徐寸發(fā) ，聞學政，宋偉，張迎穎，劉海琴，王巖，秦紅杰，張志勇*

1. 江蘇省農業(yè)科學院農業(yè)資源與環(huán)境研究所，江蘇 南京 210014；2. 江蘇省農業(yè)科學院中心實驗室，江蘇 南京，210014

水生植物作為初級生產者，在水生生態(tài)系統(tǒng)中扮演著重要角色，在凈化水質、改善水生環(huán)境、維持水生生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定等方面發(fā)揮著不可替代的作用（Dhote et al.，2009；Moore et al.，2010）。同時水生植物屬于一種構件生物，當生長環(huán)境發(fā)生變化時，常在構件的形態(tài)、生理和數(shù)量變化上表現(xiàn)出極高的可塑性（顧燕飛等，2017；Leicht et al.，2006）。

鳳眼蓮（Eichhornia crassipes），雨久花科鳳眼蓮屬，多年生漂浮植物，因具有繁殖速率快、生物產量大、吸收氮磷能力強等特點，被廣泛應用于湖泊、河流、工業(yè)廢水等水體的治理（Wang et al.，2012；Nesterenko et al.，2012；Jayaweera et al.，2004；Zhang et al.，2016）。據(jù)相關文獻報道，鳳眼蓮在生長發(fā)育過程中受多種環(huán)境因子控制，如營養(yǎng)鹽濃度（張志勇等，2010）、光照（蔡樹美等，2011），溫度（王子臣等，2011）、酸堿度（林瑞余等，2007；張迎穎等，2013）等，適宜的環(huán)境條件更有利于鳳眼蓮的生長。氮、磷元素又是植物生長需要的營養(yǎng)元素，也是構成植株體內有機結構的組成成分，參與酶促反應或能量代謝及生理調節(jié)（Wang et al.，2013；Miao et al.，2000）。因此，水環(huán)境中的氮磷濃度是植物正常生長過程中尤為關鍵的環(huán)境控制因子。李衛(wèi)國等（2007）研究表明，鳳眼蓮的生長繁殖速率與水體營養(yǎng)水平關系密切且植株呈現(xiàn)出極強的形態(tài)可塑性，在一定范圍內，水體中氮素水平越高，鳳眼蓮累積生物量越大。在缺磷、缺氮的水環(huán)境中，鳳眼蓮株高變矮、側根系變長、葉片變薄變小等可塑性反應使得其能正常生長（陳興，2011）。趙月琴等（2006）通過盆栽實驗研究不同營養(yǎng)水平條件下鳳眼蓮的生長特征，結果表明，富營養(yǎng)條件增強鳳眼蓮生長繁殖能力，使其平均分蘗數(shù)、平均株高及總生物量極大地增加。

漂浮植物鳳眼蓮作為一種常見的水體生態(tài)修復的優(yōu)勢物種，因野外環(huán)境變化不易控制導致目前針對環(huán)境因子對鳳眼蓮生長影響的研究多集中在室內的模擬實驗，缺乏在野外流動性水體條件下，特別是污染水體生態(tài)治理工程中鳳眼蓮受環(huán)境變化的生長響應報道。因此，探明有關環(huán)境因子變化對鳳眼蓮相關生物生態(tài)學特征的改變對鳳眼蓮修復受污染水體尤為關鍵。本研究在利用鳳眼蓮深度凈化污水處理廠尾水的生態(tài)治理工程基礎上，通過分析鳳眼蓮生物量、株高、根長、植株組織氮磷含量等生長指標，揭示環(huán)境中不同水質條件下鳳眼蓮的生長特征，以期達到通過觀測鳳眼蓮的生長特征變化診斷水質的目的，及為后續(xù)鳳眼蓮應用于生態(tài)治理工程時其規(guī)模配置及工程運行提供技術參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 研究地點

試驗地點位于南京市高淳區(qū)東壩鎮(zhèn)污水處理廠北側人工構建的凈化塘。凈化塘采用三級串聯(lián)方式組成，各級之間采用土夯方式隔開，底部和岸堤均鋪設防水布防止?jié)B漏，出水口設置溢流堰使水深維持1 m，同時凈化塘進、出水口均安裝流量計監(jiān)測污水處理廠尾水進出流量。各級凈化塘長均為105 m、深1.2 m，其中一級凈化塘寬為25 m，二級和三級凈化塘寬均為27.5 m，3個凈化塘占地面積共8400 m2，總有效容積為7500 m3，如圖1所示。

1.2 試驗方法

2015年5月始，持續(xù)引入污水處理廠尾水至凈化塘，工程運行期間進水水質及其他相關指標見表1，5月按0.60 kg·m-2投放鳳眼蓮種苗于各級凈化塘。試驗運行期從6月初開始，11月底結束，各級凈化塘均設置3個采樣點，共9個采樣點（P1～P9），如圖1所示。每月利用容量為5 L的有機玻璃采水器采集各級凈化塘水樣與鳳眼蓮植株樣，帶回實驗室及時測定水體TN和TP質量濃度，并隨機抽取10株鳳眼蓮測定葉片葉綠素含量（SPAD值）、株高、根長、莖葉和根系的生物量、莖葉和根系的氮磷含量。同時，現(xiàn)場稱量各級凈化塘鳳眼蓮單位面積生物量。

圖1 采樣點分布圖Fig. 1 Distribution diagram of sampling point sites P1～P9是采樣點Sampling sites P1 to P9

1.3 分析方法與數(shù)據(jù)處理

水體總氮（TN）、總磷（TP）質量濃度采用德國 SEAL AA3連續(xù)流動分析儀測定（夏倩等，2012）。鳳眼蓮單位面積生物量（鮮重）測定：將1 m2內的植株從水中撈起放在篩網(wǎng)上，直至無滴水時稱重而得；莖葉和根系生物量測定：將清洗干凈的10株鳳眼蓮莖葉和根系分離后，直接用電子秤稱量，計算單株莖葉和根系生物量；植株葉片葉綠素含量（SPAD值）使用Spad-502Plus葉綠素儀測定；根長和株高使用米尺測定；植物樣于105 ℃下殺青30 min后，在65 ℃恒溫烘至恒重，然后進行粉碎，采用H2SO4-H2O2消解法測定植物樣氮、磷含量，測定方法詳見《土壤農化分析》（鮑士旦，2000）。

各采樣點所需測定指標均重復3次測定，最后試驗數(shù)據(jù)結果用平均值±標準偏差表示，生長速率計算公式為

表1 工程運行期進水水質及相關指標Table 1 Water quality and other related parameters of influent water during ecological engineering working on

式中，R 為生長速率，單位 g·m-2·d-1；Wn和 Wn+1分別為第n和n+1次監(jiān)測時單位面積的累積生物量（鮮重），單位g·m-2；t為第n和n+1次監(jiān)測的時間間隔，單位d。

統(tǒng)計分析運用 SPSS 20.0軟件處理，采用Duncan多重比較檢驗有關生長指標在各級凈化塘中的顯著性差異，Pearson相關系數(shù)分別考察水體TN和 TP質量濃度與植株相關生長指標間的相關性，顯著性水平設置為0.05。圖表制作運用Origin 8.0和Excel軟件。

2 結果與分析

2.1 凈化塘水體TN和TP濃度變化

工程運行期間，盡管進水TN和TP質量濃度變化較大，但各級鳳眼蓮凈化塘后水體 TN和 TP質量濃度較進水均有較大幅度下降，其中，與進水口相連的一級凈化塘水體TN和TP質量濃度最高，三級凈化塘最低（圖2），這說明經鳳眼蓮凈化塘逐級凈化后，尾水水質改善效果更佳。一級、二級和三級凈化塘水體 TN質量濃度分別在3.17～12.70、1.51～8.11 和 1.13～5.97 mg·L-1之間變化，均值依次為7.94、4.03和2.79 mg·L-1；水體TP質量濃度分別在 0.10～0.30、0.06～0.26 和 0.05～0.25 mg·L-1之間變化，均值依次為0.22、0.15和0.12 mg·L-1。各級凈化塘間，一級凈化塘水體TN質量濃度與二級、三級凈化塘均存在顯著性差異（P＜0.05）；一級凈化塘水體TP質量濃度與三級凈化塘也存在顯著性差異（P＜0.05）。

2.2 鳳眼蓮生物量及其分配格局變化

鳳眼蓮種苗按0.6 kg·m-2投放至各級凈化塘后，一級和二級凈化塘鳳眼蓮單位面積生物量表現(xiàn)為先升后降的趨勢，而三級凈化塘呈現(xiàn)逐漸上升的變化規(guī)律，且一級凈化塘鳳眼蓮單位面積生物量依次高于二級和三級凈化塘（圖 3a）。其中，一級、二級和三級凈化塘鳳眼蓮生物量分別在 8.80～30.30、8.15～21.57 和 7.54～15.22 kg·m-2之間，均值分別為23.09、16.73和12.87 kg·m-2。然而，各級凈化塘鳳眼蓮生長速率均表現(xiàn)為逐漸下降趨勢（圖 3b）。由于鳳眼蓮在凈化塘里受生長空間限制同時氣溫降低等因素致使其生長速率逐漸降低，6月，一級、二級和三級凈化塘鳳眼蓮生長最快，其生長速率依次為(273.38±9.38)、(251.75±2.85)、(231.47±13.89)g·m-2·d-1。此外，各級凈化塘間，僅有一級凈化塘鳳眼蓮生物量及生長速率均顯著高于三級凈化塘（P＜0.05）。

圖2 各級凈化塘水體TN和TP質量濃度變化Fig. 2 Changes of TN and TP concentration in different purification ponds

圖3 各級凈化塘鳳眼蓮生物量的變化Fig. 3 Changes of E. crassipes biomass in different purification ponds

圖4 各級凈化塘鳳眼蓮不同部位生物量的變化Fig. 4 Biomass changes of the stem leaves and roots biomass in different purification ponds

從圖4可知，鳳眼蓮莖葉生物量與根系生物量表現(xiàn)出截然相反的變化規(guī)律，且莖葉生物量高于根系，尤其一級凈化塘莖葉生物量是根系的 4.5～9.8倍。其中，一級、二級和三級凈化塘中平均單株莖葉生物量分別為216.28、108.43和85.80 g，平均單株根系生物量依次為35.82、48.21和55.29 g。全株生物量分配比例中莖葉比例高于根系比例，且一級凈化塘的仍依次高于二、三級凈化塘，但各級凈化塘生物量中莖葉比例整體逐漸降低，而根系比例逐漸增加。各級凈化塘間，一級凈化塘鳳眼蓮莖葉生物量及其比例和根系比例均顯著高于二級、三級凈化塘（P＜0.05）。因此，可以得出不同的氮磷濃度影響了鳳眼蓮生物量的分配格局（圖5）。

2.3 鳳眼蓮形態(tài)特征變化

各級凈化塘鳳眼蓮根長與根冠比的變化趨勢基本一致，且與根系生物量變化趨勢及其相似，株高變化則與莖葉生物量變化規(guī)律相似，而葉片的SPAD則均呈整體下降的趨勢（圖6）。一級凈化塘鳳眼蓮株高、SPAD依次高于二級和三級凈化塘，而根長和根冠比則反之。其中，一級凈化塘鳳眼蓮平均株高為46.31 cm，分別是二級和三級凈化塘的1.6倍和1.9倍，而平均根長和根冠比僅是二級凈化塘的0.86倍和0.56倍，三級凈化塘的0.69倍和0.38倍，這說明一級凈化塘的水環(huán)境較其他凈化塘更適宜鳳眼蓮生長。各級凈化塘之間，一級凈化塘鳳眼蓮株高、根長、根冠比和SPAD均顯著高于三級凈化塘（P＜0.05）且鳳眼蓮株高也顯著高于二級凈化塘（P＜0.05）。

圖5 各級凈化塘鳳眼蓮生物量分配格局的變化Fig. 5 Distribution patterns of E. crassipes biomass in different purification ponds

2.4 鳳眼蓮氮磷含量變化

通過分析各級凈化塘鳳眼蓮莖葉和根系中的氮、磷含量發(fā)現(xiàn)（圖 7），整體上莖葉氮含量高于根系，且莖葉和根系氮、磷含量大小基本上表現(xiàn)為一級凈化塘>二級凈化塘>三級凈化塘。其中，一級、二級和三級凈化塘莖葉平均氮質量分數(shù)分別為24.61、22.62和 19.68 mg·g-1，平均磷質量分數(shù)分別為2.30、1.96和1.65 mg·g-1；而根系平均氮含量依次為20.95、20.49和17.76 mg·g-1，平均磷含量依次為2.05、1.79和1.55 mg·g-1。結合鳳眼蓮平均單位面積生物量（圖 3），生態(tài)工程運行期間，一級、二級和三級凈化塘鳳眼蓮單位面積生物量平均累積吸收氮量分別為27.44、17.59和11.04 g·m-2，磷量為2.57、1.53和0.93 g·m-2。此外，各級凈化塘間，鳳眼蓮莖葉氮含量均存在顯著性差異（P＜0.05），且一級凈化塘莖葉和根系磷含量及根系氮含量顯著高于三級凈化塘（P＜0.05）。由此可見，鳳眼蓮在一級凈化塘吸收水體的氮、磷較多。

2.5 水體氮磷濃度與鳳眼蓮生長指標的相關性

從表2可知，各級凈化塘水體TN和TP質量濃度與鳳眼蓮生物量、莖葉生物量、葉片 SPAD、株高、莖葉和根系的氮磷含量均有正相關性，相關系數(shù)均在0.54以上，而與鳳眼蓮根系生物量、根長和根冠比均呈負相關性，尤其與根系生物量有極強的負相關性，相關系數(shù)均在0.84以上。同時，各級凈化塘鳳眼蓮部分生長指標與水體TN和TP質量濃度具有顯著或極顯著的相關性，比如，6月水體TN質量濃度與鳳眼蓮生物量和莖葉磷含量分別存在顯著（P＜0.05）和極顯著正相關性（P＜0.01），而水體TP質量濃度與莖葉生物量、根系生物量分別有顯著正相關性（P＜0.05）、極顯著負相關性（P＜0.01）?？梢?，水體氮磷濃度與鳳眼蓮生長情況密切相關。

3 討論

水環(huán)境中的營養(yǎng)鹽對水生植物的生長繁殖有明顯的影響，在一定范圍內，水體中營養(yǎng)鹽水平越高，植物生長越快，生物量越大，反之生長緩慢（Clarke et al.，2002）。本試驗結果也表明，在凈化塘水流沿程方向上，水體TN、TP質量濃度逐漸降低，鳳眼蓮為了應對生長環(huán)境中TN和TP質量濃度的變化，其生長特征也發(fā)生了明顯變化。由于一級凈化塘水體TN、TP質量濃度依次高于二級、三級凈化塘，一級凈化塘鳳眼蓮生物量、生長速率也依次大于二級和三級凈化塘。不過各級凈化塘鳳眼蓮的生長速率仍低于太湖敞水區(qū)域和蘇州葑門塘河道夏季放養(yǎng)試驗中鳳眼蓮的生長速率（0.50 kg·m-2·d-1和 0.50～0.70 kg·m-2·d-1）（竇鴻身等，1995），就每天處理1000 t尾水量的處理能力而言，三級串聯(lián)的生態(tài)凈化塘工程的配置規(guī)模較大，后端水質較好，氮磷濃度較低的原因。同時，據(jù)相關文獻報道，水生植物在生長期內莖葉和根系生長相互促進、相互制約（耿浩林等，2008）。然而，不同生長環(huán)境條件下，水生植物在不同器官中的生物量分配也是變化的，會因為營養(yǎng)鹽等環(huán)境條件因素的變化而存在差異（Poorter et al.，2012）。楊鵬鳴等（2010）研究也發(fā)現(xiàn)，水體營養(yǎng)鹽水平易導致水生植物生物量分配格局的差異。本研究結果顯示，鳳眼蓮莖葉生物量顯著高于根系生物量，這與黃成成等（2018）研究發(fā)現(xiàn)空心蓮子草（Herba Alternantherae）地上生物量高于地下生物量的結果類似。此外，由于水體TN、TP質量濃度隨著一級、二級和三級凈化塘依次下降，鳳眼蓮莖葉生物量比例也逐漸降低。

表2 各級凈化塘鳳眼蓮生長指標與氮磷濃度相關性變化Table 2 Correlations between growth indicators of E. crassipes and nitrogen and phosphorus concentration among purification ponds

圖6 各級凈化塘鳳眼蓮的形態(tài)特征變化Fig. 6 Morphological characteristics of E. crassipes in different purification ponds

當生長環(huán)境發(fā)生變化時，漂浮植物鳳眼蓮在個體形態(tài)上的表現(xiàn)最為直觀，比如出現(xiàn)植株莖稈矮小、葉片瘦小發(fā)黃甚至枯萎等現(xiàn)象（陳興，2011）。劉旻慧等（2017）研究發(fā)現(xiàn)，漂浮植物水浮蓮葉片隨水質改善由綠色變成了微黃色。本研究結果表明，凈化塘里的鳳眼蓮為了適應環(huán)境中 TN和 TP質量濃度逐漸降低的變化，其個體形態(tài)也發(fā)生相關性變化。因一級凈化塘水體TN和TP質量濃度較高而導致鳳眼蓮株高顯著高于其他兩個凈化塘，而鳳眼蓮為了在水體TN和TP質量濃度較低的二、三級凈化塘中提高對氮、磷的吸收能力則表現(xiàn)出根長和根冠比不斷增加的變化，這與Xie et al.（2003）的研究結果相似。同時，研究結果也顯示一級凈化塘里鳳眼蓮葉片較二、三級凈化塘寬大且葉綠素含量（SPAD值）多，這說明生境中高的氮磷濃度促進了鳳眼蓮的生長發(fā)育，這與張迎穎等（2011）研究得出的在水體氮磷濃度高的環(huán)境中鳳眼蓮長勢好，葉片寬大呈綠色的結論基本一致。

圖7 各級凈化塘鳳眼蓮植株莖葉和根系氮、磷含量變化Fig. 7 Changes of nitrogen and phosphorus contents of stem leaves and roots among purification ponds

植物體內氮、磷含量水平可反映其生長環(huán)境的狀況（Embaye et al.，2005）。同一植物不同組織內氮、磷含量也有所不同，大部分研究報道，氮和磷含量在植株組織中一般遵循地上部>地下部的分布規(guī)律，即植物對氮、磷的積累主要集中于地上部（李建娜等，2007；張志勇等，2008）。本研究也發(fā)現(xiàn)了同樣的規(guī)律，各級凈化塘鳳眼蓮莖葉氮、磷含量均高于根系，但隨著水體TN和TP濃度逐漸降低，各級凈化塘鳳眼蓮莖葉和根系氮、磷含量均隨之下降，單位面積鳳眼蓮平均富集氮磷量均呈相關性減少，這說明水體中較低的TN和TP濃度不利于鳳眼蓮組織吸收氮、磷。結合鳳眼蓮莖葉生物量高于根系的結論，得知鳳眼蓮莖葉富集氮磷能力強于根系，這與羅固源等（2009）研究發(fā)現(xiàn)4種常見浮床植物（美人蕉Canna indica、風車草Cyperus flabelliformis、菖蒲Acorus calamus和香根草Chrysopogon zizanioides）富集氮、磷的能力均表現(xiàn)為地上部>地下部的結論相似。因此，可以得出鳳眼蓮更加適合凈化氮磷濃度較高的污染水體，因在較高的氮磷負荷條件下，鳳眼蓮生長繁殖速度更快，生物量更大，單位面積植株富集水體的氮磷總量更多。

綜上所述，由于各級凈化塘水體氮磷等營養(yǎng)鹽濃度存在差異，鳳眼蓮生物量、株高、根長等形態(tài)指標亦存在差異，水體氮磷等營養(yǎng)濃度較高的一級凈化塘內鳳眼蓮長勢較好。因而，可通過鳳眼蓮形態(tài)特征變化表觀判斷水質狀況。與此同時，鳳眼蓮比較適合凈化氮磷等營養(yǎng)鹽濃度較高的水體，若營養(yǎng)鹽濃度低于一定范圍后繼續(xù)利用鳳眼蓮處理，其效果并不顯著。因此，在應用鳳眼蓮治理污染水體時，針對水體不同氮磷等營養(yǎng)鹽濃度應配置適宜的鳳眼蓮凈化塘面積。若處理水體氮磷濃度較低時，可減少鳳眼蓮凈化塘面積或加大污水進水量而增加水體氮磷負荷等措施，以節(jié)約污水處理成本。在鳳眼蓮生態(tài)修復工程中，鳳眼蓮主要通過巨大的生物產量吸收水體污染物而達到凈化水質的目的。然而，在實際工程應用中，鳳眼蓮的生長空間往往受到限制，且鳳眼蓮投放后短期內因生長空間大而擴繁速率最快。因此，在生態(tài)修復工程中建議在鳳眼蓮種群密度達到一定程度后定期打撈，其主要原因：一是防止水體缺氧、影響其他動植物生長；二是種群密度過大，不利于鳳眼蓮快速擴繁及最大幅度吸收水體氮磷等污染物；三是密度過大鳳眼蓮種群橫向沖擊力較大，容易破壞防逃設施而導致鳳眼蓮在其他水域肆意泛濫。

針對在鳳眼蓮生態(tài)修復污染水體工程中面對的如何安全種養(yǎng)、打撈、處置等系列技術問題，近10年來，本研究團隊長期致力于鳳眼蓮等漂浮植物修復富營養(yǎng)化湖泊、污染河道等水體的生態(tài)修復工程技術研究，目前已形成了鳳眼蓮“安全控養(yǎng)-機械化收獲、加工處置-資源化利用”成套工程技術體系，該套體系的應用可以有效解決鳳眼蓮后續(xù)的固液分離和資源化利用（能源化、飼料化、肥料化）等問題。

4 結論

各級凈化塘水體氮磷等營養(yǎng)鹽濃度的差異化，顯著影響了鳳眼蓮生長，具體表現(xiàn)為鳳眼蓮在水體氮磷濃度較高的一級凈化塘中表現(xiàn)出生物量大、葉片SPAD高，株高長、根系短等形態(tài)特征。可根據(jù)鳳眼蓮形態(tài)特征的變化表觀判斷凈化塘水質狀況。同時，鳳眼蓮累積富集的氮磷量沿著凈化塘水流方向上逐漸降低，表明該凈化塘仍可承載更高的尾水處理量和污染負荷量，或通過減少生態(tài)工程的規(guī)模配置也可確保出水水質。因此，建議在后續(xù)鳳眼蓮生態(tài)修復污水工程中，依據(jù)鳳眼蓮在不同氮磷濃度中富集氮磷能力的差異，選擇適宜的生態(tài)工程規(guī)模配置，以取得最大效益。