周勝杰，路斌，賈婷婷，陶宗龍，張鳳東，牛芳娟，劉博帥，陳成勛，通信作者，孫學(xué)亮，王慶奎

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4種水培植物對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體中總氮、總磷去除率影響的研究

周勝杰1，路斌1，賈婷婷1，陶宗龍2，張鳳東3，牛芳娟1，劉博帥1，陳成勛1，通信作者，孫學(xué)亮1，王慶奎1

（1. 天津農(nóng)學(xué)院水產(chǎn)學(xué)院天津市水產(chǎn)生態(tài)及養(yǎng)殖重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300384；2. 天津市津南區(qū)畜牧水產(chǎn)發(fā)展服務(wù)中心，天津300384；3. 地天億養(yǎng)殖水產(chǎn)公司，天津300384）

以睡蓮、水芹、美人蕉和空心菜4種水培植物為研究對(duì)象，比較它們對(duì)兩種富營(yíng)養(yǎng)化養(yǎng)殖水（TN＝23.5 mg/L，TP＝1 mg/L；TN＝40.5 mg/L，TP＝2 mg/L）的凈化作用。結(jié)果表明：4種水培植物對(duì)兩種養(yǎng)殖水都有除磷、除氮的作用（試驗(yàn)組與空白組有顯著差異），在試驗(yàn)168 h后，中度富營(yíng)養(yǎng)化養(yǎng)殖水中除總氮（TN）率為56%～83%，除總磷（TP）率為80%～81%，高度富營(yíng)養(yǎng)化養(yǎng)殖水中除TN率為60%～83%，除TP率為80%～85%；4種水培植物對(duì)水中TN、TP去除作用的晝夜變化分析發(fā)現(xiàn)，去除速率隨晝夜變化呈現(xiàn)明顯晝升夜降現(xiàn)象。本研究發(fā)現(xiàn)，睡蓮和美人蕉高效去除TN、TP區(qū)間較短，但最終濃度相差較小，二者有比水芹和空心菜更高的去除速率；不同根系對(duì)高濃度污染水的抗逆性能不同。

富營(yíng)養(yǎng)化水體；除磷；除氮；去除速率；水培植物

隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)的迅速發(fā)展，集約化養(yǎng)殖、池塘養(yǎng)殖等養(yǎng)殖模式中富營(yíng)養(yǎng)化污染問(wèn)題愈發(fā)突出。隨著養(yǎng)殖時(shí)間的增長(zhǎng)，水體環(huán)境及污泥中養(yǎng)殖動(dòng)物的排泄物、飼料殘?jiān)?、溶解態(tài)代謝物質(zhì)、藥物制劑等積累量不斷升高，這些物質(zhì)在細(xì)菌作用下形成大量的營(yíng)養(yǎng)鹽，導(dǎo)致養(yǎng)殖水富營(yíng)養(yǎng)化或水質(zhì)惡化，嚴(yán)重威脅動(dòng)物健康[1-2]。

水生植物修復(fù)是一種將生物方法和生態(tài)方法相結(jié)合的通用技術(shù)，具有耗能低、效果好、生態(tài)環(huán)保等特點(diǎn)[3]。水生植物通過(guò)升騰作用可以吸收部分水體中的營(yíng)養(yǎng)鹽，同時(shí)水生植物的根部可以為微生物提供降級(jí)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)所需要的生存環(huán)境和條件[4]。劉文生利用美人蕉凈化鱖魚苗種池塘水體，發(fā)現(xiàn)其水體渾濁度遠(yuǎn)低于對(duì)照池[5]。介子林等分別使用陸生植物及水生植物對(duì)鳙魚池塘進(jìn)行凈化處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)空心菜與大部分陸生植物和水生植物相比，生長(zhǎng)更為茂盛，具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，同時(shí)凈化效果也最為明顯[6]。宋紅等比較了燈心草、蘆葦和菖蒲3種植物的污染物凈化能力，結(jié)果發(fā)現(xiàn)燈心草、蘆葦、菖蒲對(duì)污染物均有較好的去除效果。目前，水生植物對(duì)養(yǎng)殖水體凈化功能的研究相對(duì)較多，而對(duì)中、高程度富營(yíng)養(yǎng)化養(yǎng)殖水體的研究相對(duì)較少[7]。本研究根據(jù)前人的研究基礎(chǔ)，采用睡蓮、空心菜、美人蕉、水芹菜4種凈化功能較好的植物對(duì)較高濃度N、P的池塘水體進(jìn)行凈化處理，了解其在中、重度污染環(huán)境中的凈化效果。同時(shí)將4種植物進(jìn)行比較，以發(fā)現(xiàn)凈化能力較好的植物并分析原因，為集約化養(yǎng)殖環(huán)境的生態(tài)修復(fù)和治理提供科學(xué)理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)選擇美人蕉、睡蓮、空心菜、水芹菜4種植物。在室外條件下構(gòu)建防雨塑料棚，試驗(yàn)采用30個(gè)200 L塑料水箱進(jìn)行，塑料水箱規(guī)格為100 cm×50 cm×40 cm。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)每種植物及每個(gè)濃度分別設(shè)3組重復(fù)，每種濃度設(shè)3組空白。富營(yíng)養(yǎng)化水體采集于天津農(nóng)學(xué)院精養(yǎng)養(yǎng)殖錦鯉水泥池塘內(nèi)，中濃度營(yíng)養(yǎng)鹽濃度分別為TN：23.5 mg/L、TP：1 mg/L、NH4+－N：15 mg/L、TOC：74 mg/L。高濃度富營(yíng)養(yǎng)化為TN：40.5 mg/L、TP：2 mg/L、NH4+－N：23.5 mg/L、TOC：76 mg/L。每個(gè)水箱分別注入100 L富營(yíng)養(yǎng)化水，將4種植物分別稱重500 g植入塑料泡沫中，放入水面懸浮，泡沫面積低于水與外界接觸面積1/3。

試驗(yàn)采集于2014年8月22-29日進(jìn)行，試驗(yàn)前后分別測(cè)定植物干重及濕重（試驗(yàn)前干重測(cè)定使用相同質(zhì)量規(guī)格的植物進(jìn)行測(cè)定）。每天早8：00及晚8：00取樣，即12 h/次。每次取樣100 mL用于水樣測(cè)定，分別測(cè)定TN、TP、TOC、NH4+－N。

1.3 試驗(yàn)方法

將植株樣品用去離子水洗凈，在105 ℃下殺青固定30 min，再在70 ℃下烘干至恒重，測(cè)定其干物質(zhì)質(zhì)量。

水樣采用紫外分光光度法測(cè)定，分別測(cè)定NH4+－N、TN、TP[1]。TOC采用島津TOC分析儀進(jìn)行測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

運(yùn)用excel、spss進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 水培植物在中、高污染水中對(duì)TN、TP的去除效果

4種水培植物在中、高濃度污染水中生長(zhǎng)旺盛，葉片鮮綠。在試驗(yàn)開始和試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的TN、TP濃度以及去除百分率列于表1和表2。

由表1和表2可知，中濃度污染水中除N率為56%～83%，除P率為80%～81%，高濃度富營(yíng)養(yǎng)化養(yǎng)殖水中除N率為60%～83%，除P率為80%～85%。該數(shù)據(jù)表明，水培植物在中、高濃度富營(yíng)養(yǎng)化養(yǎng)殖水中有明顯的除P、除N能力。在中濃度富營(yíng)養(yǎng)化養(yǎng)殖水中，除N效果為美人蕉＞睡蓮＞水芹＞空心菜＞空白，除P效果相同；在高濃度富營(yíng)養(yǎng)化養(yǎng)殖水中，除N效果為美人蕉＞睡蓮＞空心菜＞水芹，除P效果為睡蓮＞美人蕉＞空心菜＞水芹＞空白?？傮w來(lái)說(shuō)，美人蕉和睡蓮的除P脫N效果好于水芹和空心菜。除水芹外，其余3種水培植物隨營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的濃度增加去除率增加。

表1 水培植物在中（TN1）、高（TN2）濃度TN環(huán)境下除N效果

表2 水培植物在中（TP1）、高（TP2）濃度TP環(huán)境下的除P效果

2.2 水培植物在富營(yíng)養(yǎng)化養(yǎng)殖水中對(duì)N、P的去除速度比較

由表3和表4可知，美人蕉和睡蓮達(dá)到穩(wěn)定期所需時(shí)間較短，而水芹和空心菜所需時(shí)間較長(zhǎng)， 4株植物在中度污染水中到達(dá)穩(wěn)定期所需時(shí)間少于在高濃度污染水中到達(dá)穩(wěn)定期所需時(shí)間。但在高濃度污染水中的氮磷去除速率大與等于低濃度污染水。美人蕉和睡蓮在中、高濃度污染水中的除氮速率（0.27、0.22和0.31、0.25）比水芹和空心菜高出一個(gè)數(shù)量級(jí)，除磷速率也明顯高于水芹和空心菜。

表3 兩種不同濃度富營(yíng)養(yǎng)化養(yǎng)殖水中TN到達(dá)穩(wěn)定期時(shí)間及其在高速去除率時(shí)去除速率

表4 兩種不同濃度富營(yíng)養(yǎng)化養(yǎng)殖水中TP到達(dá)穩(wěn)定期時(shí)間及其在高速去除率時(shí)的去除速率

2.3 中、高濃度污染水中TN、TP和TOC的變化分析

由圖1至圖6可知，隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)，TN、TP和TOC都呈明顯下降趨勢(shì)，4種水培植物均能有效去除富營(yíng)養(yǎng)化養(yǎng)殖水中的TN、TP和TOC。

圖1 中濃度污染水中TN變化

圖2 高濃度污染水中TN變化

圖3 中濃度污染水中TP變化

圖4 高濃度污染水中TP變化

圖5 中濃度污染水中TOC變化

圖6 高濃度污染水中TOC 變化

2.4 4種水培植物對(duì)中、高濃度污染水中TN和TP去除效果的差異性分析

由表5、表6可知，4種水培植物無(wú)論在中濃度或者高濃度污水中，對(duì)TN和TP的去除效果均與空白對(duì)照呈顯著差異。從另一方面說(shuō)明4種水培植物對(duì)中、高濃度污染水的TN、TP有明顯去除能力。水芹在高濃度污水中對(duì)TP的去除效果與其余3中水培植物呈現(xiàn)顯著差異，從側(cè)面說(shuō)明水芹對(duì)TP的去除效果較其余3種差。綜合表5和表6可知，美人蕉和睡蓮的差異性較小。

表5 水培植物在中（TN1）、高（TN2）濃度TN環(huán)境下除氮差異性分析

注：＜0.1差異顯著，＜0.05 差異極顯著

表6 水培植物在中（TP1）、高（TP2）濃度TP環(huán)境下除氮差異性分析

注：＜0.1差異顯著，＜0.05 差異極顯著

3 討論

在自然環(huán)境下，水體中的營(yíng)養(yǎng)鹽會(huì)通過(guò)環(huán)境中的藻、細(xì)菌等微生物的作用漸漸消除，最終達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的平衡[8-10]。而水培植物可有效降低水體中的N、P濃度，可在短時(shí)間內(nèi)迅速降低N、P至達(dá)到穩(wěn)定，并且平衡后的濃度低于自然水體[11-15]。水體中浮游動(dòng)植物可分解大量的營(yíng)養(yǎng)鹽及有機(jī)質(zhì)，同時(shí)可為水培植物生長(zhǎng)提供大量的營(yíng)養(yǎng)成分，從而兩者建立互利共生關(guān)系，形成天然的凈水系統(tǒng)。美人蕉和睡蓮有發(fā)達(dá)的塊狀根，與須狀根相比具有更發(fā)達(dá)的根系，可為浮游動(dòng)植物及微生物提供良好的生長(zhǎng)環(huán)境及生存場(chǎng)所，促進(jìn)其生長(zhǎng)的同時(shí)促進(jìn)對(duì)水體中N、P、C的充分吸收與固定。在自身降磷、除氮的同時(shí)，為植物的生長(zhǎng)提供了充足的營(yíng)養(yǎng)成分，從而促進(jìn)了水培植物對(duì)N、P的吸收，提高吸收效率。發(fā)達(dá)的根系還可以提高水培植物對(duì)水中營(yíng)養(yǎng)鹽的吸收面積，為植物的光合作用和生長(zhǎng)提供充足的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，促進(jìn)水培植物快速生長(zhǎng)，促進(jìn)對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的吸收，進(jìn)一步提高對(duì)N、P的除磷速率。

在水產(chǎn)養(yǎng)殖水域環(huán)境中，不同水培植物在進(jìn)入新環(huán)境時(shí)的適應(yīng)能力不同。在高濃度水產(chǎn)養(yǎng)殖水域環(huán)境中美人蕉和睡蓮有更好的抗逆性和適應(yīng)能力。在本試驗(yàn)中，4種水培植物均呈現(xiàn)出不同程度的波動(dòng)，美人蕉和睡蓮最先進(jìn)入穩(wěn)定期，這可能是由于根系不同。一方面，具有塊狀根和地下莖的美人蕉和睡蓮與須根植物不同，在惡劣的環(huán)境下有更強(qiáng)的適應(yīng)能力，另一方面，由于富營(yíng)養(yǎng)化養(yǎng)殖水環(huán)境中無(wú)機(jī)鹽濃度過(guò)高，植物根須腐爛，同時(shí)植物通過(guò)光合作用吸收水中的N、P，導(dǎo)致養(yǎng)殖水體產(chǎn)生N、P的晝夜?jié)舛炔▌?dòng)，植物能夠通過(guò)光合作用和自身的恢復(fù)能力快速修復(fù)。在高濃度水產(chǎn)養(yǎng)殖水域環(huán)境中，美人蕉和睡蓮試驗(yàn)組水體中N、P濃度晝夜波動(dòng)較小，并最先達(dá)到穩(wěn)定期，說(shuō)明塊狀根和地下莖具有較高的恢復(fù)能力和適應(yīng)能力。

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責(zé)任編輯：張愛婷

Study of Four Kinds of Hydroponic Plant on Removal Efficiency of Total Nitrogen，Total Phosphorus of Eutrophication Aquaculture Water

ZHOU Sheng-jie1，LU bin1，JIA Ting-ting1，TAO Zong-long2，ZHANG Feng-dong3，NIU Fang-juan1，LIU Bo-shuai1，CHEN Cheng-xun1，Corresponding Author，SUN Xue-liang1，WANG Qing-kui1

（1. Tianjin Key Laboratory of Aqua-Ecology and Aquaculture, College of Fisheries, Tianjin Agricultural University, Tianjin 300384, China; 2. Jinnan District Livestock and Fisheries Development Center, Tianjin 300384, China; 3. Days Billion to Aquaculture Company, Tianjin 300384, China）

Compared the capability of water purification among various hydroponic plants（L.,（Blume）DC,L. andForsk）in two different aquaculture water（TN＝23.5 mg/L, TP＝1 mg/L；TN＝40.5 mg/L, TP＝2 mg/L）, and the results showed that 4 hydroponic plants had significant ability of removal nitrogen and phosphorus. After 168 h,total nitrogen（TN）removal rate is 56%～83%, andtotal phosphorus（TP）removal rate is 80%～81% in middle eutrophic aquaculture water.Total nitrogen（TN）removal rate is 60%～83%, andtotal phosphorus（TP） removal rate in high eutrophic aquaculture water is 80%～85%.All four different hydroponic plants removal rate of TN and TP rose up in daytime but dropped at night. It also showed that,L. andLhad better removal rate of removal phosphorus and nitrogen than（Blume）DC andForsk.

eutrophication water; phosphorus removal; nitrogen removal; the removal rate; hydroponic plant

1008-5394（2017）01-0044-04

Q945.13

A

2016-01-15

國(guó)家星火計(jì)劃項(xiàng)目“熱帶觀賞魚循環(huán)水養(yǎng)殖技術(shù)集成與示范”（2014GA610001）及“水產(chǎn)品健康養(yǎng)殖、加工與質(zhì)量安全控制產(chǎn)業(yè)化示范——淡水魚優(yōu)質(zhì)苗種產(chǎn)業(yè)化示范”（2013GA610002）及“水產(chǎn)品健康養(yǎng)殖、加工與質(zhì)量安全控制產(chǎn)業(yè)化示范——團(tuán)頭魴健康養(yǎng)殖技術(shù)示范與推廣”（2013GA610002）；天津市科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“名貴淡水魚封閉循環(huán)式養(yǎng)殖技術(shù)開發(fā)”（14ZCZDNC00010）

周勝杰（1990-），男，山東濟(jì)寧人，碩士在讀，主要從事漁業(yè)資源管理研究。E-mail：zsj_9005@163.com。

陳成勛（1967-），男，天津市人，研究員，學(xué)士，主要從事水產(chǎn)養(yǎng)殖及養(yǎng)殖魚類環(huán)境改善研究。E-mail：604804965@qq.com。