水培蔬菜對循環(huán)養(yǎng)殖水水質(zhì)凈化效果研究

陳 華，衛(wèi)堅強,2，尹 梅，陳檢峰，王志遠，洪麗芳，蘇 帆，任習(xí)榮，高朝雙，付利波*

(1.云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境資源研究所，云南 昆明 650205；2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，云南 昆明 650201；3.昭通市土壤肥料工作站，云南 昭通 663000；4.宣威市板橋街道農(nóng)業(yè)綜合服務(wù)中心，云南 宣威 655413)

【研究意義】隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的不斷發(fā)展，水產(chǎn)養(yǎng)殖水未經(jīng)處理而大量排放，給水域環(huán)境造成嚴重的威脅。目前水產(chǎn)養(yǎng)殖通常采用高密度養(yǎng)殖，而這種養(yǎng)殖方式往往需要投入大量的餌料及魚藥，導(dǎo)致水質(zhì)惡化，污染日趨嚴重[1]?！厩叭搜芯窟M展】水產(chǎn)養(yǎng)殖水體中的污染物多為氮、磷等植物性營養(yǎng)元素及COD、BOD等有機污染物[2]。據(jù)報道，所投餌料有10 %～20 %并不被養(yǎng)殖動物所攝食，而是存留于水體環(huán)境中；被攝食的氮有20 %～25 %用于生長，75 %～80 %以糞便和代謝物形式排入水體；被攝食的磷有25 %～40 %用于生長，60 %～75 %排入水體[3]。這樣會造成水體富營養(yǎng)化，嚴重時形成藻類水華，造成嚴重的環(huán)境問題。【本研究切入點】目前，利用植物凈化水體的研究越來越受到人們的重視，植物凈化水體的原理主要是利用植物對氮磷等營養(yǎng)元素的吸收和根系微生物對污染物的降解來達到凈化水質(zhì)的目的[4-6]。利用植物凈化水體具有投資和維護成本低、操作簡單、不造成二次污染的特點[7]。近幾年，利用植物凈化水體的研究報道較多，但利用蔬菜對養(yǎng)殖水進行再吸收利用鮮有人報道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】文章以空心菜和薄荷2種經(jīng)濟作物為試材，研究空心菜和薄荷對水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水中污染物的凈化效果。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗以空心菜和薄荷為供試材料，在供試水體中預(yù)培養(yǎng)14 d后選取生長良好并均勻一致的植株苗各540株，用去離子水將植株苗洗干凈用于本試驗。

1.2 試驗方法

試驗于2015年4月12日至2015年6月12日在云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源環(huán)境研究所零排放大棚(24°35′26.13″ N，102°40′44.20″ E)中進行。試驗用長方體白色PE板做成的水培床(3.6 m×70 m×12 cm)中進行，蔬菜種植在漂浮盤(70 cm×35 cm)里，每盤有18個孔用于種植蔬菜。試驗設(shè)3處理，其中處理1為對照，即養(yǎng)殖水循環(huán)但不種蔬菜，用10個上述規(guī)格的漂浮盤覆蓋；處理2為10個分別種植18株空心菜的漂浮盤(70 cm×35 cm)漂于水培床中；處理3為10個分別種植18株薄荷的漂浮盤(70 cm×35 cm)漂于水培床中；3次重復(fù)，試驗周期為60 d。

試驗開始時，每個處理水培床中分別放250 L混勻的養(yǎng)殖水，每個栽培床配一個裝有300 L相同濃度混勻的養(yǎng)殖水的避光循環(huán)水池和1臺小型抽水機，每天養(yǎng)殖水由抽水機從避光水池抽出，經(jīng)栽培床循環(huán)后回流到避光循環(huán)水池中，如此共循環(huán)4 h，水流量控制在0.35 m3/m2/d。為檢測兩種蔬菜不同生育期對循環(huán)養(yǎng)魚水水質(zhì)的凈化效果，每隔10 d在每個水培床中取1個水樣。試驗所用魚塘養(yǎng)殖水基本水質(zhì)指標(biāo)見表1。

1.3 測定指標(biāo)與方法

各污染物的去除率(R)按下列公式計算[11]：R(%)=(CiVi-CeVe)/CiVi×100

式中，Ci為加入水樣的污染物濃度(mg/L)；Ce為植物吸收10 d后水體污染物濃度(mg/L)；Vi為加入水樣的體積(L)；Ve為植物吸收10 d后栽培槽中水體積。

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

試驗數(shù)據(jù)運用Excel辦公軟件處理，并運用SPSS17.0軟件進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水培蔬菜在養(yǎng)殖水中生長狀況分析

在整個試驗過程中，2種蔬菜植株單株生物量、最長根長以及平均株高的生長情況如圖1所示?？招牟撕捅『稍诠┰囁w中生長狀況良好。其生物量、最長根長、株高均隨生長時間一直在增加。試驗進行到20 d時，空心菜生物量漸漸高于薄荷，在生長后期，空心菜長勢明顯好于薄荷。

2.2 不同水培蔬菜對水產(chǎn)養(yǎng)殖水氮去除率的影響

2.2.1 不同水培蔬菜對水產(chǎn)養(yǎng)殖水總氮去除率的影響 從圖2可知，空心菜和薄荷對總氮均有一定的去除能力，其中，在試驗進行到第10 d時，空心菜和薄荷對總氮的去除率最高，均在70 %左右；在試驗進行到20～40 d，2種蔬菜對總氮去除率均較低，最低還不到10 %；在試驗進行到50～60 d時，2種蔬菜對總氮去除率均明顯升高，其中薄荷去除效果較好，但二者之間差異不顯著。同時試驗結(jié)果還顯示，在養(yǎng)殖水總氮含量在4.04 mg/L以內(nèi)，隨著養(yǎng)殖水濃度增高，蔬菜對循環(huán)養(yǎng)殖水總氮的去除率在增加。

2.2.2 不同水培蔬菜對水產(chǎn)養(yǎng)殖水銨態(tài)氮去除效果的影響 通過每隔10 d換水時對試驗水培床循環(huán)養(yǎng)殖水銨態(tài)氮進行監(jiān)測，結(jié)果(圖3)，發(fā)現(xiàn)在該試驗條件下，養(yǎng)魚水每天循環(huán)4 h，對水質(zhì)銨態(tài)氮的積累有一定的抑制作用，其中空心菜和薄荷生長到10 d時，對氨態(tài)氮的去除能力均達到最大，分別為空心菜(83.18 %)、薄荷(80.97 %)；其中空心菜對氨態(tài)氮的去除能力高于薄荷，但整體差異不顯著。

表1 供試水體水質(zhì)

圖1 水培蔬菜的生長狀況Fig.1 Growth status of two hydroponic vegetables

2.2.3 不同水培蔬菜對水產(chǎn)養(yǎng)殖水硝態(tài)氮去除率的影響 通過對不同處理循環(huán)養(yǎng)殖水測定硝態(tài)氮，并計算2種蔬菜對循環(huán)養(yǎng)魚水硝態(tài)氮去除率(圖4)發(fā)現(xiàn)，除試驗開展第10 天外，2種蔬菜對循環(huán)養(yǎng)殖水硝態(tài)氮均有一定的去除作用，且隨著生物量增加，2種蔬菜對養(yǎng)殖水硝態(tài)氮的去除能力均不斷提高。其中空心菜對循環(huán)養(yǎng)殖水中硝態(tài)氮的去除能力高于薄荷，但差異不顯著。

2.3 2種水培蔬菜對水產(chǎn)養(yǎng)殖水總磷去除率的影響

通過對整個試驗過程中水體總磷的跟蹤監(jiān)測，空心菜和薄荷對水體總磷均具有較強的去除能力(圖5)，其中空心菜對水體總磷去除能力高于薄荷?？招牟藢偭椎娜コ芰﹄S著時間的推進不斷增加，到50 d時，空心菜對水體總磷的去除率達到最大，為96.87 %；薄荷對總磷的去除率先增高后降低，到40 d時，薄荷對水體總磷的去除率達到最大，為83.94 %，隨后降低，到60 d時，由于薄荷衰老木質(zhì)化程度加劇，對總磷的吸收能力明顯降低。

圖2 各處理總氮去除率的動態(tài)變化Fig.2 Dynamic changes of removal rates of TN in different treatments

圖3 各處理氨態(tài)氮去除率的動態(tài)變化Fig.3 Dynamic changes of removal rates of in different treatments

圖4 各處理硝態(tài)氮去除率的動態(tài)變化Fig.4 Dynamic changes of removal rates of in different treatments

圖5 各處理總磷去除率的動態(tài)變化Fig.5 Dynamic changes of removal rates of TP in different treatments

圖6 各處理BOD5去除率的動態(tài)變化Fig.6 Dynamic changes of removal rates of BOD5 in different treatments

2.4 2種水培蔬菜對水產(chǎn)養(yǎng)殖水BOD5去除率的影響

經(jīng)過60 d的定點監(jiān)測，2種蔬菜對BOD5的去除率變化如圖6所示，總體表現(xiàn)為先增加后下降的趨勢，去除率的變化較穩(wěn)定。在第30天時，空心菜組和薄荷組對BOD5去除率分別為95.55 %和91.94 %，達到最大。在整個過程中，空心菜組都顯著高于對照組(P<0.05)，在30和40 d時，薄荷組顯著高于對照組，而2種植物組在整個過程中都不存在顯著差異性(P>0.05)。

3 討 論

在該試驗條件下，空心菜和薄荷在供試水體中生長狀況良好。有研究表明，植物從水中直接吸收氮素不是植物去除水中氮的唯一途徑，其作用還包括根系微生物硝化/反硝化作用、植株與微生物的協(xié)同作用等幾個方面[21]。2種蔬菜對循環(huán)養(yǎng)殖水中總氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、總磷均有較強的去除作用。

在試驗開始時，植物吸收作用較弱，主要通過微生物的硝化作用將氨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，使水體中的硝態(tài)氮不斷積累，造成硝態(tài)氮濃度增加。隨著時間推移，植物根系不斷增長，為提供自身生長的需要，植物從水體中吸收氮素，且發(fā)達的根部附近能夠呈現(xiàn)出連續(xù)的厭氧、缺氧、好氧過程，相當(dāng)于許多并聯(lián)或串聯(lián)的A2/O 處理單元，使硝化和反硝化作用同時進行[22]，從而使氨態(tài)氮和硝態(tài)氮的去除率有所增加。隨著時間推移，植株根系活動不斷增強，對水體氮素的去除逐漸保持一個穩(wěn)定的狀態(tài)。

在植物生長的過程中，植物根系及根系分泌物都有助于系統(tǒng)中的有機物積累量增加[23]，這使得水培蔬菜對BOD5的去除率較穩(wěn)定，整個過程中都高于60 %，且表現(xiàn)為隨著植物的生長，蔬菜對BOD5的去除率在增加。

4 結(jié) 論

綜上所述，空心菜和薄荷在循環(huán)養(yǎng)殖水中生長正常，二者對養(yǎng)殖水總氮、氨態(tài)氮、硝態(tài)氮、總磷和BOD5去除效果均較好，最高去除率分別高達77.89 %、83.18 %、95.55 %、93.43 %、95.55 %和77.56 %、80.97 %、94.95 %、83.94 %、91.94 %。其中空心菜對總氮、氨態(tài)氮、硝態(tài)氮、總磷的去除能力優(yōu)于薄荷，但整體差異不顯著。在蔬菜生長10 d時，對總氮、氨態(tài)氮的去除效果最好；且去除能力隨蔬菜生物量增加不斷提高。

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