基于富营养化水体修复的凤眼莲放养及采收条件研究

盛 婧,郑建初,陈留根,朱普平,周 炜

利用水生植物治理富营养化水体在水体治理众多措施中最为经济有效[1-2]。凤眼莲〔Eichhornia crassipes(M art.)Slom s〕,又名水葫芦,是国际上公认的氮、磷吸收能力较强的水生植物之一。但是,对于将凤眼莲用于治理富营养化水体的工程实践,一直存在较大的争议[3-4],争议的焦点在于：凤眼莲生长非常迅速且易随水漂移,在开放性水域易发生堵塞航道、降低水体溶氧及破坏水生生态系统结构等生态风险[5-6],甚至在一些地区已成为恶性的外来入侵植物。近年来,许多研究者提出了“限制面积”和“围栏种养”的控制性种养措施,对凤眼莲种养可能引发的生态风险进行控制[1,7],具有较好的控制效果,从而提高了用凤眼莲治理富营养化水体的可行性,但这些措施在一定程度上增加了用凤眼莲治理水体的种养成本。因而,要实现较好的净化效果,就要求对凤眼莲进行高产高效种养,使凤眼莲在有限面积内的产量和养分吸收量达到最大。然而相关的研究较少[8-9],特别是针对富营养化水体净化的凤眼莲高产高效种养方面的研究尚未见报道。

鉴于此,作者研究了不同初始放养日期凤眼莲的生长规律,并对不同采收标准和采收比例对凤眼莲生物量和N、P、K吸收量的影响进行了比较分析,初步总结出控制性条件下凤眼莲的高产采收流程,以期为富营养化水体治理提供更为经济可行的方法。

1 材料和方法

1.1 材料

实验于 2009年在江苏省农业科学院内的池塘中进行,池塘面积为 40 m×120 m,水源来自于降雨和城市生活污水,采用水泵调节水量,平均水深约 3.5 m。池塘水体总氮、总磷和钾的质量浓度分别为 3.41～7.18、0.05～0.27和 2.24～5.18m g·L-1,属于富营养化水体。

1.2 方法

1.2.1 初始放养日期及测定周期的设置 凤眼莲初始放养日期分别设置为 4月 10日、4月 17日、4月24日、5月 1日、5月 8日和 5月 15日,初始放养量为2 kg·m-2；采用毛竹围栏小区,小区面积为 2m2,每个处理 10个小区；实验期间每天测定气温。4月10日、4月 17日、4月 24日和 5月 1日放养的 4个处理组每隔7 d测定1次鲜质量；5月8日和5月 15日放养的2个处理组在放养的0～42 d内每隔7 d测定1次,42 d后每隔 14 d测定 1次。同时,采用 ZDR-21型温度记录仪(杭州泽大仪器有限公司生产)同步测定气温,2 h记录 1次温度。

1.2.2 采收标准和采收比例及取样过程的设置 凤眼莲初始放养日期设置为 5月 12日,初始放养量为2 kg·m-2。采收标准依据单位面积凤眼莲鲜质量共设置 5个处理,分别为 10～15、15～20、20～25、25 kg·m-2以上及最高生物量；根据采收面积占总面积的比值确定采收比例,设置 2个处理,分别为采收面积占总面积的 1/2和 2/3。实验于 10月 11日结束,实验结束时各处理组的最后一次采收为全部采收。对照组则为一次性采收。小区面积为 2 m2,每个处理 5个小区。测定每次采收时各处理组凤眼莲的生物量,并计算实验期间各处理组凤眼莲的累计采收量。实验结束时从各处理组中采集一定量的凤眼莲用于干质量及N、P和 K含量的测定。

1.2.3 干质量及 N、P和 K含量的测定 凤眼莲鲜样(全株)于 105℃烘箱内杀青 15m in后,在 60℃条件下烘干至恒质量,称取干质量。

将上述烘干样品研磨粉碎,称取一定量的样品粉末,用 H2SO4-H2O2消煮,采用 FIA star 500流动注射分析仪(瑞典 FOSS公司生产)测定N和 P含量,采用FP-640火焰光度计(上海精密科学仪器有限公司生产)测定K含量。

1.3 数据计算及分析方法

凤眼莲中干物质含量和某一元素(N、P、K)总量的计算公式分别为：干物质含量 =(全株干质量/全株鲜质量)×100％；某一元素总量 =累计采收量 ×1 000×干物质含量 ×该元素的含量。

实验数据采用 SPSS 13.0软件进行统计分析。

2 结果和分析

2.1 凤眼莲生长规律

2.1.1 凤眼莲生长过程 连续 2年 (2008年至 2009年)的观测结果表明：凤眼莲的生长经历 3个过程：首先在分布密度较低(鲜质量在 11.5 kg·m-2以下)时进行快速无性繁殖,大量发生分枝并占领生态位；分蘖一段时间后分布密度增大 (鲜质量超过 11.5 kg·m-2),在分布较为拥挤时开始进行个体的营养生长,植株高度迅速增加,此时进入对数生长期；随生长的持续,营养生长逐渐减慢,当植株达到一定高度时就不再生长,部分分枝由于个体长大、空间拥挤而逐渐消亡。因此,要获得较高的凤眼莲产量,必须在凤眼莲进入缓慢营养生长期前 (即在对数生长期)进行采收。

另外,作者还对凤眼莲的最高生物量进行了多次测定,结果表明：在本实验水体养分条件下凤眼莲最高生物量可达 28.28 kg·m-2,此时水上部分株高为102 cm,根长为 20 cm。

2.1.2 凤眼莲生长曲线分析 选择 2个具有代表性的放养初始日期处理,对其生长曲线 (图 1)进行研究。从图 1可以看出：在初始放养日期为 4月 10日和 5月 15日的 2个处理组中,随生长时间的持续,凤眼莲的生物量均呈现在生长前期快速增加、生长后期增幅减缓、最后基本维持不变的趋势。但 2个处理凤眼莲生物量从快速增长期进入缓慢增长期的时间不一致。在初始放养量为 2 kg·m-2条件下,初始放养日期为 4月 10日的凤眼莲在放养 42 d后开始进入缓慢生长期,此时凤眼莲生物量为 13.67 kg·m-2,植株水上部分高度为 28 cm；而初始放养日期为 5月 15日的凤眼莲则在放养 70 d后才开始进入缓慢生长期,此时凤眼莲生物量为 26.65 kg·m-2,植株水上部分高度达到 76 cm。实验结果表明：初始放养日期不同的凤眼莲生长曲线有一定的差异,针对初始放养日期不同的凤眼莲,根据生长曲线可以确定其相应的采收时间。

2.1.3 初始放养日期对凤眼莲生物量的影响 初始放养日期对凤眼莲生物量的影响见表 1。由表 1可以看出：在初始放养量为 2 kg·m-2条件下,初始放养日期为 4月 10日、4月 17日、4月 24日、5月 1日和 5月 8日的凤眼莲在放养 63 d后的总生物量分别达到 15.26、15.31、18.91、19.68和 24.36 kg·m-2,表现出随初始放养日期的推迟而增加的趋势。其中,初始放养日期为 5月 8日的凤眼莲总生物量显著高于其他处理组；而初始放养日期为 4月 10日和 4月17日的凤眼莲总生物量显著低于 4月 24日和 5月 1日放养的凤眼莲。在整个实验处理过程中,各处理组对应的平均气温也呈现出随初始放养日期推迟而增加的趋势。相关性分析结果表明：凤眼莲的生物量与生长期平均气温有极显著的正相关关系(R2=0.84)。

图 1 不同初始放养日期(4月 10日和5月 15日)凤眼莲的生长曲线Fig.1 G row th curve of Eichho rn ia crassipes(M ar t.)Slom s w ithd ifferen t in itia l p lan ting da tes(10 th Apr iland 15 thM ay)

以放养后 35 d(各处理组凤眼莲的分布密度均接近 11.5 kg·m-2)作为分界线,整个实验处理过程划分为 0～35 d(分蘖发生期)和 36～63 d(营养生长期)2个阶段。在 0～35 d,各处理组凤眼莲的生物量增长量可达 8.83～9.72 kg·m-2,每周平均增长量为1.77～1.94 kg·m-2,不同处理间无显著差异；而在 36～63 d,各处理组凤眼莲的生物量增长量表现出随初始放养日期推迟而增加的趋势,4月 10日和 4月17日放养的凤眼莲生物量增长量较低,5月 8日放养的凤眼莲生物量增长量最高 (13.21 kg·m-2),且显著高于其他处理组。此外,相关分析结果表明：在0～35和 36～63 d这 2个生长阶段,凤眼莲生长量的增长量与平均气温呈显著正相关,R2分别为 0.79和 0.94。

研究结果表明：初始放养日期对凤眼莲的生物量有明显影响,南京地区 4月初即可进行凤眼莲的放养,初始放养日期选择在 5月上旬为最佳；与分蘖发生期相比,营养生长期凤眼莲生长受初始放养时间的影响更大；气温与凤眼莲的生长速率显著相关。

表 1 在不同的初始放养日期和气温条件下凤眼莲生物量的比较1)Tab le 1 Com par ison of b iom assof E ichho rn ia c rassipes(M ar t.)Slom s under d ifferen t in itia l p lan ting da tesand a ir tem pera ture cond ition s1)

2.2 采收标准和采收比例对凤眼莲采收量的影响

适时适量采收是获得凤眼莲高产的根本保证,环境温度对凤眼莲的生长速率有显著影响,因此,根据单位面积凤眼莲的鲜质量 (即生物量)来确定采收时间最为适宜。不同生长阶段凤眼莲的最适采收生物量不同,考虑到生产上的可操作性,应从采收标准和采收比例两方面对凤眼莲的最适采收量进行比较。表 2结果表明：从初始放养日期 5月 12日至 10月 11日最终收获,在整个实验期间分别按照凤眼莲生物量10～15、15～20、20～25、25 kg·m-2以上和最高生物量以及一次性采收(对照)为标准进行采收,并将 1/2采收比例和 2/3采收比例合并计算,平均累计采收量分别为 60.70、63.51、66.43、53.51、43.27和 27.47 kg·m-2,累计采收量与凤眼莲生物量呈抛物线型关系。在凤眼莲生物量达到 20～25 kg·m-2时进行采收,平均累计采收量最高,为 66.43 kg·m-2；一次性采收的平均累计采收量最低,仅为 27.47 kg·m-2,显著低于其他处理组。由此可见,在本实验条件下,凤眼莲的最佳采收标准为生物量达到 20～25 kg·m-2时进行采收。

从采收比例来看,按照 1/2和 2/3采收比例进行采收,凤眼莲的平均累计采收量分别为 56.03和58.93 kg·m-2,后者略高于前者,但二者差异不显著。

采收频率决定了采收成本,在采收量相同的条件下,采收频率越高则采收成本越高。由表 2还可见：凤眼莲的采收频率与采收时的生物量 (即采收标准)成反比,采收时生物量大,采收频率低；但累计采收量与采收标准则呈抛物线型关系；采用 2/3采收比例,不同处理组凤眼莲的累计采收量均高于采用 1/2采收比例后各处理组的累计采收量。按照累计采收量越高、采收频率越低的原则,较为适宜的凤眼莲采收标准为20～25 kg·m-2、采收比例为2/3,在此条件下采收频率仅 4次但累计采收量可达 68.00 kg·m-2。

表 2 采收标准和采收比例对凤眼莲采收频率及累计采收量的影响1) Tab le 2 Effects of d ifferen t harvest standards and ra tios on harvest frequency and cum u la tive harvest of E ichho rn ia crassipes(M ar t.) Slom s1)

2.3 采收标准和采收比例对凤眼莲干物质以及 N、P、K积累量的影响

2.3.1 对干物质及 N、P和 K最终含量的影响 采用不同的采收标准和采收比例对凤眼莲进行采收,凤眼莲全株干物质及N、P、K的最终含量见表3。由表3可以看出：采用一次性采收的方法 (对照),凤眼莲全株干物质的最终含量最高,达到 7.94％；而采取不同的采收标准及采收比例,对凤眼莲全株干物质的最终含量均有一定影响。随采收标准的提高(也即凤眼莲生物量的提高),其干物质的最终含量也逐渐增加；采用相同的采收标准,采取 2/3采收比例,则凤眼莲全株的干物质含量均略高于 1/2采收比例处理组。

由表 3还可见：采用一次性采收的方法,凤眼莲全株N、P和 K的最终含量均最低,分别为 1.98％、 0.24％和 4.45％；而采用不同的采收标准和采收比例,凤眼莲全株 N、P和 K的最终含量均高于对照。采用不同的采收标准,凤眼莲全株 N、P和 K的最终含量有明显的差异,其中,采用 20～25 kg·m-2的采收标准,在 1/2和 2/3采收比例条件下植株中N和 K的最终含量均最高 ,分别为 2.69％、6.18％和2.75％、6.22％；采用 25 kg·m-2以上采收标准及 1/2和 2/3采收比例,植株中 P的最终含量均最高,分别为0.38％和 0.36％。

表3 采收标准和采收比例对凤眼莲中干物质(DM)及 N、P和 K含量的影响1)Tab le 3 Effects of d ifferen t harvest standards and ra tios on con ten ts of drym a tter(DM)and N,P and K in Eichho rn ia crassipes(M ar t.) Slom s1)

2.3.2 对 N、P和 K总量的影响 采用不同的采收标准和采收比例对凤眼莲进行采收,单位面积凤眼莲N、P和 K总量见表 4。由表 4可以看出：采用相同的采收标准,按 2/3采收比例进行采收,凤眼莲N、P和K总量均略高于 1/2采收比例。采取不同的采收标准,凤眼莲 N、P和 K总量差异较大。采用 20～25kg·m-2采收标准,按 1/2和 2/3采收比例进行采收, N、P和 K总量均最高,分别为 92.44、12.05、212.71和 103.61、12.24、234.09 g·m-2；采用其他 3个采收标准,N、P和 K总量均低于 20～25 kg·m-2采收标准但高于一次性采收(对照)处理。采用一次性采收方法,N、P和 K总量均最低,分别为 43.27、5.31和97.16 g·m-2,仅为采收标准 20～25 kg·m-2、2/3采收比例处理组 N、P和 K总量的 41.76％、43.38％和41.51％。由此可见,采用 20～25 kg·m-2采收标准和2/3采收比例,单位面积凤眼莲中N、P和 K总量最高,表明这种采收方式可使凤眼莲对水体中N、P和 K的吸收达到较好的效果。

表 4 采收标准和采收比例对凤眼莲 N、P和 K总量的影响Tab le 4 Effects of d ifferen t harvest standards and ra tios on tota l am oun ts of N,P and K in Eichho rn ia crassipes(M ar t.)Slom s

3 讨论和结论

目前,关于凤眼莲种养技术方面的研究较少。刘大圣等[8]的研究结果表明：凤眼莲可在气温上升到13℃以上、越冬种株发出新叶时开始放养；在放养后1～2个月植株生长繁殖茂盛时可开始采收,采收量为全部植株数量的 1/4～1/3；夏季每隔 5～7 d即可采收 1次。卢隆杰等[9]的研究也得出了类似的结果。但这些研究均是以获取饲料为目的种养凤眼莲,其目的也是能使凤眼莲在小面积范围内持续产出,而针对大面积水体净化的凤眼莲种养则是以节省劳动力及氮、磷吸收量最大化为目标。为此,针对水体净化,有必要开展凤眼莲生长规律以及基于水体修复的高产种养技术的研究。

实验结果表明：凤眼莲在生长前期由于产生分蘖和植株个体生长,生物量快速增加；当植株生长至一定高度,生物量增速减缓,最后基本保持不变。初始放养日期对凤眼莲的生长动态和生长速率有明显影响,而这种影响效应主要出现在营养生长阶段,对分蘖发生期的影响相对较小。温度是影响凤眼莲生长速率的重要因素之一,在 4月份至 5月份平均气温达20℃以上的条件下,凤眼莲能迅速产生分蘖；而 5月中旬至 6月中旬气温虽有所升高,但对凤眼莲的生长而言仍未达到最佳,因而凤眼莲植株高度生长受到限制；6月中旬以后气温较高,达 28℃以上,凤眼莲个体生长迅速,植株高度进一步增加；此外,作者也在 3月下旬进行了凤眼莲的放养实验,但由于放养初期温度较低,出现了凤眼莲死亡的现象,致使凤眼莲生物量降低(另文报道)。因此,根据本研究结果,建议在进行凤眼莲种养时,应在 4月份至 5月份进行放养,并将凤眼莲的正常生长调节至 6月以后,这将更有利于实现凤眼莲的高产增效。

及时采收是凤眼莲高产的根本保证,要获得较高的产量,必须在凤眼莲进入缓慢营养生长期前进行采收。作者对生产上可操作的适合于全年的凤眼莲最佳采收标准和采收比例进行研究,结果表明：在水体中总氮含量 3.41～7.18 m g·L-1、总磷含量 0.05～0.27m g·L-1和钾含量 2.24～5.18 m g·L-1的条件下,采用 20～25 kg·m-2的采收标准和 2/3的采收比例,凤眼莲的累计采收量最高、采收次数较少,对 N、P和 K积累量最大,植株中 N、P和 K的总量分别达到 103.61、12.24和 234.09 g·m-2。采取这一采收方法,可实现凤眼莲的全年高产和高效吸收水体中N、P和 K的双重目标。

本实验是在面积较小的池塘内进行的,其结果适用于风浪较小和水面相对静止的水体(如河道和池塘等)中凤眼莲的种养。而在开放性水域,凤眼莲的生长会受到风浪的影响,因此,其种养技术有待于进一步的研究。

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