李 今，呂 田，華江環(huán)

(1.湖北師范學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，中國(guó) 黃石 435002;2.中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所，中國(guó) 武漢 430072)

在水產(chǎn)養(yǎng)殖過(guò)程中，底質(zhì)餌料與大量排泄物的不斷沉積使水體有機(jī)負(fù)荷不斷增加，水體富營(yíng)養(yǎng)化加劇，最終導(dǎo)致養(yǎng)殖水體發(fā)生惡化，影響水產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展［1］.利用水生植物治理富營(yíng)養(yǎng)化水體，具有成本低、能耗小、治理效果較好、對(duì)環(huán)境擾動(dòng)小、易管理等優(yōu)點(diǎn)［2-4］.空心菜浮床系統(tǒng)能有效去除富營(yíng)養(yǎng)化水體中的氮磷［5-7］，對(duì)水體中藻類的生長(zhǎng)具有明顯的抑制作用［8-9］.將原來(lái)在陸地上種植的草本植物種植到水面，擴(kuò)大了植物可種植范圍，且能取得與陸地種植相仿，甚至更高收獲量與景觀效果［10-11］.

本文通過(guò)野外實(shí)驗(yàn)研究比較了人工浮床水培空心菜和土培空心菜的生長(zhǎng)特性，并著重研究了不同生長(zhǎng)狀況下人工浮床水培空心菜對(duì)魚塘養(yǎng)殖廢水中氮磷的去除能力和對(duì)浮游藻類的抑制作用，以期為養(yǎng)殖水體中規(guī)模推廣空心菜浮床系統(tǒng)提供理論支撐.

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

蕹菜(Ipomoea aquatica Forsk.)，又名空心菜、藤菜，為旋花科甘薯屬一年生草本植物.喜溫暖濕潤(rùn)，耐炎熱，產(chǎn)量高，原產(chǎn)中國(guó)，現(xiàn)已作為蔬菜廣泛栽培，同時(shí)也是一種比較好的飼料［12］.空心菜的生命期可分為生長(zhǎng)期約21天、旺盛期約21天和衰亡期21天［13］.本實(shí)驗(yàn)人工浮床水培和土培的植物為泰國(guó)柳葉空心菜(一種常見(jiàn)的空心菜品種).水培試驗(yàn)水域?yàn)辄S石市西塞山區(qū)大排山村面積約2 000 m2(100 m×200 m)的養(yǎng)殖池塘，為流動(dòng)水源，其中進(jìn)水口與養(yǎng)殖污水排口相連，池塘測(cè)定水質(zhì)指標(biāo)為:pH 6.88，NH3-N 5.20 mg/L，TN 8.32 mg/L，TP 1.67 mg/L，為劣Ⅴ類水［14］(GB3838-2002，地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)基本項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)限值》，劣Ⅴ類:NH3-N ＞2.0 mg/L，TP ＞0.4 mg/L，TN ＞2.0 mg/L).

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 空心菜的培育 將空心菜的種子播到泥土中，待株高至20 cm時(shí)，移栽至人工浮床中.

1.2.2 人工浮床制作與空心菜的栽培 水培空心菜的栽培:人工浮床材料為竹排，按大小為1.5 m×3 m制作，將育種好的空心菜移栽于竹排上，每3株一茬，茬間距0.2 m，插在竹排間隙中，并固定.池塘按4×3個(gè)等間距安放竹排.土培空心菜的栽培:在移栽空心菜前施雞糞15 000 kg/hm2［15］，在1.5 m×3 m的土壤中按間距0.2 m種植.

1.3 測(cè)定方法

1.3.1 空心菜生理指標(biāo)測(cè)定 每隔15 d，隨機(jī)選擇每個(gè)竹排中的空心菜10株，分別測(cè)量其株高、根長(zhǎng)、莖長(zhǎng)、節(jié)數(shù)，并記錄其生長(zhǎng)情況，實(shí)驗(yàn)周期60 d.葉綠素含量測(cè)定采用分光光度Arnon公式法［16］，根活力采用氯化三苯基四氮唑(TTC)法［17-18］.土培植株測(cè)量方法同水培.

1.3.2 水質(zhì)指標(biāo)測(cè)定 試驗(yàn)開(kāi)始后每隔15 d取水樣測(cè)定水溫、pH、TN、TP、NH3-N和OD值，每次取樣150 mL，重復(fù)3次，試驗(yàn)周期為60 d.其中總氮的測(cè)定用過(guò)硫酸鉀氧化紫外分光光度法［19］，銨態(tài)氮的測(cè)定用納氏試劑光度法［19］，總磷的測(cè)定用鉬銻抗光度法［19］，pH的測(cè)定用玻璃電極法［19］，藻類生物量的測(cè)定采用650 nm 分光光度法［19］.

2 結(jié)果與分析

2.1 人工浮床水培與土培空心菜生長(zhǎng)特性的對(duì)比

對(duì)人工浮床水培空心菜各項(xiàng)生長(zhǎng)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算每個(gè)時(shí)間段內(nèi)空心菜株高的生長(zhǎng)速率，結(jié)果分別為:1.120 cm/d、1.028 cm/d、0.596 cm/d、0.245 cm/d(見(jiàn)圖1)，從31 d 后植株生長(zhǎng)緩慢，46 d 后逐漸出現(xiàn)萎蔫.對(duì)空心菜根活力進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果表明，在前31 d根活力逐漸增強(qiáng)，第31 d后，根部活力由3.7 μg·g－1·h－1減弱為2.0 μg·g－1·h－1，根活力逐漸減弱(見(jiàn)圖2);根據(jù)根活力的變化可以判斷人工浮床水培空心菜在前30 d為生長(zhǎng)旺盛期，后30 d為衰亡期.對(duì)人工浮床水培與土培空心菜葉綠素的含量進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)圖3，圖4.第31 d 后，葉綠素含量開(kāi)始降低，由 2.86 mg·g－1FW 降低至第61 d 1.33 mg·g－1FW，說(shuō)明空心菜植株逐漸衰老.處于衰亡期的空心菜代謝活動(dòng)減弱，根部對(duì)礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)吸收能力逐漸衰退，不能滿足生長(zhǎng)需要［20］，人工浮床水培空心菜30 d后的生理指標(biāo)很好地證明了該觀點(diǎn).空心菜莖的節(jié)數(shù)自移栽開(kāi)始平均增長(zhǎng)1.9節(jié)/30 d(圖5)，增長(zhǎng)不明顯，而根長(zhǎng)和莖長(zhǎng)分別是7.19 cm/30 d，15.23 cm/30 d(圖6)，說(shuō)明根長(zhǎng)和莖長(zhǎng)的增長(zhǎng)是空心菜植株生長(zhǎng)的主要因素.

圖1 人工浮床水培空心菜的生長(zhǎng)速率變化情況Fig.1 Growth rate changes of Ipomoea aquatica Forsk.planted on artificial floating beds

圖2 人工浮床水培空心菜根活力變化情況Fig.2 Root activity changes of Ipomoea aquatica Forsk.planted on artificial floating beds

圖3 人工浮床水培空心菜葉綠素a和葉綠素b的含量變化情況Fig.3 Content of chlorophyll a and b of Ipomoea aquatica Forsk.planted on artificial floating beds

圖4 人工浮床水培與土培空心菜葉綠素含量比較Fig.4 Chlorophyll content comparison between Ipomoea aquatica Forsk.planted on artificial floating beds and those planted in soil

圖5 人工浮床水培與土培空心菜株高和節(jié)數(shù)變化情況比較Fig.5 Plant height and section number changes between Ipomoea aquatica Forsk.planted on artificial floating beds and those planted in soil

圖6 人工浮床水培與土培空心菜植株根莖生長(zhǎng)情況比較Fig.6 Root and stem growth comparison between Ipomoea aquatica Forsk.planted on artificial floating beds and those planted in soil

空心菜移栽至人工浮床后，生長(zhǎng)狀況良好，至第一次采樣成活率為98.6%，其株高、莖的生長(zhǎng)、根系發(fā)育均比土培對(duì)照空心菜顯著茂盛(見(jiàn)圖5和圖6)，平均株高為土培空心菜的1.152倍，營(yíng)養(yǎng)器官根、莖分別為土培空心菜的1.156、1.148倍，植株整體發(fā)育比土培空心菜好.人工浮床水培空心菜與土培空心菜植株節(jié)數(shù)沒(méi)有顯著性差異(r=0.998，P＜0.01)，生長(zhǎng)差異主要體現(xiàn)在節(jié)間和根的生長(zhǎng).比較二者在培養(yǎng)周期內(nèi)葉片葉綠素含量，人工浮床水培空心菜葉片葉綠素含量平均是土培的1.25倍(見(jiàn)圖4)，從另一個(gè)方面說(shuō)明人工浮床水培空心菜的生長(zhǎng)狀況優(yōu)于土培.空心菜喜濕，需水量較大，應(yīng)經(jīng)常澆水，始終保持濕潤(rùn)狀態(tài)，在采收期間每4～5 d澆水1次［21］;其光照條件要求不嚴(yán)格，對(duì)水肥需求量很大，干旱與缺肥均會(huì)影響產(chǎn)量和品質(zhì)［22］.所以本試驗(yàn)中人工浮床水培空心菜生長(zhǎng)發(fā)育狀況優(yōu)于土培的原因可能是空心菜在旺盛期對(duì)水肥的需求量大，而魚塘養(yǎng)殖廢水恰恰可以在該時(shí)期為其提供充足的水分和營(yíng)養(yǎng)成分，但土培方式卻不能滿足空心菜對(duì)水分的大量需求.

2.2 不同生長(zhǎng)狀況下人工浮床水培空心菜對(duì)魚塘養(yǎng)殖廢水中氮磷及浮游藻類的去除率

人工浮床水培空心菜在生長(zhǎng)過(guò)程中，對(duì)養(yǎng)殖廢水中氮磷去除率分別為:NH3-N，8.29% ～20.01%;TN，29.26% ～30.10%;TP，20.71% ～50.45%，對(duì)浮游藻類的去除率為 9.09% ～14.29%.前 15 d，對(duì) TP、TN、NH3-N的去除率最高，分別為51.45%、38.1%、20.02%，對(duì)水體中浮游藻類抑制作用最強(qiáng)，為20.02%.前30 d，各指標(biāo)的去除率均高于后30 d的去除率(圖7).在第61天各指標(biāo)的去除率均最低.

表1 魚塘養(yǎng)殖廢水水質(zhì)Tab.1 Water quality of fishpond aquaculture wastewater

圖7 人工浮床水培空心菜對(duì)魚塘養(yǎng)殖廢水中TN、TP、NH3-N及浮游藻類的去除率Fig.7 Removal rate of TN，TP，NH3-N and planktonic algae by Ipomoea aquatica Forsk.planted on artificial floating beds from fishpond aquaculture wastewater

圖8 人工浮床水培空心菜的生長(zhǎng)速率與其對(duì)魚塘養(yǎng)殖廢水中TN、TP、NH3-N和浮游藻類的去除率的關(guān)系Fig.8 Relationship between growth rate of Ipomoea aquatica Forsk.planted on floating beds and removal rate of TN，TP，NH3-N and planktonic algae by them

前45 d為空心菜生長(zhǎng)期和旺盛期，生長(zhǎng)發(fā)育旺盛，其對(duì)養(yǎng)殖廢水水體的氮磷去除率最高(圖8)，尤其對(duì)TP的去除率為 51.45%，對(duì) TN的去除量高達(dá)3.138 mg/L(表1).這說(shuō)明空心菜營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)需要從水體中吸收大量的氮磷，尤其是對(duì)氮的需求旺盛.氮對(duì)空心菜產(chǎn)量影響大于磷，該試驗(yàn)結(jié)果與楊小鋒等對(duì)水培生菜的研究結(jié)果［23］一致.后15 d，空心菜對(duì)氮磷的去除率呈降低趨勢(shì)，TN為 29.6%，TP 為 20.7%，NH3-N 為8.29%，此時(shí)空心菜處于衰亡期.在空心菜生長(zhǎng)期，對(duì)浮游藻類的抑制作用強(qiáng)度差異不明顯(R=0.885 9，P ＜0.01).

3 結(jié)論與討論

從整個(gè)實(shí)驗(yàn)周期看，人工浮床水培空心菜比土培空心菜生長(zhǎng)得好.自移栽到人工浮床上后，成活率極高，生長(zhǎng)周期大致為60 d，其中前30 d為生長(zhǎng)旺盛期，后30 d為衰亡期;其生長(zhǎng)能力很強(qiáng)，植株平均株高生長(zhǎng)速率為0.747 3 cm/d.人工浮床水培空心菜在生長(zhǎng)過(guò)程中，其對(duì)魚塘養(yǎng)殖廢水中氮磷的去除率分別為:NH3-N，8.29% ～ 20.01%;TN，29.26% ～ 30.10%;TP，20.71% ～ 50.45%，對(duì)浮游藻類的去除率為 9.09% ～14.29%，其中前15天對(duì)TP、TN、NH3-N的去除率最高，分別為51.45%、38.1%、20.02%，隨著空心菜生長(zhǎng)速率的降低，其對(duì)TP、TN、NH3-N的去除效率和對(duì)浮游藻類的抑制作用也逐漸降低.據(jù)上述數(shù)據(jù)計(jì)算可得，30株/m2空心菜對(duì)TN和TP的吸收量分別為108.69 g/m3和29.57 g/m3.根據(jù)中國(guó)地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838-20026)標(biāo)準(zhǔn)［19］，僅從氮磷看，30株/m2的空心菜可分別將108.69 m3和197.14 m3的水由Ⅴ類水質(zhì)指標(biāo)提升到Ⅲ類.因此，空心菜是一種可用于富營(yíng)養(yǎng)化水體水質(zhì)凈化的優(yōu)良植物，可有效凈化養(yǎng)殖廢水，同時(shí)由于其具有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，可作為養(yǎng)殖水體中浮床植物的首選植物物種之一.

研究表明，空心菜的吸收氮磷和抑藻能力明顯高于其他植物［24-26］.只有蘆葦在N、P直接吸收量上高于空心菜，但蘆葦?shù)慕?jīng)濟(jì)價(jià)值不如空心菜.金魚藻在單株的TP吸收量上略高于空心菜［27］，卻由于其單位面積產(chǎn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及空心菜，故在吸收總量上不占優(yōu)勢(shì).用養(yǎng)殖廢水培養(yǎng)空心菜，不僅能凈化養(yǎng)殖池塘水質(zhì)，而且能帶來(lái)不小的經(jīng)濟(jì)效益.采用每21 d采收1次留茬15 cm的采收方式，人工浮床水培空心菜可每次獲得2.00 kg/m2的產(chǎn)量［13］，按100 m2池塘計(jì)算2個(gè)月可收割空心菜600 kg.研究結(jié)果表明人工浮床水培空心菜生長(zhǎng)優(yōu)于土培空心菜，平均株高和葉片葉綠素含量分別是土培的1.152倍和1.25倍，而黃婧等研究也表明水培空心菜鮮重為土培的3.54倍，干重為土培的1.12倍［1］，因此，人工浮床水培空心菜的生長(zhǎng)速率比土培大，植株生物量比土培高，且具有更高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，在水污染控制，特別是養(yǎng)殖廢水凈化中具有很大的應(yīng)用前景.

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