楊 芳，楊妙峰，鄭盛華，林永青，鄭惠東，溫 憑，李衛(wèi)林，羅冬蓮

(1.福建省水產研究所，福建省海洋生物增養(yǎng)殖與高值化利用重點實驗室，福建 廈門 361013；2.福建省海洋生物資源開發(fā)利用協(xié)同創(chuàng)新中心，福建 廈門 361102)

福建省東山灣八尺門海域曾是我國最大的網(wǎng)箱養(yǎng)殖基地，由于過度養(yǎng)殖和水交換條件差，殘餌、代謝及排泄物、生物殘骸等廢物大量積累，近年來養(yǎng)殖區(qū)海水中氮、磷濃度超標，在不利的氣候條件下經(jīng)常發(fā)生大面積的網(wǎng)箱養(yǎng)魚死亡事故[1]，嚴重制約養(yǎng)殖業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。因此，東山灣受損的養(yǎng)殖生境亟待修復。

生態(tài)浮床技術具有投資少、工藝簡便、管理方便、生態(tài)風險相對較低、景觀效果好等優(yōu)點，在以富營養(yǎng)化為主體的污染水體治理中得到了廣泛研究與應用[2]。大多數(shù)浮床植物因缺乏耐鹽機制而應用于淡水環(huán)境的治理(如地表水[3]、城市內河[4]、內湖[5]等)，海水環(huán)境的浮床植物選擇極少，海馬齒(Sesuviumportulacastrum)因其良好的耐鹽特性，在海水環(huán)境修復中具有獨特的優(yōu)越性。

海馬齒又名濱水菜、濱莧、海馬齒莧、濱馬齒莧，屬于番杏科(Aizonaceae)海馬齒屬(Sesuvium)，是一種生長在海邊沙地及河流入?？趦砂稙┩康貛У亩嗄晟赓|草本鹽生植物，在全淡水和全海水環(huán)境中均能正常生長，具有耐鹽堿、耐高溫、耐淹、耐旱、耐強光且抗重金屬污染等自然特性[6-7]，且分蘗繁殖快、移栽易成活、擴繁可控、對污染物修復能力強，是海水環(huán)境理想的修復植物。

海馬齒具有較強的環(huán)境適應性，其結構、生理、分子生物學和蛋白質組學的耐鹽[8-14]和耐重金屬[15-21]機制研究已有較多報道。實驗室條件下，海馬齒對海水的氮[22]、磷[23]、懸浮物[24]、重金屬[25]和多環(huán)芳烴[26]具有良好的修復能力。在實際應用方面，海馬齒能夠凈化半咸水潟湖[27]和養(yǎng)殖池塘的污水，如羅非魚養(yǎng)殖水缸[28]、石斑魚工廠化養(yǎng)殖車間[29]、泥蚶實驗池塘[30]、對蝦養(yǎng)殖池塘[31]、混養(yǎng)池塘[32-34]等。而將海馬齒浮床應用于開放海區(qū)進行原位修復的研究還未見報道。

基于此，本文通過構建海馬齒生態(tài)浮床，在東山灣八尺門網(wǎng)箱養(yǎng)殖海區(qū)開展原位生境修復研究，分析海馬齒在八尺門海區(qū)的生長狀況及其對碳、氮、磷等元素的去除能力，旨在減輕網(wǎng)箱養(yǎng)殖自身污染，服務海灣環(huán)境保護和海水養(yǎng)殖業(yè)健康發(fā)展，為海馬齒修復技術的推廣提供基礎資料和參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

東山灣八尺門，位于福建省漳州市東山縣(東山島)北端，與云霄縣陳岱隔海相望。試驗地點位于八尺門海堤東側、跨海渡槽西側的魚類網(wǎng)箱養(yǎng)殖海域(圖1)。

1.2 試驗方法

制作低污染、環(huán)保型、高浮力的適用于網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)的新型生態(tài)浮床(單片規(guī)格為2.7 m×0.95 m)，利用PVC管和泡沫板提供浮力，浮力可達60 kg以上。通過連接繩將多片浮床單體組合后，固定于網(wǎng)箱內。

于2013年5月，在八尺門魚類網(wǎng)箱養(yǎng)殖海域引種海馬齒植株約3 000株，采用扦插的方式將海馬齒種苗(株高0.15 ～0.20 m)移植于生態(tài)浮床上(株距0.15 m)，莖段下部浸沒于海水中。

以鋪設海馬齒浮床的網(wǎng)箱(面積約420 m2)作為修復區(qū)，在與潮流垂直(即與跨海渡槽平行)的方向上以無浮床的傳統(tǒng)網(wǎng)箱(面積約448 m2)作為對照區(qū)。修復區(qū)與對照區(qū)距離約80 m，均養(yǎng)殖美國紅魚(Sciaenopsocellatus)，體重約500 g/尾，每口網(wǎng)箱養(yǎng)殖200尾，采樣點如圖1所示。修復區(qū)和對照區(qū)海域東側由于海堤阻隔，水體交換受阻，淤積嚴重，水深較小(低潮時僅1.5～2.0 m)，懸浮物含量高，透明度低，不利于大型海藻光合作用，而海馬齒因有浮床載體支撐，其光合作用不受水體透明度影響。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 海馬齒生物學及C、N、P含量測定

從海馬齒生態(tài)浮床定期隨機采集海馬齒植株30株以上，放入封口袋，帶回實驗室洗凈后測定植株鮮重和C、N、P含量，其中C、N含量用元素分析儀(Elementar Vario EL Ⅲ)進行測定，P含量按照《飼料中總磷的測定》(GB/T 6437-2002)用分光光度法進行測定。

1.3.2 海水水質測定。

于2015年5月(原位修復滿2年)，分別在浮床修復區(qū)(117.414 7°E，23.772 5°N)和對照區(qū)(117.415 0°E，23.772 8°N)采集水樣進行水質分析。水質采集和樣品測定按照《海洋監(jiān)測規(guī)范》(GB 17378.7—2007)和《海洋調查規(guī)范》(GB/T 12763-2007)的規(guī)定執(zhí)行。用WTW3430多參數(shù)分析儀現(xiàn)場測定水體溫度、鹽度、pH和溶解氧(DO)。

各化學指標方法：采用重量法測定懸浮物(SS)含量；采用儀器法測定總有機碳(TOC)含量；采用堿性高錳酸鉀法測定化學需氧量(COD)含量；采用過硫酸鉀氧化法測定總氮(TN)、總磷(TP)含量；采用萘乙二胺分光光度法測定亞硝酸鹽氮(NO2-N)含量；采用鋅鎘還原分光光度法測定硝酸鹽氮(NO3-N)含量；采用次溴酸鹽分光光度法測定氨氮(NH4-N)含量；采用磷鉬蘭分光光度法測定活性磷酸鹽(PO4-P)含量；采用紫外分光光度法測定石油類(Oil)含量。

去除率的計算公式為：去除率/%=(ρCK-ρp)/ρCK

其中ρCK為對照區(qū)海水中各指標的含量，ρp為修復區(qū)海水中各指標的含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010軟件進行作圖。采用SPSS 23統(tǒng)計軟件對修復區(qū)和對照區(qū)的水質數(shù)據(jù)進行單因素方差分析，P<0.05表示差異顯著，P<0.01表示差異極顯著。

2 結果與分析

2.1 修復植物海馬齒的生長狀況

在東山灣八尺門海區(qū)合適的水溫(5月平均水溫25.6℃)、鹽度(平均鹽度29.5)等環(huán)境條件下，海馬齒移植成活率為82%。初始平均莖長0.15 m、生物量167.5 g/m2的海馬齒生長迅速，扦插后1～2周生出新的根須；1～2個月后長勢旺盛，根系漸趨發(fā)達；6個月后，海馬齒生長可達旺盛期并綻開粉紫色小花，生物量達6 100.0 g/m2，增重35倍。經(jīng)過一年的生長，海馬齒平均莖長1.28 m，平均莖葉重94.2×103g/m2；平均根須長0.52 m，平均根須重58.3×103g/m2；生物量達152.5×103g/m2，增重909倍。養(yǎng)殖區(qū)海面上海馬齒生態(tài)浮床郁郁蔥蔥，具有良好的景觀效益。

2.2 海馬齒的C、N、P儲量

經(jīng)測定，海馬齒C、N、P元素占干重的百分含量分別為34.19%、2.48%、0.15%；根據(jù)生物量測定結果換算，海馬齒C、N、P儲量如表1所示。經(jīng)過6個月的生長，海馬齒的C、N、P儲量增加了35倍；經(jīng)過一年的生長，C、N、P的儲量比初始時增加了909倍，其中莖葉的貢獻率占61.8%，根須的貢獻率占38.2%。此外，海馬齒通過其發(fā)達的根系形成巨大的網(wǎng)狀結構，可過濾、吸附大量懸浮物質，這部分顆粒物中的C、N、P亦可通過植物收獲從養(yǎng)殖生境中移除。

表1 海馬齒的C、N、P儲量

2.3 海馬齒生態(tài)浮床對海水水質的原位修復效果

2.3.1 海馬齒生態(tài)浮床對N、P的去除率

經(jīng)過兩年的原位修復，海馬齒浮床修復區(qū)海水中各種形態(tài)的N、P含量均顯著低于對照區(qū)(P<0.05)，各物質去除率按從高到低的順序如圖3所示。

1)TN、TP、PO4-P

海馬齒浮床對TN、TP的去除率分別為11.7%、1.8%。雖然海馬齒對TP的去除率較低，但對PO4-P的去除率為9.2%。植物組織及根際微生物吸收、根系滯留、根際周圍硝化反硝化作用是植物去除TN的主要途徑[35]。養(yǎng)殖水體中磷的去除，一方面以磷酸鹽沉降并固結在基質上的形式[36]，另一方面通過植物吸收和微生物活動來完成，可溶性磷被植物吸收后從水體中去除，有機物大分子先經(jīng)過胞外酶(如堿性磷酸酶)的水解作用轉化為低分子量化合物后被微生物利用。海馬齒根際效應明顯，可顯著增加根際微生物數(shù)量和提高堿性磷酸酶活性[22]，加速有機污染物的吸收、轉化和降解過程。

2)DIN

浮床對溶解態(tài)無機氮(DIN)的去除率達16.7%，其中，海馬齒對NH4-N和NO3-N的去除率最高，分別達19.9%和16.4%，對NO2-N的去除效果一般，僅為1.8%。海水中DIN的存在形式主要為氨氮、亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮，對魚類產生毒害作用的氮形態(tài)主要為游離氨和亞硝態(tài)氮鹽。當水中的氨氮和亞硝態(tài)氮積累到一定程度時，會對魚類產生毒害作用。而銨態(tài)氮和硝態(tài)氮是植物生長發(fā)育過程中的主要氮源，硝態(tài)氮在植物的生長發(fā)育周期中發(fā)揮著重要作用[37]。除被植物吸收外，銨氮的去除還能通過功能菌的硝化作用合成硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮，也可少量通過化學平衡轉化為氨氣揮發(fā)到大氣中；亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮則通過反硝化作用轉化為氮氣和一氧化二氮。

因此，海馬齒生態(tài)浮床系統(tǒng)可降低水中的NH4-N、NO3-N和PO4-P含量，在一定程度上減輕網(wǎng)箱養(yǎng)殖海區(qū)的營養(yǎng)負荷。

2.3.2 海馬齒生態(tài)浮床對海水其他水質參數(shù)的修復效果

經(jīng)過兩年的原位修復，海馬齒浮床修復區(qū)海水中的DO、pH均顯著高于對照區(qū)(P<0.05)，Oil、SS、COD、TOC的含量均顯著低于對照區(qū)(P<0.05)，各水質指標凈化效果按從高到低的順序如圖4所示。

1)DO

海馬齒浮床修復區(qū)的DO比對照區(qū)高11.9%。水體DO含量與溫度、植物根際放氧量、微生物降解有機物消耗的氧以及微生物呼吸作用耗氧量[38]緊密相關。海馬齒通過莖葉和根系的氣體傳輸和釋放作用，將光合作用產生的氧氣或大氣中的氧氣輸送到根區(qū)，可提高水體的溶解氧含量，改變根區(qū)的氧化還原狀況，促進污染物的快速分解或轉化。

2)COD

海馬齒浮床修復區(qū)的COD比對照區(qū)低10.0%。COD是檢測水質的重要指標，反映水體受有機污染、還原性物質污染的程度[39]。植物對COD的降解主要依靠根區(qū)微生物的活動來完成，降解過程受水體溫度、DO、水體微生物種類及數(shù)量等因素影響，通常以水體中DO<0.20、0.20～1.0和>1.0 mg/L為控制條件，分別發(fā)生厭氧、缺氧和好氧降解反應[40]。修復區(qū)海水中DO始終大于1.0 mg/L，因此海馬齒浮床系統(tǒng)對COD的去除主要為好氧降解作用。

3)TOC

海馬齒浮床修復區(qū)的TOC比對照區(qū)低4.2%。TOC能較全面地反映海水中有機物的污染程度。碳進入海洋主要有兩種途徑，一種通過海氣界面的交換，一種來自陸源、石油開發(fā)、工業(yè)生產及養(yǎng)殖的排放[41]。通過海馬齒浮床系統(tǒng)修復作用，可減少有機物耗氧量和厭氧微生物繁衍的機會，在一定程度上減緩水質惡化進程。

4)pH

與對照區(qū)相比，浮床修復區(qū)的pH高0.5%。水體pH值變化與植物呼吸作用和根際吸收各種酸堿離子有關[42]。水體pH反映水的最基本性質，可調控水體的弱酸、弱堿的離解程度，降低氯化物、氨、硫化氫等的毒性，防止底泥重金屬的釋放[43]。由于海水具有緩沖能力，pH變化范圍不大。

5)SS

修復區(qū)海馬齒浮床對SS的去除率為14.9%。高懸浮顆粒物濃度會導致水體混濁度升高，透明度下降，附著在生物體表面的懸浮顆粒物激增，影響水中大型海藻等水生生物正常生長[44]。同時，大量懸浮顆粒物沉積水底，易導致水體發(fā)臭，航道阻塞。由于根系形成的密集網(wǎng)膜的物理阻擋，以及植物根系及根際生物的吸附和促沉降作用[45]，海馬齒根系對海水中的懸浮顆粒物具有較好的清除效果，能使水體懸浮顆粒物濃度提前達到穩(wěn)定水平[24]。

6)Oil

海馬齒浮床對修復區(qū)水中Oil的去除率為42.3%。海水環(huán)境中石油類來自工業(yè)廢水(原油開采、加工、運輸以及各種煉制油的使用)和生活污水的污染。石油類中所含的芳烴類雖較烷烴類少，但其毒性要大得多。海馬齒具有快速、高效地降低海水中菲濃度的能力，植物與微生物共同發(fā)揮著重要的作用，但植物積累不是海馬齒修復海水菲污染的主要機制，大多數(shù)菲可能通過植物代謝或植物揮發(fā)途徑離開植株[26]。

綜上，海馬齒生態(tài)浮床可提高修復區(qū)海水中的DO，并降低海水中的Oil、SS、COD、N、P含量，在一定程度上改善八尺門修復區(qū)海水水質。

3 討論

3.1 海馬齒的生長及C、N、P含量

海馬齒具有良好的耐鹽特性，在鹽脅迫下，植株生長旺盛，葉片大而肥厚[46]。在八尺門修復區(qū)海水平均鹽度29.5的條件下，海馬齒能較好生長并完成其生活史，生長旺盛時生物量迅速增加，經(jīng)過一年的生長可增重909倍。

植物的C、N、P儲量主要取決于生物量和C含量。C是構成有機體的基本元素，是整個生物圈物質和能量循環(huán)的主體。N是植物生長、發(fā)育和繁殖需要的基本物質，在植物生命活動中具有重要作用；N是組成蛋白質的主要元素，占蛋白質總量的16%～18%，而蛋白質是植物體內葉綠素、核酸、植物激素等組成部分。P是構成植物體的重要組成元素，對促進植物的生長發(fā)育和生理代謝具有重要作用。一般，P在植物體分布情況為幼嫩器官大于衰老器官、葉片大于根系、根系大于莖桿。海馬齒在生長過程中，通過光合作用固定空氣中的CO2，并且吸收水中的N、P，隨著海馬齒生物量的增加，其體內的C、N、P含量不斷積累。袁星等[34]研究也顯示，隨著時間推移，海馬齒的C、N、P儲量逐漸變大，且與生物量正向相關。

八尺門修復區(qū)海馬齒對C、N、P儲量，均高于已報道的研究結果，原因可能是東山灣八尺門海區(qū)的環(huán)境條件如溫度、鹽度、光照、營養(yǎng)物質、空間等更適合海馬齒的生長。袁星等[34]報道試驗池塘11月浮床區(qū)海馬齒C儲量為39.56 g/m2，N儲量為0.77 g/m2，P儲量為0.21 g/m2。張志英等[27]報道，浮床種植海馬齒對高污染湖泊的水質修復效果明顯，氮、磷的月移除量分別可達1.11 g/m2和0.19 g/m2，換算成一周年，則氮、磷的移除量分別為13.32 g/m2和2.28 g/m2。

3.2 海馬齒生態(tài)浮床原位修復效果

因開放海區(qū)海水的流動性和影響因素的復雜性，浮床對TOC、NO2-N和TP的去除效果不理想，本文海馬齒生態(tài)浮床對養(yǎng)殖生境各項水質指標的去除率，均低于海水養(yǎng)殖池塘和模擬系統(tǒng)的凈化效果。據(jù)應銳等[47]報道，在海水養(yǎng)殖池塘水體中，4.8 g/L的海馬齒種植密度對水質的改善作用最佳，在處理12 d后，對COD、無機磷、銨氮和總氮的去除率分別達到49.0%、20.8%、98.5%和55.9%。竇碧霞等[28]研究發(fā)現(xiàn)，在海馬齒與羅非魚養(yǎng)殖水缸模擬系統(tǒng)中，經(jīng)過2個月的生長，總氮移除率為11%～25%，總磷移除率為41%～68%。李志凌等[29]報道珍珠龍膽石斑魚與海馬齒混養(yǎng)的水泥池中，水體懸浮物濃度較石斑魚單養(yǎng)下降40.90%，COD下降29.79%。

海馬齒生態(tài)浮床是基于植物修復原理，通過浮床設施將海馬齒移植到可承受其重量的人工載體材料上，海馬齒的枝葉生長在空氣中，根生長在水里，利用海馬齒和根際微生物的協(xié)同作用來修復生境。

在海馬齒的吸收轉化和根際微生物中參與C、N、P等元素的生物地球化學循環(huán)的功能菌群的作用下，八尺門養(yǎng)殖海域修復區(qū)的NH4-N、NO3-N、COD、PO4-P的去除率分別為19.9%、16.4%、10.0%和9.2%，海水水質得到一定程度的改善。海馬齒發(fā)達的根系，是水中懸浮物和微生物的良好載體，可增加水體透明度，修復區(qū)的海馬齒浮床對懸浮物的去除率達14.9%，但在實驗室模擬條件下，去除率可達90%以上[24]；海馬齒通過莖葉和根系的氣體傳輸和釋放作用將氧氣輸送到根區(qū)，修復區(qū)水體溶氧量比對照區(qū)高11.9%；海馬齒通過吸收氮、磷等元素來滿足其生長需要，經(jīng)過一周年的生長，海馬齒通過自身生長對C、N、P的固定量分別為5 214.0、378.5、22.9 g/m2，通過收獲可避免二次污染，真正從源頭上減輕網(wǎng)箱養(yǎng)殖海區(qū)的營養(yǎng)負荷。收獲后的海馬齒可作為偶食蔬菜、飼料或藥用植物[48-50]，其植株富含萜、烯以及揮發(fā)性油類物質，臨床證明其對發(fā)燒、壞血病等病癥有很好的療效[51]，因此海馬齒具有良好的開發(fā)利用前景，有望為其原位修復技術的推廣提供經(jīng)濟效益。