不同光照環境下苦草的生長特性及其對水質的凈化作用

杜俊　薛蕊　古勵

摘 要：本文以治理湖庫水環境中常見的苦草為對象，研究光照強度、光照種類以及光照時間對其生長特性的影響，進行單因素試驗，并以此為基礎采用正交試驗對苦草的最優光照條件進行分析。試驗結果表明，苦草生長最佳的組合條件為光強5600lx、光照時間16h、紅光照射，且苦草的株高受光照強度影響顯著;光照強度5600lx、白光照射、光照時間8h時，苦草系統對總氮和溶解性PO43-的去除率最高，且光照強度對苦草系統總氮去除率和溶解性PO43-去除率有顯著影響。

關鍵詞：苦草;光照;生長特征;水質

中圖分類號：S-3

文獻標識碼：A

目前，我國的水體富營養化現象日益嚴重[1]。湖泊生態系統是一種動態平衡系統，其由湖泊內生物群落及其生態環境共同組成。我國大部分湖泊屬于半人工生態系統，都或多或少地受到過人為的影響。生態系統健康的湖泊可以抵抗外界環境的變化，受到不良環境擾動時可以自行恢復[2]。淺水湖泊有2種穩定的狀態：以大型水生植物為主，呈現清潔狀態的草型湖泊;以大量藻類為主，呈現渾濁狀態的藻型湖泊。在沒有受到干擾的自然狀態下，湖泊一般可以逐漸變成草型湖泊，當大量的氮、磷等營養物質輸入時，草型湖泊會逐漸轉變為沼澤地或藻型湖泊[3]，這會引起高等水生植物的衰退和減少，種群的多樣性降低[4]，環境容量降低，湖泊的自凈能力也會下降，耐污性較強的植物生長迅速，藻類等浮游植物通過競爭成為水體中優勢種群。

湖泊中的初級生產者是沉水植物，其根、莖、葉等可從水中吸收用于自身生長的營養元素，從而凈化水質，其茂密的枝葉上附著了許多細菌、藻類和微生物群落[4]，同時也為浮游動物和其它大型無脊椎動物提供了棲息地，其生長過程中會分泌化感物質，在很大程度上抑制了藻類的生長[6-8]。因此，國內許多湖泊治理項目中的重要環節都是種植沉水植物。

沉水植物作為初級生產者，光照是其根本需求。但在實際中，沉水植物往往會受到光照的影響。隨著水體污染程度日益嚴重，水體中有色可溶性有機物和懸浮顆粒物不斷增加，浮游植物增殖加快，從而使光在水中的衰減速度加快，沉水植物生長在水下，因此得到的光極少[9]。在治理某些山地湖庫時，會受到實際地形的影響，光照難以有效抵達湖庫水深較深的地方。在種植某些沉水植物的初期，通常需要人工補充光照，確保種植的沉水植物快速生長，使其頂芽能有效接受外界自然光照[10]。但哪些種類的光源最適宜于沉水植物的初期生長、最有利于沉水植物的快速增殖，目前仍不清楚，需要通過試驗予以明確。

根據以上分析，本研究擬以目前工程中常用的苦草為對象，研究光照條件對沉水植物的影響，找出典型沉水植物生長適宜的光照，明確不同光照類型下的沉水植物的生長特性，對沉水植物生態恢復、湖泊水質提高具有重要意義。

1 實驗材料和方法

1.1 實驗材料

試驗中所使用的沉水植物為苦草，取自重慶潼南大方生態公司沉水植物種植基地。所采苦草先置于實驗室預培養，預培養完成后，選取生長狀態較為一致的苗株開展后續實驗。

1.2 實驗裝置

實驗在實驗室開展，采用塑料桶種植，采用人工光源（LED燈管）對苦草進行補光，采用定時器調節光照時間。試驗裝置如圖2所示。

1.3 實驗方法

試驗開展前，先將苦草洗凈、清潔，將苦草株高剪至15cm，并對修剪后苦草進行稱重，明確其鮮重。試驗所用種植基質為湖庫底泥，取自重慶大學荷花池，底泥為灰黑色。

在試驗中，研究不同光照強度以及不同光照時間對沉水植物生長性質的影響。選取尺寸為15±1cm的苦草苗，種植至培養桶內部，種植密度為幼苗48株/m2。培養液為0.03125倍的Hoagland培養液，控制培養液中的TP為0.97mg/L。試驗過程中，監測苦草生長情況，明確沉水植物生長構成的水質情況。

1.4 分析項目及方法

沉水植物的生理特性包括植物的株高、鮮重與分蘗數3類，株高通過刻度尺測量得到，鮮重通過電子天平稱重得到，分蘗數通過人工計數得到。水質指標主要為總氮和總磷，總氮的測試方法采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光廣度法，液相總磷濃度采用鉬酸銨分光光度法。

2 結果與分析

2.1 光照強度對苦草生長特性的影響

開展不同光照強度對苦草生長特性的影響試驗，控制苦草葉片周邊的光照強度分別為0lx、300lx、1300lx、1800lx、2800lx和5700lx時，持續監測苦草的株高、鮮重和分蘗數等指標，試驗結果詳見圖3。

沉水植物的株高、鮮重、分蘗數等生理信息是直接反映植物生長特性的重要參數，從圖中可以看出，苦草在不同的光照強度下，表現出不同的生長特性[11]。從圖3可以看出，在隨著光照強度由0lx升高至2800lx，試驗結束苦草的平均株高由13cm增加至64cm，表明株高在此光照強度范圍隨光照強度增加而增加;當光照強度由2800lx繼續增加至5700lx時，此時試驗結束時的平均株高為40cm，不同光照強度度下試驗結束所對應的平均鮮重分別為56.46g、169.47g、323.10g、342.24g、455.55g和425.30g，表明在2800lx的光照強度下，苦草可獲得最大的株高和鮮重。但就分蘗數而言，在5700lx光照強度下，苦草的分蘗數最大，達到了19，表明雖然高光照環境對苦草的株高和鮮重不利，但在此情況下，強光照通過促進苦草無性系分株，得到最多芽數，以占據更多的空間[13]。同時，試驗也表明，在無光照情況下，苦草的生長受到抑制，其株高和鮮重慢慢下降，部分苦草死亡。苦草在光照強度大于300lx時即可獲得增長，盡管此時的生長速度相對緩慢，表明苦草的光補償點小于300lx[12]。通過綜合分析苦草生長中的株高、鮮重、分蘗數等指標，2800lx是較為適合苦草生長的光照強度。

2.2 光照時間對苦生長特性的影響

在明確了光照強度對苦草生長的影響的基礎上，通過固定系統的光照強度（5700lx），調節每日的光照時間分別為0h、4h、8h、12h、16h和20h時，分析日均光照時間對苦草生長特性的影響，結果見圖4。

從圖4中可以看出，每日光照時間較光照強度表現出對苦草生長更顯著的影響。隨著光照時間的增加，試驗結束時苦草的平均株高逐漸上升，由0h光照時間的12cm持續增長至20h光照時間的55.7cm，鮮重由0h時的22.28g增加至135.9g。相比株高指標，鮮重的增加更加明顯，表明在此環境下，大量的光照用于苦草細胞合成，增加了其重量，尤其是根系的重量，在長時光照環境中，苦草的葉片更厚，根系更為發達，為其后續的大規模增殖和分蘗提供了良好的條件。當光照時間為20h時，苦草的平均株高、鮮重增長率達到最大值，但在每日光照時間為0h、4h時，苦草難以有效生長，其株高和鮮重隨試驗進程逐漸下降，部分植株死亡，當每日光照時間超過8h時，苦草的株高和鮮重才隨光照時間增加而增長。分蘗數是指示沉水植物增殖的重要指標，當每日照射時間小于等于8h時，苦草才發生明顯的增殖，體現為其分蘗數顯著增加。以上研究表明，苦草的日最小光照時間不宜小于8h。

2.3 苦草最佳光照條件分析

上述試驗明確了苦草生長的最佳光照強度和每日光照時間的最優范圍。在此基礎上，擬開展光照類型對其生長特性的影響。根據以往文獻報道，光源類型也對植物的生長有明顯的影響，Yu等[14]認為，紅光對提高植物株高和生物量有著積極的影響;孫慶麗等[15]通過研究發現，藍光和白光比紅光更利于水稻幼苗葉綠素的合成。因此，在上述的關于苦草光照強度和時間的基礎上，考慮結合光照類型，通過正交試驗分析光照強度、時間、光照類型等對沉水植物的影響。在研究中，根據以往文獻，選取紅光、藍光和白光3種光源類型。在正交試驗設計中，設定A（光照種類）、B（光照強度）、C（光照時間）3個環境因素，各因素分別設定3個水平。光照強度的3水平分別設定為100lx、2700lx、5600lx，光照時間的3水平設定為4h、8h、16h，光照種類的3水平設定為紅光、白光、藍光。采用33（9）設計，共9個組合，其組合形式詳見表2。根據表2形成各試驗組，分析各試驗組的植物生長和水質情況。

2.3.1 不同條件下苦草的生長狀況對比

不同試驗組合下苦草生長特性結果詳見圖5。從圖5可以看出，光照因子對苦草的生長影響巨大[16，17]。試驗3，即采用紅光光源，光照強度為5600lx，光照時間為16h時，此時對象苦草在試驗結束時的鮮重和分蘗數指標達到最大值，株高指標僅次于試驗9（白光光源，光照強度5600lx，日光照時間8h）;當采用試驗7的試驗條件時，此時的光源為白光，光照強度為100lx，日光照時間為16h，試驗結束時苦草的平均株高最小，表明低照強度，長照射時間仍不利于沉水植物的生長。試驗1條件下（紅光光源、照射強度100lx，日照射時間4h），試驗結束后的苦草的鮮重最小，其中苦草的成活率也最低。從上述結果可得知，苦草在光照強度5600lx，日光照時間16h、光照類型為紅光的條件下可獲得最優的生長，而在光照強度100lx、日光照時間4h、光照類型為白光的環境條件下無法生長。在以上數據的基礎上，進一步采用方差分析法對其進行深入分析，結果見表3。

方差分析中的數據主要體現了各因素對結果的影響程度，從表3中可以看出，光照強度是影響沉水植物生長的最重要因素。光照強度對苦草株高的影響最為顯著，其次為光照時間，最不顯著的為光源種類。就苦草的鮮重增長率而言，光照強度依然是最為重要的影響因素，而光照種類和光照時間的影響程度接近。對于分蘗數而言，光照強度影響最強，其次為光照種類，光照時間對分蘗數的影響最不顯著。

2.3.2 同條件下苦草對水質的凈化作用對比

試驗中除了對苦草的生長特性進行了分析，也對不同試驗條件下苦草生長對系統水質的改善作用進行了分析，主要分析了系統中TN和TP的濃度，其去除率見表4。

從表4中可知，當采用光照強度5600lx、光源為白光、日光照時間8h的條件時，苦草生長過程對液相總氮的去除率達到最高，達到60.59%。試驗4和試驗7均對總氮無去除，其條件分別為光照強度100lx、光照類型為藍光、光照時間8h以及光照強度100lx、光照類型為白光、光照時間16h時，表明低光照環境下，苦草難以生長，也無法有效利用水中的營養物。對總磷而言，在試驗5和9中去除率達到最高，表明高光強環境下苦草生長旺盛，對總磷的去除效果好。同時，也采用了方差分析方法對實驗結果進行進一步統計分析，結果見表5～6。

由表可知，相比其它影響因素，光照強度對苦草去除總氮有最為顯著的影響，其次為光照時間，最后為光照種類，但光照時間和光照種類的影響程度較為接近。而對于總磷的去除而言，光照強度依然是影響最為劇烈的因素，其次為光照時間，最后為光照種類，但相比總氮的去除而言，光照時間對總磷的去除的影響相對較大。

3 結論

當光照強度分別為0lx、300lx、1300lx、1800lx、2800lx和5700lx時，試驗結束后對應的苦草鮮重分別為56.46g、169.47g、323.10g、342.24g、455.55g和425.30g，平均株高分別是13cm、40cm、62cm、60cm、64cm和40cm，分蘗數分別是0、8、9、7、7和19。在2800lx的光照強度下，苦草的鮮重增長率和平均株高都達到最大值;在5700lx的光照強度下，苦草分蘗數達到最大值。

在該實驗的光照條件下，苦草生長最佳的組合條件為光強5600lx、光照時間16h、紅光照射，而在光強100lx、光照時間4h、紅光照射，光強100lx、光照時間16h、白光照射的環境下無法生長。分析得出，苦草的株高受光照強度影響顯著，苦草的鮮重增長率、分蘗數受光照種類、光照時間、光照強度的影響均不顯著。

在該實驗的光照條件下，苦草系統對總氮的去除率最高的組合條件為光照強度5600lx、白光照射、光照時間8h。苦草系統對總氮的去除率最低的組合條件為光照強度100lx、藍光照射、光照時間8h，光照強度100lx、白光照射、光照時間16h。分析得出，苦草系統總氮去除率受光照強度影響顯著，苦草系統總氮去除率受光照種類、光照時間的影響均不顯著。

在該實驗的光照條件下，苦草系統對溶解性PO43-的去除率較好的組合條件為光照強度2700lx、紅光照射、光照時間8h;光照強度5600lx、紅光照射、光照時間16h;光照強度2700lx、藍光照射、光照時間16h;光照強度5600lx、白光照射、光照時間8h時。分析得出，苦草系統溶解性PO43-去除率受光照強度影響顯著，苦草系統溶解性磷酸鹽去除率受光照種類、光照時間的影響均不顯著。

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（責任編輯 李媛媛）