水培豆瓣菜凈化豬場沼液的試驗研究

徐文娟 劉丹丹 李呂木 沈智 李淼 楊詠

摘要：為探究沼液在豆瓣菜水培中的有效利用及豆瓣菜凈化沼液達標排放的可行性，采用豆瓣菜浮床栽植在不同濃度的沼液中，分析沼液氨氮、TN、TP、TK、COD的含量變化和豆瓣菜植株相關生長指標及營養指標。結果表明，豆瓣菜水培能明顯降低沼液中氨氮、TN、TP、TK、COD含量，對沼液中氨氮、TN、TP、TK和COD去除率最高的處理組分別是D4、D4、D4、D3和D4，去除率依次為42.45%、38.91%、33.41%、28.79%和87.61%，可見在一定范圍內豆瓣菜對低濃度沼液中的氨氮、TN、TP、COD去除率更高，尤其對COD有很強的去除效果。D2處理水培豆瓣菜21 d后氨氮達到我國規定的集約化畜禽養殖業水污染物排放標準，是凈化效益最佳處理組。D3有利于豆瓣菜株高和根部生長，在 21 d 時植株生長最旺盛，42 d時鮮質量達4.11 kg/m2，和D2差異不顯著。高濃度沼液會降低豆瓣菜中可溶性糖含量;D3中可溶性蛋白含量最高，達3.97 mg/g，極顯著高于CK1;D2中維生素C含量顯著大于其他沼液處理組，達到 256.49 mg/kg;各處理組的豆瓣菜硝酸鹽含量和亞硝酸鹽含量都符合國家標準。

關鍵詞：凈化;沼液;豆瓣菜;水培;畜禽養殖;污染物

中圖分類號：X713?? 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2020）14-0310-06

現階段畜禽養殖是農業污染的最大來源，也是水體環境治理的重要方面[1]。畜禽養殖對環境的污染主要來源于畜禽排泄物，畜禽養殖場中高濃度、未經處理的污水和固體糞污以及惡臭氣體對水體、大氣、土壤、人體健康及生態系統造成了不良影響[2]。國家對集約化畜禽養殖業水污染物制定了排放標準，因此對豬場沼液進行凈化處理尤為重要。目前凈化豬場沼液采用的方法包括水生植物水培凈化[3]、絮凝劑凈化[4]、細菌微藻吸收[5]、水培蔬菜凈化[6]、序列間歇式活性污泥（SBR）處理[7]等，目的都是通過經濟合理的方法凈化豬場廢水。其中在沼液水培蔬菜是將沼液應用于蔬菜無土栽培中，解決沼液的后處理和蔬菜生產中農業污染的問題，還可以降低無土栽培中營養液配制的成本。

豆瓣菜為十字花科豆瓣菜屬多年生水生蔬菜，具有食用和藥用價值[8]，同時對富營養化水體具有凈化功能[9]。本研究以小型豬場沼液為營養液進行豆瓣菜水培試驗，分析豆瓣菜對沼液稀釋液中氨氮、全氮（TN）、全磷（TP）、全鉀（TK）含量的影響。試驗選擇在大棚中進行，獲得的數據能直接應用于生產，以期為選擇最佳沼液稀釋倍數及豆瓣菜適宜水培時間提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試沼液取自安徽省阜陽市臨泉縣泉優牧業有限公司;豆瓣菜種苗由安徽省六安市舒城縣舒豐農業有限公司提供，為廣東豆瓣菜。

1.2 試驗設計

大棚面積為750 m2，共開挖15個大小相同的水培池，水培池長15 m、寬2.4 m、深0.35 m、面積為36 m2。池底用耐磨毛毯鋪好后再用防水塑料布覆蓋，每個水池放置26個浮床，浮床大小為1.0 m×1.0 m，網面孔徑為2.0 cm×2.0 cm，在大棚中配備溫度計、水管、氧氣泵。

試驗用的沼液是豬糞充分厭氧發酵后，濾去固體殘留物的清液。將沼液原液稀釋成氨氮含量為130、100、70、40 mg/L共4個濃度進行豆瓣菜水培試驗，分別標記為D1、D2、D3、D4，每處理設置3個重復，各處理氨氮、TP、TK含量如表1所示，每個水培池中蓄水量為8.0 m3。以清水處理水培豆瓣菜為植株生長指標測定對照，標記為CK1，以根據華南農業大學葉菜類A配方配制的營養液水培的豆瓣菜為正常植株生長指標測定對照，標記為CK2;另用空桶存放稀釋后的沼液為沼液凈化指標測定對照，分別標記為CK-D1、CK-D2、CK-D3、CK-D4。試驗期間根據實際情況每周加水，以補充因蒸發等原因失去的水分。

2017年9月上旬開始育苗，2017年10月5日定植，定植密度為50株/m2。定植前將豆瓣菜先在清水中緩苗1 d，使其根系適應水環境，緩苗結束后定植到不同處理的沼液池中。

1.3 測定項目與分析方法

1.3.1 豆瓣菜生長指標測定

每間隔7 d測量1次株高、根長，直至采收，采收時統計鮮質量。

1.3.2 豆瓣菜營養指標測定

在豆瓣菜收獲時，采用蒽酮比色法[10]測定可溶性糖含量;采用考馬斯亮藍G-250法[10]測定可溶性蛋白含量;采用2，6-二氯酚靛酚比色法[10]測定維生素C含量;采用原子吸收分光光度法[11]測定重金屬Cu、Zn、Cd、Cr、Pb含量;采用紫外分光光度法[12]測定硝酸鹽含量;采用鹽酸萘乙二胺比色法[12]測定亞硝酸鹽含量。

1.3.3 沼液指標測定

每間隔7 d測量1次沼液指標。采用納氏試劑光度法[13]測定沼液氨氮含量;采用鉬銻抗分光光度法[13]測定沼液TN含量;采用鉬酸銨分光光度法[13]測定沼液TP含量;采用火焰原子吸收法[13]測定沼液TK含量;采用快速密閉催化消解法[14]測定沼液COD含量。

1.3.4 數據處理與分析

沼液污染物去除量、去除率及豆瓣菜對污染物去除能力的計算公式如下：

去除量=對照組含量-處理組含量;

去除率=去除量初始量×100%;

去除能力=去除量×沼液體積總面積×天數。

運用Excel 2016進行數據整理和制圖，SPSS 23進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 豆瓣菜生長指標的變化

2.1.1 豆瓣菜株高變化

如表2所示，前7 d各處理中豆瓣菜生長旺盛，7 d后D1由于高濃度沼液脅迫導致株高降低。D3在前21 d株高持續增長，21 d后開始下降，但依舊總體顯著高于其他沼液處理組，42 d時比CK1高出66.15%。在整個生長周期中的平均株高由高到低是D3>CK2>D2>D4>D1>CK1，分別為19.78、19.61、14.33、13.91、1362、11.27 cm，D3最有利于豆瓣菜株高生長，沼液濃度過高會抑制豆瓣菜株高的生長。

2.1.2 豆瓣菜根長變化

如表3所示，D4中豆瓣菜根部在前21 d持續生長，而其他各沼液處理組在7 d后均受到高濃度沼液脅迫，根部腐爛導致根長縮短;D3在14 d后適應沼液環境，根部開始伸長;D1和D2由于沼液濃度較高，根部腐爛嚴重，在7 d后根部長度大體持續下降。D1在42 d時根長最短為 4.43 cm，極顯著低于其他處理組，說明高濃度沼液會抑制豆瓣菜根部生長。平均根長由高到低為

2.1.3 不同處理豆瓣菜鮮質量比較

如圖1所示，42 d后不同沼液處理組中豆瓣菜鮮質量都顯著高于CK1，其中D3鮮質量最高，顯著高于D1和D4，和D2、CK2之間差異不顯著，比CK1高出21438%，達到 4.11 kg/m2，其次D2>D4>D1，分別為3.48、2.80、2.64 kg/m2。可見D3處理產量最高，沼液濃度過高會降低豆瓣菜產量。

2.2 不同處理豆瓣菜營養指標比較

如表4所示，D1、D2、D3、D4豆瓣菜可溶性糖含量逐漸增加，D4極顯著高于其他沼液處理組，與CK2之間差異不顯著，D1、D2、D3可溶性糖含量低于CK1，說明高濃度沼液會抑制豆瓣菜中可溶性糖的生成。可溶性蛋白含量由高到低為D3>CK2>D1>D2>D4>CK1，說明使用沼液水培能夠提高豆瓣菜中可溶性蛋白含量，且D3效果最佳，達到 3.97 mg/g，比CK1高出34.12%。沼液處理組維生素C含量由高到低是D2>D1>D3>D4，分別為256.49、198.48、195.99、7862 mg/kg，D2極顯著大于其他沼液處理組，和CK2之間無顯著差異，其中D1和D3之間差異不顯著。

蔬菜是人體硝酸鹽的主要來源，占人體總攝入量的70%～80%[15]，硝酸鹽和亞硝酸鹽會形成有致癌作用的亞硝胺[16]，過量食用會危害人體健康，我國已對無公害蔬菜中的亞硝酸鹽、硝酸鹽含量提出明確的限量標準，亞硝酸鹽含量≤4.0 mg/kg，[JP+1]硝酸鹽含量≤3 000 mg/kg（葉菜類）[17]。如表4所示，不同處理中硝酸鹽、亞硝酸鹽含量都沒有超標，符合我國國家標準，且不同濃度沼液處理組中硝酸鹽含量極顯著低于CK1;亞硝酸鹽含量最高的是D2組，為 3.32 mg/kg，在D3組中亞硝酸鹽含量最低。

2.3 沼液凈化效果分析

2.3.1 沼液氨氮含量動態變化

如圖2所示，前21 d中D1氨氮含量持續快速下降，從130.00 mg/L下降到80.90 mg/L，隨后出現明顯的缺素癥，長勢變弱，根系及部分葉片有腐爛發生，導致沼液中的氨氮含量有所上升;如表5所示，在整個種植周期內D1去除量最高，為31.07 mg/L，和D2、D3之間差異不顯著。D4中氨氮去除率最高，達到42.45%，和D3之間差異不顯著，其次為D3>D2>D1，說明沼液濃度越低，氨氮去除率越高;D1中豆瓣菜對氨氮的去除能力最高，達227.60 mg/（d·m2），和D2、D3之間差異不顯著，其次為D2>D3>D4，分別為194.90、186.13、124.39 mg/（d·m2）。

我國國家標準規定集約化畜禽養殖業水污染物中氨氮允許日均最高排放含量為80 mg/L，42 d時D1中氨氮含量為78.51 mg/L，21 d時D2中氨氮含量為79.51 mg/L，均達到氨氮排放標準;D3和D4由于沼液濃度較低，試驗開始時就已經達到排放標準。

2.3.2 沼液TN含量動態變化

如表5、圖3所示，豆瓣菜能明顯降低沼液中的TN含量，其中D3中去除量最高，達到30.64 mg/L，其次為D1>D4>D2，分別為23.18、20.49、19.20 mg/L，D1、D3之間差異不顯著;D4中的TN去除率最高，達到3891%，其次為D3>D2>D1，分別為33.24%、14.59%和13.54%;D3中豆瓣菜對TN的去除能力最高，達224.48 mg/（d·m2），和D1之間差異不顯著，其次為D1>D4>D2，分別為 169.82、150.15、140.69 mg/（d·m2）。

2.3.3 沼液TP含量動態變化

如表5、圖4所示，豆瓣菜在不同濃度的沼液中水培都能明顯降低沼液中的TP含量，前21 d各處理組沼液中TP含量下降較快，21 d后下降速度減慢。D1中去除量最多，達1.55 mg/L，其次為D2>D3>D4，各處理組之間差異不顯著;D4中的TP去除率最高，為33.41%，其次為D1>D2>D3，各處理組之間差異不顯著;D1中豆瓣菜對TP的去除能力最高，達11.38 mg/（d·m2），其次為D2>D3>D4，分別為8.73、5.94、3.77 mg/（d·m2），各處理組之間差異不顯著。

2.3.4 沼液TK含量動態變化

如表5所示，D3中TK去除量最大，為20.50 mg/L，極顯著大于其他沼液處理組，其次為D4>D2>D1，分別為10.21、697、5.46 mg/L;D3的TK去除率最高，為2879%，和D4之間差異不顯著;D3中豆瓣菜對TK的去除能力最高，達150.19 mg/（d·m2），極顯著高于其他處理，其次為D4>D2>D1，分別為74.81、50.03、39.96 mg/（d·m2）。

2.3.5 沼液COD含量

如表5、圖5所示，D2對COD的去除量最高，為113.27 mg/L，極顯著高于其他沼液處理組;D4去除率最高為87.61%，極顯著高于其他沼液處理組，其次為D3>D2>D1，分別為52.73%、48.58%和24.54%;D2中豆瓣菜對COD的去除能力最強，為 829.78 mg/（d·m2），極顯著高于其他處理組，其次為D3>D4>D1，分別為63045、598.49、544.78 mg/（d·m2）。我國制定的《畜禽養殖業污染物排放標準》中規定了可排放COD含量標準為400 mg/L，所有處理均達到排放標準。

3 結論與討論

3.1 豬場沼液對水培豆瓣菜的生長及營養品質的影響

豆瓣菜植株在清水中緩苗結束后定植于沼液池中，前期根系未受到傷害，能夠正常吸收養分，定植后的前 7 d 各處理組豆瓣菜生長旺盛， 7 d后 D1中低溶氧量等因素導致根部腐爛，D4中較少的養分不足以維持植株后期的持續生長;D3中豆瓣菜在整個生長周期內地上部分和根系生長良好，42 d后鮮質量可達到 4.11 kg/m2，但與D2、CK2的鮮質量無顯著差異，D3是適宜水培豆瓣菜的濃度配比。高濃度沼液會降低豆瓣菜中可溶性糖含量;D3中可溶性蛋白含量最高，達3.97 mg/g，極顯著高于CK1;D2中維生素C含量極顯著大于其他沼液處理組，達256.49 mg/kg;各處理組豆瓣菜硝酸鹽、亞硝酸鹽含量都在安全范圍內。

3.2 水培豆瓣菜對豬場沼液的凈化作用

浮床水培豆瓣菜有助于硝化菌和反硝化菌的生長，微生物通過硝化和反硝化作用將沼液中高濃度的氨氮轉化為硝態氮的形式，從而被植物吸收，這是對氮的主要去除機制[18];氮磷之間的協同作用會促進相互吸收，水生植物根系微生物也能去除部分氮磷;鉀可以促進葉片葉綠素的合成，提高葉綠素含量，加強光能利用效率，促進植株生長，進而促進對氮、磷、鉀的吸收;蔬菜根系附近的微生物可對有機物進行降解，另外根系的吸附作用以及有機物的物理沉降作用也會使水體中COD含量下降。水培豆瓣菜對豬場沼液中氨氮、TN、TP、TK、COD都有一定的去除效果，對沼液中氨氮、TN、TP、TK和COD去除率最高的處理組分別是D4、D4、D4、D3和D4，去除率依次為42.45%、38.91%、33.41%、28.79%和87.61%，由此可見，在一定范圍內豆瓣菜對低濃度沼液中的氨氮、TN、TP、COD去除率更高，尤其對COD有很強的去除效果。試驗前，D2的氨氮、TP、COD含量分別為100.00 mg/L、3.86 mg/L和 233.13 mg/L，而在處理21 d時下降到79.51 mg/L、1.85 mg/L 和163.25 mg/L，達到國家標準規定集約化畜禽養殖業水污染物中氨氮、TP和COD的排放標準，是凈化效益最佳處理組。

在種植期間由于水體富含氮磷，水面易生長出水綿，使得水體氮磷含量下降[19]，在未種植任何蔬菜的空白對照水池中也有下降，在種植前應徹底清掃池底，從源頭上杜絕水綿的出現。

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收稿日期：2019-07-28

基金項目：安徽省科技攻關項目（編號：1804g07020169）;安徽省蔬菜產業技術體系建設項目（編號：11250076）。

作者簡介：徐文娟（1966—），女，安徽安慶人，碩士，副教授，主要從事蔬菜品質與安全研究。E-mail：976478297@qq.com。