水稻漂浮濕地生產(chǎn)特性及其除氮效能研究

摘要 [目的] 研究新型水稻漂浮濕地（Lakebased Rice Floating Wetland，LRFW）在富營(yíng)養(yǎng)化水體處理中的應(yīng)用。[方法] 以水稻為浮床植物，開展控制試驗(yàn)，研究水稻種植床的除氮能力和水稻增產(chǎn)能力，并與聚苯乙烯泡沫浮床（Polystyrene Foam Floating Bed，PFFB）進(jìn)行比較。[結(jié)果] LRFW和PFFB的稻米產(chǎn)量分別為1.14 kg/m2和0.60 kg/m2。LRFW的有效分蘗數(shù)、單株地上生物量、地上地下生物量比與PFFB間均無顯著差異，但是，單株穗重顯著高于PFFB。經(jīng)過72 d的運(yùn)行，LRFW總氮去除率為40.2%，總氮去除負(fù)荷為53.44 mg/（m2·d），約為PFFB的2倍。在LRFW系統(tǒng)中，由植物和床體去除的氮分別占去除總量的61.29%和38.71%，而在PFFB系統(tǒng)則分別為87.31%和12.69%。

[結(jié)論] LRFW無論在水稻生產(chǎn)還是除氮效能方面均優(yōu)于泡沫浮床。

關(guān)鍵詞 生態(tài)浮床；水上農(nóng)業(yè)；硝化-反硝化；多孔基質(zhì)

中圖分類號(hào) S181.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼

A 文章編號(hào) 0517-6611（2014）20-06659-03

Study on the Rice Production Properties and Nitrogen Removal Efficiency of Rice Floating Wetland

YUE Dongmei，F(xiàn)ANG Gensheng et al （Shanghai Water Source Construction Development Co.，Ltd，Shanghai 200092）

Abstract [Objective]The research aimed to study on the application of lakebased rice floating wetland （LRFW） in the treatment of eutrophic body of water.[Method] Taken rice as floating floor plant，the control test was carried out to investigate the nitrogen removal efficiency and rice yield increasing capacity of LRFW and polystyrene foam floating bed （PFFB）.[Result] The results showed that the rice yields of LRFW and PFFB were 1.14 kg/m2 and 0.60 kg/m2，respectively. There were no significant difference between LRFW and PFFB represented by active tillers，aboveground biomass per individual and ratio of above to belowground biomass. However，ear biomass per individual in LRFW was higher than that in PFFB significantly. After working 72 d，total nitrogen removal efficiency and total nitrogen removal load in LRFW were 40.2% and 53.44 mg/（m2·d），respectively，which were twice as much as that in PFFB. The nitrogen removal proportions by rice plant and bed were 61.29% and 38.71% in LRFW and were 87.31% and 12.69% in PFFB，respectively.[Conclusion] Rice production and nitrogen removal efficiency of LRFW were higher than that of PFFB.

Key words Ecological floating bed； Agriculture in water； Nitrificationdenitrification； Porous material

由于陸地過量氮磷輸入而導(dǎo)致的水體富營(yíng)養(yǎng)化已成為當(dāng)前最主要的水環(huán)境污染問題之一。生態(tài)浮床技術(shù)通過在水面種植水生植物，通過植物吸收和微生物轉(zhuǎn)化移除氮磷污染物，兼具美化水面景觀和凈化水質(zhì)的雙重功能，而且不占陸地，成為主要的水環(huán)境生態(tài)修復(fù)技術(shù)之一，在我國(guó)各大流域水生態(tài)治理中廣泛應(yīng)用。目前，我國(guó)浮床技術(shù)的應(yīng)用向兩個(gè)方向發(fā)展。其一是植物材料選擇范圍擴(kuò)大，不但種植水生植物，還引入陸生經(jīng)濟(jì)植物，如蔬菜、水稻等作物[1-4]，向水上農(nóng)業(yè)方向發(fā)展，可稱為種植型浮床；其二是提高浮床的水質(zhì)凈化效果，如近年一些改進(jìn)型的浮床增加了生物填料[5]、曝氣裝置[6-7]、照明裝置[8]乃至水生動(dòng)物[9] 等部分，提高了水質(zhì)凈化效果，可稱為凈化型浮床。但兩個(gè)方向中浮床的基本結(jié)構(gòu)都是由聚苯乙烯泡沫板、竹竿、木板、塑料種植模塊或種植筐等材料構(gòu)成，其缺陷在于這些材料本身吸附和轉(zhuǎn)化污染物的能力極低，導(dǎo)致在用種植型浮床時(shí)不得不依靠人工施肥，以保證作物產(chǎn)量，而在水質(zhì)凈化效果上，由于系統(tǒng)反硝化過程相對(duì)薄弱，導(dǎo)致對(duì)硝酸鹽氮去除效果差[5] ，而且缺乏基質(zhì)的吸附作用，對(duì)磷的去除能力也差[10]。

針對(duì)現(xiàn)有問題，筆者自主研究了一種水稻漂浮濕地種植床 （簡(jiǎn)稱水稻種植床）。該水稻種植床主要組成部分是輕質(zhì)多孔基質(zhì)，遵循潛流人工濕地相關(guān)原理，通過營(yíng)造好氧-兼氧-厭氧并存環(huán)境，提高系統(tǒng)的反硝化過程，而輕質(zhì)多孔基質(zhì)具有較強(qiáng)的吸附能力，可集聚水中的氨氮和溶解態(tài)磷供給植物，達(dá)到在植物生長(zhǎng)過程中，減少甚至不施肥的目的。該研究開展了控制試驗(yàn)，以水稻為浮床植物，初步探討該水稻種植床的除氮能力和水稻增產(chǎn)能力，并與聚苯乙烯泡沫浮床（簡(jiǎn)稱泡沫浮床）進(jìn)行了對(duì)比，以期為后續(xù)深入開展氮磷污染物去除機(jī)理和調(diào)控技術(shù)及水上水稻生產(chǎn)管理技術(shù)研究積累前期經(jīng)驗(yàn)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)與試驗(yàn)材料 于2013年在上海市崇明水生水環(huán)境研究所實(shí)驗(yàn)基地進(jìn)行。研究所位于上海市崇明縣向化鎮(zhèn)向化村陳海公路與向化公路交叉口。供試水稻品種為雜交晚粳“寒優(yōu)湘晴”。

1.2 試驗(yàn)用水配制

供試水取自研究所內(nèi)天然河道。2013年7月測(cè)量水質(zhì)狀況為：氨氮濃度0.595 mg/L，硝酸鹽氮濃度0.361 mg/L，總氮濃度0.700 mg/L，CODCr濃度9.240 mg/L，總磷濃度0.06 mg/L。試驗(yàn)時(shí)，加入硫酸銨調(diào)節(jié)總氮濃度，加入葡萄糖調(diào)節(jié)COD濃度，加入磷酸氫二鉀調(diào)節(jié)總磷濃度，配制后的試驗(yàn)用水水質(zhì)數(shù)據(jù)為：總氮濃度4.307 mg/L，CODCr濃度61.74 mg/L，總磷濃度0.775 mg/L。

1.3 試驗(yàn)方案

水稻種植床框架由木板制成，外部規(guī)格為60 cm（長(zhǎng)）×60 cm（寬）×35 cm（高）。木板框頂部為草質(zhì)纖維板，按間距6 cm 開直徑12 cm孔，總計(jì)9個(gè)，按3×3均勻布設(shè)。每個(gè)孔內(nèi)置一杯狀種植筐，種植筐深10 cm。木板框內(nèi)填充輕質(zhì)多孔基質(zhì)，水稻種植床底部為纖維格柵，起到承托基質(zhì)層的作用。聚苯乙烯泡沫浮床外部規(guī)格為60 cm（長(zhǎng)）×60 cm（寬）×8 cm（高），同樣在泡沫板上面覆蓋草質(zhì)纖維板，按同樣方式開孔和設(shè)置種植筐。

試驗(yàn)?zāi)M裝置為長(zhǎng)、寬、高均為100 cm的水泥池，水深為80 cm，水泥池上部覆蓋塑料遮雨棚，去除降水影響。試驗(yàn)時(shí)將水稻種植床和泡沫浮床放在水泥池中，水稻移栽時(shí)間為7月1日，移栽苗秧齡約40 d，主莖葉片4～7片，株高15～20 cm，分蘗數(shù)1～3株。每個(gè)種植筐內(nèi)移栽2株。9月23日進(jìn)行收割測(cè)產(chǎn)，測(cè)量指標(biāo)包括分蘗數(shù)、單株的葉片、稈（含葉鞘）和穗的生物量、地上地下生物量比。水質(zhì)監(jiān)測(cè)時(shí)間始于7月12日，終于9月23日，總計(jì)72 d。水稻種植床和泡沫浮床各設(shè)置兩次重復(fù)。在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，測(cè)量池內(nèi)實(shí)際水位，作為污染物含量的測(cè)算依據(jù)。試驗(yàn)期間未做補(bǔ)水處理。

1.4 數(shù)據(jù)分析

1.4.1 植物數(shù)據(jù)分析。

水稻分蘗數(shù)統(tǒng)計(jì)了每個(gè)種植筐內(nèi)的水稻分蘗數(shù)和有效分蘗數(shù)。水稻種植床和泡沫浮床的分蘗數(shù)均為18個(gè)種植筐的平均值。單株地上生物量為隨機(jī)選取的15株健康株的測(cè)量結(jié)果均值，按葉、稈、穗分開測(cè)量。地上地下生物量比統(tǒng)計(jì)方法為在水稻種植床和泡沫浮床中各隨機(jī)選取3個(gè)種植筐內(nèi)的水稻，測(cè)量地上和地下生物量風(fēng)干重。在檢驗(yàn)方差齊性后，采用Duncan多重比較檢驗(yàn)水稻種植床和泡沫浮床的水稻各性狀間差異顯著性，顯著水平P=0.05。

1.4.2 水質(zhì)數(shù)據(jù)分析。總氮、氨氮、硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮濃度測(cè)量方法分別采用國(guó)標(biāo)堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法、納氏試劑分光光度法、酚二磺酸分光光度法和N（1萘基）乙二胺光度法測(cè)量。

總氮去除率Np（%） =（初始氮含量-終止氮含量）/初始氮含量×100%

總氮去除負(fù)荷Nl[mg/（m2·d）]=初始總氮含量-終止總氮含量浮床面積×試驗(yàn)天數(shù)

所有數(shù)據(jù)分析在Microsoft Excel 2007（Microsoft Corporation，Seattle，WA，USA）和SPSS 13.0（SPSS，Inc.，Chicago，IL，USA）軟件上進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 水稻生長(zhǎng)指標(biāo)和產(chǎn)量指標(biāo)比較

收割測(cè)產(chǎn)結(jié)果表明，水稻種植床和泡沫浮床的稻米產(chǎn)量分別為1.14 kg/m2和0.60 kg/m2。分別從產(chǎn)量構(gòu)成要素看，水稻種植床的有效分蘗數(shù)和單株地上生物量與泡沫浮床間均無顯著差異（P>0.05）（圖1），但是，單株穗重顯著高于泡沫浮床（P<0.05）。而且地上生物量分配格局也表明水稻種植床的穗生物量分配比例顯著高于泡沫浮床（P<0.05），稈生物量分配比例顯著低于泡沫浮床（P<0.05），而葉片生物量分配比例無顯著差異（P>0.05）（圖2）。盡管地上地下生物量比在兩種浮床間的差異也未達(dá)到統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著水平（P>0.05），但是，水稻種植床較泡沫浮床高58.7%（圖1）。

2.2 水質(zhì)凈化效果比較

經(jīng)過72 d的運(yùn)行，水稻種植床的總氮去除率為40.20%，總氮去除負(fù)荷為53.44 mg/（m2·d），除氮效果約為泡沫浮床的2倍（表1）。與泡沫浮床相比，水稻種植床氨氮和亞硝酸鹽氮累積量略高，但是水稻種植床的硝酸鹽氮含量明顯降低，表明系統(tǒng)反硝化強(qiáng)度高于泡沫浮床（圖3）。另外，水稻和床體的除氮比例分析結(jié)果也可為此提供佐證，在泡沫浮床中高達(dá)87.31%的總氮經(jīng)由植物吸收去除，如果不考慮其他過程（諸如氨揮發(fā)、沉淀和水生動(dòng)物固氮），經(jīng)由床體去除的氮僅占12.69%，而在水稻種植床中，經(jīng)由植物吸收去除的總氮降至61.29%，經(jīng)由床體去除的總氮比例增至38.71%，是泡沫浮床的3倍之多?？梢?，水稻種植床中多孔基質(zhì)層極大地增加了微生物生物量，強(qiáng)化了系統(tǒng)氮素轉(zhuǎn)化過程（圖4）。

3 討論

3.1 水稻種植床和泡沫浮床的水稻增產(chǎn)效能

該研究結(jié)果初步證實(shí)了水稻種植床的稻米產(chǎn)量要高于泡沫浮床，前者稻米產(chǎn)量為0.79 kg/m2（折合7.9 t/hm2），幾乎為后者的2倍。筆者認(rèn)為，原因就在于栽培基質(zhì)的差異。水稻種植床所用的多孔基質(zhì)層具有吸附水中氨氮和可溶性磷的作用，即對(duì)水中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)具有主動(dòng)的積聚作用，從而可為水稻生長(zhǎng)提供更高的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度，研究限于試驗(yàn)條件，并未測(cè)量水稻種植床內(nèi)部和床體外部的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度差異，缺少直接證據(jù)，不過這從水稻的地上地下生物量比值也可得到佐證，與水稻種植床相比，泡沫浮床的水稻根系更為發(fā)達(dá)，意味著水稻在生長(zhǎng)過程中受到了營(yíng)養(yǎng)脅迫，不得不將更多的能量用于根系生長(zhǎng)來“搜尋”更多的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，導(dǎo)致根系生物量增加，而在水稻種植床中，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)相對(duì)豐富，植株可將更多的能量用于地上部種子生產(chǎn)，地上生物量分配格局也表明水稻種植床的穗生物量分配更高。因此，一系列的證據(jù)表明水稻種植床較泡沫浮床更適合用于水稻生產(chǎn)。

從與其他研究結(jié)果對(duì)比看，該研究的水稻種植床稻米產(chǎn)量高于宋祥甫等在水泥池內(nèi)采用浮床種稻的稻米產(chǎn)量，他們的最高產(chǎn)量為0.49 kg/m2（折合4.9 t/hm2）[4]，但低于中國(guó)水稻研究所于1991～1993年在浙江省境內(nèi)自然水域進(jìn)行的單季晚稻產(chǎn)量的10.07 t/hm2[3]，與陸地栽培的“寒優(yōu)湘晴”相比，在上海市崇明縣，“寒優(yōu)湘晴”畝產(chǎn)量在500～600 kg之間（折合7.5～9 t/hm2）[11]，該研究中的水稻種植床稻米產(chǎn)量為此區(qū)間較低值，產(chǎn)量并不算高。其中可能有以下原因：與宋祥甫等試驗(yàn)結(jié)果的差異與水稻品種有關(guān)，他們所使用的水稻品種為雜交稻“協(xié)優(yōu)46”，與自然水域進(jìn)行的水上種稻和陸地栽培的“寒優(yōu)湘晴”相比，其中固然有品種差異，但更為重要的是該試驗(yàn)為人為控制試驗(yàn)，水稻生長(zhǎng)后期水中養(yǎng)分不足，導(dǎo)致產(chǎn)量相對(duì)偏低。不過僅就研究結(jié)果看，水稻種植床

在水上種稻方面較泡沫浮床體現(xiàn)出了更大的優(yōu)勢(shì)，這為后續(xù)在自然水域進(jìn)行水上種稻積累了寶貴的前期經(jīng)驗(yàn)。另外，需要指出的是，試驗(yàn)得出的水稻產(chǎn)量?jī)H為計(jì)算結(jié)果，而非實(shí)割測(cè)產(chǎn)結(jié)果，還需要在自然水域進(jìn)行大規(guī)模種植以獲得更可靠的結(jié)論。

3.2 水稻種植床和泡沫浮床的水質(zhì)凈化效果

從水質(zhì)凈化效果看，改進(jìn)后的具有多孔基質(zhì)層的水稻種植床能夠提高系統(tǒng)的反硝化過程，減少水中硝酸鹽氮的累積。在以往的生態(tài)浮床研究中，人們傾向于提高浮床的好氧條件[6-7]，但是這樣做的后果之一就是導(dǎo)致硝酸鹽氮的大量累積[5]，而該研究由于強(qiáng)化了浮床的厭氧條件，同時(shí)又保證了系統(tǒng)的好氧條件，因此，水體指標(biāo)組成合理，氨氮和硝酸鹽氮含量控制在合理的比例內(nèi)。以往關(guān)于植物在生態(tài)浮床中的除氮能力一直頗有爭(zhēng)議，大多認(rèn)為植物是浮床系統(tǒng)除氮的主要貢獻(xiàn)者，植物組織累積的氮量占去除總量的40.32%～63.87%[5]，換言之，植物的吸收同化作用是水中氮素去除的主要途徑，但是也有研究表明植物移除的比例甚至不到10%。鄭劍鋒等構(gòu)造了具10 cm厚陶粒層的植物浮床，經(jīng)過52 d的運(yùn)行，總氮去除率約為35%，其中經(jīng)由陶粒去除的總氮比例為10.1%，而經(jīng)由植物去除的比例僅5%～7%[5]。該研究結(jié)果表明，水稻種植床和泡沫浮床的除氮均依賴于植物吸收，分別為61.29%和87.31%，但是在水稻種植床中經(jīng)由植物移除的比例明顯降低，而床體附著微生物的除氮能力明顯強(qiáng)化，支持了第一種觀點(diǎn)。但是與潛流人工濕地相比，經(jīng)由水稻種植床床體基質(zhì)層去除的氮量仍然偏低，僅為潛流人工濕地的50%左右[12]，而且如果去除氣態(tài)揮發(fā)、沉淀和水生動(dòng)物固氮部分，由床體去除的氮的比例可能還要低。

42卷20期 岳冬梅等 水稻漂浮濕地生產(chǎn)特性及其除氮效能研究

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