不同种植密度水生植物净化池塘水质的效果研究

2012-11-20杜兴华马国红张明磊

长江大学学报(自科版) 2012年11期

关键词：凤眼莲莲藕硝化

杜兴华，马国红，张明磊，刘飞

(山东省淡水水产研究所，山东济南 250013)

不同种植密度水生植物净化池塘水质的效果研究

杜兴华，马国红，张明磊，刘飞

(山东省淡水水产研究所，山东济南 250013)

研究了水体中不同种植密度的凤眼莲(Eichhorniacrassipes)、菹草(TyphaorientalisPresl)、莲藕(NelumbonuciferaGaertn)等水生植物对池塘水质的净化效果。结果表明：3种水生植物能稳定水体pH，提高水体DO含量，显著降低水体COD、TN、TP，均具有较好的净化能力；从净化水质的总体效果来看，表现为凤眼莲>菹草>莲藕;其中37g/L的菹草去有机物能力最强，17g/L的菹草与10g/L的莲藕增氧效果最好，莲藕在7g/L时去氮效果最好，5g/L的凤眼莲与37g/L的菹草去磷效果最好。

水生植物；种植密度；净化；池塘水质

近年来，由于淡水资源的短缺，水体的富营养化程度不断加重，严重影响了养殖水产品的品质，其中尤以池塘养殖更为严重。采取何种措施有效地控制水体富营养化的进一步发展，达到长期净化水质但又不造成对水体的二次污染，是中外科学家正在研究的课题。其中利用水生植物净化水质是行之有效的措施之一。目前，国内外已广泛开展利用高等水生植物修复技术净化富营养化水体的研究，并取得了一定的成效[1-2]，但对净化时池塘中水生植物合理的种植密度研究较少。为此，本研究根据山东省水生植物分布情况，利用实验室模拟养殖池塘的方法，以凤眼莲(Eichhorniacrassipes)、菹草(TyphaorientalisPresl)、莲藕(NelumbonuciferaGaertn)3种水生植物为试材，设置不同的种植密度，通过测定植物生物量、pH、溶解氧(DO)、化学耗氧量(CODMn)、总氮(TN)、总磷(TP)、去除率等指标，探讨了3种植物的合理种植密度及在合理种植密度下3种水生植物对氮、磷的吸收与对水质的净化能力，并比较了3种水生植物及不同种植密度下净化能力的差异。

1 材料与方法

1.1 材料

凤眼莲：挑选个体均匀完整、鼓包较小、叶子较小且薄的具有快速生长特性的植株用于试验；菹草：选择带根移植方法，经过去土、清洗和称重后用于试验；莲藕：选取个体大小均匀完整、无伤的藕瓜用于试验。

1.2 试验方法

凤眼莲：选择无毒、无味，规格70cm×47cm×48cm的塑料水族箱15只，分别加入养殖池水100L，并进行未处理前的水质测试，然后将选取的凤眼莲植株经冲洗、称重，按100、200、300、400、500g(密度分别为1、2、3、4、5g/L)5组3个平行分别放入箱中后进行栽培试验。随后每隔1d对水质进行检测，取样时间安排在上午的8：30～9：30，试验周期10d。

菹草：选择水族箱18只，先铺底层土壤25kg，再加培植土壤50kg。按6组3个平行分别往各箱中加湿重0、1500、2500、3500、4500、5500g(密度分别为0、10、17、23、30、37g/L)的菹草。经过15d的适应性驯化后，灌注150L养殖池水进行试验。随后每隔3d对水质进行检测，取样时间安排在上午的8:30～10:30，试验周期16d。

表1 检测项目

莲藕：选择水族箱18只，在各箱底先铺底层土壤25kg，再加培植土壤50kg。按6组3个平行分别往各箱中投放0、1、2、3、4、5个(密度分别约为0、3、7、10、13、17g/L)藕瓜。经过15d的驯化后，灌注150L养殖池水进行试验。随后每隔3d对水质进行检测，取样时间安排在上午的8:30～10:30，试验周期16d。

1.3 指标的测定与计算

水质测试项目及方法详见表1。

TN、TP的去除率采用以下公式计算[3]：

去除率=[(C0-Ci)/C0]×100%

式中,C0表示初始TN或TP;Ci表示第i天时水体中TN或TP。

2 结果与分析

2.1 水中pH的变化规律

凤眼莲组水体初始pH为7.67～7.71，放入植物后第2天,1g/L密度组略有增长，其他试验组均略降低。由图1a可以看出，在试验的第4天pH达到试验期间的最高值7.96，随后开始降低，但趋势比较平缓。其中5g/L密度组下降得比较明显，试验结束时水体pH为7.34。

图1 3种水生植物不同栽培密度下的水体pH变化

菹草组水体初始pH为7.74～7.93，放入植物后pH开始上升，到第10天达到最高值，空白组最高值达到8.48，试验组最高值为8.16(17g/L密度组)，之后开始降低。由图1b可以看出，空白组一直略高于试验组，23g/L密度组一直保持比较平稳的变化趋势，37g/L密度组在试验结束时pH最低，为7.91。

莲藕组水体初始pH为7.85～7.90。由图1c可以看出，莲藕组pH的变化趋势比其他2组明显，而且一直保持上升的趋势，10g/L密度组在第10天时到达最高值8.20，13g/L密度组在第13天到达最高值8.14，同时空白组在第10天到第13天出现急剧上升的趋势，达到最高值8.18，之后开始下降。

pH对水质及生物的影响是多方面的，因此，各国规定的渔业用水标准是pH范围是6.5～8.5[4]。在养殖水体中，光合作用和呼吸作用是引起pH变化的主要因素。当生物进行光合作用时，迅速消耗水中的CO2，pH上升；在生物行呼吸作用时pH下降。从试验可以看出，各试验组pH都在7.0～8.2之间，因此，经3种水生植物净化过的水，pH范围是十分适合渔业养殖的。

据王磊等[5]研究：硝化反应对pH较为敏感，硝化细菌进行硝化反应最适宜的pH为7.0～9.0，pH<6.0时硝化反应明显降低，pH>10.0时，过高的OH-浓度对硝化菌有毒害作用，从而阻止硝化反应的发生。试验证明，水生植物净化水有利于微生物的硝化反应。

由图1可以看出，凤眼莲各试验组组pH在试验期间一直稳定在7.31～7.75之间，菹草组pH也很稳定，pH在7.90～8.19之间。因此，凤眼莲和菹草对pH处理效果要好于莲藕。至于养殖池塘选择何种植物净化水质，还要根据具体的养殖对象来确定。

2.2 CODMn变化规律

由图2a可以看出，凤眼莲组水体初始CODMn为5.27～5.45mg/L，放入植物后开始下降，到第4天下降到最低值，其中2g/L密度组下降到3.84mg/L，去除率为29.54%，之后开始逐步上升。

图2 3种水生植物不同栽培密度下的水体CODMn变化

菹草组水体的初始CODMn为20.35～25.53mg/L，试验结果呈现先上升后下降的趋势。由图2b可见，试验第4天CODMn达到最大值，其中17g/L密度组到达最高值25.46mg/L，然后开始下降，从第10天时试验组下降趋势比较统一，37g/L密度组去除率最好，第10天时达到47.47%，试验结束时达到76.86%。

莲藕组水体的初始CODMn为7.0～7.9mg/L，试验结果呈现波浪式变化趋势。由图2c可以看出，试验第10d时CODMn降至最低，17g/L密度组变化趋势比较平稳，降低到5.75mg/L，去除率达到17.86%，之后又开始上升。但试验组的CODMn总体水平一直低于空白组，这说明莲藕具有一定的去有机物能力。

CODMn是反应水中有机物含量多少的指标，水体中有机物来源主要由外部带入和水体内部生成。其中水体自身生成的主要分4类：光合作用产物、浮游植物的细胞外产物、水生动物的排泄物及生物残骸、微生物等[4]。水生植物对CODMn的净化效果说明了此种植物吸收富集能力和改善水环境质量能力的大小[6]。由图2可以看出，菹草去除有机物的效果最为显著。水体自身通过沉淀、生物活动、细菌的硝化与反硝化作用等，也具有一定的自净能力。因此，空白对照组CODMn也有一定的变化。这可能与底质有机质含量及初始水质CODMn高低有关。

2.3 DO变化规律

凤眼莲组水体初始DO值为6.45～6.50mg/L。由图3a可以看出，在试验期间，DO含量变化趋势比较平稳，但总体是降低的趋势。1g/L密度组在前4天略有上升，达到7.51mg/L，之后缓慢下降。其余各组一直是缓慢下降的趋势，下降最明显的是5g/L密度组，到第10天时下降到4.00mg/L。

菹草组水体初始DO值为0.20～0.34mg/L。由图3b可以看出，在试验第4～7天上升趋势最为明显，之后趋于比较平稳的态势。其中10g/L密度组上升趋势比较明显，第10天时为5.66mg/L，试验结束时上升到7.69mg/L。

莲藕组水体初始DO值为1.25～1.38mg/L。由图3c可以看出，DO含量一直保持上升的趋势，在试验第10天时达到最高值，最高的是10g/L密度组的5.80mg/L。之后开始下降。

水体中DO的来源主要有：大气溶解、植物光合作用、补水带入[4]。由图3可以看出，凤眼莲对DO的影响较小，各试验组DO值处于稳中有降的趋势，但1g/L密度组效果稍好于其他组。菹草和莲藕组水体DO值在试验第4～10天时略高于空白组，这说明水生植物的放入在一定程度上增加了水体DO的含量，也说明菹草和莲藕的增氧效果在试验前10天要好于凤眼莲，之后稍有下降，但规律性不明显，而且空白组上升也很明显。这是因为水生植物在进行光合作用的同时还要行呼吸作用，只不过是白天光合作用行主导作用，夜晚呼吸作用占主导作用，因此水中DO含量的高低主要取决于水生植物的生长活动，不同水生植物在不同生长时期表现都不同[7]。同时，试验中水体处于非流动状态也会影响水中的供氧水平[8]。

图3 3种水生植物不同栽培密度下的水体DO变化

2.4 TN变化规律

凤眼莲组水体初始TN值为1.39～1.57mg/L。由图4a可以看出，TN值从试验开始到试验第6天是下降趋势比较明显，2g/L密度组降低到0.55mg/L，去除率达到60.50%，到第8天开始上升，到第10天又有下降。

图4 3种水生植物不同栽培密度下的水体TN值变化

菹草组水体初始TN值为5.55～9.94mg/L。由图4b可以看出，试验期间各组TN值均有不同程度的下降，其中下降最明显的是37g/L密度组，第10天时降到4.18mg/L，去除率为49.09%，试验结束时降低到2.08mg/L，去除率达到74.67%。

莲藕组水体初始TN值为1.65～2.00mg/L。由图4c可以看出，试验期间各组TN值均有不同程度的下降，其中下降最明显的是7g/L密度组，第10天时去除率为93.00%，之后变化趋于平稳。

由图4可以看出，各水生植物对总氮的去除效果比较明显，从去除率看菹草不如凤眼莲和莲藕，但因为菹草的初始TN值比较高，所以从去除量上看明显优于其他2组，而且还有继续下降的趋势，与空白相比也可以看出菹草的去氮作用比较明显。从去氮平稳性上看，凤眼莲不如菹草和莲藕。本研究中空白组中TN值的下降也很明显，这是因为水中总氮的去除主要通过沉积、植物吸收、生物硝化和反硝化等理化作用实现，而元素本身的降解、沉淀、固结、去除、挥发等也会降低自身的浓度[9]。

2.5 TP变化规律

凤眼莲组水体TP初始值为0.49～0.52mg/L。由图5a可以看出，去除效果最好的是5g/L密度组，试验结束时降到0.10mg/L，去除率达到80.77%。

图5 3种水生植物不同栽培密度下的水体TP变化

菹草组水体TP初始值为0.30～0.71mg/L。由图5b可以看出，去除效果最好的是37g/L密度组，在试验第10天时降到0.24mg/L，去除率达到52.94%，到试验结束时之后变化都十分平稳。

莲藕组水体TP初始值为0.72～0.78mg/L。由图5c可以看出，到试验第10天时，去除效果最好的是13g/L密度组，降到0.52mg/L，去除率达到30.67%，但之后又有所上升。

水体中磷的去除主要通过沉淀、去除、固结等理化作用实现[7]，因此空白组的磷下降也很明显。由图5比较可以看出，凤眼莲除磷效果比较稳定；菹草各试验组变化比较大，37g/L密度组的菹草除磷效果最好，明显低于空白组；莲藕中13g/L密度组初期除磷效果较好，后期又有所上升，而且空白对照组反而低于试验组。出现这种情况可能与底质中的磷被释放出来有关。因为水体中磷浓度的改变，就会使底质中的磷被释放出来，来增加水体中磷的浓度[10]。

3 小结

(1)凤眼莲和菹草对pH处理效果要好于莲藕。凤眼莲各试验组pH稳定在7.31～7.75之间，菹草组pH稳定在7.90～8.19之间，应根据具体的养殖对象选择不同的水生植物净化水质。

(2)菹草总体去除有机物的能力高于凤眼莲和莲藕，尤其在密度为37g/L时效果最好。莲藕也有一定的去有机物能力，但起伏较大，可能与底质有机质含量和初始CODMn有关。

(3)水生植物的生长可以增加水体DO的含量，总体来看，菹草和莲藕要优于凤眼莲，菹草在密度为17g/L时增氧效果最好,莲藕在密度为10g/L时增氧效果最好。

(4)各水生植物对总氮的去除效果比较明显，从总体去除率看，菹草不如凤眼莲和莲藕，尤其是莲藕在密度为7g/L时去除效果比较明显。从去除量上看菹草去氮效果最好。

(5)凤眼莲在密度为5g/L时除磷效果最好，菹草在密度为37g/L时去磷效果最好。

(6)从总体来看，凤眼莲净化水质的能力要优于菹草和莲藕。不同的物种或同一物种在不同湿地环境中的净化效果存在较大的差异[11]，不同的种植密度对水体的净化效果也会有明显的不同。即使是同一种水生植物，净化水质的能力也可能一方面比较明显，而另一方面可能就影响不大。因此，在富营养化水体中利用水生植物净化水质，要综合考虑多方面的因素，从而最大限度地发挥水生植物的效用，最终实现高效净水和节水的效果。

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2012-10-01

2011年山东省科技攻关项目 (GZX20949)；2012年山东省农业重大应用技术创新项目；2011年山东省农业重大农业技术推广项目。

杜兴华(1972-)，男，山东济阳人，高级工程师，主要从事渔业生态研究。