水生蔬菜答農民問（55-2）：菱角對生態環境適應能力如何？在生態環境改良中有哪些主要用途？

劉義滿 王愛新 樂有章 魏玉翔

2 菱角對富營養化水體的凈化效果

2.1 菱角植株生物量大，有利于大量吸收和積累水體營養物質及重金屬等污染物

菱角植株生長迅速，生物量大。特別的一點，菱角除了具有土中根系外，其沉水莖上具有大量兼具吸收、光合及貯藏功能的不定根（圖1），有利于大量吸收和富集水體營養物質及重金屬等污染物。李文朝[24]在江蘇無錫五里湖的研究結果表明，菱角耐污性較強，生物量大；6月定植時植株水面葉片覆蓋率約20%，1個月后水面葉片覆蓋率即可達100%，最高生物量（鮮質量）達7 kg/m2以上。楊孟等[25]報道的太湖菱角（紅菱）生物量則高達22.5 kg/m2。有人在美國哈德遜河流域調查，菱角植株干物質生產量可達1 kg/m2以上[26]。日本佐賀大學（Saga University）Arima等[27]利用從我國杭州及上海引進的大果型（單果鮮質量15～30 g，包括四角菱、二角菱及無角菱），源自日本的中果型（單果鮮質量5～10 g，均為四角菱）和小果型（單果鮮質量5 g以下，均為二角菱）菱角進行種植比較試驗，結果植株干質量（包括地上和地下部分）大果型和中果型菱角大于600 g/m2（400 kg/667 m2），小果型菱角植株干質量產量300～500 g/m2（200～334 kg/667 m2）。易磊[28]在河北白洋淀調查結果表明，菱生長期4月至10月初，主要生長期7～9月，高速生長期集中于40～80天（即7～8月），植物生物量在果實成熟的9月下旬達到最大值。植株體內氮、磷累積量在植株生長最旺盛的8月上旬達到最大值。其中，葉片具有最大生物量和氮、磷積累量，其次為莖，根最小。在種植水生植物的水體中，污染物去除總量中，有一部分是通過植株吸收作用去除的。植物通過吸收作用去除的污染物量占污染物去除總量的比例，即為植株吸收貢獻率。徐蕾等[11]研究結果表明，在嚴重富營養化和異常富營養化水體中，TN和TP去除率中的菱角植株吸收貢獻率可以分別達34.8%～36.9%和24.1%～34.5%。

圖1 菱角植株生長量大、不定根眾多，水體凈化功能強，可以做到生態效益和經濟效益協調統一

2.2 菱角對重金屬的富集積累能力

黃亮等[29]2000年對武漢地區相關湖泊的調查結果（表1）顯示，除Pb為葉片富集能力大于根部外，其他為根部大于葉部，如武湖的菱角植株根部和葉部重金屬質量分數比值分別為Zn 2.30、Cr 2.80、Cu 2.20、Co 3.80、Ni 2.60、Cd 2.30、Pb 0.85。菱角葉部對水中重金屬富集 系 數F（×103）分 別為Zn 3.53、Cr 2.57、Pb 5.00、Cu 3.99、Co 3.69、Ni 3.61、Cd 66.20。生物體內Cd與金屬硫蛋白的緊密度比Zn大3 000倍，Zn和Cd與硫蛋白中的巰基結合時，Cd可以置換Zn。Zn/Cd值可以反映重金屬積累能力，也間接指示植物的破壞程度，如武漢斧頭湖、漲渡湖及武湖菱角葉片內的Zn/Cd值分別為73.1、9.1及15.1。

表1 武漢斧頭湖、漲渡湖及武湖內菱角葉片重金屬質量分數[29] μg/g

周娜[30]研究結果表明，菱角不定根對Hg2+和Cu2+的最大吸附量分別為5.5、9.75 mg/g，最大吸附比表面積分別為0.65、1.51 m2/g。

印度Vinod等[31]進行的植物修復研究（Phytoremediation experiments）中，利用菱角（Trapa natans）處理城市污水（municipal wastewater），文中城市污水取自活性污泥法城市污水處理廠（activated sludge process-based municipal wastewater treatment plant），結果顯示，菱角能在P〈0.05、0.01或0.001水平上顯著減少Cd、Cr、Cu、Fe、Mn、Pb、Zn等重金屬含量。菱角對這些指標的去除速率在處理15～45天內逐漸增加，處理60天時略有放緩，但去除量達到最大值。Cd、Cu、Fe、Mn及Zn的大部分積累于葉部，而大部分Cr和Pb積累于根部。

王方園等[32]研究表明，培養液中添加砷和汞后18天，菱角根、莖、葉對水體砷和汞的富集系數明顯大于對土壤砷和汞的富集系數；對水體汞的富集能力大于水體砷；根部的富集能力大于莖和葉（表2）。該研究結果還表明，菱角對砷和汞的富集能力大于茭白。分析還認為，汞的存在會抑制水中砷向菱角遷移。

表2 菱角根、莖、葉對水體和土壤中的砷、汞的富集系數[32]

雖然不同研究結果中，菱角對重金屬等的富集能力差異較大，但總體而言，菱角對重金屬具有較強的富集能力，可以用于重金屬清除。

2.3 菱角對富營養化水體的凈化作用

關于菱角對富營養化水體的凈化作用，我國一些研究人員進行過模擬研究（表3）。綜合表3模擬研究結果，種植菱角對富營養化水體化學需氧量去除率為42.40%～67.52%，總磷去除率33.86%～87.50%，總氮去除率44.10%～87.92%，氨氮去除率58.0%～74.5%，均明顯高于對照（高出對照的幅度，不同研究結果不一，低者13.3%～16.6%，高者267.43%），顯示出較好的水體凈化能力。另外，研究結果顯示，種植菱角還可較大幅度增加水體透明度。至于水體溶解氧，有個別模擬研究顯示，種植菱角可以大幅度增加其含量，但該結果與多數調查檢測結果不相符合。

表3 模擬實驗中菱角植株對水體富營養化物質的去除率 %

我國不同地區利用菱角進行的工程化水體凈化示范項目中，亦顯示出很好的效果。廖榮明[39]2008-2009年調查，安徽合肥烔煬河水質基本維持在Ⅲ～Ⅴ類，雖然菱角植株使水體溶解氧含量有一定程度降低，但總體上對水體氮、磷有良好凈化效果。高吉喜等[40]在云南滇池流域自然條件下研究前置庫對面源污水凈化效率，7～8月，定植期菱角水面覆蓋率約80%，結果氮凈化率48.9%、磷凈化率50.9%。王琴等[41]在白洋淀的監測結果顯示，相較于無植被區，菱角種植區水體透明度（SD）0.74 m（增加45%）；菱角種植區和菱角種植區外圍水體TN、NH4+-N、TP以及底泥總氮（STN）和總磷（STP）均有一定削減效果，其中菱角種植區外圍9月下旬TN去除率達63.5%，7月下旬和10月中旬TP去除率分別達到55.6%和88.4%；菱角種植區8月下旬銨氮去除率31.4%，10月中旬凱氏氮去除率45.2%。但是，9月下旬菱角進入采收期后，水體溶解氧低于無植被區。而且，菱角植株腐爛沉積會導致底泥總磷含量增加。劉存歧等[42]在河北白洋淀的研究結果顯示，種植菱角的水體透明度比對照區平均增加0.55 m，增幅65%；浮游植物密度顯著降低。另外，菱角的生物量、氮和磷含量以及氮、磷積累量均在7月30日達到峰值，水體透明度也最高，此后氮、磷積累量逐漸下降，到9月30日菱種植區水質反而劣于對照。王琴等[41]和劉存歧等[42]的研究結果均提示，利用菱角凈化水體時，應注意合理配置種植密度，并及時清除菱角植株。

山東濟寧南四湖湖區淺水域、廢棄池塘、塌陷地水域、入湖河口水域等不同生態區內，種植菱角對富營養化水體起到很好凈化效果。高敏等[43]調查結果表明，菱角種植區水體COD、TP、TN及NH3-N去除率分別為46.37%～57.03%、98.38%～99.60%、93.10%～96.15%及93.07%～98.63%。楊孟等[25]報道，在太湖梅梁灣中犢山和管社山菱控制性種養工程樣地中，種植菱角（紅菱）水域水質明顯改善，與無水生植物水域相比，TN濃度降低約50%，TP降低20%～76%，Chla降低68%，水體透明度增加1倍。菱角生物量15 t/667 m2，其中氮同化去除量30.33 kg/667 m2，磷同化去除量4.87 kg/667 m2。

戴偉東等[44]對浙江溫州三篛濕地內的2塊大面積種植菱角種植區（分別約6 000、3 000 m2，用種量10 kg/667 m2，主要種植期5～10月）調查結果，與對照區比較：①水體透明度、營養鹽和葉綠素a濃度等指標均有明顯改善；②與非種植區比較，2個菱角種植區水體透明度在7月差異最顯著，分別提高0.4和2.3倍；③TN在5月差異最顯著，質量分數分別下降39.7%和20.6%；④TP含量在5～6月差異最顯著，分別下降58.6%和42.6%；⑤氨氮在6月差異最顯著，分別下降72.1%和61.3%；⑥葉綠素a分別在5～7月差異最顯著，分別下降61.4%和77.5%，均差異顯著。另外，菱角種植區內的高錳酸鹽指數均低于非種植區，浮游動物密度顯著降低。邵珊等[45]調查結果表明，在旱生蔬菜種植區排水下游種植一定面積菱角，使TN和TP分別下降98.08%和85.66%，表明菱角能有效攔截地表徑流中的TN和TP。

印度Vinod等[31]研究結果顯示，菱角能在P〈0.05、0.01或0.001水平上顯著減少城市污水中總 溶 解 固 體（total dissolved solids，TDS）、電 導 率（electrical conductivity，EC）、五 日 生 化 需 氧 量（biochemical oxygen demand，BOD5）、化學需氧量（chemical oxygen demand，COD）、總凱氏氮（total Kjeldahl nitrogen，TKN）、磷酸鹽（phosphate，PO43-）、鈉（Na+）、鉀（K+）、鈣（Ca2+）、鎂（Mg2+）等含量。修復研究結束后，菱角植株各生化成分（biochemical component）含量依次為總糖（total sugar）〉粗蛋白（crude protein）〉總灰分（total ash）〉粗纖維（crude fiber）〉總脂肪（total fat）。綜合認為，菱角凈化城市污水效果良好，用于處理活性污泥法城市污水處理廠污水，可以有效降低污染物含量。

2.4 菱角對氮素再懸浮的影響

黃沛生等[46]曾經在太湖梅梁灣口調查研究菱角對氮素再懸浮的影響，結果顯示，菱角生長區內（生長區邊緣20 m內處）水底泥層表層2 cm沉積物的有機物含量5.95%～11.49%，水面再懸浮物（resuspension）有機物含量21.86%～50.39%；菱角生長區外（生長區邊緣30 m外處）水底泥層表層2 cm沉積物的有機物含量6.41%～12.03%，水面再懸浮物有機物含量15.19%～50.40%。菱角生長區內的沉積物和再懸浮物有機物含量差異不明顯。但是，菱角生長區內和區外沉積物的再懸浮速率存在明顯差異。菱角生長區內沉積物平均再懸浮速率218.46 g·m-2·d-1，僅為菱角生長區外（658.13 g·m-2·d-1）的33.20%。通過再懸浮作用，8月下旬至11月上旬菱角種植區內沉積物平均每天每1 m2帶入水中的TN為719.63 mg，僅為菱角種植區外（1 536.14 mg）的48.85%。也就是說，在富營養化水體中種植菱角，能夠顯著降低沉積物再懸浮速率，進而降低水體TN含量。

2.5 菱角對藻類的抑制作用

唐萍等[47]進行的克藻研究中，柵藻（Scenedesmus arcuatusL.）藻液光密度OD650值達0.05時，植入菱角植株，植株葉片水面覆蓋率50%，培養7天時，對照OD650值上升至0.12，而菱角種植處理的藻液OD650值降至約0.03。柵藻體內丙二醛積累量（常可反映機體脅迫損傷，特別是膜結構破壞程度）達150.3 nmol/g，為對照的1.69倍；SOD活性（其活性對多種環境因子的脅迫敏感）為671.7 U/g，僅為對照的60.02%。另外，利用已培養種植菱角6天的種植水，接種柵藻（起始OD650值0.05）培養7天時，OD650值下降至0.087，為對照的66.92%；柵藻內Chla含量963.1 U/g，僅為對照的68.39%。綜合試驗結果，菱角對柵藻生長具有抑制作用。李峰民等[48]試驗結果，菱角不同部位浸出液對蛋白核小球藻（Chlorella pyrenoidosa）均有一定抑制作用，而且植物體經過干燥保存后，其浸出液仍具有化感作用。

3 菱角種植對水體質量的負面作用

利用菱角進行水體凈化時，亦可能產生一定負面作用。例如，有調查結果顯示，菱角覆蓋度增加時，會導致水體溶解氧含量降低。水體溶解氧在硝化作用中起重要作用，硝化細菌正常代謝也需要溶解氧。每1 g氨氮（以氮元素計）轉化為硝態氮，最大需要消耗4.57 g溶解氧。溶解氧較高時不會抑制硝化細菌的繁殖和硝化作用，較低時對硝化細菌有明顯抑制作用。保障硝化作用徹底進行，硝化系統中的溶解氧含量應保持在2 mg/L以上。也就是說，水體溶解氧高有利于對水體中各類污染物的降解，從而使水體較快得以凈化；反之，溶解氧低，水體中污染物降解較緩慢。國家標準GB 11607-1989《漁業水質標準》要求水體溶解氧含量“在連續24 h中，16 h以上必須大于5 mg/L，其余任何時候不得低于3 mg/L，對于鮭魚類棲息水域冰封期其余任何時候不得低于4 mg/L”。天然水體中溶解氧含量一般為8～10 mg/L。

Caraco等[49]調查結果表明，在美國哈德遜河（Hudson River）流域，以菱角（Trapa natans）為主的植被區中40%的生長期內水體溶解氧濃度值低于2.5 mg/L，相比之下，在同一時期，以美國本地物種美洲苦草（Vallisneria americana）為主的植被區，水體溶解氧濃度5 mg/L以上。廖榮明[39]2008-2009年調查表明，安徽合肥烔煬河水體溶解氧含量4.80～6.25 mg/L，其與高錳酸鉀指數（CODMn）、氨氮（NH4+-N）、硝態氮（NO3--N）、亞硝態氮（NO2--N）及總氮（TN）之間的偏性關系數（partial correlation coefficient）均為極顯著負相關。表明水體溶解氧含量在4.80～6.25 mg/L范圍內降低的同時，水體CODMn、NH4+-N、NO3--N、NO2--N及TN的含量會極顯著增加。而曹新光等[50]在湖北黃州市遺愛湖的調查結果表明，水體溶解氧（DO）含量7.2～10.0 mg/L，與天然水體含量一致，屬于正常水平。計算表明，遺愛湖水體溶解氧含量、pH值（7.5～8.5）、CODMn（6.50～11.10 mg/kg）、NH3-N（0.32～0.72 mg/kg）、TP（0.09～0.21 mg/kg）、TN（0.88～1.46 mg/kg）、F-（0.31～0.37 mg/kg）、Chla（0.040～0.092 mg/kg）及SD（水體透明度，0.31～0.47 m）等指標之間，盡管TP與pH、SD與Chla之間呈極顯著負相關，NH3-N與F-之間呈顯著正相關，CODMn與Chla之間呈極顯著正相關，但水體溶解氧其他指標之間的相關系數則均未達顯著水平。

又如，菱角植株腐解也可能導致水體質量變劣。湯志凱等[51]設置菱角植株初始生物量密度為5.7 g/L，在模擬條件下腐解時，腐解速率在第2天達到最大值，之后是快速腐解階段，一直到第45天進入較低水平的緩慢分解階段，至第120天則腐解率達到94.5%。腐解速率與水體化學需氧量（高錳酸鉀指數CODMn）及可溶性有機碳（DOC）含量之間均呈極顯著正相關。整個腐解周期內，平均磷釋放率為0.670 mg/g（以無機磷酸鹽為主）；腐解120天時，植株總磷（TP）含量比初始濃度降低52.31%，水體TP與初始值相近，而底泥TP比初始值增加284%，植株腐解向水體釋放的磷與底泥之間發生明顯交換。王琴等[41]和劉存歧等[42]在河北白洋淀的研究結果均顯示，9月下旬菱角進入采收期后，菱種植區水質反而劣于對照。其中，水體溶解氧低于無植被區，菱角植株腐爛沉積導致底泥總磷含量增加。該結果與有關研究人員利用芡實進行的研究結果類似[52]。

盡管菱角種植對水體環境有一定的負面作用，但綜合而言，菱角種植對水體環境的改良效果大于負面效果。

4 提高菱角水體凈化效益的建議

4.1 菱角與其他植物配合，構建周年水體凈化植物配置模式

李文朝[24]建議，利用伊樂藻（Elodea nuttallii）、菹草（Potamogeton crispus）等耐寒型沉水植物，與菱（Trapaspp.）、鳳眼蓮（Eichhonia crassipes）等夏季凈化能力較強的喜溫植物組成常綠型水生植被，形成生長期和凈化功能的季節性交替互補，在冬季和夏季都具有較強的水質凈化能力和抑藻能力。與處理區外相比，水體透明度提高2倍以上，消光物質含量減少80%左右，NH4+、PO43-降低50%左右；浮游藻類受到強烈抑制，Chla僅為處理區外的20%～50%。如果在水生蔬菜范圍內選擇配置植物，則菱角（春夏秋）—水芹或豆瓣菜（秋冬春，浮水種植）也是一個可行的水體凈化植物周年配置模式。

4.2 對于主要用于水體凈化的菱角植株而言，要選擇適宜密度、及時采收產品和清除植株殘體

多項研究結果提示，種植菱角進行水體凈化時，除了保持適宜的密度外，宜及時清除菱角植株殘體，防止源自菱角植株的有機質過量積累于底泥，導致第二次污染。如易磊[28]在河北白洋淀調查認為，菱角適宜收割時期為9月末。根據關保華等[12]研究，利用菱角進行水體凈化時，適當提高密度，有利于莖葉中的磷積累，便于隨同莖葉一同清除。