海藻修復(fù)富營(yíng)養(yǎng)化海域與內(nèi)陸缺碘環(huán)境的潛力

李 睿,劉嘉偉,洪春來,周 駿,胡春琴,宋明義,戴之希,翁煥新*(.浙江大學(xué)環(huán)境與生物地球化學(xué)研究所,浙江 杭州 007；.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院,浙江 杭州 00；.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局中國(guó)農(nóng)業(yè)地質(zhì)應(yīng)用研究中心,浙江 杭州 0007)

海藻修復(fù)富營(yíng)養(yǎng)化海域與內(nèi)陸缺碘環(huán)境的潛力

李 睿1,劉嘉偉1,洪春來2,周 駿1,胡春琴1,宋明義3,戴之希1,翁煥新1*(1.浙江大學(xué)環(huán)境與生物地球化學(xué)研究所,浙江 杭州 310027；2.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院,浙江 杭州 310021；3.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局中國(guó)農(nóng)業(yè)地質(zhì)應(yīng)用研究中心,浙江 杭州 310007)

系統(tǒng)測(cè)定了采自中國(guó)渤海、黃海、東海、南海海域的大型海藻——海帶的主要營(yíng)養(yǎng)元素和微量營(yíng)養(yǎng)元素含量水平,分析了海帶營(yíng)養(yǎng)元素的區(qū)域性差異及其對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化海域水體中氮磷的去除能力.結(jié)果顯示，海帶中的氮、磷和碘的含量分別是海水中相應(yīng)元素含量的9.80×104倍、2.00×105倍和5.80×104倍.同時(shí),利用海帶制成海藻有機(jī)碘肥,培育富碘蔬菜,其碘含量可比普通蔬菜高10余倍.揭示了外源碘對(duì)提高土壤碘背景含量的生物地球化學(xué)過程.從而建立了海帶修復(fù)生態(tài)環(huán)境的潛在模式,將修復(fù)沿海水域富營(yíng)養(yǎng)化和改善缺碘生態(tài)環(huán)境的技術(shù)串聯(lián)起來,為建立包括規(guī)?；юB(yǎng)殖、海帶發(fā)酵提取生物質(zhì)能源、海藻有機(jī)碘肥生產(chǎn)、含碘植物性食品培育在內(nèi)的生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈,提供了技術(shù)路線.

碘缺乏?。缓Ｋ粻I(yíng)養(yǎng)化；海帶；海藻碘肥；生態(tài)修復(fù)；生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈

根據(jù)國(guó)家海洋局歷年海洋環(huán)境狀況公報(bào)[1],我國(guó)渤海、黃海、東海、南海近岸海域的無機(jī)氮和活性磷酸鹽常年超標(biāo).如何有效地遏制中國(guó)沿海海域水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化的趨勢(shì),使近岸海域的生態(tài)環(huán)境得到修復(fù),成為人們關(guān)注的環(huán)境熱點(diǎn)[2-4].另一方面,在我國(guó)廣闊的內(nèi)陸地區(qū),由于土壤中碘的背景含量很低,導(dǎo)致糧食和蔬菜等植物性食品碘含量也普遍很低,從而使大量人群受到“碘缺乏病(IDD)”的威脅[5-6].如何改善缺碘地域的生態(tài)環(huán)境,使人體能通過平常膳食自然補(bǔ)碘,從而克服食鹽加碘的缺陷[7-9],也是一個(gè)全球共同努力的目標(biāo).

大型海藻——海帶(Saccharina japonica)在其生長(zhǎng)過程中,除了可以從海水中大量地吸收氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)元素,還可以通過生物富集作用,將海水中的碘濃縮數(shù)萬倍至數(shù)百萬倍,從而使海帶中的碘含量高達(dá) 0.3%～0.5%[10].海帶不僅高產(chǎn),而且適合在我國(guó)整個(gè)沿海海域養(yǎng)殖,多年來,人們都將海帶作為一種具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的海產(chǎn)品進(jìn)行養(yǎng)殖[11-12].為了拓展海帶在醫(yī)療、工業(yè)、環(huán)保等領(lǐng)域的應(yīng)用,眾多海洋學(xué)家對(duì)海藻蛋白質(zhì)、基因也做了深入的研究[13-14].然而,對(duì)于海帶在修復(fù)海洋環(huán)境和改善缺碘環(huán)境的雙重作用方面所具有的巨大潛在價(jià)值,卻長(zhǎng)期被忽略.

為了深入了解中國(guó)沿海海域規(guī)?；B(yǎng)殖海帶的環(huán)境效應(yīng),本研究選取了產(chǎn)自渤海、黃海、東海、南海大型海帶養(yǎng)殖基地自然生長(zhǎng)的成品海帶,通過測(cè)定海帶樣品中的N、P、K、Ca、Mg等主要營(yíng)養(yǎng)元素及I、Fe、Zn、Cu、Mn等微量營(yíng)養(yǎng)元素的含量,在研究海帶中營(yíng)養(yǎng)元素含量區(qū)域分布差異性特征及其與海水環(huán)境關(guān)系的基礎(chǔ)上,分析了海帶修復(fù)沿海海域水體富營(yíng)養(yǎng)化的能力.與此同時(shí),為了深入了解不同地區(qū)土壤碘的背景差異,對(duì)地處浙江沿海地區(qū)的寧波姚江河谷平原和內(nèi)陸地區(qū)的麗水碧湖盆地土壤中碘的背景含量,以及生長(zhǎng)在兩地的一些蔬菜中碘的含量水平,開展了對(duì)比性調(diào)查,并采用含碘量較高產(chǎn)自渤海的海帶為原料,制成海藻有機(jī)碘肥,在缺碘的內(nèi)陸區(qū),通過大田試驗(yàn),除了直接培育高含碘量較高的蔬菜外,還論證了海藻碘對(duì)于培育富碘蔬菜和改善土壤缺碘環(huán)境的生物有效性.最后,結(jié)合海帶提取生物質(zhì)能源的最新研究成果,提出海藻修復(fù)近岸海域水體富營(yíng)養(yǎng)化和改善內(nèi)陸缺碘生態(tài)環(huán)境雙重作用的潛在模式,為建立以規(guī)?；юB(yǎng)殖為基礎(chǔ)的產(chǎn)業(yè)鏈,提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐.

1 材料與方法

1.1 樣品采集

海帶樣品采集.本研究選取的海帶樣品,在生物分類上,屬于褐藻門,海帶目,海帶科,海帶屬.4組海帶樣品分別產(chǎn)自遼寧大連、山東日照、福建連江和廣西北海的海帶規(guī)?；B(yǎng)殖區(qū),其海域分別地處中國(guó)渤海、黃海、東海、南海.海帶采用人工低溫育苗,筏式養(yǎng)殖技術(shù),養(yǎng)殖區(qū)離周圍污染源較遠(yuǎn),外源污染對(duì)海帶生長(zhǎng)的影響較小,海域氮、磷含量狀況大多符合水產(chǎn)養(yǎng)殖的水質(zhì)要求(表 1).每組樣品由隨機(jī)采集的3株成熟海帶樣品組成,海帶植株生長(zhǎng)狀態(tài)良好,長(zhǎng)約1～2m,寬約30～40cm.

表1 樣品海帶養(yǎng)殖區(qū)海域的無機(jī)氮及活性磷酸鹽含量Table 1 The dissolved inorganic nitrogen(DIN)and active phosphate (PO-P) concentration in the cultured sea areas of the sample kelps

表1 樣品海帶養(yǎng)殖區(qū)海域的無機(jī)氮及活性磷酸鹽含量Table 1 The dissolved inorganic nitrogen(DIN)and active phosphate (PO-P) concentration in the cultured sea areas of the sample kelps

海域 DIN (mg/L) PO43--P (mg/L) N:P 數(shù)據(jù)來源渤海(大連金州灣) 0.168 0.012 14.00 王富貴等[15]黃海(日照近海) 0.140 0.006 23.33 孟娜等[16]東海(連江近海) 0.456 0.032 14.25 鄭小宏[17]南海(北海近海) 0.021 0.004 5.53 楊艷等[18]

土壤及蔬果樣品采集.分別選擇地處浙江東部沿海地區(qū)的寧波姚江河谷平原和浙江西南部?jī)?nèi)陸地區(qū)的麗水碧湖盆地為研究區(qū),進(jìn)行土壤碘背景含量及植物性食品碘含量的對(duì)比性調(diào)查.在寧波姚江河谷平原的12個(gè)村和麗水碧湖盆地的10村采集了土壤表層樣,并在余姚采集了3個(gè)土壤剖面樣,麗水采集了 1個(gè)剖面樣,剖面深度230cm,每10cm采集1個(gè)土樣.同時(shí),在兩地分別隨機(jī)采集了青菜、菠菜、包心菜、大白菜、蒿菜、菜苔、紫菜苔、雪菜、芥菜、青蒜、萵苣、蘿卜、草莓、番茄等14種常見蔬菜/水果的樣品各3份,每份鮮重至少 1kg,樣品用去離子水沖洗干凈后,用吸水紙吸干表面的水分,稱鮮重后,在 50℃恒溫條件下烘干,粉碎過30目篩備測(cè).

1.2 海藻有機(jī)碘肥制備與蔬菜碘強(qiáng)化

海藻有機(jī)碘肥制備.選用渤海海帶加工下腳料,經(jīng)粉碎后,與硅藻土按質(zhì)量比1:1混合,制成海藻有機(jī)碘肥[19].經(jīng)放大反應(yīng)光度法標(biāo)定[20],該海藻有機(jī)碘肥的碘含量為500mg/kg.

蔬菜碘強(qiáng)化培育.在麗水碧湖盆地沙岸村,選擇常態(tài)耕地為試驗(yàn)田,進(jìn)行施用海藻有機(jī)碘肥培育富碘蔬菜的大田試驗(yàn),試驗(yàn)田的種植土壤為青紫泥,土壤的基本理化性質(zhì)見表2.大田實(shí)驗(yàn)覆蓋了當(dāng)?shù)爻Ｒ姷氖卟祟愋?其中根類蔬菜包括:紅蘿卜、紫蘿卜、白蘿卜、生姜;葉類蔬菜包括:包心菜、菠菜、大白菜、蒿菜、芥菜、青菜、生菜、雪菜、苦菜;果類蔬菜包括:草莓、番茄、黃瓜、辣椒、茄子、長(zhǎng)豇豆;莖類蔬菜包括:芹菜、青蒜、萵苣、紫云英、紫菜苔.海藻有機(jī)碘肥施用量為 1.5kg/hm2,通過基肥的形式一次性施入土壤表層(深度約20cm),其他田間管理依照常規(guī)耕作方式進(jìn)行.

當(dāng)各類蔬菜可食部位達(dá)到上市標(biāo)準(zhǔn)時(shí)即開始取樣,取樣時(shí)將蔬菜連根拔起,取可食部位樣品用去離子水沖洗干凈后,用吸水紙吸干表面的水分,稱鮮重后,在50℃恒溫條件下烘干,粉碎過30目篩,測(cè)定蔬菜的碘含量.

為了深入了解施用外源碘對(duì)土壤碘含量的影響,于頭茬受試農(nóng)作物收獲后,分別在實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)和試驗(yàn)區(qū)外20～60m處各挖3個(gè)土壤剖面,剖面深度約1m.刨去表層20cm土壤,以下每隔10cm取1個(gè)樣,風(fēng)干磨碎過篩備測(cè).

表2 供試土壤的基本理化參數(shù)Table 2 Physical and chemical parameters of the soil under test

1.3 樣品分析

海帶樣品用細(xì)毛刷輕輕刷洗,去除表面泥沙、雜藻及其他附著物.在 50℃烘箱中烘 24h,水分充分蒸干后,取出磨細(xì)過 0.25～0.50mm篩,保證整株海帶各部分被均勻粉碎,放入樣品袋中保存?zhèn)溆?

海帶中氮(N)的測(cè)定,采用凱氏定氮法;磷(P)的測(cè)定,采用鉬銻抗比色法;鉀(K)的測(cè)定,采用火焰光度計(jì)法;碘(I)的測(cè)定,采用放大反應(yīng)光度法[20].其它營(yíng)養(yǎng)元素Ca、Mg、Fe、Zn、Cu、Mn的測(cè)定,采用濃H2SO4-HNO3消煮,電感耦合等離子體質(zhì)譜測(cè)定法.

土壤和蔬菜樣品碘的測(cè)定均采用放大反應(yīng)光度法(又稱溴水氧化法)[20-21].

每組樣品設(shè)置3組平行樣.所有空白和重復(fù)樣品測(cè)定的分析誤差＜5%.

2 結(jié)果與討論

2.1 海帶的固氮和固磷作用

從表3中可看到,海帶中主要營(yíng)養(yǎng)元素N的含量范圍為1.61%～2.27%,平均含量1.92%;P的含量范圍為0.16%～0.36%,平均含量0.26%;K的含量范圍為0.86%～2.34%,平均含量1.29%;Ca的含量范圍為 0.63%～0.92%,平均含量 0.79%;Mg的含量范圍為0.49%～0.68%,平均含量0.60%.海帶中微量營(yíng)養(yǎng)元素 Fe的含量范圍為 57.30～361.60μg/g,平均含量157.10μg/g;Zn的含量范圍為13.60～26.70μg/g,平均含量20.50μg/g;Cu的含量范圍為 0.78～1.79μg/g,平均含量為 1.49μg/g; Mn的含量范圍為 2.50～17.20μg/g,平均含量7.40μg/g;I的含量范圍為 2896.00～3406.00μg/g,平均含量3203.00μg/g,為海水中碘濃度(約50.00 μg/L～60.00μg/L)的5.80～6.80×104倍[10],表明海帶對(duì)海水中的碘具有十分強(qiáng)大的生物富集作用.

表3 中國(guó)各海域所產(chǎn)海帶的營(yíng)養(yǎng)元素含量Table 3 Nutrient content of kelps growing in various sea areas of China

不同海域出產(chǎn)的海帶,同種營(yíng)養(yǎng)元素的含量水平存在明顯差異(圖1),生長(zhǎng)在東海和渤海的海帶樣品中主要營(yíng)養(yǎng)元素N和P的含量明顯高于生長(zhǎng)在其它海域的海帶,其中東海海帶中N的含量分別是南海和黃海海帶的1.41倍和1.23倍;P的含量分別是南海和黃海海帶的2.24倍和1.64倍.海帶中N、P含量區(qū)域性差異與所生長(zhǎng)海域中N、P的濃度密切相關(guān)(圖 1,表 1),海水中 N、P的濃度越高,海帶的N、P含量也越高 (相關(guān)系數(shù)分別為 r=0.9343和 r=0.7522),平均而言,海帶中N、P含量分別為海水中N、P濃度的9.8×104,2.0× 105倍,這意味著海帶具有彈性較強(qiáng)的凈化水體和修復(fù)沿海海域水體富營(yíng)養(yǎng)化的能力.

圖1 海帶中N、P含量的區(qū)域分布差異Fig.1 N and P contents of the kelps produced in different sea areas

東海海域水體中N、P的平均濃度是南海和黃海海域水體的2倍多,但是,東海海帶中N含量比南海和黃海海域海帶中N含量,P含量比黃海海域海帶中P含量小于2倍.另外,生長(zhǎng)在不同海域海帶中的N/P比值在6.09～10.04之間,而相應(yīng)海域水體中的N/P比值在5.53～23.33之間,變幅明顯高于前者,這說明海帶對(duì)N、P的吸收除了受海水中N、P濃度的影響,還受到其它因素影響.先前的研究表明[22],不同的 N/P、溫度、光照、鹽度等因素均對(duì)海帶吸收N、P產(chǎn)生不同程度的影響.東海連江海域和渤海大連海域的N/P比值接近Redfield比值(16:1),其它兩處海域的N/P比值則明顯偏離Redfield比值,N、P限制也可能是導(dǎo)致海帶中N、P含量區(qū)域性差異的原因之一.

據(jù)統(tǒng)計(jì)[23],中國(guó)大型海藻的養(yǎng)殖面積達(dá)1.107×105萬hm2,海藻產(chǎn)品的總產(chǎn)量為(1.0～1.6)× 106t/a,按照光合作用換算的固碳量為(4.8～5.4)× 105t/a、固氮量為(0.96～1.08)×105t/a、固磷量為(4.8～5.4)×103t/a.在我國(guó)的海藻產(chǎn)品中,海帶的產(chǎn)量約為 9.0×105t/a[24].按干海帶含水量 70%,以本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)推算,目前我國(guó)通過海帶養(yǎng)殖,可以去除海水中的N和P分別為5.2×103和7.29×102t/a,分別約占中國(guó)大型海藻年固氮量和年固磷量的5%和8%;分別相當(dāng)于2015年閩江入海無機(jī)氮和總磷的6%和7%[1],由此可見,海帶養(yǎng)殖已經(jīng)在降低海水富營(yíng)養(yǎng)化過程中起著重要的作用.

2.2 海藻碘對(duì)內(nèi)陸缺碘環(huán)境的改善作用

圖2 寧波姚江河谷平原(圖上部)和麗水碧湖盆地(圖下部)表層土壤碘的背景含量Fig.2 The background concentration of iodine in the soil of the Ningbo Yaojiang Valley Plain (above) and the Lishui Bihu Basin (below)

對(duì)土壤碘背景值的調(diào)查結(jié)果表明,寧波姚江平原各采樣點(diǎn)表層土壤中碘的含量范圍 26.53～12.87mg/kg,平均含量為19.35mg/kg,遠(yuǎn)高于浙江省表層土壤中碘的平均含量(1.95mg/kg),屬于典型的高碘地區(qū);而麗水碧湖盆地各采樣點(diǎn)表層土壤中碘的含量范圍 2.33～1.27mg/kg,平均值為 1.65mg/kg,低于浙江省表層土壤中碘的平均含量,屬于典型的缺碘地區(qū).濱海河谷平原與內(nèi)陸盆地表層土壤中碘的背景含量差異很大,兩地土壤碘的平均含量之差達(dá)到17.70mg/kg,其中寧波姚江河谷平原的車廄村土壤碘含量比麗水碧湖盆地大陳村高出25.26mg/kg(圖 2).如此大的差異,與兩地土壤中碘的來源不同直接相關(guān).寧波姚江河谷平原土壤剖面I、F、Cl的相對(duì)百分含量集中在三角相圖中很小的區(qū)間內(nèi),反映出其土壤中較高的碘背景含量一定程度上與該地區(qū)第四紀(jì)以來的海侵相關(guān)聯(lián)[25],而麗水碧湖盆地土壤剖面I、F、Cl的相對(duì)百分含量卻分散在三角相圖中,反映出其土壤碘的背景含量與當(dāng)?shù)貛r石風(fēng)化物相關(guān)聯(lián),各類巖石中碘含量偏低必然導(dǎo)致土壤較低的碘背景含量(圖 3).產(chǎn)自寧波姚江河谷平原的蔬菜碘含量高出麗水碧湖平原的同類蔬菜約19倍(圖4),土壤碘的背景含量決定了植物性食品中的碘含量.

圖3 土壤中碘(I)氟(F)氯(Cl)三角相圖Fig.3 The triangle phase diagram of the relative percentage of I, F, and Cl contents of the soil in Ningbo Yaojiang Valley Plain and Lishui Bihu Basin

圖4 產(chǎn)自寧波姚江河谷平原和麗水碧湖盆地的蔬菜/水果食用部位的碘含量Fig.4 Iodine content in the edible parts of vegetables and fruits produced in the Ningbo Yaojiang Valley Plain and the Lishui Bihu Basin

選擇缺碘地區(qū)麗水碧湖盆地沙岸村的菜園地,進(jìn)行了培育蔬菜碘強(qiáng)化的大田試驗(yàn).結(jié)果表明,未施用海藻有機(jī)碘肥的蔬菜(CK),其食用部位的碘含量處于較低水平,除了個(gè)別蔬菜,如菠菜、苦菜、芹菜分別達(dá)到 0.87、0.52、1.14mg/kg外,各類蔬菜食用部位中碘的平均含量均低于 0.40mg/ kg.但是,當(dāng)農(nóng)田施用海藻有機(jī)碘肥(碘劑量為1.50kg/hm2)后,各類蔬菜食用部位碘的含量水平均有明顯的提高,具體表現(xiàn)為葉類蔬菜由原來的0.15～0.87mg/kg提升至14.57～22.71mg/kg,平均含量達(dá)到 18.13mg/kg;莖類蔬菜由原來的 0.14～1.14mg/kg提升至4.03～13.67mg/kg,平均含量達(dá)到10.96mg/kg;根類蔬菜由原來的0.14～0.38mg/kg提升至1.70～8.71mg/kg,平均含量達(dá)到4.65mg/kg;果類蔬菜由原來的 0.12～0.31mg/kg提升至 1.68～4.67mg/kg,平均含量達(dá)到 3.51mg/kg.通過施入外源碘后,缺碘土壤所產(chǎn)蔬菜食用部位的含碘水平有了大幅度提高,海藻有機(jī)碘肥對(duì)蔬菜含碘量的提升作用非常明顯(圖5).

未添加外源碘肥的農(nóng)田土壤(圖 6,4～6剖面),其碘含量隨深度變化特點(diǎn)表現(xiàn)為:在20～50cm無明顯變化,當(dāng)深度＞50cm時(shí),土壤碘含量隨深度增加而逐漸減少.施加海藻有機(jī)碘肥后,土壤碘含量明顯增加,且在 20～50cm的深度范圍,土壤(圖 6,1～3剖面)碘含量隨深度增加而增加;當(dāng)深度＞50cm后,碘濃度隨深度驟然下降,直至80～90cm的深度與本地土壤相接近.這反映了土壤外源碘存在垂直向的生物地球化學(xué)遷移過程,海藻有機(jī)碘肥施入土壤的深度一般在表層20cm處,而土壤剖面中所顯示的土壤外源碘最高濃度出現(xiàn)在30～50cm處,這個(gè)深度正是植物根系最發(fā)達(dá)的位置,因此,土壤外源碘垂直向下遷移的動(dòng)力除了來自淋濾作用外,還與蔬菜植物根系對(duì)碘的生物吸收作用相關(guān).另外,經(jīng)測(cè)定,實(shí)驗(yàn)區(qū)表層土壤的碘溶出率都小于 6.5%,表明海藻有機(jī)碘為一種長(zhǎng)效緩釋肥.

上述研究結(jié)果表明,內(nèi)陸缺碘土壤通過施用海藻有機(jī)碘肥,可以提高土壤碘的背景含量,這不僅能夠直接培育出含碘水平高的農(nóng)作物,從而使人們可以通過日常膳食得到自然補(bǔ)碘,而且能夠使缺碘的生態(tài)環(huán)境得到改善,最終使土壤、水體、作物和整個(gè)食物鏈中碘的含量水平得到提高,從而為逐步消除“碘缺乏病”創(chuàng)造有利的自然條件.

圖5 施用海藻有機(jī)碘肥培育的蔬菜食用部位碘含量水平Fig. 5 The iodine contents in the edible parts of vegetables fertilized by seaweed organic iodine

圖6 土壤碘的含量隨深度的變化Fig.6 The iodine contents of the soil at various depth

2.3 海帶修復(fù)生態(tài)環(huán)境的潛在模式

海帶作為一種具有高經(jīng)濟(jì)價(jià)值的海產(chǎn)品,在我國(guó)的養(yǎng)殖已有百年歷史,從最初的僅限于遼東、山東半島附近海域,發(fā)展至今,人工養(yǎng)殖已經(jīng)推廣到浙江、福建、廣東等地沿海海域,基本覆蓋了整個(gè)中國(guó)的沿海海域.隨著對(duì)海帶開發(fā)利用研究的不斷深入,海帶除了本身作為有營(yíng)養(yǎng)的海產(chǎn)品和作為某些食品工業(yè)的原料外,最新的研究表明,海帶是提取生物能源,如乙醇或沼氣理想的原料,Wargacki等通過設(shè)計(jì)的微生物平臺(tái)[26],順利地從1t干海帶中提取0.281t乙醇,等價(jià)于海帶中糖類得到乙醇的最大理論產(chǎn)值約為 80%,從而為海帶提取生物能源的工業(yè)化奠定了基礎(chǔ).從圖 8可以看到,隨著海帶中甘露醇和褐藻酸的不斷減少,乙醇的產(chǎn)率逐漸增加,當(dāng)海帶中的糖類轉(zhuǎn)化為乙醇后留下的殘?jiān)?使海帶中富含的營(yíng)養(yǎng)元素得到濃縮,特別是碘的含量進(jìn)一步提高,將提取乙醇后的殘?jiān)c硅藻土按一定的比例制成海藻有機(jī)肥碘肥,不僅生產(chǎn)成本降低,而且質(zhì)量高,更重要的是,海帶提取乙醇過程產(chǎn)生的大量殘余物能被資源化利用,為海帶原料提取生物質(zhì)能源的工業(yè)化,提供了清潔化生產(chǎn)的保障.

圖7 乙醇產(chǎn)出及糖類的消耗,根據(jù)Wargacki等(2012)[26]修改Fig.7 Ethanol production and the transformation of sugars, revised according to Wargacki et al.(2012)[26]

我國(guó)廣大的內(nèi)陸地區(qū)普遍缺碘,若通過長(zhǎng)期施用海藻有機(jī)碘肥,在培養(yǎng)富碘蔬菜、糧食和水果的同時(shí),還可以使土壤碘的背景含量逐漸提高,從而使缺碘地區(qū)的生態(tài)環(huán)境得到改善.由于在自然狀態(tài)下,人體和動(dòng)物所需要的碘 80%以上來自植物性食品[27-28],且人體對(duì)食物中碘的生物利用率最高可達(dá)99%,因此,這一方面在日常生活中通過食用含碘的植物性食品,人體可以得到自然有效的補(bǔ)碘;另一方面,土壤碘背景含量的提高,經(jīng)過生物地球化學(xué)和環(huán)境地球化學(xué)作用過程,可以使整個(gè)食物鏈中的碘含量水平逐步得到提高,為最終徹底消除“碘缺乏病(IDD)”創(chuàng)造必要條件.

圖8 海帶產(chǎn)業(yè)鏈修復(fù)生態(tài)環(huán)境的潛在模式Fig.8 The potential model to use kelp industry chain for the remediation of ecological environment

綜上所述,根據(jù)中國(guó)所具有的廣闊沿海海域,構(gòu)建海帶修復(fù)生態(tài)環(huán)境的潛在模式(圖8).該潛在模式不僅為修復(fù)沿海海域水體富營(yíng)養(yǎng)化和改善缺碘生態(tài)環(huán)境提供了技術(shù)框架,而且也為建立包括規(guī)?；юB(yǎng)殖、海帶發(fā)酵提取生物質(zhì)能源、海藻有機(jī)碘肥生產(chǎn)、含碘植物性食品培育等在內(nèi)的一條完整的產(chǎn)業(yè)鏈,提供了技術(shù)路線.

表 3給出了海藻修復(fù)生態(tài)環(huán)境潛在模式的數(shù)值分析.我國(guó)72條主要河流輸入沿海海域的污染物中,總氮和總磷分別約為 2.70×106和 3.59× 105t/a,如果將我國(guó)沿海海域的海帶養(yǎng)殖量,從目前養(yǎng)殖量(約為 9.00×105t/a)的基礎(chǔ)上擴(kuò)大 10倍[20],即達(dá)到9.00×106t/a,海帶對(duì)N和P的吸收量將分別達(dá)到5.20×104和7.29×103t/a,對(duì)凈化沿海海域水體的富營(yíng)養(yǎng)化將起到重要作用.如果用海帶養(yǎng)殖量 9.0×106t/a的 90%提取生物質(zhì)能源(其它10%依然作為海產(chǎn)品或工業(yè)原料),可以生產(chǎn)清潔生物能源—乙醇 2.3×106t/a;同時(shí),海帶養(yǎng)殖對(duì)CO2的吸收量將達(dá)到4.0×106t/a,對(duì)CO2減排起重要作用.海藻提取乙醇后產(chǎn)生的殘?jiān)?與硅藻土混合可以制成 8.0×106t/a海藻有機(jī)碘肥,在我國(guó)內(nèi)陸地區(qū)施用海藻有機(jī)碘肥,不僅能夠直接培育2.5×107t含有機(jī)碘的植物性食品,還可以改善缺碘土壤1.8×105km2.

表3 海藻修復(fù)生態(tài)環(huán)境潛在模式的數(shù)值分析Table 3 Numerical analysis of the potential model to use kelp for the restoration of ecological environment

3 結(jié)論

3.1 中國(guó)沿海養(yǎng)殖的大型海藻—海帶中主要營(yíng)養(yǎng)元素N、P、K、Ca和Mg的平均含量分別為1.92%、0.27%、1.29%、0.79%和0.60%,微量營(yíng)養(yǎng)元素I、Fe、Zn、Cu和Mn的平均含量分別為3203.00μg/g、157.10μg/g、20.50μg/g、1.49μg/g和 7.40μg/g.雖然由于海帶自身的生理特性、海洋生態(tài)環(huán)境和物理化學(xué)等綜合作用的結(jié)果,海帶的營(yíng)養(yǎng)元素含量水平存在明顯的區(qū)域性差異,但是海帶對(duì)受氮、磷污染海域的凈化作用和對(duì)碘的生物富集作用是非常明顯的.

3.2 利用海帶制成的海藻有機(jī)碘肥作為土壤外源碘,可被蔬菜植物根系吸收,并被輸送至各食用部位.外源碘施用量為1.50kg/hm2時(shí),可使其碘含量提高10～20倍.施用海藻有機(jī)碘肥可以使土壤碘含量明顯提高,且其溶出率＜6.5%.表明海藻有機(jī)碘肥不僅可以直接培育出含碘蔬菜,而且可以有效的改善缺碘土壤的生態(tài)環(huán)境.利用海帶提取生物質(zhì)能源(乙醇、沼氣)殘?jiān)迫∮袡C(jī)碘肥,不僅徹底解決了海藻提取生物質(zhì)能源的殘?jiān)鼏栴}而保障了清潔生產(chǎn),而且可以進(jìn)一步用于提高缺碘土壤的碘和氮、磷、鉀含量.

3.3 基于大型海藻—海帶富集碘和對(duì)氮、磷有較強(qiáng)吸收能力,以及海帶本身又是提取生物質(zhì)能源的理想原料等特點(diǎn)所建立的修復(fù)生態(tài)環(huán)境潛在模式,不僅為修復(fù)沿海海域水體富營(yíng)養(yǎng)化和改善缺碘土壤環(huán)境提供了技術(shù)框架,而且也為建立包括規(guī)?；юB(yǎng)殖、海帶發(fā)酵提取生物能源、海藻有機(jī)碘肥生產(chǎn)、含碘植物性食品培育在內(nèi)的一條完整的產(chǎn)業(yè)鏈,提供了技術(shù)路線.

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The potential model of seaweeds to remediate eutrophic sea waters and improve inland iodine deficiency environments.

LI Rui1, LIU Jia-wei1, HONG Chun-lai2, ZHOU Jun1, HU Chun-qin1, SONG Ming-yi3, DAI Zhi-xi1, WENG Huan-xin1*
(1.Institute of Environmental and Biogeochemistry, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China；2.Zhejiang Academy of Agricultural Sciences, Hangzhou 310021, China；3.Geological Research Center for Agricultural Applications, China Geological Survey, Hangzhou 310007, China). China Environmental Science, 2017,37(1)：284～291

The contents of major elements and micronutrients of the kelps, macroalgaes produced in the Bohai Sea, the Yellow Sea, the East China Sea, and the South China Sea, were respectively determinated. Their differences in nutrient contents between regions were compared,and their ability to eliminate the excessive nitrogen and phosphorus in sea waters were analyzed. The results showed that the concentrations of nitrogen, phosphorus and iodine in the kelp were respectively 9.8 × 104 times, 2.0 ×105 times, and 5.8 × 104 times higher than that in the sea water. Meanwhile, the organic iodine fertilizer made from the kelp was applied to cultivate iodine-rich vegetables, and their iodine content could reach to about 10 times higher than the unfertilized controls. The biogeochemical process of using exogenous iodine to improve the iodine deficiency in the soil was revealed. At last, a kelp-based potential model to repair the ecological environment is established, which can link the remediation of eutrophic sea waters and the improvement of inland environment of iodine deficiency. The solution may provide a technical route to establish an environment-friendly iodine industry chain, including large-scale cultivation of kelps, extraction of biomass energy from kelp fermentation, manufacture of organic iodine fertilizer, cultivation of iodine-rich plant foods, and so on.

iodine deficiency disorders；eutrophic sea water；kelp；seaweed iodine fertilizer；ecological restoration；eco-industrial chain

X55,Q89,S3

A

1000-6923(2017)01-0284-08

李 睿(1965-),男,貴州織金人,副教授,博士,主要從事資源與環(huán)境生態(tài)研究.發(fā)表論文50余篇.

2016-03-03

國(guó)家自然科學(xué)基金(40873058,40373043);浙江省國(guó)土資源廳土地環(huán)境地質(zhì)調(diào)查與應(yīng)用示范項(xiàng)目(2014002)

? 責(zé)任作者, 教授, gswenghx@zju.edu.cn