4種水培植物對富營養(yǎng)化水體中總氮、總磷去除率影響的研究

周勝杰，路斌，賈婷婷，陶宗龍，張鳳東，牛芳娟，劉博帥，陳成勛，通信作者，孫學(xué)亮，王慶奎

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4種水培植物對富營養(yǎng)化水體中總氮、總磷去除率影響的研究

周勝杰1，路斌1，賈婷婷1，陶宗龍2，張鳳東3，牛芳娟1，劉博帥1，陳成勛1，通信作者，孫學(xué)亮1，王慶奎1

（1. 天津農(nóng)學(xué)院水產(chǎn)學(xué)院天津市水產(chǎn)生態(tài)及養(yǎng)殖重點實驗室，天津300384；2. 天津市津南區(qū)畜牧水產(chǎn)發(fā)展服務(wù)中心，天津300384；3. 地天億養(yǎng)殖水產(chǎn)公司，天津300384）

以睡蓮、水芹、美人蕉和空心菜4種水培植物為研究對象，比較它們對兩種富營養(yǎng)化養(yǎng)殖水（TN＝23.5 mg/L，TP＝1 mg/L；TN＝40.5 mg/L，TP＝2 mg/L）的凈化作用。結(jié)果表明：4種水培植物對兩種養(yǎng)殖水都有除磷、除氮的作用（試驗組與空白組有顯著差異），在試驗168 h后，中度富營養(yǎng)化養(yǎng)殖水中除總氮（TN）率為56%～83%，除總磷（TP）率為80%～81%，高度富營養(yǎng)化養(yǎng)殖水中除TN率為60%～83%，除TP率為80%～85%；4種水培植物對水中TN、TP去除作用的晝夜變化分析發(fā)現(xiàn)，去除速率隨晝夜變化呈現(xiàn)明顯晝升夜降現(xiàn)象。本研究發(fā)現(xiàn)，睡蓮和美人蕉高效去除TN、TP區(qū)間較短，但最終濃度相差較小，二者有比水芹和空心菜更高的去除速率；不同根系對高濃度污染水的抗逆性能不同。

富營養(yǎng)化水體；除磷；除氮；去除速率；水培植物

隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)的迅速發(fā)展，集約化養(yǎng)殖、池塘養(yǎng)殖等養(yǎng)殖模式中富營養(yǎng)化污染問題愈發(fā)突出。隨著養(yǎng)殖時間的增長，水體環(huán)境及污泥中養(yǎng)殖動物的排泄物、飼料殘渣、溶解態(tài)代謝物質(zhì)、藥物制劑等積累量不斷升高，這些物質(zhì)在細菌作用下形成大量的營養(yǎng)鹽，導(dǎo)致養(yǎng)殖水富營養(yǎng)化或水質(zhì)惡化，嚴重威脅動物健康[1-2]。

水生植物修復(fù)是一種將生物方法和生態(tài)方法相結(jié)合的通用技術(shù)，具有耗能低、效果好、生態(tài)環(huán)保等特點[3]。水生植物通過升騰作用可以吸收部分水體中的營養(yǎng)鹽，同時水生植物的根部可以為微生物提供降級營養(yǎng)物質(zhì)所需要的生存環(huán)境和條件[4]。劉文生利用美人蕉凈化鱖魚苗種池塘水體，發(fā)現(xiàn)其水體渾濁度遠低于對照池[5]。介子林等分別使用陸生植物及水生植物對鳙魚池塘進行凈化處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)空心菜與大部分陸生植物和水生植物相比，生長更為茂盛，具有較強的適應(yīng)能力，同時凈化效果也最為明顯[6]。宋紅等比較了燈心草、蘆葦和菖蒲3種植物的污染物凈化能力，結(jié)果發(fā)現(xiàn)燈心草、蘆葦、菖蒲對污染物均有較好的去除效果。目前，水生植物對養(yǎng)殖水體凈化功能的研究相對較多，而對中、高程度富營養(yǎng)化養(yǎng)殖水體的研究相對較少[7]。本研究根據(jù)前人的研究基礎(chǔ)，采用睡蓮、空心菜、美人蕉、水芹菜4種凈化功能較好的植物對較高濃度N、P的池塘水體進行凈化處理，了解其在中、重度污染環(huán)境中的凈化效果。同時將4種植物進行比較，以發(fā)現(xiàn)凈化能力較好的植物并分析原因，為集約化養(yǎng)殖環(huán)境的生態(tài)修復(fù)和治理提供科學(xué)理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗選擇美人蕉、睡蓮、空心菜、水芹菜4種植物。在室外條件下構(gòu)建防雨塑料棚，試驗采用30個200 L塑料水箱進行，塑料水箱規(guī)格為100 cm×50 cm×40 cm。

1.2 試驗設(shè)計

本試驗每種植物及每個濃度分別設(shè)3組重復(fù)，每種濃度設(shè)3組空白。富營養(yǎng)化水體采集于天津農(nóng)學(xué)院精養(yǎng)養(yǎng)殖錦鯉水泥池塘內(nèi)，中濃度營養(yǎng)鹽濃度分別為TN：23.5 mg/L、TP：1 mg/L、NH4+－N：15 mg/L、TOC：74 mg/L。高濃度富營養(yǎng)化為TN：40.5 mg/L、TP：2 mg/L、NH4+－N：23.5 mg/L、TOC：76 mg/L。每個水箱分別注入100 L富營養(yǎng)化水，將4種植物分別稱重500 g植入塑料泡沫中，放入水面懸浮，泡沫面積低于水與外界接觸面積1/3。

試驗采集于2014年8月22-29日進行，試驗前后分別測定植物干重及濕重（試驗前干重測定使用相同質(zhì)量規(guī)格的植物進行測定）。每天早8：00及晚8：00取樣，即12 h/次。每次取樣100 mL用于水樣測定，分別測定TN、TP、TOC、NH4+－N。

1.3 試驗方法

將植株樣品用去離子水洗凈，在105 ℃下殺青固定30 min，再在70 ℃下烘干至恒重，測定其干物質(zhì)質(zhì)量。

水樣采用紫外分光光度法測定，分別測定NH4+－N、TN、TP[1]。TOC采用島津TOC分析儀進行測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

運用excel、spss進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 水培植物在中、高污染水中對TN、TP的去除效果

4種水培植物在中、高濃度污染水中生長旺盛，葉片鮮綠。在試驗開始和試驗結(jié)束時的TN、TP濃度以及去除百分率列于表1和表2。

由表1和表2可知，中濃度污染水中除N率為56%～83%，除P率為80%～81%，高濃度富營養(yǎng)化養(yǎng)殖水中除N率為60%～83%，除P率為80%～85%。該數(shù)據(jù)表明，水培植物在中、高濃度富營養(yǎng)化養(yǎng)殖水中有明顯的除P、除N能力。在中濃度富營養(yǎng)化養(yǎng)殖水中，除N效果為美人蕉＞睡蓮＞水芹＞空心菜＞空白，除P效果相同；在高濃度富營養(yǎng)化養(yǎng)殖水中，除N效果為美人蕉＞睡蓮＞空心菜＞水芹，除P效果為睡蓮＞美人蕉＞空心菜＞水芹＞空白?？傮w來說，美人蕉和睡蓮的除P脫N效果好于水芹和空心菜。除水芹外，其余3種水培植物隨營養(yǎng)物質(zhì)的濃度增加去除率增加。

表1 水培植物在中（TN1）、高（TN2）濃度TN環(huán)境下除N效果

表2 水培植物在中（TP1）、高（TP2）濃度TP環(huán)境下的除P效果

2.2 水培植物在富營養(yǎng)化養(yǎng)殖水中對N、P的去除速度比較

由表3和表4可知，美人蕉和睡蓮達到穩(wěn)定期所需時間較短，而水芹和空心菜所需時間較長， 4株植物在中度污染水中到達穩(wěn)定期所需時間少于在高濃度污染水中到達穩(wěn)定期所需時間。但在高濃度污染水中的氮磷去除速率大與等于低濃度污染水。美人蕉和睡蓮在中、高濃度污染水中的除氮速率（0.27、0.22和0.31、0.25）比水芹和空心菜高出一個數(shù)量級，除磷速率也明顯高于水芹和空心菜。

表3 兩種不同濃度富營養(yǎng)化養(yǎng)殖水中TN到達穩(wěn)定期時間及其在高速去除率時去除速率

表4 兩種不同濃度富營養(yǎng)化養(yǎng)殖水中TP到達穩(wěn)定期時間及其在高速去除率時的去除速率

2.3 中、高濃度污染水中TN、TP和TOC的變化分析

由圖1至圖6可知，隨著試驗時間的延長，TN、TP和TOC都呈明顯下降趨勢，4種水培植物均能有效去除富營養(yǎng)化養(yǎng)殖水中的TN、TP和TOC。

圖1 中濃度污染水中TN變化

圖2 高濃度污染水中TN變化

圖3 中濃度污染水中TP變化

圖4 高濃度污染水中TP變化

圖5 中濃度污染水中TOC變化

圖6 高濃度污染水中TOC 變化

2.4 4種水培植物對中、高濃度污染水中TN和TP去除效果的差異性分析

由表5、表6可知，4種水培植物無論在中濃度或者高濃度污水中，對TN和TP的去除效果均與空白對照呈顯著差異。從另一方面說明4種水培植物對中、高濃度污染水的TN、TP有明顯去除能力。水芹在高濃度污水中對TP的去除效果與其余3中水培植物呈現(xiàn)顯著差異，從側(cè)面說明水芹對TP的去除效果較其余3種差。綜合表5和表6可知，美人蕉和睡蓮的差異性較小。

表5 水培植物在中（TN1）、高（TN2）濃度TN環(huán)境下除氮差異性分析

注：＜0.1差異顯著，＜0.05 差異極顯著

表6 水培植物在中（TP1）、高（TP2）濃度TP環(huán)境下除氮差異性分析

注：＜0.1差異顯著，＜0.05 差異極顯著

3 討論

在自然環(huán)境下，水體中的營養(yǎng)鹽會通過環(huán)境中的藻、細菌等微生物的作用漸漸消除，最終達到一個穩(wěn)定的平衡[8-10]。而水培植物可有效降低水體中的N、P濃度，可在短時間內(nèi)迅速降低N、P至達到穩(wěn)定，并且平衡后的濃度低于自然水體[11-15]。水體中浮游動植物可分解大量的營養(yǎng)鹽及有機質(zhì)，同時可為水培植物生長提供大量的營養(yǎng)成分，從而兩者建立互利共生關(guān)系，形成天然的凈水系統(tǒng)。美人蕉和睡蓮有發(fā)達的塊狀根，與須狀根相比具有更發(fā)達的根系，可為浮游動植物及微生物提供良好的生長環(huán)境及生存場所，促進其生長的同時促進對水體中N、P、C的充分吸收與固定。在自身降磷、除氮的同時，為植物的生長提供了充足的營養(yǎng)成分，從而促進了水培植物對N、P的吸收，提高吸收效率。發(fā)達的根系還可以提高水培植物對水中營養(yǎng)鹽的吸收面積，為植物的光合作用和生長提供充足的營養(yǎng)物質(zhì)，促進水培植物快速生長，促進對營養(yǎng)鹽的吸收，進一步提高對N、P的除磷速率。

在水產(chǎn)養(yǎng)殖水域環(huán)境中，不同水培植物在進入新環(huán)境時的適應(yīng)能力不同。在高濃度水產(chǎn)養(yǎng)殖水域環(huán)境中美人蕉和睡蓮有更好的抗逆性和適應(yīng)能力。在本試驗中，4種水培植物均呈現(xiàn)出不同程度的波動，美人蕉和睡蓮最先進入穩(wěn)定期，這可能是由于根系不同。一方面，具有塊狀根和地下莖的美人蕉和睡蓮與須根植物不同，在惡劣的環(huán)境下有更強的適應(yīng)能力，另一方面，由于富營養(yǎng)化養(yǎng)殖水環(huán)境中無機鹽濃度過高，植物根須腐爛，同時植物通過光合作用吸收水中的N、P，導(dǎo)致養(yǎng)殖水體產(chǎn)生N、P的晝夜?jié)舛炔▌?，植物能夠通過光合作用和自身的恢復(fù)能力快速修復(fù)。在高濃度水產(chǎn)養(yǎng)殖水域環(huán)境中，美人蕉和睡蓮試驗組水體中N、P濃度晝夜波動較小，并最先達到穩(wěn)定期，說明塊狀根和地下莖具有較高的恢復(fù)能力和適應(yīng)能力。

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責(zé)任編輯：張愛婷

Study of Four Kinds of Hydroponic Plant on Removal Efficiency of Total Nitrogen，Total Phosphorus of Eutrophication Aquaculture Water

ZHOU Sheng-jie1，LU bin1，JIA Ting-ting1，TAO Zong-long2，ZHANG Feng-dong3，NIU Fang-juan1，LIU Bo-shuai1，CHEN Cheng-xun1，Corresponding Author，SUN Xue-liang1，WANG Qing-kui1

（1. Tianjin Key Laboratory of Aqua-Ecology and Aquaculture, College of Fisheries, Tianjin Agricultural University, Tianjin 300384, China; 2. Jinnan District Livestock and Fisheries Development Center, Tianjin 300384, China; 3. Days Billion to Aquaculture Company, Tianjin 300384, China）

Compared the capability of water purification among various hydroponic plants（L.,（Blume）DC,L. andForsk）in two different aquaculture water（TN＝23.5 mg/L, TP＝1 mg/L；TN＝40.5 mg/L, TP＝2 mg/L）, and the results showed that 4 hydroponic plants had significant ability of removal nitrogen and phosphorus. After 168 h,total nitrogen（TN）removal rate is 56%～83%, andtotal phosphorus（TP）removal rate is 80%～81% in middle eutrophic aquaculture water.Total nitrogen（TN）removal rate is 60%～83%, andtotal phosphorus（TP） removal rate in high eutrophic aquaculture water is 80%～85%.All four different hydroponic plants removal rate of TN and TP rose up in daytime but dropped at night. It also showed that,L. andLhad better removal rate of removal phosphorus and nitrogen than（Blume）DC andForsk.

eutrophication water; phosphorus removal; nitrogen removal; the removal rate; hydroponic plant

1008-5394（2017）01-0044-04

Q945.13

A

2016-01-15

國家星火計劃項目“熱帶觀賞魚循環(huán)水養(yǎng)殖技術(shù)集成與示范”（2014GA610001）及“水產(chǎn)品健康養(yǎng)殖、加工與質(zhì)量安全控制產(chǎn)業(yè)化示范——淡水魚優(yōu)質(zhì)苗種產(chǎn)業(yè)化示范”（2013GA610002）及“水產(chǎn)品健康養(yǎng)殖、加工與質(zhì)量安全控制產(chǎn)業(yè)化示范——團頭魴健康養(yǎng)殖技術(shù)示范與推廣”（2013GA610002）；天津市科技支撐計劃項目“名貴淡水魚封閉循環(huán)式養(yǎng)殖技術(shù)開發(fā)”（14ZCZDNC00010）

周勝杰（1990-），男，山東濟寧人，碩士在讀，主要從事漁業(yè)資源管理研究。E-mail：zsj_9005@163.com。

陳成勛（1967-），男，天津市人，研究員，學(xué)士，主要從事水產(chǎn)養(yǎng)殖及養(yǎng)殖魚類環(huán)境改善研究。E-mail：604804965@qq.com。