人工浮床水培空心菜生长特性及其在养殖废水净化中的应用

李 今，吕 田，华江环

(1.湖北师范学院生命科学学院，中国 黄石 435002;2.中国科学院水生生物研究所，中国 武汉 430072)

在水产养殖过程中，底质饵料与大量排泄物的不断沉积使水体有机负荷不断增加，水体富营养化加剧，最终导致养殖水体发生恶化，影响水产业的持续发展［1］.利用水生植物治理富营养化水体，具有成本低、能耗小、治理效果较好、对环境扰动小、易管理等优点［2-4］.空心菜浮床系统能有效去除富营养化水体中的氮磷［5-7］，对水体中藻类的生长具有明显的抑制作用［8-9］.将原来在陆地上种植的草本植物种植到水面，扩大了植物可种植范围，且能取得与陆地种植相仿，甚至更高收获量与景观效果［10-11］.

本文通过野外实验研究比较了人工浮床水培空心菜和土培空心菜的生长特性，并着重研究了不同生长状况下人工浮床水培空心菜对鱼塘养殖废水中氮磷的去除能力和对浮游藻类的抑制作用，以期为养殖水体中规模推广空心菜浮床系统提供理论支撑.

1 材料与方法

1.1 实验材料

蕹菜(Ipomoea aquatica Forsk.)，又名空心菜、藤菜，为旋花科甘薯属一年生草本植物.喜温暖湿润，耐炎热，产量高，原产中国，现已作为蔬菜广泛栽培，同时也是一种比较好的饲料［12］.空心菜的生命期可分为生长期约21天、旺盛期约21天和衰亡期21天［13］.本实验人工浮床水培和土培的植物为泰国柳叶空心菜(一种常见的空心菜品种).水培试验水域为黄石市西塞山区大排山村面积约2 000 m2(100 m×200 m)的养殖池塘，为流动水源，其中进水口与养殖污水排口相连，池塘测定水质指标为:pH 6.88，NH3-N 5.20 mg/L，TN 8.32 mg/L，TP 1.67 mg/L，为劣Ⅴ类水［14］(GB3838-2002，地表水环境质量标准，《地表水环境质量标准基本项目标准限值》，劣Ⅴ类:NH3-N ＞2.0 mg/L，TP ＞0.4 mg/L，TN ＞2.0 mg/L).

1.2 实验方法

1.2.1 空心菜的培育 将空心菜的种子播到泥土中，待株高至20 cm时，移栽至人工浮床中.

1.2.2 人工浮床制作与空心菜的栽培 水培空心菜的栽培:人工浮床材料为竹排，按大小为1.5 m×3 m制作，将育种好的空心菜移栽于竹排上，每3株一茬，茬间距0.2 m，插在竹排间隙中，并固定.池塘按4×3个等间距安放竹排.土培空心菜的栽培:在移栽空心菜前施鸡粪15 000 kg/hm2［15］，在1.5 m×3 m的土壤中按间距0.2 m种植.

1.3 测定方法

1.3.1 空心菜生理指标测定 每隔15 d，随机选择每个竹排中的空心菜10株，分别测量其株高、根长、茎长、节数，并记录其生长情况，实验周期60 d.叶绿素含量测定采用分光光度Arnon公式法［16］，根活力采用氯化三苯基四氮唑(TTC)法［17-18］.土培植株测量方法同水培.

1.3.2 水质指标测定 试验开始后每隔15 d取水样测定水温、pH、TN、TP、NH3-N和OD值，每次取样150 mL，重复3次，试验周期为60 d.其中总氮的测定用过硫酸钾氧化紫外分光光度法［19］，铵态氮的测定用纳氏试剂光度法［19］，总磷的测定用钼锑抗光度法［19］，pH的测定用玻璃电极法［19］，藻类生物量的测定采用650 nm 分光光度法［19］.

2 结果与分析

2.1 人工浮床水培与土培空心菜生长特性的对比

对人工浮床水培空心菜各项生长指标进行测量，计算每个时间段内空心菜株高的生长速率，结果分别为:1.120 cm/d、1.028 cm/d、0.596 cm/d、0.245 cm/d(见图1)，从31 d 后植株生长缓慢，46 d 后逐渐出现萎蔫.对空心菜根活力进行测定，结果表明，在前31 d根活力逐渐增强，第31 d后，根部活力由3.7 μg·g－1·h－1减弱为2.0 μg·g－1·h－1，根活力逐渐减弱(见图2);根据根活力的变化可以判断人工浮床水培空心菜在前30 d为生长旺盛期，后30 d为衰亡期.对人工浮床水培与土培空心菜叶绿素的含量进行测定，结果见图3，图4.第31 d 后，叶绿素含量开始降低，由 2.86 mg·g－1FW 降低至第61 d 1.33 mg·g－1FW，说明空心菜植株逐渐衰老.处于衰亡期的空心菜代谢活动减弱，根部对矿质营养吸收能力逐渐衰退，不能满足生长需要［20］，人工浮床水培空心菜30 d后的生理指标很好地证明了该观点.空心菜茎的节数自移栽开始平均增长1.9节/30 d(图5)，增长不明显，而根长和茎长分别是7.19 cm/30 d，15.23 cm/30 d(图6)，说明根长和茎长的增长是空心菜植株生长的主要因素.

图1 人工浮床水培空心菜的生长速率变化情况Fig.1 Growth rate changes of Ipomoea aquatica Forsk.planted on artificial floating beds

图2 人工浮床水培空心菜根活力变化情况Fig.2 Root activity changes of Ipomoea aquatica Forsk.planted on artificial floating beds

图3 人工浮床水培空心菜叶绿素a和叶绿素b的含量变化情况Fig.3 Content of chlorophyll a and b of Ipomoea aquatica Forsk.planted on artificial floating beds

图4 人工浮床水培与土培空心菜叶绿素含量比较Fig.4 Chlorophyll content comparison between Ipomoea aquatica Forsk.planted on artificial floating beds and those planted in soil

图5 人工浮床水培与土培空心菜株高和节数变化情况比较Fig.5 Plant height and section number changes between Ipomoea aquatica Forsk.planted on artificial floating beds and those planted in soil

图6 人工浮床水培与土培空心菜植株根茎生长情况比较Fig.6 Root and stem growth comparison between Ipomoea aquatica Forsk.planted on artificial floating beds and those planted in soil

空心菜移栽至人工浮床后，生长状况良好，至第一次采样成活率为98.6%，其株高、茎的生长、根系发育均比土培对照空心菜显著茂盛(见图5和图6)，平均株高为土培空心菜的1.152倍，营养器官根、茎分别为土培空心菜的1.156、1.148倍，植株整体发育比土培空心菜好.人工浮床水培空心菜与土培空心菜植株节数没有显著性差异(r=0.998，P＜0.01)，生长差异主要体现在节间和根的生长.比较二者在培养周期内叶片叶绿素含量，人工浮床水培空心菜叶片叶绿素含量平均是土培的1.25倍(见图4)，从另一个方面说明人工浮床水培空心菜的生长状况优于土培.空心菜喜湿，需水量较大，应经常浇水，始终保持湿润状态，在采收期间每4～5 d浇水1次［21］;其光照条件要求不严格，对水肥需求量很大，干旱与缺肥均会影响产量和品质［22］.所以本试验中人工浮床水培空心菜生长发育状况优于土培的原因可能是空心菜在旺盛期对水肥的需求量大，而鱼塘养殖废水恰恰可以在该时期为其提供充足的水分和营养成分，但土培方式却不能满足空心菜对水分的大量需求.

2.2 不同生长状况下人工浮床水培空心菜对鱼塘养殖废水中氮磷及浮游藻类的去除率

人工浮床水培空心菜在生长过程中，对养殖废水中氮磷去除率分别为:NH3-N，8.29% ～20.01%;TN，29.26% ～30.10%;TP，20.71% ～50.45%，对浮游藻类的去除率为 9.09% ～14.29%.前 15 d，对 TP、TN、NH3-N的去除率最高，分别为51.45%、38.1%、20.02%，对水体中浮游藻类抑制作用最强，为20.02%.前30 d，各指标的去除率均高于后30 d的去除率(图7).在第61天各指标的去除率均最低.

表1 鱼塘养殖废水水质Tab.1 Water quality of fishpond aquaculture wastewater

图7 人工浮床水培空心菜对鱼塘养殖废水中TN、TP、NH3-N及浮游藻类的去除率Fig.7 Removal rate of TN，TP，NH3-N and planktonic algae by Ipomoea aquatica Forsk.planted on artificial floating beds from fishpond aquaculture wastewater

图8 人工浮床水培空心菜的生长速率与其对鱼塘养殖废水中TN、TP、NH3-N和浮游藻类的去除率的关系Fig.8 Relationship between growth rate of Ipomoea aquatica Forsk.planted on floating beds and removal rate of TN，TP，NH3-N and planktonic algae by them

前45 d为空心菜生长期和旺盛期，生长发育旺盛，其对养殖废水水体的氮磷去除率最高(图8)，尤其对TP的去除率为 51.45%，对 TN的去除量高达3.138 mg/L(表1).这说明空心菜营养生长需要从水体中吸收大量的氮磷，尤其是对氮的需求旺盛.氮对空心菜产量影响大于磷，该试验结果与杨小锋等对水培生菜的研究结果［23］一致.后15 d，空心菜对氮磷的去除率呈降低趋势，TN为 29.6%，TP 为 20.7%，NH3-N 为8.29%，此时空心菜处于衰亡期.在空心菜生长期，对浮游藻类的抑制作用强度差异不明显(R=0.885 9，P ＜0.01).

3 结论与讨论

从整个实验周期看，人工浮床水培空心菜比土培空心菜生长得好.自移栽到人工浮床上后，成活率极高，生长周期大致为60 d，其中前30 d为生长旺盛期，后30 d为衰亡期;其生长能力很强，植株平均株高生长速率为0.747 3 cm/d.人工浮床水培空心菜在生长过程中，其对鱼塘养殖废水中氮磷的去除率分别为:NH3-N，8.29% ～ 20.01%;TN，29.26% ～ 30.10%;TP，20.71% ～ 50.45%，对浮游藻类的去除率为 9.09% ～14.29%，其中前15天对TP、TN、NH3-N的去除率最高，分别为51.45%、38.1%、20.02%，随着空心菜生长速率的降低，其对TP、TN、NH3-N的去除效率和对浮游藻类的抑制作用也逐渐降低.据上述数据计算可得，30株/m2空心菜对TN和TP的吸收量分别为108.69 g/m3和29.57 g/m3.根据中国地表水环境质量标准(GB3838-20026)标准［19］，仅从氮磷看，30株/m2的空心菜可分别将108.69 m3和197.14 m3的水由Ⅴ类水质指标提升到Ⅲ类.因此，空心菜是一种可用于富营养化水体水质净化的优良植物，可有效净化养殖废水，同时由于其具有一定的经济价值，可作为养殖水体中浮床植物的首选植物物种之一.

研究表明，空心菜的吸收氮磷和抑藻能力明显高于其他植物［24-26］.只有芦苇在N、P直接吸收量上高于空心菜，但芦苇的经济价值不如空心菜.金鱼藻在单株的TP吸收量上略高于空心菜［27］，却由于其单位面积产量远远不及空心菜，故在吸收总量上不占优势.用养殖废水培养空心菜，不仅能净化养殖池塘水质，而且能带来不小的经济效益.采用每21 d采收1次留茬15 cm的采收方式，人工浮床水培空心菜可每次获得2.00 kg/m2的产量［13］，按100 m2池塘计算2个月可收割空心菜600 kg.研究结果表明人工浮床水培空心菜生长优于土培空心菜，平均株高和叶片叶绿素含量分别是土培的1.152倍和1.25倍，而黄婧等研究也表明水培空心菜鲜重为土培的3.54倍，干重为土培的1.12倍［1］，因此，人工浮床水培空心菜的生长速率比土培大，植株生物量比土培高，且具有更高的经济价值，在水污染控制，特别是养殖废水净化中具有很大的应用前景.

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