人工植物床對外塘甲魚養(yǎng)殖水體的凈化作用

鄭潔敏，牛天新，李春娟

(1.浙江省杭州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，浙江 杭州 310024;2.浙江工商大學(xué)，浙江 杭州 310018)

人工植物床將大型水生植物引入水面生長［1-2］，水體中氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)通過植物根部吸收在植物體內(nèi)貯存。植物收獲時(shí)，水中部分營養(yǎng)物質(zhì)被移出水體［3］。通過這種方式來改善富營養(yǎng)化水體，擾動(dòng)小、成本低廉、環(huán)境友好。近年來人工植物床廣泛應(yīng)用于河道湖泊水域［4-8］的生態(tài)修復(fù)工程中，人工植物床在水產(chǎn)養(yǎng)殖水體中的修復(fù)作用也日益受到關(guān)注［9］，但是植物浮床作為一項(xiàng)原位修復(fù)技術(shù)，在大面積甲魚養(yǎng)殖水體的應(yīng)用研究報(bào)道相對較少。浙江省甲魚養(yǎng)殖產(chǎn)量位居全國第一，2011年共創(chuàng)造70億元的產(chǎn)值。在創(chuàng)造巨大價(jià)值的同時(shí)，甲魚養(yǎng)殖所面臨的環(huán)境污染問題不容忽視。就外塘甲魚養(yǎng)殖而言，甲魚投喂飼料集中在6-10月，這正是富營養(yǎng)化水體容易惡化的季節(jié)，水質(zhì)的惡化不僅影響甲魚正常生長和品質(zhì)，養(yǎng)殖廢水的排放對農(nóng)村環(huán)境也造成嚴(yán)重影響。本試驗(yàn)在外塘甲魚養(yǎng)殖水體中構(gòu)建人工植物床，并定期檢測養(yǎng)殖水體水質(zhì)指標(biāo)，在植物收獲時(shí)測定植物收獲部氮磷含量及其生物量，以檢驗(yàn)人工植物床對外塘養(yǎng)殖水體的凈化作用，為該技術(shù)在外塘甲魚養(yǎng)殖水體中的推廣應(yīng)用積累經(jīng)驗(yàn)?，F(xiàn)將有關(guān)結(jié)果報(bào)道如下。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)在杭州市西湖區(qū)上泗地區(qū)的甲魚養(yǎng)殖場進(jìn)行，每個(gè)甲魚養(yǎng)殖池塘占地面積約1 000 m2，共用5個(gè)養(yǎng)殖池。

人工植物床［10］利用給水用 PVC管 (50 mm直徑)作為浮床載體，做成2 m×2 m方形，四邊用專用膠水通過彎頭相互連接。制作簡便，不易漏水。園藝用12孔 (32 cm×42 cm)穴盆作為植物載體，植物根部用海綿固定在穴盆上。固定有植物的穴盆通過塑料繩與框架連成一體。植物浮床下水后，用繩索固定。

浮床上植物的選擇根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)而定［11］，選用挺水植物澤苔、菖蒲和千屈菜;沉水植物黃花水龍、穗狀狐尾藻和浮水植物大薸。此外，在水面上種植空心菜和水芹菜?？招牟瞬捎醚ㄅ璺N子育苗后移栽，其他水生植物從野外直接移栽。挺水植物固定于浮床上的密度為6株·m-2，剪去地上部分;大薸等浮水植物和沉水植物種植密度2～4株·m-2。

1.2 處理設(shè)計(jì)

5個(gè)養(yǎng)殖池塘，1個(gè)為空白塘，4個(gè)為甲魚養(yǎng)殖池塘。其中2個(gè)放人工植物浮床記為處理塘1、處理塘2，另2個(gè)不放人工植物浮床記為對照塘1、對照塘2。處理塘中構(gòu)建136 m2的人工浮床，植物種類和數(shù)量如表1所示。

2011年3月下旬，外塘養(yǎng)殖池塘用石灰消毒。曬塘后，從周邊河道引水入塘，把重約0.5 kg的小甲魚放入處理與對照塘中，塘養(yǎng)殖密度約為3只·m-2。空白塘原先養(yǎng)過甲魚，現(xiàn)僅存數(shù)只甲魚和數(shù)條草魚，整個(gè)試驗(yàn)過程不投飼料。4月中旬甲魚養(yǎng)殖塘開始投喂飼料。所用飼料為鱉配合飼料，投喂量根據(jù)經(jīng)驗(yàn)而定。日溫度超過20℃后，視溫度和甲魚攝食情況，每日投料1～2次，如遇雨天，不飼喂。到2011年10月1日，停止投喂飼料。2012年1月，逐漸放水捕撈。

在應(yīng)用植物床之前，對水體取樣，測定塘內(nèi)養(yǎng)殖水體的可溶性總磷、氨氮、BOD(生物需氧量)、COD(化學(xué)需氧量)、SS(固體懸浮物)等值 (表2)。植物浮床于6月下旬下水固定。觀察植物生長與成活情況，當(dāng)植物生長影響甲魚養(yǎng)殖時(shí)，進(jìn)行必要的維護(hù)工作。于植物床下水2個(gè)月后，對植物進(jìn)行收獲，植物可收獲部分用清水洗凈，用吸水紙吸干水分，稱取鮮重。在烘箱中105℃殺青30 min后，于80℃烘至恒重。記錄生物量干重，計(jì)算含水量。同種植物收獲部分烘干后混合粉碎，測定氮磷含量。

表1 處理塘放入植物浮床的數(shù)量、面積和植物的種類、數(shù)量

植物床下水1周后，定期對各個(gè)試驗(yàn)塘水體取樣，測定水體中的總磷、可溶性磷、無機(jī)磷、總氮、可溶性氮、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)、COD、BOD等指標(biāo)，直至天氣變冷甲魚進(jìn)入冬眠期不再進(jìn)行投料后，停止取水樣。

表2 各塘養(yǎng)殖水體6月2日的主要指標(biāo)

1.3 檢測項(xiàng)目及方法

植物地上部干樣用濃H2SO4-H2O2法消煮，氮的測定用消化-蒸餾定氮法［12］，磷的測定用消化-釩鉬黃比色法［12］。

水質(zhì)中總磷、可溶性磷、可溶性磷酸鹽用鉬酸銨分光光度法測定，總氮、可溶性氮用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定、氨氮用納氏試劑分光光度法測定、高錳酸鹽指數(shù)用堿性法測定、BOD用稀釋接種法測定［13］。

2 結(jié)果與分析

2.1 植物生長情況及維護(hù)工作

植物床下水約1個(gè)月后，部分植物恢復(fù)正常生長。在浮島上所采用的植物中，浮水植物大薸生長極具優(yōu)勢，由于部分植物無法正常生長，將大薸轉(zhuǎn)移至未能正常生長的浮水植物床中?？招牟碎L勢較好。澤苔、菖蒲生長正常。黃花水龍、穗狀狐尾藻的匍匐莖平鋪于漁網(wǎng)上，甲魚經(jīng)常在其間鉆來鉆去，植物無法正常生長。千屈菜、水芹菜生長不佳，未能存活。

在植物下水2個(gè)月后，部分植物無法正常生長導(dǎo)致植物床面積有所縮減，處理塘1浮床面積縮減至原來的62%，處理塘2浮床面積縮減至原來的56%。植物恢復(fù)情況及其生物量見表3。收獲時(shí)，2個(gè)處理塘的大薸各占據(jù)10個(gè)浮床的位置，在4 m2的浮床中大薸數(shù)量可達(dá)800個(gè)?？招牟碎L勢很好。浮萍隨著水生植物帶入水面，生長繁殖能力強(qiáng)，平均每隔15 d進(jìn)行打撈，在降雨天，浮萍繁殖尤快。在整個(gè)甲魚生長期，每個(gè)塘平均打撈鮮重約10.4 t。澤苔和菖蒲生長正常。

表3 植物床下水2個(gè)月后植物生長情況及其生物量

10月天氣轉(zhuǎn)涼，空心菜生長受到影響，進(jìn)行采摘。11月中旬，大薸開始出現(xiàn)腐爛，下沉影響水質(zhì)，進(jìn)行打撈工作。第2年5月，菖蒲植物床和澤苔植物床恢復(fù)正常生長，長勢旺盛。其余植物床需要重新移入植物。

2.2 植物氮磷移除能力估算

各種植物可收獲部分的生物量及氮磷含量見表4。對于同一種植物，處理塘1中植物氮磷含量高于處理塘2，這可能與2個(gè)處理塘不同的水質(zhì)有關(guān)(圖1)。在處理塘1中，5種長勢較好的植物中，植物可收獲部分氮含量從高到低排序?yàn)?空心菜＞浮萍＞大薸＞澤苔＞菖蒲;磷含量從高到低排序?yàn)?浮萍＞大薸＞空心菜＞菖蒲＞澤苔;處理塘2中，植物可收獲部分氮含量從高到低排序?yàn)?浮萍＞空心菜＞大薸＞澤苔＞菖蒲;磷含量從高到低排序?yàn)?浮萍＞大薸＞空心菜＞澤苔＞菖蒲。相比之下，浮水植物具有較高的氮磷含量。

在整個(gè)處理過程中，按照收刈2茬計(jì)算，人工植物床可從處理塘1中帶走氮約90.69 kg，磷約9.15 kg;可從處理塘2帶走氮約80.86 kg，磷約8.55 kg。

大薸、浮萍氮磷含量高，繁殖能力快，兩者對氮的移除貢獻(xiàn)達(dá)到94.93%和98.89%，對磷移除貢獻(xiàn)率達(dá)到97.47% 和99.53%，這主要是因?yàn)檫@兩者的浮水特性和快速繁殖能力，易于分散繁殖，但是正是因?yàn)檫@個(gè)特性，使得這2種植物難以管理，需要耗費(fèi)較多的勞力進(jìn)行維護(hù)，無形中增加了植物浮床修復(fù)水體的成本。在供試的植物中，空心菜氮磷含量相對較高，尤其是氮含量，與浮萍相當(dāng)，其生長時(shí)期為5-10月，恰好與外塘甲魚養(yǎng)殖投料時(shí)間契合。因此，具有一定覆蓋面積的空心菜植物床，是外塘甲魚養(yǎng)殖水體原位處理的較佳選擇，可在凈化水質(zhì)的同時(shí)為養(yǎng)殖戶帶來一定的經(jīng)濟(jì)收益。

表4 植物地上部氮磷含量及從甲魚塘中移除的氮磷總量

2.3 水質(zhì)指標(biāo)變化情況

外塘甲魚養(yǎng)殖水體受到天氣影響較大，高溫期間，如連續(xù)晴朗不降雨，5個(gè)試驗(yàn)甲魚塘都不同程度呈現(xiàn)藍(lán)藻水華，其中對照塘水華現(xiàn)象更為嚴(yán)重，養(yǎng)殖水體的pH值均超過8.0;如天氣陰雨未見太陽，塘中藍(lán)藻水華即消失，水體pH值保持在7.5～8.0正常范圍內(nèi)。從7-11月，甲魚塘檢測結(jié)果見圖1-5，由于甲魚塘每天投喂飼料量和底泥釋放的不確定因素，加之氣溫、降雨等氣候因素的干擾，供試甲魚塘水質(zhì)較為多變。

圖1 供試甲魚塘養(yǎng)殖水體中總磷濃度的變化

圖2 供試甲魚塘養(yǎng)殖水體中可溶性總磷濃度的變化

圖3 供試甲魚塘養(yǎng)殖水體中氨氮濃度的變化

圖4 供試甲魚養(yǎng)殖水體中高錳酸鉀指數(shù)濃度的變化

各個(gè)塘的水質(zhì)，總體趨勢是空白塘比飼養(yǎng)塘好，進(jìn)行了植物床處理的甲魚塘比對照塘好。從總磷、可溶性磷和氨氮的濃度來看，空白塘基本保持背景值的水平，明顯小于其余塘。雖然空白塘水體中高錳酸鹽指數(shù)、COD、BOD的濃度較其余塘低，但仍有相當(dāng)高的濃度，說明在長期的甲魚養(yǎng)殖過程中，在塘底沉積了大量的有機(jī)物質(zhì)，即使該塘不進(jìn)行投餌，其有機(jī)質(zhì)的濃度仍然保持較高水平。

投喂飼料的甲魚塘，各水質(zhì)指標(biāo)隨著氣溫的逐步升高濃度增加，隨著天氣轉(zhuǎn)涼濃度下降，這與氣溫高時(shí)，甲魚活動(dòng)量大、攝食多，投喂量增加有關(guān)，高溫時(shí)沉降于池底的內(nèi)源污染釋放速度也增加。其中水體中總磷和可溶性總磷的濃度在8月底、9月初達(dá)到最高，氨氮的濃度較為滯后，在9月底達(dá)到最高;高錳酸鹽指數(shù)、BOD濃度的變化趨勢比較一致，在7-9月濃度較高。

9月，2個(gè)對照塘水質(zhì)惡化，養(yǎng)殖戶感官判斷水體已不適于甲魚養(yǎng)殖，于9月10日開始陸續(xù)換半塘水，反映在各水質(zhì)指標(biāo)中，即對照塘水質(zhì)各指標(biāo)濃度在9月中下旬明顯回落。而植物床處理的甲魚塘在整個(gè)過程中未進(jìn)行換水處理。

3 小結(jié)與討論

在傳統(tǒng)的水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)中，因?yàn)樽非蟾弋a(chǎn)，過分強(qiáng)化人工飼料與養(yǎng)殖對象這個(gè)單一物質(zhì)能量通道，導(dǎo)致養(yǎng)殖生態(tài)系統(tǒng)失衡，物質(zhì)能量轉(zhuǎn)化率低［9］。植物浮床將植物引入到養(yǎng)殖水體中，增加了物質(zhì)能量通道，使水體中營養(yǎng)物質(zhì)有更多的轉(zhuǎn)化渠道。試驗(yàn)表明，人工植物床對外塘甲魚養(yǎng)殖水體具有明顯的凈化作用，處理塘水質(zhì)優(yōu)于對照塘，且在整個(gè)養(yǎng)殖過程中無需換水，能為養(yǎng)殖戶節(jié)省成本，也減少對周邊水域環(huán)境的影響。對于植物床的凈水效果，有研究認(rèn)為植物對水體中營養(yǎng)物的吸收作用僅是其對水體凈化作用的一部分，植物根系對凈水也有重要的作用［14］。據(jù)報(bào)導(dǎo)通過浮床形式所引入的高等水生植物在水生生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著多種生態(tài)功能，除了短期儲(chǔ)存氮、磷、鉀等水體中的植物營養(yǎng)物質(zhì)和其他污染物質(zhì)外，還可抑制低等藻類的生長、促進(jìn)水中其他水生生物的代謝，并為多種微生物提供生境，加速硝化細(xì)菌反硝化細(xì)菌等對水體中氮的降解與轉(zhuǎn)化［15-16］。由于試驗(yàn)在生產(chǎn)用的養(yǎng)殖塘中進(jìn)行，供試塘存在內(nèi)源污染，水質(zhì)指標(biāo)變化較為復(fù)雜。盡管如此，在甲魚養(yǎng)殖外塘水體中引入人工植物床后，部分水質(zhì)指標(biāo)優(yōu)于對照塘，而且在整個(gè)外塘甲魚的飼養(yǎng)過程中無需換水，說明植物對提高水體自凈能力起到了一定的作用。

但是，在養(yǎng)殖塘中通過人工植物床的方式引入水生植物吸收水體中過剩的營養(yǎng)物質(zhì)需要考慮以下問題。浮萍生長快速，水面鋪滿浮萍易導(dǎo)致水體缺氧，需要頻繁打撈，打撈出來的浮萍可運(yùn)送至魚塘喂養(yǎng)草魚。但是，頻繁打撈，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。與浮萍相比較，大薸同樣繁殖能力強(qiáng)，更易于控制，打撈方便，是一種較為適用的植物床植物。不同類型的養(yǎng)殖水體營養(yǎng)物質(zhì)濃度、養(yǎng)殖魚類特性有差異，不同的大型水生植物的適應(yīng)性可能不同。在本試驗(yàn)中，筆者在其他水體中應(yīng)用效果較好的千屈菜、黃花水龍、穗狀狐尾藻卻無法正常生長。因此在大面積應(yīng)用前，需要進(jìn)行小規(guī)模試種。就甲魚養(yǎng)殖而言，甲魚生性喜靜怕聲，喜陽怕風(fēng)，喜潔怕臟，在外塘甲魚養(yǎng)殖水體中所應(yīng)用的人工植物床，需要管理和維護(hù)少，盡量減少對甲魚的驚動(dòng)，以避免甲魚攝食量的減少?？招牟酥参锎矎?月下旬下水，可一直生長采摘至10月，與外塘甲魚投喂飼料的周期相符，對甲魚攝食和生產(chǎn)無不良影響。因此，一定面積的空心菜植物浮床是一項(xiàng)可用于外塘甲魚養(yǎng)殖水體的切實(shí)可行的原位修復(fù)技術(shù)，其構(gòu)建與維護(hù)方法簡單、成本低廉，適宜農(nóng)民應(yīng)用。

［1］ 李英杰，金相燦，年躍剛，等.人工浮島技術(shù)及其應(yīng)用［J］.水處理技術(shù)，2007，33(10):49-51.

［2］ 唐靜杰，周青.生態(tài)浮床在富營養(yǎng)化水體修復(fù)中的應(yīng)用［J］.環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2009(2):24-26.

［3］ 程偉，程丹，李強(qiáng).水生植物在水污染治理中的凈化機(jī)理及其應(yīng)用 ［J］.工業(yè)安全與環(huán)保，2005，31(1):6-9.

［4］ 陳荷生，宋祥甫，鄒國燕.利用生態(tài)浮創(chuàng)技術(shù)治理污染水體 ［J］.中國水利，2005(5):50-53.

［5］ 盧進(jìn)登，陳紅兵，趙麗婭，等.人工浮床栽培7種植物在富營養(yǎng)化水體中的生長特性研究 ［J］.環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備，2006，7(7):58-61.

［6］ 李梅，孫遠(yuǎn)奎，張見魁.生態(tài)浮床技術(shù)應(yīng)用研究 ［J］.工業(yè)安全與環(huán)保，2010，36(1):35-36.

［7］ 武濤，劉彬彬.上海市黑臭河道治理技術(shù)應(yīng)用研究 ［J］.工業(yè)安全與環(huán)保，2010，36(3):27-29.

［8］ 黃亮，吳乃成，唐濤，等.水生植物對富營養(yǎng)化水系統(tǒng)中氮、磷的富集與轉(zhuǎn)移 ［J］.中國環(huán)境科學(xué)，2010，30(增刊l):1-6.

［9］ 羅思亭，張飲江，李娟英，等.沉水植物與生態(tài)浮床組合對水產(chǎn)養(yǎng)殖污染控制的研究 ［J］.生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào)，2011，27(2):87-94.

［10］ 鄭潔敏，陳煜初.一種人工浮島:中國，200920197775.7［P］.2010-08-25.

［11］ 陳文岳，沈國正，鄭潔敏，等.西溪濕地水環(huán)境污染現(xiàn)狀及生態(tài)治理對策 ［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境與發(fā)展，2009(2):5-8.

［12］ 鮑士旦.土壤農(nóng)化分析 ［M］.北京:中國農(nóng)業(yè)出版社，2000.

［13］ 國家環(huán)境保護(hù)總局《水和廢水監(jiān)測分析方法》編委會(huì).水和廢水監(jiān)測分析方法 ［M］.北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社，2002.

［14］ 羅固源，韓金奎，肖華，等.美人蕉和風(fēng)車草人工浮床治理臨江河 ［J］.水處理技術(shù)，2008，34(8):46-48.

［15］ 宋偉，周慶，王彥玲，等.幾種植物凈化能力的比較及浮床應(yīng)用效果研究 ［J］.江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010(5):474-477.

［16］ 張毅敏，高月香，吳小敏，等.復(fù)合立體生物浮床技術(shù)對微污染水體氮磷的去除效果 ［J］.生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào)，2010，26(增刊1):24-29.