溝渠水生植物資源化利用研究

余紅兵，張樹楠，肖潤林＊，楊知建，劉鋒，魏甲斌

（1.湖南城市學院建筑與城市規劃學院 湖南 益陽413000；2.中國科學院亞熱帶農業生態研究所，湖南 長沙410125；3.湖南農業大學農學院，湖南 長沙410128）

近年來，利用水生植物攔截溝渠中的氮磷也成為防治湖泊富營養化的有效途徑之一。一方面，水生植物在溝渠系統中發揮著重要的去污作用，可通過水生植物其自身的生長以及人工收割植物的方式對水質產生良好的凈化效果，氮、磷等元素主要通過水生植物的人工收割來去除。另一方面，因水生植物的旺盛生長，其龐大的生物量到秋季因植物殘體的分解，會釋放出大量的有機質和營養鹽，如不及時移除，會重新污染水體［1］。因此水生植物的收獲及處置利用問題成為溝渠濕地應用和管理中不可忽視的問題。而目前，研究主要集中在水生植物的吸收凈化效果上，而大量的植株殘體處置利用問題成為溝渠濕地管理中亟待解決的難題。研究表明，植物刈割對植物的補償生長有重要的影響，同時，合適的收割措施既能轉移出植物中的營養物質，又能提高底泥氮、磷的去除率［1－2］。

水生植物資源豐富，在制備肥料、生產飼料、食用或藥用、做能源燃料等方面具有一些用途，若水生植物能通過資源化利用而產生經濟價值，將對利用溝渠濕地水生植物凈化污水產生更大的促進作用。但目前，對收獲后的水生植物除了某些可以作為水生蔬菜外，如水芹菜等，大多未被充分利用，大量的長期堆放不僅會引起新的二次污染，也是一種資源的浪費，因此選擇其處置方法，實現水生植物的減量化和資源化顯得非常重要［3］。且水生植物的資源化利用及其經濟效益等方面的研究報道甚少，因此，本研究對收割后的水生植物覆蓋茶園的生態效益和經濟效益等方面展開了研究，以期為植物資源化利用提供科學的理論依據。本試驗的研究區域為亞熱帶丘陵區，茶園面積達6.67×104hm2以上；但該地區季節性高溫和干旱嚴重，土壤以含氮量低、有機質少的紅壤為主，雜草叢生，給茶樹生產帶來了極大的危害［4－5］。通過生態調控措施來實現茶葉安全高效生產，是目前大家所關注的問題。彭晚霞等［6］用稻草覆蓋對改良茶園土壤、控制雜草生長和改善茶葉品質、增加產量有顯著效果。水生植物是生態溝渠中重要組成部分，通過收割水生植物可以徹底地從濕地中帶走被植物所吸收的氮和磷。本試驗將收割的水生植物覆蓋到茶園，研究水生植物覆蓋對茶園土壤養分、茶園雜草、茶葉品質和產量的影響，以期為水生植物的資源化利用提供新思路。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況與試驗設計

試驗地點位于長沙縣金井鎮湘豐飛躍茶園，該茶園為中國科學院亞熱帶農業生態研究所實驗示范基地，屬亞熱帶區季風濕潤氣候。試驗地為平地，面積為200m2。試驗茶樹品種為福云早毫，2006年南北向雙行定植，株距25cm，列距25cm。水生植物收割于湖南省長沙縣金井鎮中國科學院長沙農業環境觀測站農業源頭生態溝渠中。試驗設2個處理：1）覆蓋水生植物處理，分別在2010年9月和2011年6，11月初將收割后的水生美人蕉（Cannaglauca）和狐尾藻（Myriophyllumverticillatum）均勻地覆蓋到茶樹行間，覆蓋時，水生美人蕉在下，狐尾藻在上，每次的覆蓋量鮮重為2.50kg/m2。2）對照處理（不覆蓋）。覆蓋和對照處理按順序排列，設3次重復。在試驗期間對2個處理按常規方式進行土肥管理。

1.2 樣品采集和調查

1.2.1 土壤樣品采集 覆蓋水生植物前采集茶園土樣作為背景值。于2010年9月（覆蓋前）和2011年11月底（覆蓋后），在試驗茶園每個處理中隨機選取3個茶樹行，每個茶樹行分別選取3個采樣點，每個樣點取3層（0～20cm，20～40cm和40～60cm）。其中2011年11月底的土壤樣品保存1份于4℃下冰箱，以備測定土壤微生物量氮和磷。其余土壤樣品按常規辦法處理。

1.2.2 茶園雜草調查 于2011年4，7和9月分別采樣，小樣方法對雜草進行調查，每個小樣方為200cm×100 cm，設3個重復，測定雜草高度和記載雜草種類、數量和密度，并用剪刀剪掉雜草根部，稱雜草地上部分鮮重。

1.2.3 茶葉樣品的采集 于2011年5月對茶樹生長狀況進行觀測，觀測8次。于2011年4－6月（2個月左右），采用5點取樣法每隔2d測定樹冠冠幅，計算茶樹覆蓋度和產量。采用5點取樣法采集茶葉樣品，每個樣方為33cm×33cm，采用33cm×33cm木框采集春茶框內所有的1芽1葉和1芽2葉，采摘順序為從上至下采摘，每次采摘的鮮樣，分別測定其百芽重。鮮樣帶回實驗室蒸青固樣，測定其中的氨基酸、茶多酚和水浸出物含量。

1.3 分析方法

1.3.1 茶葉樣品分析方法 氨基酸測定采用GB8314茶氨基酸含量測定法；茶多酚測定采用GB8313茶多酚含量測定法；水浸出物測定采用GB8305－87全量測定法。

1.3.2 土壤樣品分析方法 全氮含量測定用半微量凱氏法（GB7173－87）；全磷用鉬銻抗比色法（GB9837－88）測定；土壤含水量用烘干法（GB7172－87）測定；土壤有機質采用重鉻酸鉀－外加熱法測定；水解氮用擴散吸收法測定；有效磷用碳酸氫鈉提取－鉬銻抗比色法測定。土壤微生物生物量氮和磷分別采用氯仿熏蒸培養中的K2SO4提取法和NaHCO3提取法測定。

1.4 計算公式與數據處理

物種豐富度（S）即雜草群落中的物種數；多度（Pi）用Berger－Parker公式測定：

式中，Pi是第i物種的個體數（Ni）占群落總個體數（N）的比例；上述公式中i取值范圍為1～S［7］。

1.5 統計分析

采用Excel進行數據處理和統計分析。

2 結果與分析

2.1 水生植物覆蓋對茶園土壤養分的影響

由表1可看出，水生植物覆蓋與對照茶園相比，土壤有機質含量均提高了，水生植物覆蓋到茶園后，纖維素等在高溫干旱季節被微生物分解，較難分解的蛋白質復合體形成殘體保留在土壤中，使有機質含量提高。同時，水生植物覆蓋對0～20cm土層的影響較大（表1），使表層土有機質含量增加了8.01%。另外，2種處理隨著土層的加深，有機質含量均呈下降趨勢，但0～20cm土層的有機質含量遠高于20～40cm和40～60cm土層。

由于覆蓋的水生植物本身含有氮、磷等營養元素，其中水生美人蕉含氮（15.26±2.07）g/kg，含磷（2.15±0.26）g/kg，狐尾藻含氮（20.67±3.63）g/kg，含磷（3.40±0.96）g/kg。經過微生物分解或殘留土壤中，在雨季經雨水進入土壤，從而增加土壤氮、磷等養分含量。由表1可看出，與對照茶園相比，0～20cm土層全氮和水解氮分別增加6.09%和11.45%。土壤微生物量氮覆蓋（31.23mg/kg）均比對照（27.83mg/kg）增加。可見水生植物覆蓋明顯提高了全氮、水解氮和微生物量氮含量。對照和覆蓋處理剖面中土壤全氮、水解氮和微生物量氮隨深度的增加而減少，且0～20cm土層的全氮、水解氮和微生物量氮含量遠高于20～40cm和40～60cm土層。而在20～40cm土層，水生植物覆蓋的影響高于對照。本研究中不同土層的微生物量氮/全氮在1.47%～2.56%之間，有研究表明其比值在0.20%～5.65%之間［8］。

表1 覆蓋茶園土壤氮素變化Table 1 Effect of mulching on soil N of tea plantation

由表2可看出，與對照茶園相比，覆蓋處理0～20cm土層全磷和有效磷分別增加14.29%和56.02%。同時，水生植物覆蓋的茶園微生物量磷較對照茶園有明顯改善，特別是0～20cm是對照的2.60倍。3層微生物量磷通常占全磷的2.25%～10.90%，據研究報道，微生物量磷/全磷為2.4%～23.3%［9］，而本研究結果較之偏低。另外，對照和覆蓋處理隨著土層的加深，全磷、有效磷和微生物量磷等指標均呈下降趨勢，0～20cm土層的全磷、有效磷和微生物量磷含量遠高于20～40cm和40～60cm土層。

表2 覆蓋茶園土壤磷變化Table 2 Effect of mulching on soil P of tea plantation

2.2 水生植物覆蓋對茶園雜草的影響

雜草危害嚴重影響到丘陵茶園的茶葉品質及產量［10］。由于茶園雜草種類復雜，雜草發生的優勢種群、危害高峰及空間分布也隨季節變化而不同。

表3、表4調查結果表明，春季（4月）、夏季（7月）和秋季（9月）雜草種類、雜草密度、地上部分生物量和株高都發生季節變化。其中，春季（4月）對照茶園雜草密度和生物量均高于水生植物覆蓋茶園，雜草株高也以30cm以下的為主。與春季相比，在夏季，對照茶園以惡性雜草為優勢種群，且生物量大、植株高。而覆蓋茶園惡性雜草明顯減少，且雜草高度、密度和生物量均降低。秋季（9月）水生植物覆蓋處理茶園的惡性雜草明顯低于對照處理茶園。在秋季雖然對照茶園惡性雜草進入枯萎期甚至死亡，但作為地被植物的酢漿草占據空間，成為優勢種。相比夏季，其株高下降，生物量減少，但數量相當。

表4為水生植物覆蓋對茶園惡性雜草多度的影響。對照與覆蓋茶園在春季（4月）主要以多度高的非惡性雜草看麥娘、酢漿草2種為主，還包括多度相對低的豬殃殃、過路黃和白花蛇舌草等。其中非惡性雜草看麥娘在覆蓋處理中的多度為0.495，在對照處理中的多度為0.624（表4）。這些雜草株高矮，在30cm以下，生物量小，生長也慢。

與春季相比，夏季（7月）覆蓋處理茶園以香附子、馬唐、狗尾草和牛筋草等4種優勢惡性雜草為主，總多度值為0.521。對照處理茶園以惡性雜草為優勢種群，惡性雜草總多度高達0.891，以馬唐、辣蓼和狗尾草等3種優勢雜草為主，其多度值分別為：0.451，0.155和0.182（表4）。

秋季（9月）對照處理茶園以牛筋草（多度0.100）、馬唐（多度0.489）和辣蓼（多度0.17）等3種優勢惡性雜草為主。覆蓋處理茶園以牛筋草、香附子和馬唐等3種惡性雜草為主，其多度分別為：0.133，0.110和0.177（表4）。與對照處理茶園相比，覆蓋處理茶園的惡性雜草總多度明顯降低。覆蓋和對照處理茶園酢漿草多度值分別為：0.320和0.140。

表3 不同處理的雜草密度、生物量和株高的季節變化Table 3 Seasonal variation of density，biomass and plant height for weeds in different treatments

表4 不同處理下不同季節雜草群落多度分析Table 4 Analysis of abundance of weeds community structure in different seasons in different treatments

2.3 水生植物覆蓋對茶園茶葉品質、產量的影響

由表5可見，水生植物覆蓋的茶園茶葉咖啡堿、水浸出物、氨基酸和水分含量比對照茶園高，但茶多酚比對照茶園低，說明茶園覆蓋對茶葉營養成分的改善有很大作用。

本試驗結果與彭晚霞等［5－6］報道的稻草覆蓋茶園的研究結論一致。同時，與對照茶園相比，水生植物覆蓋的茶園提高了茶葉的主要感官品質，包括茶葉的色澤、滋味和香氣等，因此，感官審評分比對照茶園明顯提高。

表5 不同處理茶葉品質及感官評審Table 5 Quality and sense evaluation of tea in different treatments

由表6可見，水生植物覆蓋后，明顯改善了茶樹生長狀況，其冠幅、樹高和茶芽密度均比對照高。同時，與對照茶園相比，水生植物覆蓋茶園茶葉1芽1葉與1芽2葉百芽重均提高了，其中1芽1葉百芽重提高了14.13%。覆蓋茶園的產量可達106.47g/m2，與清耕茶園（82.79g/m2）相比，產量提高了22.24%，增產效果明顯。這與水生植物覆蓋改善了茶園土壤理化性狀、調控了土壤溫度和水分以及抑制了茶園雜草的生長等原因密切相關。

表6 不同處理的茶樹產量及生長狀況Table 6 Tea tree yield and growth in different treatments

3 討論

3.1 水生植物資源化利用

利用水生植物進行茶園覆蓋是一種經濟、環保、可行的辦法，為水生植物的管理和利用提供參考。收割的水生植物覆蓋茶園，既有效防止了水生植物自身氮、磷等污染物對溝渠水體產生二次污染，又實現了溝渠水生植物殘體的資源化利用并提供了示范作用。Brix［11］和Howard［12］指出，植物吸收的部分儲存會隨著植物的枯萎逐漸釋放出來。姜翠玲［13］研究也證明濕地中的全氮一部分來自于濕地植物的生長與死亡分解。因為每年11月以后，溝渠濕地中的水生植物地上部分會逐漸枯萎，釋放有機質于水體中，進而造成嚴重污染。有機形態的氮在冬季（12，1月）較高，遠遠超過了其他月份。由此說明冬季全氮濃度的增加與水生植物腐爛有密切關系［13－14］。

水生植物腐爛分解后，污染水體經溝渠進入河道和湖泊，是水體富營養化潛在的污染源［13，15］。因此，水生植物應在枯萎前回收，以防止殘株分解對水體的污染。姜翠玲等［16］和徐紅燈［17］認為農民不會主動回收沒有利用價值的植物，并提議用經濟植物取代野生植物。本研究中，雖然試驗植物不能給當地農民直接帶來經濟效益，但收割的植物覆蓋到茶園，可間接帶來經濟效益和生態效益，因此也能激勵農民主動回收水生植物。

3.2 水生植物覆蓋對茶園生態效應的影響

植物覆蓋對補償土壤有機質消耗、改良土壤、培肥地力有十分重要的作用。徐華勤等［18］研究表明，稻草覆蓋能使茶園土壤保持較高的生物活性，調控和改良土壤。本研究結果表明，水生植物覆蓋后可增加茶園土壤養分的含量，與肖潤林等［19］的研究結論一致。土壤有機質的形成主要是由于植物中較難分解的復合體（木質素及蛋白質）殘留在土壤中，茶園土壤因水生植物復合體的存在有機質含量進而增加［20］；而水生植物中易被微生物分解的部分（水溶性成分、纖維素和半纖維素），使土壤團粒結構和物理結構均可形成和改善，土壤養分含量也隨之增加。

雜草是茶園生態系統中植物多樣性的重要成分之一，氮與茶樹爭水、爭肥和陽光，對茶樹生長和茶葉品質產生嚴重的影響［21］。傳統的防除雜草的方法成本高、也容易導致物種多樣性下降等問題［22－23］。本試驗中，水生植物覆蓋茶園后，在植物體的機械阻力和遮陰作用雙重影響下，雜草的優勢種群得以控制，雜草生物量和密度都顯著降低，也減少了雜草對茶樹生長發育的危害和影響，也解決了傳統防除雜草帶來的問題。

4 小結

1）水生植物覆蓋后，改良了土壤理化性狀。覆蓋與對照茶園相比明顯增加了土壤表層（0～20cm）有機質、全氮、全磷、堿解氮、有效磷的含量，也增加了土壤微生物量氮、磷含量，且其土壤各養分均隨深度的增加而遞減。

2）水生植物覆蓋后，控制了雜草優勢種群，減少了雜草種類，也降低了雜草的株高、密度和生物量。

3）水生植物覆蓋后，通過改善茶園的生態條件，提高了茶葉品質和產量。

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