2020, Vol. 32 
(2: 中国科学院水生生物研究所淡水生态和生物技术国家重点实验室, 武汉 430072)
(3: 中国科学院大学, 北京 100049)
(4: 浙江省杭州市西湖水域管理处, 杭州 310002)
(2: State Key Laboratory of Freshwater Ecology and Biotechnology, Institute of Hydrobiology, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430072, P. R. China)
(3: University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, P. R. China)
(4: Hangzhou West Lake Administrative Office, Hangzhou 310002, P. R. China)
湖泊富营养化是备受关注的全球性环境问题之一[1]，而沉积物中的内源磷在湖泊中磷的动态变化中发挥着重要作用，减少沉积物磷的负荷已经被认为是控制水体富营养化的关键技术之一[2].减少沉积物磷的释放可分为原位技术和异位技术.底泥疏浚是目前一种可较为彻底去除磷的方法，然而，疏浚可能会破坏湖泊生态系统，增加污染物再悬浮的风险，而且也不具有成本效益[3].近年来，减少沉积物内磷负荷的原位技术越来越受到人们的重视.
水生植被修复是原位生态修复的一种方法，具有良好的生态效益和经济效益.沉水植物是湖泊生态系统中重要的生产者[4]，在维持水生态系统的平衡、控制藻类、净化水质的方面起着举足轻重的作用，因此将富营养化湖泊恢复为健康的草型湖泊通常需要重建以沉水植物为主的水生植被[5].而湖泊沉积物同时也是影响水下生态系统恢复重建的重要因素，它是水生植物生根和稳定生长的基本条件，同时也为植物提供了大量的生长所必需的养分[5-6].沉积物不同的理化性质常常影响沉水植物的生长与繁殖，而我国许多富营养化湖泊的沉积物并不适合水生植物的生长[7-11].改良湖泊沉积物，促进沉水植物生长，是富营养化湖泊生态恢复过程中的关键，因此应当选择环境友好、地理上可用且经济上可行的有效的原位材料对底质进行改良.一些天然或改性的矿物是常见的选择，如甘磊等研究了镧改性膨润土对沉积物磷释放的影响，结果表明镧改性膨润土能改变沉积物磷形态，使活性磷转化为稳定的磷形态，从而提高沉积物对磷的滞留能力、降低湖水磷浓度，改善水质[12].
麦饭石是一种天然硅酸盐矿物，具有生态友好的特点，在中国有着丰富的资源[13-15].麦饭石具有较大的比表面积和较强的吸附能力，主要是由它的微泡孔和海绵状的形态结构所决定的，且麦饭石中含有铝(Al)、铁(Fe)等元素可通过化学吸附吸附磷[16-18].麦饭石原石的市场价格约为300~400元/t，由于其成本低、性能好，含有氨基酸和微量元素，已被广泛应用于土壤改良中，可作为土壤调理剂，改善土壤理化性能[19].而本研究团队前期已将麦饭石作为沉积物磷修复剂和底质改良剂应用于杭州西湖生态修复工程，取得了较好的效果[20]，研究结果表明，通过改性处理的麦饭石可进一步提高其对沉积物磷的吸附性能，降低富营养化湖泊磷的负荷.因此，本文将麦饭石与沉水植物相结合，探讨其对沉水植物生理生态的影响，为麦饭石在原位生态修复领域的进一步应用提供技术参考.
1 材料与方法 1.1 实验材料沉水植物苦草(Vallisneria spiralis)采自杭州西湖.冲洗干净后去除无脊椎食草动物，选择长度为15 cm，根长为3 cm的植株，实验前在实验室中先驯化7 d.麦饭石购自中国山东省孟阴县康源麦饭石矿厂，粒度为2~4 cm.将麦饭石在超纯水中洗涤浸泡24 h，采用复合改性方法制备改性麦饭石，改性麦饭石的制备方法如下:将麦饭石原石浸泡在2.5 mol/L的硫酸溶液中6 h后以超纯水洗至中性，而后在400℃高温下煅烧4 h后放至室温待用.
1.2 实验设计实验在直径60 cm、高度80 cm的聚乙烯桶中进行.先在桶底铺上6 cm厚的西湖底泥，然后将不同厚度的原始麦饭石(1、3、5、7 cm)覆盖在沉积物表面，设置为M1、M3、M5、M7组，将不同厚度的改性麦饭石(1、3、5、7 cm)覆盖在沉积物表面，设置为MM1、MM3、MM5、MM7组，将没有覆盖麦饭石组的设为对照组M0.实验期间，水位保持在60 cm.实验中使用的底泥和水均来自中国杭州西湖.每个处理组设3个平行，所有数据均表示为平均值.
1.3 实验方法实验周期为180 d.每30 d测定1次沉水植物的生长、生理生化指标.实验时，每个处理组从3个平行桶中各拔取1株植物，即1个处理组共获取3株植物.其中植物叶片叶绿素采用Lichtenthaler-Arnon法[21]适当改进；根系活力采用TTC法[21]；叶片丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸法测定[22]，叶片过氧化物酶(POD)活性采用愈创木酚法测定[23].
1.4 数据分析及处理实验所得数据采用Excel 2007软件整理，采用SPSS 22.0统计软件进行显著性分析，采用Origin 9.5软件作图.
2 结果与分析 2.1 麦饭石对苦草生长指标的影响苦草的生长指标可以直观地反映植物的生长情况.试验过程中，测定了苦草的株高、叶片数、生物量、根长，并绘制统计数据图.
从图 1可以看出，苦草的生长随季节而变化.夏季光照强度较大，温度较高，整体条件适宜苦草生长，故7 8月，苦草生长旺盛.到8月15日，苦草生长指数达到最大值. 9月，苦草的生长速度逐渐变慢.在10月和11月，苦草经历了一个衰退期，这与西湖四季水生植物统计调查结果相一致.
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图 1 麦饭石对苦草生长指数的影响(a:株高，b:叶片数，c:生物量，d:根长) Fig.1 Effect of maifanite on growth index of Vallisneria spiralis (a: height, b: number of leaves, c: biomass, d: root length) |
从图 1a可以看出，原石组铺设厚度为1 cm和3 cm的M1、M3在整个实验周期内株高始终高于对照组M0，且M1组在7、8、9、10月显著高于M0组(P < 0.05)，而铺设厚度超过3 cm后，则对照组基本高于原石组，M0组除了在植物刚种下和实验结束时外，在剩下的月内均显著高于M7组(P < 0.05)，同时M1在整个实验周期内显著高于M5、M7组(P < 0.05).改性组与对照组相比，MM1组在整个实验过程中始终显著高于M0、MM5和MM7组(P < 0.05)，而M0组则高于MM7组但差异并不显著.当铺设厚度分别为1 cm和3 cm时，改性组始终高于原石组.从图 1b可以看出，除7 cm组外，麦饭石组的叶片数均高于对照组，MM1组和M1组叶片数均高于其他组(P < 0.05).从图 1c可以看出，与对照组相比，M1、MM1与MM3组生物量始终显著高于对照组M0(P < 0.05)，且MM1组显著高于M1组(P < 0.05)；而M0基本是高于MM7组，显著高于M7组(P < 0.05)，且MM7组高于M7组，9月除外.此外无论是改性组还是原石组，1 cm和3 cm显著高于5 cm和7 cm(P < 0.05)；而在铺设厚度相同时，改性组高于原石组. 2018年8月15日，MM1组生物量最高达30.73 g，为对照组的156.8 %.从图 1d以看出，MM1组苦草的根长高于其他组，1 cm组和3 cm组均显著高于对照组(P < 0.05)，且MM1显著高于M1(P < 0.05)，MM3高于M3.在7月15日后，对照组均高于7 cm组；根长与株高显示出同样的规律，即当铺设厚度分别为1 cm和3 cm时，改性组始终高于原石组.
2.2 麦饭石对苦草生理生化指标的影响 2.2.1 麦饭石对苦草光合色素含量的影响叶绿素水平可以反映植物光合速率和衰老过程[24-25].从图 2中可以看出，苦草叶绿素含量在7月15日、8月15日和9月15日三个采样日较高，与旺盛生长期有关，其中MM1组叶绿素a(Chl.a)、叶绿素b(Chl.b)和叶绿素总量(Chl.a + Chl.b)含量均高于对照组，其余组与对照组并没有明显差异.植物叶绿素含量可以反映植物的光合作用水平，而麦饭石组植物的光合作用明显较强，在一定程度上可以反映麦饭石组的生长和代谢速度.
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图 2 麦饭石对苦草叶绿素含量的影响 Fig.2 Effect of maifanite on chlorophyll content of Vallisneria spiralis |
蛋白质是生物体结构和功能中最重要的基本物质之一，也是植物细胞中最丰富的生物大分子[26].在受到胁迫条件下，植物细胞可能会产生一系列的物质(如可溶性蛋白)，通过自我调节来减少外界环境的破坏.
苦草叶片可溶性蛋白含量与植物抗逆性表达一致. 图 3a为麦饭石对苦草叶片蛋白质含量的影响.当刚种下时，为了适应外界环境的变化，各组均产生大量的可溶性蛋白，经过适应期后，可溶性蛋白含量下降至正常水平.到10月份时，外界环境中的光照强度、水体温度都有所下降，因此可溶性蛋白含量有所提高，其中M1组和MM1组苦草可溶性蛋白含量均高于其他组，且MM1组叶片的蛋白质含量显著高于对照组M0和5 cm、7 cm的处理组(P < 0.05)，说明MM1组对生长环境变化的抵抗能力最强.初步得出一定量的麦饭石可以提高苦草的抗性.
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图 3 麦饭石对苦草叶片可溶性蛋白含量(a)、丙二醛含量(MDA)(b)、过氧化物酶(POD)活性(c)和根系活力(d)的影响 Fig.3 Effect of maifanite on protein content (a), MDA content(b), POD activity(c) and root vitality(d) in leaves of Vallisneria spiralis |
丙二醛(MDA)是膜脂过氧化最重要的产物之一，它的产生会增加膜的损伤，因此通过测定它在植物体内的含量可以反映在植物的膜系统受损程度以及植物的抗逆性[27-28].而过氧化物酶(POD)是植物叶片衰老过程中产生的一种抗氧化酶，是植物抗衰老过程中产生的重要物质，能清除植物体内过量的氧自由基[29-30]，从而可以减轻植物所受到的伤害.植物刚种下去时，各组间的MDA含量与POD酶活并没有显著的差异(图 3b, c).植物体内MDA含量在植物衰败期9月15日至11月15日上升，表明植物细胞膜质过氧化水平加深，这符合苦草的生长规律(图 3b).衰败过程中，在9、11月铺设厚度为1 cm和3 cm组MDA含量显著低于对照组M0(P < 0.05)，虽然10月各处理组MDA含量均高于M0组，但1 cm和3 cm组的POD酶活显著高于M0(P < 0.05) (图 3c)，由此可以推断，与其他组相比，麦饭石铺设厚度为1 cm和3 cm时可以提高植物的抗性，且改性组优于原石组.
2.2.4 麦饭石对苦草根系活力的影响根系活力可以反映植物根系的生长[31].从图 3d可以看出，麦饭石组苦草根活力基本高于对照组.在实验前期6月15日至7月15日期间，M5组苦草根系活力显著高于其他组，这是因为在初期种下去时，M5组根系活力就显著高于其他组(P < 0.05)，而其他各组之间并没有显著性差异.到了中期植物生长旺盛时，MM1组在8月15日至9月15日期间，根系活力显著高于对照组M0以及铺设厚度为5 cm和7 cm的处理组(P < 0.05)，同时优于M1组.在实验后期植物衰败，各组根系活力均有明显下降，1 cm、3 cm组优于5 cm、7 cm组，但差异并不显著.结合生物量、叶长等指标，推断适当的麦饭石厚度可以促进根的伸长.结合氧化酶活性可以看出，MM1组苦草的衰败明显延迟.
3 讨论 3.1 麦饭石性状分析植物在生长过程中，需要从外部吸收许多元素来合成所需要的营养物质，其中钙、镁、磷和其他主要元素，以及铁、锰、锌等微量元素是植物合成酶、维生素和生长激素的重要组成部分[32].这些常量和微量元素主要来自土壤，通过根系吸收和运输到植物体内.本研究团队对实验所用麦饭石原石和改性麦饭石的成分检测结果如表 1，麦饭石原石和改性麦饭石的主要成分都是无机的硅铝酸盐[33-34]，而且麦饭石中还含有Mg、Zn、Ti、Mn、Fe等沉水植物生长所需常量和微量元素，这些元素主要以无机盐的形式存在.由表 1还可以看出通过改性处理使麦饭石中SiO2含量明显增加，MgO和P2O5含量显著降低(P < 0.05).通过X射线衍射(XRD)分析，可以看出麦饭石原石和改性麦饭石的晶体结构和性质. XRD分析(图 4)表明，经过改性处理后，与原石相比，改性麦饭石的主要峰强度无明显变化.经改性处理后，也无明显的金属氧化物峰出现，表明改性处理后的麦饭石结构保持完整，金属氧化物在麦饭石表面分布良好.另一方面，改性处理后一些峰消失或减弱，这可能是由于改性处理后杂质的减少所导致的.为了比较麦饭石原石与改性麦饭石形态的不同，进行了SEM分析如图 5.可以看出，改性麦饭石的形态由于改性处理而发生明显改变.麦饭石原石表面光滑，观察到很少的孔.而与原石相比，改性麦饭石则表面较为粗糙，得到了更多的孔，表面形成了具有不规则形状的孔道的多孔结构.此外，在改性麦饭石中出现更多的薄片，这些变化提高了麦饭石的反应活性，使其具有更高的吸附能力，上述信息揭示了改性处理可以提高麦饭石的沉积物磷吸附能力[35].因此利用麦饭石对沉积物进行改良以及探讨其对沉水植物生理生态的影响具有重要的意义.
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表 1 麦饭石原石和改性麦饭石的主要化学成分(%) Tab. 1 The main chemical compositions of raw maifanite and modified maifanite |
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图 4 麦饭石原石(a)和改性麦饭石(b)XRD图 Fig.4 XRD patterns of raw maifanite (a) and modified maifanite (b) |
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图 5 麦饭石原石(a)和改性麦饭石(b)SEM图 Fig.5 SEM patterns of raw maifanite (a) and modified maifanite (b) |
基质对沉水植物的生长影响较大，麦饭石的固定作用可能促进沉水植物在有机质含量较高的基质中生根生长，这在本研究中得到验证，铺设厚度为1 cm和3 cm处理组的苦草其株高、根长、叶片数和生物量等生长指标均显著高于只有底泥的对照组(P < 0.05)，且改性组优于原石组.此外，通过对麦饭石的性状分析可知其富含常量和微量元素，可以为植物生长提供必要的营养. Mg是多种酶的辅因子，是植物叶绿素和维生素的重要组成部分；Zn是电子传递的重要辅酶因子，与植物叶绿体和线粒体的形成密切相关；Zn可以促进蛋白质的合成，促进植物生殖器官的发育，提高植物对高温、高盐、霜冻和干旱的抵抗力；Fe直接参与电子传递、氧化应激、固氮和激素合成[36-37]；从叶绿素指标可以看出，在植物生长旺盛期，1 cm组的光合作用较强.且改性麦饭石较原石具有更多的孔结构，可为根际微生物提供更好的繁殖条件.研究表明，某些根际微生物可以促进植物根系的生长发育[38]，这在本实验中也得到了验证，在植物生长旺盛期，MM1组根系活力显著高于M0组(P < 0.05)，同时优于M1组.通过分析可知当麦饭石铺设厚度超过3 cm时，无论是原石组还是改性组各项指标较对照组均无优势.由于麦饭石层较厚，会影响其溶出量，增加了植物茎底生长压力，在一定程度上抑制了植物根系的氧气分泌和苦草的生长.且较厚的覆盖层可能造成氧化还原电位降低，厌氧环境和硫化物的积累.铺设厚度越深，氧化还原电位的降低越大，对植物的危害也越大[39].从可溶性蛋白、POD、MDA等生理生态指标也可以得出该结果.但麦饭石促进沉水植物苦草生长的具体机理还有待进一步研究和探讨.
4 结论研究结果表明，改性MM1组的生物量、高度、叶片数和根长等生长指标明显优于其他组(P < 0.05)，改性麦饭石组优于麦饭石原石组(P < 0.05).且在植物生长旺盛期，1 cm、3 cm麦饭石处理组的光和色素、根系活力和POD酶活等生理生态指标的活力均较对照组有一定程度的提高，而MDA含量有所降低.前期通过对麦饭石原石和改性麦饭石的性状分析可知，改性后麦饭石表面更加粗糙，孔径增大，层间距增大，比表面积明显增加，具有更多的孔结构，对沉积物磷具有更优的吸附效果.其中麦饭石的覆盖厚度是影响苦草生长的关键因素，研究发现最佳铺盖厚度为1 cm.通过对麦饭石的成分进行分析发现，麦饭石中含有丰富的苦草生长所必需的常量和微量元素.麦饭石可有效促进沉水植物苦草的生长，可进一步应用于富营养化湖泊沉积物的生态修复工程中.
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