基于富營養(yǎng)化水體修復的鳳眼蓮放養(yǎng)及采收條件研究

盛 婧,鄭建初,陳留根,朱普平,周 煒

利用水生植物治理富營養(yǎng)化水體在水體治理眾多措施中最為經濟有效[1-2]。鳳眼蓮〔Eichhornia crassipes(M art.)Slom s〕,又名水葫蘆,是國際上公認的氮、磷吸收能力較強的水生植物之一。但是,對于將鳳眼蓮用于治理富營養(yǎng)化水體的工程實踐,一直存在較大的爭議[3-4],爭議的焦點在于：鳳眼蓮生長非常迅速且易隨水漂移,在開放性水域易發(fā)生堵塞航道、降低水體溶氧及破壞水生生態(tài)系統(tǒng)結構等生態(tài)風險[5-6],甚至在一些地區(qū)已成為惡性的外來入侵植物。近年來,許多研究者提出了“限制面積”和“圍欄種養(yǎng)”的控制性種養(yǎng)措施,對鳳眼蓮種養(yǎng)可能引發(fā)的生態(tài)風險進行控制[1,7],具有較好的控制效果,從而提高了用鳳眼蓮治理富營養(yǎng)化水體的可行性,但這些措施在一定程度上增加了用鳳眼蓮治理水體的種養(yǎng)成本。因而,要實現較好的凈化效果,就要求對鳳眼蓮進行高產高效種養(yǎng),使鳳眼蓮在有限面積內的產量和養(yǎng)分吸收量達到最大。然而相關的研究較少[8-9],特別是針對富營養(yǎng)化水體凈化的鳳眼蓮高產高效種養(yǎng)方面的研究尚未見報道。

鑒于此,作者研究了不同初始放養(yǎng)日期鳳眼蓮的生長規(guī)律,并對不同采收標準和采收比例對鳳眼蓮生物量和N、P、K吸收量的影響進行了比較分析,初步總結出控制性條件下鳳眼蓮的高產采收流程,以期為富營養(yǎng)化水體治理提供更為經濟可行的方法。

1 材料和方法

1.1 材料

實驗于 2009年在江蘇省農業(yè)科學院內的池塘中進行,池塘面積為 40 m×120 m,水源來自于降雨和城市生活污水,采用水泵調節(jié)水量,平均水深約 3.5 m。池塘水體總氮、總磷和鉀的質量濃度分別為 3.41～7.18、0.05～0.27和 2.24～5.18m g·L-1,屬于富營養(yǎng)化水體。

1.2 方法

1.2.1 初始放養(yǎng)日期及測定周期的設置 鳳眼蓮初始放養(yǎng)日期分別設置為 4月 10日、4月 17日、4月24日、5月 1日、5月 8日和 5月 15日,初始放養(yǎng)量為2 kg·m-2；采用毛竹圍欄小區(qū),小區(qū)面積為 2m2,每個處理 10個小區(qū)；實驗期間每天測定氣溫。4月10日、4月 17日、4月 24日和 5月 1日放養(yǎng)的 4個處理組每隔7 d測定1次鮮質量；5月8日和5月 15日放養(yǎng)的2個處理組在放養(yǎng)的0～42 d內每隔7 d測定1次,42 d后每隔 14 d測定 1次。同時,采用 ZDR-21型溫度記錄儀(杭州澤大儀器有限公司生產)同步測定氣溫,2 h記錄 1次溫度。

1.2.2 采收標準和采收比例及取樣過程的設置 鳳眼蓮初始放養(yǎng)日期設置為 5月 12日,初始放養(yǎng)量為2 kg·m-2。采收標準依據單位面積鳳眼蓮鮮質量共設置 5個處理,分別為 10～15、15～20、20～25、25 kg·m-2以上及最高生物量；根據采收面積占總面積的比值確定采收比例,設置 2個處理,分別為采收面積占總面積的 1/2和 2/3。實驗于 10月 11日結束,實驗結束時各處理組的最后一次采收為全部采收。對照組則為一次性采收。小區(qū)面積為 2 m2,每個處理 5個小區(qū)。測定每次采收時各處理組鳳眼蓮的生物量,并計算實驗期間各處理組鳳眼蓮的累計采收量。實驗結束時從各處理組中采集一定量的鳳眼蓮用于干質量及N、P和 K含量的測定。

1.2.3 干質量及 N、P和 K含量的測定 鳳眼蓮鮮樣(全株)于 105℃烘箱內殺青 15m in后,在 60℃條件下烘干至恒質量,稱取干質量。

將上述烘干樣品研磨粉碎,稱取一定量的樣品粉末,用 H2SO4-H2O2消煮,采用 FIA star 500流動注射分析儀(瑞典 FOSS公司生產)測定N和 P含量,采用FP-640火焰光度計(上海精密科學儀器有限公司生產)測定K含量。

1.3 數據計算及分析方法

鳳眼蓮中干物質含量和某一元素(N、P、K)總量的計算公式分別為：干物質含量 =(全株干質量/全株鮮質量)×100％；某一元素總量 =累計采收量 ×1 000×干物質含量 ×該元素的含量。

實驗數據采用 SPSS 13.0軟件進行統(tǒng)計分析。

2 結果和分析

2.1 鳳眼蓮生長規(guī)律

2.1.1 鳳眼蓮生長過程 連續(xù) 2年 (2008年至 2009年)的觀測結果表明：鳳眼蓮的生長經歷 3個過程：首先在分布密度較低(鮮質量在 11.5 kg·m-2以下)時進行快速無性繁殖,大量發(fā)生分枝并占領生態(tài)位；分蘗一段時間后分布密度增大 (鮮質量超過 11.5 kg·m-2),在分布較為擁擠時開始進行個體的營養(yǎng)生長,植株高度迅速增加,此時進入對數生長期；隨生長的持續(xù),營養(yǎng)生長逐漸減慢,當植株達到一定高度時就不再生長,部分分枝由于個體長大、空間擁擠而逐漸消亡。因此,要獲得較高的鳳眼蓮產量,必須在鳳眼蓮進入緩慢營養(yǎng)生長期前 (即在對數生長期)進行采收。

另外,作者還對鳳眼蓮的最高生物量進行了多次測定,結果表明：在本實驗水體養(yǎng)分條件下鳳眼蓮最高生物量可達 28.28 kg·m-2,此時水上部分株高為102 cm,根長為 20 cm。

2.1.2 鳳眼蓮生長曲線分析 選擇 2個具有代表性的放養(yǎng)初始日期處理,對其生長曲線 (圖 1)進行研究。從圖 1可以看出：在初始放養(yǎng)日期為 4月 10日和 5月 15日的 2個處理組中,隨生長時間的持續(xù),鳳眼蓮的生物量均呈現在生長前期快速增加、生長后期增幅減緩、最后基本維持不變的趨勢。但 2個處理鳳眼蓮生物量從快速增長期進入緩慢增長期的時間不一致。在初始放養(yǎng)量為 2 kg·m-2條件下,初始放養(yǎng)日期為 4月 10日的鳳眼蓮在放養(yǎng) 42 d后開始進入緩慢生長期,此時鳳眼蓮生物量為 13.67 kg·m-2,植株水上部分高度為 28 cm；而初始放養(yǎng)日期為 5月 15日的鳳眼蓮則在放養(yǎng) 70 d后才開始進入緩慢生長期,此時鳳眼蓮生物量為 26.65 kg·m-2,植株水上部分高度達到 76 cm。實驗結果表明：初始放養(yǎng)日期不同的鳳眼蓮生長曲線有一定的差異,針對初始放養(yǎng)日期不同的鳳眼蓮,根據生長曲線可以確定其相應的采收時間。

2.1.3 初始放養(yǎng)日期對鳳眼蓮生物量的影響 初始放養(yǎng)日期對鳳眼蓮生物量的影響見表 1。由表 1可以看出：在初始放養(yǎng)量為 2 kg·m-2條件下,初始放養(yǎng)日期為 4月 10日、4月 17日、4月 24日、5月 1日和 5月 8日的鳳眼蓮在放養(yǎng) 63 d后的總生物量分別達到 15.26、15.31、18.91、19.68和 24.36 kg·m-2,表現出隨初始放養(yǎng)日期的推遲而增加的趨勢。其中,初始放養(yǎng)日期為 5月 8日的鳳眼蓮總生物量顯著高于其他處理組；而初始放養(yǎng)日期為 4月 10日和 4月17日的鳳眼蓮總生物量顯著低于 4月 24日和 5月 1日放養(yǎng)的鳳眼蓮。在整個實驗處理過程中,各處理組對應的平均氣溫也呈現出隨初始放養(yǎng)日期推遲而增加的趨勢。相關性分析結果表明：鳳眼蓮的生物量與生長期平均氣溫有極顯著的正相關關系(R2=0.84)。

圖 1 不同初始放養(yǎng)日期(4月 10日和5月 15日)鳳眼蓮的生長曲線Fig.1 G row th curve of Eichho rn ia crassipes(M ar t.)Slom s w ithd ifferen t in itia l p lan ting da tes(10 th Apr iland 15 thM ay)

以放養(yǎng)后 35 d(各處理組鳳眼蓮的分布密度均接近 11.5 kg·m-2)作為分界線,整個實驗處理過程劃分為 0～35 d(分蘗發(fā)生期)和 36～63 d(營養(yǎng)生長期)2個階段。在 0～35 d,各處理組鳳眼蓮的生物量增長量可達 8.83～9.72 kg·m-2,每周平均增長量為1.77～1.94 kg·m-2,不同處理間無顯著差異；而在 36～63 d,各處理組鳳眼蓮的生物量增長量表現出隨初始放養(yǎng)日期推遲而增加的趨勢,4月 10日和 4月17日放養(yǎng)的鳳眼蓮生物量增長量較低,5月 8日放養(yǎng)的鳳眼蓮生物量增長量最高 (13.21 kg·m-2),且顯著高于其他處理組。此外,相關分析結果表明：在0～35和 36～63 d這 2個生長階段,鳳眼蓮生長量的增長量與平均氣溫呈顯著正相關,R2分別為 0.79和 0.94。

研究結果表明：初始放養(yǎng)日期對鳳眼蓮的生物量有明顯影響,南京地區(qū) 4月初即可進行鳳眼蓮的放養(yǎng),初始放養(yǎng)日期選擇在 5月上旬為最佳；與分蘗發(fā)生期相比,營養(yǎng)生長期鳳眼蓮生長受初始放養(yǎng)時間的影響更大；氣溫與鳳眼蓮的生長速率顯著相關。

表 1 在不同的初始放養(yǎng)日期和氣溫條件下鳳眼蓮生物量的比較1)Tab le 1 Com par ison of b iom assof E ichho rn ia c rassipes(M ar t.)Slom s under d ifferen t in itia l p lan ting da tesand a ir tem pera ture cond ition s1)

2.2 采收標準和采收比例對鳳眼蓮采收量的影響

適時適量采收是獲得鳳眼蓮高產的根本保證,環(huán)境溫度對鳳眼蓮的生長速率有顯著影響,因此,根據單位面積鳳眼蓮的鮮質量 (即生物量)來確定采收時間最為適宜。不同生長階段鳳眼蓮的最適采收生物量不同,考慮到生產上的可操作性,應從采收標準和采收比例兩方面對鳳眼蓮的最適采收量進行比較。表 2結果表明：從初始放養(yǎng)日期 5月 12日至 10月 11日最終收獲,在整個實驗期間分別按照鳳眼蓮生物量10～15、15～20、20～25、25 kg·m-2以上和最高生物量以及一次性采收(對照)為標準進行采收,并將 1/2采收比例和 2/3采收比例合并計算,平均累計采收量分別為 60.70、63.51、66.43、53.51、43.27和 27.47 kg·m-2,累計采收量與鳳眼蓮生物量呈拋物線型關系。在鳳眼蓮生物量達到 20～25 kg·m-2時進行采收,平均累計采收量最高,為 66.43 kg·m-2；一次性采收的平均累計采收量最低,僅為 27.47 kg·m-2,顯著低于其他處理組。由此可見,在本實驗條件下,鳳眼蓮的最佳采收標準為生物量達到 20～25 kg·m-2時進行采收。

從采收比例來看,按照 1/2和 2/3采收比例進行采收,鳳眼蓮的平均累計采收量分別為 56.03和58.93 kg·m-2,后者略高于前者,但二者差異不顯著。

采收頻率決定了采收成本,在采收量相同的條件下,采收頻率越高則采收成本越高。由表 2還可見：鳳眼蓮的采收頻率與采收時的生物量 (即采收標準)成反比,采收時生物量大,采收頻率低；但累計采收量與采收標準則呈拋物線型關系；采用 2/3采收比例,不同處理組鳳眼蓮的累計采收量均高于采用 1/2采收比例后各處理組的累計采收量。按照累計采收量越高、采收頻率越低的原則,較為適宜的鳳眼蓮采收標準為20～25 kg·m-2、采收比例為2/3,在此條件下采收頻率僅 4次但累計采收量可達 68.00 kg·m-2。

表 2 采收標準和采收比例對鳳眼蓮采收頻率及累計采收量的影響1) Tab le 2 Effects of d ifferen t harvest standards and ra tios on harvest frequency and cum u la tive harvest of E ichho rn ia crassipes(M ar t.) Slom s1)

2.3 采收標準和采收比例對鳳眼蓮干物質以及 N、P、K積累量的影響

2.3.1 對干物質及 N、P和 K最終含量的影響 采用不同的采收標準和采收比例對鳳眼蓮進行采收,鳳眼蓮全株干物質及N、P、K的最終含量見表3。由表3可以看出：采用一次性采收的方法 (對照),鳳眼蓮全株干物質的最終含量最高,達到 7.94％；而采取不同的采收標準及采收比例,對鳳眼蓮全株干物質的最終含量均有一定影響。隨采收標準的提高(也即鳳眼蓮生物量的提高),其干物質的最終含量也逐漸增加；采用相同的采收標準,采取 2/3采收比例,則鳳眼蓮全株的干物質含量均略高于 1/2采收比例處理組。

由表 3還可見：采用一次性采收的方法,鳳眼蓮全株N、P和 K的最終含量均最低,分別為 1.98％、 0.24％和 4.45％；而采用不同的采收標準和采收比例,鳳眼蓮全株 N、P和 K的最終含量均高于對照。采用不同的采收標準,鳳眼蓮全株 N、P和 K的最終含量有明顯的差異,其中,采用 20～25 kg·m-2的采收標準,在 1/2和 2/3采收比例條件下植株中N和 K的最終含量均最高 ,分別為 2.69％、6.18％和2.75％、6.22％；采用 25 kg·m-2以上采收標準及 1/2和 2/3采收比例,植株中 P的最終含量均最高,分別為0.38％和 0.36％。

表3 采收標準和采收比例對鳳眼蓮中干物質(DM)及 N、P和 K含量的影響1)Tab le 3 Effects of d ifferen t harvest standards and ra tios on con ten ts of drym a tter(DM)and N,P and K in Eichho rn ia crassipes(M ar t.) Slom s1)

2.3.2 對 N、P和 K總量的影響 采用不同的采收標準和采收比例對鳳眼蓮進行采收,單位面積鳳眼蓮N、P和 K總量見表 4。由表 4可以看出：采用相同的采收標準,按 2/3采收比例進行采收,鳳眼蓮N、P和K總量均略高于 1/2采收比例。采取不同的采收標準,鳳眼蓮 N、P和 K總量差異較大。采用 20～25kg·m-2采收標準,按 1/2和 2/3采收比例進行采收, N、P和 K總量均最高,分別為 92.44、12.05、212.71和 103.61、12.24、234.09 g·m-2；采用其他 3個采收標準,N、P和 K總量均低于 20～25 kg·m-2采收標準但高于一次性采收(對照)處理。采用一次性采收方法,N、P和 K總量均最低,分別為 43.27、5.31和97.16 g·m-2,僅為采收標準 20～25 kg·m-2、2/3采收比例處理組 N、P和 K總量的 41.76％、43.38％和41.51％。由此可見,采用 20～25 kg·m-2采收標準和2/3采收比例,單位面積鳳眼蓮中N、P和 K總量最高,表明這種采收方式可使鳳眼蓮對水體中N、P和 K的吸收達到較好的效果。

表 4 采收標準和采收比例對鳳眼蓮 N、P和 K總量的影響Tab le 4 Effects of d ifferen t harvest standards and ra tios on tota l am oun ts of N,P and K in Eichho rn ia crassipes(M ar t.)Slom s

3 討論和結論

目前,關于鳳眼蓮種養(yǎng)技術方面的研究較少。劉大圣等[8]的研究結果表明：鳳眼蓮可在氣溫上升到13℃以上、越冬種株發(fā)出新葉時開始放養(yǎng)；在放養(yǎng)后1～2個月植株生長繁殖茂盛時可開始采收,采收量為全部植株數量的 1/4～1/3；夏季每隔 5～7 d即可采收 1次。盧隆杰等[9]的研究也得出了類似的結果。但這些研究均是以獲取飼料為目的種養(yǎng)鳳眼蓮,其目的也是能使鳳眼蓮在小面積范圍內持續(xù)產出,而針對大面積水體凈化的鳳眼蓮種養(yǎng)則是以節(jié)省勞動力及氮、磷吸收量最大化為目標。為此,針對水體凈化,有必要開展鳳眼蓮生長規(guī)律以及基于水體修復的高產種養(yǎng)技術的研究。

實驗結果表明：鳳眼蓮在生長前期由于產生分蘗和植株個體生長,生物量快速增加；當植株生長至一定高度,生物量增速減緩,最后基本保持不變。初始放養(yǎng)日期對鳳眼蓮的生長動態(tài)和生長速率有明顯影響,而這種影響效應主要出現在營養(yǎng)生長階段,對分蘗發(fā)生期的影響相對較小。溫度是影響鳳眼蓮生長速率的重要因素之一,在 4月份至 5月份平均氣溫達20℃以上的條件下,鳳眼蓮能迅速產生分蘗；而 5月中旬至 6月中旬氣溫雖有所升高,但對鳳眼蓮的生長而言仍未達到最佳,因而鳳眼蓮植株高度生長受到限制；6月中旬以后氣溫較高,達 28℃以上,鳳眼蓮個體生長迅速,植株高度進一步增加；此外,作者也在 3月下旬進行了鳳眼蓮的放養(yǎng)實驗,但由于放養(yǎng)初期溫度較低,出現了鳳眼蓮死亡的現象,致使鳳眼蓮生物量降低(另文報道)。因此,根據本研究結果,建議在進行鳳眼蓮種養(yǎng)時,應在 4月份至 5月份進行放養(yǎng),并將鳳眼蓮的正常生長調節(jié)至 6月以后,這將更有利于實現鳳眼蓮的高產增效。

及時采收是鳳眼蓮高產的根本保證,要獲得較高的產量,必須在鳳眼蓮進入緩慢營養(yǎng)生長期前進行采收。作者對生產上可操作的適合于全年的鳳眼蓮最佳采收標準和采收比例進行研究,結果表明：在水體中總氮含量 3.41～7.18 m g·L-1、總磷含量 0.05～0.27m g·L-1和鉀含量 2.24～5.18 m g·L-1的條件下,采用 20～25 kg·m-2的采收標準和 2/3的采收比例,鳳眼蓮的累計采收量最高、采收次數較少,對 N、P和 K積累量最大,植株中 N、P和 K的總量分別達到 103.61、12.24和 234.09 g·m-2。采取這一采收方法,可實現鳳眼蓮的全年高產和高效吸收水體中N、P和 K的雙重目標。

本實驗是在面積較小的池塘內進行的,其結果適用于風浪較小和水面相對靜止的水體(如河道和池塘等)中鳳眼蓮的種養(yǎng)。而在開放性水域,鳳眼蓮的生長會受到風浪的影響,因此,其種養(yǎng)技術有待于進一步的研究。

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