空心菜浮床栽培對(duì)寒冷地區(qū)養(yǎng)殖水體的凈化效果

黃曉麗，白淑艷，黃 麗，陳中祥，王 鵬，覃東立,2*

(1.中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院 黑龍江水產(chǎn)研究所，黑龍江 哈爾濱 150070； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部水產(chǎn)品質(zhì)量安全控制重點(diǎn)試驗(yàn)室，北京 100141)

0 引言

【研究意義】池塘養(yǎng)殖是我國(guó)主要的淡水水產(chǎn)養(yǎng)殖方式，也是人們獲得魚類等淡水產(chǎn)品的主要途徑。在水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中，當(dāng)投加的餌料、動(dòng)植物殘?bào)w、排泄物等分解造成養(yǎng)殖水體營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度過高，超過水體自凈能力時(shí)，引起水體富營(yíng)養(yǎng)化，影響?zhàn)B殖效果。水生植物可通過利用、轉(zhuǎn)移、吸附、吸收等方式去除水體中的污染物質(zhì)。因此，在水體中種植適宜的植物對(duì)修復(fù)水體污染有一定的意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】蕹菜(IpomoeaaquaticaForsk．)俗稱空心菜，為一年生草本植物，具有繁殖力強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)易得等特點(diǎn)，因生長(zhǎng)迅速、根系發(fā)達(dá)、對(duì)水體中的氮、磷、有機(jī)物等污染物質(zhì)去除效果顯著?？招牟俗鳛楦〈仓参锉粡V泛應(yīng)用于淡水養(yǎng)殖池塘水體的凈化與修復(fù)[1-3]。目前，空心菜浮床技術(shù)已被應(yīng)用于羅非魚[4]、草魚[5]、東平湖鯉[6]、夏花魚[7-8]等多種水產(chǎn)品養(yǎng)殖池塘中，水質(zhì)凈化效果較好。還有學(xué)者結(jié)合空心菜對(duì)養(yǎng)殖池塘水環(huán)境的原位修復(fù)效果及其生長(zhǎng)與產(chǎn)量情況，提出了魚菜共生模式[7，9]，在改善養(yǎng)殖水體水質(zhì)的同時(shí)產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益。【研究切入點(diǎn)】目前空心菜浮床技術(shù)在養(yǎng)殖池塘中的應(yīng)用大部分都集中在湖北、江蘇、福建、廣東等南方地區(qū)，在我國(guó)北方特別是東北地區(qū)的應(yīng)用較少。黑龍江地處我國(guó)中高緯度，冬季寒冷漫長(zhǎng)，池塘明水期一般4-9月，雖然夏季短促，濕熱條件也能夠滿足空心菜生長(zhǎng)的溫度條件?！緮M解決的關(guān)鍵問題】研究空心菜在北方寒冷地區(qū)池塘養(yǎng)殖水體中的生長(zhǎng)狀況及對(duì)養(yǎng)殖水體凈化效果，為高緯度地區(qū)魚菜共生模式的研究與應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

對(duì)大葉白?？招牟朔N子進(jìn)行室內(nèi)育苗，土培4周后選取長(zhǎng)勢(shì)一致、生長(zhǎng)良好的植株，洗凈根部，移入霍格蘭氏營(yíng)養(yǎng)液進(jìn)行預(yù)培養(yǎng)，以適應(yīng)水培條件。

1.2 方法

試驗(yàn)于2017年6月至9月中旬在黑龍江省哈爾濱市中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院黑龍江水產(chǎn)研究所進(jìn)行。共設(shè)3個(gè)處理：處理1為無(wú)浮床不種植物(CK)；處理2及處理3為浮床種植空心菜。浮床覆蓋率均為50%；處理2水體中TN(總氮)、總磷(TP)負(fù)荷分別為(1.52±0.12) g和(0.82±0.02) g；處理3水體中的TN、TP負(fù)荷分別為(1.67±0.15) g和(0.98±0.13) g。1個(gè)長(zhǎng)方體塑料水箱為1個(gè)處理，每個(gè)處理3次重復(fù)。種植試驗(yàn)在室外陽(yáng)臺(tái)自然光下進(jìn)行，試驗(yàn)期間不換水，每次采樣前用自來(lái)水補(bǔ)充蒸發(fā)和采樣損失的水。

選用120 cm×60 cm×80 cm的長(zhǎng)方體塑料水箱作為試驗(yàn)容器，以孔徑分布均勻的聚乙烯網(wǎng)片作為浮床框架，網(wǎng)片用PVC繩固定在試驗(yàn)水箱上，網(wǎng)片面積根據(jù)試驗(yàn)組空心菜所占比例確定。將空心菜秧去葉，剪成12 cm左右且?guī)в幸秆炕蝽斞康男《?，利用相?yīng)尺寸的定植籃作為空心菜載體，每籃放置長(zhǎng)勢(shì)一致的水培空心菜1～2株。每箱加入50 cm高經(jīng)沉淀后的池塘水作為試驗(yàn)用水，水質(zhì)主要指標(biāo)：總氮(TN) 2.48～4.87 mg/L，銨態(tài)氮(NH4+-N)1.58～2.53 mg/L，硝酸鹽氮(NO3--N)0.51～2.12 mg/L，亞硝酸鹽氮(NO2--N)0.13～0.52 mg/L，總磷(TP)2.21～2.95 mg/L，高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)24.00～31.00 mg/L，pH 6.40～7.57。該水體的氮素污染物濃度超過我國(guó)《漁業(yè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(GB 11607-89)》的氮素限定值(凱氏氮≤0.05 mg/L)和《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB 3838-2002)》中Ⅲ類水體標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目

1.3.1 水質(zhì)指標(biāo) 于試驗(yàn)的0 d、1 d、2 d、3 d、4 d、6 d、9 d、13 d和20 d的8:00-8:30，采集各試驗(yàn)箱上、中、下層水樣各3份，不同采樣點(diǎn)分別混合均勻后測(cè)定NH4+-N、NO2--N、NO3--N、TN、TP、CODMn等水質(zhì)指標(biāo)，取平均值。NH4+-N采用納氏試劑分光光度法測(cè)定，NO2--N采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法測(cè)定，NO3--N采用酚二磺酸分光光度法測(cè)定，TN采用德國(guó)耶拿multi NC系列TOC/TN(總有機(jī)碳/總氮)分析儀測(cè)定，TP采用鉬酸銨分光光度法測(cè)定，CODMn采用國(guó)標(biāo)法(GB 11892-1989)測(cè)定；pH用pH計(jì)測(cè)定。

1.3.2 空心菜生長(zhǎng)量與相對(duì)生長(zhǎng)速率 于試驗(yàn)前和試驗(yàn)結(jié)束后分別測(cè)定空心菜的生物量。用清水將空心菜洗凈，將植物分為根、莖葉兩部分，55℃烘干至恒重后，采用相對(duì)生長(zhǎng)速率(RGR)衡量空心菜培養(yǎng)前后的生長(zhǎng)狀況[10]。

RGR=(lnW2-lnW1)/t

式中，W1、W2分別為第1次和第2次測(cè)定時(shí)的植物干重，t為2次測(cè)定間隔的時(shí)間。

1.4 數(shù)據(jù)分析

水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(Mean±SD)形式表示，使用SPSS進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 空心菜的生長(zhǎng)狀況

初浮植時(shí)，空心菜在池塘養(yǎng)殖水體環(huán)境中能正常生長(zhǎng)，定植后適應(yīng)期為1～2 d,快速生長(zhǎng)期為3～12 d,慢速生長(zhǎng)期為13～20 d。空心菜移植后葉片有些萎蔫，在48 h后逐漸恢復(fù)；快速生長(zhǎng)期的空心菜長(zhǎng)勢(shì)較快，莖葉生長(zhǎng)旺盛，根系逐漸發(fā)達(dá)；慢速生長(zhǎng)期的空心菜莖葉生長(zhǎng)速度降低，個(gè)別葉片萎蔫脫落，根系無(wú)明顯變化。培養(yǎng)20 d時(shí)，處理2和處理3的空心菜生物量均高于初始生物量，處理3的生物量略大于處理2(表1)。

表1 空心菜的生物量Table 1 Biomass of water spinach

2.2 空心菜對(duì)水體的凈化效果

2.2.1 對(duì)氮素污染物的凈化效果 從圖1看出，處理1(CK)和種植空心菜的處理(處理2，處理3)中的NH4+-N濃度均隨培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng)而逐漸下降，NH4+-N的平均去除率均>80%，差異不顯著。NO3--N濃度在試驗(yàn)的前4 d各處理均迅速下降后趨于平穩(wěn)，種植空心菜的處理(處理2，處理3)最終平均去除率>90%，對(duì)NO3--N的去除負(fù)荷顯著大于對(duì)照。處理和對(duì)照組的NO2--N濃度變化趨勢(shì)差異顯著，培養(yǎng)9 d后對(duì)照中NO2--N濃度逐漸升高，而種植空心菜的處理中NO2--N濃度逐漸下降?？招牟说脑苑N能夠促進(jìn)養(yǎng)殖池塘水體TN的去除，但處理組和對(duì)照組的TN濃度起伏變動(dòng)較大；試驗(yàn)初期(培養(yǎng)前2 d)各處理TN略有下降，而后逐漸上升，種植空心菜的處理在定植4 d左右達(dá)峰值后逐漸下降，最終平均去除率分別為78.88%和73.78%；對(duì)照組的TN濃度逐漸升高，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)顯著高于試驗(yàn)初始濃度；各處理間的TN差異明顯，處理2和處理3水體的TN負(fù)荷略有差異，分別是(1.52±0.12) g 和(1.67±0.15) g，但最終TN去除率無(wú)顯著差異(P=0.200)。

圖1 空心菜種植后不同時(shí)間水體的N素污染物濃度Fig.1 N-contaminant concentration in aquaculture water cultivated floating-bed-grown water spinach with different time

2.2.2 空心菜對(duì)TP的凈化效果 從圖2看出，對(duì)照組和種植空心菜處理的TP濃度在試驗(yàn)初期急劇下降，之后逐漸上升、再下降并趨于平穩(wěn)，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)TP的平均去除率分別為87.72% 與90.52%；在研究中沒有施加藥物控制藻類和微生物生長(zhǎng)的情況下，對(duì)照TP的去除率為64.53%?？梢?，空心菜浮床對(duì)養(yǎng)殖水體中的TP有一定去除效果。

圖2 空心菜種植后不同時(shí)間水體的TP濃度Fig.2 TP concentration in aquaculture water cultivated floating-bed-grown water spinach with different time

2.2.3 空心菜對(duì)CODMn的凈化效果 從圖3看出，空心菜浮床對(duì)養(yǎng)殖水體中CODMn的去除有一定的貢獻(xiàn)。對(duì)照試驗(yàn)期間CODMn的含量變化不大。種植空心菜的處理試驗(yàn)初期CODMn濃度變化不大，而在試驗(yàn)后期(培養(yǎng)13 d后)水體中CODMn的去除率逐漸增加，處理2和處理3的CODMn最終平均去除率分別為40.70%和44.96%，去除率較低，兩處理間的差異不顯著(P=0.700)。

圖3 空心菜種植后不同時(shí)間水體的CODMn濃度Fig.3 CODMnconcentration in aquaculture water cultivated floating-bed-grown water spinach with different time

3 討論

在試驗(yàn)條件下，空心菜在池塘養(yǎng)殖水體中能夠正常生長(zhǎng)且狀態(tài)良好，水體中TN、TP負(fù)荷分別為(1.52±0.12) g和(0.82±0.02) g的(處理3)生物量略大于TN、TP負(fù)荷分別為(1.67±0.15) g和(0.98±0.13) g(處理2)，但差異不顯著。原因可能是水體中TN、TP負(fù)荷低的營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)受到了一定的限制所致。研究中沒有施加藥物控制藻類和微生物的生長(zhǎng)，試驗(yàn)早期水體中藻類、微生物及其他浮游生物繁殖速度較快，利用N、P作為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，水生植物移植初期，空心菜的吸收能力較弱，水體中的NH4+-N、NO2--N、NO3--N、TP等污染物主要是通過微生物的硝化作用及藻類的利用與吸收作用去除。隨著水體中溶解氧的下降，藻類及其浮游生物逐漸死亡分解，N、P被重新釋放到水體中，進(jìn)而導(dǎo)致水體中N、P濃度起伏變化，甚至短期內(nèi)出現(xiàn)上升現(xiàn)象。種植空心菜處理的TP濃度波動(dòng)幅度小于對(duì)照，可能是空心菜具有一定的抑藻能力[11-13]。隨著空心菜進(jìn)入旺盛生長(zhǎng)期，植物組水體中的N、P濃度迅速下降，去除效率顯著高于對(duì)照組。在試驗(yàn)后期，空心菜生長(zhǎng)速率放緩，根系發(fā)達(dá)，無(wú)明顯變化，但個(gè)別葉片萎蔫脫落，可能是由于水體中大部分N、P營(yíng)養(yǎng)缺乏及氣溫降低導(dǎo)致。整體看，空心菜浮床栽培能夠促進(jìn)養(yǎng)殖池塘水體水質(zhì)的凈化，有效降低水體中NH4+-N、NO2--N、NO3--N、TP、CODMn等污染物的含量。

相同覆蓋率的空心菜浮床對(duì)不同TN、TP負(fù)荷的池塘養(yǎng)殖水體的去除率無(wú)明顯差異，表明，空心菜具有較好的吸收N、P能力[14]，且能夠適應(yīng)較廣泛的營(yíng)養(yǎng)條件，對(duì)不同污染程度水體中的營(yíng)養(yǎng)鹽均具有較好的吸收與吸附能力[15]。在植物的快速生長(zhǎng)期，NO3--N的去除速率較NH4+-N快，且TP的去除速率大于TN。原因是3種污染物H2PO4-、NH4+-N、NO3--N中，空心菜對(duì)H2PO4-的親和力常數(shù)最小，對(duì)NO3--N的吸收速率最大[15]，根據(jù)基于最大吸收速率和最小親和力常數(shù)的水生植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽適應(yīng)性的評(píng)價(jià)方法[16]，在低N、P水平條件下，空心菜優(yōu)先選擇吸收H2PO4-，且對(duì)NO3--N的吸收速率最快。

4 結(jié)論

空心菜浮床的使用能夠促進(jìn)養(yǎng)殖廢水中的氨氮、硝態(tài)氮、總氮、總磷和CODMn等污染物的去除，水質(zhì)凈化效果顯著。在北方寒冷地區(qū)，6月中旬至8月下旬養(yǎng)殖水體種植空心菜能夠滿足其對(duì)溫度、氣候的要求，可將其作為浮床植物應(yīng)用于養(yǎng)殖水體的凈化。