人工湿地污水处理对三种植物光合作用及叶绿素荧光特性的影响.docx

人工湿地污水处理对三种植物光合作用与叶绿素荧光特性的影响李志刚，蒋越华，李素丽，黄海连，陈伟刚，陈竑. 广西大学农学院，广西 南宁 ；. 广西南宁市环境保护局，广西 南宁；. 广西南宁市市政局，广西 南宁 摘要：人工湿地环境下，湿地植物的光合代谢过程与陆生自然环境有较大的不同。通过对人工湿地三种中生植物即薏米( )、文殊兰( )和蜘蛛兰( )进行污水处理，研究人工湿地对植物的光合作用和叶绿素荧光特性的影响。结果表明：（）与陆地自然环境相比,在人工湿地环境下，薏米，文殊兰和蜘蛛兰的净光合速率（），蒸腾速率（），气孔导度（），叶绿素含量，最大荧光()和最大光化学效率（）均降低，而胞间浓度（）和初始荧光()升高。其中叶绿素含量，和在四月份生长旺盛期差异极显著（<），差异显著（<）。（）在整个生长期，三种植物的光合参数和荧光参数的变化趋势不是单一的上升或下降，不同植物其变化过程和变化幅度也不一样。蜘蛛兰在生长旺盛期较薏米和文殊兰，大，而较薏米和文殊兰低。可见人工湿地污水处理对三种植物光合作用和叶绿素荧光特性均有影响，但对各植物影响不一致。综合各项参数，蜘蛛兰耐性强于薏米和文殊兰。关键词：人工湿地；植物；光合作用；叶绿素荧光 中图分类号：； 文献标识码： 文章编号：（）植物是人工湿地系统的重要组成之一，在系统中发挥着举足轻重的作用。植物生长的好坏直接影响到整个湿地系统运行的效果。要保持高的污水净化能力，维持植物良好的生长生理状态极其重要。人工湿地是人造的生境，既具有天然湿地积水的特征，又具有人工控制、强化的特点，人工湿地条件下，湿地植物的根部长期处于厌氧环境中，湿地植物的光合、呼吸与其他代谢过程都与自然环境有较大的不同。光合作用是植物在生长过程中最易受环境影响的生理过程,也是植物对特定自然生态环境条件适应的结果，各种环境因素，如冷、热、干旱、盐渍、缺营养元素等都直接或间接地影响光合作用，故生长于不同生态环境下的植物具有不同的光合特性。因此，植物的光合机构对环境的适应和响应是植物适应性研究的重要部分，涉与光合机构的调节控制,植物的光合特性和生产力水平。有关人工湿地植物光合作用方面的研究不多，且这些对人工湿地植物生理的研究局限于光合作用的表观气体交换指标，还没有深入到光合功能对环境的适应机理研究。而叶绿素荧光特性被视为植物光合作用与环境关系的内在探针，能更进一步阐明植物叶片光合作用过程中光系统对光能的吸收、传递、耗散、分配等，与“表观性"的气体交换指标相比,叶绿素荧光参数更具有反映“内在性"的特点。目前叶绿素荧光分析技术应用于植物逆境生理（干旱、高温、盐害）、水域生态、病虫害、作物增产潜力预测等方面的研究已取得一定进展，但对人工湿地处理污水系统环境下植物光合过程中荧光特性的研究还未见报道。鉴于此，本文通过对薏米( )，文殊兰( )和蜘蛛兰( )种中生植物在人工湿地环境下的光合特性和叶绿素荧光特性研究，研究和进一步检测植物光合作用的真实行为，借此评价自然环境和污染物质对植物的影响程度，同时为设置合理的生长条件维持植物的正常生长以与更好地修复和管理湿地提供理论依据。 材料与方法 试验材料与处理方法供试材料为石蒜科的蜘蛛兰( )、文殊兰( )以与禾本科的薏米( )。试验地点在广西大学农学院教学科研基地内。分为模拟垂直流湿地和陆地自然环境两种处理。其中模拟垂直流湿地实验在高61 、上口直径71 的大塑料桶进行，桶内从下至上依次填入10 厚的大鹅卵石（直径5 ）、5 厚的小鹅卵石（直径约2 ）、10 小鹅卵石与沙的混合物（）、25 厚沙层，在距桶底部7 处安装水龙头用于排水。叶绿素总含量(·)薏米、文殊兰和蜘蛛兰种植物单独种植，分别构建薏米人工湿地、文殊兰人工湿地和蜘蛛兰人工湿地，每组个平行。同时在自然条件下(陆地)种植与人工湿地相同种植物且长势相当的各株作为对照，比较种生境下植物的光合特性。种植 后于年月中旬对种生境的植株地上部进行剪断，使之重新抽出新芽，在随后培育的时间每周定期对模拟人工湿地进行污水淹水灌溉，污水来源于广西大学东校园教职工生活区排放的生活污水，污水 ·、总氮 ·、总磷 ·。经过冬季休眠后，植株在年月初开始复苏，当植株长出片叶子时即月日开始实验，至月底结束。 光合参数的测定 使用光合作用测定仪，分别对人工湿地和陆地自然环境的种植物叶片的净光合速率（）、气孔导度（）、胞间浓度（）、蒸腾速率（）等指标进行测定。根据植物的生命周期，对薏米、文殊兰和蜘蛛兰的实验时间在月2日到5月日，每个月选取晴朗的天于早上测定。 叶绿素荧光参数的测定采用便携式叶绿素荧光仪（, ）对在人工湿地和陆地两种生境生长的蜘蛛兰、文殊兰和薏米叶片的叶绿素荧光参数进行测定，测定指标包括初始荧光（）、最大荧光（）、充分暗适应的光合机构潜在的光化学效率()，重复次。测定前用叶夹进行暗适应 的遮光处理。实验时间在月日到月日，每个月选取晴朗的 傍晚进行。 叶绿素含量的测定 叶片叶绿素含量按照文献的方法测定。 统计分析数据结果采用软件处理，试验结果为平均值标准误差。 结果分析 人工湿地污水处理对叶绿素含量的影响从图中可看出，总体看来，种植物的叶绿素含量依次为薏米>文殊兰>蜘蛛兰。人工湿地环境下薏米、文殊兰和蜘蛛兰在月，月与月各生长阶段的叶绿素含量均低于陆地自然环境，且差异显著（<）。薏米、文殊兰和蜘蛛兰的叶绿素含量在各阶段分别比陆地对照植株降低了，；，；，。其中蜘蛛兰的降幅最小，文殊兰最大。另外，人工湿地中种植物光合色素的变化趋势相似，均为先升高后降低。 人工湿地污水处理对三种植物叶片气体交换参数的影响 陆地 湿地图 人工湿地污水处理对三种植物叶绿素含量的影响从图可知，人工湿地污水处理使种植物叶片的净光合速率（），蒸腾速率（）低于对照陆地自然环境。如薏米、文殊兰和蜘蛛兰的值在月生长旺盛期分别比陆地自然环境降低了，而薏米的值在生长旺盛期略比陆地生境高外，文殊兰和蜘蛛兰则分别陆地自然环境降低了，差异极显著（<）。人工湿地环境下薏米、文殊兰和蜘蛛兰的和值随季节变化具有相同的变化趋势，即呈现先高后低。在月生长盛期，蜘蛛兰的值较高，文殊兰其次，薏米最低。人工湿地环境下，气孔导度()的变化趋势与相似，整体上种植物的均低于对照的陆地自然环境，且差异显著（<）。蜘蛛兰在月的生长旺盛期达到最大值。薏米在生长旺盛期其略高于陆地生境，蜘蛛兰的略高于文殊兰，比薏米高。种植物在人工湿地下的值高于陆地自然环境，且随季节的变化呈逐渐升高趋势。总体看来，在人工湿地环境下蜘蛛兰的值较薏米和文殊兰低。 人工湿地污水处理对三种植物叶片叶绿素荧光参数的影响 从图可看出，人工湿地环境下，种植物的均显著低于陆地自然环境（<），生境的差别大于种间差别。在月生长初期、月旺盛期和月开花期薏米、文殊兰和蜘蛛兰分别比陆地自然环境降低了，；，；，蜘蛛兰的降幅最小。此外，薏米和蜘蛛兰在人工湿地下的值随季节变化呈逐渐升高趋势，而文殊兰则先升高后降低。蜘蛛兰的在不同的生长阶段都是最大值，如在月生长旺盛期，分别比薏米和文殊兰大(··)和。陆地 湿地陆地 湿地陆地 湿地陆地 湿地图 人工湿地污水处理对三种植物叶片净光合速率、蒸腾速率、气孔导度和胞间浓度的影响(m··)(··)(··)(m·)从图还可以看出，人工湿地下种植物的均高于陆地自然环境，在月份差异达到极显著水平（<）。薏米和蜘蛛兰随季节变化均呈先升高后降低趋势，文殊兰基本处于持续上升状态。在生长初期，人工湿地下种植物的值均低于陆地自然环境；而在生长旺盛期，种植物的值则高于陆地自然生境，且差异显著（<）；在开花期，除了薏米的依然高于陆地生境外，文殊兰和蜘蛛兰均低于陆地对照生境。人工湿地环境下种植物的均在月份达到最大，在月旺盛期，、大小比较为蜘蛛兰>文殊兰>薏米。陆地 湿地陆地 湿地陆地 湿地图 人工湿地污水处理对三种植物叶片初始荧光、最大荧光和最大光化学效率的影响 讨论(··)人工湿地对植物而言属于极其不利的生存环境。光合作用是植物体内重要的代谢过程,其强弱对植物生长发育与抗逆性都有重要的影响。一般认为逆境条件会导致叶片气孔导度下降，导致光合速率降低。同时，逆境条件下的非气孔因素也不容忽视，甚至有时是光合速率下降的主要原因，这些非气孔因素包括,如, 二磷酸核酮糖羧化氧化酶()、, 二磷酸果糖酶合成酶() 的活性,光系统反应中心电子流的状态等均影响光合能力。而判断光合速率下降是否受非气孔因素限制的依据是：和下降与变化是否呈相反趋势。本实验中，人工湿地环境下种植物的叶片的，均降低，而增加，说明降低原因是叶肉细胞同化能力的下降，而不是由气孔导度降低引起的光合速率的下降，即以非气孔因素为主,非气孔限制成了光合速率降低的主要因素。(m·)与“表观性”的气体交换指标相比，叶绿素荧光参数更具有反映“内在性”的特点。常被用作表明环境胁迫程度的探针。是 最大光化学量子产量，是开放的 反应中心捕获激发能的效率，非胁迫条件下该参数的变化变化极小，胁迫条件下该参数明显下降。本试验研究表明，蜘蛛兰、文殊兰和薏米这三种植物在人工湿地环境下的荧光参数低于陆地自然环境，且差异极显著(<)，说明人工湿地环境下生长的的中生植物叶绿体光系统活性受到抑制，其原因可能是由于人工湿地水分不受限引起的，还需进一步研究。和分别指光系统( )反应中心处于完全开放和完全关闭时的荧光产量。下降可能伴随着的上升或的下降。与陆地自然环境相比，薏米、文殊兰以与蜘蛛兰这种植物在人工湿地环境下叶片的增加，降低，且在两生境的值差异显著（<）。相关研究认为升高意味着 受到了伤害或不可逆失活。通常在胁迫条件下会上升，研究结果中显示人工湿地污水处理下植物的高于陆地植物，与隆小华等关于菊芋变化与变化趋势相似的结论不一致。，值在不同生长阶段，并不是简单的上升、下降过程，不同植物表现了不同的变化趋势，这可能与植物适应的方式、时间上不一致有关，因为不同植物或植物的不同发育阶段，其光合作用对逆境的敏感程度是不同的。叶片光合色素含量是反映植物光合能力的一个重要指标，环境因子的改变会引起叶绿体色素含量的变化,进而引起光合性能的改变。叶绿素作为光合色素，参与光合作用中光能的吸收、传递和转化，在植物光合作用中发挥着重要作用。人工湿地环境下种植物的叶绿素含量显著低于陆地自然环境，叶绿素含量的降低是光合作用减弱的原因之一。从本研究可以得出，人工湿地环境对植物光合生理特性产生不良影响，植物对此作出了响应。经人工湿地污水处理后，综合几个参数，表明了蜘蛛兰的耐性较强于薏米和文殊兰。参考文献： 张丽, 张兴昌. 植物生长过程中水分、氮素、光照的互作效应. 干旱地区农业研究, , (): . 潘晓华, 刘水英, 李锋, 等. 低磷胁迫对不同水稻品种幼苗光合作用的影响. 作物学报, , (): . 李世玉, 毕玉芬. 云南马龙县山地草甸植物优势度与优势植物光合特征研究. 草原与草坪, ，: . , . Yunnan , , : . 靖元孝, 任延丽, 陈桂珠. 人工湿地污水处理系统 种红树植物生理生态特性. 生态学报, , (): . 靖元孝, 杨丹菁, 任延丽, 等. 水翁( ) 在人工湿地的生长特性与对污染物的去除效果. 环境科学研究, , (): . 王峰. 植物净光合速率对人工湿地系统溶解氧与处理效果的影响. 南京市政, , : . . . Nanking , , : . 徐惠风, 刘兴土, 金研铭, 等. 人工湿地园沼泽植物水蓼( .) 的蒸腾特性日变化. 植物资源与环境学报, , (): . 徐惠风, 刘兴土, 金研铭, 等. 人工湿地园中泽泻沼泽植物蒸腾特性日变化的研究. 吉林农业大学学报, , (): . 李晓, 冯伟, 曾晓春. 叶绿素荧光分析技术与应用进展. 西北植物学报, , (): . 叶燕萍. 植物生理学实验指导. 南宁: 广西大学出版社, : . . . Nanning: Guangxi University , : . 惠红霞, 许兴, 李前荣. 外源甜菜碱对盐胁迫下枸杞光合功能的改善. 西北植物学报, , () : . 苏培玺, 张立新, 杜明武,等. 胡杨不同叶形光合特性、水分利用效率与其对加富的响应. 植物生态学报, , (): . 张守仁. 叶绿素荧光动力学参数的意义与讨论. 植物学通报, , (): . 徐大全, 张玉忠, 张荣铣. 植物光合作用的光抑制. 植物生理通讯, , (): . 许耀照, 曾秀存, 郁继华, 等. 水杨酸对高温胁迫下黄瓜幼苗叶绿素荧光参数的影响. 西北植物学报, , (): . 隆小华, 刘兆普, 蒋云芳, 等. 海水处理对不同产地菊芋幼苗光合作用与叶绿素荧光特性的影响. 植物生态学报, , (): . 王素平, 郭世荣, 胡晓辉, 等. 盐胁迫对黄瓜幼苗叶片光合色素含量的影响. 江西农业大学学报, , (): . College Agriculture, Guangxi University, Nanning , China;. Nanning, Nanning, , China; . Nanning, Nanning, , China