蕹菜对富营养化水体的净化及湿地工程示范研究

李璇，冯慧云，徐衡，余增亮，李伟，杜海明，周澳

(1.中国科学院离子束生物工程学重点实验室国家林业局能源林研究中心中国科学院合肥物质科学研究院，安徽合肥230031；

2.安庆师范大学化学化工学院，安徽安庆246011；3.安徽雷克环境科技有限公司，安徽合肥230031)

蕹菜对富营养化水体的净化及湿地工程示范研究

李璇1,2，冯慧云*1，徐衡2，余增亮1，李伟3，杜海明3，周澳3

(1.中国科学院离子束生物工程学重点实验室国家林业局能源林研究中心中国科学院合肥物质科学研究院，安徽合肥230031；

2.安庆师范大学化学化工学院，安徽安庆246011；3.安徽雷克环境科技有限公司，安徽合肥230031)

为探讨浮床培植水蕹菜在大面积富营养化水体中的生长习性、对水体营养盐的移除效果及工程化应用前景，比较了旱地种植和富营养化水体水培蕹菜植株的生物量和根、茎、叶各部位的氮磷含量，并在安徽省池州百荷公园进行了工程示范。结果显示，经过相同生长期，富营养化水培蕹菜单株平均生物量可达1.6 kg，长度达5m，且水培蕹菜的根系尤其发达，鲜重可占单株总鲜重的35%。旱植蕹菜各部位总氮含量高，水培蕹菜总磷含量高，水培蕹菜根、茎、叶各部位磷/氮比分别为旱植蕹菜对应部位的3.26，3.65和1.51倍。湿地示范工程浮床培植蕹菜一亩水面的生物量达9.3 t，1.08亩蕹菜共移除水中氮93.34 kg、磷7.34 kg；水体总氮含量由工程实施前的3.624mg·L-1下降至2.181mg·L-1，总磷由0.187mg· L-1下降至0.144mg·L-1。研究为利用水生蔬菜进行富营养化水体的生态修复提供了工程化应用的成功案例。对富营养化水体生态修复联产蔬菜的水污染治理策略和今后研究中的关键问题进行了讨论。

富营养化水体治理；水蕹菜；浮床培植；总氮总磷

湿地乃“地球之肾”、“淡水之源”，在调节径流、净化水质和维护区域生态平衡等方面有其他系统所不能替代的作用[1]。随着城市化进程的推进，天然湿地逐渐减少和萎缩，而水体污染又不断加剧，恢复和重建天然湿地以及建设人工湿地已成为水污染防治与水环境综合整治的重要环节[2-4]。湿地氮、磷等营养盐循环主要通过植物吸收、各组织器官的分配和积累储存起来，1公顷湿地每年可储存1 000多千克氮和130多千克磷[4]。在外源污染持续不断进入湿地的情况下，湿地生物储存的氮、磷等污染物只有通过人工转移（如收割、捕鱼等）等途径，才能永久的脱离湿地，参与更大范围的循环[5]。反之，生物的排泄物及衰亡的残体经微生物分解，氮、磷等营养盐又会回到水环境中。因此，在构建湿地时，植物的筛选和配置就显得十分重要，不仅要关注其净化功能和观赏价值，还应重视其经济性、降低维护成本或产生效益补偿运行投入。

水蕹菜（Ipomoea aquatica）属旋花科牵牛属蕹菜种，为蔓性草本植物，又名藤蕹、蕹菜、空心菜、竹叶菜，营养价值高，是我国居民夏季的主要蔬菜品种之一。水蕹菜适应能力强，既可旱地种植，又适于水面栽培，且生长速度快，生物量高，耐污性强[6-8]。Li研究发现，对水蕹菜干种子进行适当剂量的离子束辐照处理，可有效提高其植株对富营养化水中氮磷的吸收效率[9-10]。为探讨利用蕹菜净化富营养化水体同时联产蔬菜的可行性和规模化应用前景，本文比较了土壤种植和水培蕹菜的生长习性、对氮磷的吸收差异，并在安徽池州百荷公园进行了浮床水培蕹菜的示范工程。

1 实验材料与方法

1.1 陆地土壤种植和浮床水培蕹菜比较实验

离子束辐照：取干燥的蕹菜种子，单层平铺于直径为9 cm的玻璃平皿中，在离子束生物工程装置的小靶室中接受N离子束辐照，剂量为3×1019~5×1019N+/cm2。

蕹菜旱植和水培：在本单位地上和地下实验水泥池中进行。地上池面积10m2，高90 cm，底部垫50 cm厚的沙子，上覆35 cm厚的南淝河底泥做基肥。地下池深100 cm，用于蕹菜水培的单个池面积6m2，池底垫5 cm厚的沙子、上覆10 cm厚的南淝河底泥，加自来水沉淀一周后使用。南淝河底泥含总氮9.91 g·kg-1、总磷3.78 g·kg-1。

经N离子束辐照的水蕹菜种子3月中旬播种在地上水泥池中，浇水保湿，薄膜覆盖保温。4月中旬苗高达10 cm时，取部分幼苗移栽到浮床上，剩余幼苗按常规水肥管理。浮床长2m、宽1 m，以木条制作边框固定上下2层的尼龙网，蕹菜幼苗扦插入尼龙网眼中，单个浮床共移植70棵。

1.2 池州百荷公园浮床水培蕹菜示范工程

池州百荷公园位于池州市主城区中心地带，水域面积7.06 hm2，平均水深约1.5m。公园属封闭性水体，流动性差、溶氧低，有生活污水直排入口，主要从清溪河（劣V类水质）补水维持水位。公园水体长期处于劣V类，春夏秋时节湖面均有蓝藻漂浮，湖水浑浊，能见度低，沉水植物逐渐消亡。

2012年5月，在池州市政府支持下，作者单位合作开展的百荷公园水体污染治理项目启动，浮床水培蕹菜作为项目的主要内容，在公园面积较大的北湖水域先行实施（图1）。单个浮床面积2.0×4.0m2，以毛竹制作边框，上下两面覆盖渔网。水蕹菜春季在地里育苗，待苗高10~15 cm时，留8~10 cm的茬口，按行间距15 cm插入浮床。90个浮床在北湖组成两个圆形环带图案（图1），总面积约1.08亩。浮床由木桩固定，内外圈挂渔网，防止鱼类啃噬蕹菜幼根影响其生长。

图1 池州百荷公园北湖浮床养植蕹菜示范工程示意图，其中1，2，3为水质检测的取样点

1.3 样品总氮、总磷含量检测

水样总氮（TN)、总磷（TP）含量测定分别采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法（HJ636-2012）和钼酸铵分光光度法（GB11893-89）；植物TN含量测定采用浓硫酸-过氧化氢消解-碱性过硫酸钾吸光光度法[11]，TP含量测定采用浓硫酸-过氧化氢消解-钼锑钪比色法[12]。

每个环境下生长的蕹菜，各随机取5株清洗干净，根、茎、叶分别烘干研磨，各取等量混合均匀后用于各部位氮磷含量检测。

水质检测根据水面大小不同，实验水池、荷花塘和清溪河补水每次各取2个样，北湖取3或13个样。

2 结果与分析

2.1 旱植与水培蕹菜生物量

比较实验中，地上水泥池种植的蕹菜按需浇水除草，精心管理，长势良好。浮床水培蕹菜除适时添加自来水维持水深60 cm外，未采取任何管理措施。现场比较生长情况，旱植的植株长势与常规菜园种植蕹菜无明显差异，但水培植株生长则非常迅速，3个月后几乎铺满整个水池的水面，水面蔓延的茎杆节间都生有气生根。抬起浮床观察，水下根系非常发达，外观白嫩，主根粗如豆芽，侧根（包括节间气生根）密密麻麻，而同期的旱植植株根系则远不如水培根系发达。8月8日随机取水培植株5株检测，平均单株总质量达1.6 kg，水下部分（主根、侧根和气生根）质量500 g以上（表1），水培蕹菜茎杆比旱植的粗且长，水培的茎杆平均伸长5m，中间部位（2.5m处）的茎杆直径1.8 cm。到8月下旬，水培植株茎杆越过水池隔墙延伸到邻近水池，有的伸到岸上继续生长。按表1推算，截止8月8日，70株水蕹菜生物量约112 kg（鲜重），折合每亩水面生物量约12.4 t。而旱植蕹菜尽管也有南淝河底泥做基肥且管理良好，同一天称量的生物量折合每亩只有5.2 t。旱植蕹菜长势弱于水培，其中一个原因可能与降雨或浇水时底肥中的养分迅速向下淋失、远离了根系可吸收利用的范围有关。

表1 实验水池浮床水培4个月单株蕹菜平均生物量(n=5)

2.2 旱植与水培蕹菜磷/氮比

在把水蕹菜作为湿地植物应用时，最受关注的是其能从水中吸纳多少氮和磷。植物吸收营养元素，大部分作为自身的结构物质，部分参与酶促反应、能量代谢和各种生理调节作用，其中氮磷是细胞中蛋白质、核酸等生物大分子的主要成分。检测植物体内氮、磷组分，可以帮助分析植物从环境中吸收氮、磷的效率。表2列出本实验旱植与水培蕹菜的总氮（TN）、总磷（TP）含量。可以看出，旱地蕹菜地下（根）和地上部分（茎、叶）的TN含量都比水培蕹菜高，而TP含量相反。从磷/氮比值看，水培蕹菜根、茎、叶各组织分别为旱植蕹菜对应部分的3.26、3.65和1.51倍，即水培植株对磷的利用更为有效。这一方面可能是由于富营养化水体中的磷含量高，与土壤环境相比有效磷供应更加充分，满足了蕹菜生长的需求，另一方面可能是由于蕹菜对于水中的磷的吸纳和利用效率更高的缘故。

表2 旱地种植和浮床水培蕹菜根、茎、叶各部位总磷和总氮含量，单位：g·kg-1（干重）

研究表明，在野外条件下，无论湖沼水体总氮含量是高还是低，总磷浓度都是限制浮游藻类生长的最重要因素。因此有研究者建议富营养化治理适当放宽控氮、集中控磷[13-14]。据统计洱海天然湿地44种植物的磷、氮比在0.104到0.455之间，其中湿生和浮叶、漂浮植物的磷、氮比显著高于沉水植物[15]。本实验中水培蕹菜植株综合磷、氮比为0.389，高于洱海湿地所调查的大部分植物的磷、氮比，显示在磷供应充分的水环境中，蕹菜具备高吸纳磷的特征。

2.3 对实验水体的水质净化作用

蕹菜水培池的水位维持主要依靠自然降雨，必要时补充自来水。水池墙的边沿高于地面20 cm，可以阻挡下雨时径流携带的营养盐进入水池。大气干湿沉降可向水中补充少量的氮磷，但与池底铺垫的南淝河底泥所含氮磷相比可以忽略。因此，可认为水池中氮、磷削减量约等于被水蕹菜所吸收的量。

表3给出蕹菜移植前、生长中池中水质的变化情况。随着生物量的增加，水蕹菜吸纳的氮、磷增多，水中的氮、磷含量相应减少。8月初至9月底是浮床蕹菜生长最旺盛的时期，水中总氮和总磷含量下降幅度也最大。至9月底，一季水培蕹菜使水池的水质从劣V类提高到优于III类水标准。

表3 浮床栽培水蕹菜对水质的净化效果

从表1、表2可以算出，浮床水蕹菜到8月8日鲜重112 kg，含总氮372 g、总磷145 g，而这段时间水体总氮和总磷减少只有9.15 g和0.93 g（按水深50 cm,水量3 000 L计算）。水蕹菜所含的氮、磷（近似等于从水中吸纳的氮、磷）比水体氮、磷减少量大得多，这是可以理解的。实际上，富营养化水体底泥氮、磷的释放是水体营养盐的主要来源[16]。试验池底铺有0.6m3南淝河底泥，按比重1.5 t·m-3计算，底泥含TN 8 919 g，TP 3 402 g。底泥释放速率与水温相关，蕹菜生长正值高温季节，底泥释放的营养盐满足了其生长需求。虽然地上试验池也覆有南淝河底泥，但是旱植蕹菜长势却不如水培的，其中一个原因可能与降雨或浇水时营养盐迅速向下淋失、远离了根系可吸收利用的范围有关。

2.4 湿地公园示范结果

2.4.1 蕹菜生物量和氮磷含量

百荷公园的浮床水蕹菜长势良好，至8月中旬已从浮床向圈内外侧方向伸展1~3m，至10月中旬共收采10080 kg（鲜重），每亩水面产量达9.3 t。

收获的蕹菜随机取5株，清洗干净后将根、茎、叶各部位分别干燥、称重、研磨后检测各部位氮磷含量，计算得出全株的平均TN含量为66.15 g·kg-1（干重）、TP含量为6.43 g·kg-1（干重）。按86%的植株含水率计，一季蕹菜从百荷湖中移出了93.34 kg氮、7.34 kg磷。

与实验水体相比，百荷湖的蕹菜植株TN含量更高，而TP含量约为实验水池植株的70%。虽然两个水体都是劣V类的富营养化水体，但它们的面积、容量、接受外部污染的情况等都不尽相同，浮床培植的蕹菜氮磷含量有差异是可以理解的。

2.4.2 示范工程前后百荷湖的水质比较

浮床蕹菜转移的氮、磷对百荷湖水质的改善作用可从表4来分析，表中3点平均对应图1中的3个取样点，13点平均是除了图1中的3个点外，另增加了湖中间、蕹菜浮床圈内外侧多个取样点。位于北湖东南角的荷花塘与北湖主体相对隔离，多年来一直满栽荷花、冬枯夏繁。从表4可以看出，清溪河补水水质变化大，氮磷含量不稳定，但总体都属于严重污染，这对湖水水质改善是一个相当不利的因素。与工程开展前2012年2月2日的数据比较，到7月9日蕹菜生长1个多月后，水中氮含量有明显下降，而磷含量略有增加，到9月21日氮有少量增加，而磷的增加则较为显著，这可能是由于进入春夏季，气温上升引起底泥中的氮磷向水中释放增加的缘故。同期荷花塘的氮磷含量也显示出相似的变化规律，即尽管荷花开始大量生长吸收利用了大量的氮磷，但塘中水的氮含量基本未变化，而磷含量却增加了3倍多。进入秋季，随着气温下降，氮磷含量又开始降低。到12月7日蕹菜采收后约1个半月，气温略高于2月2日，但这时北湖水的氮磷含量已比2月2日分别降低了39.8%和23%，而同期荷花塘荷花植株未经采收，塘中水的氮含量进一步下降，磷含量虽然也有显著降低，但仍高于2月2日。进入12月份，由于补水水质严重恶化，北湖氮磷含量快速增加。

表4 示范工程前（2012.2.2）、中（2012.7.9、9.21）、后（2012.11.1、12.7、2013.1.24）水质比较

尽管天然水体氮、磷含量变化受多种因素影响，有限的几个时间点的数据不能反映其水质变化的全过程，但2月2日与12月7日这两个时间点前后几天的气温比较接近，可减少底泥氮、磷释放因温度差异而导致的误差，因此该结果可以说部分反映了示范工程对北湖水质的改善作用。

3 讨论

要提升湿地的经济性，湿地构建多联产技术可能是一种解决方案，其中以联产蔬菜最容易实现。假设一个较大的湿地以1 000亩水面浮床培植蔬菜，夏秋季蕹菜可食部分亩产5 t，单价2元·kg-1；冬春季水芹菜亩产1 t，单价4元·kg-1，两项一年的收益可达1 400万元。如果只把浮床以下20 cm的根系保护起来，20 cm以外部分供养食草鱼类，可进一步增加收益。湿地联产蔬菜在经济上可补充湿地管理费用，更重要的是，收采上岸的蔬菜减轻了后处理难题，降低了二次污染。针对这一思路，本文利用水蕹菜进行了水陆栽培的比较实验及大面积水体工程化应用尝试，充分证实了其可行性和应用价值。

植物对营养元素的吸收和分配受基因型控制，也与植物生长的环境有紧密关系[17-18]。同一种植物，栽培环境不同，水分和营养元素的供给不同，植株生长速率和生物量也会产生很大差异[19-20]。旱植和水培蕹菜生物量的比较结果显示蕹菜从水中吸收养分特别是磷的潜力相当高，富营养化水体营养丰富，恰好满足了其对养分的需求，旱地种植要达到或接近同样的生长势则可能需要大量施肥，因此旱植蕹菜的经济性远不如利用富营养化的水体培植。磷是一种有限资源，然而作物对于土壤中的当季磷利用效率往往不超过20%[21]，施入的大量磷素通过径流、农业排水等途径进入水体，培植蕹菜等水生蔬菜充分吸收水中的过量磷不仅可有效缓解富营养化，更是对宝贵的磷资源的有效利用[22]。

富营养化水体生态修复联产蔬菜还应关注其食用安全性问题。一方面，作者不赞成“谈污色变”、笼统地断定富营养化水体培植的蔬菜就是不安全的。研究显示巢湖的重金属多在其表层沉积物中被检出但它们的生物有效性并不高，除个别污染严重的入湖河口外，上覆水中的主要重金属含量低于地表水I类限值[23-24]。本研究对百荷湖水体的检测也显示其水中主要重金属含量皆低于地表I类限值。对于其他小型水体，如农村坑塘等的有害元素污染状况应根据其地域特征、是否毗邻工业区等情况作检测评估后定论。另一方面，除了应考察水体（即植物生长的环境）本身的污染源外，还应考察植物对水体中各类元素的吸纳特征。已有大量研究显示，不同植物、同类植物（作物）的不同品种，由于基因型的差异，对土壤中有害元素的吸收及有害元素在植株各部位的富集情况差异显著，因此人们可以筛选和培育对一种或几种元素超富集或不富集的作物和蔬菜品种以适应不同环境的栽培需求[25-26]。

综上所述，联产蔬菜既可满足湿地净化水质的功能需求，又极大地提升了其经济性。应加强湿地适生蔬菜育种研究，筛选和培育生物量大、抗逆性好、可食部位有害元素低富集的品种，同时还应发展湿地蔬菜高效培植技术。

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Restoration of EutrophicWater by Ipomoea Aquatic and Demonstration Study in Wetland

LIXuan1,2，FENG Hui-yun1，XU Heng2，YU Zeng-liang1，LIWei3，DU Hai-ming3，ZHOU Ao3
(1.Key Laboratory of Ion Beam Bioengineering&Energy Forestry Research Center of the State Forestry Administration of China，Hefei Institutes of Physical Science，Chinese Academy of Sciences，Hefei，Anhui230031，China;
2.College of Chemistry and Chemical Engineering，Anqing Normal University，Anqing，Anhui 246011，China;
3.Anhui Lake Environment Technology Ld.Corporation，Hefei，Anhui230031，China)

To investigate the growth of habitus,ability of nutrient removal,and prospect for large-scale application of planting water spinach(ipomoea aquatic)by floating beds in large acreage water body,the study compares the biomass,total nitrogen(TN)and total phosphorus(TP)contentofwater spinach,grown in soil and eutrophic water body,and further enlarges the demonstration in Baihe wetland park at Chichou,Anhui.It is found that during the same growing period,the biomass of water spinach grown in eutrophic water could reach on average 1.6 kg per plantwith a length of 5 m,in great contrast to the plants grown in soil.The great growing potential of water spinach in eutrophic water is in agreement to its particularly prosperous root system,which takes 35%of the fresh weight of a single plant.TN and TP are separatelymeasured for root,stem and leaf parts,and the ratios of TP/TN in each part for plants grown in eutrophic water are 3.26,3.65 and 1.51 times of plants grown in soil.High biomass and phosphorus absorption potential are important features for its application in restoration of eutrophic water.Demonstration field study in Baihe wetland park showes a yield of 9.3 t per 667 m2,and TN of the water body is decreased from 3.624 mg·L-1to 2.181 mg·L-1,TP from 0.187 mg·L-1to 0.144 mg·L-1.The work provids a successful example of using water vegetables,at large-scale,for restoration of water nitrification.The strategy of producing edible vegetables along with bio-restoration of eutrophic water body and important aspects for future research are discussed.

restoration of eutrophicated water body；construction of wetland along with vegetable production；Ipomoea aquatic；floating beds；TN and TP

X52

A

1007-4260(2016)04-0116-05

时间：2017-1-3 17:19

http://www.cnki.net/kcms/detail/34.1150.N.20170103.1719.029.html

2016-04-13

安徽省科技攻关项目（12010402102）和国家自然科学基金（11575234）。

李璇，女，内蒙古鄂尔多斯市鄂托克前旗人，安庆师范大学硕士研究生，研究方向为水污染治理与生态修复。

E-mail:1104158705@qq.com

冯慧云，女，安徽芜湖人，博士，中科院合肥物质科学研究院副研究员，研究方向为水污染治理与生态修复。

E-mail:huiyunf@ipp.ac.cn

10.13757/j.cnki.cn34-1150/n.2016.04.029