銀川平原水葫蘆?大薸引種栽培及水體氮磷去除研究

趙明濤 譚鵬 何彤慧 何玉實 王超群

摘要 通過在中溫帶區(qū)域（寧夏銀川）設(shè)置不同濃度梯度水體處理引進(jìn)栽種水葫蘆和大薸，探尋其中后期生長特征以及利用對氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)的強吸收作用，解決農(nóng)田退水富含高氮、高磷等營養(yǎng)物質(zhì)問題。結(jié)果表明，水葫蘆、大薸喜高濃度營養(yǎng)元素的生長條件，在高濃度（T4、C4）處理條件下生長最好。水葫蘆、大薸對于水體氮磷去除效果顯著，對水體氮去除率最高可達(dá)84.54%、81.55%；對水體磷去除率最高可達(dá)99.17%、98.66%。植物死亡枝體腐爛后，體內(nèi)氮磷元素會返還水體，應(yīng)在生長放緩時期及時收割?？偭?、溶解氧和pH是影響水葫蘆生長存活的關(guān)鍵環(huán)境因子；除溶解氧因子外，大薸對其余水質(zhì)指標(biāo)均響應(yīng)顯著，與總氮、瞬時水溫和總氮相關(guān)性強。兩者長勢良好，夏季能適應(yīng)中溫帶區(qū)域（寧夏銀川）氣候，解決農(nóng)田退水富含高氮、高磷等營養(yǎng)物質(zhì)問題具有可行性。

關(guān)鍵詞 引種栽培；生長特征；氮磷去除；水葫蘆；大薸

中圖分類號 X52? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A? 文章編號 0517-6611（2023）13-0070-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.13.017

Research on Introduction and Cultivation of Eichhornia crassipes and Pistia stratiotes in Yinchuan Plain and the Removal of Nitrogen and Phosphorus in Water

ZHAO Ming-tao1， TAN Peng2， HE Tong-hui1 et al

（1.School of Ecology and Environment， Ningxia University，Yinchuan， Ningxia 750021; 2.Yinchuan Wetland Conservation Center，Yinchuan， Ningxia 750021）

Abstract Eichhornia crassipes and Pistia stratiotes were introduced and planted in the mid-temperate region （Yinchuan， Ningxia） by setting different concentration gradients for water treatment. Exploring the growth characteristics in the middle and late stages and using the strong absorption of nitrogen， phosphorus and other nutrients to solve the problem of high nitrogen， high phosphorus and other nutrients in farmland dewatering. The results showed that， Eichhornia crassipes and Pistia stratiotes like the growth conditions of high concentrations of nutrient elements， and the best growth conditions were treated with high concentrations （T4， C4）. Eichhornia crassipes and Pistia stratiotes have a significant effect on the removal of nitrogen and phosphorus in water， and the removal rate of nitrogen in water can reach 84.54% and 81.55%; the removal rate of phosphorus in water can reach 99.17% and 98.66%. After the dead branches of the plants rot， the nitrogen and phosphorus elements in the body will return to the water body， and they should be harvested in time when the growth slows down. Total phosphorus， dissolved oxygen and pH are the key environmental factors affecting the growth and survival of Eichhornia crassipes. Except for the dissolved oxygen factor， Pistia stratiotes responded significantly to other water quality indicators， and had a strong correlation with total nitrogen， instantaneous water temperature and total nitrogen. Both of them grow well and can adapt to the climate of the mid-temperate region （Yinchuan， Ningxia） in summer， and it is feasible to solve the problem that the farmland retreat water is rich in nutrients such as high nitrogen and high phosphorus.

Key words Introduction and cultivation;Growth characteristics;Nitrogen and phosphorus removal;Eichhornia crassipes;Pistia stratiotes

基金項目 寧夏自然科學(xué)基金項目（2020AAC03015）；國家自然科學(xué)基金項目（41761102）。

作者簡介 趙明濤（1998—），男，甘肅慶陽人，碩士研究生，研究方向：土壤污染修復(fù)和濕地生態(tài)恢復(fù)。

通信作者，教授，從事生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測評估、恢復(fù)生態(tài)學(xué)與環(huán)境變化研究。

收稿日期 2022-06-21

銀川平原是在新生代斷陷盆地基礎(chǔ)上發(fā)育的堆積平原［1］，黃河橫穿而過，土層深厚，地勢平坦，能充分利用黃河水資源灌溉農(nóng)業(yè)，形成了發(fā)達(dá)的溝渠灌溉體系［2］，但農(nóng)田退水?dāng)y帶的化肥、農(nóng)藥和農(nóng)膜殘留等污染物，對黃河水質(zhì)造成不良影響［3］。根據(jù)2019—2020年寧夏回族自治區(qū)生態(tài)環(huán)境廳發(fā)布的《生態(tài)環(huán)境狀況公報》顯示，全區(qū)21條入黃排水溝水質(zhì)總體為中、輕度污染，主要污染指標(biāo)為化學(xué)需氧量、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)和氟化物，劣V類水質(zhì)斷面分別占21.2%、11.4%。因此，去除農(nóng)田退水中過量的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)，有助于減少黃河水體農(nóng)田污染源頭排放，對于黃河流域高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。

水葫蘆（Eichhornia crassipes）常稱鳳眼蓮，性喜溫，一般生長溫度為7～39 ℃，低于7 ℃則枯萎死亡［4］，多年生浮水草本植物。大薸（Pistia stratiotes），又稱水白菜，喜高溫濕潤氣候，耐寒性不如水葫蘆，一般生長溫度在15～45 ℃，低于5 ℃時則枯萎死亡［5］，多年生浮水草本植物［6］。因生長迅速，適應(yīng)性強［7-8］，會侵占本地物種生存空間，皆屬于高危入侵植物［9-11］。二者對氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)具有強吸收作用［12-14］，常被用作凈化富營養(yǎng)化水體的植物種［15］。

銀川平原屬于中溫帶區(qū)域，年平均氣溫8～10 ℃，6～9月平均氣溫高于15 ℃，能滿足水葫蘆和大薸生長的溫度需求，在農(nóng)田灌溉退水高峰期，農(nóng)業(yè)面源污染嚴(yán)重［16］，水質(zhì)惡化現(xiàn)象突出。引進(jìn)栽種水葫蘆和大薸探尋其對水體的氮、磷去除能力，對于解決農(nóng)田退水富含高營養(yǎng)物質(zhì)問題及入黃退水水質(zhì)要求低于四類水具有重要意義。中溫帶區(qū)域冬季溫度低于零度，二者不能存活過冬，不會造成生物入侵等危害，凈化水體后的水葫蘆和大薸富含氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)可用作肥料返還農(nóng)田。對于建立生物凈化水體應(yīng)急模式及制定地方水質(zhì)排放標(biāo)準(zhǔn)能夠提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究樣區(qū)位于銀川平原，地理位置為105°45′～107°00′E，37°50′～ 39°20′N，由黃河泥沙及湖沼長期淤泥堆積形成。屬溫帶大陸性氣候，氣候干旱，年降水量約200 mm，年平均氣溫8～10 ℃，6～9月平均氣溫大于15 ℃。因其發(fā)達(dá)的溝渠體系和優(yōu)越的地理位置，可充分利用黃河水資源發(fā)展灌溉農(nóng)業(yè)，但在農(nóng)田退水期，化肥和農(nóng)藥等有害物質(zhì)進(jìn)入水體，入黃排水水質(zhì)惡化現(xiàn)象突出。

1.2 試驗設(shè)計與方法

1.2.1

種苗培育。水葫蘆平均初始高度、葉片長度和膨大組織數(shù)量分別為4.62 cm、3.47 cm和8.7個；大薸平均初始葉片數(shù)和葉片長度分別為10.12個和2.34 cm。

設(shè)置4類水體梯度處理，每組處理設(shè)置5組重復(fù)，進(jìn)行水葫蘆、大薸栽種試驗，每隔7 d進(jìn)行植被觀察以及水質(zhì)檢測。植被觀察指標(biāo)有株高、葉片長度、膨大組織、多度、蓋度和生物量，水質(zhì)檢測指標(biāo)有總磷（TP）、溶解氧（DO）、pH、瞬時水溫（T）、總氮（TN）、硝態(tài)氮（NO3-）、氨氣（NH3）、銨根離子（NH4+）、氯離子（Cl-）、電導(dǎo)率（EC）和濁度（H）。

1.2.2

水葫蘆水體梯度處理。T1，V類水（N含量2 mg/L）；T2，劣V類水（N含量4 mg/L）；T3，水體N含量8 mg/L；T4，水體N含量16 mg/L。

1.2.3

大薸水體梯度處理。C1，地表水；C2，Ⅳ類水；C3，V類水；C4，劣V類水體（N含量≥2 mg/L）。水體梯度處理以氮含量為基準(zhǔn)，但施入水體的肥料也含有磷。

1.3 數(shù)據(jù)處理及分析

去除率計算公式［17］：

Q=C1-C2C1×100%（1）

式中，Q為去除率（%），C1為水樣初始氮、磷濃度，C2為水樣最終氮、磷濃度。

2 結(jié)果與分析

2.1 水葫蘆中后期生長特征

栽種試驗T1、T2、T3和T4處理水葫蘆初始高度分別為4.59、5.11、4.66和4.13 cm；初始葉片長度分別為2.95、2.95、3.83和 4.13 cm。隨時間變化株高和葉片長度均呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。沿水體氮濃度遞增梯度，水葫蘆衰敗時間提前，T1處理在第5次觀察開始衰敗，T2、T3和T4處理在第2次觀察開始衰敗，株高逐漸降低，葉長長度降低（圖1）。

T1、T2、T3和T4處理水葫蘆初始膨大組織分別為7.47、8.13、9.87和9.33個；初始蓋度分別為62%、68%、65%和71% 。隨時間變化膨大組織和蓋度均呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。沿水體氮濃度遞增梯度，膨大組織數(shù)量在第4次觀察時開始減少，蓋度在第2次觀察時開始降低，2者突變點不一致，高濃度（T3、T4）處理條件下，膨大組織數(shù)量少，蓋度變化速率快（圖2）。

隨試驗時間延長，生物量呈現(xiàn)出先上升，后下降的趨勢，高濃度（T3、T4）處理條件下，生物量變化速率快，前期增加量和后期減少量均多于低濃度（T1、T2）處理條件（表1）。

2.2 大薸中后期生長特征

C1、C2、C3和C4處理大薸初始栽種葉片數(shù)分別為10.27、11.87、13.33和13.73個；初始葉片長度分別為2.42、2.57、2.53和1.84 cm。隨時間變化葉片數(shù)和葉片長度均呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。高濃度（C3、C4）處理條件下，葉片數(shù)量和長度均高于低濃度（C1、C2）處理條件（圖3）。

C1、C2、C3和C4處理大薸初始栽種數(shù)量均為60株，初始栽種蓋度分別為70%、60%、70%和70%。隨時間變化多度和蓋度均呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。C1和C3處理條件下，蓋度和多度變化幅度大（圖4）。

2.3 水葫蘆和大薸對于水體氮磷去除效果

不同處理條件下，水葫蘆和大薸對于水體氮磷的去除效果存在差異性（表2、圖5）。隨水體氮磷濃度遞增，2者對于水體氮去除均呈現(xiàn)出增大的趨勢，在T4和 C4處理條件下，去除效果最好（84.54%和81.55%）。對于水體磷去除呈現(xiàn)出相反的趨勢，水葫蘆在T1處理條件下，去除效果最好（99.17%）；大薸在C3處理條件下，去除效果最好（98.66%）。栽培試驗中最終去除率略低于最大去除率的原因可能是，栽種過程正處于夏季炎熱時間段，并且處于溫室大棚中，溫度過高，導(dǎo)致水葫蘆和大薸死亡，枝體腐爛釋放氮磷，水體氮磷濃度增高。

3 影響水葫蘆和大薸生長的關(guān)鍵環(huán)境因子

采用冗余分析（RDA）分析影響水葫蘆和大薸生長的關(guān)鍵環(huán)境因子（圖5～6），并對水質(zhì)指標(biāo)與植物觀察指數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析（表3～4）。結(jié)果表明，水葫蘆生長生態(tài)指標(biāo)與TP、DO和pH響應(yīng)顯著；生物量與Cl-呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與其余水質(zhì)指標(biāo)呈正相關(guān)關(guān)系；除DO因子外，大薸生長生態(tài)指標(biāo)對其余水質(zhì)指標(biāo)均響應(yīng)顯著，與TP、T和TN呈正相關(guān)關(guān)系，與其他指標(biāo)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

4 討論

4.1 水葫蘆和大薸的中后期生長特征

水葫蘆和大薸的生長受到水體中氮、磷濃度的影響，對比已有的研究結(jié)果，牛佳［18］研究發(fā)現(xiàn)，水葫蘆生長的水體最適氮磷比為7∶1；周喆［19］研究發(fā)現(xiàn)，水葫蘆在水體N濃度25～30 mg/L和P濃度5.7～7.0 mg/L的范圍內(nèi)生長情況最佳；龍鑌［5］研究發(fā)現(xiàn)，大薸大量繁殖的水體氮磷臨界濃度為N 100 mg/L、P 50 mg/L；馬國君等［11］研究發(fā)現(xiàn)，大薸在氮磷濃度大的水體里生長發(fā)育快，分株多，生物量高。說明在一定的濃度范圍內(nèi)，氮、磷含量越高，植物長勢越好，高于或低于這個范圍，均受到不同

程度的抑制。原因是氮、磷能夠提供足夠的養(yǎng)分用于植物自

身的繁殖［20］，并且促進(jìn)水葫蘆分蘗［18］和大薸分枝［5］。在該

研究中高濃度（T4、C4）處理條件下水葫蘆、大薸生長特征明顯好于其他處理，株高、葉片長度、膨大組織、多度和蓋度均隨著水體氮磷濃度的加劇而增大。但在高濃度（T3、T4）處理條件下，水葫蘆衰敗時間提前，株高逐漸降低，膨大組織數(shù)量少，蓋度變化速率快。造成這種現(xiàn)象的原因可能與高濃度氮磷影響水葫蘆的生理表達(dá)有關(guān)，還需要進(jìn)一步深入研究。

4.2 氮磷去除能力的差異性

水葫蘆和大薸皆具有極強的氮、磷吸收能力［21］，沿水體氮濃度遞增梯度，對于水體氮去除均呈現(xiàn)出增大的趨勢，在T4和 C4處理條件下，去除效果最好，去除率最高可達(dá)84.54%和81.55%。對于水體磷去除呈現(xiàn)出相反的趨勢，水葫蘆在T1處理條件下，去除效果最好，去除率最高可達(dá)99.17%；大薸在C3處理條件下，去除效果最好，去除率最高可達(dá)98.66%，2者對于水體氮、磷均有極強的凈化能力，這與馬國軍等［11，22-23］研究結(jié)果一致。2者相比，水葫蘆對氮、磷表現(xiàn)出更好的富集效果，去除率更高，原因是水葫蘆因其形態(tài)上的高度可塑性、高生長率及特殊的結(jié)構(gòu)特征［24］，在生存環(huán)境爭奪上要強于大薸［25］，能夠適應(yīng)脅迫環(huán)境的同時吸收植物本身所需的營養(yǎng)離子，并且在同等生長環(huán)境條件下，水葫蘆的生長速度大于大薸［26-27］。對于水體磷去除效果出現(xiàn)差異，與嚴(yán)國安等［4］的研究結(jié)論不一致，可能是由于栽種試驗T2、T3處理中有水棉等浮游生物存在，影響水葫蘆生長，減弱了對磷的去除效果［28］。大薸C4處理對磷去除能力的下降，可能由于后期植物死亡，枝體腐爛，體內(nèi)營養(yǎng)元素釋放返還水體導(dǎo)致［29］。因此應(yīng)在水葫蘆和大薸生長放緩時期及時收割，阻止植物吸收的營養(yǎng)物質(zhì)再次進(jìn)入水體。

4.3 影響水葫蘆和大薸生長的關(guān)鍵環(huán)境因子

植物的生長和分布是溫度、水質(zhì)及氣候等各種直接與間接因素共同作用的結(jié)果，水葫蘆適宜生長在強光高濕環(huán)境條件下［30］，大薸喜高溫濕潤，生長依賴于季節(jié)［31］?？鐨夂騾^(qū)域引種栽培解決當(dāng)?shù)丨h(huán)境問題，需探究當(dāng)?shù)丨h(huán)境要素對植物生長存活的影響。該研究發(fā)現(xiàn)，TP、DO和pH是影響水葫蘆的關(guān)鍵環(huán)境因子，這是由于氮磷是影響水葫蘆生長的關(guān)鍵因素，N元素能促進(jìn)向上生長，P元素能促進(jìn)分裂和橫向生長；水體pH超過9，水葫蘆生理活性受到明顯抑制［32］，因此水葫蘆對TP、DO和pH表現(xiàn)出極強的相關(guān)性。水體DO的含量與水生植物的生長狀況直接相關(guān)［33］，栽種試驗中水體DO的含量平均約1.24 mg/L，能滿足其生長需求，不會成為限制因素，其次引種栽培與原產(chǎn)地氣候條件相似度高的地區(qū)成功率高［34］，需滿足引種植物生長氣候條件需求，適宜的氮磷比有助于大薸生長繁殖［5］，生長溫度需在15～45 ℃，中溫帶（寧夏銀川）夏季平均氣溫為12～26 ℃，年平均氣溫為8～10 ℃，溫度成為限制生長存活的主要因素之一。因此除DO因子外，大薸對其余水質(zhì)指標(biāo)均響應(yīng)顯著，與TP、T和TN相關(guān)性強。

5 結(jié)論

（1）水葫蘆、大薸喜高濃度營養(yǎng)元素的生長條件，在高濃度（T4、C4）處理條件下生長狀態(tài)最好。

（2）水葫蘆、大薸對于水體氮磷去除效果顯著，對水體氮去除率最高可達(dá)84.54%、81.55%；對水體磷去除率最高可達(dá)99.17%、98.66%。植物死亡枝體腐爛后，體內(nèi)氮磷元素會返還水體，應(yīng)在生長放緩時期及時收割。

（3）總磷、溶解氧和pH是影響水葫蘆生長存活的關(guān)鍵環(huán)境因子；除溶解氧因子外，大薸對其余水質(zhì)指標(biāo)均響應(yīng)顯著，與總氮、瞬時水溫和總磷相關(guān)性強。兩者長勢良好，夏季能適應(yīng)中溫帶區(qū)域（寧夏銀川）氣候，解決農(nóng)田退水富含高氮、高磷等營養(yǎng)物質(zhì)問題具有可行性。

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