2015, Vol. 27 
(2: 重庆文理学院水环境修复重点实验室，重庆 402160)
(2: Key Laboratory of Water Environmental Restoration, Chongqing University of Arts and Sciences, Chongqing 402160, P.R.China)
近年来，由于人类活动加剧，城市河道黑臭现象日益严重[1-2]，利用植物生态修复已成为许多城市水环境治理的重要方法，已被越来越多人所认可[3-5]，而水生植物能在黑臭河道中生长是利用植物生态修复的基础和前提.富营养化水体对水生植物的影响，多集中在高营养盐浓度胁迫沉水植物的生理生化[6-11]，水生植物对沉积物底泥氮磷、有机质的吸附方面[12-16].关于底质负荷对水生植物生长影响的研究较少，尤其是黑臭河道底泥对湿地植物生长的影响.目前黑臭河道的修复多运用湿地植物，所以研究黑臭河道底泥对湿地植物生长的影响具有重要意义.
菖蒲(Acorus calamus)、美人蕉(Canna indica)和慈姑(Sagittaria sagittifolia)为多年生湿地植物，根系发达，对不利环境有较强的适应能力，吸附能力强，属河道修复常见植物[17].本实验以城市黑臭河道底泥和慈姑、菖蒲、美人蕉3种湿地植物构建实验系统，室内模拟3种湿地植物在黑臭底泥中的生长情况，探讨湿地植物的生长及光合响应机制，为黑臭河道修复的物种选择提供科学依据.
1 材料与方法 1.1 底泥底泥采自某富营养化城市黑臭河道，含水量为69.71 %，氧化还原电位为-102.38mV，pH为7.08，总有机质、总氮、总磷含量分别为19423.57、1140.43、530.15mg/kg.采用彼得森采泥器于2013年5月采集表层沉积物.低温风干后过100目筛，去除粗粒及动植物残体，充分混匀备用.
1.2 湿地植物培养本实验选用典型湿地植物菖蒲(A. calamus)、美人蕉(C.indica)和慈姑(S. sagittifolia). 2013年5月将从富营养河道采集的3种湿地植物种植在高密度聚乙烯柱内(直径×高：70mm×35cm，预先经过5 %的HCl处理后用蒸馏水冲洗干净)，底泥厚度为30cm，每个柱子种植1株植物，自然光照下生长2周.实验开始时3种植物的株高分别为11.9±0.9、10.2±0.7、9.8±0.6cm，生物量分别为：0.44±0.07、0.99±0.08、0.50±0.12g.
1.3 实验系统的构建实验系统的构建：植物聚乙烯柱置于高密度聚乙烯桶底部(顶直径×底直径×高：100cm×55cm×95cm)，缓慢注入经阳光暴晒3d后的自来水，淹水深度为3cm.实验在玻璃温室内进行，期间的平均温度为30±1.5℃，平均光照为(1000±325)×102lx.实验开始于2013年6月9日，分别在第0、10、20、30、40d测定菖蒲、美人蕉、慈姑的生物量，同步测定其叶绿素荧光参数.
1.4 叶绿素荧光参数测定实验第0、10、20、30、40d利用水下饱和脉冲调制(DIVING-PAM，德国WALZ公司)和数据采集软件Wincontrol于7：00测定叶绿素荧光参数值，随机选择3株顶部伸展叶片，连体适应15min后，打开叶夹，开启测量光(0.5μmol/(m2·s))得到F0(暗适应样品的最小荧光产量)，再开启饱和脉冲光(4000μmol/(m2·s)，0.8s)测得Fm(暗适应样品的最大荧光产量)，然后开启光强度为30μmol/(m2·s)的光化光，照射叶片10s后，再开启饱和脉冲光测得F′m(光适应样品打开饱和脉冲时的最大荧光产量)与Ft(任一给定时间的荧光产量).Fv/Fm(反映在合适条件下经过暗适应后PSⅡ的最大量子产量)=(Fm－F0)/Fm[18]，光化学淬灭系数qP=(F′m－Ft)/(F′m－F0)，非光化学淬灭系数qN=(Fm-F′m)/(Fm-F0).
1.5 快速光响应曲线测定实验第0、10、20、30、40d时，测定叶片快速光响应曲线.测定于早晨7：00 8：00进行.随机选择3株顶部伸展叶片测定快速光响应曲线[19].分别绘出相对光合电子传递速率(rETR)与光强的快速光响应曲线[20].rETR=0.84×0.5×光强·(F′m-Ft)/F′m[21].
1.6 数据分析采用SPSS 16.0软件对数据进行处理和分析，实验期间对菖蒲植株生长的影响采用单因素方差分析(ANOVA-I)，由SigmaPlot 12.0软件绘图.
2 结果与分析 2.1 黑臭底泥对3种湿地植物生物量增量的影响植物生长过程中，生物量增量作为植物光合作用净生产力，用于比较不同植物的光合能力.实验期间菖蒲、美人蕉的生物量增量表现为降低-升高-降低的趋势，而慈姑则持续增加(表 1).菖蒲、美人蕉在第10~20d生物量增量明显下降，仅分别为第0~10d的45.7 %、72.4 %，菖蒲、美人蕉在第30~40d生物量增量也下降，仅分别为第20~30d的40.6 %、30.4 % (P＜0.05)，说明菖蒲和美人蕉的光合作用净生产力下降.而慈姑生物量增量明显增加(P＜0.05)，说明实验期间慈姑的光合能力一直增大.在实验前30d，3种湿地植物生物量增量表现为美人蕉＞慈姑＞菖蒲，说明短时间生长在黑臭底泥中，美人蕉的光合作用能力最强，菖蒲最差；随着时间的延长，菖蒲和美人蕉的生物量增量减少，光合能力下降，到实验结束时生物量增量表现为慈姑＞美人蕉＞菖蒲(P＜0.05)，说明较短时间(≤30d)美人蕉的光合作用净生产力最大，在较长时间(≥30d)慈姑的光合能力最强，而菖蒲的光合作用净生产能力最弱.
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表 1 实验期间3种湿地植物生物量增量的变化* Tab.1 The changes of shoot biomass of of three wetland plants during the experiment period |
叶绿素荧光参数是评估PSⅡ状态的指标.菖蒲、美人蕉和慈姑叶片最大光量子产量(Fv/Fm)反映了当所有光合系统Ⅱ(PSⅡ)反应中心均处于开放态时的量子产量[22]，其值降低是受抑制最明显的特征之一[23]. 3种湿地植物的Fv/Fm呈先上升后降低的趋势(图 1)，第30d时，菖蒲、美人蕉的Fv/Fm值达到最大，分别为0.787、0.798，后下降，而慈姑Fv/Fm持续增加.实验0~30d内美人蕉的Fv/Fm大于慈姑，在第40d时，美人蕉的Fv/Fm降低小于慈姑的Fv/Fm值，在整个实验期间菖蒲的Fv/Fm值最小.
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图 1 实验期间3种湿地植物Fv/Fm、Yield、qP、qN的变化 Fig.1 Changes of Fv/Fm, Yield, qP, qN of three wetland plants during the experiment period |
有效荧光产量(Yield)表示在照光下PSⅡ的实际光化学效率，反映植物吸收的光子供给PSⅡ反应中心的效率.Yield变化趋势与Fv/Fm类似，实验期间3种湿地植物Yield值都呈先升高后降低的趋势(图 1)，第40d时3种湿地植物的Yield值降低，表明黑臭底泥对3种湿地植物的实际光化学效率有抑制作用；实验期间3种湿地植物的Yield值表现为前10d较接近，表明黑臭底泥短期胁迫对实际光化学效率的抑制作用不大，第40d时，美人蕉的Yield值明显下降(P＜0.05)，小于慈姑和菖蒲的值，表明较长时间黑臭底泥的胁迫对3种湿地植物的抑制效果不同，且对美人蕉的实际光化学效率的抑制作用最大.
光化学淬灭系数(qP)是PSⅡ天线色素吸收的光能用于光化学电子传递的份额，qP降低反映PSⅡ中开放中心比例和参与CO2固定的电子减少.菖蒲、美人蕉的qP值呈先上升后降低的趋势(图 1)，且在第10d达到最大值，分别为0.29、0.59，差异显著(P＜0.05)，后30d逐渐降低，直到实验结束，说明黑臭底泥对菖蒲和美人蕉光化学反应的电子数有明显的胁迫影响.慈姑的qP值呈先上升后下降再上升的趋势，在第40d时，慈姑的qP值显著上升(P＜0.05)，说明慈姑可以适应黑臭底泥的胁迫作用.3种湿地植物的qP值表现为美人蕉＞慈姑＞菖蒲(P＜0.05)，说明美人蕉PSⅡ中开放中心比例和参与CO2固定的电子最多.
qN反映天线色素吸收的光能不能用于电子传递而以热的形式耗散掉的光能部分，是植物保护PSⅡ的重要机制.3种湿地植物的qN值表现为美人蕉＞慈姑＞菖蒲(图 1)，且差异显著(P＜0.05)，表明美人蕉的热耗散能力最强.菖蒲和慈姑在第40d时呈下降趋势，说明随着黑臭底泥的胁迫使菖蒲和慈姑的热耗散能力减弱，而美人蕉在第40d时qN值上升至0.810，说明美人蕉光合系统PSⅡ将吸收过剩的能量通过热耗散的形式释放，以保护自身组织免受过剩光的损害，体现美人蕉在黑臭底泥中生长的自我保护机制.
快速光响应曲线：PSⅡ的rETR反映实际光强下的表观电子传递速率，rETR用于度量光化学反应导致碳固定的电子传递情况.3种湿地植物的ETR值表现为先增加、后降低的趋势(图 2)，在第10d时达到最大，饱和光强都为690μmol/(m2 · s)，但rETRmax则呈显著差异(P＜0.05)，其中慈姑rETRmax为99.87μmol/(m2 · s)，显著高于菖蒲(41.33μmol/(m2 · s))和美人蕉(68.60μmol/(m2 · s)).菖蒲和美人蕉的ETR值在后30d一直下降，说明黑臭底泥对菖蒲、美人蕉的光响应能力产生影响，直到实验结束都没有恢复.而慈姑ETR值于第30d开始上升，说明慈姑可以适应黑臭底泥对光相应能力的胁迫.
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图 2 实验期间3种湿地植物的快速光响应曲线 Fig.2 Rapid light curves of three wetland plants during the experiment period |
在实验开始的0~30d内，生物量增量表现为美人蕉＞慈姑＞菖蒲，在第30~40d时，菖蒲和美人蕉的生物量增量明显降低，而慈姑持续增加，最终3种湿地植物的生物量增量表现为慈姑＞美人蕉＞菖蒲.这有可能是由于菖蒲和美人蕉受到黑臭底泥的抑制或者是进入平稳的生长期，但Fv/Fm的值在第30~40d时都明显下降，表明植物叶片受到了外界因子的抑制，外界胁迫可能对PSⅡ反应中心造成一定损伤，说明美人蕉和菖蒲受到抑制，有研究表明较高的氮磷浓度对水生植物产生胁迫，影响植物的正常生理活动，抑制植物的正常生长[11, 24].虽然慈姑的Fv/Fm值在第30~40d时也稍有下降趋势，但慈姑的生物量增量在第30~40d时显著增加(P＜0.05)，说明慈姑可以适应黑臭底泥的外界胁迫.
3.2 黑臭底泥对3种湿地植物叶片光合机能的影响黑臭底泥对湿地植物生长的影响直接体现在其对光合作用的影响上.叶片叶绿素荧光与光合作用中各种反应过程密切相关，任何环境因子对光合作用的影响可以通过叶片的叶绿素荧光动力学反映出来[25].PSⅡ系统的光化学效率是表征光化学反应状况的一个重要参数.菖蒲、美人蕉和慈姑在黑臭底泥中的叶绿素荧光参数表现出显著的差异，3种湿地植物Fv/Fm、Yield值在实验第30d达到最大后开始下降，非胁迫条件下该参数的变化极小，多数高等植物Fv/Fm值在胁迫条件下明显下降[26-27]，当Fv/Fm值低于0.8时，外界胁迫可能对PSⅡ反应中心造成一定损伤[28]，表明3种湿地植物都受到了胁迫.再结合植物生物量增量的变化，菖蒲和美人蕉生物量增量在第30d明显下降，慈姑的生物量增量在第30d显著增加(P＜0.05)，说明3种湿地植物受到的胁迫程度不同.3种湿地植物的qP、rETR值均表现为慈姑＞美人蕉＞菖蒲，说明慈姑吸收的能量更多地参与了光化学反应，电子传递速率增大，合成更多的光合产物.而在黑臭底泥中美人蕉和菖蒲的吸收的光子供给PSⅡ反应中心的效率将降低，吸收的光能不能全部用于光合作用，导致光合作用下降.qN值表现为美人蕉＞慈姑＞菖蒲，美人蕉与菖蒲、慈姑存在显著差异(P＜0.05)，表明美人蕉光合系统PSⅡ将吸收过剩的能量通过热耗散的形式释放，以保护自身组织免受过剩光的损害，体现美人蕉在黑臭底泥中生长的自我保护机制.
从时间上看，菖蒲的qP、rETR值在第10d时达到极大值，后30d一直下降至实验结束，且菖蒲的qN值也下降，说明菖蒲的PSⅡ系统在黑臭底泥的胁迫下已经受到损伤，热耗散能力不能增加，再结合菖蒲的生物量增量在第30~40d时明显下降(P＜0.05)，说明黑臭底泥的胁迫影响菖蒲的光合作用能力，植物根系也出现少许腐烂的现象.虽然美人蕉的qP、rETR值在实验后30d也下降，但在第40d时，美人蕉的qN值上升，说明美人蕉仍有较高的热耗散能力，可以保护PSⅡ系统免受黑臭底泥的损伤.慈姑qP、rETR值在第10d达到极大值，在20d时出现下降，说明黑臭底泥对慈姑的生长产生了胁迫，而在第30d时qP、rETR值又上升，且生物量增量持续显著增加(P＜0.05)，表明在黑臭底泥中慈姑更能有效地利用吸收的光能，合成生长所需的物质，说明慈姑可以较快地适应黑臭底泥的胁迫.
4 结论1) 菖蒲、美人蕉的生物量增量在第30~40d时明显下降，Fv/Fm、Yield值在第30~40d时出现下降，表明生长在黑臭底泥中的菖蒲和美人蕉受到抑制，而慈姑的生物量增量在第30~40d显著增加，说明慈姑可以适应黑臭底泥的胁迫.
2) 在第40d时，菖蒲qP、qN值同时下降，说明菖蒲的PSⅡ系统在黑臭底泥的胁迫下已经受到损伤，热耗散能力不能增加；美人蕉的qP下降，而qN上升，说明美人蕉仍有较高的热耗散能力，可以保护PSⅡ系统免受黑臭底泥的伤害；慈姑的qP值上升，qN下降，说明黑臭底泥中生长的慈姑更能有效地利用光能合成生长所需的物质，说明慈姑可以适应黑臭底泥的胁迫.因此在运用湿地植物修复黑臭河道时，选种可以优先考虑慈姑，其次是美人蕉，最后是菖蒲.
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