綠狐尾藻和空心菜對模擬池塘養殖尾水的凈化效果分析

徐鵬，張紫英，李文紅，溫晴宇，徐紫娟，楊卓

（廣西大學動物科學技術學院/廣西高校水生生物健康養殖與營養調控重點實驗室，廣西南寧 530004）

0 引言

【研究意義】《第二次全國污染源普查公報》數據顯示，2017年中國單位水產品養殖產量的排污強度分別為：化學需氧量（COD）13.6 kg/t、總氮（TN）2.02 kg/t、氨氮（NH4+-N）0.45 kg/t和總磷（TP）0.33 kg/t。養殖尾水中有機物和氮磷營養物質含量與養殖品種和養殖模式有關。高密度精養魚塘的富營養化水體可能會導致部分養殖魚類出現生理和生殖障礙，水體浮游生物多樣性顯著減少，池塘生態系統質量和穩定性下降，增加養殖風險并對周圍水域產生不良影響（Muliari and Zulfahmi，2016）。植物處理成本低，安全環保，是養殖池塘水體原位修復和尾水治理的重要方法之一（徐紫娟等，2021），主要有生態浮床、人工濕地和凈化塘3種處理方式，通常由一種或多種植物搭配或與養殖魚類構成多營養層次池塘綜合養殖生態系統以達到最佳的凈化效果（李裕元等，2021）。因此，在了解植物氮磷營養特征基礎上進行植物選擇和搭配是科學應用植物建立池塘養殖尾水精準處理技術的關鍵。【前人研究進展】現有水生植物氮磷營養特征和浮床植物凈化富營養化水體效果的研究較多，但對用于養殖池塘尾水處理的植物研究較少。空心菜（Ipomoea aquaticaForsk）是我國魚菜共生模式的代表性栽培物種（郭忠寶等，2019），原產東南亞及中國熱帶多雨地區，是我國南方夏秋季重要的保淡蔬菜，但不能越冬。室內研究發現空心菜根系對氮磷營養鹽的吸收能適應任意氮磷濃度的水體凈化（韓璐瑤和呂錫武，2017），淡水池塘魚菜共生生產證明漂浮生長的空心菜對羅非魚（GIFTOreochromis niloticus）、黃顙魚（Pelteobagrus fulvidraco）養殖水體中的NO3--N具有顯著的吸收和去除效果（陳雙等，2018；李甲琳等，2019）。綠狐尾藻（Myriophyllum elatinoidesGaudich）是源于南美洲的多年生沉水或浮水草本植物，葉片4~6輪生，小葉為翠綠色，水下葉為黃綠色，在我國南方可越冬，生態入侵風險低于水葫蘆和大薸；且耐污性強，有優先吸收NH4+和耐高氨氮的特征（馬永飛等，2018），主要用于構建人工濕地處理高氮磷水平的畜禽和農村生活污水（Liu et al.，2018；Zhou et al.，2021），低氮水平時生長不佳。綠狐尾藻在漂浮和低氮磷環境下的氮磷營養特征和凈化能力的研究鮮有報道。楊卓等（2021）發現綠狐尾藻作為浮床植物能在有持續氮磷輸入的池塘養殖水環境中漂浮生長且凈水效果較佳，證實綠狐尾藻和鳳眼蓮、大薸一樣可作為浮床植物用于淡水池塘養殖水體的凈化。【本研究切入點】池塘養殖尾水氮磷水平低于畜禽和農村生活污水，漂浮生長的綠狐尾藻對不同程度富營養化池塘養殖尾水的響應及其應用潛力有待探究，也有必要進一步了解相同培養條件下綠狐尾藻、空心菜對養殖尾水氮磷營養的吸收和去除效果。【擬解決的關鍵問題】參照我國淡水池塘養殖尾水排放標準、羅非魚精養池塘水質和富營養化湖泊水質氮磷含量，分別配置不同氮磷營養水平的模擬養殖尾水，在室內開展綠狐尾藻、空心菜植物浮床凈化模擬養殖尾水研究，通過檢測2種植物的生長、氮磷累積和水體氮磷含量變化，計算模擬養殖尾水中NH4+-N、TN、活性磷（SRP）和TP的去除率，探究綠狐尾藻和空心菜在漂浮環境培養條件下對不同氮磷水平養殖尾水的適應性和氮磷營養吸收和去除效果，為促進2種植物在池塘養殖尾水處理中的推廣應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗方法

試驗在廣西大學校內水產基地四周無遮擋的大棚內進行，供試水體采用在自來水中添加化學藥品的方法配制，營養元素均參考霍格蘭培養液配制添加，其中N、P營養鹽參考營養液配方中大量元素CaNO3·4H2O、KNO3、NH4NO3、KH2PO4，按照各藥品的質量比配制成試驗所需濃度（表1），模擬養殖尾水的氮源主要以NO3--N為主，N/P為5∶1，NH4+/NO3-為1∶6。選取的綠狐尾藻、空心菜是扦插苗，試驗前將2種植物的根洗凈，然后置于基地池塘進行適應性馴化7 d，之后選取生長狀況良好的植株栽植到泡沫板浮床，放入有50 L供試水體的培養箱；試驗周期為42 d，每個濃度水平設3個植物處理組和1個空白處理組，每處理組設3個重復，每個重復用12株植株，初始鮮重約40 g。試驗期間平均室溫28℃，其他條件與室外無明顯差異。

表1 模擬池塘養殖尾水水質情況Table 1 Water quality of aquaculture tail water

1.2 取樣和測定方法

測定指標包括3項植物指標和4項水質指標。

植物指標分別在試驗開始（0 d）和結束（42 d）測定2次。植物鮮重用吸水紙擦干植物體表水分后，用電子天平稱量鮮重并記錄數據（精確到0.01 g）；植株總氮含量用奈氏試劑分光光度計比色法測定，總磷含量用鉬銻抗比色法測定（鄒崎，2000）。每個植物樣品設3個重復以校準誤差。植物氮磷累積量參考李猛（2012）的方法，按如下公式計算：

植物氮磷累積量=Pt×Wt-P0×W0

式中，Pt為植物終末的氮磷含量，P0為植物初始的氮磷含量，Wt為試驗第t天時植物重量，W0為初始植物重量。

每7 d采集1次水樣，每次取樣50 mL，采集水樣前1 d加入蒸餾水補充蒸發流失水分以保持箱內供試水樣為50 L。水質指標測定方法和引用標準見表2。水質氮磷營養物質的去除率參考劉盼等（2011）的方法，按如下公式計算：

表2 水質指標及測定方法Table 2 Water quality indexes and determination methods

去除率（%）=（C0-C）/C0×100

式中，C0為該次測定時的某種水質指標的原始濃度，C為該次測定時經過某種植物凈化之后水樣的對應水質指標標準。

1.3 統計分析

試驗數據用Excel 2016進行整理，以SPSS 26.0進行統計分析，在P＜0.05的顯著水平上，采用單因素方差分析比較平均值，相關分析采用皮爾遜相關性檢驗（雙尾）。采用Origin 9.0進行數據矢量圖繪制。

2 結果與分析

2.1 試驗期間綠狐尾藻和空心菜的生物量和氮磷含量變化

2.1.1 植物生長與生物量變化試驗0~42 d期間，綠狐尾藻根系茂密，植株生長整齊，是理想的浮床植物；空心菜生長旺盛但在28 d后根的枝芽發生腐解，植株逐漸衰亡。

由表3可知，試驗期間，3組綠狐尾藻植株的凈增生物量隨水體氮磷濃度升高呈持續增加趨勢，第42 d的植株凈增生物量分別為37.27、47.18和51.82 g；空心菜的凈增生物量隨水體氮磷濃度升高而減少，分別為25.76、13.63和9.35 g。試驗結束時，綠狐尾藻和空心菜的生長速率分別在4.44~6.17 g（/m2·d）和1.11~3.07 g（/m2·d），綠狐尾藻的生物量是空心菜的0.9~1.3倍。3組綠狐尾藻的平均凈增生物量顯著優于空心菜（P＜0.05，下同）。綠狐尾藻生長適宜的氮磷范圍為15和3 mg/L；而空心菜生長適宜的氮磷范圍為5和1 mg/L。

2.1.2 植株氮磷含量變化.由表3可知，試驗第42 d，3組綠狐尾藻植株氮增加量和磷增加量分別為5.36、8.41、11.36 mg/g和1.25、1.62、2.35 mg/g，各組氮增加量差異顯著，磷增加量差異不顯著（P＞0.05，下同），植株氮磷增加量隨水體氮磷濃度增加而增加；空心菜植株氮增加量和磷增加量分別為3.80、0.00、-2.22 mg/g和0.12、0.03、-0.17 mg/g，各組氮磷增加量均差異顯著，植株氮磷增加量隨水體氮磷濃度增加而減少。試驗結束時，植株氮增加量和磷增加量均表現為綠狐尾藻＞空心菜，差異顯著。試驗第42 d，3組綠狐尾藻氮累積量和磷累積量分別為173.51、242.26、301.50 mg和23.06、31.14、42.61 mg，植株氮磷累積量隨水體氮磷濃度增加而增加；空心菜氮累積量和磷累積量分別為70.47、25.82、9.43 mg和7.38、3.45、1.81 mg，植株氮磷累積量隨水體氮磷濃度增加而減少。綜合凈增生物量、氮磷增加量和氮磷累積量結果，2種植物生長和氮磷吸收能力表現為綠狐尾藻大于空心菜。

表3 試驗期間2種植物的生長和氮磷含量變化Table 3 Growth and nitrogen and phosphorus content of two plants during the test period

2.2 綠狐尾藻和空心菜對水體中TN和NH4+-N的去除效果

植物對水體氮磷的去除效果可用去除率表示，去除率越高，水體氮磷濃度越低。由圖1可看出，試驗第42 d，3組綠狐尾藻對TN的去除率隨水體氮磷濃度增加和處理時間延長而增高，分別為69.53%、79.14%、87.40%，表現為C＞B＞A且差異顯著；空心菜對TN的去除率隨水體氮磷濃度增加而降低，最大值出現在第28 d，第42 d時3組TN的去除率分別為45.31%、53.015%、53.77%，TN的去除率均隨水體氮磷濃度增加而增高，表現為C＞B＞A，但各組間無顯著差異。

由圖1還可看出，試驗第42 d，3組綠狐尾藻對NH4+-N的去除率隨處理時間延長而增高，在第42 d達最大值，分別為97.10%、96.42%、95.17%，試驗期間各組綠狐尾藻對NH4+-N的去除率介于95.17%~97.10%；空心菜對NH4+-N的去除率最大值出現在第28 d，第42 d時3組NH4+-N的去除率分別為59.43%、74.17%、78.41%，NH4+-N的去除率隨水體氮磷濃度增加而增高，表現為C＞B＞A，但各組間差異不顯著。

圖1 綠狐尾藻和空心菜對TN和NH4+-N的去除效果Fig.1 Removal effects of M.elatinoides Gaudich and I.aquatica Forsk on TN and NH4+-N

綜上，試驗結束時，2種植物對氮鹽的去除效果表現為綠狐尾藻優于空心菜，且綠狐尾藻對NH4+-N的去除效果顯著優于空心菜。綠狐尾藻對NH4+-N和TN的去除率隨水體氮磷濃度增加和處理時間延長而增加，空心菜則相反。

2.3 綠狐尾藻和空心菜對水體中TP和SRP的去除效果

由圖2可看出，試驗第42 d，3組綠狐尾藻對TP的去除率隨水體氮磷水平而變化，第42 d達最大值，分別為68.87%、73.74%、84.42%，表現為C＞B＞A且差異顯著，對TP的去除率隨水體氮磷濃度增加和處理時間的延長而增加，試驗期間波動于43.67%~84.42%；空心菜對TP的去除率最大值出現在第28 d，第42 d時3組TP的去除率分別為45.88%、20.61%、27.08%，TP去除率均隨水體氮磷濃度增加呈先降低后升高的變化趨勢，且差異顯著。

由圖2還可看出，試驗第42 d，3組綠狐尾藻對SRP的去除率隨水體氮磷濃度增加和處理時間延長而增加，在第42 d達最大值，分別為69.99%、75.61%、90.00%，差異顯著；空心菜對SRP的去除率最大值出現在第28 d，第42 d時3組SRP的去除率分別為42.29%、30.06%、30.59%，差異顯著。

圖2 綠狐尾藻和空心菜對TP和SRP的去除效果Fig.2 Removal effects of M.elatinoides Gaudich and I.aquatica Forsk on TP and SRP

綜上，2種植物對養殖尾水SRP和TP的去除效果表現為綠狐尾藻大于空心菜，但二者差異不顯著。綠狐尾藻對SRP和TP的去除率隨水體氮磷濃度增加和處理時間延長而增加，空心菜則相反。

2.4 綠狐尾藻和空心菜的氮磷吸收對水中氮磷去除的貢獻率

植物去除氮磷貢獻率是植物氮磷累積量所占氮磷去除量的百分比，植物去除氮磷貢獻率高于35%時植物吸收為凈化水體的主要途徑（羅固源等，2009；王茂元，2015）。由表4可知，3組綠狐尾藻植物吸收TN和TP的貢獻率介于33.65%~99.82%，植物氮磷吸收貢獻率隨水體氮磷濃度增加而降低，推測植物的氮磷吸收是綠狐尾藻凈化水體的主要途徑。空心菜吸收TN和TP的貢獻率隨水體氮磷濃度增加而降低；在A組中的貢獻率最高，分別為62.21%和32.17%，植物吸收對水體氮磷去除起重要作用；在B、C組中植物吸收TN和TP的貢獻率低于20%，植物氮磷吸收較差。綜上，2種植物氮磷吸收能力為綠狐尾藻高于空心菜，植物的氮磷吸收是綠狐尾藻凈化水體的主要途徑，僅在低氮磷水平時A組是空心菜的主要凈化途徑。綠狐尾藻和空心菜對氮的去除優于對磷的去除，且綠狐尾藻優于空心菜。

表4 試驗期間2種植物的氮磷貢獻率Table 4 Nitrogen and phosphorus contribution rates of two plants during the test period

3 討論

3.1 綠狐尾藻和空心菜對池塘養殖尾水的適用性

水生植物具有良好的水質凈化和生態修復潛力。前人研究發現，綠狐尾藻不但可在總氮、總磷分別高達400、35 mg/L的養殖廢水中正常生長，在總氮、總磷濃度分別低至0.53~2.21、0.108~0.279 mg/L的池塘養殖水體中也能正常漂浮生長（何洋，2016；陸慶楠等，2019；楊卓等，2021）；對TN、TP的去除率高達87.8%~93.8%、70.1%~92.7%（劉少博等，2017；Zhou et al.，2017；張瑛等，2021）；空心菜在淡水池塘中持續生長的氮磷范圍分別為0.04~27.84、0.06~4.05 mg/L，對TN、TP的去除率在45.7%~76.9%、40.8%~78.9%（李甲琳等，2019；Zhang et al.，2021）。綠狐尾藻對水體氮磷水平的適應范圍明顯更寬，氮磷去除效果明顯更好，適應性和水質凈化能力更強。與前人室外養殖池塘研究結果相似，本研究發現，在大棚內的同等培育條件下，漂浮生長的綠狐尾藻對TN、TP的適應范圍和去除能力優于空心菜。

水生植物的生長速率直接影響其水質凈化能力和生態修復效果。水生植物的生長速率（AGR）可劃分為快速、慢速和中等速率，其中AGR＞10 g/（m2·d）的生長率較快，AGR＜5 g/（m2·d）生長率較慢。此外，生物量也能反映水生植物的水質凈化能力。本研究中，綠狐尾藻和空心菜的生長速率分別為4.44~6.17 g/（m2·d）和1.11~3.07 g/（m2·d），生物量分別增加37.27~51.82 g和9.35~25.76 g；綠狐尾藻屬中等生長速率，空心菜屬慢速生長速率，綠狐尾藻的生長效果更好。陳雙等（2018）研究發現，在總氮低于10 mg/L的模擬尾水試驗中，綠狐尾藻的生長效果高于空心菜；高空心菜生物量到后期會衰敗，使用低生物量空心菜凈化污水，且在其達最大生物量（610.00~880.00 g）之前進行收割，效果更好。與陳雙等（2018）的結果相似，本研究發現，空心菜生長隨水體氮磷濃度增加而降低，在28 d達最佳后下降，試驗后期出現腐爛現象。本研究后期空心菜生長不佳，發黃腐爛的原因可能與生物量過高，水體TN濃度高有關，在使用過程中，需定期采摘，以達效益最佳（陶玲等，2020）。

水生植物的資源化利用是篩選植物用于生態修復時考慮的重點之一，選擇具有較高經濟效益的水生植物，有利于水生植物發揮本身生態價值的同時產生附加經濟效應。空心菜是我國南方夏秋季主要蔬菜，近幾年在5—10月以“魚菜共生”的方式應用于我國大部分地區，如重慶、廣州、南寧、寧夏等地，既可凈化水質，又可作為經濟類蔬菜，增加農民收入，但不能過冬。綠狐尾藻的營養價值高，干草中粗蛋白含量達17.0%、粗纖維含量為36.9%，富含Ca、Mg、Zn、Fe和Mn等礦質元素，是較理想的飼料原料（孫婉婧等，2017）；可在南方越冬，常作為景觀植物種植于河道或池塘等景觀水體中。空心菜的資源化利用較成熟，綠狐尾藻資源化利用潛力較高。綜合水質凈化能力、生長特性和資源化利用的特點，綠狐尾藻和空心菜均適用于水體水質凈化和生態修復，其中綠狐尾藻可全年用于南方池塘養殖尾水處理，或與空心菜輪作，夏秋季種植空心菜，冬春季種植綠狐尾藻。

3.2 綠狐尾藻和空心菜去除模擬養殖尾水中氮磷的途徑

目前，關于浮床植物對水體氮磷主要去除途徑有2種觀點。一種觀點認為浮床植物生長吸收是水體氮磷去除的主要途徑，去除氮磷量占系統去除量的35%以上；另一種觀點認為水體中氮素的去除主要通過根際微生物的硝化—反硝化反應去除，植物組織中積累的氮磷只占水體中所去除的很小部分（Kivaisi，2001；羅固源等，2009；王茂元，2015）。陳嗣威等（2021）研究發現，綠狐尾藻人工濕地中植物的生長吸收是污水中營養鹽得以去除的主要途徑；陶玲等（2020）研究認為，漂浮的空心菜處理系統對氮磷的去除除了植物吸收和根系微生物作用，主要通過發達根系交錯編織形成的濾層將水中的顆粒性氮磷以過濾沉積的方式去除。陳雙等（2018）發現在總氮低于10 mg/L的模擬尾水試驗中，綠狐尾藻的生長和氮去除能力均高于空心菜，30 d凈化效果受植物類型影響顯著。本研究發現2種植物的氮磷累積和對水體氮磷的去除效果表現為綠狐尾藻優于空心菜，3組綠狐尾藻對NH4+-N的去除率高達95%以上，表現出更強的耐銨性；植物的氮磷吸收是綠狐尾藻凈化水體的主要途徑，但僅在低氮磷水平是空心菜的主要凈水途徑，與陳雙等（2018）、陶玲等（2020）、陳嗣威等（2021）的研究結果一致。劉少博等（2017）、Zhou等（2017）、張瑛等（2021）等發現綠狐尾藻表現出對氮磷超高的吸收能力，對養殖廢水TN和TP的去除率高達87.8%~93.8%和70.1%~92.7%；綠狐尾藻和空心菜一樣，當水中同時存在NO3--N和NH4+-N時，優先吸收NH4+-N（周曉紅等，2008；馬永飛等，2018）。綠狐尾藻表現出比空心菜更高的氮磷累積和凈化能力，可能與綠狐尾藻的耐銨特性有關。綠狐尾藻在高NH4+環境下，將吸收的NH4+在植物體內通過化學反應轉變為NO3-，以緩解NH4+脅迫，同時可提高綠狐尾藻葉綠素的合成，增強光合作用，促使綠狐尾藻的快速生長（劉鋒等，2018；Zhang et al.，2021）。

4 結論

綜合凈增生物量、氮磷增加量和氮磷累積量、植株對水體氮磷的去除率和去除貢獻率結果，發現綠狐尾藻對氮磷的適應范圍較廣，表現為喜高氮磷，對水體氮磷水平的適應能力、生長和水體凈化能力優于空心菜，可用于南方池塘養殖尾水的長期凈化，應用潛力優于空心菜。空心菜的生長和對水體氮磷的去除效果隨水體氮磷濃度增加而降低，應用于夏秋季池塘養殖尾水處理時宜定期收割以保證凈化效果。