沈 燕,金斌斌

(浙江同濟科技職業(yè)學院,浙江杭州 311231)

浙江省杭嘉湖區(qū)域是浙江省最大的糧食產(chǎn)區(qū),河道密布,溝渠縱橫[1].農(nóng)村生活污水作為農(nóng)業(yè)面源污染的一個重要組成部分,由于量大、分散、難于管理等特點一直沒有得到有效的控制和治理.隨著農(nóng)村經(jīng)濟和鄉(xiāng)村休閑旅游業(yè)的發(fā)展,浙江省杭嘉湖區(qū)域農(nóng)村人口承載量不斷增加,生活方式日趨城鎮(zhèn)化,生活污水排放源和排放量都在不斷增加.而早些年由于農(nóng)村建房缺乏規(guī)劃管理,杭嘉湖區(qū)域大多數(shù)農(nóng)村居民住宅布局較為零亂,基礎設施建設滯后,沒有完整的污水收集管網(wǎng)和污水處理設施,這些未經(jīng)處理的生活污水流經(jīng)溝渠后直接排入江河湖泊等水體中,或排出室外空地后任其滲入地下,成為農(nóng)村環(huán)境的重要污染源,造成農(nóng)村河道水體變黑發(fā)臭、魚蝦絕跡、蚊蠅孳生,生活污水中的病菌蟲卵甚至會引起疾病傳播,危害人們的身體健康.因此,對農(nóng)村生活污水治理進行科技攻關,從源頭上控制農(nóng)村面源污染,遏制水體富營養(yǎng)化趨勢,已經(jīng)成為河網(wǎng)水質(zhì)治理和解決重點流域水環(huán)境水質(zhì)惡化的最主要、最迫切的任務之一[2].同時,浙江省杭嘉湖區(qū)域河道中也存在著嚴重的養(yǎng)豬場廢水污染問題.近年來,由于規(guī)?；s化養(yǎng)豬業(yè)蓬勃發(fā)展,很多養(yǎng)豬場的大量廢水未經(jīng)回收利用與處理,而流經(jīng)溝渠后直接排放至河道,對水體造成嚴重污染,也對當?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)、居民環(huán)境和飲用水源構(gòu)成直接的威脅.由于養(yǎng)豬業(yè)是微利行業(yè),受到自然與市場雙重風險的影響,難以承受過高的污水處理運行費用,而采用植物修復的方法來處理養(yǎng)豬場廢水,則具有效率高、處理方便、運行成本低的特點[3-4].多花黑麥草(Lolium multiflorum Lam.)是一種冷季型牧草,具有適應性強、生長量大、再生能力強的特點,是畜禽的優(yōu)質(zhì)青飼料[5].許多研究表明,多花黑麥草可以凈化養(yǎng)豬場廢水、啤酒廢水、黃金廢水以及水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水等多種污水,以多花黑麥草為主構(gòu)建針對污水的生態(tài)凈化工程具有較好的環(huán)境效應、生態(tài)效應和經(jīng)濟效益[6-9].本文通過生態(tài)溝渠降解污染物的試驗,采用在農(nóng)田排水溝渠鋪設盤培多花黑麥草的方法,利用其龐大密實的根系產(chǎn)生的機械濾清效果和植株生長速度快而大量吸收污水中營養(yǎng)物質(zhì)的特點,來降解流經(jīng)溝渠流向河道中的養(yǎng)豬場廢水和生活污水,著重分析盤培多花黑麥草在處理養(yǎng)豬場廢水和生活污水時,其生長情況和保護酶系統(tǒng)的變化,探索生態(tài)溝渠中多花黑麥草對不同富營養(yǎng)化程度廢水的逆境生態(tài)適應性,為陸生植物凈化農(nóng)田溝渠中各種污染物的推廣應用提供理論依據(jù).

1 試驗材料與試驗方法

1.1 試驗地點

試驗地點位于浙江省杭嘉湖平原腹地的平湖市新埭鎮(zhèn)民主村水稻田排水溝渠.該地區(qū)地處杭嘉湖平原,海拔較低,地勢平坦,田地成塊,溝渠呈網(wǎng)狀分布,溝渠坡度較小(＜0.2%).溝渠與河道落差小,溝渠常年保持一定水位.

選擇2條位置相對、距離相近的三面光渠道,一條溝渠中污水源為民主村養(yǎng)豬專業(yè)戶的養(yǎng)豬場廢水,另一條溝渠中的污水源為民主村衛(wèi)生院的生活污水,2條溝渠都長約600m,溝渠中鋪設盤培多花黑麥草來進行污水凈化,分別記為T1和T2.

1.2 試驗材料

試驗牧草選用多花黑麥草,在浙江大學農(nóng)業(yè)生物環(huán)境工程研究所玻璃溫室內(nèi)培育,種植于育苗盤中[5],生長時間為60d,經(jīng)過5次刈割,留茬高度為60mm,最后一次刈割為試驗開始前1天.育苗盤尺寸為:底面400mm×400mm,厚約0.7mm,含576個6mm×6mm方孔,孔面積為總面積的13%;上口430mm×430mm,高60mm,每盤播種量為5g,即31.3g/m2.育苗盤上墊層為3層無紡布(10g/m2),在育苗時能防止草籽滲漏,可吸水保濕和固定根系,草的根系通過育苗盤上側(cè)的上墊層和底面方孔后,在盤底形成一定厚度的密集的根網(wǎng).然后于2009年12月2日移植到平湖市新埭鎮(zhèn)民主村水稻田排水溝渠里.2條溝渠中廢水的污染物質(zhì)量濃度見表1.

表1 生態(tài)溝渠廢水中污染物初始質(zhì)量濃度Tab le 1 Initial concentrations of pollutants in wastewater in ecological ditch mg/L

1.3 試驗方法

在生態(tài)溝渠中鋪設盤培多花黑麥草后,分別于6 d,12 d,18 d,24 d,30 d后對2條生態(tài)溝渠中的多花黑麥草植株進行取材分析,測定其植物生物量和活性氧清除系統(tǒng)酶含量[10].

a.生物量測定:取邊長為10 cm的正方形樣塊,齊根部剪下,將根洗凈,晾干,測量地上、地下生物量的鮮質(zhì)量,再將它們分別置于小鋁盒中,在105℃下烘干至恒重,測定干質(zhì)量.

b.葉綠素含量測定:采用分光光度法,用80%丙酮研磨提取后,分別在663nm,665nm和440nm波長下測定光密度.

c.超氧化物歧化酶(SOD)活性測定[11]:采用氮藍四唑(NBT)光化還原法,723分光光度計在560nm波長下測定吸光度值,以抑制NBT光化還原50%所需的酶量為1個酶活性單位(以鮮質(zhì)量計).整體試驗平行重復3次.

d.POD酶活性測定[10]:酶液加樣完畢后,立即將酶標板置于酶標儀470 nm波長下測定吸光值,每隔1min讀數(shù)1次,共讀15次.以在470nm波長下每分鐘吸光度值變化0.01為1個POD酶活性單位.整體試驗平行重復3次.

e.CAT酶活性測定:采用過氧化氫分解量法.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同富營養(yǎng)化程度廢水脅迫對盤培多花黑麥草生長的影響

不同富營養(yǎng)化程度廢水脅迫對生態(tài)溝渠中盤培多花黑麥草的生長情況影響是不同的.T1中多花黑麥草的生長勢和生長量明顯高于T2.試驗結(jié)果表明,T1中多花黑麥草的地上部分鮮質(zhì)量為3432mg/m2,比T2的3115mg/m2高出10.2%.T1中多花黑麥草的地上部分干質(zhì)量為1103mg/m2,比T2的950mg/m2高出16.1%.T1中多花黑麥草的根鮮質(zhì)量為3015mg/m2,比T2的2975mg/m2高出1.3%.T1中多花黑麥草的根干質(zhì)量為923mg/m2,比T2的885mg/m2高出4.3%.T1中多花黑麥草地上部分高為17 cm,比T2的16 cm高出1 cm.這說明多花黑麥草對富營養(yǎng)化程度相對較高的廢水有較強的生態(tài)適應性.

2.2 不同富營養(yǎng)化程度廢水脅迫對盤培多花黑麥草葉片葉綠素含量的影響

葉片中葉綠素含量是評價植物植株光合效率和營養(yǎng)脅迫的重要指標,植株葉片中葉綠素含量越高,光合作用能力也就越強,生態(tài)適應性也就越強.試驗結(jié)果表明,T1中多花黑麥草的葉綠素a質(zhì)量比為1.61mg/g,比T2的1.29mg/g高出24.8%.T1中多花黑麥草的葉綠素b質(zhì)量比為0.90mg/g,比T2的0.87mg/g高出3.4%.這與多花黑麥草生物量的變化情況相一致.這是由于廢水的富營養(yǎng)化程度越高,其所含的營養(yǎng)物質(zhì)如氮、磷就越高,植物光合能力和生長能力也就越強.

2.3 不同富營養(yǎng)化程度廢水脅迫對盤培多花黑麥草SOD酶活性的影響

SOD,POD和CAT酶共同組成植物體內(nèi)一個有效的活性氧清除系統(tǒng),逆境會影響植物的這個酶促系統(tǒng)[12-13].在不同廢水脅迫條件下的三面光渠道中鋪設盤培多花黑麥草后,其葉片SOD酶活性的測定結(jié)果表明,在處理的前期,各處理的多花黑麥草的SOD酶活性呈緩慢上升趨勢,到第12天時,各處理的多花黑麥草的SOD酶活性急劇上升.第18天后,各處理的多花黑麥草的SOD酶活性又有所下降,可能是隨著廢水脅迫時間的延長,多花黑麥草葉片SOD酶合成受到抑制.經(jīng)過短暫的適應后,葉片SOD酶活性又開始升高.這說明了廢水脅迫誘導了多花黑麥草SOD酶活性的提高,同時也說明了多花黑麥草對廢水脅迫環(huán)境有個逐步適應的過程.

從圖1還可看出,不同富營養(yǎng)化程度廢水脅迫對盤培多花黑麥草SOD酶活性的影響是不同的,T1多花黑麥草植株中的SOD酶活性一直高于T2多花黑麥草植株中的SOD酶活性.

多花黑麥草葉片SOD酶活性的變化表明了在生態(tài)溝渠中,盤培多花黑麥草對富營養(yǎng)化程度較高的養(yǎng)豬場廢水有著較高的逆境適應性.

2.4 不同富營養(yǎng)化程度廢水脅迫對盤培多花黑麥草POD酶活性的影響

對在不同廢水脅迫條件下多花黑麥草葉片POD酶活性進行測定,結(jié)果(圖2)表明,在處理的前期,各處理的多花黑麥草葉片POD酶活性相對原始點(處理前)均呈現(xiàn)下降的趨勢,到第12天時出現(xiàn)最低值,但隨后POD酶活性急劇升高,從第12天時到第18天增大幅度最大,第18天后開始下降.可能是隨著脅迫時間的延長,POD酶合成也受到抑制,其活性也開始下降.

圖1 廢水脅迫下生態(tài)溝渠中多花黑麥草SOD酶活性變化Fig.1 Variation of SOD activity of Lolium multiflorum Lam.under wastewater stress in ecological ditch

圖2 廢水脅迫下生態(tài)溝渠中多花黑麥草POD酶活性變化Fig.2 Variation of POD activity of Lolium multiflorum Lam.under wastewater stress in ecological ditch

從圖2還可看出,廢水中污染物濃度的不同對盤培多花黑麥草植株中的POD酶活性的影響存在著較大的差異.高濃度廢水條件下生長的多花黑麥草POD酶活性始終高于低濃度廢水條件下生長的多花黑麥草POD酶活性,從本研究來看,POD活性的變化表明多花黑麥草對高濃度的養(yǎng)豬場廢水條件下的適應性要高于低濃度生活污水條件下的適應性.

2.5 不同富營養(yǎng)化程度廢水脅迫對盤培多花黑麥草CAT酶活性影響

圖3 廢水脅迫下生態(tài)溝渠中多花黑麥草CAT酶活性變化Fig.3 Variation of CAT activity of Lolium multiflorum Lam.under wastewater stress in ecological ditch

如圖3所示,T1多花黑麥草植株中的CAT酶活性同樣高于T2多花黑麥草植株中的CAT酶活性,第6天檢測出的T1多花黑麥草植株中的CAT酶活性為63min-1·g-1,比T2多花黑麥草植株中的CAT酶活性高173.9%.第24天檢測出的T1多花黑麥草植株中的CAT酶活性為78min-1·g-1,比T2多花黑麥草植株中的CAT酶活性高21.9%.第30天檢測出的T1多花黑麥草植株中的CAT酶活性為123m in-1·g-1,比T2多花黑麥草植株中的CAT酶活性高12.8%.從植株CAT酶活性的平均值來看,T1多花黑麥草植株中的CAT酶活性為87.4min-1·g-1,比T2多花黑麥草植株中的CAT酶活性要高38.3%.

3 結(jié) 語

農(nóng)業(yè)面源污染具有形成過程隨機性大、影響因子復雜、分布范圍廣、形成過程復雜、機制模糊、潛伏周期長、危害大等特點,由此導致研究和控制農(nóng)業(yè)非點源污染難度加大.人工濕地、緩沖帶等生態(tài)工程被認為是控制面源污染的有效措施并被國內(nèi)外廣泛采用[14].杭嘉湖區(qū)域人口密度高,而構(gòu)建人工濕地、緩沖帶、生態(tài)交錯帶等生態(tài)工程需要占用大量土地,會進一步加劇當?shù)厝硕嗟厣俚拿?杭嘉湖區(qū)域處于浙江省北部平原地區(qū),地勢低平,農(nóng)田溝渠眾多且較為統(tǒng)一,如果利用現(xiàn)有農(nóng)田溝渠建成具有攔截功能的生態(tài)溝渠,就能減小農(nóng)業(yè)面源污染進入河道湖泊等水體的風險.因此,在浙江省杭嘉湖平原水稻田溝渠中,建設以盤培多花黑麥草為主要內(nèi)容的生態(tài)溝渠在降解農(nóng)業(yè)面源污染方面有著重要的意義.本文研究結(jié)果表明,在三面光渠道中鋪設盤培多花黑麥草后,養(yǎng)豬場廢水中的多花黑麥草植株的生長勢和生長量明顯高于生活污水中的多花黑麥草相應指標,說明高濃度污水中豐富的氮、磷營養(yǎng)物質(zhì)促進了多花黑麥草的生長.同樣,養(yǎng)豬場廢水中的多花黑麥草植株的活性氧清除系統(tǒng)POD,SOD,CAT酶活性均明顯高于生活污水中的多花黑麥草相應指標,說明盤培多花黑麥草對溝渠中的高濃度廢水有著較強的生態(tài)適應性.

[1]蔡臨明.太湖流域杭嘉湖地區(qū)水污染的治理對策[J].寧夏大學學報:人文社會科學版,2008,30(5):143-145.(CAI Lin-ming.Treatment-of water pollution of Hangjiahu districts of Taihu lake basin in Zhejiang Province[J].Journal of Ningxia University:Humanities and Social Sciences Edition,2008,30(5):143-145.(in Chinese))

[2]BRASKERUD B C.Factors affecting nitrogen retention in small constructed wetlands treating agricu ltural non-point source pollution[J].Ecological Engineering,2002,18(3):41-61.

[3]李淑蘭,吳曉芙,劉英,等.豬場廢水處理技術[J].中南林學院學報,2005,25(5):132-137.(LI Shu-lan,WU Xiao-fu,LIU Ying,et al.Summarization for piggery waste water treatment technology[J].Journal of Central South Forestry University,2005,25(5):132-137.(in Chinese))

[4]王校常,施衛(wèi)明,曹志洪.重金屬的植物修復:綠色清潔的污染治理技術[J].核農(nóng)學報,2000,14(5):315-320.(WANG Xiaochang,SHI Wei-ming,CAO,Zhi-hong.Phytoremediation of heavy metals in soil:a green and clean technique[J].Acta Agriculture Nucleatae Sinica,2000,14(5):3 15-320.(in Chinese))

[5]泮進明,楊祥龍.薄層營養(yǎng)液膜技術(NFT)水培多年生黑麥草對不同富氮廢水的凈化效果[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2005,21(3):138-142.(PAN Jin-ming,YANG Xiang-long.Treatment effciency of different nitrogen-rich wastewater using Lolium perenne L.cultured by nutrient film technique[J].Transactions of the CASE,2005,21(3):138-142.(in Chinese))

[6]彭齊,顧洪如,沈益新.多花黑麥草對豬場污水銨氮凈化效果研究[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學,2008(6):269-271.(PENG Qi,GU Hongru,SHEN Yi-xin.The effects of Lolium multiflorum on degradation of pollutants in piggery wastewater[J].Jiangsu Agricultural Science,2008(6):269-271.(in Chinese))

[7]戴全裕,陳釗.多花黑麥草對啤酒廢水凈化功能的研究[J].應用生態(tài)學報,1993,4(3):334-337.(DAI Quan-yu,CHEN Zhao.Purification of beer wastewater by Lolium multiflorum[J].Chinese Journal of App lied Ecology,1993,4(3):334-337.(in Chinese))

[8]戴權裕,蔡述偉,張秀英.多花黑麥草對黃金廢水凈化與富集的研究[J].環(huán)境科學學報,1998,18(5):553-556.(DAI Quanyu,CAI Su-wei,ZHANG Xiu-ying.Studies on the purification and accumulation of gold-bearing wastewater with Lolium multiflorum[J].ACTA Science Circumstantiae,1998,18(5):553-556.(in Chinese))

[9]泮進明,應義斌.營養(yǎng)液膜技術栽培牧草凈化循環(huán)流水水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水試驗[J].水產(chǎn)學報,2005,29(5):695-699.(PAN Jinming,YING Yi-bin.Utilization of nutrient film technology grass to treat wastewater from a recirculating aquaculture system[J].Journal of fisheries of China,2005,29(5):695-699.(in Chinese))

[10]張志良,瞿偉菁,李小方.植物生理學實驗指導[M].北京:高等教育出版社,2009.

[11]郝再彬,蒼晶,徐仲.植物生理實驗[M].哈爾濱:工業(yè)大學出版社,2004.

[12]SCANDALIOS J G.Oxygen stress and superoxide dismutase[J].Plant Physiol,1993,101(1):7-12.

[13]CHEN Y Z.Effects of low temperature on the SOD,CAT activity and H2O2content in plant leaves[J].Acta Phytophysiol Sinica,1988,14(4):323-328.

[14]楊林章,周小平,王建國,等.用于農(nóng)田非點源污染控制的生態(tài)攔截型溝渠系統(tǒng)及其效果[J].生態(tài)學雜志,2005,24(11):1371-1374.(YANG Lin-zhang,ZHOU Xiao-ping,WANG Jian-guo,et al.Ecological ditch system with intercep tion function and its effects on controlling farmland non-point pollu-tion[J].Chinese Journal of Ecology,2005,24(11):1371-1374.(in Chinese))