四種黃河灘地水生植物去除氮磷效果比較

文/白海鋒 高志 張星朗 袁永鋒 李引娣

水生植物能直接吸收水體中的營養(yǎng)鹽以維持自身生長，還能為其根區(qū)微生物群落發(fā)展提供氧氣，借以促進污染物的生物降解。本文通過在黃河灘地養(yǎng)魚池塘移栽水生植物，對比分析相同覆蓋率下四種常見水生植物對水體氮、磷去除效果的影響。試驗結果顯示，四種水生植物生物量增加趨勢為水葫蘆＞水蕹菜＞蓮菜＞蘆葦，對水體總氮的去除率表現(xiàn)為水蕹菜＞水葫蘆＞蘆葦＞蓮菜，對總磷的去除率表現(xiàn)為水蕹菜＞水葫蘆＞蓮菜＞蘆葦。

目前，池塘養(yǎng)殖在我國仍是傳統(tǒng)的水產養(yǎng)殖方式，尤其是淡水食用魚的飼養(yǎng)。根據(jù)漁業(yè)年鑒統(tǒng)計，2017年我國淡水養(yǎng)殖面積536.5萬hm2，其中池塘養(yǎng)殖面積達252.8萬hm2，占比45%以上，池塘養(yǎng)殖產量占淡水漁業(yè)總產量的73.1%。近年來，為了獲取較高的經濟效益，高密度放養(yǎng)、大量施肥和投餌已成為主要養(yǎng)殖形式，導致養(yǎng)殖水質富營養(yǎng)化嚴重，養(yǎng)殖廢水大量外排，區(qū)域生態(tài)環(huán)境受損。目前，池塘養(yǎng)殖水體富營養(yǎng)化已成為我國水產養(yǎng)殖業(yè)突出的環(huán)境問題之一，養(yǎng)殖水環(huán)境受損直接關系到池塘養(yǎng)殖經濟效益和附近水域水質量以及生活用水安全。水體富營養(yǎng)化破壞了水體原有生態(tài)系統(tǒng)的平衡，導致水體生態(tài)系統(tǒng)結構遭到破壞，調節(jié)功能日益退化，造成水體透明度降低，對水環(huán)境的可用性和觀賞性造成了影響。同時，由于水質惡化造成的魚類營養(yǎng)品質下降以及富營養(yǎng)化過程中產生的毒素對魚類健康存在危害。因此，如何有效控制池塘養(yǎng)殖廢水富營養(yǎng)化，恢復水質和提高養(yǎng)殖動物產量及其品質已成為我國淡水生態(tài)養(yǎng)殖研究的重要方向。

水生植物在池塘養(yǎng)殖水環(huán)境中不僅為養(yǎng)殖動物提供棲息場所，而且對養(yǎng)殖污水起到凈化效果，在維持池塘生態(tài)系統(tǒng)平衡中起到重要的支撐作用。植物系統(tǒng)主要通過植物根莖的吸收和吸附作用、根系表面的微生物硝化和反硝化作用等綜合效果來去除養(yǎng)殖水體中過多的營養(yǎng)鹽，同時水生植物發(fā)達的根系為微生物生長提供合適的營養(yǎng)環(huán)境并通過吸附作用固定水體中的懸浮物質，提高水體透明度。實踐證明，在區(qū)域水體中移栽水生植物以修復水環(huán)境的富營養(yǎng)化相對來說是一種簡單、高效、價廉且可長久維持的途徑。

植物修復湖泊、河道、水庫等水域富營養(yǎng)化的試驗和應用研究已有相關報道，而利用植物來修復和凈化池塘養(yǎng)殖廢水的研究目前還比較少，因此本研究選取適宜在黃河灘地生長的2類4種優(yōu)勢植物，主要包括挺水植物（蘆葦、蓮菜）和浮葉植物（水雍菜、水葫蘆），以精養(yǎng)池塘水環(huán)境為研究對象，分別試驗分析了它們對池塘養(yǎng)殖廢水中氮、磷的去除效果，從而篩選出能高效凈化池塘養(yǎng)殖廢水的植物，以期為建立環(huán)境友好型池塘生態(tài)養(yǎng)殖模式以及保護流域水環(huán)境提供參考。

一、材料與方法

（一）供試池塘

試驗池塘位于黃河灘地陜西渭南合陽段，池塘東西走向，塘深2.2m，水深1.8m，面積5×667m2，池底有少許淤泥，進排水及充氧系統(tǒng)齊全。池塘主養(yǎng)松浦鏡鯉，鯉魚放養(yǎng)規(guī)格60g/尾～120g/尾，魚種放養(yǎng)密度1600尾/667m2～1800尾/667m2，套養(yǎng)規(guī)格為60g/尾～85g/尾長豐鰱魚種560尾～620尾。

（二）供試植物

試驗所選用4種植物中，水蕹菜取自有土栽培，洗凈其根后移栽于試驗池塘的生態(tài)浮床，水葫蘆取自本地河道，蓮菜為本地大面積種植品種，蘆葦為本地水域普遍生長的野生品種。生態(tài)浮床框架采用直徑100mm PVC浮管和尼龍繩制作，單組浮床規(guī)格為300cm×100cm。浮床上層網(wǎng)徑40mm×40mm，下層網(wǎng)徑10mm×10mm。每組浮床水蕹菜移栽密度為20株/m2～30株/m2。

（三）試驗方法

試驗設置空白對照塘和4種植物處理塘（覆蓋率均為25%），每種處理選擇在一個池塘進行，分別記作1#、2#、3#、4#、5#（見表1）。

水蕹菜浮床系統(tǒng)由單個浮床相互串并聯(lián)組成，由繩索固定在池塘四周，水葫蘆用圍網(wǎng)控制在池邊水域，蓮菜和蘆葦種植于池塘四周。試驗從2018年7月1日開始至2018年9月13日結束，試驗周期為75d。自試驗開始平均每隔10d～15d取5個池塘水樣進行水質測定，為了減少誤差，固定每次采樣的時間為上午9∶00～10∶00。試驗水樣采自于離水面20cm深處，每個池塘選取四周及中心5個取樣點，水樣混合均勻后送至試驗室進行檢測。

（四）測定項目與方法

試驗水樣分析時間一般不超過24h～48h，水樣分析方法參照《水和廢水分析方法》（第四版），測定項目包括水體總氮（TN）和總磷（TP）含量，其中總氮檢測方法采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法，總磷檢測方法采用鉬酸銨分光光度法。水生植物生物量測定采用樣方法采樣，根據(jù)水生植物特點分兩種方式取樣，植株較明顯的水生植物利用100cm×100cm的鐵絲框框定范圍后進行取樣，植株不明顯的水生植物框定取樣范圍設定為30cm×30cm。植物取樣后送到實驗室，用自來水清洗植株，放置陰涼處自然晾干，去除表面水分后將其在80℃烘箱中烘48h（至恒重）后用電子秤稱量干重。

表1 試驗設計

（五）數(shù)據(jù)處理

去除率的計算依據(jù)下面公式計算：

增加率的計算依據(jù)下面公式計算：

式中：U為去除率，C0為試驗初始水質量濃度，Ct為試驗結束水質量濃度，I為增加率，B0為試驗初始水生植物生物量，Bt為試驗結束水生植物生物量。

試驗數(shù)據(jù)使用SPSS17.0軟件進行統(tǒng)計分析。

二、結果與分析

（一）水生植物生物量變化

4種供試水生植物經過兩個半月的生長，生物量凈增量差異較大（見表2），變化范圍為945.9g/m2～2673.6g/m2，生物量凈增最高的是水葫蘆，其增長率是蘆葦?shù)?.94倍（見圖1）。

表2 池塘水生植物生物量變化

圖1 池塘水生植物生物量增長率

圖2 不同處理池塘水體中總氮的含量

圖3 不同處理池塘水體中氮的去除率

圖4 不同處理池塘水體中總磷的含量

圖5 不同處理池塘水體中磷去除率

所移栽的4種水生植物中，蘆葦和蓮菜的生物量增長顯著低于其他2種水生植物。水蕹菜和水葫蘆屬于浮葉植物，其根莖葉漂浮于池塘水體表層，在水體營養(yǎng)鹽含量相似的情況下，適宜的水溫和光照能很好地促進植物生長。蘆葦和蓮菜屬于挺水植物，其根部生長于池塘底泥中，植株和葉子置于水中或水面，其吸收水溶性營養(yǎng)鹽的能力要弱于根狀莖發(fā)達的浮葉植物。4種水生植物均屬于耐高溫種，溫度越高其生長越快，對水體和底泥中的營養(yǎng)鹽吸收轉化更快。試驗結束后，測得4種水生植物中，水葫蘆和水蕹菜的生物量增加率均大于270.0%，顯著高于蓮菜和蘆葦。

（二）水生植物去氮效果分析

如圖2所示，對照池塘總氮含量呈現(xiàn)出逐漸變大趨勢，由于試驗期間養(yǎng)魚塘飼料的正常投喂，產生的殘餌和糞便在微生物的分解下營養(yǎng)物質溶于水體中，引起水體中氮含量增加。對照塘的總氮含量從試驗開始時的3.18mg/L上升到試驗結束時的5.71mg/L，氮含量的增長率為79.6%。4種水生植物所在試驗池塘的總氮含量隨著時間的推移呈現(xiàn)遞減變化，變化趨勢一致，試驗開始時試驗池塘總氮含量為3.11mg/L～3.21mg/L之間，試驗結束時1#～4#池塘水體總氮含量分別降低到0.99mg/L、1.14mg/L、2.00mg/L、2.37mg/L，對照池塘與試驗池塘總氮含量存在顯著差異。試驗結束時，4種水生植物對養(yǎng)殖水體中氮的去除率分別為水蕹菜（68.6%）＞水葫蘆（63.4%）＞蘆葦（37.3%）＞蓮菜（25.4%），趨勢線R2=0.9433（見圖3）。結果表明，浮水植物對總氮的吸收能力大于挺水植物，分析原因主要在于水蕹菜和水葫蘆龐大的根系懸浮于水體表層（水面下0cm～10cm），根系可以通過快速吸收水體中營養(yǎng)鹽供給莖葉滿足其生長需求。

（三）水生植物去磷效果分析

水生植物種類不同，對水質凈化能力各異，水體中磷主要依靠植物吸收、底質和根系吸附等途徑去除。經過6次池塘水質監(jiān)測，結果顯示，除對照池塘水體中總磷含量呈遞增趨勢外，4種移栽水生植物的池塘總磷含量呈下降趨勢，與對照池塘之間差異顯著。從圖4可見，4種水生植物試驗池塘中磷含量變化范圍為0.549mg/L～0.139mg/L，對照池塘磷含量變化范圍為0.527mg/L～0.803mg/L。試驗結束時，4種植物處理對池塘總磷的去除率分別表現(xiàn)水蕹菜（74.5%）＞水葫蘆（60.9%）＞蓮菜（39.4%）＞蘆葦（29.6%），趨勢線R2=0.7507（見圖5）。從試驗對比來看，水蕹菜和蓮菜對總磷的去除效果好于對總氮的。

三、討論

在我國，池塘養(yǎng)殖是水產養(yǎng)殖的主要形式和水產品供應的重要來源，其產量約占水產品總產量的60%以上。目前池塘養(yǎng)殖大多采用精養(yǎng)和半精養(yǎng)方式，養(yǎng)殖廢水的排放污染，已導致全國多數(shù)養(yǎng)殖區(qū)環(huán)境惡化，養(yǎng)殖病害層出不窮。在養(yǎng)殖池塘中，水體富營養(yǎng)化是池塘污染的主要表現(xiàn)形式，其危害也是極其嚴重的，水體中氮磷含量超標是造成水體富營養(yǎng)化的主要因子。有學者研究了精養(yǎng)魚池營養(yǎng)物質的收支情況，認為氮、磷主要來源于養(yǎng)殖投入品，研究結果顯示池塘水體氮的輸入中飼料投喂占90%～98%，磷的輸入中飼料投喂占97%～98%，而水體氮和磷的輸出中魚只占20%～27%和8%～24%，池塘沉積下來的氮和磷分別占到了54%～77%和72%～89%。

目前，在水產養(yǎng)殖上池塘水體富營養(yǎng)化修復的方法主要包括池塘水體原位修復和移位修復，原位修復主要形式為魚菜共生模式，移位修復主要以生態(tài)濕地修復模式為代表。這兩種修復形式中，水生植物充當重要角色，水生植物不僅能吸收去除水體中的營養(yǎng)鹽，還能為基質中的微生物提供適宜的微生態(tài)環(huán)境。本研究通過原位修復形式進行了對比試驗，結果顯示不同水生植物生長速率不同，對各種營養(yǎng)物質氮、磷的需求和吸收能力也不同，因而在養(yǎng)魚池塘水體凈化能力上存在差異。因此，結合相關學者在定山湖富營養(yǎng)化防治研究的結果，在原位修復植物的選擇上應充分考慮不同植物的生長特點，合理搭配不同生態(tài)功能類型的植物種類，進行種類、數(shù)量、模式的優(yōu)化配置，才能更好地達到凈化水質、修復環(huán)境的預期效果。

氮、磷是養(yǎng)殖水體中造成水體富營養(yǎng)化的主要元素，也是植物生長所必需的營養(yǎng)物質，水生植物水體修復技術是利用高等植物（浮葉植物、挺水植物、沉水植物、漂浮植物）及其根系間土著微生物群的代謝活動來吸收、積累和降解轉化水體中的氮、磷等污染物。將水生植物與養(yǎng)殖水域有機結合起來，利用水生植物進行池塘養(yǎng)殖廢水生物處理在水產養(yǎng)殖上具有顯著的生態(tài)效應和良好的經濟效益。有研究表明，水生植物在生長過程中能有效吸收水體中大量的氮、磷等營養(yǎng)物質，將無機的營養(yǎng)物質轉變成植物有機體，同時再通過收割、移除等操作，將氮、磷移除水體，起到凈化水質的作用。本試驗是在室外自然養(yǎng)魚塘中進行，雖然試驗結果與一些室內靜水條件下存在差異，但是本試驗更接近于實際生產，試驗結果更能有效應用于水產養(yǎng)殖實踐中。本試驗的2類（4種）水生植物中，對養(yǎng)魚池塘水體中氮和磷的吸收去除能力均較高的是浮葉植物水蕹菜，水蕹菜不僅可以有效去除水體中過量的營養(yǎng)鹽，生態(tài)凈化水質，而且其本身的食用價值也相當高。陜西省黃河灘涂目前養(yǎng)魚池塘已達上萬畝，其養(yǎng)殖廢水的處理壓力巨大，因此，在國家倡導的低碳、環(huán)保、生態(tài)的養(yǎng)殖新模式下，池塘養(yǎng)殖廢水原位修復和生態(tài)濕地移位修復模式將有較好的應用前景。