陳 華，衛(wèi)堅(jiān)強(qiáng),2，尹 梅，陳檢峰，王志遠(yuǎn)，洪麗芳，蘇 帆，任習(xí)榮，高朝雙，付利波*

(1.云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境資源研究所，云南 昆明 650205；2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，云南 昆明 650201；3.昭通市土壤肥料工作站，云南 昭通 663000；4.宣威市板橋街道農(nóng)業(yè)綜合服務(wù)中心，云南 宣威 655413)

【研究意義】隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的不斷發(fā)展，水產(chǎn)養(yǎng)殖水未經(jīng)處理而大量排放，給水域環(huán)境造成嚴(yán)重的威脅。目前水產(chǎn)養(yǎng)殖通常采用高密度養(yǎng)殖，而這種養(yǎng)殖方式往往需要投入大量的餌料及魚(yú)藥，導(dǎo)致水質(zhì)惡化，污染日趨嚴(yán)重[1]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】水產(chǎn)養(yǎng)殖水體中的污染物多為氮、磷等植物性營(yíng)養(yǎng)元素及COD、BOD等有機(jī)污染物[2]。據(jù)報(bào)道，所投餌料有10 %～20 %并不被養(yǎng)殖動(dòng)物所攝食，而是存留于水體環(huán)境中；被攝食的氮有20 %～25 %用于生長(zhǎng)，75 %～80 %以糞便和代謝物形式排入水體；被攝食的磷有25 %～40 %用于生長(zhǎng)，60 %～75 %排入水體[3]。這樣會(huì)造成水體富營(yíng)養(yǎng)化，嚴(yán)重時(shí)形成藻類(lèi)水華，造成嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前，利用植物凈化水體的研究越來(lái)越受到人們的重視，植物凈化水體的原理主要是利用植物對(duì)氮磷等營(yíng)養(yǎng)元素的吸收和根系微生物對(duì)污染物的降解來(lái)達(dá)到凈化水質(zhì)的目的[4-6]。利用植物凈化水體具有投資和維護(hù)成本低、操作簡(jiǎn)單、不造成二次污染的特點(diǎn)[7]。近幾年，利用植物凈化水體的研究報(bào)道較多，但利用蔬菜對(duì)養(yǎng)殖水進(jìn)行再吸收利用鮮有人報(bào)道?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】文章以空心菜和薄荷2種經(jīng)濟(jì)作物為試材，研究空心菜和薄荷對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水中污染物的凈化效果。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)以空心菜和薄荷為供試材料，在供試水體中預(yù)培養(yǎng)14 d后選取生長(zhǎng)良好并均勻一致的植株苗各540株，用去離子水將植株苗洗干凈用于本試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2015年4月12日至2015年6月12日在云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源環(huán)境研究所零排放大棚(24°35′26.13″ N，102°40′44.20″ E)中進(jìn)行。試驗(yàn)用長(zhǎng)方體白色PE板做成的水培床(3.6 m×70 m×12 cm)中進(jìn)行，蔬菜種植在漂浮盤(pán)(70 cm×35 cm)里，每盤(pán)有18個(gè)孔用于種植蔬菜。試驗(yàn)設(shè)3處理，其中處理1為對(duì)照，即養(yǎng)殖水循環(huán)但不種蔬菜，用10個(gè)上述規(guī)格的漂浮盤(pán)覆蓋；處理2為10個(gè)分別種植18株空心菜的漂浮盤(pán)(70 cm×35 cm)漂于水培床中；處理3為10個(gè)分別種植18株薄荷的漂浮盤(pán)(70 cm×35 cm)漂于水培床中；3次重復(fù)，試驗(yàn)周期為60 d。

試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，每個(gè)處理水培床中分別放250 L混勻的養(yǎng)殖水，每個(gè)栽培床配一個(gè)裝有300 L相同濃度混勻的養(yǎng)殖水的避光循環(huán)水池和1臺(tái)小型抽水機(jī)，每天養(yǎng)殖水由抽水機(jī)從避光水池抽出，經(jīng)栽培床循環(huán)后回流到避光循環(huán)水池中，如此共循環(huán)4 h，水流量控制在0.35 m3/m2/d。為檢測(cè)兩種蔬菜不同生育期對(duì)循環(huán)養(yǎng)魚(yú)水水質(zhì)的凈化效果，每隔10 d在每個(gè)水培床中取1個(gè)水樣。試驗(yàn)所用魚(yú)塘養(yǎng)殖水基本水質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

各污染物的去除率(R)按下列公式計(jì)算[11]：R(%)=(CiVi-CeVe)/CiVi×100

式中，Ci為加入水樣的污染物濃度(mg/L)；Ce為植物吸收10 d后水體污染物濃度(mg/L)；Vi為加入水樣的體積(L)；Ve為植物吸收10 d后栽培槽中水體積。

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

試驗(yàn)數(shù)據(jù)運(yùn)用Excel辦公軟件處理，并運(yùn)用SPSS17.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水培蔬菜在養(yǎng)殖水中生長(zhǎng)狀況分析

在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，2種蔬菜植株單株生物量、最長(zhǎng)根長(zhǎng)以及平均株高的生長(zhǎng)情況如圖1所示?？招牟撕捅『稍诠┰囁w中生長(zhǎng)狀況良好。其生物量、最長(zhǎng)根長(zhǎng)、株高均隨生長(zhǎng)時(shí)間一直在增加。試驗(yàn)進(jìn)行到20 d時(shí)，空心菜生物量漸漸高于薄荷，在生長(zhǎng)后期，空心菜長(zhǎng)勢(shì)明顯好于薄荷。

2.2 不同水培蔬菜對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖水氮去除率的影響

2.2.1 不同水培蔬菜對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖水總氮去除率的影響 從圖2可知，空心菜和薄荷對(duì)總氮均有一定的去除能力，其中，在試驗(yàn)進(jìn)行到第10 d時(shí)，空心菜和薄荷對(duì)總氮的去除率最高，均在70 %左右；在試驗(yàn)進(jìn)行到20～40 d，2種蔬菜對(duì)總氮去除率均較低，最低還不到10 %；在試驗(yàn)進(jìn)行到50～60 d時(shí)，2種蔬菜對(duì)總氮去除率均明顯升高，其中薄荷去除效果較好，但二者之間差異不顯著。同時(shí)試驗(yàn)結(jié)果還顯示，在養(yǎng)殖水總氮含量在4.04 mg/L以內(nèi)，隨著養(yǎng)殖水濃度增高，蔬菜對(duì)循環(huán)養(yǎng)殖水總氮的去除率在增加。

2.2.2 不同水培蔬菜對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖水銨態(tài)氮去除效果的影響 通過(guò)每隔10 d換水時(shí)對(duì)試驗(yàn)水培床循環(huán)養(yǎng)殖水銨態(tài)氮進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果(圖3)，發(fā)現(xiàn)在該試驗(yàn)條件下，養(yǎng)魚(yú)水每天循環(huán)4 h，對(duì)水質(zhì)銨態(tài)氮的積累有一定的抑制作用，其中空心菜和薄荷生長(zhǎng)到10 d時(shí)，對(duì)氨態(tài)氮的去除能力均達(dá)到最大，分別為空心菜(83.18 %)、薄荷(80.97 %)；其中空心菜對(duì)氨態(tài)氮的去除能力高于薄荷，但整體差異不顯著。

表1 供試水體水質(zhì)

圖1 水培蔬菜的生長(zhǎng)狀況Fig.1 Growth status of two hydroponic vegetables

2.2.3 不同水培蔬菜對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖水硝態(tài)氮去除率的影響 通過(guò)對(duì)不同處理循環(huán)養(yǎng)殖水測(cè)定硝態(tài)氮，并計(jì)算2種蔬菜對(duì)循環(huán)養(yǎng)魚(yú)水硝態(tài)氮去除率(圖4)發(fā)現(xiàn)，除試驗(yàn)開(kāi)展第10 天外，2種蔬菜對(duì)循環(huán)養(yǎng)殖水硝態(tài)氮均有一定的去除作用，且隨著生物量增加，2種蔬菜對(duì)養(yǎng)殖水硝態(tài)氮的去除能力均不斷提高。其中空心菜對(duì)循環(huán)養(yǎng)殖水中硝態(tài)氮的去除能力高于薄荷，但差異不顯著。

2.3 2種水培蔬菜對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖水總磷去除率的影響

通過(guò)對(duì)整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中水體總磷的跟蹤監(jiān)測(cè)，空心菜和薄荷對(duì)水體總磷均具有較強(qiáng)的去除能力(圖5)，其中空心菜對(duì)水體總磷去除能力高于薄荷?？招牟藢?duì)總磷的去除能力隨著時(shí)間的推進(jìn)不斷增加，到50 d時(shí)，空心菜對(duì)水體總磷的去除率達(dá)到最大，為96.87 %；薄荷對(duì)總磷的去除率先增高后降低，到40 d時(shí)，薄荷對(duì)水體總磷的去除率達(dá)到最大，為83.94 %，隨后降低，到60 d時(shí)，由于薄荷衰老木質(zhì)化程度加劇，對(duì)總磷的吸收能力明顯降低。

圖2 各處理總氮去除率的動(dòng)態(tài)變化Fig.2 Dynamic changes of removal rates of TN in different treatments

圖3 各處理氨態(tài)氮去除率的動(dòng)態(tài)變化Fig.3 Dynamic changes of removal rates of in different treatments

圖4 各處理硝態(tài)氮去除率的動(dòng)態(tài)變化Fig.4 Dynamic changes of removal rates of in different treatments

圖5 各處理總磷去除率的動(dòng)態(tài)變化Fig.5 Dynamic changes of removal rates of TP in different treatments

圖6 各處理BOD5去除率的動(dòng)態(tài)變化Fig.6 Dynamic changes of removal rates of BOD5 in different treatments

2.4 2種水培蔬菜對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖水BOD5去除率的影響

經(jīng)過(guò)60 d的定點(diǎn)監(jiān)測(cè)，2種蔬菜對(duì)BOD5的去除率變化如圖6所示，總體表現(xiàn)為先增加后下降的趨勢(shì)，去除率的變化較穩(wěn)定。在第30天時(shí)，空心菜組和薄荷組對(duì)BOD5去除率分別為95.55 %和91.94 %，達(dá)到最大。在整個(gè)過(guò)程中，空心菜組都顯著高于對(duì)照組(P<0.05)，在30和40 d時(shí)，薄荷組顯著高于對(duì)照組，而2種植物組在整個(gè)過(guò)程中都不存在顯著差異性(P>0.05)。

3 討 論

在該試驗(yàn)條件下，空心菜和薄荷在供試水體中生長(zhǎng)狀況良好。有研究表明，植物從水中直接吸收氮素不是植物去除水中氮的唯一途徑，其作用還包括根系微生物硝化/反硝化作用、植株與微生物的協(xié)同作用等幾個(gè)方面[21]。2種蔬菜對(duì)循環(huán)養(yǎng)殖水中總氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、總磷均有較強(qiáng)的去除作用。

在試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，植物吸收作用較弱，主要通過(guò)微生物的硝化作用將氨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，使水體中的硝態(tài)氮不斷積累，造成硝態(tài)氮濃度增加。隨著時(shí)間推移，植物根系不斷增長(zhǎng)，為提供自身生長(zhǎng)的需要，植物從水體中吸收氮素，且發(fā)達(dá)的根部附近能夠呈現(xiàn)出連續(xù)的厭氧、缺氧、好氧過(guò)程，相當(dāng)于許多并聯(lián)或串聯(lián)的A2/O 處理單元，使硝化和反硝化作用同時(shí)進(jìn)行[22]，從而使氨態(tài)氮和硝態(tài)氮的去除率有所增加。隨著時(shí)間推移，植株根系活動(dòng)不斷增強(qiáng)，對(duì)水體氮素的去除逐漸保持一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)。

在植物生長(zhǎng)的過(guò)程中，植物根系及根系分泌物都有助于系統(tǒng)中的有機(jī)物積累量增加[23]，這使得水培蔬菜對(duì)BOD5的去除率較穩(wěn)定，整個(gè)過(guò)程中都高于60 %，且表現(xiàn)為隨著植物的生長(zhǎng)，蔬菜對(duì)BOD5的去除率在增加。

4 結(jié) 論

綜上所述，空心菜和薄荷在循環(huán)養(yǎng)殖水中生長(zhǎng)正常，二者對(duì)養(yǎng)殖水總氮、氨態(tài)氮、硝態(tài)氮、總磷和BOD5去除效果均較好，最高去除率分別高達(dá)77.89 %、83.18 %、95.55 %、93.43 %、95.55 %和77.56 %、80.97 %、94.95 %、83.94 %、91.94 %。其中空心菜對(duì)總氮、氨態(tài)氮、硝態(tài)氮、總磷的去除能力優(yōu)于薄荷，但整體差異不顯著。在蔬菜生長(zhǎng)10 d時(shí)，對(duì)總氮、氨態(tài)氮的去除效果最好；且去除能力隨蔬菜生物量增加不斷提高。

參考文獻(xiàn)：

[1]房英春,劉廣純,田 春.養(yǎng)殖水體污染對(duì)養(yǎng)殖生物的影響及水體的修復(fù)[J].中國(guó)水產(chǎn),2005(4):78-80.

[2]吳 偉,范立民.水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境的污染及其控制對(duì)策[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào),2014,16(2):26-34.

[3]馮俊榮,李秉鈞.合理進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)調(diào)控緩解養(yǎng)殖水體富營(yíng)養(yǎng)化[J].齊魯漁業(yè),2004(10):3-5.

[4]Li X N, Song H L, Li W, et al. An integrated ecological floating-bed employing plant freshwater clam and biofilm carrier for purification of eutropHic water[J]. Ecological Engineering,2010,36(4): 382-390.

[5]Zhou X H, Wang G X. Nutrient concentration variations during Oenanthe javanica growth and decay in the ecological floating bed system[J]. Journal of Environmental Sciences,2010,22(11): 1710-1717.

[6]Stottmeister U, Wieβner A, Kuschk P, et al. Effects of plants and microorganisms in constructed wetlands for waste water treatment[J]. Biotechnology Advances,2003,22(1-2): 93-117.

[7]劉弋潞,何宗健.水生植物凈化富營(yíng)養(yǎng)化水質(zhì)的機(jī)理探討和研究進(jìn)展[J].江西化工,2006,8(1):27-30.

[8]魯如坤.土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法[M].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)科技出版社,2000.

[9]吳建之,葛 瀅.過(guò)硫酸鉀氧化吸光光度法測(cè)定植物總氮[J].理化檢驗(yàn):化學(xué)分冊(cè), 2000, 36(4):166-167.

[10]國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》編委會(huì).水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法[M].北京: 中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社,2002.

[11]葛 瀅,王曉月,常 杰.不同程度富營(yíng)養(yǎng)化水中植物凈化能力比較研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),1999,19(6):690-692.

[12]黃余春,田 昆,岳海濤,等.云南高原4種濕地植物群落對(duì)生活污水TP、COD凈化效果研究[J].西部林業(yè)科學(xué),2012,41(2):33-37.

[13]周金娥,唐立峰.人工濕地系統(tǒng)的除污機(jī)理/及影響因素探討[J].土壤, 2009, 41(4): 520-524.

[14]Korner S, Das S K, Veensta S, et al. The effect of pH variation at the ammonium/ammonia equilibrium in wastewater and its toxicity to Lemn a gibba[J]. Aquatic Botany, 2001, 7(11): 71-78.

[15]劉春光,金相燦,孫 凌,等.水體pH和曝氣方式對(duì)藻類(lèi)生長(zhǎng)的影響[J].環(huán)境污染與防治, 2006, 28(3): 161-163.

[16]方云英,楊肖娥,常會(huì)慶,等.利用水生植物原位修復(fù)污染水體[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2008,19(2): 407-412.

[17]張文明.植物凈化富營(yíng)養(yǎng)化水體效果及機(jī)理研究[D].南京:河海大學(xué),2007.

[18]熊 飛,李文朝,潘繼征,等.人工濕地脫氮除磷的效果與機(jī)理研究進(jìn)展[J].濕地科學(xué),2005,3(3): 228-234.

[19]李建娜,胡曰利,吳曉芙,等.人工濕地污水處理系統(tǒng)中的植物氮磷吸收富集能力研究[J].環(huán)境污染與防治, 2007, 29(7): 506-509.

[20]許 航,陳煥壯,熊啟權(quán).水生植物塘脫氮除磷的效能及機(jī)理研究[J].哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報(bào),1999, 32(4): 69-73.

[21]黃 亞,傅以鋼,趙建夫.富營(yíng)養(yǎng)化水體水生植物修復(fù)機(jī)理的研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2005, 24(S1): 379-383.

[22]戢小梅,許 林,謝焰鋒,等.水生植物對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化程度不同水體氮磷去除效果的研究[J].西南農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2015,28(2):809-814.

[23]楊宗慧,李亞園,馬貴鵬,等.人工濕地工藝在污水處理中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)分析濕地植物對(duì)模擬污水的凈化能力研究[J].西南農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2017,30(7): 1652-1656.