濕地水位梯度對互花米草生長特性的影響研究

張曉敏，唐運平，，宋文筠

（1.天津工業(yè)大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，天津300387；2.天津市環(huán)境保護技術(shù)開發(fā)中心，天津300191）

濕地水位梯度對互花米草生長特性的影響研究

張曉敏1，唐運平1，2，宋文筠2

（1.天津工業(yè)大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，天津300387；2.天津市環(huán)境保護技術(shù)開發(fā)中心，天津300191）

通過模擬高鹽人工濕地水位控制試驗，探討了礫石填料下不同水位梯度對互花米草的生長狀況、生物量積累及生物量分配格局的影響，為濕地工程水位的調(diào)節(jié)、植物生物量的控制提供依據(jù)。結(jié)果表明，礫石填料下植物淹水深度6 cm是互花米草比較適宜生長的水位。水位變化影響互花米草的生物量分配，較低水位下有利于刺激根系向更深處生長。

互花米草；人工濕地；高含鹽量；水位梯度

互花米草（Spartina alterniflora Loisel）屬禾本科、米草屬，是多年生水生或濕生高大草本植物，莖桿挺拔，株高為1～3.5m，根系分布深度可達1～2m，分蘗能力強，花期在7—10月。作為一種典型的海灘鹽沼植物，互花米草具有耐鹽范圍廣（0‰～35‰鹽度下均有分布）、繁殖快、生物量大、適應(yīng)性強等特性，能在南北氣候條件完全不同的濱海濕地繁茂生長。有研究表明，互花米草對氮磷、有機物、重金屬均有一定的凈化效果[1-4]。互花米草較大的生物量和較強的環(huán)境適應(yīng)力，為將其作為北方高鹽人工濕地的備選植物提供了可能性。

濕地植物是人工濕地的核心部分，濕地植物的生長狀況、生物量、根系可直接影響濕地工程的污染物去除效率。不同生境條件對濕地植物的形態(tài)因子和生物量都具有顯著的影響。目前針對有關(guān)互花米草生長特性的研究主要集中在沙基或壤土條件下培養(yǎng)，尚無礫石基質(zhì)下互花米草生長狀況的報道。考慮到礫石具有較好的透水性能、易于構(gòu)建地下潛流條件且容易獲得、是應(yīng)用最廣泛的人工濕地填料，本次試驗選擇以礫石為基質(zhì)構(gòu)建人工濕地，通過比較不同水位梯度下互花米草的形態(tài)指標(biāo)及生物量的測定，為將互花米草引入高鹽人工濕地及利用水位調(diào)節(jié)控制植物生物量提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

2013年7月，在天津濱海濕地選取長勢均勻且一致的互花米草帶根土取走，復(fù)壯1周后，將植物根部土壤清洗干凈，修剪掉多余須根，將植物移栽入直徑為19 cm、高度為22 cm的塑料花盆，花盆內(nèi)裝有20 cm厚的碎石基質(zhì)（粒徑約為20mm），采用鹽度為10‰的Hoagland營養(yǎng)液澆灌。約1周后，選取長勢良好、高度約為56.8±0.97 cm、平均株重約為15.9± 1.64 g的36盆作為試驗材料。

本次試驗共設(shè)置3個水位，分別為淹沒株高6 cm水位、0 cm水位（基質(zhì)表面略積水）、-4 cm水位（低于基質(zhì)表面4 cm）。將塑料花盆栽入3個半透明塑料整理箱（65 cm×45 cm×50 cm），每個整理箱放入4個花盆，整理箱內(nèi)分別注入鹽度為20‰的配置營養(yǎng)液用于控制試驗水位。每個水位共設(shè)置3個重復(fù)。整個試驗在自然光照條件下進行，每4 d更換1次水，定期檢測并維持水位。

1.2 測定方法

試驗過程中隨時觀察植物生長狀況。6周后將植物取出，測定互花米草的株高、分蘗數(shù)、葉長、葉寬。株高測量是從植物根部到植株最高處的長度。葉長、葉寬取該株第2片全展葉片。將每一單株分解成地上、地下兩部分分裝，80℃烘干至恒質(zhì)量后稱量，以此測定互花米草生物量參數(shù)（地上生物量、地下生物量和總生物量），并計算生物量分配情況。

1.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)通過SPSS 13.0進行方差分析（Oneway-ANOVA）檢驗其差異顯著性，并采用Duncan多重比較進行所需的后續(xù)檢驗（P=0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水位下互花米草的形態(tài)指標(biāo)

42 d后互花米草在不同水位下株高、鮮重、葉長、葉寬、分蘗數(shù)差異見表1。單因素方差分析顯示，6 cm水位下互花米草長勢最佳，隨著水位的降低，互花米草的株高、葉長呈減小趨勢，各組間均存在顯著性差異（P＜0.05）；0 cm水位下，互花米草分蘗數(shù)最多，6 cm水位其次，-4㎝水位最少，各水位之間均存在顯著性差異（P＜0.05）；水位條件對互花米草的鮮重、葉寬不存在較明顯的影響，鮮重、葉寬在3個水位下差異均不顯著（P＞0.05）。

表1 不同水位處理對互花米草形態(tài)指標(biāo)的影響

2.2 不同水位下互花米草的生物量

互花米草在3種水位梯度下生物量，如圖1所示。結(jié)果顯示，互花米草總生物量、地上生物量隨水位的升高而增加，地下生物量隨水位的升高而下降。總生物量在6 cm水位下最高，與-4 cm水位存在顯著性差異（P＜0.05），而與0 cm水位差異不顯著（P＞0.05）；地上生物量3種水位梯度下均存在顯著性差異（P＜0.05）；地下生物量-4 cm水位最高，與6 cm水位存在顯著性差異（P＜0.05），而與0 cm水位不存在顯著性差異（P＞0.05）。

2.3 不同水位下互花米草的生物量分配

互花米草在3種水位梯度下生物量分，如圖2所示。單因素方差分析結(jié)果顯示，3種水位下互花米草生物量分配均存在顯著性差異（P＜0.05）。互花米草的地上分配6 cm水位最高，中水位其次，-4 cm水位最低；地下生物量分配、根冠比則呈相反趨勢。

圖1 不同水位處理對互花米草生物量的影響

圖2 不同水位處理對互花米草生物量分配的影響

3 討論

3.1 水位對互花米草形態(tài)學(xué)指標(biāo)影響

濕地水深是人工濕地處理系統(tǒng)設(shè)計、運行和維護的重要參數(shù)，水位分布變化（淹水深度、頻率和持續(xù)時間等）是影響濕地植物生長狀況的重要環(huán)境因子。濕地植物在適應(yīng)特殊生境時，會表現(xiàn)出一些共同的特征[5]，如隨著淹水深度的增加，植物會通過莖葉的延長以增強對水淹環(huán)境的逃脫能力。不同植物對水深的耐受程度不同。如，在長期淹水條件下，表面流濕地（水深約10 cm）的象草會死亡；但在同樣的進水中，潛流濕地條件下的象草卻長勢良好，植株的高度均在3.5m以上，無任何不良性狀[6]。

本試驗中，處于6 cm水深下的株高、株重、葉長均顯著高于其他處理組，表明礫石基質(zhì)中淹沒株高6 cm水位是互花米草比較適宜生長的水位。互花米草根系及莖具有非常發(fā)達通氣組織，即使在長時間水淹情況下，也可保證對氧氣的運輸利用并以此自我修復(fù)受損的組織。目前，對于水環(huán)境對互花米草生長和生理特性的影響已有一定研究。如，模擬潮汐條件下研究不同沒頂水淹處理時長對互花米草的試驗結(jié)果表明，當(dāng)淹沒時長為3 h時株高增長率達到最大值，超過3 h株高增長率出現(xiàn)顯著的抑制，葉面積隨淹沒時間的增長而顯著減少[7]；古志欽[8]研究了40 cm水深的持續(xù)淹水脅迫下，互花米草株高、根系、地下生物量均受到一定程度的抑制。

本試驗-4 cm水位下互花米草的分蘗數(shù)均顯著低于其他處理組，表明礫石填料中低水位對互花米草的無性繁殖有顯著抑制作用。研究表明，在環(huán)境適宜的情況下，互花米草會形成大量的無性克隆體，力求獲得更多的資源占有率，保障物種的種群擴張。而當(dāng)環(huán)境中養(yǎng)分或者水分匱乏時，互花米草會將更多的資源用于地下根部的延長，而用予繁殖部分的能量就極大地減少了[9]。

3.2 水位對互花米草生物量及分配的影響

水位的分布是影響植物根冠比的最為顯著的生態(tài)因子[10]。本試驗中，互花米草的總生物量、地上生物量、地上分配比表現(xiàn)為隨著水位的升高逐漸增大，這說明高水位下互花米草傾向于將光合碳物質(zhì)積累更多地投向植物的莖部和葉部。

互花米草地下生物量、地下分配比隨著水位的升高而出現(xiàn)下降趨勢，表明低水深條件下互花米草對根系的資源分配較高，造成這樣原因可能是由于低水分環(huán)境下需要促進植物投入更多的資源用來發(fā)育根系，以保證互花米草獲得充足的水分和礦質(zhì)營養(yǎng)用于支撐植物的正常生長代謝。有研究表明[11]，不同的基質(zhì)類型下互花米草的生物量積累對水位梯度響應(yīng)模式不同，在沙土混合基質(zhì)和壤土中生長的互花米草其生物量積累表現(xiàn)為-4 cm水位顯著高于0 cm水位、-8 cm水位，且水位對互花米草生物量分配影響不顯著，其根冠比均小于1；而在沙基培養(yǎng)下，生物量積累隨水位的增高而增高，與本試驗結(jié)果具有相同趨勢。基質(zhì)理化性質(zhì)及養(yǎng)分含量的不同是直接導(dǎo)致植物生長和發(fā)育出現(xiàn)差異的原因。

4 結(jié)論

（1）礫石填料下互花米草具有較強的水深適應(yīng)性，不同的水位下互花米草均保持一定長勢和生物量增加。這表明互花米草既可應(yīng)用于表面流人工濕地，也可應(yīng)用于潛流人工濕地。

（2）在濕地工程中進行水深調(diào)控可以在一定程度上控制濕地中互花米草的株高、生物量等物理特性指標(biāo)，僅考慮植物生長的情況下，表面流人工濕地更適合互花米草的生長。較低水位有利于刺激根系向更深處生長，在濕地植物栽種初期應(yīng)盡量保持較低水位，促進根系向深處生長，以便植物扎根成活。

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Study of G row th Characteristicsof Spartina Alterniflora Loisel to Differen tW ater Level Gradient in Constructed Wetland

ZHANGXiao-min1，TANGYun-ping1，2，SONGWen-jun2
(1.Tianjin Polytechnic University，collegeofenvironmentaland chemicalengineering，Tianjin 300387，China；2.Tianjin environmentalprotection technology developmentcenter，Tianjin 300191，China）

Differentwater level gradientofwetland under gravel packing effecton growth condition，biomass accumulation and biomass allocation pattern of Spartina alterniflora Loiselwas investigated through simulating high salt artificialwetland water level controlexperiments，resultof this study can provide evidence for the regulation ofwater level ofwetlands project and controlofplantbiomass.Taken together，submerged plantheight6 cm ofwater level issuitablegrowth levels for Spartina alterniflora Loisel under gravel packing.Changes ofwater level affected biomass allocation，and lower water level is helpful to stimulate the roots togrow deeper.

Spartinaalterniflora Loisel；constructedwetland；high-salinity；water levelgradient

X522

A

1004-7328（2014）03-0054-03

10.3969/j.issn.1004-7328.2014.03.019

2014-03-10

張曉敏（1989-），女，碩士研究生，主要從事水環(huán)境工程研究工作。