溝渠水生植物資源化利用研究

余紅兵，張樹(shù)楠，肖潤(rùn)林＊，楊知建，劉鋒，魏甲斌

（1.湖南城市學(xué)院建筑與城市規(guī)劃學(xué)院 湖南 益陽(yáng)413000；2.中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，湖南 長(zhǎng)沙410125；3.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410128）

近年來(lái)，利用水生植物攔截溝渠中的氮磷也成為防治湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的有效途徑之一。一方面，水生植物在溝渠系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的去污作用，可通過(guò)水生植物其自身的生長(zhǎng)以及人工收割植物的方式對(duì)水質(zhì)產(chǎn)生良好的凈化效果，氮、磷等元素主要通過(guò)水生植物的人工收割來(lái)去除。另一方面，因水生植物的旺盛生長(zhǎng)，其龐大的生物量到秋季因植物殘?bào)w的分解，會(huì)釋放出大量的有機(jī)質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)鹽，如不及時(shí)移除，會(huì)重新污染水體［1］。因此水生植物的收獲及處置利用問(wèn)題成為溝渠濕地應(yīng)用和管理中不可忽視的問(wèn)題。而目前，研究主要集中在水生植物的吸收凈化效果上，而大量的植株殘?bào)w處置利用問(wèn)題成為溝渠濕地管理中亟待解決的難題。研究表明，植物刈割對(duì)植物的補(bǔ)償生長(zhǎng)有重要的影響，同時(shí)，合適的收割措施既能轉(zhuǎn)移出植物中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，又能提高底泥氮、磷的去除率［1－2］。

水生植物資源豐富，在制備肥料、生產(chǎn)飼料、食用或藥用、做能源燃料等方面具有一些用途，若水生植物能通過(guò)資源化利用而產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)價(jià)值，將對(duì)利用溝渠濕地水生植物凈化污水產(chǎn)生更大的促進(jìn)作用。但目前，對(duì)收獲后的水生植物除了某些可以作為水生蔬菜外，如水芹菜等，大多未被充分利用，大量的長(zhǎng)期堆放不僅會(huì)引起新的二次污染，也是一種資源的浪費(fèi)，因此選擇其處置方法，實(shí)現(xiàn)水生植物的減量化和資源化顯得非常重要［3］。且水生植物的資源化利用及其經(jīng)濟(jì)效益等方面的研究報(bào)道甚少，因此，本研究對(duì)收割后的水生植物覆蓋茶園的生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益等方面展開(kāi)了研究，以期為植物資源化利用提供科學(xué)的理論依據(jù)。本試驗(yàn)的研究區(qū)域?yàn)閬啛釒鹆陞^(qū)，茶園面積達(dá)6.67×104hm2以上；但該地區(qū)季節(jié)性高溫和干旱嚴(yán)重，土壤以含氮量低、有機(jī)質(zhì)少的紅壤為主，雜草叢生，給茶樹(shù)生產(chǎn)帶來(lái)了極大的危害［4－5］。通過(guò)生態(tài)調(diào)控措施來(lái)實(shí)現(xiàn)茶葉安全高效生產(chǎn)，是目前大家所關(guān)注的問(wèn)題。彭晚霞等［6］用稻草覆蓋對(duì)改良茶園土壤、控制雜草生長(zhǎng)和改善茶葉品質(zhì)、增加產(chǎn)量有顯著效果。水生植物是生態(tài)溝渠中重要組成部分，通過(guò)收割水生植物可以徹底地從濕地中帶走被植物所吸收的氮和磷。本試驗(yàn)將收割的水生植物覆蓋到茶園，研究水生植物覆蓋對(duì)茶園土壤養(yǎng)分、茶園雜草、茶葉品質(zhì)和產(chǎn)量的影響，以期為水生植物的資源化利用提供新思路。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)地點(diǎn)位于長(zhǎng)沙縣金井鎮(zhèn)湘豐飛躍茶園，該茶園為中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所實(shí)驗(yàn)示范基地，屬亞熱帶區(qū)季風(fēng)濕潤(rùn)氣候。試驗(yàn)地為平地，面積為200m2。試驗(yàn)茶樹(shù)品種為福云早毫，2006年南北向雙行定植，株距25cm，列距25cm。水生植物收割于湖南省長(zhǎng)沙縣金井鎮(zhèn)中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)沙農(nóng)業(yè)環(huán)境觀測(cè)站農(nóng)業(yè)源頭生態(tài)溝渠中。試驗(yàn)設(shè)2個(gè)處理：1）覆蓋水生植物處理，分別在2010年9月和2011年6，11月初將收割后的水生美人蕉（Cannaglauca）和狐尾藻（Myriophyllumverticillatum）均勻地覆蓋到茶樹(shù)行間，覆蓋時(shí)，水生美人蕉在下，狐尾藻在上，每次的覆蓋量鮮重為2.50kg/m2。2）對(duì)照處理（不覆蓋）。覆蓋和對(duì)照處理按順序排列，設(shè)3次重復(fù)。在試驗(yàn)期間對(duì)2個(gè)處理按常規(guī)方式進(jìn)行土肥管理。

1.2 樣品采集和調(diào)查

1.2.1 土壤樣品采集 覆蓋水生植物前采集茶園土樣作為背景值。于2010年9月（覆蓋前）和2011年11月底（覆蓋后），在試驗(yàn)茶園每個(gè)處理中隨機(jī)選取3個(gè)茶樹(shù)行，每個(gè)茶樹(shù)行分別選取3個(gè)采樣點(diǎn)，每個(gè)樣點(diǎn)取3層（0～20cm，20～40cm和40～60cm）。其中2011年11月底的土壤樣品保存1份于4℃下冰箱，以備測(cè)定土壤微生物量氮和磷。其余土壤樣品按常規(guī)辦法處理。

1.2.2 茶園雜草調(diào)查 于2011年4，7和9月分別采樣，小樣方法對(duì)雜草進(jìn)行調(diào)查，每個(gè)小樣方為200cm×100 cm，設(shè)3個(gè)重復(fù)，測(cè)定雜草高度和記載雜草種類、數(shù)量和密度，并用剪刀剪掉雜草根部，稱雜草地上部分鮮重。

1.2.3 茶葉樣品的采集 于2011年5月對(duì)茶樹(shù)生長(zhǎng)狀況進(jìn)行觀測(cè)，觀測(cè)8次。于2011年4－6月（2個(gè)月左右），采用5點(diǎn)取樣法每隔2d測(cè)定樹(shù)冠冠幅，計(jì)算茶樹(shù)覆蓋度和產(chǎn)量。采用5點(diǎn)取樣法采集茶葉樣品，每個(gè)樣方為33cm×33cm，采用33cm×33cm木框采集春茶框內(nèi)所有的1芽1葉和1芽2葉，采摘順序?yàn)閺纳现料虏烧?，每次采摘的鮮樣，分別測(cè)定其百芽重。鮮樣帶回實(shí)驗(yàn)室蒸青固樣，測(cè)定其中的氨基酸、茶多酚和水浸出物含量。

1.3 分析方法

1.3.1 茶葉樣品分析方法 氨基酸測(cè)定采用GB8314茶氨基酸含量測(cè)定法；茶多酚測(cè)定采用GB8313茶多酚含量測(cè)定法；水浸出物測(cè)定采用GB8305－87全量測(cè)定法。

1.3.2 土壤樣品分析方法 全氮含量測(cè)定用半微量凱氏法（GB7173－87）；全磷用鉬銻抗比色法（GB9837－88）測(cè)定；土壤含水量用烘干法（GB7172－87）測(cè)定；土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀－外加熱法測(cè)定；水解氮用擴(kuò)散吸收法測(cè)定；有效磷用碳酸氫鈉提?。f銻抗比色法測(cè)定。土壤微生物生物量氮和磷分別采用氯仿熏蒸培養(yǎng)中的K2SO4提取法和NaHCO3提取法測(cè)定。

1.4 計(jì)算公式與數(shù)據(jù)處理

物種豐富度（S）即雜草群落中的物種數(shù)；多度（Pi）用Berger－Parker公式測(cè)定：

式中，Pi是第i物種的個(gè)體數(shù)（Ni）占群落總個(gè)體數(shù)（N）的比例；上述公式中i取值范圍為1～S［7］。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 水生植物覆蓋對(duì)茶園土壤養(yǎng)分的影響

由表1可看出，水生植物覆蓋與對(duì)照茶園相比，土壤有機(jī)質(zhì)含量均提高了，水生植物覆蓋到茶園后，纖維素等在高溫干旱季節(jié)被微生物分解，較難分解的蛋白質(zhì)復(fù)合體形成殘?bào)w保留在土壤中，使有機(jī)質(zhì)含量提高。同時(shí)，水生植物覆蓋對(duì)0～20cm土層的影響較大（表1），使表層土有機(jī)質(zhì)含量增加了8.01%。另外，2種處理隨著土層的加深，有機(jī)質(zhì)含量均呈下降趨勢(shì)，但0～20cm土層的有機(jī)質(zhì)含量遠(yuǎn)高于20～40cm和40～60cm土層。

由于覆蓋的水生植物本身含有氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素，其中水生美人蕉含氮（15.26±2.07）g/kg，含磷（2.15±0.26）g/kg，狐尾藻含氮（20.67±3.63）g/kg，含磷（3.40±0.96）g/kg。經(jīng)過(guò)微生物分解或殘留土壤中，在雨季經(jīng)雨水進(jìn)入土壤，從而增加土壤氮、磷等養(yǎng)分含量。由表1可看出，與對(duì)照茶園相比，0～20cm土層全氮和水解氮分別增加6.09%和11.45%。土壤微生物量氮覆蓋（31.23mg/kg）均比對(duì)照（27.83mg/kg）增加?？梢?jiàn)水生植物覆蓋明顯提高了全氮、水解氮和微生物量氮含量。對(duì)照和覆蓋處理剖面中土壤全氮、水解氮和微生物量氮隨深度的增加而減少，且0～20cm土層的全氮、水解氮和微生物量氮含量遠(yuǎn)高于20～40cm和40～60cm土層。而在20～40cm土層，水生植物覆蓋的影響高于對(duì)照。本研究中不同土層的微生物量氮/全氮在1.47%～2.56%之間，有研究表明其比值在0.20%～5.65%之間［8］。

表1 覆蓋茶園土壤氮素變化Table 1 Effect of mulching on soil N of tea plantation

由表2可看出，與對(duì)照茶園相比，覆蓋處理0～20cm土層全磷和有效磷分別增加14.29%和56.02%。同時(shí)，水生植物覆蓋的茶園微生物量磷較對(duì)照茶園有明顯改善，特別是0～20cm是對(duì)照的2.60倍。3層微生物量磷通常占全磷的2.25%～10.90%，據(jù)研究報(bào)道，微生物量磷/全磷為2.4%～23.3%［9］，而本研究結(jié)果較之偏低。另外，對(duì)照和覆蓋處理隨著土層的加深，全磷、有效磷和微生物量磷等指標(biāo)均呈下降趨勢(shì)，0～20cm土層的全磷、有效磷和微生物量磷含量遠(yuǎn)高于20～40cm和40～60cm土層。

表2 覆蓋茶園土壤磷變化Table 2 Effect of mulching on soil P of tea plantation

2.2 水生植物覆蓋對(duì)茶園雜草的影響

雜草危害嚴(yán)重影響到丘陵茶園的茶葉品質(zhì)及產(chǎn)量［10］。由于茶園雜草種類復(fù)雜，雜草發(fā)生的優(yōu)勢(shì)種群、危害高峰及空間分布也隨季節(jié)變化而不同。

表3、表4調(diào)查結(jié)果表明，春季（4月）、夏季（7月）和秋季（9月）雜草種類、雜草密度、地上部分生物量和株高都發(fā)生季節(jié)變化。其中，春季（4月）對(duì)照茶園雜草密度和生物量均高于水生植物覆蓋茶園，雜草株高也以30cm以下的為主。與春季相比，在夏季，對(duì)照茶園以惡性雜草為優(yōu)勢(shì)種群，且生物量大、植株高。而覆蓋茶園惡性雜草明顯減少，且雜草高度、密度和生物量均降低。秋季（9月）水生植物覆蓋處理茶園的惡性雜草明顯低于對(duì)照處理茶園。在秋季雖然對(duì)照茶園惡性雜草進(jìn)入枯萎期甚至死亡，但作為地被植物的酢漿草占據(jù)空間，成為優(yōu)勢(shì)種。相比夏季，其株高下降，生物量減少，但數(shù)量相當(dāng)。

表4為水生植物覆蓋對(duì)茶園惡性雜草多度的影響。對(duì)照與覆蓋茶園在春季（4月）主要以多度高的非惡性雜草看麥娘、酢漿草2種為主，還包括多度相對(duì)低的豬殃殃、過(guò)路黃和白花蛇舌草等。其中非惡性雜草看麥娘在覆蓋處理中的多度為0.495，在對(duì)照處理中的多度為0.624（表4）。這些雜草株高矮，在30cm以下，生物量小，生長(zhǎng)也慢。

與春季相比，夏季（7月）覆蓋處理茶園以香附子、馬唐、狗尾草和牛筋草等4種優(yōu)勢(shì)惡性雜草為主，總多度值為0.521。對(duì)照處理茶園以惡性雜草為優(yōu)勢(shì)種群，惡性雜草總多度高達(dá)0.891，以馬唐、辣蓼和狗尾草等3種優(yōu)勢(shì)雜草為主，其多度值分別為：0.451，0.155和0.182（表4）。

秋季（9月）對(duì)照處理茶園以牛筋草（多度0.100）、馬唐（多度0.489）和辣蓼（多度0.17）等3種優(yōu)勢(shì)惡性雜草為主。覆蓋處理茶園以牛筋草、香附子和馬唐等3種惡性雜草為主，其多度分別為：0.133，0.110和0.177（表4）。與對(duì)照處理茶園相比，覆蓋處理茶園的惡性雜草總多度明顯降低。覆蓋和對(duì)照處理茶園酢漿草多度值分別為：0.320和0.140。

表3 不同處理的雜草密度、生物量和株高的季節(jié)變化Table 3 Seasonal variation of density，biomass and plant height for weeds in different treatments

表4 不同處理下不同季節(jié)雜草群落多度分析Table 4 Analysis of abundance of weeds community structure in different seasons in different treatments

2.3 水生植物覆蓋對(duì)茶園茶葉品質(zhì)、產(chǎn)量的影響

由表5可見(jiàn)，水生植物覆蓋的茶園茶葉咖啡堿、水浸出物、氨基酸和水分含量比對(duì)照茶園高，但茶多酚比對(duì)照茶園低，說(shuō)明茶園覆蓋對(duì)茶葉營(yíng)養(yǎng)成分的改善有很大作用。

本試驗(yàn)結(jié)果與彭晚霞等［5－6］報(bào)道的稻草覆蓋茶園的研究結(jié)論一致。同時(shí)，與對(duì)照茶園相比，水生植物覆蓋的茶園提高了茶葉的主要感官品質(zhì)，包括茶葉的色澤、滋味和香氣等，因此，感官審評(píng)分比對(duì)照茶園明顯提高。

表5 不同處理茶葉品質(zhì)及感官評(píng)審Table 5 Quality and sense evaluation of tea in different treatments

由表6可見(jiàn)，水生植物覆蓋后，明顯改善了茶樹(shù)生長(zhǎng)狀況，其冠幅、樹(shù)高和茶芽密度均比對(duì)照高。同時(shí)，與對(duì)照茶園相比，水生植物覆蓋茶園茶葉1芽1葉與1芽2葉百芽重均提高了，其中1芽1葉百芽重提高了14.13%。覆蓋茶園的產(chǎn)量可達(dá)106.47g/m2，與清耕茶園（82.79g/m2）相比，產(chǎn)量提高了22.24%，增產(chǎn)效果明顯。這與水生植物覆蓋改善了茶園土壤理化性狀、調(diào)控了土壤溫度和水分以及抑制了茶園雜草的生長(zhǎng)等原因密切相關(guān)。

表6 不同處理的茶樹(shù)產(chǎn)量及生長(zhǎng)狀況Table 6 Tea tree yield and growth in different treatments

3 討論

3.1 水生植物資源化利用

利用水生植物進(jìn)行茶園覆蓋是一種經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、可行的辦法，為水生植物的管理和利用提供參考。收割的水生植物覆蓋茶園，既有效防止了水生植物自身氮、磷等污染物對(duì)溝渠水體產(chǎn)生二次污染，又實(shí)現(xiàn)了溝渠水生植物殘?bào)w的資源化利用并提供了示范作用。Brix［11］和Howard［12］指出，植物吸收的部分儲(chǔ)存會(huì)隨著植物的枯萎逐漸釋放出來(lái)。姜翠玲［13］研究也證明濕地中的全氮一部分來(lái)自于濕地植物的生長(zhǎng)與死亡分解。因?yàn)槊磕?1月以后，溝渠濕地中的水生植物地上部分會(huì)逐漸枯萎，釋放有機(jī)質(zhì)于水體中，進(jìn)而造成嚴(yán)重污染。有機(jī)形態(tài)的氮在冬季（12，1月）較高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了其他月份。由此說(shuō)明冬季全氮濃度的增加與水生植物腐爛有密切關(guān)系［13－14］。

水生植物腐爛分解后，污染水體經(jīng)溝渠進(jìn)入河道和湖泊，是水體富營(yíng)養(yǎng)化潛在的污染源［13，15］。因此，水生植物應(yīng)在枯萎前回收，以防止殘株分解對(duì)水體的污染。姜翠玲等［16］和徐紅燈［17］認(rèn)為農(nóng)民不會(huì)主動(dòng)回收沒(méi)有利用價(jià)值的植物，并提議用經(jīng)濟(jì)植物取代野生植物。本研究中，雖然試驗(yàn)植物不能給當(dāng)?shù)剞r(nóng)民直接帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益，但收割的植物覆蓋到茶園，可間接帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益，因此也能激勵(lì)農(nóng)民主動(dòng)回收水生植物。

3.2 水生植物覆蓋對(duì)茶園生態(tài)效應(yīng)的影響

植物覆蓋對(duì)補(bǔ)償土壤有機(jī)質(zhì)消耗、改良土壤、培肥地力有十分重要的作用。徐華勤等［18］研究表明，稻草覆蓋能使茶園土壤保持較高的生物活性，調(diào)控和改良土壤。本研究結(jié)果表明，水生植物覆蓋后可增加茶園土壤養(yǎng)分的含量，與肖潤(rùn)林等［19］的研究結(jié)論一致。土壤有機(jī)質(zhì)的形成主要是由于植物中較難分解的復(fù)合體（木質(zhì)素及蛋白質(zhì)）殘留在土壤中，茶園土壤因水生植物復(fù)合體的存在有機(jī)質(zhì)含量進(jìn)而增加［20］；而水生植物中易被微生物分解的部分（水溶性成分、纖維素和半纖維素），使土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)和物理結(jié)構(gòu)均可形成和改善，土壤養(yǎng)分含量也隨之增加。

雜草是茶園生態(tài)系統(tǒng)中植物多樣性的重要成分之一，氮與茶樹(shù)爭(zhēng)水、爭(zhēng)肥和陽(yáng)光，對(duì)茶樹(shù)生長(zhǎng)和茶葉品質(zhì)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響［21］。傳統(tǒng)的防除雜草的方法成本高、也容易導(dǎo)致物種多樣性下降等問(wèn)題［22－23］。本試驗(yàn)中，水生植物覆蓋茶園后，在植物體的機(jī)械阻力和遮陰作用雙重影響下，雜草的優(yōu)勢(shì)種群得以控制，雜草生物量和密度都顯著降低，也減少了雜草對(duì)茶樹(shù)生長(zhǎng)發(fā)育的危害和影響，也解決了傳統(tǒng)防除雜草帶來(lái)的問(wèn)題。

4 小結(jié)

1）水生植物覆蓋后，改良了土壤理化性狀。覆蓋與對(duì)照茶園相比明顯增加了土壤表層（0～20cm）有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、堿解氮、有效磷的含量，也增加了土壤微生物量氮、磷含量，且其土壤各養(yǎng)分均隨深度的增加而遞減。

2）水生植物覆蓋后，控制了雜草優(yōu)勢(shì)種群，減少了雜草種類，也降低了雜草的株高、密度和生物量。

3）水生植物覆蓋后，通過(guò)改善茶園的生態(tài)條件，提高了茶葉品質(zhì)和產(chǎn)量。

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