潘桂娟,劉 雯,劉 爽,雷澤湘
(仲愷農(nóng)業(yè)工程學院資源與環(huán)境學院/廣東省普通高校農(nóng)業(yè)產(chǎn)地污染綜合防治工程技術(shù)研究中心,廣東 廣州 510225)
【研究意義】隨著我國海水養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展,沿海育苗場及養(yǎng)殖場尾水排放量與日俱增[1],海水環(huán)境污染控制越來越重要。生活污水、養(yǎng)殖廢水及工業(yè)廢水中溶解態(tài)營養(yǎng)鹽未經(jīng)有效處理直接排入近海水域,導致廢水鹽化日趨嚴重[2],使水體富營養(yǎng)化[3]。大量氮、磷等營養(yǎng)鹽造成近岸海域生態(tài)環(huán)境破壞、水生態(tài)系統(tǒng)單一、大面積水質(zhì)惡化,嚴重威脅海洋生態(tài)環(huán)境健康與穩(wěn)定發(fā)展[4-5]。我國海域總體污染形勢嚴峻,大部分海灣、河口、濱海濕地等生態(tài)系統(tǒng)仍處于亞健康或不健康狀態(tài)[6],近岸海域生態(tài)系統(tǒng)健康狀況惡化的趨勢未得到有效緩解。由于海水的鹽度效應(yīng),導致將人工濕地用于處理海水養(yǎng)殖污水的研究較少[7],但實現(xiàn)養(yǎng)殖污水達標排放已成為水產(chǎn)養(yǎng)殖可持續(xù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)升級的必然要求[8]。因此,尋求經(jīng)濟高效的海水養(yǎng)殖污水處理方式成為當前海水養(yǎng)殖業(yè)亟待解決的難題?!厩叭搜芯窟M展】隨著對海洋污染危害認識的加深,人們開展了各種海洋污染防治技術(shù)相關(guān)的研究及其應(yīng)用??紤]到海水中污染物的多樣性,現(xiàn)有的處理方法普遍采用物理方法和化學方法相結(jié)合的工藝[9],但這些方法在實際應(yīng)用中存在運行成本高、耐沖擊負荷能力差、管理不方便等問題。與物理、化學方法相比,植物修復方法具有成本低、安全性高、綠色環(huán)保等優(yōu)點[10-12]。目前,海水污染植物修復研究較多的主要是藻類和紅樹植物[13-15]。有研究指出,鹽的存在對植物生長有不同程度的抑制作用[16],鹽度過高可能影響植物和微生物的凈化作用,擾亂植物的能量平衡,導致植物無法充分發(fā)揮其凈化污染物的作用[17],許多修復性能良好的水生植物無法在含鹽量高的水體中生長。因此,尋求耐鹽植物修復海水得到重視。
【本研究切入點】木本植物對氮、磷具有較持久的去除效果[18-19],且具有生物量大、去除效果好、無需養(yǎng)護等優(yōu)點。利用木本植物對受污染水體進行凈化,為日益嚴峻的水環(huán)境治理提供了良好的途徑。小葉欖仁(Terminalia neotalialaCapuron)為使君子科、訶子屬木本植物,具有較強的耐鹽[20]、抗旱能力,常作為行道樹和沿海防護林[21],其具有制造家具、染料、榨油等經(jīng)濟價值以及防治糖尿病、解毒止瘀等藥用價值[22]。小葉欖仁抗逆性較好,能夠有效抵御熱帶海島的不利環(huán)境帶來的氧化脅迫,防止膜脂結(jié)構(gòu)受到損傷[20]。黃楊(Buxus sinica)具有耐鹽性[23],是常用的觀葉樹種,具有祛風除濕等藥用價值,亦可用于雕刻。這兩種木本植物均耐鹽、耐污、抗病害能力強,對濱海環(huán)境具有較強的適應(yīng)能力,也適用于園林綠化及海岸防護林構(gòu)建,能改善濱海的生態(tài)環(huán)境,從而發(fā)揮良好的經(jīng)濟效益與生態(tài)效益?!緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究選擇小葉欖仁和黃楊為研究對象,探究鹽度對其凈化海水養(yǎng)殖污水效果的影響,考察鹽度對其不同部位吸收水中營養(yǎng)物質(zhì)的影響,并對其凈水功能進行評價,為木本植物凈化海水養(yǎng)殖污水的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。
試驗在仲愷農(nóng)業(yè)工程學院海珠校區(qū)試驗大棚內(nèi)進行,試驗周期為35 d。供試小葉欖仁和黃楊均購自廣州市龍洞某苗圃,苗齡約為1 年。小葉欖仁平均高度為41.6 cm,地徑5.3 mm;黃楊平均高度為40.9 cm,地徑4.9 mm,水培盆栽試驗裝置如圖1。
圖1 小葉欖仁和黃楊的現(xiàn)場裝置Fig.1 Field device for Terminalia neotaliala Capuron a dn Buxus sinica
試驗采用10 L 的圓形紅色塑料桶(直徑28 cm,高25 cm),每桶裝8 L 人工配置的不同鹽度的海水養(yǎng)殖污水,設(shè)置小葉欖仁、黃楊兩個處型和對照(CK,不種植物),每個處理3 次重復,每個重復1 桶,每桶種植3 株植物。其鹽度分別為0‰、2.5‰、5‰、7.5‰、10‰、15‰、20‰(用鹽度計測定污水鹽度),試驗開始后不再補充鹽分。
鹽度配置依據(jù):按不同養(yǎng)殖對象所需鹽度進行配置,海水養(yǎng)殖水體因養(yǎng)殖對象的適鹽范圍不同而具有不同的鹽度差異,如凡納濱對蝦和斑節(jié)對蝦養(yǎng)殖水鹽度分別為12.14‰和21%~24‰[24-25],羅非魚養(yǎng)殖水鹽度為15‰[26],二茬脊尾白蝦養(yǎng)殖鹽度為6.2‰[27],菊黃東方鲀養(yǎng)殖鹽度為5%~15‰[28]。
污水配置方法:在8 L 自來水中分別加入粗鹽(2.5‰∶17.20 g;5‰∶34.40 g;7.5‰∶51.60 g;10‰∶68.80 g;15‰∶103.20 g;20‰∶137.60 g)、0.41 g 硫酸銨、0.72 g 硝酸鉀、0.12 g 磷酸氫二鉀、0.89 g 三水合乙酸鈉及0.81 g 葡萄糖,配置成模擬海水養(yǎng)殖污水。
先將植物洗凈置于清水中培養(yǎng)7 d。培養(yǎng)結(jié)束后,植物的生長狀況無明顯變化,且均有嫩綠的新葉或組織生出。選取長勢良好,株高、長勢大小一致的植株進行試驗,每隔5 d 取樣1 次,測定各組水中的總氮(TN)、總磷(TP)、化學需氧量(COD)及植物全氮、全磷、鉀和鈉等指標,取平均值。試驗開始時記錄植物鮮質(zhì)量,試驗結(jié)束后收獲植物,先用水沖洗植物表面附著物及其他物質(zhì)后稱量鮮質(zhì)量,再將植物分成地上部和地下部置于烘箱,烘干后稱量各部位的干質(zhì)量,用于測定植物的氮、磷、鉀、鈉含量。
本實驗水質(zhì)參數(shù)的測定參照《海洋監(jiān)測規(guī)范》(GB 17378-2007),COD 采用多參數(shù)水質(zhì)測定儀(YDIS-16)測定,TN 和TP 分別采用過硫酸鉀氧化法、鉬銻抗分光光度法測定。植物全氮、全磷分別采用H2SO4-H2O2消煮法和釩鉬黃比色法測定,鉀、鈉采用火焰分光光度計法測定[29]。
采用Excel 2019 軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析,采用Origin 2018 軟件進行繪圖,采用IBM SPSS Statistics 22 軟件進行數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析。
隨著時間的增加,兩種木本植物對海水養(yǎng)殖污水TN 的去除效果均較好,去除率均隨時間的增加而增加(圖2)。處理5~15 d 時,小葉欖仁和黃楊對海水養(yǎng)殖污水TN 的去除率隨鹽度的增加而降低,鹽度為20‰時,兩種植物對TN 的去除效果均最差。第15 天時,小葉欖仁、黃楊的TN 去除率分別為52.4%和49.1%,分別比CK 高18.9 和15.6 個百分點,說明高鹽度對污水TN 的去除有一定影響,但植物的存在提高了其去除率(圖2A~ 2B)。第20 天時,小葉欖仁在0‰、2.5‰、5‰、7.5‰、10‰、15‰、20‰鹽度下,TN 去除率分別比黃楊提高了4.07、5.99、3.38、10.43、11.10、19.21 和22.22 個百分點,說明小葉欖仁對TN 的去除能力較黃楊強。
圖2 木本植物對不同鹽度海水養(yǎng)殖污水中TN 的去除效果Fig.2 Removal effects of woody plants on TN in mariculture wastewater with different salinity
在同一鹽度下,小葉欖仁對TN 的去除效果優(yōu)于黃楊。第5 天時,兩種木本植物各鹽度之間去除率差異不顯著。處理5~20 d 時,小葉欖仁在0‰和20‰鹽度條件下的TN 去除率均存在顯著差異,黃楊在0‰、2.5‰鹽度條件下的TN 去除率與10‰、15‰、20‰鹽度的均存在顯著差異;處理10~20 d 時,CK 在低鹽度(0‰、2.5‰、5‰)時的TN 去除率與高鹽度(15‰、20‰)也存在顯著差異(圖2)。處理25~35 d 時,小葉欖仁和黃楊對TN 的去除效果隨鹽度變化不明顯,說明系統(tǒng)基本穩(wěn)定。
如圖3 所示,隨著時間的增加,小葉欖仁和黃楊對海水養(yǎng)殖污水TP 的去除效果也更好。第20 天時,小葉欖仁和黃楊對海水養(yǎng)殖污水TP的去除率隨鹽度的增加呈現(xiàn)降低趨勢,兩種植物在15‰鹽度條件下對TP 的去除效果均最差(圖3A~3B)。第25 天時,兩種植物在20‰鹽度條件下對TP 的去除率分別為82.7%和36.6%,比CK分別高66.6 和20.5 個百分點,說明高鹽度對污水TP 的去除效果有一定的影響,但植物的存在提高了其去除效率。25 d 時,小葉欖仁在0‰、2.5‰、5‰、7.5‰、10‰、15‰、20‰鹽度條件下的TP去除率比黃楊分別提高了6.8、22.4、9.7、17.3、7.2、16.2、46.1 個百分點,說明小葉欖仁對TP 的凈化效果優(yōu)于黃楊。
圖3 木本植物對不同鹽度海水養(yǎng)殖污水中TP 的去除效果Fig.3 Removal effects of woody plants on TP in mariculture wastewater with different salinity
在同一鹽度下,小葉欖仁對TP 的去除效果優(yōu)于黃楊。處理5~20 d 時,小葉欖仁對TP 的去除率中鹽度0‰與鹽度7.5‰、20‰均存在顯著差異。處理20~35 d 時,黃楊對TP 的去除率中鹽度20‰與其他鹽度間均存在顯著差異。20 d時,3 組處理各鹽度之間TP 去除率差異不明顯,25~35 d 時,CK 在鹽度0‰時的TP 去除率與高鹽度(15‰、20‰)也存在顯著差異,且此時小葉欖仁和黃楊對TP 的去除效果隨鹽度變化不明顯,說明系統(tǒng)基本穩(wěn)定(圖3)。
隨著時間的增加,兩種木本植物對海水養(yǎng)殖污水COD 的去除效果均較好,其去除率隨時間的增加而增加(圖4)。處理5~15 d 時,小葉欖仁和黃楊對海水養(yǎng)殖污水COD 的去除率隨鹽度的增加呈現(xiàn)波動變化。處理15~20 d 時,小葉欖仁和黃楊對COD 的去除效果均優(yōu)于CK。處理20 d 時,小葉欖仁對COD 的去除率比黃楊處理高,其0‰、2.5‰、5‰、7.5‰、10‰、15‰、20‰鹽度的COD 去除率比黃楊分別提高了3.29、9.51、5.30、21.69、18.51、10.38 和4.97 個百分點(圖4A~4B),表明小葉欖仁對COD 的去除效果優(yōu)于黃楊。
圖4 木本植物對不同鹽度海水養(yǎng)殖污水中COD 的去除效果Fig.4 Removal effects of woody plants on COD in mariculture wastewater with different salinity
在同一鹽度下,小葉欖仁和黃楊對COD 的去除效果無顯著差異。處理20~25 d 時,CK 在鹽度0‰時的COD 去除率與高鹽度(15‰、20‰)存在顯著差異。處理25~35 d 時,小葉欖仁對COD去除率中在鹽度0‰與鹽度15‰間均存在顯著差異;處理30~35 d 時,黃楊對COD 的去除率中鹽度7.5‰與鹽度20‰間均存在顯著差異,且此時小葉欖仁和黃楊對COD 的去除效果隨鹽度變化不明顯,說明系統(tǒng)基本穩(wěn)定(圖4)。
2.4.1 鹽度對小葉欖仁吸收N、P、K+、Na+的影響 植物的氮磷積累量是直接反映植物凈化潛力的重要指標之一。隨著鹽度的增加,小葉欖仁對N 的積累量波動比較大。鹽度為0‰時,小葉欖仁地上部對N 的積累量最高(5.26 mg/g);鹽度為5‰時,小葉欖仁地下部對N 的積累量最高(6.4 mg/g);鹽度為20‰時,小葉欖仁地下部和地上部對N 積累量均最低(表1)。說明低鹽度下小葉欖仁對N 的積累量均比高鹽度多,且同一鹽度下,小葉欖仁地下部對N 的積累量高于地上部。
表1 不同鹽度對小葉欖仁吸收N、P、K+、Na+的影響Table 1 Effects of different salinity on N、P、K+ and Na+ uptake by Terminalia neotaliala Capuron
小葉欖仁地下部對P 的積累隨著鹽度增加而呈現(xiàn)下降趨勢。鹽度為0‰時,小葉欖仁地下部對P的積累量為1.18 mg/g,比20‰鹽度時高出0.40 mg/g。當鹽度為10‰時,小葉欖仁地上部對P 的積累量最高(1.00 mg/g),鹽度為15‰時,小葉欖仁地上部對P 的積累量最低(0.50 mg/g)。高鹽度下,小葉欖仁對P 的總積累量較少,說明高鹽度影響植物對P 的吸收。
隨著鹽度升高,小葉欖仁對K+的積累波動較大。鹽度為0‰時,小葉欖仁地下部對K+的積累量為12.09 mg/g;鹽度為15‰時,小葉欖仁對K+的積累量最少,僅有0.43 mg/g;鹽度為7.5‰時,小葉欖仁地上部對K+的積累量較高、為7.02 mg/g。在鹽度為20‰時,小葉欖仁地上部對K+的積累量最少、僅1.03 mg/g。在低鹽度時(0‰、2.5‰、5‰),小葉欖仁對K+的積累量表現(xiàn)為地上部低于地上部,而中高鹽度下(7.5‰、10‰、15‰)則是地上部高于地下部。
小葉欖仁地下部對Na+的積累量隨著鹽度的升高而增加。鹽度為0‰時,小葉欖仁地下部和地上部對Na+的積累量最少,分別為0.61、0.17 mg/g。鹽度為20‰時,小葉欖仁地下部對Na+的積累量最多、為43.39 mg/g。植物細胞體內(nèi)積累過多的Na+,改變了細胞的滲透勢,致使細胞膜受到傷害,植物的生長發(fā)育受到阻礙,從而導致高鹽度下植物對海水養(yǎng)殖污水的處理效果變差。
2.4.2 鹽度對黃楊吸收N、P、K+、Na+的影響 由表2 可知,在鹽度7.5‰~20‰時,黃楊地下部對N 的積累量隨著鹽度增加而減少。黃楊地上部對N 的積累量在鹽度為0‰時最高(3.19 mg/g);地下部對N 的積累量在鹽度為7.5‰時最高(5.47 mg/g);鹽度為20‰時,黃楊地上部和地下部對N 積累量均最低。且同一鹽度下,黃楊對N 的積累量均表現(xiàn)為地下部高于地上部,表明其對N 的積累主要位于根部。
表2 不同鹽度對黃楊吸收N、P、K+、Na+的影響Table 2 Effects of different salinity on N、P、K+ and Na+ absorption by Buxus sinica
黃楊地上部對P 的積累隨著鹽度增加而呈現(xiàn)下降趨勢。在鹽度為0‰時,黃楊地上部對P 的積累量最高、為0.37 mg/g,而在鹽度為15‰時含量最低。在低鹽度(0‰、2.5‰)時,黃楊地上部對P 的積累量均比地下部高,而鹽度5‰~15‰時,黃楊地上部對P 的積累量均比地下部低,說明鹽度對黃楊不同部位吸收P 能力的影響不同。
在鹽度為0‰~5‰時,黃楊地下部對K+的積累隨鹽度增加而降低,而地上部則隨鹽度增加而增加。在鹽度為0‰時,黃楊地下部對K+的積累量較高,為4.78 mg/g,而在鹽度為15‰時,K+的積累量最少、僅為0.57 mg/g。鹽度為5‰時,黃楊地上部對K+的積累量最多,達到6.06 mg/g。同一鹽度下(0‰除外),黃楊地上部對K+的積累量均比地下部多,說明黃楊對K+的積累主要位于莖葉部位。
黃楊地下部和地上部對Na+積累量隨鹽度的升高呈現(xiàn)上升趨勢。在鹽度為0‰時,黃楊地下部和地上部對Na+積累量最少,分別為2.33 mg/g、0.60 mg/g。在鹽度為20‰時,黃楊對Na+積累量最多,分別為41.48 mg/g(地下部)、64.90 mg/g(地上部)。同一鹽度下(0‰除外),黃楊地上部對Na+積累量均比地下部多,說明黃楊對Na+積累主要位于莖葉部位。
由表3、表4 可知,小葉欖仁和黃楊處理組中,K+含量與N 含量顯著正相關(guān);pH 與Na+含量、TN 去除極顯著負相關(guān);氧化還原電位(ORP)與Na+含量、TN 去除極顯著正相關(guān),與pH 極顯著負相關(guān);溶解氧(DO)與Na+含量、ORP 極顯著負相關(guān),與pH 極顯著正相關(guān);電導率(EC)與Na+含量、ORP 極顯著正相關(guān),與pH、DO 極顯著負相關(guān)。
表3 小葉欖仁植物指標及出水指標之間的相關(guān)性Table 3 Correlation between the plant indicators in Terminalia neotaliala Capuron and the effluent indicators
表4 黃楊植物指標及出水指標之間的相關(guān)性Table 4 Correlation between the plant indicators in Buxus sinica and the effluent indicators
氮和磷是植物生長必需的營養(yǎng)元素中的大量元素。高鹽條件不利于植物對氮元素的吸收[30]。本研究結(jié)果顯示,小葉欖仁和黃楊在鹽度為0‰時對N 積累量均高于20‰鹽度的N 積累量。有研究表明在淡水條件下,植物中全氮含量略高于海水(30‰)條件下的全氮含量[31]。彭友貴等[32]通過澆灌不同鹽度的灌溉水得出高鹽度抑制了紅海欖植株對氮的吸收;隨著鹽度增大,白骨壤植株根和葉中的全氮含量急劇減小,是因為鹽分降低了根皮層的透性,增加栓化作用,抑制了根皮層對銨根離子和硝酸根離子的吸收及進入根部的量[33]。小葉欖仁地下部對磷的吸收隨鹽度增加而降低,在鹽脅迫下,葉片中的全磷含量顯著減少,這是由于酸性磷酸酶和堿性磷酸酶活性增強所致[34]。處理15 d 時,小葉欖仁和黃楊對TN 的去除率隨鹽度增加而降低,而在處理20 d 時,小葉欖仁和黃楊對TP 的去除率隨鹽度增加而降低。表明高鹽度脅迫抑制了小葉欖仁和黃楊對TN、TP 的去除作用。程夢雨等[35]以美人蕉、互花米草和海三棱藨草協(xié)同復合填料處理含鹽廢水,結(jié)果表明,1‰鹽度下對TP 的去除率整體優(yōu)于5‰鹽度。張海耿等[36]以蘆葦為濕地植物,構(gòu)建人工濕地,探究不同鹽度、水力負荷和污染負荷下,人工濕地對海水養(yǎng)殖污水的修復效果,得出污染物去除率隨鹽度增加而降低,導致修復效果變差的結(jié)論。李茹霞等[37]通過分析不同鹽度下番杏對水體中氮磷的去除率發(fā)現(xiàn),氮的去除率隨鹽度升高而下降。Alan等[38]以鹽生植物水椰樹對海水養(yǎng)殖污水進行修復研究,發(fā)現(xiàn)濕地中養(yǎng)殖污水污染去除效率受到鹽度限制。環(huán)境因子會影響植物去除污染物的效果[39]。pH、DO 濃度主要通過影響濕地中微生物的生長空間、菌群分布、生物活性、反硝化作用等進而影響人工濕地脫氮的效果[40]。pH 主要影響植物的除磷效果,磷在水溶態(tài)時的存在形式與pH 值和氫離子的離解程度有關(guān)。水溶態(tài)的磷具有數(shù)量少、可快速吸收等特點,是可供植物利用的主要形態(tài)。DO 直接與微生物作用相關(guān),決定濕地內(nèi)氧化還原條件,好氧條件下聚磷菌吸收系統(tǒng)內(nèi)的磷,厭氧條件聚磷菌會釋放吸收的過量磷[41]。人工濕地在植物、微生物與填料協(xié)同機制下,受鹽脅迫影響,低鹽度可提高植物耐受性,促進濕地凈化效果[17];而鹽度過高時,植物與微生物活性受限,致使處理效果降低[42]。小葉欖仁和黃楊處理中,鹽度越高,Na+含量越高,從而破壞植物膜結(jié)構(gòu),影響植物生長發(fā)育,降低其去污能力。pH 與TN 去除效果呈極顯著負相關(guān);ORP 與TN 去除效果呈極顯著正相關(guān)。DO 與Na+含量極顯著負相關(guān),與pH 極顯著正相關(guān)??傮w而言,植物生長發(fā)育對磷的吸收是去除磷的主要形式[28],小葉欖仁和黃楊對海水養(yǎng)殖污水中污染物有一定的去除作用,小葉欖仁處理海水養(yǎng)殖污水效果優(yōu)于黃楊。但在實際應(yīng)用中,由于植物品種對當?shù)丨h(huán)境的適應(yīng)能力存在差異,還需考慮移植地的各項因素,通過綜合分析最終選定適宜的品種,使木本植物在處理海水養(yǎng)殖污水的過程中發(fā)揮更大作用。
(1)小葉欖仁和黃楊對TN 和TP 的去除率均隨鹽度增加而降低。同鹽度下,處理20 d 時,小葉欖仁對TN 的去除率比黃楊高;處理25 d 時,小葉欖仁對TP 的去除效果也優(yōu)于黃楊,不同鹽度下,其對TP的去除率比黃楊增加了6.83、22.4、9.71、17.35、7.22、16.23、46.08 個百分點。小葉欖仁對不同鹽度的養(yǎng)殖污水均具有較強的去除能力。小葉欖仁和黃楊對COD 的去除效果無明顯差異,但兩種植物對COD 的去除效果均優(yōu)于CK。
(2)鹽度影響兩種植物對氮磷的吸收,小葉欖仁對氮磷的積累量分別11.40、1.83 mg/g(0‰),6.84、1.68 mg/g(20‰),均比黃楊高,表明小葉欖仁對氮磷的吸收效果優(yōu)于黃楊,且高鹽度抑制植物對氮磷的吸收。鹽度對兩種植物吸收K+、Na+能力的影響不同,小葉欖仁吸收K+、Na+能力強于黃楊。隨著鹽度增加,兩種植物對Na+的積累量呈遞增趨勢。而Na+含量越高,致使細胞膜受到傷害,導致高鹽度下植物對海水養(yǎng)殖污水的處理效果變差。因此,在處理高鹽度養(yǎng)殖污水時,可適當稀釋水體鹽度,提高植物的凈化能力。綜上,小葉欖仁比黃楊具有更好的耐鹽和凈污性能,可將其優(yōu)先作為處理海水養(yǎng)殖污水的植物。