水稻漂浮濕地生產特性及其除氮效能研究

摘要 [目的] 研究新型水稻漂浮濕地（Lakebased Rice Floating Wetland，LRFW）在富營養化水體處理中的應用。[方法] 以水稻為浮床植物，開展控制試驗，研究水稻種植床的除氮能力和水稻增產能力，并與聚苯乙烯泡沫浮床（Polystyrene Foam Floating Bed，PFFB）進行比較。[結果] LRFW和PFFB的稻米產量分別為1.14 kg/m2和0.60 kg/m2。LRFW的有效分蘗數、單株地上生物量、地上地下生物量比與PFFB間均無顯著差異，但是，單株穗重顯著高于PFFB。經過72 d的運行，LRFW總氮去除率為40.2%，總氮去除負荷為53.44 mg/（m2·d），約為PFFB的2倍。在LRFW系統中，由植物和床體去除的氮分別占去除總量的61.29%和38.71%，而在PFFB系統則分別為87.31%和12.69%。

[結論] LRFW無論在水稻生產還是除氮效能方面均優于泡沫浮床。

關鍵詞 生態浮床；水上農業；硝化-反硝化；多孔基質

中圖分類號 S181.3 文獻標識碼

A 文章編號 0517-6611（2014）20-06659-03

Study on the Rice Production Properties and Nitrogen Removal Efficiency of Rice Floating Wetland

YUE Dongmei，FANG Gensheng et al （Shanghai Water Source Construction Development Co.，Ltd，Shanghai 200092）

Abstract [Objective]The research aimed to study on the application of lakebased rice floating wetland （LRFW） in the treatment of eutrophic body of water.[Method] Taken rice as floating floor plant，the control test was carried out to investigate the nitrogen removal efficiency and rice yield increasing capacity of LRFW and polystyrene foam floating bed （PFFB）.[Result] The results showed that the rice yields of LRFW and PFFB were 1.14 kg/m2 and 0.60 kg/m2，respectively. There were no significant difference between LRFW and PFFB represented by active tillers，aboveground biomass per individual and ratio of above to belowground biomass. However，ear biomass per individual in LRFW was higher than that in PFFB significantly. After working 72 d，total nitrogen removal efficiency and total nitrogen removal load in LRFW were 40.2% and 53.44 mg/（m2·d），respectively，which were twice as much as that in PFFB. The nitrogen removal proportions by rice plant and bed were 61.29% and 38.71% in LRFW and were 87.31% and 12.69% in PFFB，respectively.[Conclusion] Rice production and nitrogen removal efficiency of LRFW were higher than that of PFFB.

Key words Ecological floating bed； Agriculture in water； Nitrificationdenitrification； Porous material

由于陸地過量氮磷輸入而導致的水體富營養化已成為當前最主要的水環境污染問題之一。生態浮床技術通過在水面種植水生植物，通過植物吸收和微生物轉化移除氮磷污染物，兼具美化水面景觀和凈化水質的雙重功能，而且不占陸地，成為主要的水環境生態修復技術之一，在我國各大流域水生態治理中廣泛應用。目前，我國浮床技術的應用向兩個方向發展。其一是植物材料選擇范圍擴大，不但種植水生植物，還引入陸生經濟植物，如蔬菜、水稻等作物[1-4]，向水上農業方向發展，可稱為種植型浮床；其二是提高浮床的水質凈化效果，如近年一些改進型的浮床增加了生物填料[5]、曝氣裝置[6-7]、照明裝置[8]乃至水生動物[9] 等部分，提高了水質凈化效果，可稱為凈化型浮床。但兩個方向中浮床的基本結構都是由聚苯乙烯泡沫板、竹竿、木板、塑料種植模塊或種植筐等材料構成，其缺陷在于這些材料本身吸附和轉化污染物的能力極低，導致在用種植型浮床時不得不依靠人工施肥，以保證作物產量，而在水質凈化效果上，由于系統反硝化過程相對薄弱，導致對硝酸鹽氮去除效果差[5] ，而且缺乏基質的吸附作用，對磷的去除能力也差[10]。

針對現有問題，筆者自主研究了一種水稻漂浮濕地種植床 （簡稱水稻種植床）。該水稻種植床主要組成部分是輕質多孔基質，遵循潛流人工濕地相關原理，通過營造好氧-兼氧-厭氧并存環境，提高系統的反硝化過程，而輕質多孔基質具有較強的吸附能力，可集聚水中的氨氮和溶解態磷供給植物，達到在植物生長過程中，減少甚至不施肥的目的。該研究開展了控制試驗，以水稻為浮床植物，初步探討該水稻種植床的除氮能力和水稻增產能力，并與聚苯乙烯泡沫浮床（簡稱泡沫浮床）進行了對比，以期為后續深入開展氮磷污染物去除機理和調控技術及水上水稻生產管理技術研究積累前期經驗。

1 材料與方法

1.1 試驗地點與試驗材料 于2013年在上海市崇明水生水環境研究所實驗基地進行。研究所位于上海市崇明縣向化鎮向化村陳海公路與向化公路交叉口。供試水稻品種為雜交晚粳“寒優湘晴”。

1.2 試驗用水配制

供試水取自研究所內天然河道。2013年7月測量水質狀況為：氨氮濃度0.595 mg/L，硝酸鹽氮濃度0.361 mg/L，總氮濃度0.700 mg/L，CODCr濃度9.240 mg/L，總磷濃度0.06 mg/L。試驗時，加入硫酸銨調節總氮濃度，加入葡萄糖調節COD濃度，加入磷酸氫二鉀調節總磷濃度，配制后的試驗用水水質數據為：總氮濃度4.307 mg/L，CODCr濃度61.74 mg/L，總磷濃度0.775 mg/L。

1.3 試驗方案

水稻種植床框架由木板制成，外部規格為60 cm（長）×60 cm（寬）×35 cm（高）。木板框頂部為草質纖維板，按間距6 cm 開直徑12 cm孔，總計9個，按3×3均勻布設。每個孔內置一杯狀種植筐，種植筐深10 cm。木板框內填充輕質多孔基質，水稻種植床底部為纖維格柵，起到承托基質層的作用。聚苯乙烯泡沫浮床外部規格為60 cm（長）×60 cm（寬）×8 cm（高），同樣在泡沫板上面覆蓋草質纖維板，按同樣方式開孔和設置種植筐。

試驗模擬裝置為長、寬、高均為100 cm的水泥池，水深為80 cm，水泥池上部覆蓋塑料遮雨棚，去除降水影響。試驗時將水稻種植床和泡沫浮床放在水泥池中，水稻移栽時間為7月1日，移栽苗秧齡約40 d，主莖葉片4～7片，株高15～20 cm，分蘗數1～3株。每個種植筐內移栽2株。9月23日進行收割測產，測量指標包括分蘗數、單株的葉片、稈（含葉鞘）和穗的生物量、地上地下生物量比。水質監測時間始于7月12日，終于9月23日，總計72 d。水稻種植床和泡沫浮床各設置兩次重復。在試驗結束時，測量池內實際水位，作為污染物含量的測算依據。試驗期間未做補水處理。

1.4 數據分析

1.4.1 植物數據分析。

水稻分蘗數統計了每個種植筐內的水稻分蘗數和有效分蘗數。水稻種植床和泡沫浮床的分蘗數均為18個種植筐的平均值。單株地上生物量為隨機選取的15株健康株的測量結果均值，按葉、稈、穗分開測量。地上地下生物量比統計方法為在水稻種植床和泡沫浮床中各隨機選取3個種植筐內的水稻，測量地上和地下生物量風干重。在檢驗方差齊性后，采用Duncan多重比較檢驗水稻種植床和泡沫浮床的水稻各性狀間差異顯著性，顯著水平P=0.05。

1.4.2 水質數據分析。總氮、氨氮、硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮濃度測量方法分別采用國標堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法、納氏試劑分光光度法、酚二磺酸分光光度法和N（1萘基）乙二胺光度法測量。

總氮去除率Np（%） =（初始氮含量-終止氮含量）/初始氮含量×100%

總氮去除負荷Nl[mg/（m2·d）]=初始總氮含量-終止總氮含量浮床面積×試驗天數

所有數據分析在Microsoft Excel 2007（Microsoft Corporation，Seattle，WA，USA）和SPSS 13.0（SPSS，Inc.，Chicago，IL，USA）軟件上進行。

2 結果與分析

2.1 水稻生長指標和產量指標比較

收割測產結果表明，水稻種植床和泡沫浮床的稻米產量分別為1.14 kg/m2和0.60 kg/m2。分別從產量構成要素看，水稻種植床的有效分蘗數和單株地上生物量與泡沫浮床間均無顯著差異（P>0.05）（圖1），但是，單株穗重顯著高于泡沫浮床（P<0.05）。而且地上生物量分配格局也表明水稻種植床的穗生物量分配比例顯著高于泡沫浮床（P<0.05），稈生物量分配比例顯著低于泡沫浮床（P<0.05），而葉片生物量分配比例無顯著差異（P>0.05）（圖2）。盡管地上地下生物量比在兩種浮床間的差異也未達到統計學顯著水平（P>0.05），但是，水稻種植床較泡沫浮床高58.7%（圖1）。

2.2 水質凈化效果比較

經過72 d的運行，水稻種植床的總氮去除率為40.20%，總氮去除負荷為53.44 mg/（m2·d），除氮效果約為泡沫浮床的2倍（表1）。與泡沫浮床相比，水稻種植床氨氮和亞硝酸鹽氮累積量略高，但是水稻種植床的硝酸鹽氮含量明顯降低，表明系統反硝化強度高于泡沫浮床（圖3）。另外，水稻和床體的除氮比例分析結果也可為此提供佐證，在泡沫浮床中高達87.31%的總氮經由植物吸收去除，如果不考慮其他過程（諸如氨揮發、沉淀和水生動物固氮），經由床體去除的氮僅占12.69%，而在水稻種植床中，經由植物吸收去除的總氮降至61.29%，經由床體去除的總氮比例增至38.71%，是泡沫浮床的3倍之多。可見，水稻種植床中多孔基質層極大地增加了微生物生物量，強化了系統氮素轉化過程（圖4）。

3 討論

3.1 水稻種植床和泡沫浮床的水稻增產效能

該研究結果初步證實了水稻種植床的稻米產量要高于泡沫浮床，前者稻米產量為0.79 kg/m2（折合7.9 t/hm2），幾乎為后者的2倍。筆者認為，原因就在于栽培基質的差異。水稻種植床所用的多孔基質層具有吸附水中氨氮和可溶性磷的作用，即對水中的營養物質具有主動的積聚作用，從而可為水稻生長提供更高的營養物質濃度，研究限于試驗條件，并未測量水稻種植床內部和床體外部的營養物質濃度差異，缺少直接證據，不過這從水稻的地上地下生物量比值也可得到佐證，與水稻種植床相比，泡沫浮床的水稻根系更為發達，意味著水稻在生長過程中受到了營養脅迫，不得不將更多的能量用于根系生長來“搜尋”更多的營養物質，導致根系生物量增加，而在水稻種植床中，營養物質相對豐富，植株可將更多的能量用于地上部種子生產，地上生物量分配格局也表明水稻種植床的穗生物量分配更高。因此，一系列的證據表明水稻種植床較泡沫浮床更適合用于水稻生產。

從與其他研究結果對比看，該研究的水稻種植床稻米產量高于宋祥甫等在水泥池內采用浮床種稻的稻米產量，他們的最高產量為0.49 kg/m2（折合4.9 t/hm2）[4]，但低于中國水稻研究所于1991～1993年在浙江省境內自然水域進行的單季晚稻產量的10.07 t/hm2[3]，與陸地栽培的“寒優湘晴”相比，在上海市崇明縣，“寒優湘晴”畝產量在500～600 kg之間（折合7.5～9 t/hm2）[11]，該研究中的水稻種植床稻米產量為此區間較低值，產量并不算高。其中可能有以下原因：與宋祥甫等試驗結果的差異與水稻品種有關，他們所使用的水稻品種為雜交稻“協優46”，與自然水域進行的水上種稻和陸地栽培的“寒優湘晴”相比，其中固然有品種差異，但更為重要的是該試驗為人為控制試驗，水稻生長后期水中養分不足，導致產量相對偏低。不過僅就研究結果看，水稻種植床

在水上種稻方面較泡沫浮床體現出了更大的優勢，這為后續在自然水域進行水上種稻積累了寶貴的前期經驗。另外，需要指出的是，試驗得出的水稻產量僅為計算結果，而非實割測產結果，還需要在自然水域進行大規模種植以獲得更可靠的結論。

3.2 水稻種植床和泡沫浮床的水質凈化效果

從水質凈化效果看，改進后的具有多孔基質層的水稻種植床能夠提高系統的反硝化過程，減少水中硝酸鹽氮的累積。在以往的生態浮床研究中，人們傾向于提高浮床的好氧條件[6-7]，但是這樣做的后果之一就是導致硝酸鹽氮的大量累積[5]，而該研究由于強化了浮床的厭氧條件，同時又保證了系統的好氧條件，因此，水體指標組成合理，氨氮和硝酸鹽氮含量控制在合理的比例內。以往關于植物在生態浮床中的除氮能力一直頗有爭議，大多認為植物是浮床系統除氮的主要貢獻者，植物組織累積的氮量占去除總量的40.32%～63.87%[5]，換言之，植物的吸收同化作用是水中氮素去除的主要途徑，但是也有研究表明植物移除的比例甚至不到10%。鄭劍鋒等構造了具10 cm厚陶粒層的植物浮床，經過52 d的運行，總氮去除率約為35%，其中經由陶粒去除的總氮比例為10.1%，而經由植物去除的比例僅5%～7%[5]。該研究結果表明，水稻種植床和泡沫浮床的除氮均依賴于植物吸收，分別為61.29%和87.31%，但是在水稻種植床中經由植物移除的比例明顯降低，而床體附著微生物的除氮能力明顯強化，支持了第一種觀點。但是與潛流人工濕地相比，經由水稻種植床床體基質層去除的氮量仍然偏低，僅為潛流人工濕地的50%左右[12]，而且如果去除氣態揮發、沉淀和水生動物固氮部分，由床體去除的氮的比例可能還要低。

42卷20期 岳冬梅等 水稻漂浮濕地生產特性及其除氮效能研究

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