空心菜浮床栽培對寒冷地區養殖水體的凈化效果

黃曉麗，白淑艷，黃 麗，陳中祥，王 鵬，覃東立,2*

(1.中國水產科學研究院 黑龍江水產研究所，黑龍江 哈爾濱 150070； 2.農業農村部水產品質量安全控制重點試驗室，北京 100141)

0 引言

【研究意義】池塘養殖是我國主要的淡水水產養殖方式，也是人們獲得魚類等淡水產品的主要途徑。在水產養殖過程中，當投加的餌料、動植物殘體、排泄物等分解造成養殖水體營養物質濃度過高，超過水體自凈能力時，引起水體富營養化，影響養殖效果。水生植物可通過利用、轉移、吸附、吸收等方式去除水體中的污染物質。因此，在水體中種植適宜的植物對修復水體污染有一定的意義。【前人研究進展】蕹菜(IpomoeaaquaticaForsk．)俗稱空心菜，為一年生草本植物，具有繁殖力強、經濟易得等特點，因生長迅速、根系發達、對水體中的氮、磷、有機物等污染物質去除效果顯著。空心菜作為浮床植物被廣泛應用于淡水養殖池塘水體的凈化與修復[1-3]。目前，空心菜浮床技術已被應用于羅非魚[4]、草魚[5]、東平湖鯉[6]、夏花魚[7-8]等多種水產品養殖池塘中，水質凈化效果較好。還有學者結合空心菜對養殖池塘水環境的原位修復效果及其生長與產量情況，提出了魚菜共生模式[7，9]，在改善養殖水體水質的同時產生一定的經濟效益。【研究切入點】目前空心菜浮床技術在養殖池塘中的應用大部分都集中在湖北、江蘇、福建、廣東等南方地區，在我國北方特別是東北地區的應用較少。黑龍江地處我國中高緯度，冬季寒冷漫長，池塘明水期一般4-9月，雖然夏季短促，濕熱條件也能夠滿足空心菜生長的溫度條件。【擬解決的關鍵問題】研究空心菜在北方寒冷地區池塘養殖水體中的生長狀況及對養殖水體凈化效果，為高緯度地區魚菜共生模式的研究與應用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 材料

對大葉白梗空心菜種子進行室內育苗，土培4周后選取長勢一致、生長良好的植株，洗凈根部，移入霍格蘭氏營養液進行預培養，以適應水培條件。

1.2 方法

試驗于2017年6月至9月中旬在黑龍江省哈爾濱市中國水產科學研究院黑龍江水產研究所進行。共設3個處理：處理1為無浮床不種植物(CK)；處理2及處理3為浮床種植空心菜。浮床覆蓋率均為50%；處理2水體中TN(總氮)、總磷(TP)負荷分別為(1.52±0.12) g和(0.82±0.02) g；處理3水體中的TN、TP負荷分別為(1.67±0.15) g和(0.98±0.13) g。1個長方體塑料水箱為1個處理，每個處理3次重復。種植試驗在室外陽臺自然光下進行，試驗期間不換水，每次采樣前用自來水補充蒸發和采樣損失的水。

選用120 cm×60 cm×80 cm的長方體塑料水箱作為試驗容器，以孔徑分布均勻的聚乙烯網片作為浮床框架，網片用PVC繩固定在試驗水箱上，網片面積根據試驗組空心菜所占比例確定。將空心菜秧去葉，剪成12 cm左右且帶有腋芽或頂芽的小段，利用相應尺寸的定植籃作為空心菜載體，每籃放置長勢一致的水培空心菜1～2株。每箱加入50 cm高經沉淀后的池塘水作為試驗用水，水質主要指標：總氮(TN) 2.48～4.87 mg/L，銨態氮(NH4+-N)1.58～2.53 mg/L，硝酸鹽氮(NO3--N)0.51～2.12 mg/L，亞硝酸鹽氮(NO2--N)0.13～0.52 mg/L，總磷(TP)2.21～2.95 mg/L，高錳酸鹽指數(CODMn)24.00～31.00 mg/L，pH 6.40～7.57。該水體的氮素污染物濃度超過我國《漁業水質標準(GB 11607-89)》的氮素限定值(凱氏氮≤0.05 mg/L)和《地表水環境質量標準(GB 3838-2002)》中Ⅲ類水體標準。

1.3 測定項目

1.3.1 水質指標 于試驗的0 d、1 d、2 d、3 d、4 d、6 d、9 d、13 d和20 d的8:00-8:30，采集各試驗箱上、中、下層水樣各3份，不同采樣點分別混合均勻后測定NH4+-N、NO2--N、NO3--N、TN、TP、CODMn等水質指標，取平均值。NH4+-N采用納氏試劑分光光度法測定，NO2--N采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法測定，NO3--N采用酚二磺酸分光光度法測定，TN采用德國耶拿multi NC系列TOC/TN(總有機碳/總氮)分析儀測定，TP采用鉬酸銨分光光度法測定，CODMn采用國標法(GB 11892-1989)測定；pH用pH計測定。

1.3.2 空心菜生長量與相對生長速率 于試驗前和試驗結束后分別測定空心菜的生物量。用清水將空心菜洗凈，將植物分為根、莖葉兩部分，55℃烘干至恒重后，采用相對生長速率(RGR)衡量空心菜培養前后的生長狀況[10]。

RGR=(lnW2-lnW1)/t

式中，W1、W2分別為第1次和第2次測定時的植物干重，t為2次測定間隔的時間。

1.4 數據分析

水質檢測結果用平均值±標準差(Mean±SD)形式表示，使用SPSS進行統計學分析。

2 結果與分析

2.1 空心菜的生長狀況

初浮植時，空心菜在池塘養殖水體環境中能正常生長，定植后適應期為1～2 d,快速生長期為3～12 d,慢速生長期為13～20 d。空心菜移植后葉片有些萎蔫，在48 h后逐漸恢復；快速生長期的空心菜長勢較快，莖葉生長旺盛，根系逐漸發達；慢速生長期的空心菜莖葉生長速度降低，個別葉片萎蔫脫落，根系無明顯變化。培養20 d時，處理2和處理3的空心菜生物量均高于初始生物量，處理3的生物量略大于處理2(表1)。

表1 空心菜的生物量Table 1 Biomass of water spinach

2.2 空心菜對水體的凈化效果

2.2.1 對氮素污染物的凈化效果 從圖1看出，處理1(CK)和種植空心菜的處理(處理2，處理3)中的NH4+-N濃度均隨培養時間延長而逐漸下降，NH4+-N的平均去除率均>80%，差異不顯著。NO3--N濃度在試驗的前4 d各處理均迅速下降后趨于平穩，種植空心菜的處理(處理2，處理3)最終平均去除率>90%，對NO3--N的去除負荷顯著大于對照。處理和對照組的NO2--N濃度變化趨勢差異顯著，培養9 d后對照中NO2--N濃度逐漸升高，而種植空心菜的處理中NO2--N濃度逐漸下降。空心菜的栽種能夠促進養殖池塘水體TN的去除，但處理組和對照組的TN濃度起伏變動較大；試驗初期(培養前2 d)各處理TN略有下降，而后逐漸上升，種植空心菜的處理在定植4 d左右達峰值后逐漸下降，最終平均去除率分別為78.88%和73.78%；對照組的TN濃度逐漸升高，試驗結束時顯著高于試驗初始濃度；各處理間的TN差異明顯，處理2和處理3水體的TN負荷略有差異，分別是(1.52±0.12) g 和(1.67±0.15) g，但最終TN去除率無顯著差異(P=0.200)。

圖1 空心菜種植后不同時間水體的N素污染物濃度Fig.1 N-contaminant concentration in aquaculture water cultivated floating-bed-grown water spinach with different time

2.2.2 空心菜對TP的凈化效果 從圖2看出，對照組和種植空心菜處理的TP濃度在試驗初期急劇下降，之后逐漸上升、再下降并趨于平穩，試驗結束時TP的平均去除率分別為87.72% 與90.52%；在研究中沒有施加藥物控制藻類和微生物生長的情況下，對照TP的去除率為64.53%。可見，空心菜浮床對養殖水體中的TP有一定去除效果。

圖2 空心菜種植后不同時間水體的TP濃度Fig.2 TP concentration in aquaculture water cultivated floating-bed-grown water spinach with different time

2.2.3 空心菜對CODMn的凈化效果 從圖3看出，空心菜浮床對養殖水體中CODMn的去除有一定的貢獻。對照試驗期間CODMn的含量變化不大。種植空心菜的處理試驗初期CODMn濃度變化不大，而在試驗后期(培養13 d后)水體中CODMn的去除率逐漸增加，處理2和處理3的CODMn最終平均去除率分別為40.70%和44.96%，去除率較低，兩處理間的差異不顯著(P=0.700)。

圖3 空心菜種植后不同時間水體的CODMn濃度Fig.3 CODMnconcentration in aquaculture water cultivated floating-bed-grown water spinach with different time

3 討論

在試驗條件下，空心菜在池塘養殖水體中能夠正常生長且狀態良好，水體中TN、TP負荷分別為(1.52±0.12) g和(0.82±0.02) g的(處理3)生物量略大于TN、TP負荷分別為(1.67±0.15) g和(0.98±0.13) g(處理2)，但差異不顯著。原因可能是水體中TN、TP負荷低的營養供應受到了一定的限制所致。研究中沒有施加藥物控制藻類和微生物的生長，試驗早期水體中藻類、微生物及其他浮游生物繁殖速度較快，利用N、P作為營養物質，水生植物移植初期，空心菜的吸收能力較弱，水體中的NH4+-N、NO2--N、NO3--N、TP等污染物主要是通過微生物的硝化作用及藻類的利用與吸收作用去除。隨著水體中溶解氧的下降，藻類及其浮游生物逐漸死亡分解，N、P被重新釋放到水體中，進而導致水體中N、P濃度起伏變化，甚至短期內出現上升現象。種植空心菜處理的TP濃度波動幅度小于對照，可能是空心菜具有一定的抑藻能力[11-13]。隨著空心菜進入旺盛生長期，植物組水體中的N、P濃度迅速下降，去除效率顯著高于對照組。在試驗后期，空心菜生長速率放緩，根系發達，無明顯變化，但個別葉片萎蔫脫落，可能是由于水體中大部分N、P營養缺乏及氣溫降低導致。整體看，空心菜浮床栽培能夠促進養殖池塘水體水質的凈化，有效降低水體中NH4+-N、NO2--N、NO3--N、TP、CODMn等污染物的含量。

相同覆蓋率的空心菜浮床對不同TN、TP負荷的池塘養殖水體的去除率無明顯差異，表明，空心菜具有較好的吸收N、P能力[14]，且能夠適應較廣泛的營養條件，對不同污染程度水體中的營養鹽均具有較好的吸收與吸附能力[15]。在植物的快速生長期，NO3--N的去除速率較NH4+-N快，且TP的去除速率大于TN。原因是3種污染物H2PO4-、NH4+-N、NO3--N中，空心菜對H2PO4-的親和力常數最小，對NO3--N的吸收速率最大[15]，根據基于最大吸收速率和最小親和力常數的水生植物對營養鹽適應性的評價方法[16]，在低N、P水平條件下，空心菜優先選擇吸收H2PO4-，且對NO3--N的吸收速率最快。

4 結論

空心菜浮床的使用能夠促進養殖廢水中的氨氮、硝態氮、總氮、總磷和CODMn等污染物的去除，水質凈化效果顯著。在北方寒冷地區，6月中旬至8月下旬養殖水體種植空心菜能夠滿足其對溫度、氣候的要求，可將其作為浮床植物應用于養殖水體的凈化。