水生蔬菜对不同程度富营养化涝池水体的净化作用——以菠菜和水芹为例

张 帅, 高照良,2, 赵 莼, 周富宇, 李永红, 苏 媛, 冯志倩

(1.西北农林科技大学 水土保持研究所, 陕西 杨凌 712100; 2.中国科学院 水利部水土保持研究所 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室, 陕西 杨凌 712100; 3.中国科学院大学, 北京 100049)

涝池是水资源短缺的西北农村地区为了拦蓄雨水而修筑的一种池塘，具有防治水土流失，修复自然生态，防洪减灾等显著的生态效益和实用价值[1]。党的十九大明确提出实施乡村振兴战略，全面开展乡村水环境治理和修复[2-3]，陕西省更是将涝池列为“黄河流域生态保护和高质量发展”及“十三五”关中水系生态恢复水土保持建设的重要工程。但近年来由于地表径流、养殖废水直接排放以及化肥大量施用等原因，造成N，P等营养元素含量过多，导致涝池水体严重富营养化[4]。相关调查显示，关中地区78.2%的涝池出现不同程度的水体富营养化现象[5]；杨凌示范区8个涝池水体均为劣Ⅴ类水质[6]。然而目前针对涝池水体的研究多停留在其演变特征的分析、生长季地下水动态变化、富营养化程度等方面[7]，对于涝池水体治理的关注较少。水体治理的方法包括物理方法、化学方法和生物方法等。传统的物理法和化学法所需费用高、设施复杂、易带入其他污染物，不适宜乡村现状。利用植物修复技术来净化富营养化水体是目前行之有效的生态治理措施[8-10]。Zhao等学者[11-13]的研究表明，香根草、凤眼莲、菖蒲等水生植物对富营养化水体中TN，TP的去除率可达85.3%～96.7%和83.1%～96.5%，但水生植物仅考虑到对水体污染物的净化，难以资源化利用，易形成二次污染，还存在冬季净化难等问题。水生蔬菜不仅可以高效去除富营养化水体中污染物[14-15]，减少环境污染；还能回收利用富营养化水体中的N，P等营养资源[16]，产生经济价值，而且可以多茬种植，适宜农村现状，从而受到研究人员的广泛关注[17-20]。菠菜(Spinaciaoleracea)和水芹(Oenanthejavanica)均为最有价值的绿色蔬菜之一，具有利尿，镇静，促凝，缓和，润肠和其他有益特性，可以加工成各种产品，如浸剂或治疗性蔬菜汁等。尽管利用水生蔬菜净化富营养化水体具有减少污染和作物生产的双重优势，但目前缺乏以富营养化涝池水体为研究对象种植水生蔬菜的科学研究数据。因此本试验以菠菜和水芹为试验材料，通过模拟富营养化的涝池水体环境，采用浮床栽培的方式研究菠菜和水芹对富营养化涝池水体的净化效果，以期为水生蔬菜等经济植物应用于西北农村地区富营养化封闭水体的生态修复提供新的思路和理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

菠菜(Spinaciaoleracea)，品种为亨达利，高抗病耐抽苔，其生命力旺盛，生长快；根系发达，株型整齐；全国各地普遍栽培，是我国北方春季的重要蔬菜之一。选择生长良好，高度4 cm左右的幼苗进行试验。水芹(Oenanthejavanica)，品种为赛雪白芹，叶柄嫩白粗壮，实心；叶片绿色，香味浓，肉质细腻；易栽培，产量高，经济效益好，有较好的适应性、抗病性，是一种深受消费者喜爱的喜凉性绿叶蔬菜。全国各地均有种植，是冬季主要蔬菜之一。选择长势一致，高度5 cm左右的幼苗进行试验。

试验用水采用人工配置富营养化涝池水体的方式，水体主要成分由(NH4)2SO4，KNO3和KH2PO4提供，其余营养成分根据10%Hoagland营养液进行配置[21]。水体中氮、磷初试浓度是以陕西省杨凌示范区周边涝池中N，P含量的实际测定值为依据来配置的[5]。试验水体配置在一大桶中进行，向盛满去离子水的桶中加入营养盐，混匀后分至栽培水箱中。本试验水体共设置高、中、低3个浓度梯度(均属于劣Ⅴ类水)，试验开始时测定水体中N，P浓度，具体浓度详见表1。

表1 富营养化涝池水体氮磷初始浓度

试验所用生态浮床由植物、泡沫浮板和定植海绵3部分组成，以塑料水箱作为栽培容器，生态浮床尺寸为40 cm×30 cm×30 cm。试验栽培设置和试验生态浮床装置如图1—2所示。

图1 试验栽培方式示意图

图2 供试生态浮床装置示意图

1.2 试验设计

试验于2019年10—11月在西北农林科技大学塑料大棚内进行。供试的菠菜和水芹均采购于陕西某蔬菜基地，用清水清洗根系，于1 mmol/L的CaSO4·2H2O溶液中饥饿培养2 d，然后选择生长良好、长势基本一致的幼苗移栽至上述3种富营养化水体，每个水箱种植幼苗9株，分别以不栽培植物为对照，每个处理重复3次。日均温度为9～20 ℃之间，自然光照。每日定时曝气2 h，以保证水体溶解氧等条件一致。每7 d为1个周期，采1次水样进行水体中N，P浓度的测定，并用去离子水补充蒸发、植物蒸腾及采样等消耗的水分。

1.3 测定方法

1.3.2 去除率和每周期日平均去除速率的计算 计算公式为：

去除率(%)=(C0-C1)/C0

式中：C0为初始水样的浓度(mg/L)；C1为试验结束时水样的浓度(mg/L);

每周期日平均去除速率〔mg/(L·d)〕=(Cd1-Cd2)/7 d

式中：Cd1为某一周期开始时水样的浓度(mg/L);Cd2为某一周期结束时水样的浓度(mg/L)。

1.4 数据分析

本试验应用Microsoft Excel和SPSS 22.0进行数据统计、分析及绘图，结果以平均值±标准差(Mean±SD)表示。

2 结果与分析

2.1 2种水生蔬菜对富营养化涝池水体中铵态氮的净化效果

图3 试验水体中水体浓度变化

2.2 2种水生蔬菜对富营养化涝池水体中硝态氮的净化效果

图4 不同处理试验水体浓度变化

2.3 2种水生蔬菜对富营养化涝池水体中总氮的净化效果

N是造成水体富营养化的主要控制因素，利用植物的吸收除N是治理水体富营养化的重要手段。图5为试验水体中TN浓度随时间变化的的折线图。由图5可以看出，第1—28 d时菠菜的3个处理TN浓度均持续下降，但此后T1，T2处理轻微上升，T3处理持续下降；试验结束时3个处理TN浓度分别降低了6.82，15.49，32.18 mg/L。菠菜对照组TN浓度缓慢降低，变化趋势不明显，试验结束时TN平均去除率仅为17.5%。水芹的T1处理在第1—7 d时TN浓度迅速下降，7 d后波动下降；T2处理在第1—21 d迅速下降，第21 d后波动下降；T3处理则在整个试验期间持续下降(图5)。水芹的对照组在试验期间对TN的去除效果同样不佳，平均去除率仅为对照组平均去除率的27.6%。说明菠菜和水芹均对富营养化涝池水体中的TN有显著的净化效果。

图5 不同处理试验水体TN浓度变化

2.4 2种水生蔬菜对富营养化涝池水体中磷酸盐的净化效果

图6 不同处理试验水体浓度变化

2.5 2种水生蔬菜对富营养化涝池水体中总磷的净化效果

图7为试验水体中TP浓度随时间变化的的关系图。由图7可以发现，在第1—28 d时菠菜T1，T2，T3处理的TP浓度以较大幅度持续下降，第28—35 d下降变慢，试验结束时TP浓度分别为0.070 mg/L，0.155 mg/L，0.394 mg/L；CK1，CK2，CK3的TP浓度则在第1—35 d期间呈波动下降趋势，但下降幅度较小。水芹T1，T2，T3处理的TP浓度在第1—35 d持续下降；对照组TP浓度波动降低，试验结束时对照组的TP浓度是处理组的的2.1～2.8倍(图7)。说明栽培菠菜和水芹的处理组能高效净化富营养化涝池水体中的TP。

图7 不同处理试验水体TP浓度变化

2.6 2种水生蔬菜对富营养化涝池水体中总氮、总磷的去除率

从表2可以看到，随N浓度升高，菠菜和水芹对TN的去除率均呈逐渐升高趋势，去除率分别为78.61%～97.07%和88.37%～96.95%；在未栽培植物的对照组中，TN的去除率最高仅为33.36%，最低仅有6.06%，远低于栽培植物的处理组。随着试验水体P浓度由1.855 mg/L上升至6.020 mg/L，菠菜去除率逐渐下降，但处理组的去除率均超过93%；水芹去除率则呈上升趋势，由T1处理的77.63%上升至T3处理的82.08%，但其去除率全面劣于菠菜。菠菜和水芹对照组的TP去除率同样远低于处理组，其平均去除率仅为32.88%。说明菠菜和水芹对富营养化涝池水体中的N，P都具有良好的净化效果，但不同植物的生长情况不同，对各种营养物质的需求和吸收效率存在很大差异；根据涝池水体的富营养化水平选择适宜的植物能更加高效的吸收N，P，净化水体。

表2 菠菜、水芹对TN，TP的去除率 %

2.7 2种水生蔬菜对富营养化涝池水体中总氮、总磷的每周期日平均去除速率

图8为试验水体中TN，TP每周期日平均去除速率图。可以发现，菠菜和水芹的TN，TP每周期日平均去除速率均随水体中N，P浓度的升高而加快且显著高于对照处理(p<0.05)。菠菜和水芹的TN每周期日平均去除速率变化有明显的区别。菠菜试验开始后逐步升至最高水平，在后两个周期(21—35 d)保持在低速率；水芹则在第一周期就达到最高速率，此后波动下降，在第5周期(28—35 d)的去除速率显著高于菠菜。计算菠菜和水芹在整个试验期间的TN日平均去除速率可以发现，水芹总体TN日平均去除速率优于菠菜。菠菜和水芹的TP每周期日平均去除速率均呈波动变化，菠菜的去除速率极值达0.397 mg/(L·d)远高于水芹，计算菠菜和水芹在整个试验期间的TP日平均去除速率发现，菠菜在各处理下对TP的去除速率均大于水芹。以上表明水芹对TN的去除速率好于菠菜，而菠菜对TP的去除速率快于水芹。

图8 不同处理试验水体TN，TP每周期日平均去除速率

3 讨 论

N，P等营养物质是导致水体富营养化的重要因子，同时又是植物生长发育必需的大量营养元素。它们在水体中的浓度不仅直接关系着水体富营养化程度，也会影响植物的生长和代谢，进而影响植物净化富营养化水体的效果。本试验发现，随富营养化涝池水体N浓度升高，菠菜和水芹对TN的去除率均呈升高趋势，平均去除率分别达89.4%和93.6%，与段婧婧等[22]人的研究相似，高于菱角[23](55.82%～86.55%)、豆瓣菜[8](78.27%)等。而随水体P浓度升高，菠菜对TP去除率下降，但其去除率均超过93%，这与Jin等[24]人对菠菜的研究结果相似，还表明在适宜的TP浓度水体中菠菜会呈现较高的TP去除率，而T2，T3处理的P浓度已经超过了菠菜对P的耐受性，TP去除率呈现下降趋势[25]。水芹对TP去除率虽然上升，但其平均去除率仅为79.8%，与苋菜(78.53%)相似，高于生菜等水生蔬菜[26]。这表明不同蔬菜对N，P的吸收机理和需求有差异。2种蔬菜在不同N，P浓度水平下，日均去除速率均为：T3>T2>T1，这与赵鸿哲[27]的研究结果相似。同时还发现，水芹3个处理的TN每周期日平均去除速率在试验初期即达到最大值，显然能更加快速的适应模拟涝池水体的N营养环境，虽然最大值低于菠菜，但在N消耗至较低水平(1 mg/L)时，去除速率仍能达到0.2 mg/(L·d)。菠菜的TP每周期日平均去除速率无论是最大值还是平均值都高于水芹。这些说明不同蔬菜对不同浓度N，P营养环境的适应能力有明显差异，水芹更能适应广泛的N浓度水平，在N浓度水平较低时依旧能保持较快的去除速率，而菠菜则在对水体中P去除速率上展现出优势。

4 结 论

(2) 菠菜对富营养化涝池水体中TN的去除率为78.61%～97.07%，对TP的去除率93.46%～97.07%；水芹对富营养化水体中TN的去除率为88.37%～96.95%，对TP的去除率77.63%～82.08%。说明菠菜和水芹对富营养化涝池水体中N，P具有良好的净化效果，且N，P浓度越高，净化效果越好。

(3) 菠菜和水芹的对水体中N，P的去除率和日均去除速率均显著高于对照，对N去除率和日均去除速率为：水芹>菠菜，对P去除率和日均去除速率为：菠菜>水芹。表明菠菜和水芹可以快速有效的净化富营养化涝池水体，可用于富营养化涝池水体的生态修复；在本试验条件下水芹对水体中N的去除效果更好，菠菜对水体中P去除效果更佳。