不同種植密度水生植物凈化池塘水質(zhì)的效果研究

杜興華，馬國紅，張明磊，劉 飛

(山東省淡水水產(chǎn)研究所，山東 濟(jì)南 250013)

不同種植密度水生植物凈化池塘水質(zhì)的效果研究

杜興華，馬國紅，張明磊，劉 飛

(山東省淡水水產(chǎn)研究所，山東 濟(jì)南 250013)

研究了水體中不同種植密度的鳳眼蓮(Eichhorniacrassipes)、菹草(TyphaorientalisPresl)、蓮藕(NelumbonuciferaGaertn)等水生植物對池塘水質(zhì)的凈化效果。結(jié)果表明：3種水生植物能穩(wěn)定水體pH，提高水體DO含量，顯著降低水體COD、TN、TP，均具有較好的凈化能力；從凈化水質(zhì)的總體效果來看，表現(xiàn)為鳳眼蓮>菹草>蓮藕;其中37g/L的菹草去有機(jī)物能力最強(qiáng)，17g/L的菹草與10g/L的蓮藕增氧效果最好，蓮藕在7g/L時去氮效果最好，5g/L的鳳眼蓮與37g/L的菹草去磷效果最好。

水生植物；種植密度；凈化；池塘水質(zhì)

近年來，由于淡水資源的短缺，水體的富營養(yǎng)化程度不斷加重，嚴(yán)重影響了養(yǎng)殖水產(chǎn)品的品質(zhì)，其中尤以池塘養(yǎng)殖更為嚴(yán)重。采取何種措施有效地控制水體富營養(yǎng)化的進(jìn)一步發(fā)展，達(dá)到長期凈化水質(zhì)但又不造成對水體的二次污染，是中外科學(xué)家正在研究的課題。其中利用水生植物凈化水質(zhì)是行之有效的措施之一。目前，國內(nèi)外已廣泛開展利用高等水生植物修復(fù)技術(shù)凈化富營養(yǎng)化水體的研究，并取得了一定的成效[1-2]，但對凈化時池塘中水生植物合理的種植密度研究較少。為此，本研究根據(jù)山東省水生植物分布情況，利用實驗室模擬養(yǎng)殖池塘的方法，以鳳眼蓮(Eichhorniacrassipes)、菹草(TyphaorientalisPresl)、蓮藕(NelumbonuciferaGaertn)3種水生植物為試材，設(shè)置不同的種植密度，通過測定植物生物量、pH、溶解氧(DO)、化學(xué)耗氧量(CODMn)、總氮(TN)、總磷(TP)、去除率等指標(biāo)，探討了3種植物的合理種植密度及在合理種植密度下3種水生植物對氮、磷的吸收與對水質(zhì)的凈化能力，并比較了3種水生植物及不同種植密度下凈化能力的差異。

1 材料與方法

1.1 材料

鳳眼蓮：挑選個體均勻完整、鼓包較小、葉子較小且薄的具有快速生長特性的植株用于試驗；菹草：選擇帶根移植方法，經(jīng)過去土、清洗和稱重后用于試驗；蓮藕：選取個體大小均勻完整、無傷的藕瓜用于試驗。

1.2 試驗方法

鳳眼蓮：選擇無毒、無味，規(guī)格70cm×47cm×48cm的塑料水族箱15只，分別加入養(yǎng)殖池水100L，并進(jìn)行未處理前的水質(zhì)測試，然后將選取的鳳眼蓮植株經(jīng)沖洗、稱重，按100、200、300、400、500g(密度分別為1、2、3、4、5g/L)5組3個平行分別放入箱中后進(jìn)行栽培試驗。隨后每隔1d對水質(zhì)進(jìn)行檢測，取樣時間安排在上午的8：30～9：30，試驗周期10d。

菹草：選擇水族箱18只，先鋪底層土壤25kg，再加培植土壤50kg。按6組3個平行分別往各箱中加濕重0、1500、2500、3500、4500、5500g(密度分別為0、10、17、23、30、37g/L)的菹草。經(jīng)過15d的適應(yīng)性馴化后，灌注150L養(yǎng)殖池水進(jìn)行試驗。隨后每隔3d對水質(zhì)進(jìn)行檢測，取樣時間安排在上午的8:30～10:30，試驗周期16d。

表1 檢測項目

蓮藕：選擇水族箱18只，在各箱底先鋪底層土壤25kg，再加培植土壤50kg。按6組3個平行分別往各箱中投放0、1、2、3、4、5個(密度分別約為0、3、7、10、13、17g/L)藕瓜。經(jīng)過15d的馴化后，灌注150L養(yǎng)殖池水進(jìn)行試驗。隨后每隔3d對水質(zhì)進(jìn)行檢測，取樣時間安排在上午的8:30～10:30，試驗周期16d。

1.3 指標(biāo)的測定與計算

水質(zhì)測試項目及方法詳見表1。

TN、TP的去除率采用以下公式計算[3]：

去除率=[(C0-Ci)/C0]×100%

式中,C0表示初始TN或TP;Ci表示第i天時水體中TN或TP。

2 結(jié)果與分析

2.1 水中pH的變化規(guī)律

鳳眼蓮組水體初始pH為7.67～7.71，放入植物后第2天,1g/L密度組略有增長，其他試驗組均略降低。由圖1a可以看出，在試驗的第4天pH達(dá)到試驗期間的最高值7.96，隨后開始降低，但趨勢比較平緩。其中5g/L密度組下降得比較明顯，試驗結(jié)束時水體pH為7.34。

圖1 3種水生植物不同栽培密度下的水體pH變化

菹草組水體初始pH為7.74～7.93，放入植物后pH開始上升，到第10天達(dá)到最高值，空白組最高值達(dá)到8.48，試驗組最高值為8.16(17g/L密度組)，之后開始降低。由圖1b可以看出，空白組一直略高于試驗組，23g/L密度組一直保持比較平穩(wěn)的變化趨勢，37g/L密度組在試驗結(jié)束時pH最低，為7.91。

蓮藕組水體初始pH為7.85～7.90。由圖1c可以看出，蓮藕組pH的變化趨勢比其他2組明顯，而且一直保持上升的趨勢，10g/L密度組在第10天時到達(dá)最高值8.20，13g/L密度組在第13天到達(dá)最高值8.14，同時空白組在第10天到第13天出現(xiàn)急劇上升的趨勢，達(dá)到最高值8.18，之后開始下降。

pH對水質(zhì)及生物的影響是多方面的，因此，各國規(guī)定的漁業(yè)用水標(biāo)準(zhǔn)是pH范圍是6.5～8.5[4]。在養(yǎng)殖水體中，光合作用和呼吸作用是引起pH變化的主要因素。當(dāng)生物進(jìn)行光合作用時，迅速消耗水中的CO2，pH上升；在生物行呼吸作用時pH下降。從試驗可以看出，各試驗組pH都在7.0～8.2之間，因此，經(jīng)3種水生植物凈化過的水，pH范圍是十分適合漁業(yè)養(yǎng)殖的。

據(jù)王磊等[5]研究：硝化反應(yīng)對pH較為敏感，硝化細(xì)菌進(jìn)行硝化反應(yīng)最適宜的pH為7.0～9.0，pH<6.0時硝化反應(yīng)明顯降低，pH>10.0時，過高的OH-濃度對硝化菌有毒害作用，從而阻止硝化反應(yīng)的發(fā)生。試驗證明，水生植物凈化水有利于微生物的硝化反應(yīng)。

由圖1可以看出，鳳眼蓮各試驗組組pH在試驗期間一直穩(wěn)定在7.31～7.75之間，菹草組pH也很穩(wěn)定，pH在7.90～8.19之間。因此，鳳眼蓮和菹草對pH處理效果要好于蓮藕。至于養(yǎng)殖池塘選擇何種植物凈化水質(zhì)，還要根據(jù)具體的養(yǎng)殖對象來確定。

2.2 CODMn變化規(guī)律

由圖2a可以看出，鳳眼蓮組水體初始CODMn為5.27～5.45mg/L，放入植物后開始下降，到第4天下降到最低值，其中2g/L密度組下降到3.84mg/L，去除率為29.54%，之后開始逐步上升。

圖2 3種水生植物不同栽培密度下的水體CODMn變化

菹草組水體的初始CODMn為20.35～25.53mg/L，試驗結(jié)果呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。由圖2b可見，試驗第4天CODMn達(dá)到最大值，其中17g/L密度組到達(dá)最高值25.46mg/L，然后開始下降，從第10天時試驗組下降趨勢比較統(tǒng)一，37g/L密度組去除率最好，第10天時達(dá)到47.47%，試驗結(jié)束時達(dá)到76.86%。

蓮藕組水體的初始CODMn為7.0～7.9mg/L，試驗結(jié)果呈現(xiàn)波浪式變化趨勢。由圖2c可以看出，試驗第10d時CODMn降至最低，17g/L密度組變化趨勢比較平穩(wěn)，降低到5.75mg/L，去除率達(dá)到17.86%，之后又開始上升。但試驗組的CODMn總體水平一直低于空白組，這說明蓮藕具有一定的去有機(jī)物能力。

CODMn是反應(yīng)水中有機(jī)物含量多少的指標(biāo)，水體中有機(jī)物來源主要由外部帶入和水體內(nèi)部生成。其中水體自身生成的主要分4類：光合作用產(chǎn)物、浮游植物的細(xì)胞外產(chǎn)物、水生動物的排泄物及生物殘骸、微生物等[4]。水生植物對CODMn的凈化效果說明了此種植物吸收富集能力和改善水環(huán)境質(zhì)量能力的大小[6]。由圖2可以看出，菹草去除有機(jī)物的效果最為顯著。水體自身通過沉淀、生物活動、細(xì)菌的硝化與反硝化作用等，也具有一定的自凈能力。因此，空白對照組CODMn也有一定的變化。這可能與底質(zhì)有機(jī)質(zhì)含量及初始水質(zhì)CODMn高低有關(guān)。

2.3 DO變化規(guī)律

鳳眼蓮組水體初始DO值為6.45～6.50mg/L。由圖3a可以看出，在試驗期間，DO含量變化趨勢比較平穩(wěn)，但總體是降低的趨勢。1g/L密度組在前4天略有上升，達(dá)到7.51mg/L，之后緩慢下降。其余各組一直是緩慢下降的趨勢，下降最明顯的是5g/L密度組，到第10天時下降到4.00mg/L。

菹草組水體初始DO值為0.20～0.34mg/L。由圖3b可以看出，在試驗第4～7天上升趨勢最為明顯，之后趨于比較平穩(wěn)的態(tài)勢。其中10g/L密度組上升趨勢比較明顯，第10天時為5.66mg/L，試驗結(jié)束時上升到7.69mg/L。

蓮藕組水體初始DO值為1.25～1.38mg/L。由圖3c可以看出，DO含量一直保持上升的趨勢，在試驗第10天時達(dá)到最高值，最高的是10g/L密度組的5.80mg/L。之后開始下降。

水體中DO的來源主要有：大氣溶解、植物光合作用、補(bǔ)水帶入[4]。由圖3可以看出，鳳眼蓮對DO的影響較小，各試驗組DO值處于穩(wěn)中有降的趨勢，但1g/L密度組效果稍好于其他組。菹草和蓮藕組水體DO值在試驗第4～10天時略高于空白組，這說明水生植物的放入在一定程度上增加了水體DO的含量，也說明菹草和蓮藕的增氧效果在試驗前10天要好于鳳眼蓮，之后稍有下降，但規(guī)律性不明顯，而且空白組上升也很明顯。這是因為水生植物在進(jìn)行光合作用的同時還要行呼吸作用，只不過是白天光合作用行主導(dǎo)作用，夜晚呼吸作用占主導(dǎo)作用，因此水中DO含量的高低主要取決于水生植物的生長活動，不同水生植物在不同生長時期表現(xiàn)都不同[7]。同時，試驗中水體處于非流動狀態(tài)也會影響水中的供氧水平[8]。

圖3 3種水生植物不同栽培密度下的水體DO變化

2.4 TN變化規(guī)律

鳳眼蓮組水體初始TN值為1.39～1.57mg/L。由圖4a可以看出，TN值從試驗開始到試驗第6天是下降趨勢比較明顯，2g/L密度組降低到0.55mg/L，去除率達(dá)到60.50%，到第8天開始上升，到第10天又有下降。

圖4 3種水生植物不同栽培密度下的水體TN值變化

菹草組水體初始TN值為5.55～9.94mg/L。由圖4b可以看出，試驗期間各組TN值均有不同程度的下降，其中下降最明顯的是37g/L密度組，第10天時降到4.18mg/L，去除率為49.09%，試驗結(jié)束時降低到2.08mg/L，去除率達(dá)到74.67%。

蓮藕組水體初始TN值為1.65～2.00mg/L。由圖4c可以看出，試驗期間各組TN值均有不同程度的下降，其中下降最明顯的是7g/L密度組，第10天時去除率為93.00%，之后變化趨于平穩(wěn)。

由圖4可以看出，各水生植物對總氮的去除效果比較明顯，從去除率看菹草不如鳳眼蓮和蓮藕，但因為菹草的初始TN值比較高，所以從去除量上看明顯優(yōu)于其他2組，而且還有繼續(xù)下降的趨勢，與空白相比也可以看出菹草的去氮作用比較明顯。從去氮平穩(wěn)性上看，鳳眼蓮不如菹草和蓮藕。本研究中空白組中TN值的下降也很明顯，這是因為水中總氮的去除主要通過沉積、植物吸收、生物硝化和反硝化等理化作用實現(xiàn)，而元素本身的降解、沉淀、固結(jié)、去除、揮發(fā)等也會降低自身的濃度[9]。

2.5 TP變化規(guī)律

鳳眼蓮組水體TP初始值為0.49～0.52mg/L。由圖5a可以看出，去除效果最好的是5g/L密度組，試驗結(jié)束時降到0.10mg/L，去除率達(dá)到80.77%。

圖5 3種水生植物不同栽培密度下的水體TP變化

菹草組水體TP初始值為0.30～0.71mg/L。由圖5b可以看出，去除效果最好的是37g/L密度組，在試驗第10天時降到0.24mg/L，去除率達(dá)到52.94%，到試驗結(jié)束時之后變化都十分平穩(wěn)。

蓮藕組水體TP初始值為0.72～0.78mg/L。由圖5c可以看出，到試驗第10天時，去除效果最好的是13g/L密度組，降到0.52mg/L，去除率達(dá)到30.67%，但之后又有所上升。

水體中磷的去除主要通過沉淀、去除、固結(jié)等理化作用實現(xiàn)[7]，因此空白組的磷下降也很明顯。由圖5比較可以看出，鳳眼蓮除磷效果比較穩(wěn)定；菹草各試驗組變化比較大，37g/L密度組的菹草除磷效果最好，明顯低于空白組；蓮藕中13g/L密度組初期除磷效果較好，后期又有所上升，而且空白對照組反而低于試驗組。出現(xiàn)這種情況可能與底質(zhì)中的磷被釋放出來有關(guān)。因為水體中磷濃度的改變，就會使底質(zhì)中的磷被釋放出來，來增加水體中磷的濃度[10]。

3 小結(jié)

(1)鳳眼蓮和菹草對pH處理效果要好于蓮藕。鳳眼蓮各試驗組pH穩(wěn)定在7.31～7.75之間，菹草組pH穩(wěn)定在7.90～8.19之間，應(yīng)根據(jù)具體的養(yǎng)殖對象選擇不同的水生植物凈化水質(zhì)。

(2)菹草總體去除有機(jī)物的能力高于鳳眼蓮和蓮藕，尤其在密度為37g/L時效果最好。蓮藕也有一定的去有機(jī)物能力，但起伏較大，可能與底質(zhì)有機(jī)質(zhì)含量和初始CODMn有關(guān)。

(3)水生植物的生長可以增加水體DO的含量，總體來看，菹草和蓮藕要優(yōu)于鳳眼蓮，菹草在密度為17g/L時增氧效果最好,蓮藕在密度為10g/L時增氧效果最好。

(4)各水生植物對總氮的去除效果比較明顯，從總體去除率看，菹草不如鳳眼蓮和蓮藕，尤其是蓮藕在密度為7g/L時去除效果比較明顯。從去除量上看菹草去氮效果最好。

(5)鳳眼蓮在密度為5g/L時除磷效果最好，菹草在密度為37g/L時去磷效果最好。

(6)從總體來看，鳳眼蓮凈化水質(zhì)的能力要優(yōu)于菹草和蓮藕。不同的物種或同一物種在不同濕地環(huán)境中的凈化效果存在較大的差異[11]，不同的種植密度對水體的凈化效果也會有明顯的不同。即使是同一種水生植物，凈化水質(zhì)的能力也可能一方面比較明顯，而另一方面可能就影響不大。因此，在富營養(yǎng)化水體中利用水生植物凈化水質(zhì)，要綜合考慮多方面的因素，從而最大限度地發(fā)揮水生植物的效用，最終實現(xiàn)高效凈水和節(jié)水的效果。

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2012-10-01

2011年山東省科技攻關(guān)項目 (GZX20949)；2012年山東省農(nóng)業(yè)重大應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新項目；2011年山東省農(nóng)業(yè)重大農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣項目。

杜興華(1972-)，男，山東濟(jì)陽人，高級工程師，主要從事漁業(yè)生態(tài)研究。

10.3969/j.issn.1673-1409(S).2012.11.004

S931.3;X714

A

1673-1409(2012)11-S013-06