3种水耕蔬菜对宁夏灌区农田退水中氮磷的净化能力

贺 婧，钟艳霞，罗玲玲

（宁夏大学资源环境学院环境科学系，宁夏银川750021）

3种水耕蔬菜对宁夏灌区农田退水中氮磷的净化能力

贺 婧，钟艳霞＊，罗玲玲

（宁夏大学资源环境学院环境科学系，宁夏银川750021）

为更好地保护宁夏湖泊湿地资源，采用生态浮床技术，在实验室内自配富营养化水，模拟宁夏灌区农田退水的基本特征，探讨水芹、生菜、油菜3种水耕蔬菜对宁夏灌区富营养化农田退水中氮、磷的净化能力。结果表明：水芹、生菜及油菜3种水耕蔬菜对水体中氮、磷的吸收效果均较好，能显著降低农田退水中氮、磷的浓度。对总氮的去除率为水芹（79．01%）＞油菜（70．03%）＞生菜（67．66%）＞对照（20．07%）；对总磷的去除率为水芹（95．66%）＞油菜（91．04%）＞生菜（86．32%）＞对照（21．70%）；对氨氮的去除率为水芹（84．77%）＞生菜（83．15%）＞油菜（73．12%）＞对照（33．51%）。综合来看，水芹的净化能力强于生菜及油菜，在开展宁夏灌区水生植物净化工程中可以着重考虑水芹的应用。

农田退水；水耕蔬菜；氮；磷；净化能力

农田退水携带一定量的氮磷营养物质，排入到河流湖泊中，使藻类等水生生物大量生长繁殖，有机物产生的速度远远超过消耗速度，水体有机物积蓄，进而破坏水生生态平衡。宁夏引黄灌区是我国四大古老灌区之一，已有2 000多年的灌溉历史。素有“塞上江南”之美誉，是宁夏主要粮棉油产区，也是全国12个商品粮基地之一。宁夏引黄灌区是我国西北最重要的农业精华区，但随着近现代农业化肥、农药使用量的不断增加，其农田退水污染越加严重。2010 年4－9月通过西排水沟出口断面排入黄河的总水量为2 173．5万m3，占同期引水量（6 460万m3）的33．6%；农田退水中铵态氮最高浓度为4．0mg／L，平均浓度为1．0mg／L，超过《地表水环境质量标准》Ⅲ类水的准限值，属中度污染；总氮平均浓度为4．6mg／L，远远超过《地表水环境质量标准》所规定的Ⅴ类水的准限值2mg／L，属重度污染。银川市境内的重要湖泊阅海、鸣翠湖、艾依河以及其他湖泊，如鹤泉湖、宝湖、黄河湿地公园、梧桐湖等均以黄灌区的农田退水作为补给水源，如此大量的营养盐随补水进入湖泊，使得这些湖泊均呈现一定程度的富营养化，导致湖泊水质变差，水生生物多样性减少，降低湖泊的生态功能，同时对银川市的城市景观及生态环境建设不利。因此，探明宁夏灌区农田退水水生物的净化模式对解决银川市湖泊污染具有重要意义。

自20世纪70年代以来，国内外对利用高等水生植物净化污水进行广泛研究［1］。主要围绕对 氮、磷营养元素有较好吸收能力的水生植物的筛选［2－3］、水生植物的净水机理［4－5］以及影响水生植物净化效率的因素等方面展开。研究所涉及到的植物多种多样，主要集中在芦苇［6－7］、香蒲［8］、菖蒲［9］、美人蕉［1013］、千屈菜［14］等高等水生植物，有关水耕蔬菜净水的研究相较于高等水生植物较少，多为水芹［1516］、空心菜［17］、茭白［18］等，有关生菜、油菜等常见并易于种植的水耕蔬菜的研究更少。此外，利用水耕蔬菜净化宁夏灌区农田退水的研究相对较少，仅马克星［19］利用水稻、空心菜和生菜净化宁夏灌区农田退水。因此，探讨适应当地栽植且净化能力较强的水生植物种类对宁夏湖泊湿地资源以及黄河水质的保护具有重要意义。试验采用生态浮床技术，以银川黄河湿地公园（补水来源为农田退水）湖泊水为研究用水，探讨常见水耕蔬菜水芹、生菜及油菜对富营养化农田退水的净化能力，以期为宁夏灌区农田退水水生植物净化工程提供参考依据。

1材料与方法

1．1试验材料

1）水耕蔬菜。生菜（美国大速生，青县大地育苗中心）、油菜（四季青梗菜，北京金盛优品农业科技有限公司）均为实验室内自育，水芹（银川市艾依河边采集）。

2）仪器设备。电热干燥箱DGX－9073B－1（上海福玛实验设备有限公司），UV755B紫外可见分光光度计（上海佑科仪器仪表有限公司），立式灭菌器Y102540（山东新华医疗器械股份有限公司）。

1．2试验方法

采用生态浮床法，选用长×宽×高为70cm× 60cm×50cm的塑料箱进行试验。首先在塑料箱内注满农田退水（取自黄河湿地公园），同时添加NH4HCO3和KH2PO3以及其他营养盐配制成富营养化水，使TN为5．00mg／L，TP为2．00mg／L，并用0．1mol／L NaOH和0．1mol／L H2SO4调节pH 为7左右。选择10mm厚的泡沫板作为浮床，每张泡沫板打孔36个，每孔栽植1～3株，用海绵缠绕植物根茎后，固定于泡沫板预先打好的孔内，将泡沫板放置于塑料箱中。选择长势良好且相似的植株，于试验用水中预培养7d后，植于培养箱内。每个处理设3次重复，另设3个无水生植物的对照。每7d取样1次，因取样、植物吸收和蒸发损失水分用蒸馏水进行补充。试验于2015年6－7月于宁夏大学资源环境学院实验室完成。

1．3测定项目及分析方法

测定水生植物种植前、中、后期水体氨氮、总氮、总磷的含量。氨氮采用纳氏试剂比色法（GB7479－87），总氮采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定（GB11894—89），总磷采用过硫酸钾氧化－钼锑抗分光光度法测定（GB11893－89）。

1．4数据统计

数据利用Excel软件进行统计与分析。

2结果与分析

2．1 3种蔬菜对水体中总氮的去除能力

从图1可看出，3种蔬菜均有较好的去除总氮的能力。各处理水体中的总氮均随培养时间的延长其去除率逐渐提高。培养7d，蔬菜对水体中总氮具有较强的净化效率，水体中总氮含量显著下降。培养14d，增加速度变缓，这可能与试验为静态培养有关。随着总氮的去除，蔬菜可利用氮素变少，影响其对氮素的吸收利用，导致对氮素的去除率增速变缓。培养28d，3种蔬菜处理对水体中总氮的去除效率均显著高于对照，表现为水芹＞油菜＞生菜＞对照，以水芹处理去除率最高，达79．01%，其次为油菜和生菜，其去除率分别为70．03%和67．66%。扣除对照去除率，3种蔬菜对水体中总氮的净去除率分别达58．94%、49．96%和47．59%。表明，自然水体也能通过氮的挥发、转化等过程去除一部分氮素，但是在3种蔬菜的吸收作用下，其去除总氮的速度及能力大幅度提高。差异显著性分析，水芹、油菜、生菜与对照之间的P值分别为0．000 1、0．000 4和0．000 9，均小于0．01，说明3种蔬菜对总氮的去除率极显著高于对照。水芹与油菜（P＝0．002）及生菜（P＝0．004）之间的去除率均达极显著水平，但油菜与生菜的总氮去除率之间未达到显著水平（P＝0．177＞0．05），表明水芹对水体总氮的去除能力明显高于油菜及生菜，但油菜与生菜总氮的去除能力差异不大。这可能与不同植物根系长度不同，生长速度也不同，对氮的需求不同有关。

图1 3种水耕蔬菜对农田退水中全氮的去除率Fig．1 Removal Efficiency of three hydroponic vegetables to total nitrogen in farmland recession flow

2．2 3种蔬菜对水体中总磷的去除能力

总体来看，各处理对水体中总磷的去除率均随培养时间的延长而逐渐提高，3种蔬菜对水中总磷有较强的去除能力（图2）。3种蔬菜处理对总磷的吸收能力较强，培养7d，水芹对总磷的去除率高于油菜及生菜。培养14d和21d，各处理对水体总磷的处理能力持续提高，但各处理间无明显规律。培养28d，各处理对水体中总磷的去除率依次为水芹＞生菜＞油菜＞对照，去除率分别为95．66%、91．04%、86．32%和21．70%。扣除对照，3种蔬菜对水体磷的净去除率分别达73．96%、69．34%及64．62%。经差异显著性分析，3种蔬菜对总磷的去除率极显著高于对照（P＜0．01）。水芹与生菜及油菜的总磷去除率之间差异显著（P＝0．02＜0．05），但油菜与生菜的总磷去除率之间未达显著性差异（P＝0．21＞0．05）。表明，水芹对水体总磷的去除能力大于生菜及油菜，而生菜与油菜对水体总磷的去除能力差异不大。

图2 3种水耕蔬菜对农田退水中总磷的去除率Fig．2 Removal Efficiency of three hydroponic vegetables to total phosphorus in farmland recession flow

2．3 3种蔬菜对水体中氨氮的去除能力

从图3可看出，随培养时间的增加，水体中氨氮含量逐渐下降，各处理对氨氮的去除率逐渐提高。培养7d，氨氮即明显减少，各处理对氨氮的去除效率依次为水芹＞生菜＞油菜＞对照，分别为27．42%、16．31%、14．16%和11．83%。培养14d 和21d，各处理对氨氮的去除率继续增加，水芹对氨氮的去除率始终保持最高。培养28d，各处理氨氮含量依次为对照＞油菜＞生菜＞水芹，以生菜吸收氨氮的能力最大。培养结束后，各处理对氨氮的去除率依次为水芹＞生菜＞油菜＞对照，其中，水芹的去除率最大，达84．77%，扣除对照，3种植物对水体氨氮的净去除率分别达51．26%、49．64%和39．61%。经差异显著性分析，3种水耕蔬菜对氨氮的去除率均极显著高于对照（P＜0．01）。培养28d，油菜对氨氮的去除率显著低于生菜及水芹（P＜0．05），而生菜与水芹对氨氮的去除率差异未达显著水平（P＝0．19＞0．05）。表明，生菜与水芹对氨氮的去除能力相差不大，而二者的去除能力均较油菜的去除能力大。

图3 3种水耕蔬菜对农田退水中氨氮的去除率Fig．3 Removal Efficiency of three hydroponic vegetables to ammonia nitrogen in farmland recession flow

3结论与讨论

3种水耕蔬菜对水体中氮、磷的吸收效果均较好，能显著降低农田退水中氮磷的浓度。对总氮的去除率依次为水芹（79．01%）＞油菜（70．03%）＞生菜（67．66%）＞对照（20．07%）；对总磷的去除效率依次为水芹（95．66%）＞油菜（91．04%）＞生菜（86．32%）＞对照（21．70%）；对氨氮的去除率依次为水芹（84．77%）＞生菜（83．15%）＞油菜（73．12%）＞对照（33．51%）。综合来看，水芹的净化能力优于生菜及油菜，在宁夏灌区水生植物净水工程建设研究中可着重考虑对其进行应用。

植物对富营养化水体的净化一方面是由于植物的生长代谢需要各种营养物质，植物直接从水中吸收 氮、磷营养盐。另一方面，水生植物的根系为微生物的生活提供基质，根系的活动为微生物代谢提供了所需的微环境，进一步对水体中的氮、磷营养盐进行净化。不同植物的生长速度不同，其根系发育程度不同，可能导致对氮、磷的需求不同，试验中水芹的生长速度明显快于油菜与生菜，同时其根系与二者也存在明显的不同，可能是导致水芹净水能力强于生菜及油菜的重要原因。

水生植物对富营养化水体的净化作用取决于多种因素的影响。处理时间长短的不同，植物对水体中营养物质的去除率以及自身生物量的增长速度也不一样。受试水体中营养物质含量不同，也会直接影响作物的净水能力。陈红兵［20］研究发现，水生植物对水体中总磷的去除率与水中营养物质浓度成正比。在不同季节，生物浮岛发挥的净水作用也不一样。同一种作物，在不同的栽培季节，对污染物质的去除率也不一样。郑剑锋等［21］研究发现，美人蕉在秋季对水体的净化作用相比于春季而言，对氮素的去除率有所降低。浮床在水面的覆盖率不同，植物对水体中氮磷的去除率也不同。郭沛涌等［22］研究发现，黑麦草在覆盖率为30%时对水体中总氮的去除率最高。

试验研究周期为28d，水体处于静止状态，营养盐含量固定，覆盖面积为100%，随蔬菜的吸收，营养盐含量逐渐减少，培养时间在6月份，研究期间气温相对较高，蔬菜生长较快，对氮磷的吸收利用速度较快，吸收量较高，净化效果较好。但对于水体流动状态、不同营养盐浓度、多次补加营养盐（模拟排水沟多次排水）以及不同覆盖面积条件下，水耕蔬菜的净化能力如何，差异有多大还有待进一步深入研究。

［1］高吉喜，叶 春，杜 娟，等．水生植物对面源污水的净化效率研究［J］．中国环境科学，1997，17（3）：247－251．

［2］黄承才．富营养化水中14种野生植物光合合营养吸收的相关性［J］．绍兴文理学院学报，2001，21（3）：52－56．

［3］牛晓音，葛 滢，王晓明，等．不同光照条件下五种植物对富营养化水净化能力差异的比较［J］．科技通报，2001，17（2）：1－4．

［4］洪瑞川，段小兰，陈欣虹，等．石菖蒲对富营养化水体的净化效应［J］．环境与开发，1997，12（1）：1－12．

［5］由文辉，刘淑媛，钱晓燕．水生经济植物净化受污染水体研究［J］．华东师范大学学报，2000（1）：99－102．

［6］韩苏娟，尤朝阳，万玉龙，等．6种水生植物在人工湿地中特性的比较［J］．安徽农业科学，2010，38（12）：6367－6368，6397．

［7］吴爱平，吴世凯，倪乐意．江中游浅水湖泊水生植物氮磷含量与水柱营养的关系［J］．水生生物学报，2005，29（14）：406－411．

［8］程 伟．大型水生植物净化生活污水的试验研究［D］．武汉：华中科技大学，2005．

［9］方焰星，何池全，梁 霞，等．水生植物对污染水体氮磷的净化效果研究［J］．水生态学杂志，2010，3（6）：36－40．

［10］茅孝仁，周金波．几种生态浮床常用水生植物的水质净化能力研究［J］．浙江农业科学，2011（1）：157－159．

［11］宋 伟，周 庆，王彦玲，等．几种植物净化能力的比较及浮床应用效果研究［J］．江苏农业科学，2010（5）：474－477．

［12］蔡佩英，刘爱琴，侯晓龙．7种水生植物去除城市生活污水氮磷效果的研究［J］．环境工程学报，2011，5（5）：1067－1070．

［13］金树权，周金波，朱晓丽，等．10种水生植物的氮磷吸收和水质净化能力比较研究［J］．农业环境科学学报，2010，29（8）：1571－1575．

［14］王庆海，段留生，李瑞华，等．水生植物净化能力比较［J］．华北农学报，2008，23（2）：217－222．

［15］黄 蕾，翟建平，聂 荣，等．5种水生植物去污抗逆能力的试验研究［J］．环境科学研究，2005，18（3）：33－38．

［16］黄 亮，吴乃成，唐 涛，等．水生植物对富营养化水系统中氮、磷的富集与转移［J］．中国环境科学，2010，30（1）：1－6．

［17］金 秋，吴琦平，施 勇，等．水耕蔬菜型人工湿地技术净化农村生活污水的试验研究［J］．环境科技，2009，22（6）：17－20．

［18］蔡佩英，刘爱琴，侯晓龙．9种水生植物对模拟污水中氮、磷的生物净化效果［J］．福建农林大学学报（自然科学版），2010，29（3）：313－318．

［19］马克星．宁夏灌区浮床栽培净化净化农田退水技术研究［D］．北京：中国农业科学院，2011．

［20］陈红兵．人工浮床栽培三种植物在不同浓度水体中的净化效果及规律研究［D］．武汉：湖北大学，2008．

［21］郑剑锋，罗固源．秋冬季低温条件下浮床植物氮磷迁移能力的研究［J］．三峡环境与生态，2008，1（3）：38－41．

［22］郭沛涌，朱荫湄，宋祥甫，等．浮床黑麦草去除富营养化水体总氮的试验研究［J］．华中科技大学学报（城市科学版），2007，24（2）：33－35．

（责任编辑：孙小岚）

Purifying Capacity of Three Hydroponic Vegetables to Nitrogen and Phosphorus in Farmland Recession Flow in Ningxia Irrigation Area

HE Jing，ZHONG Yanxia＊，LUO Lingling
（Department of Environmental Science，College of Resource and Environment，Ningxia University，Ningxia，Yinchuan 750021，China）

The purifying capacity of three hydroponic vegetables（cress，lettuce and rape）to nitrogen and phosphorus in recession flow of eutrophication farmland was determined by preparing eutrophication water with the basic characteristics of farmland recession flow in Ningxia irrigation area and the ecological floating raft technique to protect lake and wetland resources in Ningxia．Results：Three tested hydroponic vegetables with the good absorption effect of nitrogen and phosphorus in the water can reduce the concentration of nitrogen and phosphorus in farmland recession flow significantly．The total nitrogen removal rate of cress，rape，lettuce and CK（non hydroponic plant）is 79．01%，70．03%，67．66%and 20．07%separately．The total phosphorus removal rate of cress，lettuce，rape and CK is 95．66%，91．04%，86．32%and 21．70%respectively．The ammonia nitrogen removal rate of cress，lettuce，rape and CK is 84．77%，83．15%，73．12%and 33．51%separately．In conclusion，cress with the better purifying capacity of nitrogen and phosphorus in recession flow of eutrophication farmland should be used in the hydrophyte purification project in Ningxia irrigation area．

farmland recession flow；aquatic vegetable；nitrogen；phosphorus；purifying capacity

X524

A

1001－3601（2016）11－0469－0083－04

2016－04－07；2016－10－28修回

宁夏回族自治区科技攻关项目“宁夏灌区农田退水水生植物净化模式研究”

贺 婧（1977－），女，副教授，博士，从事农业环境与生态研究。E－mail：ndhejing＠163．com

＊通讯作者：钟艳霞（1977－），女，副教授，从事自然地理学方面的教学与研究。E－mail：zhongyx＿w＠163．com