9月28日至11月27日。

由圖 1可知, MM1組的苦草植株高度、單株生物量明顯優(yōu)于其他組, 且符合顯著性分析(P＜0.05)。改性麥飯石組苦草生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)高于湖泥組(P＜0.05)。在圖 1d中, 苦草根長(zhǎng)只有8—27、9—27兩個(gè)采樣日期中改性麥飯石組苦草根長(zhǎng)明顯優(yōu)于湖泥組, 其他采樣日期中, 麥飯石組并不明顯。

圖1 麥飯石對(duì)苦草宏觀生理指標(biāo)的影響Fig. 1 Effects of medical stone on the macro-physiological index of Vallisneria natans

隨著時(shí)間的延長(zhǎng), 苦草的株高、生物量、葉數(shù)的總體變化趨勢(shì)相一致(P＜0.05), 基本為植物先增長(zhǎng)后趨于穩(wěn)定狀態(tài), 而后逐漸衰敗, 符合水生植物的生長(zhǎng)情況。至植物生長(zhǎng)期8月27日時(shí), 基本上各組苦草植株高度、葉數(shù)達(dá)到最高, 植株最高的MM1組是湖泥組的329.8%; 葉數(shù)最多的M2組為對(duì)照組的180.0%, MM1組也達(dá)到了140.0%。在9月27日時(shí), 基本上各組生物量達(dá)到最大, 其中MM1組為最大, 是對(duì)照組的621.9%。

從圖 2a可看出, 于8月27日, 基本各組輪葉黑藻的植株高度達(dá)到最大, 其中最大組為MM0.5組是湖泥組的231.7%; MM1組在9月27日達(dá)到最大值, 此時(shí)為湖泥組的193.1%。從圖 2b可看出, 各組輪葉黑藻根長(zhǎng)的生長(zhǎng)情況與植株高度大致相同, 于8月27日基本達(dá)到最大值, 其中最大組為MM0.5組, 是湖泥組的149.9%; MM2與MM3均在9月27日達(dá)到各自生長(zhǎng)的最大值。從圖 2c中可看出, MM0.5、MM3、M0.5、M1、M2組生物量在8月27日達(dá)到最大值,MM1、MM2組均在9月27日達(dá)到最大值; M3和湖泥組在10月27日達(dá)到最大值?？傮w較復(fù)雜, 但大多數(shù)組仍然在8月27日達(dá)到最大值, 最大值為MM0.5組, 是湖泥組的229.8%。圖 2d為麥飯石對(duì)輪葉黑藻葉間距的生長(zhǎng)影響總體變化不顯著(P＞0.05)。

上述研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)苦草組中改性麥飯石組植株高度、生物量、葉數(shù)明顯優(yōu)于湖泥組, 這可能是由于麥飯石經(jīng)過改性后其溶出性增強(qiáng), 溶出了植物生長(zhǎng)所需的微量元素促進(jìn)植物生長(zhǎng)[29,30]。但原石組只有M0.5與M1組明顯優(yōu)于湖泥組, 可能是因?yàn)殇佋O(shè)較多麥飯石時(shí), 影響麥飯石微量元素的溶出,過多的麥飯石增加植物莖部底端生長(zhǎng)壓力, 在一定程度上抑制了植物根系泌氧, 抑制了苦草的生長(zhǎng)。輪葉黑藻組和苦草組生長(zhǎng)情況類似?？傮w上麥飯石組輪葉黑藻植株高度、根長(zhǎng)、生物量高于湖泥組, 改性組中MM0.5、MM1、MM2組明顯生長(zhǎng)情況優(yōu)于未改性組。采樣日期為7月27日時(shí)的數(shù)據(jù)則為未改性組高度、生物量高于改性組, 這可能是因?yàn)橹参锎藭r(shí)處于穩(wěn)定生長(zhǎng)期, 改性材料的優(yōu)越性還沒完全體現(xiàn)。與苦草根長(zhǎng)不同, 大部分麥飯石組輪葉黑藻根長(zhǎng)優(yōu)于湖泥組, 原因可能是輪葉黑藻為根系退化的蓬冠裝類植物而苦草為根系發(fā)達(dá)的深根系植物[31], 相對(duì)而言厚度大的麥飯石對(duì)輪葉黑藻根系生長(zhǎng)的抑制作用沒有苦草大。

圖2 麥飯石對(duì)輪葉黑藻高度的影響Fig. 2 Effects of medical stone on the macro-physiological index of Hydrilla verticillata

2.2 植株生理生化指標(biāo)

麥飯石對(duì)沉水植物光合色素的影響葉綠素水平可以體現(xiàn)植物光合速率和衰老進(jìn)程[32,33], 生長(zhǎng)后期麥飯石組苦草葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素優(yōu)于湖泥組, 改性麥飯石組與麥飯石原石組差異不明顯(P＞0.05), 這可能是由于麥飯石可提高沉水植物的光合速率, 但改性麥飯石并不優(yōu)于原石組。

圖3為麥飯石對(duì)苦草葉片光合色素的影響。通過相關(guān)性分析, 各組大體上葉綠素a(Chl.a)、葉綠素(Chl.b)、總?cè)~綠素含量(Chl.a+Chl.b)變化趨勢(shì)相一致。

除覆蓋3 cm厚度麥飯石組低于湖泥組外, 基本可得出麥飯石組Chl.a、Chl.b、Chl.a+Chl.b均優(yōu)于湖泥組, 尤其是苦草衰敗期各項(xiàng)指標(biāo)極優(yōu)于湖泥組?？嗖軨hl.a、Chl.b、總?cè)~綠素含量在8月27日達(dá)到最大值, 其中最大的為MM1組, 分別是湖泥組的124.6587%、170.8940%、143.6103%。葉綠素a/葉綠素b與其他各組趨勢(shì)不同, 最大值出現(xiàn)在6月27日。

圖4為麥飯石對(duì)輪葉黑藻葉片光合色素的影響。通過相關(guān)性分析, 各組大體上葉綠素(Chl.b)、總?cè)~綠素含量(Chl.a+Chl.b)變化趨勢(shì)相一致。MM1組葉綠素a與MM2的葉綠素b含量變化趨勢(shì)與其余各組變化差異不顯著。

除覆蓋3 cm厚度麥飯石組低于湖泥組外, 基本可得出麥飯石組葉綠素a和總?cè)~綠素優(yōu)于湖泥組,葉綠素b在7月27日湖泥組優(yōu)于麥飯石組, 但在其余五次采樣中均為麥飯石組優(yōu)于湖泥組。輪葉黑藻葉綠素a、總?cè)~綠素含量在8月27日達(dá)到最大值, 其中最大的為MM1組, 分別是湖泥組的124.6586%、143.6102%。葉綠素b含量在7月27日達(dá)到最大值,最大組為M3組, 為湖泥組的105.5391%。

麥飯石對(duì)沉水植物根系活力的影響根系活力可體現(xiàn)出植物根系的生長(zhǎng)狀況[34], 至8月27日各組苦草根系活力達(dá)到最大值, 9月27日輪葉黑藻根長(zhǎng)達(dá)到最大值。最大組均為MM1組?？傮w而言麥飯石組優(yōu)于湖泥組, 改性麥飯石組與麥飯石原石組差異不明顯, 這與宏觀指標(biāo)相互印證。

如圖 5所示, 麥飯石組苦草的根系活力基本均高于湖泥組, 但各組變化趨勢(shì)不相一致(P＞0.05), 根系活力達(dá)到峰值的時(shí)間也不相同。除9月27日MM1組略低于M1組外, MM1組均高于其余組, 并在7月27日達(dá)到峰值, 此時(shí)為9.1418 mg/(g·h), 是湖泥組的357.8191%。但改性組與原石組相比差異不顯著, 并無明顯優(yōu)勢(shì)。MM3與M3組根系活力均處于較低水平, 這可能是因?yàn)辂滐埵穸容^大, 不利于根部生長(zhǎng)。

經(jīng)檢驗(yàn), 各組隨時(shí)間變化差異顯著(P＜0.05), 且趨勢(shì)相一致。但與苦草不同的是, 輪葉黑藻根系活力在9月27日達(dá)到最大值, 最大組MM1組為37.9579 mg/(g·h), 是湖泥組的320.0462%。麥飯石組明顯優(yōu)于湖泥組, 但改性組與原石組差異不明顯 (圖 6)。

圖3 麥飯石對(duì)苦草葉綠素的影響Fig. 3 Effects of medical stone on Chlorophyll of Vallisneria natans

麥飯石對(duì)沉水植物MDA的影響植物葉片的衰老往往伴隨著膜脂過氧化, 丙二醛是其中產(chǎn)物之一。9月27日至11月27日的衰敗期中, 苦草與輪葉黑藻葉片MDA含量一直處于上升趨勢(shì), 說明葉片的膜脂過氧化水平不斷加深, 與輪葉黑藻、苦草生長(zhǎng)規(guī)律相一致。在此期間MM1組與M1組植物MDA含量均小于其余組, 可推斷MM1、M1組植物衰老期與其他相比有一定的推遲。

苦草、輪葉黑藻葉片內(nèi)MDA含量變化趨勢(shì)相近, 處于生長(zhǎng)期時(shí), MDA含量穩(wěn)定, 至生長(zhǎng)期有所降低, 但進(jìn)入衰老期后迅速升高, 至11月27日, 各組已達(dá)到各自最高水平 (圖 7、圖 8)。

圖4 麥飯石對(duì)輪葉黑藻葉綠素的影響Fig. 4 Effects of medical stone on Chlorophyll of Hydrilla verticillata

圖5 麥飯石對(duì)苦草根系活力的影響Fig. 5 The effect of medical stone on root activities of Vallisneria natans

圖6 麥飯石對(duì)輪葉黑藻根系活力的影響Fig. 6 The effect of medical stone on root activities of Hydrilla verticillata

麥飯石對(duì)沉水植物過氧化物酶活性的影響植物葉片衰老過程中會(huì)產(chǎn)生抗氧化酶, 過氧化物酶(POD)就是其中一種, 可清除植物體內(nèi)多余的氧自由基, 是植物體抗衰老的重要組成[35,36]。葉片生長(zhǎng)期與穩(wěn)定期中POD的活性趨于穩(wěn)定, 進(jìn)入衰老期后呈現(xiàn)“先升后降”趨勢(shì), 這是由于在衰老初期, 植物葉片通過大量提高抗氧化酶的活性來抵御衰老帶來的傷害; 但到了衰老后期, 葉片產(chǎn)生抗氧活酶的能力降低, 導(dǎo)致酶活性降低?？嗖?、輪葉黑藻的過氧化物酶活性于生長(zhǎng)期基本無變化, 進(jìn)入穩(wěn)定期略微有所增加, 但在10月27日衰老初期時(shí)含量激增,在衰老末期的11月27日又逐漸降低 (圖 9、圖 10)。

圖7 麥飯石對(duì)苦草MDA含量的影響Fig. 7 The effects of medical stone on MDA of Vallisneria natans

圖8 麥飯石對(duì)輪葉黑藻MDA含量的影響Fig. 8 The effects of medical stone on MDA of Hydrilla verticillata

圖9 麥飯石對(duì)苦草過氧化物酶活性的影響Fig. 9 The effects of medical stone on POD of Vallisneria natans

圖10 麥飯石對(duì)輪葉黑藻過氧化物酶活性的影響Fig. 10 The effects of medical stone on POD of Hydrilla verticillata

表1 西湖底泥的化學(xué)組成Tab. 1 The sediment chemical composition of the West Lake (wt.%)

2.3 麥飯石對(duì)沉水植物的作用機(jī)理

植物生長(zhǎng)的過程需要從外界吸收許多元素合成自身營養(yǎng)所需物質(zhì), 其中鈣、鎂、磷等常量元素, 鐵、錳、鋅等微量元素都是植物體內(nèi)合成酶、維生素、生長(zhǎng)激素的重要成分[37]。這些常量和微量元素主要來源于土壤, 通過植物根部吸收運(yùn)輸至植物體。本研究團(tuán)隊(duì)對(duì)實(shí)驗(yàn)所用的西湖底泥已進(jìn)行成分分析[38], 結(jié)果見表 1, 麥飯石的成分檢測(cè)結(jié)果見表 2。麥飯石的主要成分是無機(jī)的硅鋁酸鹽[39,40]。與湖泥相比, 除了同樣存在的SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3、K2O等成分, 麥飯石中還含有Mg、Zn、Ti、Mn等沉水植物生長(zhǎng)所需常量和微量元素, 這些元素主要以無機(jī)鹽的形式存在。其中錳是許多酶類的輔因子, 是植物體內(nèi)葉綠素和維生素的重要組成成分; 鋅是電子傳遞上重要的輔酶因子, 與植物體內(nèi)葉綠體和線粒體的形成息息相關(guān), 同時(shí)鋅可以促進(jìn)蛋白質(zhì)的合成,促進(jìn)植物生育器官的發(fā)育以及提高植物對(duì)高溫、高鹽、霜凍和干旱的抗御能力; 鐵直接參與電子傳遞、氧化脅迫、固氮作用、激素合成等過程[41,42]。同時(shí)沉水植物的生長(zhǎng)受基質(zhì)影響較大, 麥飯石的固持作用可能促使沉水植物在有機(jī)質(zhì)含量較高的底質(zhì)中扎根生長(zhǎng)。另外麥飯石的強(qiáng)吸附性能、離子交換性、提高和平衡底泥物理機(jī)能等特點(diǎn)均可在一定程度上影響沉水植物生長(zhǎng)。在本研究中麥飯石促進(jìn)沉水植物苦草和輪葉黑藻生長(zhǎng)的具體機(jī)理還有待進(jìn)一步研究和分析。

表2 麥飯石化學(xué)組成(wt.%)Tab. 2 Chemical composition of medical stone

3 結(jié)論

本研究首次通過宏觀和圍觀指標(biāo)探討了無機(jī)硅酸鹽麥飯石對(duì)沉水植物生長(zhǎng)的影響和作用機(jī)理。主要研究結(jié)論:

(1)麥飯石可明顯促進(jìn)沉水植物苦草和輪葉黑藻生長(zhǎng), 覆蓋1 cm厚度麥飯石的苦草植株高度、單株生物量?jī)?yōu)于湖泥組(P＜0.05); 且改性麥飯石組高于麥飯石原石組。兩種植物的光合色素、根系活力、丙二醛(MDA)、過氧化物酶(POD)酶活情況麥飯石組優(yōu)于湖泥組。

(2)基質(zhì)對(duì)沉水植物的生長(zhǎng)影響較大, 在本研究中除了3 cm麥飯石組生長(zhǎng)情況劣于湖泥組, 植株高度、單株生物量、葉片數(shù)均為改性麥飯石組＞麥飯石原石組＞湖泥組; 其中1 cm改性麥飯石組(MM1)組苦草植株高度、葉數(shù)、生物量?jī)?yōu)于其他組。麥飯石組根長(zhǎng)生長(zhǎng)情況、光和色素含量?jī)?yōu)于湖泥組。

(3)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)麥飯石中含有豐富的植物生長(zhǎng)所需的常量和微量元素, 可以明顯促進(jìn)沉水植物生長(zhǎng)?？梢姛o機(jī)硅酸鹽麥飯石有益于沉水植物生長(zhǎng),可進(jìn)一步作為底質(zhì)改良材態(tài)修復(fù)工程。