（植物学专业论文）人工湿地环境下三种植物的生理生态特性及污水净化效果研究.pdf

人工湿地环境下三种植物的生理生态特性及 污水净化效果研究 摘要 本文通过对人工湿地环境下植物的生理生态研究，探讨薏米，蜘蛛兰，文殊兰适 应湿地环境的机理，为设置合理的生长条件维持植物的正常生长以及更好地修复和管 理湿地提供理论依据。研究结果表明： l 、在人工湿地环境下，薏米，文殊兰和蜘蛛兰的净光合速率( 砌) ，蒸腾速率 ( t r ) ，气孔导度( g s ) ，叶绿素含量，最大荧光) 和p s i i 最大光化学效率( f v f m ) 较陆地自然环境低，而胞间c 0 2 浓度( a ) 和初始荧光( 而) 升高。其中叶绿素含量， 乃和n o 佣睨在四月份生长旺盛期差异极显著( p 薏米；植 物叶片的硝态氮含量与硝酸还原酶活性有关。 4 、通过比较发现，蜘蛛兰表现了较强的氮吸收能力，薏米的磷吸收能力较高于 蜘蛛兰和文殊兰。蜘蛛兰氮积累量最高可达1 2 5 9 9 m 2 ，薏米磷积累量最高可达 6 0 7 m 2 。植物n 、p 积累量与浓度及生物量之间存在显著相关性。 5 、薏米、文殊兰和蜘蛛兰三种植物湿地对各种污染物的去除能力均比较强，出水 各水质指标均有不同程度的降低。总体而言，在4 ，5 月份植物旺盛生长期对污染物 的净化效果要高于其他时期，在此期间文殊兰湿地在氮去除方面效果较高于薏米和蜘 蛛兰，而对磷的去除三种植物湿地之间没有显著差异。 关键词：人工湿地；植物；生理生态；净化效果 i i e c o - p h y s i o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dp u r i f i c a t i o ne f f i c i e n c yo f w a s t e w a t e ro ft h r e ep l a n ts p e c i e si nc o n s t r u c t e dw e t l a n d j i a n gy u e h u a ( c o l l e g eo f a g r i c u l t u r e ，g u a n g x iu n i v e r s i t y ，n a n n i n g5 30 0 0 4 ，c h i n a ) a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , p l a n te c o p h y s i o l o g yw a si n v e s t i g a t e di nc o n s t r u c t e dw e t l a n ds y s t e m ，t h e a d a p t i o nm e c h a n i s mo fp l a n t s ( c r i n u ma s i a t i c u m , h y m e n o c a l l i sa m e r i c a n a , a n dc o i x a q u a t i c ar o x b ) t ow e t l a n de n v i r o n m e n tw a se x p l o r e d ，t h ep u r p o s ew a st os e tt h er i g h t g r o w t hc o n d i t i o n sf o rt h en o r m a lg r o w t ho fp l a n t sa n dp r o v i d et h e o r e t i c a lb a s i st or e s t o r e a n dm a n a g ew e t l a n d sw e l l t h er e s u l t sw e r e2 l sf o l l o w s ： 1 c o m p a r e d 谢t 1 1n a t u r a le n v i r o n m e n t ，n e tp h o t o s y n t h e t i cr a t e ( 尸刀) ，t r a n s p i r a t i o nr a t e ( t r ) ，s t o m a t a lc o n d u c t a n c e ( g s ) ，c h l o r o p h y l lc o n t e n t ，t h em a x i m a lf l u o r e s c e n c e ( f m ) a n d t h em a x i m a lp h o t o c h e m i c a le f f i c i e n c y ( f v f m ) o fp si ii nt h ed a r ko ft h ep l a n t s ( c o i x a q u a t i c ar o x b ，c r i n u m a s i a t i c u ma n d h y m e n o c a l l i sa m e r i c a n a ) w e r el o w e r ，b u t i n t r a c e l l u l a rc 0 2 ( c oa n dt h em i m m a lf l u o r e s c e n c e ( f o ) w e r eh i g h e ri nc o n s t r u c t e d w e t l a n d s t h e r ew e r es i g n i f i c a n td i f f e r e n c eo fc h l o r o p h y l lc o n t e n t ( p 0 0 1 ) ，f o ( p o 0 1 ) ， m 砌( p c o i xa q u a t i c ar o x b ；t h e r ew a s ar e l a t i o n b e t w e e nn i t r a t e - nc o n t e n ta n dt h en i t r a t a s ea c t i v i t yo fp l a n tl e a v e s 4 a m o n gt h r e ep l a n t ss p e c i e s ，h y m e n o c a l l i sa m e r i c a n aw a ss t r o n g e rt h a nc r i n u m a s i a t i c u ma n dc o i xa q u a t i c ar o x bi nu p t a k ea b i l i t yo fn i t r o g e n , c o i xa q u a t i c ar o x bw a s s t r o n g e r t h a nh y m e n o c a l l i sa m e r i c a n aa n dc r i n u ma s i a t i c u mi n u p t a k ea b i l i t y o f p h o s p h o r u s t h eh i g h e s ta c c u m u l a t i o no fn i t r o g e ni nh y m e n o c a l l i sa m e r i c a n ar e a c h e d 12 5 9 9 m 2 ，t h eh i g h e s ta c c u m u l a t i o no fp h o s p h o r u si nc o i xa q u a t i c ar o x br e a c h e d 6 0 7 9 m 2 t h e r ew a ss i g n i f i c a n tc o r r e l a t i o nb e t w e e nt h ea c c u m u l a t i o no fn i t r o g e na n d p h o s p h o r u si np l a n t sa n dn i t r o g e n ，p h o s p h o r u sc o n c e n t r a t i o na n dp l a n tb i o m a s s 5 t h ec o n s t r u c t e dw e t l a n d sw i t i lt h r e ep l a n t ss p e c i e s ( c o i xa q u a t i c ar o x b ，c r m u m a s i a t i c u ma n dh y m e n o c a l l i sa m e r i c a n a ) h a ds t r o n ga b i l i t yo fv a r i o u sp o l l u t a n t sr e m o v a l o v e r a l l ，t h ep u r i f i c a t i o ne f f i c i e n c yo fp o l l u t a n ti na p r i la n dm a yw a sb e t t e rt h a nt h a ti n o t h e rp h a s e s ，a n dt h er e m o v a lr a t eo ft o t a ln i t r o g e ni nc r i n u ma s i a t i c u mw e t l a n dw a s h i g h e rt h a nt h a ti nc o i xa q u a t i c ar o x ba n dh y m e n o c a l l & a m e r i c a n a ，b u tt h e r ew a sn o s i g n i f i c a n td i f f e r e n c eo ft h er e m o v a le f f e c to ft o t a lp h o s p h o r u sa m o n g t h r e ep l a n t ss p e c i e s w e t l a n d s k e yw o r d s ：c o n s t r u c t e dw e t l a n d ；p l a n t ；e g o - p h y s i o l o g i c a l ；p u r i f y i n ge f f e c t s 缩写及符号说明 c o dc h e m i c a lo x y g e nd e m a n d 化学需氧量 t pt o t a lp h o s p h o r u s 总磷 s p s o l u b l ep h o s p h r u s可溶磷 n 0 3 n 0 3 - n i t r o g e n 硝态氮 n i - h + n h 4 + - n i t r o g e n 氨态氮 p n n e tp h o t o s y n t h e t i cr a t e 净光合速率 t r t r a n s p i r a t i o nr a t e蒸腾速率 g ss t o m a t a lc o n d u c t a n c e 气孔导度 c i i n t e r n a lc 0 2c o n c e n t r a t i o n 胞问c 0 2 浓度 f om i n i m a lf l u o r e s c e n c e 初始荧光 f v f mt h em a x i m a lp h o t o c h e m i c a le f f i c i e n c yo fp si ii nt h ed a r k 光系统j i 最大 光化学量子产量 p p o p o l y p h e n o l o x i d a s e 多酚氧化酶 c a t c a t a l a s e 过氧化氢酶 v 承诺书 广西大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下完成的，研究工作所取 得的成果和相关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其他人已 经发表过的研究成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究 工作提供过重要帮助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。本人完全意识到 本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：荡匙绎 日期： 2 。矿( 7 年多月彳日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：本人保证不 以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容；按照学校要求提交学位论 文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索 与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢 利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 本学位论文属于： 口保密，在年解密后适用本授权书。岍保密。 学位论文全文电子版提交后： q 伺意在校园网上发布，供校内师生和与学校有共享协议的单位浏览。 叶尹、么 作者签名：盗垫生日期：墨= ! ：生：兰 导师签名：乏融日期：丛竺皇：垒：翌 广西大掌硕士论文 l 前言 1 1 人工湿地背景 随着社会生产力的不断发展，工业化城市化的进程加速，各行各业以及居民日常 生活排放的污水量急剧增加，而水体自身的净化能力有限从而导致了许多城市出现了 严重的水污染，这已经严重地制约了社会经济的发展。传统的处理污水的化学物理方 法如污水处理厂和生化二级处理厂由于投资和运行费用过高，处理污水容量有限，在 中小城市难以承载和推广。因此，发展和推广处理污水效果高且低成本的生物污水处 理技术是改变当前水资源缺乏状况的一条重要途径。近几十年来国内外学者都在探索 寻求各种有效的污水处理方式，人工湿地污水处理系统便应运而生。人工湿地的含义 是依据地处理系统及水生植物处理污水的原理，是人们通过用沙子、砾石和其他具 有强吸附能力的土壤矿物等按一定厚度比例构成基质床，同时种植经过选择具有生物 量大、吸收能力较强、耐性强的植物，从而构成的一个具有类似天然湿地性质的处理 污水生态系统( 吴建强，2 0 0 5 ；杨苛，2 0 0 7 ；付国楷等，2 0 0 8 ) 。它的指导思想来源 于根据水体自身固有的净化能力，对污染物存在一定的受纳容量，把净化污水、污水 循环利用及改善环境相结合起来。人工湿地是2 0 世纪7 0 年代末发展起来的种污水 处理新技术，它避免了物理化学方法处理污水治理不彻底，且容易造成二次污染的缺 点，具有建造及运行费用低、维护管理简单、污水净化效果好以及对污水负荷变化适 应能力强等优点，不足之处在于人工湿地占据的面积比较大，比较适合应用于中小城 镇和农村的污水处理，这些地方技术管理水平不太高，而且规模又比较小( v e r h o e v e n e ta 1 ，1 9 9 9 ；梁继东，2 0 0 3 ) 。人工湿地污水技术研究在国外已经比较成熟，被广泛 应用在土地资源较为丰富的国家，如欧洲的英国，荷兰，美国和澳大利亚等，目前正 被越来越多的国家和地区建造并推广使用( 杨苛，2 0 0 7 ) 。 1 2 人工湿地系统的基本组成及其在系统中发挥的作用 人工湿地污水处理系统主要包括以下几部分： ( 1 ) 基质，如沙子、砾石、黏土等等。基质的作用是为湿地植物提供了生长的载 体，同时也为微生物种群的生长提供稳定的附着表面，是湿地系统去除污染物发生离 广西大学硕士论文 工湿地环境下三种植物的生理生态特性及污水净化效果研究 子交换吸附反应的主要界面之一( 姚芳，2 0 0 5 ) ；。 ( 2 ) 植物。植物是人工湿地系统最突出的亮点组分。在湿地系统中植物不但可以 吸收污水中的营养物质，而且还能通过光合作用将产生的氧气传送至植物的根部，从 而给好氧微生物的自身代谢提供较好的生存环境。 ( 3 ) 微生物。微生物在人工湿地系统中同样发挥着重要作用，它们是人工湿地系 统降解有机污染物组分的重要分解者。此外，对有些重金属离子的聚集和吸附，可通 过湿地系统中好氧微生物的硝化作用得以加强( 旷远文等，2 0 0 4 ；s a s 抛e ta 1 ，2 0 0 3 ) 。 1 3 目前国内外对湿地植物的研究 植物是人工湿地的核心组成之一，也是人工湿地处理系统最突出的生物特征，在 人工湿地中发挥了重要作用。植物在系统中的作用主要体现在以下几方面( 吴建强等， 2 0 0 5 ) ：吸收和富集污水中的营养元素；通过光合作用将产生的氧气输送至根区， 从而为好氧微生物提供良好环境；减少了介质的封闭性，增强了介质的孔隙度和疏 松度，由此加强了污水在湿地系统中的流动。目前，采用人工湿地植物处理各类污水 在国内外得到广泛应用。除了生活污水( g e m m ae ta 1 ，2 0 0 3 ) 外，还用于农业( 高 吉喜等，1 9 9 7 ) 、畜牧业( 廖新悌等，2 0 0 3 ) 、水产( t a n n e re la 1 ，2 0 0 5 ) 、食品( h e a t h e r e ta 1 ，2 0 0 1 ) ，和矿山( 唐述虞，1 9 9 6 ) 等工农业废水及垃圾渗滤液的处理。 1 3 1 人工湿地植物对污染物的去除效果研究 在人工湿地污水处理系统中，植物不仅由于自身生长需要吸收营养元素，同时植 物通过光合作用产生氧气并释放到根区，能为微生物带来的适宜的生长环境，正是植 物和其他生物的共同作用使污染物得以降解( b f i x ，1 9 9 4 ) 。以往对湿地植物的研究 成果，主要是以污染物去除为主。 首先植物的生长需要营养物质不断摄入，而污水中含有的大量矿质元素能满足其 生长需求。污水来源种类较广，有生活污水、工业农业排放的废水，通常达到富营养 化，各种污水污染物均含有相似的基本组分，如氮、磷、有机物等。生活污水中含有 丰富的磷元素，通过植物吸收，新陈代谢可转化成植物体内自身大分子的有机成分， 然后最终在生长后期通过植物地上部的收割而移除出湿地；而污水中氮元素中的有机 成分可被微生物分解与转化成无机氮( 氨氮和硝酸盐氮) 后，无机态氮能被植物直接吸 2 人工湿地环境- - i t 三种植物的生理生态特性及污水；| 吖匕效果研究 收利用，在体内有关酶的参与下合成自身体内蛋白质等有机成分，最终也是通过收割 植物地上部从污水和湿地系统中去除( 张鸿等，1 9 9 9 ) 。植物类型和种类不同，会导 致植物对污水中营养物质的吸收利用能力有所差异。研究认为挺水植物的吸收污染物 的能力要大于沉水植物的吸收能力。漂浮植物的根系以及挺水植物的茎和叶片能够有 效降低水流的速度，在沉淀和过滤悬浮有机或无机颗粒物方面发挥重要作用 ( g r e e n w a y ，2 0 0 3 ) 。袁东海等( 2 0 0 4 ) 对潜流型人工湿地系统对污染物氮的去除效 果进行了相关研究，结果发现种植有植物的人工湿地系统在对总氮和化学需氧量指标 的去除效果均比没有种植植物的人工湿地系统要好；成水平等( 1 9 9 8 ) 通过做了相关 污水处理试验的研究，结果显示种植有灯芯草和水烛的人工湿地系统中的基质氮、磷 的含量显著低于比没有种植任何植物的对照基质中的含量，得出湿地系统中部分的氮 和磷物质被植物吸收利用的结论；刘春常等( 2 0 0 7 ) 在对华南地区常见的湿地植物进 行了研究也发现种有植物的湿地系统对氮的处理能力要好于无植物的沙滤系统且各 项污染物含量呈下降趋势；孙光等( 2 0 0 8 ) 对芦苇、香蒲和莒蒲三种植物湿地对污水 的净化效果进行了研究，结果表明，三种植物对氮、磷、有机物的去除率在5 0 以上， 其中又以香蒲的去除效果最好。芦苇床湿地系统在沿海地区也被广泛使用，它能有效 阻挡海洋过量营养物质的进入( h o s o k a w ae ta 1 ，1 9 9 2 ) 。此外，对芦苇的研究了不仅 在沿海，芦苇还与菖蒲、苔草、茭白等植物搭配种植应用在垂直流人工湿地污水系统。 吴振斌等( 2 0 0 1 ) 利用这些植物搭配种植研究对污水中磷的去除研究发现，种植有植 物的湿地系统对磷的净化效果以及湿地床去除磷的稳定性均高于没有种植任何植物 对照湿地系统，且种有植物的湿地系统对总磷的平均去除率最高可达6 5 。 再者，污水中的重金属和一些有毒有害物质也能被植物的根系吸收和累积。污水 中的金属离子进入植物体内后不同程度地积累于植物中，从而减少了在水体中重金属 污染物的含量。有些超积累植物体内的金属离子积累浓度，还能达到其生长环境中该 项离子浓度的几十甚至上百倍以上。重金属离子和有害物质( 如有机氯农药等) 可贮 存于植物体内的某些部位形成金属硫蛋白却不对植物本身造成伤害。据相关研究表 明，香蒲吸收铅和锌重金属离子进入体内后，主要积聚在表皮细胞中的细胞壁上，只 有少量金属离子进入原生质层。g r o u d e v a 等( 2 0 0 1 ) 研究发现，香蒲、狭叶香蒲、芦 苇、水葱和灯芯草可吸附和富集铜、镉、铅、铁和油类物质；植物不同组织对重金属 离子的累积能力也不同，主要集中在植物根部，通常是根部重金属含量最高，其次是 茎，叶片重金属含量相对较低，且植物各部位的累积重金属的系数随着污水中离子浓 3 广西大学硕士论文人工湿地环境- l r 三种植物的生理生态特性及污水净化效4 r - 研究 度的升高而降低( 廖绅裕等，1 9 9 9 ) 。研究认为不同植物种类吸收积累重金属和一些 有毒有害物质的能力不同，且沉水植物对重金属的吸收积累能力较高于飘浮植物和挺 水植物。还有其他一些植物如槐叶、细绿萍、泽泻、狭叶慈姑、荇菜等对镉、砷、汞 以及锌等重金属也有一定的吸收富集作用( 张宗元等，2 0 0 7 ) ；风车草吸收累积污水 中锌、镉和铅等金属离子的浓度在1 0 左右，而对污水中铜离子和锰离子的去除率可 高达3 0 ( 吴献花，2 0 0 2 ；y ezhe ta 1 ，2 0 0 1 ) ；陈明利等( 2 0 0 8 ) 研究了凤眼莲、 水雍、水花生和荇菜四种植物对含有镉和锌重金属离子的去除效果，发现植物对镉和 锌重金属离子有较好的去除效果，去除率在4 0 6 0 之间，根部是主要的富集器官： 叶志鸿等( 1 9 9 2 ) 等研究也发现香蒲对铅和锌有很强的吸收和富集的能力；还有研究 结果表明，宽叶香蒲和黑三棱对人工湿地系统中油类有机物，铅和锌重金属有很强的 吸收同化以及吸附富集能力( e l l i se ta 1 ，1 9 9 4 ) 。此外，不仅局限于水生植物，一些 陆生植物也被应用于湿地系统，并发现某些陆生植物也能大量吸收累积重金属离子， 且重金属离子含量在植物体内浓度可高达1 0 m g k g 。 人们不仅仅在自然环境寻找对重金属超强吸收的超积累的植物，而且采用高科技 转基因等手段而具有超强积累能力的品种也正在开发。中科院陈同斌研究员发现蜈蚣 草能大量吸收富集硒元素。此外，研究表明湿地植物还可以吸收降解有机化合物。由 于湿地植物的表皮呈现富脂性，且比表面积很大，根据物质“相似相溶“的原理，毒 害较强的有机物可以被湿地植物吸收( 唐志坚等，2 0 0 3 ) 。易志刚等( 2 0 0 6 ) 对复合 人工湿地系统的进水和出水的持久性有机污染物( 芳香族化合物) 的含量进行测定， 结果发现下行植物床的湿地系统对苯并芘等有机污染物的去除率超过8 0 ；外国学者 a i t c h i s o n 等( 2 0 0 3 ) 对比了杂交杨在水培和模拟土壤两种环境条件下对有机化合物的 降解及去除效果，结果发现杂交杨的茎与叶水培条件下对去除污染物的去除速率和效 率要高于在模拟土壤条件。大量研究结果表明，植物吸收到体内的很多有毒有害的有 机物进入植物体内后，通过反应络合形成金属硫蛋白最后可被降解为其它无毒的化合 物，有的甚至还降解为二氧化碳和水，这正是人们期待的绿色净化途径。 1 3 2 植物向人工湿地系统释放的物质研究 湿地植物除了从污水中吸收物质之外，还能向系统主要在根区释放一些物质。首 先最主要的就是植物通过光合作用释放氧气到根区。通常人工湿地环境由于长期积水 4 广西大掌硕士论文人工湿地环境- - i t 三种植物的生j l t 生态特性及污水净化效果研究 淹渍，造成缺氧，这对很多动植物而言是一种极端不利的生存环境。在这种条件下， 生物的有氧呼吸受到限制，这会导致某些物质元素的浓度积累过高而达到有毒有害的 水平( 吴晓磊，1 9 9 4 ) 。植物借助太阳光发生光合作用把产生的氧气通过通气组织输 送到根区，向根区释放氧气使根区附近形成一个有氧环境，在这小区域适合好氧微生 物的生长繁殖；而离植物根系较远的区域则氧气含量低甚至完全缺氧，适合嫌气性微 生物活动，这为不同种群微生物提供良好生存环境。因此湿地植物向地下输送氧气的 同时，基质中好氧和厌氧微生物根据自身的特点发生硝化和反硝化作用从而去除污水 中的污染物。 植物不仅能释放氧气，植物根系还能向湿地系统释放其他物质。德国学者s e i d e l 博士通过实验研究证实，灯芯草在根部能够释放出抗生素( 李志炎等，2 0 0 4 ) 。一些 植物如芦苇的枯枝落叶腐烂后还能释放出的有机酸类物质能影响芦苇自身的生长 ( a r m s t r o n ge ta 1 ，1 9 9 6 ) ；宽叶香蒲进入生殖生长后的衰老的叶片和枝条落入湿地 中被污水浸泡腐烂后，新芽的萌发率低，且生长速率降低( m c n a u g h t o n ，1 9 6 8 ) 0 、 此外，植物释放的物质不但影响自身生长，同时也会周围其他植物的生长。研究表明， 水葱、木贼、宽叶香蒲及苔草这些植物衰老腐烂后能分泌出化感物质，导致在它们周 围生长的芦苇长势也变差( s c z e p a n s k a ，1 9 7 1 ) ；石菖蒲也能抑制其周围藻类的繁殖 生长( 何池全，1 9 9 9 ) 。 1 3 3 湿地植物的生理生态研究 湿地植物是湿地生态系统重要的生物因素，对于湿地生态起着关键性的作用。湿 地植物的生长和生理特征与其营养吸收和净化污水有明显的相关性，相关研究表明植 物在春夏季生长旺盛的时候对氮、磷的去除效果较好( 葛滢等，2 0 0 0 ) ；植物最大光 合速率与植物叶片的氮含量正相关( h i r o s ee ta 1 ，1 9 8 7 ) 。可见，要保持较高的污水 净化能力，维持植物良好的生长生理状态很重要。早期宽叶香蒲和水烛的两种植物体 内气体输导状况被有些学者进行了相关研究，结果显示水烛的气体交换容量要远远大 于宽叶香蒲，这说明了水烛更能在较深的水体中生长( b e n d i x ，1 9 9 4 ；t o m b j e r g ， 1 9 9 4 ) 。植物的气体交换的情况与植物种类有关。k n a p p ( 1 9 9 5 ) 研究了宽叶香蒲的气 体交换情况，发现它的气孔在夜间是完全关闭的，而通常植物气孔在黑夜是开放的， 这一点宽叶香蒲与其他植物正好相反。 5 广西大掌硕士论文 工湿地环境下三种植物的生理生态特性及污水净化效果研究 除了对研究湿地植物的气体输导情况之外，湿地植物的光合作用以及抗性生理如 植物体内酶活性近来也被一些学者报道。光合作用是植物最基础的代谢过程，是植物 生长形成生物量的重要途径，也是湿地系统净化污水的能量来源( s h i m pe t a 1 ， 1 9 9 3 ) ，植物利用二氧化碳和水进行有机碳化物的合成产生氧气从而为植物根区微生 物的好氧呼吸提供氧气。徐惠风等( 2 0 0 4 ) 对人工湿地园中沼泽植物水蓼( p o l y g o n u m h y d r o p i p e l l ) 蒸腾特性日变化进行了研究，结果表明水蓼叶片的蒸腾速率日进程在 晴朗的天气呈单峰曲线变化，最高峰值出现在下午的1 4 ：0 0 ，认为水蓼的蒸腾速率日变 化是受其自身所具有的特殊生理特性所决定，并且叶片气孔阻力直接影响蒸腾速率： 同时他们还对人工湿地园中泽泻植物蒸腾特性日变化进行研究，发现泽泻叶片的蒸腾 速率日进程呈双峰曲线变化，出现午休现象，上午的峰值要高于下午。此外，泽泻植 物的蒸腾速率日变化不受叶片温度、相对湿度、大气温度和光量子通量密度单一因素 的影响，而是由泽泻自身的生理特性所决定的( 徐惠风等，2 0 0 3 ) 。靖元孝等( 2 0 0 5 ) 研究了淡水条件下潜流型人工湿地污水处理系统中木本红树植物海桑、桐花树和木榄 的生理生态特性，结果表明三种植物的生理指标与季节温度相关。在研究中发现，污 水中污染物的含量对植物的生理指标也有影响。陈国祥等( 2 0 0 2 ) 对菱和睡莲两种水 生植物在不同磷营养水平下叶的几项主要的生理指标进行了检测，从中可以看出，光 合速率、呼吸速率、菱叶的a t p 含量和睡莲叶的有机磷含量都呈现钟罩形的变化趋势， 表明对于两种植物的光合作用都存在一个最适的磷供应量，在最适水平时光合作用达 到最高，磷供应量低或高的磷水平下都有所降低。在湿地植物抗性生理方面，水葫芦、 水花生在萘污染下，体内过氧化物酶( p o d ) 活性逐渐升高，而浮萍、紫萍和细叶满江 红的酶活性随萘浓度增加先升高后降低( 刘建武等，2 0 0 2 ) 。在初春较寒冷的气候条 件下，伊乐藻、微齿眼子菜、竹叶眼子菜、石菖蒲和水芹菜这5 种植物的叶片脯氨酸 含量随水体营养等级的升高而增加( 黄蕾等，2 0 0 5 ) 。李宗辉等( 2 0 0 7 ) 研究发现 芦苇和香蒲叶片以及根系的过氧化物酶( p o d ) 活性比在净水培养高，而污水培养的 叶片过氧化氢酶( c a t ) 活性较净水培养下低。 1 4 本研究的目的和意义 湿地植物是人：【湿地系统的重要组成之一，在系统中发挥着举足轻重的作用。从 以往的研究来看，人们对人工湿地的研究主要集中在从工程技术角度提高污水中污染 物去除效果，如主要是对污水污染物中常规分析项目氮、磷、有机物以及部分重参属 6 、工湿胡l 环境下三种植物的生理生态特性及污水净化效果研究 离子等的净化效果研究，很少从植物的角度来提高净化污水能力。疏不知，植物生长 的好坏直接影响到整个湿地系统运行的效果，研究表明植物的生长和生理特征与其营 养吸收和净化污水效果有明显的正相关性，湿地植物在春夏季长势旺盛的时候对污水 中氮、磷的去除效果较好( 吴振斌等，2 0 0 0 ) 。人工湿地是种人们参照天然湿地自行 建造的工程，不仅具有类似天然湿地积水的特征，而且人们可以对湿地系统进行人为 操控、改进和强化。在这种环境条件下，湿地植物的光合作用、呼吸速率及其他代谢 过程都与自然环境有较大的不同( 成水平，2 0 0 2 ) 。叶绿素荧光特性被认为是植物光 合作用与环境关系的内在探针，能更进一步阐明植物叶片光合作用过程中光系统对光 能的吸收、传递、耗散、分配等，与“表观性”的气体交换指标相比，叶绿素荧光参 数更具有反映“内在性”的特点( 隆小华等，2 0 0 6 ) 。目前叶绿素荧光分析技术应用于 植物逆境生理、水域生态、病虫害、作物增产潜力预测等方面的研究已取得一定进展， 但对人工湿地处理污水环境下植物光合过程中荧光特性的研究还未见报道，借此评价 自然环境和污染物质对植物的影响程度( 已发表在生态环境) ) 2 0 0 8 年第1 7 卷第6 期) 。 人工湿地对植物而言属于非常不利的生存环境。在这种环境下，湿地植物的根部 长期性地处于淹水形成的厌氧环境中，在污水的长期淹渍下湿地植物为了生存适应环 境会改变自身外部( 如叶片形状、根系形态性状) 以及内部( 在生理调节) 上提高对 不利环境的耐逆性，以此来缓解湿地系统对植物生长的不利影响( m o n i k ah a r d e je t a l ， 2 0 0 2 ) 。人工湿地系统净化污水效果的高低与植物自身生理活性的强弱有关，生态环 境的改变会影响植物体内酶的含量和活性大小。此外，污水中含有丰富的营养物质( 如 n 、p ) ，植物能够直接吸收利用的主要是无机部分( n h 4 + 和n 0 3 ) 。n 0 3 必须先 被还原成铵根0 , n - h + ) 才能参与植物的n 代谢过程。由n 0 3 。还原到n h 4 + 的反应分为 两步：第一步是n 0 3 还原成n 0 2 。，此步反应由硝酸还原酶( n r ) 催化；第二步是n 0 2 还原成n h 4 + ，由亚硝酸还原酶( n i r ) 催化。其中，第一步反应是整个过程的限速反 应，而硝酸还原酶是整个过程的限速酶( l o p e se ta 1 ，1 9 9 7 ) 。硝酸还原酶在氮代谢 中起重要作用，因此研究硝酸还原酶的活性对于湿地植物氮代谢的研究具有重要意 义。关于硝酸还原酶活性，国内外已进行了许多研究，主要集中在不同作物或同一 作物不同品种之间增施肥料的比( 沈其荣等，2 0 0 3 ；王朝辉等，1 9 9 6 ；r e i n i n ke ta 1 ， 1 9 8 7 ) ，对于湿地植物营养代谢与污水富营养环境关系的研究报道还很少见。本研究 通过对人工湿地环境下植物的生理生态特征研究，揭示湿地环境与植物生理生态之间 的关系，探讨慧米、蜘蛛兰、文殊兰适应湿地环境的机理，通过对一些环境生态因子 广西大学硕士论文人工湿地环境下三种植物的生理生态特性及污水净化效果研究 的调控和改变来优化植物种群的人工湿地环境，最大发挥人工湿地系统的处理效果， 为设置合理的生长条件维持植物的正常生长以及更好地修复和管理湿地提供理论依 据。这也将为中生植物对水分的适应提供新的研究思路和方法，从而拓宽湿地植物的 选择范围。 8 人工湿地环境下三种植物的生理生态特性及污水净化效果研究 2 材料与方法 2 1 材料 本研究试验植物材料有以下三种： 薏米( c o i xa q u a t i c ar o x b ) ，禾本科植物，薏苡属。通常生长在湿润的地方，喜温 和潮湿的气候，喜水忌干旱，不耐寒，生长适宜温度为1 5 3 5 ；植物表现为茎多年 生，有节，节间细长，节上发出根和分枝。 蜘蛛兰( h y m e n o c a l l i sa m e r i c a n a ) ，别名水鬼蕉，属石蒜科植物。对土壤适应性比 较广；喜温暖、湿润环境，不耐寒；花期5 - 7 月。 文殊兰( c r i n u ma s i a t i c u m ) ，石蒜科文殊兰属。多年生常绿草本植物；喜温暖、 湿润环境，不耐寒，耐盐碱。 2 2 研究方法 2 2 1 处理方法 试验地点在广西大学农学院教学科研基地内。分为模拟垂直流湿地和陆地自然环 境两种处理。其中模拟垂直流湿地实验在高6 1 厘米、上口直径7 l 厘米的大塑料桶进 行，桶内从下至上依次填入1 0 厘米厚的大鹅卵石( 直径3 5 厘米) 、5 厘米厚的小鹅 卵石( 直径约2 厘米) 、1 0 厘米小鹅卵石与沙的混合物( 1 ：1 ) 、2 5 厘米厚沙层，在 距桶底部7 厘米处安装水龙头用于排水( 杨苛，2 0 0 7 ) 。( 已发表在生态环境2 0 0 8 年第1 7 卷第6 期) 薏米、文殊兰和蜘蛛兰三种植物单独种植，分别构建薏米人工湿地、文殊兰人工 湿地和蜘蛛兰人工湿地，每组3 个平行。同时在自然条件下( 陆地) 种植与人工湿地相 同三种植物且长势相当的各3 0 株作为对照，比较两种生境下植物的光合特性。种植 6 0 天后于2 0 0 8 年1 月中旬对两种生境的植株地上部进行剪断，使之重新抽出新芽， 在随后培育的时间每周定期对模拟人工湿地进行污水淹水灌溉，污水来源于广西大学 东校园教职工生活区排放的生活污水。经过冬季休眠后，植株在2 0 0 8 年3 月初开始 复苏，当植株长出3 4 片叶子时即3 月2 0 日开始实验，至6 月底结束。( 已发表在 生态环境2 0 0 8 年第1 7 卷第6 期) 9 人工湿捌口啄境- g 三种植物的生理生态特性及污水净1 芝效果研究 2 2 2 指标测定方法 2 2 2 1 水样的测定方法 每隔3 0 天对进水口的水质以及污水停留5 天后在各植物湿地的出水口采集水样 5 0 0 m l ，进行相关指标的测定。 ( 1 ) c h e m i c a lo x y g e nd e m a n d ( c o d ) 的测定：采样重铬酸钾法( 国家环保局水 和废水分析方法编委会，2 0 0 2 ) ， ( 2 ) t o t a ln i t r o g e n ( n d 的测定：采用碱性过硫酸钾分解紫外光光度法测 定( 国家环保局水和废水分析方法编委会，2 0 0 2 ) ， ( 3 ) n h 4 + - n i t r o g e n ( n h 4 + ) 的测定：采用纳氏试剂光度法( 国家环保局水和 废水分析方法编委会，2 0 0 2 ) ， ( 4 ) n 0 3 - n i t r o g e n ( n 0 3 ) 的测定：采用紫外分光光度法( 国家环保局水和废水 分析方法编委会，2 0 0 2 ) ， ( 5 ) t o t a lp h o s p h o r u s ( t p ) 的测定：取分析水样2 5 毫升，采用过硫酸钾氧化一 钼锑抗分光光度法( 国家环保局水和废水分析方法编委会，2 0 0 2 ) 。 ( 6 ) s o l u b l ep h o s p h r u s ( s p ) 的测定：先用0 4 5 微米滤膜过滤水样，采用钼锑抗 分光光度法测定( 国家环保局水和废水分析方法编委会，2 0 0 2 ) 。 2 2 2 2 植物采样与测定 在试验期间( 2 0 0 8 年3 月6 月) ，每隔3 0 天对生长在人工湿地和陆地自然环境下的三 种植物地上部采样，每种植物随机抽取4 株，进行酶活性测定，叶绿素、植物氨氮和 硝态氮含量测定；并现场记录植物的生长情况，包括地上部鲜重、株高、叶长、叶宽 等，再取每种植物地上部分1 0 0 2 0 0 克烘干至衡重测其干重。同时测量单位面积植物 数目，以便计算单位面积总生物量及氮磷积累量。烘干样品用做植物氮和磷含量测定。 ( 1 ) 酶活性测定方法 在供试植物中选取由植物顶端数下来第一张功能叶片，在生长期每隔3 0 d 测定一 次。具体参照汤章诚( 1 9 9 9 ) 的方法。 c a t a l a s e ( c a t ) 的测定：采用分光光度法在2 4 0 n m 处测定吸光值，以l m i n 内a 2 4 0 减少0 0 1 的酶量为1 个酶活性单位( 酶活性u g d 鲜重) 。 p o l y p h e n o l o x i d a s e ( p p o ) 的测定：采用分光光度法在- t 2 0 n m 处测定吸光值，以吸 光值改变0 0 1 m i n 为一个多酚氧化酶单位( 酶活性u g 。1 鲜重) 。 l o 广西大掌硕士论文 、工湿地环境下三种植物的生理生态特性及污水净化效果研究 硝酸还原酶：称取1 0 克植物叶片鲜样，用萘基乙烯二胺活体比色法测定硝酸还 原酶活性。以每小时每克鲜重材料n 0 3 的增量表示酶活性的大小，参照赵世杰等 ( 2 0 0 2 ) 的方法。 谷氨酰胺合成酶：称取o 5 克叶片鲜样，加入3 m l 提取缓冲液( 内含0 0 5m o l l t r i s 缓冲液，2 m m o l l m g s 0 4 7 h 2 0 ，2 m m o l l d t t ，0 4 m o l l 蔗糖，在冰浴研磨成匀 浆，然后在4 下11 0 0 0 r p m 离心2 0 m i n ，上清液即为酶的粗提液用于谷氨酰胺合成 酶活性的测定，具体方法参照赵世杰等( 2 0 0 2 ) 的方法。 ( 2 ) 植物形态实验中植物选取及测量方法 植物的形态测定以同种类供试植物样品为主，分别在人工湿地和陆地自然环境 选取5 株生长较为一致的植株。在实验室通过标尺准确测量植物株高，以及顶部第一 片功能叶片的叶长，叶宽( 最大宽度) 。收获植物地上部，用天平称量获取地上部鲜重。 ( 3 ) 光合参数的测定 使用t p s 1 光合作用测定仪，分别对人工湿地和陆地自然环境的3 种植物叶片 的n e tp h o t o s y n t h e t i cr a t e ( 砌) 、s t o m a t a lc o n d u c t a n c e ( g s ) 、i n t e r n a lc 0 2c o n c e n t r a t i o n ( c ) 、t r a n s p i r a t i o nr a t e ( t r ) 等指标进行测定，测定部位为选取每种植物长势良好 的植株的顶部成熟功能叶片，重复4 6 次。根据植物的生命周期，对薏米、文殊兰和 蜘蛛兰的实验时间在3 月2 0 日到5 月3 0 日，每个月选取晴朗的2 3 天于早上9 ：0 0 i l ： 0 0 测定。( 此段本人己发表在生态环境2 0 0 8 年第1 7 卷第6 期) ( 4 ) 叶绿素荧光参数的测定 采用p a m 2 0 0 0 便携式叶绿素荧光仪( w a l z ，g e r m a n y ) 对在人工湿地和陆地两种 生境生长的蜘蛛兰、文殊兰和薏米叶片的叶绿素荧光参数进行测定，测定部位为选取 每种植物长势良好的植株的顶部成熟功能叶片，重复4 6 次，测定指标包括m i n i m a l f l u o r e s c e n c e ( 而) 、t h em a x i m a lp h o t o c h e m i c a le f f i c i e n c yo fp si ii nt h ed a r k ( f v f m ) ， 重复3 5 次。测定前用w a l z 叶夹进行暗适应1 5 m i n 的遮光处理。实验时间在3 月2 0 日到5 月3 0 曰，每个月选取晴朗的1 2 天傍晚进行。( 已发表在生态环境2 0 0 8 年第1 7 卷 第6 期) ( 5 )