2016, Vol. 37
2. 中国农业大学资源与环境学院, 北京 100193;
3. 北京市农林科学院草业与环境研究发展中心, 北京 100097
2. College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University, Beijing 100193, China;
3. Research & Development Center for Grass and Environment, Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Beijing 100097, China
氮素是植物生长发育所必需的大量营养元素[1].我国自20世纪初引进氮肥后，氮肥的用量逐年增加，大量施肥使得农田土壤氮素普遍盈余.旱作条件下，高量施氮作物收获后，残留在土壤中的硝态氮被雨淋溶解后进入水体[2, 3].进入水体中的硝态氮适量时可促进水生植物生长，然而过量不仅会使水体富营养化，导致水体污染[4]，还对人类以及动、植物有严重危害作用[5, 6].因此，水体中硝酸盐的含量是重要的环境污染控制指标之一，需要被严格地限制在合理范围内.
国内许多地区存在较为严重的硝态氮污染，其中以巢湖、滇池地区以及北京、河北、山东等农业集中地区最为严重[7~10].由于硝酸盐在水中的溶解度大，化学稳定性好，难以形成沉淀或被吸附，因此水处理的传统技术(如石灰软化和过滤等工艺)难以除去水中硝态氮.利用植物吸收水体中的硝酸盐，从而实现脱氮的目的，这是去除水体中硝态氮最为常用和有效的手段，但其中水生植物的合理选择十分关键.因此，近年来，水生态治理工程中水生植物的选择受到了广泛关注，但多集中于水生植物对水体中硝态氮去除效果的研究[11~16]，而关于硝态氮影响水生植物生长的研究较少，且大部分是对沉水植物的研究[17~19]，对挺水植物的研究鲜见报道.
黄菖蒲(Iris pseudacorus L.)系鸢尾科鸢尾属多年生(宿根)湿生草本花卉，具有较高的观赏价值[20]，并对水体中氮和磷有很好的去除效果[21, 22]，在景观水体的富营养化防治中具有广阔的应用前景.本研究以黄菖蒲为对象，通过水培实验，对比分析了6种水体硝态氮质量浓度下，黄菖蒲地上和地下生物量、叶重比、根重比、根冠比、叶绿素含量、氮吸收以及对硝态氮去除效果的差异，通过揭示水体硝态氮质量浓度对黄菖蒲生长及氮吸收的影响，确定适宜黄菖蒲生长的硝态氮质量浓度范围，明确不同硝态氮质量浓度下黄菖蒲对硝态氮的去除效果，以期为黄菖蒲在水环境与水生态修复中的应用提供参考.
1 材料与方法 1.1 实验设计本研究为单因素实验，固定总磷的质量浓度，通过调节Ca(NO3)2的加入量来控制供试水体中硝态氮的质量浓度.参照典型生活污水水质[23]，共设置10、20、40、60、80、100mg ·L-1 这6个水平(实际初始值以测定值为准).按硝态氮质量浓度由低到高各处理分别用N1、N2、N3、N4、N5、N6表示.每个处理设置4个重复用于植物样的采集，另外设置4个重复用于水样的采集(其中一个为空白对照).供试水体用自来水配制，配制完成后，经测定各处理的实际硝态氮质量浓度分别为10.68、23.88、42.22、63.33、82.92、97.13mg ·L-1，总磷质量浓度均为1.47mg ·L-1，pH为7.16~7.42.
1.2 实验方法实验所用黄菖蒲苗为实生苗.于2014年11月育苗，2015年5月选取长势良好、大小均匀、无枯叶的健康植株冲洗干净，适当修剪后在自来水中预培养一周，备用.修剪后初始平均株高为26.4 cm，单株平均鲜重为2.29 g.采用外围包有锡箔纸的塑料整理箱作为实验容器，将黄菖蒲苗用海绵条固定在均匀分布于泡沫板上的孔中后，种植于整理箱内.每箱种植12株，箱内水量为5 L.
实验在通风温室内进行.自2015年5月26日开始，7月7日结束，共持续42 d，期间室温为26~30℃.实验过程中每天上午09:00~10:00补充一次自来水(约200 mL)，以弥补植物蒸腾和水面蒸发的水分散失，使箱内水量保持为5 L.实验期间每天观察、记录植物生长情况，每隔7 d采集一次水样和植物样，采样时间为上午10:00~11:00.植物样和水样采集完毕后立即带回实验室.
1.3 样品分析方法植物样带回实验室后，先测定株高和根长.然后在每株植物新叶顶端剪取叶片0.1 g，剪碎后用于叶绿素的测定，测定方法为丙酮提取法[24].之后，将植物置于阴凉处晾干表面残留水分，测定单株鲜重.然后将植物体放入烘箱105℃杀青30 min，之后85℃烘干至恒重，测定干重.将干样粉碎，过0.25 mm筛后采用标准凯氏法测定植物总氮，即称取0.25 g待分析样品，采用H2SO4-H2O2消解后用AutoAnalyzer 3连续流动分析仪进行测定.
水体硝态氮采用紫外分光光度法(HJ/T 346-2007)测定.
1.4 数据处理使用OriginPro 9.2分析绘图； 采用SPSS Statistics 22进行单因素方差分析、多重比较(LSD检验)和t检验.
植物氮利用效率(NUE)为单位质量的氮产生的生物量，计算公式为： NUE=(W2-W1)/(N2-N1)
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式中，NUE为氮利用效率，单位为mg ·mg-1； W1、W2分别为实验前、后植株生物量，单位为mg； N1、N2分别为实验前、后整株植物所含氮的质量，单位为mg.
使用硝态氮的去除率评价植物对水体硝态氮的去除效果，计算公式为：
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式中，η为水体硝态氮去除率，ρ0和ρ1分别为硝态氮质量浓度初始值和终值，单位为 mg ·L-1.
2 结果与分析 2.1 不同硝态氮质量浓度对黄菖蒲生长的影响从表观看，实验结束时较实验开始时，各处理中黄菖蒲的地上部分和地下部分均增长明显.实验结束时，不同处理下黄菖蒲的株高净生长量之间差异显著(F=3.80，P=0.016)，而根长净生长量之间差异不显著(F=0.83，P=0.543)； 地上生物量净生长量之间差异显著(F=6.04，P=0.002)，而地下生物量净生长量之间差异不显著(F=0.85，P=0.532)(表 1).这一结果说明，不同硝态氮质量浓度对黄菖蒲地上部分生长的影响比对其地下部分生长的影响大.随着硝态氮质量浓度的增加，黄菖蒲株高、单株生物量的净生长量均表现为逐渐增加的趋势.N5处理中黄菖蒲株高、干重的净生长量达到最大值，但与N4和N6处理之间无显著差异(P ＞0.05).另外，虽然从各生长指标来看，N5和N6处理中黄菖蒲较其它处理生长旺盛，但这些黄菖蒲在实验中期出现了新叶变黄甚至叶尖枯黄的现象，观赏价值下降.因此，N2、N3以及N4处理中黄菖蒲生长相对旺盛、叶片健康、观赏价值较高，即水体硝态氮质量浓度为23.88~63.33mg ·L-1时，适宜黄菖蒲生长.
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表 1 不同硝态氮质量浓度下黄菖蒲的净生长量 1) Table 1 Effects of nitrate mass concentration on the net growth of I.pseudacorus |
2.2 不同硝态氮质量浓度对黄菖蒲叶重比、根重比和根冠比的影响
实验结束后N1处理的黄菖蒲叶重比较实验开始前下降[图 1(a)]，下降幅度为13.2%； 而根重比较实验开始前上升[图 1(b)]，上升幅度为9.3%.相应地，黄菖蒲根冠比较实验开始前上升，上升幅度为22.2%.而N2处理的黄菖蒲叶重比和根重比在实验前后几乎没有变化.实验结束后，其余4种处理(N3~N6)的黄菖蒲叶重比均较实验开始前上升，而根重比均较实验开始前下降，相应地，根冠比较实验开始前下降.其中N6处理的叶重比上升幅度最大为31.4%，同时根重比下降幅度最大为22.1%，根冠比下降幅度最大为43.7%.结果表明，硝态氮质量浓度为10.68mg ·L-1时利于黄菖蒲地下部分的生长，质量浓度为42.22~97.13mg ·L-1时利于黄菖蒲地上部分的生长，而硝态氮质量浓度为23.88 mg ·L-1时对黄菖蒲地上部分和地下部分生长的促进作用较均衡.
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图 1 不同硝态氮质量浓度下黄菖蒲叶重比和根重比变化 Fig. 1 Effects of nitrate mass concentration on the LMR and RMR of I.pseudacorus |
实验期间N2、N3以及N4处理的黄菖蒲叶绿素含量随生长历时均表现为不断增加的趋势(图 2)，其中N3和N4处理的增加趋势稳定且增加幅度较大.而N1、N5以及N6处理的黄菖蒲叶绿素含量随生长历时表现为先降低后增加的变化趋势，并且N5和N6处理在实验前期由于叶绿素含量过低，出现了新叶发黄的现象.在整个实验期间，各处理的黄菖蒲叶绿素平均含量之间存在显著差异(P=0.045，F=2.606)，并且随着硝态氮质量浓度的升高黄菖蒲叶绿素含量先增加后降低，表明硝态氮质量浓度过低(＜10.68mg ·L-1)或过高(>82.92mg ·L-1)均会对黄菖蒲叶绿素的合成产生抑制作用.
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图 2 不同硝态氮浓度下黄菖蒲叶绿素含量变化 Fig. 2 Effects of nitrate mass concentration on the chlorophyll content of I.pseudacorus |
黄菖蒲地上部分、地下部分氮累积量初始值分别为(6.10±0.35)mg ·株-1和(1.87±0.37)mg ·株-1，地上部分氮累积量为地下部分的3.3倍.实验结束后，黄菖蒲地上部分和地下部分对氮的积累量均表现为随着硝态氮质量浓度的增加而不断增加的趋势(表 2)，且地下部分对氮的积累能力优于地上部分.经过42d的生长，随着硝态氮质量浓度由低到高，黄菖蒲地下部分对氮的累计吸收量依次为地上部分的7.2、2.3、2.5、2.1、1.6、1.5倍.平均单株黄菖蒲氮累计吸收量为10.56~75.43 mg.
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表 2 不同硝态氮质量浓度下黄菖蒲氮累积量 Table 2 Effects of nitrate mass concentration on the accumulation of nitrogen in I.pseudacorus |
在硝态氮质量浓度为10.68~97.13mg ·L-1范围内，黄菖蒲全株植物、地上部分及地下部分对氮的利用效率与硝态氮质量浓度之间均成幂函数关系，函数方程分别为y=1 288.80 x-0.66、y=4 003.24 x-0.82、y=683.37 x-0.55(图 3).氮利用效率随着硝态氮质量浓度的升高而降低，且地上部分的氮利用效率高于地下部分.
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图 3 黄菖蒲氮利用效率与硝态氮质量浓度之间的关系 Fig. 3 Relationship between nitrogen utilization efficiency of I.pseudacorus and nitrate mass concentration |
随着硝态氮质量浓度由低到高，种植黄菖蒲的水体中硝态氮的去除率依次为94.9%、97.8%、98.4%、99.0%、99.2%以及99.3%，空白对照水体中硝态氮的去除率依次为68.7%、65.0%、48.4%、33.4%、30.0%以及28.7%.经T检验分析发现，种植黄菖蒲的水体中硝态氮的去除率均极显著(P ＜0.01)高于空白对照水体中硝态氮的去除率，由此可见黄菖蒲对水体中硝态氮有较强的去除能力.6种处理中，硝态氮质量浓度与时间均成指数函数关系(图 4)，函数方程分别为：
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图 4 水体硝态氮质量浓度随时间的变化 Fig. 4 Change of water nitrate mass concentration with time |
同时，各处理水体中硝态氮质量浓度变化均表现为实验开始前7 d下降迅速，之后逐渐变缓.随着硝态氮质量浓度由低到高，前7 d硝态氮去除速率分别为1.47、3.15、5.76、7.15、6.67以及5.89 mg ·(L ·d)-1，表现为先升高后降低的趋势.
3 讨论硝态氮是高等植物重要的氮素营养，直接影响植物的生长.在适宜质量浓度范围内，增加供氮量可以促进地上部和根系的生长，但往往对地上部生长的促进作用大于对根系的影响，导致根冠比随施氮量的增加不断下降.另一方面，降低供氮量导致植物的根冠比增加，是植物对缺氮的一种适应性反应[25].植物将更多地碳水化合物分配到根中，用以形成更大的根系，从而增加根系与水体的接触范围，有利于更多地吸收限制其生长的氮素.也有研究表明，当硝态氮质量浓度过高时，会出现抑制根系生长的现象[26~28]，导致根冠比大幅度下降.
本研究中，硝态氮质量浓度为10.68mg ·L-1时，黄菖蒲的株高、干重净生长量均低于其它处理； 且实验结束后根冠比较之前上升，而植物对缺氮的典型反应之一是根冠比的增加.所以硝态氮质量浓度为10.68mg ·L-1时，不利于黄菖蒲的生长，表现为供氮不足.硝态氮质量浓度为97.13mg ·L-1时，实验结束后根冠比较之前明显下降.所以硝态氮质量浓度为97.13mg ·L-1时，在一定程度上对黄菖蒲根系的生长产生了抑制作用，表现为供氮过量.
本研究中，硝态氮质量浓度为10.68、82.92以及97.13mg ·L-1时，黄菖蒲叶绿素含量随其生长时间的变化趋势表现为先减少后增加(图 2)，且在整个实验过程中叶绿素平均含量低于其他处理，表现为在植物生长前期叶绿素的合成受到了抑制； 而且，硝态氮质量浓度为82.92mg ·L-1和97.13mg ·L-1处理下的黄菖蒲，在实验开始的第14d出现了新叶发黄和叶尖枯黄的现象，其观赏价值下降.有研究表明，低氮胁迫和高硝营养在一定程度上会抑制植物叶绿素的合成[29, 30]，导致植物叶绿素含量降低.相对而言，本研究中硝态氮质量浓度为10.68mg ·L-1表现为供氮不足，而质量浓度为82.92mg ·L-1和97.13mg ·L-1表现为供氮过量.
本研究发现，黄菖蒲的氮利用效率随着硝态氮质量浓度的升高而降低，这与陈星等[31]对水稻氮素利用效率与供氮水平之间关系的研究结果一致.与其它处理相比，硝态氮质量浓度为10.68mg ·L-1的黄菖蒲氮净吸收量较低(表 2)而氮利用效率较高(图 3).而有研究表明，在低氮胁迫状态下，氮净吸收速率较低，但氮利用率较高[32]，所以硝态氮质量浓度为10.68mg ·L-1时表现为供氮不足.
4 结论(1) 适宜黄菖蒲生长的硝态氮质量浓度范围为23.88~63.33mg ·L-1.硝态氮质量浓度为10.68mg ·L-1表现为供氮不足，质量浓度为82.92mg ·L-1和97.13mg ·L-1表现为供氮过量.
(2) 黄菖蒲地上部分和地下部分对氮的积累均随着硝态氮质量浓度的增加而不断增加，且地下部分对氮的积累优于地上部分，平均单株黄菖蒲的氮累计吸收量为10.56~75.43 mg.在硝态氮质量浓度为10.68~97.13mg ·L-1范围内，黄菖蒲全株植物、地上部分及地下部分对氮的利用效率与硝态氮质量浓度之间成幂函数关系，且地上部分的氮利用效率高于地下部分.
(3) 黄菖蒲对各浓度水体中硝态氮的去除效果明显，随着硝态氮质量浓度由低到高，黄菖蒲对硝态氮去除率依次为94.9%、97.8%、98.4%、99.0%、99.2%以及99.3%.
(4) 综上可知，黄菖蒲对硝态氮有很好的去除效果，但黄菖蒲的生长及其对氮的吸收与去除效率受水体硝态氮质量浓度影响显著，且地上部分较地下部分更为敏感.因此，在选用黄菖蒲修复水环境与水生态时，应注意其适宜的硝态氮质量浓度范围.
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