浮床栽培空心菜生物量和营养物质的累积特性

李海燕，邓少鸿，邓日检，邓文新，王 卓，杜 虹

（汕头大学理学院，广东 汕头 515063）

浮床栽培空心菜生物量和营养物质的累积特性

李海燕，邓少鸿，邓日检，邓文新，王 卓，杜 虹*

（汕头大学理学院，广东 汕头 515063）

在虾池搭建框架式浮床水培空心菜（Ipomoea aquatica），以土培空心菜作为对照，比较了人工浮床水培空心菜和土培空心菜的生长特点，并研究了不同组织中营养物质（C、N、P）的含量和积累量的变化特点.结果表明，4周试验期间，水培空心菜生长好于土培空心菜，水培空心菜地上、地下和总生物量分别是土培空心菜的1.31倍、4.5倍和2倍.水培空心菜和土培空心菜不同组织中的TOC、TN、TP积累量随生物量的增加而增加，试验结束时水培空心菜组织中营养物质的积累量均高于土培空心菜.收割后水培空心菜从水体中移除的TN和TP的量分别是11.90 g·m-2和1.11 g·m-2.

浮床；空心菜；生物量；营养积累

鱼菜共生是结合了水产养殖和水培蔬菜的综合养殖系统[1].通过将植物种植在沙石、多聚乙烯、多空渗透材料等制作的浮床中，使植物能漂浮生长在水面上[2-3]，养殖水体经过植物根系的截留、吸收和吸附作用下，水体中对养殖生物有害的富营养物质被有效去除[4]，从而成为养殖生物天然的过滤器.在鱼菜共生创建的小型生态系统中，植物和鱼可同时在立体的空间中生长、收获，总产量相比起传统的水产养殖和种植蔬菜有了进一步提高，收获的水生蔬菜还能从水体中移除一定的营养物质.水培蔬菜吸收、分配和积累营养物质的过程不仅能够反映出环境中营养物质的变化情况，还能反映植物光合作用和初级生产的过程[5].本研究通过在虾池搭建框架式浮床水培空心菜（Ipomoea aquatica），以土培空心菜作为对照，比较不同栽种条件下空心菜生物量、总有机碳（TOC）、总氮（TN）和总磷（TP）含量和积累量的差异，分析浮床水培空心菜对环境的适应性和营养物质积累的特点，为进一步探究水生蔬菜植物在鱼菜共生系统中的作用提供依据.

1 材料与方法

1.1 试验池塘

试验在汕头市牛田洋西面某养殖池塘内进行，受试池塘面积为11 000 m2（1.1 hm2），水深1 m左右，设有机械增氧系统，池壁铺设地膜.养殖水体为半咸水，盐度常年控制在2‰左右，池塘内以养殖南美白对虾为主.养殖池塘每日均进行人工投饵，试验后期随着对虾收获量的减少，投饵量和次数均逐渐减少.

1.2 浮床的构建

浮床主要参照鱼菜共生浮排进行改进[6-7]，试验所用浮床为框架式浮床.每个单元浮床由浸塑网片（孔径60 mm，规格1 m×1 m）和PVC管（管径50 mm，长度4 m）拼接成1 m×4 m的矩形框架，将经过处理的塑料瓶插入浸塑网片网孔中，瓶间距为20 cm.空心菜去顶留茬10 cm左右，均取3～5株植入塑料瓶中，种植工作于岸上完成，再依次放入水中.用扎带将7个浮床单元连接成一排（1 m×28 m），用竹竿将浮床固定于池塘中，每排浮床之间预留2 m～3 m的水道，供采样小船经过（图1）.空心菜种植面积（包括水道）为868 m2，覆盖率为7.9%，浮床布设见图2.

图1 池塘中的浮床

图2 浮床和布设图

1.3 样品采集与测定

采样：于2013年09月29日至2013年10月27日对牛田洋养殖池塘浮床种植的空心菜进行连续调查.同时以土培空心菜作为对照，每周采样一次，随机取样.

测定：（1）生物量：用水洗净植株，将植株茎叶分为地上部分，根分为地下部分，吸干水分后分别称量鲜重，再将植物样品置于105℃下杀青30 min后，在65℃恒温下烘干至恒重，冷却后在精度为0.000 1 g的天平上称量干重.最后将烘干后的样品粉碎，过100目筛，封存，标记，待测；（2）植物体中碳和氮含量采用元素分析仪（Vario EL cube型号，elementar公司，德国）测定；（3）植物体中磷含量采用微波消解ICP-MS法测定[8-9].

1.4 元素含量计算

植物地上、地下部分碳氮磷元素积累量T的计算公式为[10]：

W为地上、地下部分的生物量（g·m-2）；C为地上、地下部分的碳氮磷元素含量（mg·g-1）；T为地上、地下部分的碳氮磷积累量（g·m-2）.

1.5 数据分析与统计

试验数据采用SPSS 18.0简体中文版进行统计分析，图表处理分别采用Origin V8.0 和Excel 2003.

2 结果

2.1 生物量的变化

将购买来的空心菜分别栽种在花盆中（栽种地点在汕头大学遗传实验室外走廊）和浮床中，在预培养1周后开始采样检测.移栽2周后，分别调查栽种植物的成活率，浮床水培空心菜成活率在85%以上，土培空心菜成活率为100%.

土培和水培空心菜的地上部分和地下部分生物量随时间变化的趋势如图3所示.试验期间，不同栽种条件下的地上部分和地下部分生物量均显著增加（p＜0.05）.试验结束，水培空心菜地上部分生物量平均值为503.89 g·m-2，是对照的1.31倍；水培空心菜地下部分生物量极显著（p＜0.01）大于土培空心菜地下部分的生物量，水培空心菜地下部分生物量平均值达481.82 g·m-2，是土培的4.5倍.

分别计算不同栽培条件下的空心菜地上部分生物量和地下部分生物量与总生物量的平均比率，计算结果见表1.结果显示，试验初期土培空心菜和水培空心菜的总生物量主要由地上部分生物量组成，其与总生物量比率分别为83.75%和68.32%；随着栽培时间的延长，土培空心菜和水培空心菜总生物量的组成发生不同变化，土培空心菜地下部分生物量在总生物量的比率不断增加，但总生物量仍然由地上部分生物量组成，收割时地上部分生物量与总生物量的比率为78.04%；水培空心菜地下部分生物量与总生物量的比率总体上增加，试验结束时，地下部分生物量与总生物量的比率增加至48.88%，接近地上部分生物量与总生物量的比率（51.12%）.

图3 空心菜地上和地下生物量的变化

表1 空心菜地上部分生物量和地下部分生物量与总生物量的平均比率 W/%

2.2 碳元素含量和积累量的特点

不同栽培条件空心菜地上部分和地下部分总有机碳（TOC）含量和积累量随时间的变化如图4所示.试验期间，不同栽培条件下空心菜地上部分和地下部分组织中的TOC含量无显著差异（p＞0.05），TOC变化总体呈增加的趋势（图4A），随后含量在390.75 mg·g-1上下浮动变化，最后各部分组织中TOC含量为（392.53±8.00）mg·g-1.

根据单位面积不同组织中的生物量和碳含量计算得到土培和水培空心菜TOC积累量（图4B）.试验期间，不同栽培条件下空心菜地上部分和地下部分组织中的TOC积累量不断增加，变化趋势与其相对应的生物量一致.试验结束，水培空心菜不同组织中TOC的积累量均高于土培空心菜，其中地下部分组织中TOC的积累量含量是土培空心菜的4.45倍.

图4 空心菜总有机碳含量和积累量的变化

2.3 氮元素含量和积累量的特点

植物体不同组织中总氮（TN）含量和积累量变化如图5所示.土培空心菜地上部分和地下部分TN含量随时间的延长而持续下降，试验结束时均下降至最低值；然而，水培空心菜地上部分和地下部分TN含量随时间的延长而增加，试验结束，地上部分TN含量（23.60 mg·g-1）略高于土培空心菜地上部分TN含量（21.50 mg·g-1），地下部分TN含量（21.20 mg·g-1）是土培空心菜地下部分的2倍（图5A）.

土培空心菜地上部分和地下部分TN积累量呈先增加再减少的变化趋势，最终，地上部分和地下部分TN的积累量分别为8.26 g·m-2和1.24 g·m-2；水培空心菜地上部分和地下部分TN的积累量随着时间的延长呈持续增加的变化趋势，试验结束，N元素在地上部分和地下部分的积累量分别为11.90 g·m-2和10.21 g·m-2，分别是与之对应的土培空心菜组织中积累量的1.44和8.23倍（图5B）.

图5 空心菜总氮含量和积累量的变化

2.4 磷元素含量和积累量的特点

植物体不同组织中总磷（TP）含量和积累量变化如图6所示.试验期间，土培空心菜地上部分和地下部分TP含量随着时间的延长而持续减少，试验结束时均下降至最低值；水培空心菜各部分TP含量在试验期间相对稳定，试验期间均值为2.32 mg·g-1，试验结束与土培的含量基本一致（图6A）.

土培空心菜地上部分和地下部分TP积累量变化趋势与其TN积累量相似，为先增加再减少，最终，地上部分和地下部分TP的积累量分别为0.80 g·m-2和0.27 g·m-2；水培空心菜地上部分和地下部分TP的积累量随着时间的延长呈持续增加的变化趋势，试验结束，P元素在地上部分和地下部分的积累量分别为1.12 g·m-2和1.29 g·m-2，分别是土培空心菜对应组织的1.40倍和4.78倍（图6B）.

图6 空心菜总磷含量和积累量的变化

3 讨论

鱼菜共生系统是利用养殖肥水来培育蔬菜，不仅能够通过蔬菜根系从水体中直接吸收氮、磷等营养元素，使养殖水体自然净化，保持水质稳定，降低水质净化成本，还能够通过养殖空间的合理利用，最大限度地提高水产品和蔬菜的产量，从而越来越受到人们的广泛关注.

本试验研究了2种不同栽培条件的空心菜的生长特点，在相同的生长时间内，与土培空心菜相比，浮床栽培的空心菜有更好的生长状况.通过比较不同栽培条件下空心菜地上部分和地下部分生物量的增长情况可以看出，水培空心菜的地上部分和地下部分的生物量均大于土培空心菜，说明浮床水培空心菜比土培空心菜生长更好，产量更高，这与文献[11]的研究相似.对比分析不同栽培条件下的空心菜地上部分生物量和地下部分生物量与总生物量的平均比率（表1），可知浮床水培空心菜地下部分与总生物量的比率一直高于土培空心菜地下部分的比率，最高可达48.88%，说明水培空心菜拥有比土培空心菜更发达的根系.根系作为吸收养分和水分的器官，其生长状况直接影响到地上部分的性状和产量[12].水培空心菜从陆地被移植到水中，水体中含氧量减少（不足空气中的1/20），为了寻找和保证空气的供应，植物发生形态上的改变[13].发达的根系不仅有助于吸收水体中的氧气，同时也有利于吸收水中的营养物质，这是对环境适应的一种表现.

试验还测定了空心菜碳、氮、磷的含量，推算出不同栽培条件下空心菜组织中各元素的累积量.结果显示：不同栽培下空心菜体内C含量没有明显差异（p＞0.05）和变化，N、P的含量在试验初期存在显著差异（p＜0.05），随着试验的进行含量趋向一致，这可能是植物体主要通过根部从外界吸收N、P元素，所以外界环境营养元素的含量影响此吸收过程，而C元素的固定主要地上部分叶片进行吸收，所以C元素的固定不受种植基质中C含量的影响.通过分析空心菜生物量与元素积累量的关系，结果显示（表2）无论是土培还是水培的空心菜，体内的C、N、P元素的积累基本上均与生物量相关.说明产量越高，元素的积累量越大，水培的空心菜生长旺盛，更有益于元素的积累.

吴春笃等[10]研究表明，植物成熟期后会迅速释放组织中的N、P，所以适时的对植物进行收割，可以将N、P移除.浮床水培空心菜可实现一次栽培多次收获，通过收割移除水体中的营养盐，且不会造成水体的二次污染[14].本试验结束，对浮床水培空心菜地上部分进行收割，分别从水体中移除11.90 g·m-2的氮和1.11 g·m-2的磷，收割的空心菜还可以增加一定的经济收入.

表2 土培空心菜生物量与元素积累量的相关性分析

[1]ROOSTAHR，HAMIDPOURM.Effectsoffoliarapplicationofsomemacro-andmicro-nutrientsontomatoplants in aquaponic and hydroponic systems[J].Scientia Horticulturae，2011，122（3）：396-402.

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[7]黄小林，梁浩亮.一种环保型池塘鱼菜共生浮排介绍[J].当代水产，2013（3）：79-80.

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[11]黄婧，林惠凤，朱联东，等.浮床水培蕹菜的生物学特征及水质净化效果[J].环境科学与管理，2008，33（12）：92-94.

[12]蔡昆争.作物根系生理生态学[M].北京：化工农业出版社，2010.

[13]林鸿，吴晓花.水生植物适应水环境的特点和净化作用[J].园林科技，2008，109（3）：12-15.

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Characteristics of Ipomoea Aquatica Biomass and Nutrient Accumulation in the Floating-beds

LI Haiyan,DENG Shaohong,DENG Rijian,DENG Wenxin,WANG Zhuo,DU Hong*
（College of Science,Shantou University,Shantou 515063,Guangdong,China）

Variations of the above-and below ground biomass and nutrient characteristics（nitrogen, carbon,and phosphorus）of Ipomoea aquatica was investigated in floating-beds planting and soil planting by the outdoor experiment in a brackish water aquaculture.The results show that the Ipomoea aquatica planted on floating-beds grewbetter than those planted in soil during the 4 weeks experiment period,demonstrating a 1.31 times above ground biomass and 4.5 times below ground biomass and 2 times total biomass when compared with the latter.The total organic carbon,nitrogen and phosphorus accumulations ofthe above-and belowground plant parts increased with the increase of biomass,and the results showed that the hydroponic culture plants have higher nutrients（C,N,P）accumulation than soil planting plants.In treatments of hydroponics cultivation,11.90 g·m-2of TN and 1.11 g·m-2ofTP were removed with the harvest of Ipomoea aquatica.

floating-beds;Ipomoea aquatica;biomass;nutrient accumulations

Q945

A

2017-04-10

李海燕（1988—），女，哈尼族.硕士，E-mail：lihyan0709@163.com

杜 虹（1976—），女，博士，教授.E-mail：hdu@stu.edu.cn

广东省海洋渔业科技与产业发展专项项目（A201405B06）；福建省海洋生物增养殖与高值化利用重点实验室开放课题（2016fjscq02）

1001-4217（2017）02-0003-07