青岛滨海地区土壤和水体的盐碱含量高，植被覆盖率低，加上经济高速发展带来的水体污染，致使当地水生植被稀少，筛选并研究既能耐盐碱又对水体有一定净化功能的植物成为当务之急.

一般植物适宜在pH 5.5~7.0，盐度0~3.5‰的土壤或者水体中生长^[1]，而当盐度大于6‰、 pH大于8.1时，盐碱会对植物形成离子毒害^[2]、 造成渗透胁迫、 破坏物质能量平衡^[3]，植物因不能进行正常的细胞代谢而死亡^[4]. 芦苇(Phragmites australis)是一种广生态幅植物，抗逆性较强^[5]，可作为湿地植物修复受污染水体^[6]、 作为富集重金属的植物修复重金属污染土壤^[7]、 作为乡土植物与外来物种竞争^[8]、 作为盐生植物绿化盐碱地^[9]等，且有研究表明芦苇能改善盐碱地的盐碱环境，在其生长周期内土壤pH平均由9.22降低到8.79，电导率平均值降低了55.3%^[10]，但有关芦苇作为水生植物修复滨海地区高盐碱含量水体的研究甚少. 香蒲(Typha angustifolia)是一种能水生的湿地植物，能有效地净化被污染水体^{[11, 12, 13]}，而且对土壤中重金属有一定的耐受性^[14]，有些研究表明香蒲能耐受一定的盐度^[15]，但作为水生植物其耐盐碱性及净化含盐碱污水的研究极少. 鉴于芦苇对不良环境的高适应性^[16]，加之香蒲具有强大的根系和较高的生物量，会对氮、 磷有较好的去除效果^[17,18]，而且滨海河口地区气候湿润，适合芦苇、 香蒲生长，开展芦苇、 香蒲对滨海区高盐碱环境的生态修复效果的研究，有助于指导滨海盐碱地区利用芦苇、 香蒲进行生态修复.

通过探索芦苇、 香蒲能够耐受的盐度和pH值，研究芦苇、 香蒲的耐盐碱机制，比较芦苇、 香蒲分别对氨氮、 硝氮、 总氮及总磷去除能力的大小，以期为筛选既能耐盐碱又能净化水质的植物提供理论依据，同时为青岛市高新区人工水系植被景观恢复提供科学依据.

芦苇(Phragmites australis)，禾本科芦苇属，多年水生或湿生的高大禾草，择水而生. 地下有发达的匍匐根状茎，且适应性广、 抗逆性强^[19]、 生长速度快、 成活率高，是改良盐碱土壤的首选.

香蒲(Typha angustifolia)，香蒲科属，多年生沼生草本，生长于水边、 沼泽地及浅水中. 有伸长的根状茎，上部出水，地下茎直立粗壮，适应性强，喜光照，耐盐性较好，可用于污水净化^[20].

本实验所采用的芦苇和香蒲均采自青岛市高新区人工水系周边.

青岛市高新区人工水系的来水为海水、 河水、 污水处理厂的再生水和偷排的污水，整个水系水体有时盐度高达20‰、 pH高达9.5，富营养化严重，水生生态景观萧条，研究区位于主体人工水系西南部. 实验所用水样水质根据青岛市高新区人工水系研究区水质范围最大值设置，如表 1. 本文将所选植物分别种植在一系列盐度(0‰、 2.5‰、 5.0‰、 7.5‰、 10.0‰、 12.5‰、 15.0‰)和pH(7.0、 7.5、 8.0、 8.5、 9.0)梯度下，通过其生长、 生理指标变化研究其对盐碱的耐受性，通过测定实验开始及结束时水中氮、 磷剩余质量浓度研究植物对氮磷的去除效果.

表 1(Table 1)

表 1 青岛高新区人工水系研究区水质调查结果 (2013年8月~2013年10月) Table 1 Water quality survey result of artificial water body in the study area of Qingdao high-tech zone (August 2013-October 2013) 项目 盐度/‰ pH 硝氮/mg·L-1 氨氮/mg·L-1 总氮/mg·L-1 总磷/mg·L-1 研究区水质范围 9.70~15.13 7.55~8.97 1.62~1.69 1.30~1.41 3.88~4.00 1.03~1.11

表 1 青岛高新区人工水系研究区水质调查结果 (2013年8月~2013年10月) Table 1 Water quality survey result of artificial water body in the study area of Qingdao high-tech zone (August 2013-October 2013)

将长势一致的芦苇、 香蒲用塑料泡沫板固定于250 mL的烧杯中，每个烧杯中种植1棵植物，种植密度大约为252.53株 ·m^-2. 其中盐和pH胁迫下芦苇、 香蒲植株的初始鲜重和株高如表 2所示，按照设定的梯度进行盐和pH分别胁迫，其中pH用Na₂CO₃、 NaHCO₃按照一定的比例调节(因为pH用碱性盐调节，故文中将pH胁迫简称碱胁迫)，为避免盐激效应，在进行含盐碱污水胁迫实验之前对植物分别以每天增加2.5‰盐度、 0.5 pH的方法来驯化植物对高盐碱的耐受性，以盐胁迫实验组为例，驯化第1 d将除0‰盐度以外的实验组都用2.5‰盐度胁迫，第2 d用5.0‰盐度的溶液胁迫≥5.0‰盐度的实验组，第3 d则用7.5‰盐度的溶液胁迫≥7.5‰盐度的实验组，以此类推，6 d后完成盐胁迫驯化，详见表 3.

驯化结束后在含有设定氮、 磷质量浓度的溶液中加入相应质量的盐、 碱组成含不同梯度盐碱的污水胁迫溶液，将该溶液加入烧杯中对植物进行胁迫，每个实验组设3~5个重复，室外自然光照培养，遮雨，蒸馏水补充每日蒸发水量，实验过程中记录植物株高等生长指标.

此外，由于配制完成污水溶液之后需要按照设定的盐碱梯度依次加入相应质量的盐、 碱，该过程需要一定的时间，加之溶液转移等误差的影响会引起实际测量值和理论计算值之间的差异，因此，为保证实验的准确性，在对植物加入胁迫溶液前测定所配制溶液中氮、 磷的实际质量浓度. 结果为芦苇胁迫溶液含硝氮1.78 mg ·L^-1、 氨氮1.34 mg ·L^-1、 总氮3.63 mg ·L^-1、 总磷1.29 mg ·L^-1，香蒲胁迫溶液含硝氮1.78 mg ·L^-1、 氨氮2.02 mg ·L^-1、 总氮4.45 mg ·L^-1、 总磷1.16 mg ·L^-1.

实验开始之前进行预实验，使芦苇、 香蒲在本实验设置的盐碱梯度下生长14 d^[3]，由于高盐碱胁迫会对植物造成较大影响，加之为确保计算氮、 磷去除率的准确性而采用纯蒸馏水配制污水溶液，并未添加植物长期生长需要的其他营养元素，植物生长受阻，且在不同盐碱梯度下各项生理指标差异不大. 而胁迫9 d后进行破坏性取样时植物生理、 生长等指标随盐碱梯度呈有规律的变化. 因此选择植物实验周期为9 d，之后破坏性取样，测定植物的生理指标及水样中氮、 磷的质量浓度.

表 2(Table 2)

表 2 芦苇、 香蒲植株鲜重和株高初始值 Table 2 Initial fresh weight and height of Phragmites australis and Typha angustifolia 胁迫组别 芦苇鲜重/g 香蒲鲜重/g 芦苇株高/cm 香蒲株高/cm 盐胁迫 8.56±0.33 8.84±0.13 23.51±0.45 25.95±0.57 pH胁迫 8.07±0.36 7.96±0.47 20.39±0.28 21.77±0.42

表 2 芦苇、 香蒲植株鲜重和株高初始值 Table 2 Initial fresh weight and height of Phragmites australis and Typha angustifolia

表 3(Table 3)

表 3 实验前植物耐盐碱驯化过程 Table 3 Plant saline-alkaline tolerance domestication process before the experiment 天数 盐度胁迫实验组/‰ pH胁迫实验组 0 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 15.0 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 第1 d 0 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 7.0 7.0 7.0 7.0 7.0 第2 d 0 2.5 5.0 5.0 5.0 5.0 5.0 7.0 7.5 7.5 7.5 7.5 第3 d 0 2.5 5.0 7.5 7.5 7.5 7.5 7.0 7.5 8.0 8.0 8.0 第4 d 0 2.5 5.0 7.5 10.0 10.0 10.0 7.0 7.5 8.0 8.5 8.5 第5 d 0 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 12.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 第6 d 0 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 15.0

表 3 实验前植物耐盐碱驯化过程 Table 3 Plant saline-alkaline tolerance domestication process before the experiment

植物生长指标分析项目为植物株高净增长量、 鲜重含水量，生理指标分析项目为叶片相对电导率、 脯氨酸、 叶绿素、 根系活力； 水质分析项目为硝氮、 氨氮、 总氮、 总磷.

株高净增长＝实验结束时株高－实验开始时株高； 鲜重含水量＝(植株鲜重－干重)/鲜重； 叶片相对电导率采用浸泡法^[21]； 脯氨酸含量测定采用酸性茚三酮比色法^[21]； 叶绿素含量测定采用丙酮提取法^[21]； 根系活力测定采用氯化三苯基四氮唑法^[22]. 硝氮的测定采用紫外分光光度法； 氨氮的测定采用纳氏试剂分光光度法； 总氮测定采用紫外分光光度法； 总磷测定采用钼锑抗分光光度法.

分光光度法采用TU-1810(北京普析通用仪器有限公司，中国)紫外可见分光光度计.

含盐碱污水胁迫9 d后开始采集芦苇、 香蒲基径以上叶片及最末端的须根样品进行实验，叶片及须根用蒸馏水洗净，并用滤纸吸干，采样后立即测定各项指标.

植物生长好坏表征其能适应盐碱环境能力的大小，株高的变化直观反映植物长势^[23]. 盐和碱胁迫下水样中芦苇、 香蒲株高的变化见表 4. 从中可知，盐胁迫下，随盐度的增大，芦苇株高净增长先升高后降低，轻微盐度刺激有利于芦苇生长，最高增长量比最低增长量高5倍； 香蒲株高净增长则一直降低，最高与最低相差11倍. 碱胁迫下，随pH的升高，芦苇、 香蒲株高净增长均呈先升高后降低趋势，最高与最低相差分别为4.5倍、 12倍，由于香蒲的净增长降低较快，且最高增长与最低值相差较大，说明香蒲耐碱能力低.

盐碱胁迫下植物体内水分含量与植物生长密切相关，盐和碱胁迫会影响植物细胞对水分的吸收^[24]，因此，植株含水量的高低侧面反映植物耐盐碱性的强弱^[25]. 由表 4可知，芦苇在轻微的盐碱刺激下(盐度2.5‰、 pH 7.5)含水量会升高； 香蒲在盐胁迫下植株含水量降低，pH为7.5时碱会对香蒲有轻微刺激，导致其含水量升高. 随盐碱的升高，芦苇、 香蒲含水量逐步降低，伴随着叶片逐渐干枯变黄.

表 4(Table 4)

表 4 盐碱胁迫下芦苇、 香蒲的株高净增长量及含水量 1) Table 4 Height net growth and water contents of Phragmites australis and Typha angustifolia under salt and alkali stress 盐度 /‰ 芦苇 香蒲 pH 芦苇 香蒲 株高净增长 /cm 含水量 /% 株高净增长 /cm 含水量 /% 株高净增长 /cm 含水量 /% 株高净增长 /cm 含水量 /% 0 7.0(1.0) 90(2.0) 11.0(1.5) 90(1.1) 7.0 4.3(0.4) 89(1.2) 6.0(0.6) 82(5.6) 2.5 10.7(0.9) 91(0.5) 7.6(1.3) 89(0.4) 7.5 5.8(1.2) 90(0.4) 6.3(0.5) 86(2.9) 5.0 5.7(0.3) 87(1.1) 5.6(0.5) 86(1.2) 8.0 4.5(0.7) 88(1.1) 2.7(0.8) 81(1.8) 7.5 4.5(1.1) 86(3.7) 4.8(1.1) 85(1.9) 8.5 2.9(1.0) 83(10.7) 1.4(0.7) 76(8.5) 10.0 3.7(0.6) 85(2.4) 3.3(0.5) 83(3.7) 9.0 1.3(0.2) 81(8.3) 0.5(0.9) 71(3.3) 12.5 2.7(0.4) 84(2.5) 2.0(0.6) 78(1.8) 15.0 2.0(0.8) 77(1.1) 1.0(0.4) 75(1.2) 1)括号中数值为3~5个平行样的标准偏差

表 4 盐碱胁迫下芦苇、 香蒲的株高净增长量及含水量 1) Table 4 Height net growth and water contents of Phragmites australis and Typha angustifolia under salt and alkali stress

盐碱胁迫对植物的伤害除了表现在植物生长变得缓慢，还对植物的叶片相对电导率、 渗透物质合成、 叶绿素合成和根系活力造成影响^[26].

盐碱胁迫对植物造成的伤害首先表现在植物叶片的细胞质膜透性的变化，而细胞质膜透性变化的直观表现是植物叶片相对电导率的变化. 由图 1(a)和1(b)知，盐碱胁迫下，随盐度和pH的升高，两种植物的叶片相对电导率都升高，芦苇在盐度大于10.0‰、 pH高于8.5时叶片相对电导率快速升高，说明芦苇至少能耐受小于10.0‰的盐度和小于8.5的pH，且香蒲的叶片相对电导率都高于芦苇，说明香蒲对盐碱胁迫敏感，即抗盐碱性较差.

盐碱胁迫会引起耐盐碱植物体内渗透物质积累，植物体内渗透物质含量的高低表征植物耐盐碱性的强弱. 脯氨酸作为典型的渗透调节物质，其含量从一定程度上说明植物能耐受的盐碱性^[27]. 由图 1(c)、 1(d)知，盐碱胁迫下，随盐度和pH的升高，为了抵抗由盐碱造成的渗透胁迫，芦苇、 香蒲叶片中脯氨酸含量升高，芦苇在盐度大于10‰、 pH高于8.5，香蒲在盐度大于7.5‰、 pH高于8.0时，脯氨酸含量升高较为迅速，因此可初步判定芦苇能耐受的盐碱分别是盐度小于10‰、 pH低于8.5，香蒲能耐受盐度小于7.5‰、 pH低于8.0，而香蒲叶片脯氨酸含量均高于芦苇，说明香蒲对盐碱敏感，需要合成更多的渗透物质调节体内的渗透压，即从渗透调节物质含量方面来看，芦苇耐盐碱性强于香蒲.

植物耐盐碱性的强弱与植物叶片光合作用的强弱有密切联系，叶绿素含量高，植物光合作用强，植物长势好^[28]. 由图 1(e)、 1(f)知，随盐度、 pH的升高，芦苇、 香蒲的叶片叶绿素含量总体上均降低. 盐胁迫下芦苇、 香蒲分别在盐度大于10.0‰、 7.5‰时，由于植物不能较好地适应该盐碱，体内合成较多的渗透调节剂等物质来应对胁迫环境，导致叶绿素合成需要的物质、 能量减少，其含量迅速下降，由此可知，芦苇、 香蒲能耐受的盐度分别为10.0‰和7.5‰，且芦苇叶片叶绿素含量高于香蒲，说明芦苇在此不良环境中的适应能力强于香蒲.

根系是植物吸收营养的器官，根系活力越高的植物地下部分活动越旺盛，直接影响地上部分生长和营养状况及产量水平^[29]. 由图 1(g)、 1(h)知，盐、 碱胁迫下芦苇根系活力均先升高后降低，轻微的盐和碱刺激能增强芦苇的根系活力； 香蒲根系活力在盐胁迫下呈下降趋势，在碱胁迫下出现升高趋势，说明轻微碱刺激能促使香蒲根系活力升高； 盐碱胁迫下芦苇根系活力总体上均大于香蒲，且长势较好，即从植物根系活力高低来看，芦苇耐盐碱能力强于香蒲.

图 1

Fig. 1

图 1 盐碱胁迫下芦苇和香蒲的生理指标变化 Fig. 1 Physiological index changes of Phragmites australis and Typha angustifolia under salt and alkali stress

盐胁迫下芦苇、 香蒲两种植物对硝氮、 氨氮、 总氮的净化能力见图 2(a)、 2(c)、 2(e)，在芦苇和香蒲分别处理下，水样中硝氮、 氨氮和总氮的质量浓度都随着盐度的增加呈升高趋势，由于香蒲生物量大，根系错综复杂，对硝氮的去除率平均高于芦苇约2.5%； 两种植物对氨氮的去除相近，都在90%以上； 轻微盐度刺激导致芦苇、 香蒲对总氮的去除率升高，且芦苇略高，但相差不大.

碱胁迫下芦苇、 香蒲对氮的净化能力见图 2(b)、2(d)、2(f)，香蒲对氮的去除率会在pH<8.0时随pH的升高降低；pH=8.0时，香蒲对硝氮、氨氮的去除率都最低，是香蒲能耐受的最高值； pH>8.0时，香蒲由于不能耐受该pH，对氮的去除率波动较大. 但pH<8.5时，芦苇对氮的去除率一直降低，pH>8.5芦苇对氨氮、总氮的去除率会升高. 总体而言，香蒲对硝氮、总氮的去除率平均分别高出芦苇0.1%、8.2%，芦苇对氨氮的去除率平均略高于香蒲2.7%.

图 2

Fig. 2

图 2 盐碱胁迫下芦苇、 香蒲对氮的去除效果 Fig. 2 Removal efficiency of nitrogen by Phragmites australis and Typha angustifolia under salt and alkali stress

盐碱胁迫下芦苇、 香蒲对总磷的去除及其效果见图 3. 由图 3(a)可知，盐度为0‰时，芦苇处理水样中总磷质量浓度低于香蒲，随盐度的增加，均高于香蒲，即香蒲对总磷的去除率高于芦苇，平均高7.3%，且轻微的盐度刺激(2.5‰)能提高香蒲的去除效率. 由图 3(b)可知，随pH的升高，芦苇、 香蒲处理水样中总磷质量浓度均呈先升高后降低再升高趋势. 除pH=7.0外，芦苇在pH=8.0时水中总磷质量浓度最低，香蒲则在pH=8.5时最低，且当pH<8.0时，芦苇对总磷的去除率平均高于香蒲1.4%.

图 3

Fig. 3

图 3 盐碱胁迫下芦苇、 香蒲对总磷的去除效果 Fig. 3 Removal efficiency of total phosphorus by Phragmites australis and Typha angustifolia under salt and alkali stress

盐胁迫对植物的伤害最直观的表现在植物生长缓慢，芦苇、 香蒲株高净增长量的减少说明这两种植物都受到高盐伤害^[30]. 在植物生长变得缓慢的同时，芦苇、 香蒲在盐度大于12.5‰时叶片都有不同程度的变黄，无新根生长等现象. 此时两种植物生长需要的能量减少，植株变得脆弱，不能较好地去除含氮物质.

水生植物除氮机制主要有吸收作用、 氨氮挥发、 硝化-反硝化^[31]. 本实验中分析发现低盐(小于5.0‰)条件下香蒲对硝氮的去除率高于芦苇，但是当盐度为15.0‰时香蒲对硝氮去除率则比芦苇小，此时由于香蒲不能耐受该盐度，叶绿素含量降低导致叶片枯萎发黄，根系活力降低，根部腐烂，根系微生物活性降低，不能高效率进行硝化-反硝化过程，导致对硝氮去除率降低； 芦苇对氨氮的去除率强于香蒲，只有在盐度小于12.5‰时，两种植物对氨氮的去除率都在98%以上，盐度为15.0‰时才有所降低，可能说明两种植物对氨氮的去除主要靠氨氮的挥发作用，盐度梯度对氨氮的挥发影响不大； 对总氮的去除率分析发现当盐度小于2.5‰时轻微盐度刺激使芦苇根系活力增强，对总氮的去除率高于香蒲，但是当盐度大于2.5‰时香蒲对总氮的去除率略高于芦苇，可能由于香蒲生物量稍大，对总氮的吸收量大.

盐胁迫下，芦苇植株体内通过调节细胞膜透性，分泌渗透调节物质等生理响应来适应不良环境^[32]，从生理指标的变化可以看出，芦苇的耐盐性强于香蒲，而芦苇和香蒲对含氮物质去除率相差不大，盐分胁迫对香蒲的除氮效果的影响不大，而芦苇较好的耐盐性也没有提高除氮效果，可能盐胁迫对芦苇和香蒲去除含氮物质的影响较小.

盐胁迫对植物的影响主要通过离子毒害和渗透胁迫，而碱胁迫对植物的伤害一是通过影响植物根系的吸收功能，对植物造成伤害^[33]； 二是影响水中营养物质的存在形态和浓度，降低营养元素的有效性，水中pH>8.5时，会使许多微量元素形成难溶性化合物而被固定，从而影响植物根系对营养物质的吸收，抑制植物健康生长^[34].

从对水中含氮物质的去除实验可知，芦苇、 香蒲对氮的净化效果随pH的不同有较大差距，pH>8.5时，由于正常发育的植物细胞各部分存在精确的pH调控，器官不同pH不同^[35]，pH的不同会造成各个细胞基质的酶活性需要的酸碱度不同^[36]，叶绿体基质的pH在8.0左右^[37]，且此时，芦苇叶片发黄，不能合成光合作用所需要足够量的叶绿素，且高pH抑制根毛的形成，造成根部根系发黑腐烂，可能会滋生一些微生物，而微生物对氮的去除导致含氮物质的减少，从而造成芦苇对氮的去除率会出现回升； pH>7.5时，香蒲对氮的去除率会有一个增减波动，且有研究表明，当植物处于高pH的条件下时，细胞内酶活性受到影响而抑制植物生长^[38]，pH过高还会导致香蒲根毛部分细胞壁延伸停止，不但生长缓慢^[39]，还影响植物对水分和养分的吸收.

无机磷在植物的吸收及同化作用下可转化为植物的ATP、 DNA等有机成分，通过植物收割可以去除^[40,41]. 由于香蒲植株生物量大，通过直接吸收污水中含磷物质，再加上香蒲根系错综复杂，须根较多，可以吸附含磷物质，或者通过根系微生物降解总磷从而使得盐度为0‰时芦苇对总磷的处理效率较高，随盐度的升高，香蒲的对总磷的去除率较高.

由于香蒲能耐受的pH较低，而pH>7.5时香蒲的去除率增加，加之此时香蒲根系活力不强，可能微生物的去除作用占较大比例，而芦苇对总磷的去除虽随着pH的升高出现降低趋势，结合分析芦苇在pH较高的条件并没有出现严重的根系发黑腐烂现象，说明芦苇能耐受较高pH，但是此时芦苇根、 叶、 茎等细胞受到高pH环境的严重影响，已经不能形成新的细胞壁^[39]，制造植物细胞分裂生长需要的能量，从而导致植株体生长非常缓慢，对污染物质的去除率降低. 综合来看，香蒲的耐碱性较弱，对总磷的净化效果较低.

(1) 盐碱胁迫下，香蒲叶片中相对电导率增加迅速，细胞质膜透性受到的伤害严重，且渗透调节能力差，脯氨酸含量显著上升，光合作用及根系活力都低于芦苇，芦苇比香蒲耐盐碱且芦苇能耐受的盐碱分别为盐度小于10.0‰，pH低于8.5，香蒲能耐受的盐碱分别为盐度小于7.5‰，pH低于8.0.

(2) 氮、 磷等物质的去除需要消耗植物生长所需的能量. 盐度和pH越高，植物用来维持自身生存需要的能量变多，植物对氮、 磷的净化效果相应变差. 氨氮净化方面，由于芦苇耐盐碱性强于香蒲，净化效果强于香蒲； 硝氮净化方面，香蒲生物量大，对硝氮的吸收利用可能较多，去除效果较好； 总氮净化方面，盐胁迫下两种植物去除效果相差不大，碱胁迫下香蒲去除率高； 总磷净化方面，盐胁迫下香蒲去除率高，碱胁迫下芦苇的去除率较高.

致谢： 感谢中国海洋大学环境科学与工程学院水土污染分析实验室成员对采样及实验过程提供的帮助！