水稻漂浮湿地生产特性及其除氮效能研究

摘要 [目的] 研究新型水稻漂浮湿地（Lakebased Rice Floating Wetland，LRFW）在富营养化水体处理中的应用。[方法] 以水稻为浮床植物，开展控制试验，研究水稻种植床的除氮能力和水稻增产能力，并與聚苯乙烯泡沫浮床（Polystyrene Foam Floating Bed，PFFB）进行比较。[结果] LRFW和PFFB的稻米产量分别为1.14 kg/m2和0.60 kg/m2。LRFW的有效分蘖数、单株地上生物量、地上地下生物量比与PFFB间均无显著差异，但是，单株穗重显著高于PFFB。经过72 d的运行，LRFW总氮去除率为40.2%，总氮去除负荷为53.44 mg/（m2·d），约为PFFB的2倍。在LRFW系统中，由植物和床体去除的氮分别占去除总量的61.29%和38.71%，而在PFFB系统则分别为87.31%和12.69%。

[结论] LRFW无论在水稻生产还是除氮效能方面均优于泡沫浮床。

关键词 生态浮床；水上农业；硝化-反硝化；多孔基质

中图分类号 S181.3 文献标识码

A 文章编号 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

由于陆地过量氮磷输入而导致的水体富营养化已成为当前最主要的水环境污染问题之一。生态浮床技术通过在水面种植水生植物，通过植物吸收和微生物转化移除氮磷污染物，兼具美化水面景观和净化水质的双重功能，而且不占陆地，成为主要的水环境生态修复技术之一，在我国各大流域水生态治理中广泛应用。目前，我国浮床技术的应用向两个方向发展。其一是植物材料选择范围扩大，不但种植水生植物，还引入陆生经济植物，如蔬菜、水稻等作物[1-4]，向水上农业方向发展，可称为种植型浮床；其二是提高浮床的水质净化效果，如近年一些改进型的浮床增加了生物填料[5]、曝气装置[6-7]、照明装置[8]乃至水生动物[9] 等部分，提高了水质净化效果，可称为净化型浮床。但两个方向中浮床的基本结构都是由聚苯乙烯泡沫板、竹竿、木板、塑料种植模块或种植筐等材料构成，其缺陷在于这些材料本身吸附和转化污染物的能力极低，导致在用种植型浮床时不得不依靠人工施肥，以保证作物产量，而在水质净化效果上，由于系统反硝化过程相对薄弱，导致对硝酸盐氮去除效果差[5] ，而且缺乏基质的吸附作用，对磷的去除能力也差[10]。

针对现有问题，笔者自主研究了一种水稻漂浮湿地种植床 （简称水稻种植床）。该水稻种植床主要组成部分是轻质多孔基质，遵循潜流人工湿地相关原理，通过营造好氧-兼氧-厌氧并存环境，提高系统的反硝化过程，而轻质多孔基质具有较强的吸附能力，可集聚水中的氨氮和溶解态磷供給植物，达到在植物生长过程中，减少甚至不施肥的目的。该研究开展了控制试验，以水稻为浮床植物，初步探讨该水稻种植床的除氮能力和水稻增产能力，并与聚苯乙烯泡沫浮床（简称泡沫浮床）进行了对比，以期为后续深入开展氮磷污染物去除机理和调控技术及水上水稻生产管理技术研究积累前期经验。

1 材料与方法

1.1 试验地点与试验材料 于2013年在上海市崇明水生水环境研究所实验基地进行。研究所位于上海市崇明县向化镇向化村陈海公路与向化公路交叉口。供试水稻品种为杂交晚粳“寒优湘晴”。

1.2 试验用水配制

供试水取自研究所内天然河道。2013年7月测量水质状况为：氨氮浓度0.595 mg/L，硝酸盐氮浓度0.361 mg/L，总氮浓度0.700 mg/L，CODCr浓度9.240 mg/L，总磷浓度0.06 mg/L。试验时，加入硫酸铵调节总氮浓度，加入葡萄糖调节COD浓度，加入磷酸氢二钾调节总磷浓度，配制后的试验用水水质数据为：总氮浓度4.307 mg/L，CODCr浓度61.74 mg/L，总磷浓度0.775 mg/L。

1.3 试验方案

水稻种植床框架由木板制成，外部规格为60 cm（长）×60 cm（宽）×35 cm（高）。木板框顶部为草质纤维板，按间距6 cm 开直径12 cm孔，总计9个，按3×3均匀布设。每个孔内置一杯状种植筐，种植筐深10 cm。木板框内填充轻质多孔基质，水稻种植床底部为纤维格栅，起到承托基质层的作用。聚苯乙烯泡沫浮床外部规格为60 cm（长）×60 cm（宽）×8 cm（高），同样在泡沫板上面覆盖草质纤维板，按同样方式开孔和设置种植筐。

试验模拟装置为长、宽、高均为100 cm的水泥池，水深为80 cm，水泥池上部覆盖塑料遮雨棚，去除降水影响。试验时将水稻种植床和泡沫浮床放在水泥池中，水稻移栽时间为7月1日，移栽苗秧龄约40 d，主茎叶片4～7片，株高15～20 cm，分蘖数1～3株。每个种植筐内移栽2株。9月23日进行收割测产，测量指标包括分蘖数、单株的叶片、秆（含叶鞘）和穗的生物量、地上地下生物量比。水质监测时间始于7月12日，终于9月23日，总计72 d。水稻种植床和泡沫浮床各设置两次重复。在试验结束时，测量池内实际水位，作为污染物含量的测算依据。试验期间未做补水处理。

1.4 数据分析

1.4.1 植物数据分析。

水稻分蘖数统计了每个种植筐内的水稻分蘖数和有效分蘖数。水稻种植床和泡沫浮床的分蘖数均为18个种植筐的平均值。单株地上生物量为随机选取的15株健康株的测量结果均值，按叶、秆、穗分开测量。地上地下生物量比统计方法为在水稻种植床和泡沫浮床中各随机选取3个种植筐内的水稻，测量地上和地下生物量风干重。在检验方差齐性后，采用Duncan多重比较检验水稻种植床和泡沫浮床的水稻各性状间差异显著性，显著水平P=0.05。

1.4.2 水质数据分析。总氮、氨氮、硝酸盐氮和亚硝酸盐氮浓度测量方法分别采用国标碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法、纳氏试剂分光光度法、酚二磺酸分光光度法和N（1萘基）乙二胺光度法测量。

总氮去除率Np（%） =（初始氮含量-终止氮含量）/初始氮含量×100%

总氮去除负荷Nl[mg/（m2·d）]=初始总氮含量-终止总氮含量浮床面积×试验天数

所有数据分析在Microsoft Excel 2007（Microsoft Corporation，Seattle，WA，USA）和SPSS 13.0（SPSS，Inc.，Chicago，IL，USA）软件上进行。

2 结果与分析

2.1 水稻生长指标和产量指标比较

收割测产结果表明，水稻种植床和泡沫浮床的稻米产量分别为1.14 kg/m2和0.60 kg/m2。分别从产量构成要素看，水稻种植床的有效分蘖数和单株地上生物量与泡沫浮床间均无显著差异（P>0.05）（图1），但是，单株穗重显著高于泡沫浮床（P<0.05）。而且地上生物量分配格局也表明水稻种植床的穗生物量分配比例显著高于泡沫浮床（P<0.05），秆生物量分配比例显著低于泡沫浮床（P<0.05），而叶片生物量分配比例无显著差异（P>0.05）（图2）。尽管地上地下生物量比在两种浮床间的差异也未达到统计学显著水平（P>0.05），但是，水稻种植床较泡沫浮床高58.7%（图1）。

2.2 水质净化效果比较

经过72 d的运行，水稻种植床的总氮去除率为40.20%，总氮去除负荷为53.44 mg/（m2·d），除氮效果约为泡沫浮床的2倍（表1）。与泡沫浮床相比，水稻种植床氨氮和亚硝酸盐氮累积量略高，但是水稻种植床的硝酸盐氮含量明显降低，表明系统反硝化强度高于泡沫浮床（图3）。另外，水稻和床体的除氮比例分析结果也可为此提供佐证，在泡沫浮床中高达87.31%的总氮经由植物吸收去除，如果不考虑其他过程（诸如氨挥发、沉淀和水生动物固氮），经由床体去除的氮仅占12.69%，而在水稻种植床中，经由植物吸收去除的总氮降至61.29%，经由床体去除的总氮比例增至38.71%，是泡沫浮床的3倍之多。可见，水稻种植床中多孔基质层极大地增加了微生物生物量，强化了系统氮素转化过程（图4）。

3 讨论

3.1 水稻种植床和泡沫浮床的水稻增产效能

该研究结果初步证实了水稻种植床的稻米产量要高于泡沫浮床，前者稻米产量为0.79 kg/m2（折合7.9 t/hm2），几乎为后者的2倍。笔者认为，原因就在于栽培基质的差异。水稻种植床所用的多孔基质层具有吸附水中氨氮和可溶性磷的作用，即对水中的营养物质具有主动的积聚作用，从而可为水稻生长提供更高的营养物质浓度，研究限于试验条件，并未测量水稻种植床内部和床体外部的营养物质浓度差异，缺少直接证据，不过这从水稻的地上地下生物量比值也可得到佐证，与水稻种植床相比，泡沫浮床的水稻根系更为发达，意味着水稻在生长过程中受到了营养胁迫，不得不将更多的能量用于根系生长来“搜寻”更多的营养物质，导致根系生物量增加，而在水稻种植床中，营养物质相对丰富，植株可将更多的能量用于地上部种子生产，地上生物量分配格局也表明水稻种植床的穗生物量分配更高。因此，一系列的证据表明水稻种植床较泡沫浮床更适合用于水稻生产。

从与其他研究结果对比看，该研究的水稻种植床稻米产量高于宋祥甫等在水泥池内采用浮床种稻的稻米产量，他们的最高产量为0.49 kg/m2（折合4.9 t/hm2）[4]，但低于中国水稻研究所于1991～1993年在浙江省境内自然水域进行的单季晚稻产量的10.07 t/hm2[3]，与陆地栽培的“寒优湘晴”相比，在上海市崇明县，“寒优湘晴”亩产量在500～600 kg之间（折合7.5～9 t/hm2）[11]，该研究中的水稻种植床稻米产量为此区间较低值，产量并不算高。其中可能有以下原因：与宋祥甫等试验结果的差异与水稻品种有关，他们所使用的水稻品种为杂交稻“协优46”，与自然水域进行的水上种稻和陆地栽培的“寒优湘晴”相比，其中固然有品种差异，但更为重要的是该试验为人为控制试验，水稻生长后期水中养分不足，导致产量相对偏低。不过仅就研究结果看，水稻种植床

在水上种稻方面较泡沫浮床体现出了更大的优势，这为后续在自然水域进行水上种稻积累了宝贵的前期经验。另外，需要指出的是，試验得出的水稻产量仅为计算结果，而非实割测产结果，还需要在自然水域进行大规模种植以获得更可靠的结论。

3.2 水稻种植床和泡沫浮床的水质净化效果

从水质净化效果看，改进后的具有多孔基质层的水稻种植床能够提高系统的反硝化过程，减少水中硝酸盐氮的累积。在以往的生态浮床研究中，人们倾向于提高浮床的好氧条件[6-7]，但是这样做的后果之一就是导致硝酸盐氮的大量累积[5]，而该研究由于强化了浮床的厌氧条件，同时又保证了系统的好氧条件，因此，水体指标组成合理，氨氮和硝酸盐氮含量控制在合理的比例内。以往关于植物在生态浮床中的除氮能力一直颇有争议，大多认为植物是浮床系统除氮的主要贡献者，植物组织累积的氮量占去除总量的40.32%～63.87%[5]，换言之，植物的吸收同化作用是水中氮素去除的主要途径，但是也有研究表明植物移除的比例甚至不到10%。郑剑锋等构造了具10 cm厚陶粒层的植物浮床，经过52 d的运行，总氮去除率约为35%，其中经由陶粒去除的总氮比例为10.1%，而经由植物去除的比例仅5%～7%[5]。该研究结果表明，水稻种植床和泡沫浮床的除氮均依赖于植物吸收，分别为61.29%和87.31%，但是在水稻种植床中经由植物移除的比例明显降低，而床体附着微生物的除氮能力明显强化，支持了第一种观点。但是与潜流人工湿地相比，经由水稻种植床床体基质层去除的氮量仍然偏低，仅为潜流人工湿地的50%左右[12]，而且如果去除气态挥发、沉淀和水生动物固氮部分，由床体去除的氮的比例可能还要低。

42卷20期 岳冬梅等 水稻漂浮湿地生产特性及其除氮效能研究

参考文献

[1]

陈荷生，宋祥甫，邹国燕.利用生态浮床技术治理污染水体[J]. 中国水利，2005（5）：50-53.

[2] 卢进登，陈红兵，赵丽娅，等.人工浮床栽培 7 种植物在富营养化水体中的生长特性研究[J].环境污染治理技术与设备，2006，7（7）：58-61.

[3] 宋祥甫，吴伟明，应火冬，等.自然水域无土栽培水稻的生态适应性研究[J].中国水稻科学，1996，10（4）：227-234.

[4] 宋祥甫，邹国燕，吴伟明，等.浮床水稻对富营养化水体中氮、磷的去除效果及规律研究[J].环境科学学报，1998，18（5）：489-494.

[5] 郑剑锋，罗固源，许晓毅，等.低温下生态浮床净化重污染河水的研究[J].中国给水排水，24（21）：17-20.

[6] 胡绵好，奥岩松，朱建坤，等.pH 和曝气对水生植物去除富营养化水体中氮磷等物质的影响[J].水土保持学报，2008，22（4）：168-173.

[7] 李海英，李文朝，冯慕华，等.微曝气生态浮床水芹吸收 NP 的特性及其对系统去除 NP 贡献的研究[J].农业环境科学学报，2009，28（9）：1908-1913.

[8] 屠清瑛，章永泰，杨贤智.北京什刹海生态修复试验工程[J].湖泊科学，2004，16（1）：61-67.

[9] 张毅敏，高月香，吴小敏，等.复合立体生物浮床技术对微污染水体氮磷的去除效果[J].生态与农村环境学报，2010，26（1）：24-29.

[10] 景连东，敖鸿毅，刘剑彤，等.人工浮床运用于入湖河流原位净化模拟研究[J].湖泊科学，2011，23（5）：708-718.

[11] 郁建飞，顾永平，薛锦香. 不同播期对“寒优湘晴”产量和米质的影响[J].上海农业科技，2006（5）：73.

[12] 付融冰，杨海真，顾国维，等.潜流人工湿地对农村生活污水氮去除的研究[J].水处理技术，2006，32（1）：18-22.