银川平原水葫芦?大薸引种栽培及水体氮磷去除研究

赵明涛 谭鹏 何彤慧 何玉实 王超群

摘要 通過在中温带区域（宁夏银川）设置不同浓度梯度水体处理引进栽种水葫芦和大薸，探寻其中后期生长特征以及利用对氮、磷等营养物质的强吸收作用，解决农田退水富含高氮、高磷等营养物质问题。结果表明，水葫芦、大薸喜高浓度营养元素的生长条件，在高浓度（T4、C4）处理条件下生长最好。水葫芦、大薸对于水体氮磷去除效果显著，对水体氮去除率最高可达84.54%、81.55%；对水体磷去除率最高可达99.17%、98.66%。植物死亡枝体腐烂后，体内氮磷元素会返还水体，应在生长放缓时期及时收割。总磷、溶解氧和pH是影响水葫芦生长存活的关键环境因子；除溶解氧因子外，大薸对其余水质指标均响应显著，与总氮、瞬时水温和总氮相关性强。两者长势良好，夏季能适应中温带区域（宁夏银川）气候，解决农田退水富含高氮、高磷等营养物质问题具有可行性。

关键词 引种栽培；生长特征；氮磷去除；水葫芦；大薸

中图分类号 X52  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2023）13-0070-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.13.017

Research on Introduction and Cultivation of Eichhornia crassipes and Pistia stratiotes in Yinchuan Plain and the Removal of Nitrogen and Phosphorus in Water

ZHAO Ming-tao1， TAN Peng2， HE Tong-hui1 et al

（1.School of Ecology and Environment， Ningxia University，Yinchuan， Ningxia 750021; 2.Yinchuan Wetland Conservation Center，Yinchuan， Ningxia 750021）

Abstract Eichhornia crassipes and Pistia stratiotes were introduced and planted in the mid-temperate region （Yinchuan， Ningxia） by setting different concentration gradients for water treatment. Exploring the growth characteristics in the middle and late stages and using the strong absorption of nitrogen， phosphorus and other nutrients to solve the problem of high nitrogen， high phosphorus and other nutrients in farmland dewatering. The results showed that， Eichhornia crassipes and Pistia stratiotes like the growth conditions of high concentrations of nutrient elements， and the best growth conditions were treated with high concentrations （T4， C4）. Eichhornia crassipes and Pistia stratiotes have a significant effect on the removal of nitrogen and phosphorus in water， and the removal rate of nitrogen in water can reach 84.54% and 81.55%; the removal rate of phosphorus in water can reach 99.17% and 98.66%. After the dead branches of the plants rot， the nitrogen and phosphorus elements in the body will return to the water body， and they should be harvested in time when the growth slows down. Total phosphorus， dissolved oxygen and pH are the key environmental factors affecting the growth and survival of Eichhornia crassipes. Except for the dissolved oxygen factor， Pistia stratiotes responded significantly to other water quality indicators， and had a strong correlation with total nitrogen， instantaneous water temperature and total nitrogen. Both of them grow well and can adapt to the climate of the mid-temperate region （Yinchuan， Ningxia） in summer， and it is feasible to solve the problem that the farmland retreat water is rich in nutrients such as high nitrogen and high phosphorus.

Key words Introduction and cultivation;Growth characteristics;Nitrogen and phosphorus removal;Eichhornia crassipes;Pistia stratiotes

基金项目 宁夏自然科学基金项目（2020AAC03015）；国家自然科学基金项目（41761102）。

作者简介 赵明涛（1998—），男，甘肃庆阳人，硕士研究生，研究方向：土壤污染修复和湿地生态恢复。

通信作者，教授，从事生态系统监测评估、恢复生态学与环境变化研究。

收稿日期 2022-06-21

银川平原是在新生代断陷盆地基础上发育的堆积平原［1］，黄河横穿而过，土层深厚，地势平坦，能充分利用黄河水资源灌溉农业，形成了发达的沟渠灌溉体系［2］，但农田退水携带的化肥、农药和农膜残留等污染物，对黄河水质造成不良影响［3］。根据2019—2020年宁夏回族自治区生态环境厅发布的《生态环境状况公报》显示，全区21条入黄排水沟水质总体为中、轻度污染，主要污染指标为化学需氧量、氨氮、高锰酸盐指数和氟化物，劣V类水质断面分别占21.2%、11.4%。因此，去除农田退水中过量的氮、磷等营养物质，有助于减少黄河水体农田污染源头排放，对于黄河流域高质量发展具有重要意义。

水葫芦（Eichhornia crassipes）常称凤眼莲，性喜温，一般生长温度为7～39 ℃，低于7 ℃则枯萎死亡［4］，多年生浮水草本植物。大薸（Pistia stratiotes），又称水白菜，喜高温湿润气候，耐寒性不如水葫芦，一般生长温度在15～45 ℃，低于5 ℃时则枯萎死亡［5］，多年生浮水草本植物［6］。因生长迅速，适应性强［7-8］，会侵占本地物种生存空间，皆属于高危入侵植物［9-11］。二者对氮、磷等营养物质具有强吸收作用［12-14］，常被用作净化富营养化水体的植物种［15］。

银川平原属于中温带区域，年平均气温8～10 ℃，6～9月平均气温高于15 ℃，能满足水葫芦和大薸生长的温度需求，在农田灌溉退水高峰期，农业面源污染严重［16］，水质恶化现象突出。引进栽种水葫芦和大薸探寻其对水体的氮、磷去除能力，对于解决农田退水富含高营养物质问题及入黄退水水质要求低于四类水具有重要意义。中温带区域冬季温度低于零度，二者不能存活过冬，不会造成生物入侵等危害，净化水体后的水葫芦和大薸富含氮、磷等营养物质可用作肥料返还农田。对于建立生物净化水体应急模式及制定地方水质排放标准能够提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究样区位于银川平原，地理位置为105°45′～107°00′E，37°50′～ 39°20′N，由黄河泥沙及湖沼长期淤泥堆积形成。属温带大陆性气候，气候干旱，年降水量约200 mm，年平均气温8～10 ℃，6～9月平均气温大于15 ℃。因其发达的沟渠体系和优越的地理位置，可充分利用黄河水资源发展灌溉农业，但在农田退水期，化肥和农药等有害物质进入水体，入黄排水水质恶化现象突出。

1.2 试验设计与方法

1.2.1

种苗培育。水葫芦平均初始高度、叶片长度和膨大组织数量分别为4.62 cm、3.47 cm和8.7个；大薸平均初始叶片数和叶片长度分别为10.12个和2.34 cm。

设置4类水体梯度处理，每组处理设置5组重复，进行水葫芦、大薸栽种试验，每隔7 d进行植被观察以及水质检测。植被观察指标有株高、叶片长度、膨大组织、多度、盖度和生物量，水质检测指标有总磷（TP）、溶解氧（DO）、pH、瞬时水温（T）、总氮（TN）、硝态氮（NO3-）、氨气（NH3）、铵根离子（NH4+）、氯离子（Cl-）、电导率（EC）和浊度（H）。

1.2.2

水葫芦水体梯度处理。T1，V类水（N含量2 mg/L）；T2，劣V类水（N含量4 mg/L）；T3，水体N含量8 mg/L；T4，水体N含量16 mg/L。

1.2.3

大薸水体梯度处理。C1，地表水；C2，Ⅳ类水；C3，V类水；C4，劣V类水体（N含量≥2 mg/L）。水体梯度处理以氮含量为基准，但施入水体的肥料也含有磷。

1.3 数据处理及分析

去除率计算公式［17］：

Q=C1-C2C1×100%（1）

式中，Q为去除率（%），C1为水样初始氮、磷浓度，C2为水样最终氮、磷浓度。

2 结果与分析

2.1 水葫蘆中后期生长特征

栽种试验T1、T2、T3和T4处理水葫芦初始高度分别为4.59、5.11、4.66和4.13 cm；初始叶片长度分别为2.95、2.95、3.83和 4.13 cm。随时间变化株高和叶片长度均呈现出先增大后减小的趋势。沿水体氮浓度递增梯度，水葫芦衰败时间提前，T1处理在第5次观察开始衰败，T2、T3和T4处理在第2次观察开始衰败，株高逐渐降低，叶长长度降低（图1）。

T1、T2、T3和T4处理水葫芦初始膨大组织分别为7.47、8.13、9.87和9.33个；初始盖度分别为62%、68%、65%和71% 。随时间变化膨大组织和盖度均呈现出先增大后减小的趋势。沿水体氮浓度递增梯度，膨大组织数量在第4次观察时开始减少，盖度在第2次观察时开始降低，2者突变点不一致，高浓度（T3、T4）处理条件下，膨大组织数量少，盖度变化速率快（图2）。

随试验时间延长，生物量呈现出先上升，后下降的趋势，高浓度（T3、T4）处理条件下，生物量变化速率快，前期增加量和后期减少量均多于低浓度（T1、T2）处理条件（表1）。

2.2 大薸中后期生长特征

C1、C2、C3和C4处理大薸初始栽种叶片数分别为10.27、11.87、13.33和13.73个；初始叶片长度分别为2.42、2.57、2.53和1.84 cm。随时间变化叶片数和叶片长度均呈现出先增大后减小的趋势。高浓度（C3、C4）处理条件下，叶片数量和长度均高于低浓度（C1、C2）处理条件（图3）。

C1、C2、C3和C4处理大薸初始栽种数量均为60株，初始栽种盖度分别为70%、60%、70%和70%。随时间变化多度和盖度均呈现出先增大后减小的趋势。C1和C3处理条件下，盖度和多度变化幅度大（图4）。

2.3 水葫芦和大薸对于水体氮磷去除效果

不同处理条件下，水葫芦和大薸对于水体氮磷的去除效果存在差异性（表2、图5）。随水体氮磷浓度递增，2者对于水体氮去除均呈现出增大的趋势，在T4和 C4处理条件下，去除效果最好（84.54%和81.55%）。對于水体磷去除呈现出相反的趋势，水葫芦在T1处理条件下，去除效果最好（99.17%）；大薸在C3处理条件下，去除效果最好（98.66%）。栽培试验中最终去除率略低于最大去除率的原因可能是，栽种过程正处于夏季炎热时间段，并且处于温室大棚中，温度过高，导致水葫芦和大薸死亡，枝体腐烂释放氮磷，水体氮磷浓度增高。

3 影响水葫芦和大薸生长的关键环境因子

采用冗余分析（RDA）分析影响水葫芦和大薸生长的关键环境因子（图5～6），并对水质指标与植物观察指数进行关联分析（表3～4）。结果表明，水葫芦生长生态指标与TP、DO和pH响应显著；生物量与Cl-呈负相关关系，与其余水质指标呈正相关关系；除DO因子外，大薸生长生态指标对其余水质指标均响应显著，与TP、T和TN呈正相关关系，与其他指标呈负相关关系。

4 讨论

4.1 水葫芦和大薸的中后期生长特征

水葫芦和大薸的生长受到水体中氮、磷浓度的影响，对比已有的研究结果，牛佳［18］研究发现，水葫芦生长的水体最适氮磷比为7∶1；周喆［19］研究发现，水葫芦在水体N浓度25～30 mg/L和P浓度5.7～7.0 mg/L的范围内生长情况最佳；龙镔［5］研究发现，大薸大量繁殖的水体氮磷临界浓度为N 100 mg/L、P 50 mg/L；马国君等［11］研究发现，大薸在氮磷浓度大的水体里生长发育快，分株多，生物量高。说明在一定的浓度范围内，氮、磷含量越高，植物长势越好，高于或低于这个范围，均受到不同

程度的抑制。原因是氮、磷能够提供足够的养分用于植物自

身的繁殖［20］，并且促进水葫芦分蘖［18］和大薸分枝［5］。在该

研究中高浓度（T4、C4）处理条件下水葫芦、大薸生长特征明显好于其他处理，株高、叶片长度、膨大组织、多度和盖度均随着水体氮磷浓度的加剧而增大。但在高浓度（T3、T4）处理条件下，水葫芦衰败时间提前，株高逐渐降低，膨大组织数量少，盖度变化速率快。造成这种现象的原因可能与高浓度氮磷影响水葫芦的生理表达有关，还需要进一步深入研究。

4.2 氮磷去除能力的差异性

水葫芦和大薸皆具有极强的氮、磷吸收能力［21］，沿水体氮浓度递增梯度，对于水体氮去除均呈现出增大的趋势，在T4和 C4处理条件下，去除效果最好，去除率最高可达84.54%和81.55%。对于水体磷去除呈现出相反的趋势，水葫芦在T1处理条件下，去除效果最好，去除率最高可达99.17%；大薸在C3处理条件下，去除效果最好，去除率最高可达98.66%，2者对于水体氮、磷均有极强的净化能力，这与马国军等［11，22-23］研究结果一致。2者相比，水葫芦对氮、磷表现出更好的富集效果，去除率更高，原因是水葫芦因其形态上的高度可塑性、高生长率及特殊的结构特征［24］，在生存环境争夺上要强于大薸［25］，能够适应胁迫环境的同时吸收植物本身所需的营养离子，并且在同等生长环境条件下，水葫芦的生长速度大于大薸［26-27］。对于水体磷去除效果出现差异，与严国安等［4］的研究结论不一致，可能是由于栽种试验T2、T3处理中有水棉等浮游生物存在，影响水葫芦生长，减弱了对磷的去除效果［28］。大薸C4处理对磷去除能力的下降，可能由于后期植物死亡，枝体腐烂，体内营养元素释放返还水体导致［29］。因此应在水葫芦和大薸生长放缓时期及时收割，阻止植物吸收的营养物质再次进入水体。

4.3 影响水葫芦和大薸生长的关键环境因子

植物的生长和分布是温度、水质及气候等各种直接与间接因素共同作用的结果，水葫芦适宜生长在强光高湿环境条件下［30］，大薸喜高温湿润，生长依赖于季节［31］。跨气候区域引种栽培解决当地环境问题，需探究当地环境要素对植物生长存活的影响。该研究发现，TP、DO和pH是影响水葫芦的关键环境因子，这是由于氮磷是影响水葫芦生长的关键因素，N元素能促进向上生长，P元素能促进分裂和横向生长；水体pH超过9，水葫芦生理活性受到明显抑制［32］，因此水葫芦对TP、DO和pH表现出极强的相关性。水体DO的含量与水生植物的生长状况直接相关［33］，栽种试验中水体DO的含量平均约1.24 mg/L，能满足其生长需求，不会成为限制因素，其次引种栽培与原产地气候条件相似度高的地区成功率高［34］，需满足引种植物生长气候条件需求，适宜的氮磷比有助于大薸生长繁殖［5］，生长温度需在15～45 ℃，中温带（宁夏银川）夏季平均气温为12～26 ℃，年平均气温为8～10 ℃，温度成为限制生长存活的主要因素之一。因此除DO因子外，大薸对其余水质指标均响应显著，与TP、T和TN相关性强。

5 结论

（1）水葫芦、大薸喜高浓度营养元素的生长条件，在高浓度（T4、C4）处理条件下生长状态最好。

（2）水葫芦、大薸对于水体氮磷去除效果显著，对水体氮去除率最高可达84.54%、81.55%；对水体磷去除率最高可达99.17%、98.66%。植物死亡枝体腐烂后，体内氮磷元素会返还水体，应在生长放缓时期及时收割。

（3）总磷、溶解氧和pH是影响水葫芦生长存活的关键环境因子；除溶解氧因子外，大薸对其余水质指标均响应显著，与总氮、瞬时水温和总磷相关性强。两者长势良好，夏季能适应中温带区域（宁夏银川）气候，解决农田退水富含高氮、高磷等营养物质问题具有可行性。

参考文献

［1］ 何彤慧.银川平原不同类型湿地的历史演变［J］.人民黄河，2016，38（4）：54-58.

［2］ 何彤慧，程志，张玉峰，等.银川平原沟渠植物多样性特征及影响因素［J］.湿地科学，2013，11（3）：352-358.

［3］ 杨淑静，张爱平，杨世琦，等.宁夏灌区农业非点源污染情况调查与原因分析［J］.干旱地区农业研究，2009，27（5）：256-260.

［4］ 严国安，任南，李益健.环境因素对凤眼莲生长及净化作用的影响［J］.环境科学与技术，1994，17（1）：2-5，27.

［5］ 龙镔.大薸控制环境条件研究［D］.贵阳：贵州师范大学，2017.

［6］ 陈金发，杨平，聂琦珊，等.大薸对不同质量浓度畜禽废水的净化作用及生物学效应［J］.重庆大学学报，2014，37（3）：87-94.

［7］ YI Y Q，LUO J Y，FANG Z Q.Magnetic biochar derived from Eichhornia crassipes for highly efficient Fenton-like degradation of antibiotics：Mechanism and contributions［J/OL］.Journal of environmental chemical engineering，2021，9（5）［2022-02-15］.https：//doi.org/10.1016/j.jece.2021.106258.

［8］ 陳兆杰，黄璐璐，宋世明，等.两种除草剂对水葫芦和大薸的防除效果［J］.植物保护，2018，44（2）：221-226.

［9］ 祝晓雨，郭宇红，王弋博，等.用水葫芦事例加强学生的生物安全意识及实践精神［J］.中学生物教学，2018（6）：38-39.

［10］ 江洪涛，张红梅.国内外水葫芦防治研究综述［J］.中国农业科技导报，2003，5（3）：72-75.

［11］ 马国君，张振兴，张颖洁.外来物种入侵灾变治理的困境与对策研究：以清水江三板溪库区“水白菜”泛滥为例［J］.原生态民族文化学刊，2014，6（4）：2-13.

［12］ 黄乐，王阳，周雨婷，等.水葫芦在废水处理中的国外研究进展［J］.环境影响评价，2020，42（3）：82-85.

［13］ MADIKIZELA L M.Removal of organic pollutants in water using water hyacinth（Eichhornia crassipes）［J/OL］.Journal of environmental management，2021，295［2022-02-15］.https：//doi.org/10.1016/j.jenvman.2021.113153.

［14］ 段誉梅，潘洪义.水葫芦对氟化物的净化效果及生理特性变化［J］.北方园艺，2018（2）：90-96.

［15］ 高志勇，谢恒星，刘楠楠，等.湿地植物在处理纺织工业废水中的应用及作用机制［J］.北方园艺，2016（8）：204-207.

［16］ 黄俣晴，陈婷婷，李勇，等.流域沟渠植草拦截农田氮磷入河污染的有效性研究［J］.植物营养与肥料学报，2021，27（11）：1993-2000.

［17］ 李龙山，倪细炉，李志刚，等.5种湿地植物对生活污水净化效果研究［J］.西北植物学报，2013，33（11）：2292-2300.

［18］ 牛佳.氮磷浓度对水葫芦生长、分蘖的影响及科学打捞的依据［D］.苏州：苏州大学，2012.

［19］ 周喆.水质条件对外来入侵生物水葫芦生长的影响［D］.福州：福建农林大学，2008.

［20］ 陈英旭.环境学［M］.北京：中国环境科学出版社，2001：117-120.

［21］ 王智，王岩，张志勇，等.水葫芦对滇池底泥氮磷营养盐释放的影响［J］.环境工程学报，2012，6（12）：4339-4344.

［22］ QIN H J，ZHANG Z Y，LIU M H，et al.Site test of phytoremediation of an open pond contaminated with domestic sewage using water hyacinth and water lettuce［J］.Ecological engineering，2016，95：753-762.

［23］ 邵江樵.生态入侵者——水葫芦［J］.生物学教学，2003（3）：63-64.

［24］ 唐雨.入侵植物水葫芦适应漂浮生境的解剖结构与组织化学研究［D］.荆州：长江大学，2021.

［25］ 杨红玉.水葫芦生长的环境影响因素、机理及规律研究［D］.福州：福建师范大学，2006.

［26］ 谢永宏.外来入侵种凤眼莲（Eichhornia crassipes）的营养生态学研究［D］.武汉：武汉大学，2003.

［27］ CHADWICK M J，OBEID M T.A comparative study of the growth of Eichhornia crassipes Solms.and Pistia stratiotes L.in water culture［J］.Journal of ecology，1966，54（3）：563-575.

［28］ 蔡雷鸣.福建闽江水口库区飘浮植物覆盖对水体环境的影响［J］.湖泊科学，2006，18（3）：250-254.

［29］ 王良芬，吴献花，刘东辉，等.水葫芦圈养对星云湖富营养化水体水质的影响［J］.环境工程学报，2017，11（2）：952-958.

［30］ 苏明星，陈璐，朱育菁，等.水葫芦的生长条件和生长发育［J］.中国农学通报，2010，26（21）：282-285.

［31］ LU Q，HE Z L，GRAETZ D A，et al.Phytoremediation to remove nutrients and improve eutrophic stormwaters using water lettuce（Pistia stratiotes L.）［J］.Environmental science & pollution research，2010，17（1）：84-96.

［32］ 张迎颖，严少华，李小铭，等.不同pH下水葫芦与紫根水葫芦生长特性与净化效能对比研究［J］.环境工程学报，2013，7（11）：4317-4325.

［33］ 陈小运，胡友彪，郑永红，等.6种水生植物及其组合对模拟污水中磷的净化效果［J］.水土保持通报，2020，40（1）：99-107.

［34］ 王振，张京伟，张德顺.基于模糊相似优先比法划分与上海气候相似的全球区域［J］.中国园林，2012，28（1）：91-93.