木本植物净化不同盐度海水养殖污水的效果研究

潘桂娟，刘 雯，刘 爽，雷泽湘

（仲恺农业工程学院资源与环境学院/广东省普通高校农业产地污染综合防治工程技术研究中心，广东 广州 510225）

【研究意义】随着我国海水养殖业的快速发展，沿海育苗场及养殖场尾水排放量与日俱增［1］，海水环境污染控制越来越重要。生活污水、养殖废水及工业废水中溶解态营养盐未经有效处理直接排入近海水域，导致废水盐化日趋严重［2］，使水体富营养化［3］。大量氮、磷等营养盐造成近岸海域生态环境破坏、水生态系统单一、大面积水质恶化，严重威胁海洋生态环境健康与稳定发展［4-5］。我国海域总体污染形势严峻，大部分海湾、河口、滨海湿地等生态系统仍处于亚健康或不健康状态［6］，近岸海域生态系统健康状况恶化的趋势未得到有效缓解。由于海水的盐度效应，导致将人工湿地用于处理海水养殖污水的研究较少［7］，但实现养殖污水达标排放已成为水产养殖可持续发展和产业升级的必然要求［8］。因此，寻求经济高效的海水养殖污水处理方式成为当前海水养殖业亟待解决的难题。【前人研究进展】随着对海洋污染危害认识的加深，人们开展了各种海洋污染防治技术相关的研究及其应用。考虑到海水中污染物的多样性，现有的处理方法普遍采用物理方法和化学方法相结合的工艺［9］，但这些方法在实际应用中存在运行成本高、耐冲击负荷能力差、管理不方便等问题。与物理、化学方法相比，植物修复方法具有成本低、安全性高、绿色环保等优点［10-12］。目前，海水污染植物修复研究较多的主要是藻类和红树植物［13-15］。有研究指出，盐的存在对植物生长有不同程度的抑制作用［16］，盐度过高可能影响植物和微生物的净化作用，扰乱植物的能量平衡，导致植物无法充分发挥其净化污染物的作用［17］，许多修复性能良好的水生植物无法在含盐量高的水体中生长。因此，寻求耐盐植物修复海水得到重视。

【本研究切入点】木本植物对氮、磷具有较持久的去除效果［18-19］，且具有生物量大、去除效果好、无需养护等优点。利用木本植物对受污染水体进行净化，为日益严峻的水环境治理提供了良好的途径。小叶榄仁（Terminalia neotalialaCapuron）为使君子科、诃子属木本植物，具有较强的耐盐［20］、抗旱能力，常作为行道树和沿海防护林［21］，其具有制造家具、染料、榨油等经济价值以及防治糖尿病、解毒止瘀等药用价值［22］。小叶榄仁抗逆性较好，能够有效抵御热带海岛的不利环境带来的氧化胁迫，防止膜脂结构受到损伤［20］。黄杨（Buxus sinica）具有耐盐性［23］，是常用的观叶树种，具有祛风除湿等药用价值，亦可用于雕刻。这两种木本植物均耐盐、耐污、抗病害能力强，对滨海环境具有较强的适应能力，也适用于园林绿化及海岸防护林构建，能改善滨海的生态环境，从而发挥良好的经济效益与生态效益。【拟解决的关键问题】本研究选择小叶榄仁和黄杨为研究对象，探究盐度对其净化海水养殖污水效果的影响，考察盐度对其不同部位吸收水中营养物质的影响，并对其净水功能进行评价，为木本植物净化海水养殖污水的应用提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验在仲恺农业工程学院海珠校区试验大棚内进行，试验周期为35 d。供试小叶榄仁和黄杨均购自广州市龙洞某苗圃，苗龄约为1 年。小叶榄仁平均高度为41.6 cm，地径5.3 mm；黄杨平均高度为40.9 cm，地径4.9 mm，水培盆栽试验装置如图1。

图1 小叶榄仁和黄杨的现场装置Fig.1 Field device for Terminalia neotaliala Capuron a dn Buxus sinica

1.2 试验方法

试验采用10 L 的圆形红色塑料桶（直径28 cm，高25 cm），每桶装8 L 人工配置的不同盐度的海水养殖污水，设置小叶榄仁、黄杨两个处型和对照（CK，不种植物），每个处理3 次重复，每个重复1 桶，每桶种植3 株植物。其盐度分别为0‰、2.5‰、5‰、7.5‰、10‰、15‰、20‰（用盐度计测定污水盐度），试验开始后不再补充盐分。

盐度配置依据：按不同养殖对象所需盐度进行配置，海水养殖水体因养殖对象的适盐范围不同而具有不同的盐度差异，如凡纳滨对虾和斑节对虾养殖水盐度分别为12.14‰和21%～24‰［24-25］，罗非鱼养殖水盐度为15‰［26］，二茬脊尾白虾养殖盐度为6.2‰［27］，菊黄东方鲀养殖盐度为5%～15‰［28］。

污水配置方法：在8 L 自来水中分别加入粗盐（2.5‰∶17.20 g;5‰∶34.40 g;7.5‰∶51.60 g;10‰∶68.80 g;15‰∶103.20 g;20‰∶137.60 g）、0.41 g 硫酸铵、0.72 g 硝酸钾、0.12 g 磷酸氢二钾、0.89 g 三水合乙酸钠及0.81 g 葡萄糖，配置成模拟海水养殖污水。

先将植物洗净置于清水中培养7 d。培养结束后，植物的生长状况无明显变化，且均有嫩绿的新叶或组织生出。选取长势良好，株高、长势大小一致的植株进行试验，每隔5 d 取样1 次，测定各组水中的总氮（TN）、总磷（TP）、化学需氧量（COD）及植物全氮、全磷、钾和钠等指标，取平均值。试验开始时记录植物鲜质量，试验结束后收获植物，先用水冲洗植物表面附着物及其他物质后称量鲜质量，再将植物分成地上部和地下部置于烘箱，烘干后称量各部位的干质量，用于测定植物的氮、磷、钾、钠含量。

1.3 数据处理与分析

本实验水质参数的测定参照《海洋监测规范》（GB 17378-2007），COD 采用多参数水质测定仪（YDIS-16）测定，TN 和TP 分别采用过硫酸钾氧化法、钼锑抗分光光度法测定。植物全氮、全磷分别采用H2SO4-H2O2消煮法和钒钼黄比色法测定，钾、钠采用火焰分光光度计法测定［29］。

采用Excel 2019 软件进行数据统计分析，采用Origin 2018 软件进行绘图，采用IBM SPSS Statistics 22 软件进行数据的相关性分析。

2 结果与分析

2.1 盐度对木本植物TN 净化效果的影响

随着时间的增加，两种木本植物对海水养殖污水TN 的去除效果均较好，去除率均随时间的增加而增加（图2）。处理5～15 d 时，小叶榄仁和黄杨对海水养殖污水TN 的去除率随盐度的增加而降低，盐度为20‰时，两种植物对TN 的去除效果均最差。第15 天时，小叶榄仁、黄杨的TN 去除率分别为52.4%和49.1%，分别比CK 高18.9 和15.6 个百分点，说明高盐度对污水TN 的去除有一定影响，但植物的存在提高了其去除率（图2A～ 2B）。第20 天时，小叶榄仁在0‰、2.5‰、5‰、7.5‰、10‰、15‰、20‰盐度下，TN 去除率分别比黄杨提高了4.07、5.99、3.38、10.43、11.10、19.21 和22.22 个百分点，说明小叶榄仁对TN 的去除能力较黄杨强。

图2 木本植物对不同盐度海水养殖污水中TN 的去除效果Fig.2 Removal effects of woody plants on TN in mariculture wastewater with different salinity

在同一盐度下，小叶榄仁对TN 的去除效果优于黄杨。第5 天时，两种木本植物各盐度之间去除率差异不显著。处理5～20 d 时，小叶榄仁在0‰和20‰盐度条件下的TN 去除率均存在显著差异，黄杨在0‰、2.5‰盐度条件下的TN 去除率与10‰、15‰、20‰盐度的均存在显著差异；处理10～20 d 时，CK 在低盐度（0‰、2.5‰、5‰）时的TN 去除率与高盐度（15‰、20‰）也存在显著差异（图2）。处理25～35 d 时，小叶榄仁和黄杨对TN 的去除效果随盐度变化不明显，说明系统基本稳定。

2.2 盐度对木本植物TP 净化效果的影响

如图3 所示，随着时间的增加，小叶榄仁和黄杨对海水养殖污水TP 的去除效果也更好。第20 天时，小叶榄仁和黄杨对海水养殖污水TP的去除率随盐度的增加呈现降低趋势，两种植物在15‰盐度条件下对TP 的去除效果均最差（图3A～3B）。第25 天时，两种植物在20‰盐度条件下对TP 的去除率分别为82.7%和36.6%，比CK分别高66.6 和20.5 个百分点，说明高盐度对污水TP 的去除效果有一定的影响，但植物的存在提高了其去除效率。25 d 时，小叶榄仁在0‰、2.5‰、5‰、7.5‰、10‰、15‰、20‰盐度条件下的TP去除率比黄杨分别提高了6.8、22.4、9.7、17.3、7.2、16.2、46.1 个百分点，说明小叶榄仁对TP 的净化效果优于黄杨。

图3 木本植物对不同盐度海水养殖污水中TP 的去除效果Fig.3 Removal effects of woody plants on TP in mariculture wastewater with different salinity

在同一盐度下，小叶榄仁对TP 的去除效果优于黄杨。处理5～20 d 时，小叶榄仁对TP 的去除率中盐度0‰与盐度7.5‰、20‰均存在显著差异。处理20～35 d 时，黄杨对TP 的去除率中盐度20‰与其他盐度间均存在显著差异。20 d时，3 组处理各盐度之间TP 去除率差异不明显，25～35 d 时，CK 在盐度0‰时的TP 去除率与高盐度（15‰、20‰）也存在显著差异，且此时小叶榄仁和黄杨对TP 的去除效果随盐度变化不明显，说明系统基本稳定（图3）。

2.3 盐度对木本植物COD 净化效果的影响

随着时间的增加，两种木本植物对海水养殖污水COD 的去除效果均较好，其去除率随时间的增加而增加（图4）。处理5～15 d 时，小叶榄仁和黄杨对海水养殖污水COD 的去除率随盐度的增加呈现波动变化。处理15～20 d 时，小叶榄仁和黄杨对COD 的去除效果均优于CK。处理20 d 时，小叶榄仁对COD 的去除率比黄杨处理高，其0‰、2.5‰、5‰、7.5‰、10‰、15‰、20‰盐度的COD 去除率比黄杨分别提高了3.29、9.51、5.30、21.69、18.51、10.38 和4.97 个百分点（图4A～4B），表明小叶榄仁对COD 的去除效果优于黄杨。

图4 木本植物对不同盐度海水养殖污水中COD 的去除效果Fig.4 Removal effects of woody plants on COD in mariculture wastewater with different salinity

在同一盐度下，小叶榄仁和黄杨对COD 的去除效果无显著差异。处理20～25 d 时，CK 在盐度0‰时的COD 去除率与高盐度（15‰、20‰）存在显著差异。处理25～35 d 时，小叶榄仁对COD去除率中在盐度0‰与盐度15‰间均存在显著差异；处理30～35 d 时，黄杨对COD 的去除率中盐度7.5‰与盐度20‰间均存在显著差异，且此时小叶榄仁和黄杨对COD 的去除效果随盐度变化不明显，说明系统基本稳定（图4）。

2.4 盐度对木本植物吸收N、P、K+、Na+的影响

2.4.1 盐度对小叶榄仁吸收N、P、K+、Na+的影响 植物的氮磷积累量是直接反映植物净化潜力的重要指标之一。随着盐度的增加，小叶榄仁对N 的积累量波动比较大。盐度为0‰时，小叶榄仁地上部对N 的积累量最高（5.26 mg/g）；盐度为5‰时，小叶榄仁地下部对N 的积累量最高（6.4 mg/g）；盐度为20‰时，小叶榄仁地下部和地上部对N 积累量均最低（表1）。说明低盐度下小叶榄仁对N 的积累量均比高盐度多，且同一盐度下，小叶榄仁地下部对N 的积累量高于地上部。

表1 不同盐度对小叶榄仁吸收N、P、K+、Na+的影响Table 1 Effects of different salinity on N、P、K+ and Na+ uptake by Terminalia neotaliala Capuron

小叶榄仁地下部对P 的积累随着盐度增加而呈现下降趋势。盐度为0‰时，小叶榄仁地下部对P的积累量为1.18 mg/g，比20‰盐度时高出0.40 mg/g。当盐度为10‰时，小叶榄仁地上部对P 的积累量最高（1.00 mg/g），盐度为15‰时，小叶榄仁地上部对P 的积累量最低（0.50 mg/g）。高盐度下，小叶榄仁对P 的总积累量较少，说明高盐度影响植物对P 的吸收。

随着盐度升高，小叶榄仁对K+的积累波动较大。盐度为0‰时，小叶榄仁地下部对K+的积累量为12.09 mg/g；盐度为15‰时，小叶榄仁对K+的积累量最少，仅有0.43 mg/g；盐度为7.5‰时，小叶榄仁地上部对K+的积累量较高、为7.02 mg/g。在盐度为20‰时，小叶榄仁地上部对K+的积累量最少、仅1.03 mg/g。在低盐度时（0‰、2.5‰、5‰），小叶榄仁对K+的积累量表现为地上部低于地上部，而中高盐度下（7.5‰、10‰、15‰）则是地上部高于地下部。

小叶榄仁地下部对Na+的积累量随着盐度的升高而增加。盐度为0‰时，小叶榄仁地下部和地上部对Na+的积累量最少，分别为0.61、0.17 mg/g。盐度为20‰时，小叶榄仁地下部对Na+的积累量最多、为43.39 mg/g。植物细胞体内积累过多的Na+，改变了细胞的渗透势，致使细胞膜受到伤害，植物的生长发育受到阻碍，从而导致高盐度下植物对海水养殖污水的处理效果变差。

2.4.2 盐度对黄杨吸收N、P、K+、Na+的影响 由表2 可知，在盐度7.5‰～20‰时，黄杨地下部对N 的积累量随着盐度增加而减少。黄杨地上部对N 的积累量在盐度为0‰时最高（3.19 mg/g）；地下部对N 的积累量在盐度为7.5‰时最高（5.47 mg/g）；盐度为20‰时，黄杨地上部和地下部对N 积累量均最低。且同一盐度下，黄杨对N 的积累量均表现为地下部高于地上部，表明其对N 的积累主要位于根部。

表2 不同盐度对黄杨吸收N、P、K+、Na+的影响Table 2 Effects of different salinity on N、P、K+ and Na+ absorption by Buxus sinica

黄杨地上部对P 的积累随着盐度增加而呈现下降趋势。在盐度为0‰时，黄杨地上部对P 的积累量最高、为0.37 mg/g，而在盐度为15‰时含量最低。在低盐度（0‰、2.5‰）时，黄杨地上部对P 的积累量均比地下部高，而盐度5‰～15‰时，黄杨地上部对P 的积累量均比地下部低，说明盐度对黄杨不同部位吸收P 能力的影响不同。

在盐度为0‰～5‰时，黄杨地下部对K+的积累随盐度增加而降低，而地上部则随盐度增加而增加。在盐度为0‰时，黄杨地下部对K+的积累量较高，为4.78 mg/g，而在盐度为15‰时，K+的积累量最少、仅为0.57 mg/g。盐度为5‰时，黄杨地上部对K+的积累量最多，达到6.06 mg/g。同一盐度下（0‰除外），黄杨地上部对K+的积累量均比地下部多，说明黄杨对K+的积累主要位于茎叶部位。

黄杨地下部和地上部对Na+积累量随盐度的升高呈现上升趋势。在盐度为0‰时，黄杨地下部和地上部对Na+积累量最少，分别为2.33 mg/g、0.60 mg/g。在盐度为20‰时，黄杨对Na+积累量最多，分别为41.48 mg/g（地下部）、64.90 mg/g（地上部）。同一盐度下（0‰除外），黄杨地上部对Na+积累量均比地下部多，说明黄杨对Na+积累主要位于茎叶部位。

2.5 盐度与其他指标之间的相关性分析

由表3、表4 可知，小叶榄仁和黄杨处理组中，K+含量与N 含量显著正相关；pH 与Na+含量、TN 去除极显著负相关；氧化还原电位（ORP）与Na+含量、TN 去除极显著正相关，与pH 极显著负相关；溶解氧（DO）与Na+含量、ORP 极显著负相关，与pH 极显著正相关；电导率（EC）与Na+含量、ORP 极显著正相关，与pH、DO 极显著负相关。

表3 小叶榄仁植物指标及出水指标之间的相关性Table 3 Correlation between the plant indicators in Terminalia neotaliala Capuron and the effluent indicators

表4 黄杨植物指标及出水指标之间的相关性Table 4 Correlation between the plant indicators in Buxus sinica and the effluent indicators

3 讨论

氮和磷是植物生长必需的营养元素中的大量元素。高盐条件不利于植物对氮元素的吸收［30］。本研究结果显示，小叶榄仁和黄杨在盐度为0‰时对N 积累量均高于20‰盐度的N 积累量。有研究表明在淡水条件下，植物中全氮含量略高于海水（30‰）条件下的全氮含量［31］。彭友贵等［32］通过浇灌不同盐度的灌溉水得出高盐度抑制了红海榄植株对氮的吸收；随着盐度增大，白骨壤植株根和叶中的全氮含量急剧减小，是因为盐分降低了根皮层的透性，增加栓化作用，抑制了根皮层对铵根离子和硝酸根离子的吸收及进入根部的量［33］。小叶榄仁地下部对磷的吸收随盐度增加而降低，在盐胁迫下，叶片中的全磷含量显著减少，这是由于酸性磷酸酶和碱性磷酸酶活性增强所致［34］。处理15 d 时，小叶榄仁和黄杨对TN 的去除率随盐度增加而降低，而在处理20 d 时，小叶榄仁和黄杨对TP 的去除率随盐度增加而降低。表明高盐度胁迫抑制了小叶榄仁和黄杨对TN、TP 的去除作用。程梦雨等［35］以美人蕉、互花米草和海三棱藨草协同复合填料处理含盐废水，结果表明，1‰盐度下对TP 的去除率整体优于5‰盐度。张海耿等［36］以芦苇为湿地植物，构建人工湿地，探究不同盐度、水力负荷和污染负荷下，人工湿地对海水养殖污水的修复效果，得出污染物去除率随盐度增加而降低，导致修复效果变差的结论。李茹霞等［37］通过分析不同盐度下番杏对水体中氮磷的去除率发现，氮的去除率随盐度升高而下降。Alan等［38］以盐生植物水椰树对海水养殖污水进行修复研究，发现湿地中养殖污水污染去除效率受到盐度限制。环境因子会影响植物去除污染物的效果［39］。pH、DO 浓度主要通过影响湿地中微生物的生长空间、菌群分布、生物活性、反硝化作用等进而影响人工湿地脱氮的效果［40］。pH 主要影响植物的除磷效果，磷在水溶态时的存在形式与pH 值和氢离子的离解程度有关。水溶态的磷具有数量少、可快速吸收等特点，是可供植物利用的主要形态。DO 直接与微生物作用相关，决定湿地内氧化还原条件，好氧条件下聚磷菌吸收系统内的磷，厌氧条件聚磷菌会释放吸收的过量磷［41］。人工湿地在植物、微生物与填料协同机制下，受盐胁迫影响，低盐度可提高植物耐受性，促进湿地净化效果［17］；而盐度过高时，植物与微生物活性受限，致使处理效果降低［42］。小叶榄仁和黄杨处理中，盐度越高，Na+含量越高，从而破坏植物膜结构，影响植物生长发育，降低其去污能力。pH 与TN 去除效果呈极显著负相关；ORP 与TN 去除效果呈极显著正相关。DO 与Na+含量极显著负相关，与pH 极显著正相关。总体而言，植物生长发育对磷的吸收是去除磷的主要形式［28］，小叶榄仁和黄杨对海水养殖污水中污染物有一定的去除作用，小叶榄仁处理海水养殖污水效果优于黄杨。但在实际应用中，由于植物品种对当地环境的适应能力存在差异，还需考虑移植地的各项因素，通过综合分析最终选定适宜的品种，使木本植物在处理海水养殖污水的过程中发挥更大作用。

4 结论

（1）小叶榄仁和黄杨对TN 和TP 的去除率均随盐度增加而降低。同盐度下，处理20 d 时，小叶榄仁对TN 的去除率比黄杨高；处理25 d 时，小叶榄仁对TP 的去除效果也优于黄杨，不同盐度下，其对TP的去除率比黄杨增加了6.83、22.4、9.71、17.35、7.22、16.23、46.08 个百分点。小叶榄仁对不同盐度的养殖污水均具有较强的去除能力。小叶榄仁和黄杨对COD 的去除效果无明显差异，但两种植物对COD 的去除效果均优于CK。

（2）盐度影响两种植物对氮磷的吸收，小叶榄仁对氮磷的积累量分别11.40、1.83 mg/g（0‰），6.84、1.68 mg/g（20‰），均比黄杨高，表明小叶榄仁对氮磷的吸收效果优于黄杨，且高盐度抑制植物对氮磷的吸收。盐度对两种植物吸收K+、Na+能力的影响不同，小叶榄仁吸收K+、Na+能力强于黄杨。随着盐度增加，两种植物对Na+的积累量呈递增趋势。而Na+含量越高，致使细胞膜受到伤害，导致高盐度下植物对海水养殖污水的处理效果变差。因此，在处理高盐度养殖污水时，可适当稀释水体盐度，提高植物的净化能力。综上，小叶榄仁比黄杨具有更好的耐盐和净污性能，可将其优先作为处理海水养殖污水的植物。