空心菜浮床栽培对寒冷地区养殖水体的净化效果

黄晓丽，白淑艳，黄 丽，陈中祥，王 鹏，覃东立,2*

(1.中国水产科学研究院 黑龙江水产研究所，黑龙江 哈尔滨 150070； 2.农业农村部水产品质量安全控制重点试验室，北京 100141)

0 引言

【研究意义】池塘养殖是我国主要的淡水水产养殖方式，也是人们获得鱼类等淡水产品的主要途径。在水产养殖过程中，当投加的饵料、动植物残体、排泄物等分解造成养殖水体营养物质浓度过高，超过水体自净能力时，引起水体富营养化，影响养殖效果。水生植物可通过利用、转移、吸附、吸收等方式去除水体中的污染物质。因此，在水体中种植适宜的植物对修复水体污染有一定的意义。【前人研究进展】蕹菜(IpomoeaaquaticaForsk．)俗称空心菜，为一年生草本植物，具有繁殖力强、经济易得等特点，因生长迅速、根系发达、对水体中的氮、磷、有机物等污染物质去除效果显著。空心菜作为浮床植物被广泛应用于淡水养殖池塘水体的净化与修复[1-3]。目前，空心菜浮床技术已被应用于罗非鱼[4]、草鱼[5]、东平湖鲤[6]、夏花鱼[7-8]等多种水产品养殖池塘中，水质净化效果较好。还有学者结合空心菜对养殖池塘水环境的原位修复效果及其生长与产量情况，提出了鱼菜共生模式[7，9]，在改善养殖水体水质的同时产生一定的经济效益。【研究切入点】目前空心菜浮床技术在养殖池塘中的应用大部分都集中在湖北、江苏、福建、广东等南方地区，在我国北方特别是东北地区的应用较少。黑龙江地处我国中高纬度，冬季寒冷漫长，池塘明水期一般4-9月，虽然夏季短促，湿热条件也能够满足空心菜生长的温度条件。【拟解决的关键问题】研究空心菜在北方寒冷地区池塘养殖水体中的生长状况及对养殖水体净化效果，为高纬度地区鱼菜共生模式的研究与应用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料

对大叶白梗空心菜种子进行室内育苗，土培4周后选取长势一致、生长良好的植株，洗净根部，移入霍格兰氏营养液进行预培养，以适应水培条件。

1.2 方法

试验于2017年6月至9月中旬在黑龙江省哈尔滨市中国水产科学研究院黑龙江水产研究所进行。共设3个处理：处理1为无浮床不种植物(CK)；处理2及处理3为浮床种植空心菜。浮床覆盖率均为50%；处理2水体中TN(总氮)、总磷(TP)负荷分别为(1.52±0.12) g和(0.82±0.02) g；处理3水体中的TN、TP负荷分别为(1.67±0.15) g和(0.98±0.13) g。1个长方体塑料水箱为1个处理，每个处理3次重复。种植试验在室外阳台自然光下进行，试验期间不换水，每次采样前用自来水补充蒸发和采样损失的水。

选用120 cm×60 cm×80 cm的长方体塑料水箱作为试验容器，以孔径分布均匀的聚乙烯网片作为浮床框架，网片用PVC绳固定在试验水箱上，网片面积根据试验组空心菜所占比例确定。将空心菜秧去叶，剪成12 cm左右且带有腋芽或顶芽的小段，利用相应尺寸的定植篮作为空心菜载体，每篮放置长势一致的水培空心菜1～2株。每箱加入50 cm高经沉淀后的池塘水作为试验用水，水质主要指标：总氮(TN) 2.48～4.87 mg/L，铵态氮(NH4+-N)1.58～2.53 mg/L，硝酸盐氮(NO3--N)0.51～2.12 mg/L，亚硝酸盐氮(NO2--N)0.13～0.52 mg/L，总磷(TP)2.21～2.95 mg/L，高锰酸盐指数(CODMn)24.00～31.00 mg/L，pH 6.40～7.57。该水体的氮素污染物浓度超过我国《渔业水质标准(GB 11607-89)》的氮素限定值(凯氏氮≤0.05 mg/L)和《地表水环境质量标准(GB 3838-2002)》中Ⅲ类水体标准。

1.3 测定项目

1.3.1 水质指标 于试验的0 d、1 d、2 d、3 d、4 d、6 d、9 d、13 d和20 d的8:00-8:30，采集各试验箱上、中、下层水样各3份，不同采样点分别混合均匀后测定NH4+-N、NO2--N、NO3--N、TN、TP、CODMn等水质指标，取平均值。NH4+-N采用纳氏试剂分光光度法测定，NO2--N采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法测定，NO3--N采用酚二磺酸分光光度法测定，TN采用德国耶拿multi NC系列TOC/TN(总有机碳/总氮)分析仪测定，TP采用钼酸铵分光光度法测定，CODMn采用国标法(GB 11892-1989)测定；pH用pH计测定。

1.3.2 空心菜生长量与相对生长速率 于试验前和试验结束后分别测定空心菜的生物量。用清水将空心菜洗净，将植物分为根、茎叶两部分，55℃烘干至恒重后，采用相对生长速率(RGR)衡量空心菜培养前后的生长状况[10]。

RGR=(lnW2-lnW1)/t

式中，W1、W2分别为第1次和第2次测定时的植物干重，t为2次测定间隔的时间。

1.4 数据分析

水质检测结果用平均值±标准差(Mean±SD)形式表示，使用SPSS进行统计学分析。

2 结果与分析

2.1 空心菜的生长状况

初浮植时，空心菜在池塘养殖水体环境中能正常生长，定植后适应期为1～2 d,快速生长期为3～12 d,慢速生长期为13～20 d。空心菜移植后叶片有些萎蔫，在48 h后逐渐恢复；快速生长期的空心菜长势较快，茎叶生长旺盛，根系逐渐发达；慢速生长期的空心菜茎叶生长速度降低，个别叶片萎蔫脱落，根系无明显变化。培养20 d时，处理2和处理3的空心菜生物量均高于初始生物量，处理3的生物量略大于处理2(表1)。

表1 空心菜的生物量Table 1 Biomass of water spinach

2.2 空心菜对水体的净化效果

2.2.1 对氮素污染物的净化效果 从图1看出，处理1(CK)和种植空心菜的处理(处理2，处理3)中的NH4+-N浓度均随培养时间延长而逐渐下降，NH4+-N的平均去除率均>80%，差异不显著。NO3--N浓度在试验的前4 d各处理均迅速下降后趋于平稳，种植空心菜的处理(处理2，处理3)最终平均去除率>90%，对NO3--N的去除负荷显著大于对照。处理和对照组的NO2--N浓度变化趋势差异显著，培养9 d后对照中NO2--N浓度逐渐升高，而种植空心菜的处理中NO2--N浓度逐渐下降。空心菜的栽种能够促进养殖池塘水体TN的去除，但处理组和对照组的TN浓度起伏变动较大；试验初期(培养前2 d)各处理TN略有下降，而后逐渐上升，种植空心菜的处理在定植4 d左右达峰值后逐渐下降，最终平均去除率分别为78.88%和73.78%；对照组的TN浓度逐渐升高，试验结束时显著高于试验初始浓度；各处理间的TN差异明显，处理2和处理3水体的TN负荷略有差异，分别是(1.52±0.12) g 和(1.67±0.15) g，但最终TN去除率无显著差异(P=0.200)。

图1 空心菜种植后不同时间水体的N素污染物浓度Fig.1 N-contaminant concentration in aquaculture water cultivated floating-bed-grown water spinach with different time

2.2.2 空心菜对TP的净化效果 从图2看出，对照组和种植空心菜处理的TP浓度在试验初期急剧下降，之后逐渐上升、再下降并趋于平稳，试验结束时TP的平均去除率分别为87.72% 与90.52%；在研究中没有施加药物控制藻类和微生物生长的情况下，对照TP的去除率为64.53%。可见，空心菜浮床对养殖水体中的TP有一定去除效果。

图2 空心菜种植后不同时间水体的TP浓度Fig.2 TP concentration in aquaculture water cultivated floating-bed-grown water spinach with different time

2.2.3 空心菜对CODMn的净化效果 从图3看出，空心菜浮床对养殖水体中CODMn的去除有一定的贡献。对照试验期间CODMn的含量变化不大。种植空心菜的处理试验初期CODMn浓度变化不大，而在试验后期(培养13 d后)水体中CODMn的去除率逐渐增加，处理2和处理3的CODMn最终平均去除率分别为40.70%和44.96%，去除率较低，两处理间的差异不显著(P=0.700)。

图3 空心菜种植后不同时间水体的CODMn浓度Fig.3 CODMnconcentration in aquaculture water cultivated floating-bed-grown water spinach with different time

3 讨论

在试验条件下，空心菜在池塘养殖水体中能够正常生长且状态良好，水体中TN、TP负荷分别为(1.52±0.12) g和(0.82±0.02) g的(处理3)生物量略大于TN、TP负荷分别为(1.67±0.15) g和(0.98±0.13) g(处理2)，但差异不显著。原因可能是水体中TN、TP负荷低的营养供应受到了一定的限制所致。研究中没有施加药物控制藻类和微生物的生长，试验早期水体中藻类、微生物及其他浮游生物繁殖速度较快，利用N、P作为营养物质，水生植物移植初期，空心菜的吸收能力较弱，水体中的NH4+-N、NO2--N、NO3--N、TP等污染物主要是通过微生物的硝化作用及藻类的利用与吸收作用去除。随着水体中溶解氧的下降，藻类及其浮游生物逐渐死亡分解，N、P被重新释放到水体中，进而导致水体中N、P浓度起伏变化，甚至短期内出现上升现象。种植空心菜处理的TP浓度波动幅度小于对照，可能是空心菜具有一定的抑藻能力[11-13]。随着空心菜进入旺盛生长期，植物组水体中的N、P浓度迅速下降，去除效率显著高于对照组。在试验后期，空心菜生长速率放缓，根系发达，无明显变化，但个别叶片萎蔫脱落，可能是由于水体中大部分N、P营养缺乏及气温降低导致。整体看，空心菜浮床栽培能够促进养殖池塘水体水质的净化，有效降低水体中NH4+-N、NO2--N、NO3--N、TP、CODMn等污染物的含量。

相同覆盖率的空心菜浮床对不同TN、TP负荷的池塘养殖水体的去除率无明显差异，表明，空心菜具有较好的吸收N、P能力[14]，且能够适应较广泛的营养条件，对不同污染程度水体中的营养盐均具有较好的吸收与吸附能力[15]。在植物的快速生长期，NO3--N的去除速率较NH4+-N快，且TP的去除速率大于TN。原因是3种污染物H2PO4-、NH4+-N、NO3--N中，空心菜对H2PO4-的亲和力常数最小，对NO3--N的吸收速率最大[15]，根据基于最大吸收速率和最小亲和力常数的水生植物对营养盐适应性的评价方法[16]，在低N、P水平条件下，空心菜优先选择吸收H2PO4-，且对NO3--N的吸收速率最快。

4 结论

空心菜浮床的使用能够促进养殖废水中的氨氮、硝态氮、总氮、总磷和CODMn等污染物的去除，水质净化效果显著。在北方寒冷地区，6月中旬至8月下旬养殖水体种植空心菜能够满足其对温度、气候的要求，可将其作为浮床植物应用于养殖水体的净化。