污水脅迫下7種草本地被植物耐污性比較研究

李 媛， 韓迎儒， 趙 冰*, 馬 笑， 張 哲

(1. 西北農林科技大學， 風景園林藝術學院， 陜西 楊凌 712100；2. 陜西省西咸新區灃西新城海綿城市技術中心， 陜西 咸陽 712000)

地被植物是指能對裸露地面覆蓋，起到保護地面和裝飾作用的植物，包括草本植物、一些低矮的叢木和匍匐藤木等，地被植物的高度一般在1 m以下[1]。地被植物是現代園林城市綠化不可缺少的重要組成部分，不僅能夠增加綠地面積，豐富景觀層次，還具有生長迅速、抗性強、耐修剪和便于管理的優點[2]。地被植物被廣泛應用于園林建設中，尤其是現在如火如荼建設中的海綿城市中。海綿城市植物是海綿城市建設中的基本要素之一，但目前我國對海綿城市的研究主要集中在工程方面，對植物的功能作用，選擇搭配方面研究甚少[3]。而對地被植物的抗旱性[4]、耐鹽性[5]、耐蔭性和引種馴化[6]等方面研究廣泛。

我國對于植物耐污能力的研究主要集中在一些水生植物、濕生植物和農作物，且大多數都在研究其對于污染物的凈化能力和富集能力[7]，很少研究植物在污水脅迫下的相關生理生化特性和植物的外觀表現[8]。尤其草本地被植物的耐污性研究方面更是少之又少。植物的生長狀況可以影響其在園林綠地中的景觀功能和生態功能，不同的植物其耐污能力存在差異，對于污水脅迫后的響應機制也有所不同。因此，本試驗選取了在西北地區應用較多的7種草本地被植物為試驗材料，采用雙套盆法，以人工配置污水對其進行30天的脅迫，通過觀測植株脅迫期間形態表現，并測定相關生理指標，并運用隸屬函數法對7種草本地被植物的耐污性進行評價，以期為城市園林綠地建設中的植物選擇提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗在陜西楊凌雅繡花卉生物科技有限公司試驗基地進行，選取了7種西北地區常用草本地被植物萱草(Hemerocallisfulva)、蔥蘭(Zephyranthescandida)、狼尾草(Pennisetumalopecuroides)、黃菖蒲(Irispseudacorus)、馬藺(Irislactea)、玉簪(Hostaplantaginea)、波斯菊(Cosmosbipinnata)為試驗材料。試驗前將購買的植物材料移栽到花盆中(上盆徑25 cm，下盆徑18 cm，高25 cm)，進行30天恢復生長，恢復結束后進行污水脅迫試驗。培養基質為泥炭∶珍珠巖=5∶1。

1.2 試驗設計

本試驗設置實驗組和對照組，每組每種植物30株。對照組正常管理，實驗組采用雙套盆法，即將栽有植物的花盆放到不透水的塑料桶內(高29 cm，上口直徑30 cm，下口直徑23 cm)，緩慢將配制好的污水加入花盆中，使水面始終高于盆土4 cm左右。每天觀察植株的外部形態變化并拍照記錄，并于脅迫的第1 d、第3 d、第10 d及第30 d采樣以測定膜透性變化、葉綠素含量、丙二醛含量和脯氨酸含量等生理指標。實驗重復三次。試驗所用的污水參考西安市路面及屋面雨水中的COD(化學需氧量)、TN(總氮)等含量配制[9],即葡萄糖300 mg·L-1，硝酸鉀8.0 mg·L-1，氯化銨3.0 mg·L-1，磷酸二氫鉀2.0 mg·L-1，氯化銅0.15 mg·L-1，硫酸鋅2.0 mg·L-1，氯化鉻0.10 mg·L-1。

1.3 形態觀測

在脅迫期間，對7種草本地被的外部形態進行觀測記錄，包括植株的生長態勢，葉片的顏色、形態及大小等，并根據形態表現對其耐污性進行等級劃分。(表1)

表1 耐污等級劃分Table 1 Classification of Stain resistance

注：A：耐污能力強，B：耐污能力一般，C：耐污能力弱

Note:A:strong tolerance to pollution；B:gneral tolerance to pollution；C:weak tolerance to pollution

1.4 生理指標的測定

隨機摘取每種植物葉片，用蒸餾水沖洗干凈，進行各項生理指標測定，需要鮮樣測定的是相對電導率和葉綠素含量，其余樣品可稱量好后用鋁箔紙包好放到液氮中保存待測。每組重復3次。

細胞膜透性變化采用紫外分光光度計測定，MDA含量的測定參考硫代巴比妥酸法，葉綠素含量測定采用80%丙酮浸泡法。脯氨酸含量測定采用酸性茚三酮比色法測定[10]。

1.5 數據處理

運用Microsoft Excel 2010和SPSS 17.0對試驗數據進行處理分析，利用隸屬函數法[11-12]對7種地被植物耐污性進行評價。計算公式如下：

U(Xij)=(Xij-Xijmin)/(Xjmax-Ximin)

公式(1)

U(Xij)=1-(Xij-Xjmin)/(Ximax-Xjmin)

公式(2)

式中:U(Xij)表示i植物j指標耐污性隸屬函數值，Xij表示i植物j指標的測定值,Xjmax為各個植物中j指標的最大值，Xjmin為各個植物中j指標的最小值，當該指標與耐污性呈正相關時用公式(1)進行隸屬函數值的計算，反之呈負相關時用公式(2)進行計算。

2 結果與分析

2.1 污水脅迫下7種草本地被植物形態指標的變化與分析

隨著脅迫天數的增加，7種草本地被植物的形態差異也隨之呈現出來(圖1)。未脅迫前，7種植物均生長狀況良好，葉色正常。脅迫第1 d,7種植物都沒有表現出受害癥狀，依然生長良好。脅迫第3 d，各草本地被植物開始表現出形態上的差異，狼尾草和馬藺的葉片呈現出黃化干枯現象。脅迫第10 d，差異性更加顯著。萱草、蔥蘭和玉簪出現黃化癥狀。狼尾草和馬藺受害加劇。黃菖蒲和波斯菊基本表現正常，未出現明顯癥狀。脅迫第20 d，黃菖蒲開始表現出受害癥狀，個別葉尖黃化，波斯菊依然表現正常且生長良好。蔥蘭和狼尾草與脅迫第3d差別不大，其他植物受害癥狀加重。脅迫第30 d,與脅迫20 d相比，波斯菊下部葉片稍有黃化，萱草、蔥蘭和黃菖蒲變化不顯著。玉簪的受害程度加深，葉面出現1/2以上的黃化現象。馬藺整株褐化程度略增加，近于死亡。在整個脅迫期間，隨著脅迫天數的增加，各草本地被出現不同程度的葉片黃化、褐化、干枯等現象，且出現受害癥狀的先后順序也有明顯的差異。根據整個脅迫期間各植物的形態表現對其進行耐污等級評價(表2)。總體上，蔥蘭、黃菖蒲和波斯菊的受害癥狀較輕，且癥狀出現較晚，萱草和狼尾草表現一般，其次是玉簪，受害癥狀明顯，表現較差，最后是馬藺，受害最嚴重，前期表現較好，后期表現差，耐污性最弱。

2.2 污水脅迫對7種草本地被植物細胞膜透性的影響

由圖2可知，脅迫第1 d，萱草、蔥蘭、馬藺細胞膜透性與對照相比顯著增加，波斯菊顯著降低(P<0.05)，狼尾草和玉簪變化不顯著(P>0.05)。脅迫第3 d，各植物細胞膜透性較未脅迫前有不同程度降低，而脅迫第10 d均有顯著增加(P<0.05)。至脅迫第30 d，與脅迫10 d相比各植物細胞膜透性顯著降低(P<0.05)，與未脅迫前相比，萱草、蔥蘭、黃菖蒲和玉簪的細胞膜透性顯著降低(P<0.05)，狼尾草和波斯菊變化不顯著(P>0.05)，而馬藺的細胞膜透性顯著增加(P<0.05)。

表2 污水脅迫下7種草本地被的耐污等級Table 2 Stain resistance grade of 7 Herbaceous Ground Cover Plants under Sewage Stress

圖1 污水脅迫下7種草本地被的形態變化Fig.1 Morphological changes of 7 Herbaceous Ground Cover Plants under sewage stress

圖2 污水脅迫下7種草本植物細胞膜透性變化Fig.2 Changes in cell membrane permeability of 7 herbaceous plants under sewage stress注：不同的小寫字母表示同種植物不同處理間差異顯著(P<0.05)，下同Note:Different lowercase letters indicate significant difference within the same plant between different treatment at the 0.05 level,the same as below

2.3 污水脅迫對7種草本地被植物葉綠素含量的影響

由圖3可知，整個脅迫期間，萱草的葉綠素含量持續降低，脅迫前后變化顯著(P<0.05)。蔥蘭在脅迫前10 d葉綠素含量持續增加，到第10 d達到最大值0.974 mg·g-1后降低。玉簪在脅迫前3 d葉綠素含量持續增加后大幅度降低。狼尾草、馬藺和波斯菊于脅迫前3天變化不顯著(P>0.05)，脅迫第10 d其葉綠素含量較未脅迫前大幅度增加，而第30 d時大幅度降低，變化顯著(P<0.05)。黃菖蒲整個脅迫期間葉綠素含量變化顯著，脅迫前后相比其葉綠素含量降低了49.80%。

圖3 污水脅迫下7種草本植物葉綠素含量變化Fig.3 Changes of Chlorophyll Content of 7 herbaceous plants under sewage stress

2.4 污水脅迫對7種草本地被植物丙二醛含量的影響

由圖4可知，脅迫第1 d時，各植物丙二醛含量無顯著變化(P>0.05)，脅迫第3 d與未脅迫前比較，丙二醛含量均大幅度降低。與脅迫3 d相比，萱草和波斯菊的丙二醛含量在脅迫10 d時顯著增加，其他植物變化不大。至脅迫30 d時，萱草、黃菖蒲和波斯菊的丙二醛含量較未脅迫前大幅降低，變化顯著(P<0.05)。蔥蘭、狼尾草、馬藺和玉簪的丙二醛含量脅迫前后變化不顯著(P>0.05)。

圖4 污水脅迫下7種草本植物丙二醛含量變化Fig.4 Changes of MDA Content of 7 herbaceous plants under sewage stress

2.5 污水脅迫對7種草本地被植物脯氨酸含量的影響

由圖5可知，萱草、蔥蘭、馬藺、玉簪和波斯菊在脅迫前3 d脯氨酸含量基本呈降低狀態，變化顯著(P<0.05)。脅迫第10 d較脅迫3 d顯著增加，與未脅迫相比，萱草、馬藺和波斯菊變化不大，蔥蘭的脯氨酸含量顯著降低，玉簪顯著增加。脅迫30 d時，蔥蘭和波斯菊的脯氨酸含量與未脅迫前相比大幅降低，萱草和玉簪的變化不大，而馬藺在脅迫第30 d的脯氨酸含量是未脅迫前的2.80倍。狼尾草和黃菖蒲的脯氨酸含量整體上是升降升降的趨勢，狼尾草在脅迫后期脯氨酸含量趨于穩定，與未脅迫前相比，顯著降低。而黃菖蒲整個脅迫期間變化顯著(P<0.05)，脅迫完成后脯氨酸含量顯著降低。

圖5 污水脅迫下7種草本植物脯氨酸含量變化Fig.5 Changes of PRO Content of 7 herbaceous plants under sewage stress

2.6 隸屬函數評價

為研究7個草本地被植物的耐污性，運用隸屬函數法對其進行綜合評價。首先用脅迫30 d各指標的測定值比對照值得到相對值，再根據隸屬函數相關公式進行計算。其中細胞膜透性和丙二醛含量與植物耐污性呈負相關，用公式(2)計算，葉綠素含量和脯氨酸含量與植物耐污性呈正相關，用公式(1)計算。求出各草本地被植物各指標的隸屬函數值后，計算平均隸屬函數值，進行排序。得出7種草本地被植物的耐污性順序為：波斯菊>黃菖蒲>蔥蘭>狼尾草>萱草>玉簪>馬藺。

表4 7種草本植物各耐污性指標隸屬函數值Table4 Subordinative function analysis on the stain-resistant indices of 7 herbaceous plants

3 討論

植物在逆境條件下的形態變化可以直接反映出植物的抗性強弱[13]。試驗發現隨著脅迫天數的增加，植物在外部形態表現為葉片黃化、褐化、干枯現象。不同植物出現受害癥狀的時期不同，且受害程度也有明顯差異。玉簪和馬藺在脅迫前期就出現了受害癥狀，且隨著時間的增加，受害程度加深，波斯菊、蔥蘭、黃菖蒲受害癥狀出現較晚且受害程度輕。何玲玲[14]的研究也發現各草種都能在污水條件下進行營養生長，但部分草種的顏色和蓋度都會受到不良影響。根據形態觀測，波斯菊、蔥蘭、黃菖蒲耐污性較強，其次是狼尾草和萱草，玉簪和馬藺耐污性最弱。

在污水環境下，不同的植物外觀表現不同，其生理指標的變化也有差異。當植物遭到脅迫時，細胞膜受到損傷和破壞，影響其選擇透過性，使細胞膜透性發生改變，同時發生膜質過氧化反應產生大量MDA，其對細胞膜造成傷害[15]。研究表明植物細胞膜透性和MDA含量可以作為研究植物抗性的指標之一[16]。盛玉輝[17]和陳桂葵[18]等都認為短時間的污水脅迫對植物相對電導影響不大，還可促進植物生長。本試驗也同意此種結論，在脅迫第3 d時，細胞膜透性比對照有明顯降低，而植物生長均表現良好，隨脅迫時間的增加，在脅迫第10 d時所有植物的細胞膜透性達到最大，此時植物所受的傷害最大，隨著脅迫時間的延長，植株逐漸適應污水環境，其細胞膜透性降低。MDA含量呈現不規律的變化，在脅迫中期的含量都比較低，蔥蘭、狼尾草是先上升后下降再上升的趨勢，萱草、黃菖蒲和波斯菊是先下降后上升再下降的趨勢，馬藺和玉簪是先下降后上升的趨勢這與前人研究結果相似[19-20]，何江等[21]認為這是由于植物體內的活性氧清除系統有效的清除了活性氧而減少了MDA，但隨脅迫時間增加，酶活性降低，MDA逐漸累積。

葉綠素含量的變化可以反映植物的光合能力強弱，也可以反映植物在逆境下器官和組織的衰老狀況。一般葉綠素含量減少，植物葉片會發黃失綠，趨于老化[22]。解靜芳[23]等認為污水會降低植物體內葉綠素含量，胡宏友[24]等的研究表明污水可以增加葉綠素含量。而馮鵬[25]等的研究也表明了重金屬離子可以促進植物葉片葉綠素的合成。本試驗中除萱草的葉綠素含量持續下降，其余植物基本上呈現出先增后減的趨勢，這與何玲玲[14]的研究結果一致，說明短期的污水澆灌有利于植物葉綠素的合成，長期污水脅迫會降低葉綠素。脯氨酸是一種保護機制，研究表明植物在受到脅迫時，體內脯氨酸含量增加以提高抗性[26]。萱草、蔥蘭、玉簪和波斯菊在脅迫期間第10 d的脯氨酸含量較高，抗性較強。脅迫30 d時下降，抗性相應減弱。狼尾草和黃菖蒲的脯氨酸含量是先升后降，前期抗性較好，后期抗性變弱。馬藺在后期其脯氨酸含量為未脅迫前2.80倍，但其外觀表現最差，抗性最差。這是由于植物體內脯氨酸的積累有兩種意義，一是有適應性的意義，二是細胞的結構功能受損[27]，而馬藺就屬于后者。

綜合7種草本地被在污水脅迫下的外觀表現和生理指標變化，研究發現黃菖蒲、波斯菊和蔥蘭不僅生長狀況良好，而且隸屬函數評價其耐污性也較強。此類植物適合種植在園林綠地中受污水污染區域，可兼顧景觀和生態功能。

4 結論

綜合7種草本地被在污水脅迫下的外觀表現和生理指標變化，采用隸屬函數法對7種草本地被植物耐污性進行綜合評價，得出耐污性排序為：波斯菊>黃菖蒲>蔥蘭>狼尾草>萱草>玉簪>馬藺，排序與形態觀測結果一致。