水生蔬菜浮床对污染水体的修复机制及应用

2017-06-09宣雄智马国胜于淼

安徽农学通报 2017年10期

关键词：浮床

宣雄智+马国胜+于淼

摘要：我国水生蔬菜种类繁多，利用蔬菜浮床对水环境进行原位修复的机制主要是激发水生蔬菜体内相关酶活性，促进其对水体营养物质的吸收；为根际微生物创造适宜条件，促进其对营养物质的分解；利用浮床自身对污染物的拦截、过滤、沉淀等。蔬菜浮床净水效果受蔬菜种类，水体富营养化程度，浮床覆盖面积，气候变化等因素影响。今后应着力从蔬菜组合、浮床改进等方面探索生态浮床的构建和管理技术，实现经济效益和生态功能的有机结合。

关键词：水生蔬菜；浮床；水体修复

中图分类号 S63 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2017）10-0062-03

Abstract：The main mechanism of utilization of vegetable floating bed for in situ remediation of water environment is to stimulate enzyme activities of aquatic vegetables to promote the absorption of nutrients in the water，to create suitable conditions for microorganisms in the rhizosphere of vegetables to promote the decomposition of nutrients，using the floating bed on the pollutant interception， filter precipitation， etc. The effect of vegetable floating bed was affected by the types of vegetables， the degree of eutrophication， the coverage area of floating bed and the climate change. In the future， it is necessary to explore the construction and management technology of ecological floating bed from vegetable combination and floating bed improvement， to realize the organic combination of economic benefit and ecological function.

Key words：Aquatic vegetables；Floating bed；Water restoration

我國水生蔬菜品种繁多，大量研究表明水生蔬菜具有吸收水体中的营养物质，降低其富营养化程度的特性。水生蔬菜浮床应用于景观污染水体时，可提高水体透明度，增加生物多样性[1]；应用于养殖池塘时，可减少因为底栖鱼类活动所引起沉积物重悬浮，还能稳定底泥、抑藻抑菌，从而改善养殖水质[2]。浮床栽培水生蔬菜不仅修复富营养化水体行之有效，而且还具有较好的经济回报。这种生态模式非常值得推广。

1 水生蔬菜浮床净化水体的机制

氮、磷等营养元素是水生蔬菜生长所需的重要物质。氮在水体中的主要形式有离子态的氨氮、硝态氮、亚硝态氮及有机物氮和部分气态氮（NH3，N2和NO2），气态氮在富营养化水体中比重很少。蔬菜浮床去除氨氮的主要途径有植物吸收、硝化反应和氨挥发（水体pH>8）等[3]。蔬菜体内的硝酸还原酶可以加速无机氮的转化，提高蔬菜对氮元素的吸收能力[4]，如硝态氮先由硝酸还原酶将其还原成亚硝酸盐，再经亚硝酸还原酶催化还原为铵盐，最后用于合成氨基酸。有机氮主要靠微生物分解转化，一部分转化为离子态氮，一部分被微生物自身所利用[5]。

磷元素生物活性强，正常水体中大部分磷是以有机磷或被生物细胞组织吸附的无机磷形式存在的，其中溶解无机磷主要以正磷酸盐离子H2PO4一或HPO42一的形式存在；颗粒态无机磷在水体中处于溶解释放和吸附的动态过程；有机磷会被微生物降解，水体中磷的实际存在形式和去除途径都比较复杂，除磷机制主要包括吸附、络合及沉淀、植物萃取和生物同化等若干过程。水生蔬菜体内碱性磷酸酶等的酶活会随着磷吸收而增强[4]，同时其根部环境可为嗜磷菌提供良好的有氧环境以有效降解去除污水中的磷[6]。

水生蔬菜的根系网络可吸收水体中的可溶性富营养物质，植物吸收达上限时，整个系统对有机物的去除作用中就会减弱，此后主要依赖微生物降解[7]。根系的巨大表面积可以为水中悬浮物和各种微生物提供良好附着载体，从而大面积地过滤和吸附颗粒污染物，蔬菜根系的分泌物不但能改变根系周围的理化环境[8]，如根系的生长代谢向水体释放的氧气，在植物根区形成氧化态的微环境，这种兼具好氧区、兼氧区、厌氧区的环境也为根区的各种微生物提供了适宜的生长繁殖场所，促进硝化、反硝化反应和微生物对磷的过量积累作用[9]，而且还能为根系微生物提供营养和能源物质。

不溶性有机物通过沉淀过滤作用，可以很快被截留为微生物所利用，而可溶性有机物则可通过蔬菜根系生物膜的吸附，经吸收及生物代谢降解过程被分解去除。

2 不同品种水生蔬菜的净水效果

2.1 雍菜水雍菜抗病力强，生长快，产量高，适应性强，但不耐寒。适宜夏季浮床栽培。水雍菜在浮床上健康生长时，通过茎叶大量吸收并同化富营养水体中的N、P 等养分后，浮床系统的硝化反应加快，静态条件下空心菜对入湖河水全N、水溶性P的去除率高达90%以上，动态条件下则达50%左右[10]。同化吸收作用是水雍菜去除氮、磷的主要途径[1]。除此之外，水雍菜浮床还可稳定稻虾鳝共作稻田水体pH值，提高养殖水体溶氧量[11]，水体氨氮和亚硝酸氮水平可分别控制在1.00mg/L和0.03mg/L以下。不同程度富营养水体中，水雍菜均有明显的净水效果[12]。需要注意的是，在盐碱性较高的水体中水雍菜难以正常生长[13]，

2.2 水芹水芹在冬季低温条件下也能维持生长良好，对水体TN、TP的去除率超过50%[14]，且可抑制藻类过度繁殖。水芹浮床在室内短周期（3d）富营养水体净化中也表现出较高的TN、TP的吸收率 [15]。室内周期性动态换水条件下，水芹对TN、TP的净去除率为26.64%和48.36%[16]。

2.3 豆瓣菜豆瓣菜对不同富营养化水体的总氮（TN）和总磷的净去除率可达60%和65%左右，去除率与水体初始浓度呈正相关。随着水体的逐渐净化，污染物的去除速率会逐渐减慢[17]。豆瓣菜对不同富营养程度水体的净化效果要均优于芹菜和葱[12]。

2.4 青菜周小平等选用耐低温的青菜品种“矮脚黄”和“苏州青”净化天然富营养化水体，实验周期为116d，2个品种对水体总氮/总磷的净去除率分别达16.86%/16.21%，17.63%/15.72%，但靠青菜自身积累所去除的氮磷所占比例并不高[1]。

2.5 大蒜大蒜耐寒，可作为冬季浮床备选植物，其对开放水体TN和TP的净去除率也能达33.3%和33.9%[15]，但在实验后期植株发黄，综合考虑景观效应和净水能力，不宜选用大蒜浮床来净化水体。也有研究表明在大蒜生长的适温范围内，大蒜对人工配置的富营养水体TN、TP的净去除率可达52.05%和23.39%，温度不适时，其净水能力一般[16]。

2.6 其他蔬菜莜麦菜也都有一定的去污能力，适于春秋季节栽培用于净化中低富营养化水体[13]；韭菜、茼蒿、菜作为耐寒蔬菜，经过水培驯化，也有较强的净水能力[4、16]。慈姑虽在富营养水体中生长情况良好，但净水能力较差[18]。青芹浮床对人工配置富营养水体的TN、TP的净去除率达66.67%和21.36%[16]。苋菜对污染水体总氮总磷的去除率可达70%以上[4]。胡绵好研究表明韭菜和葱浮床处理污水，水中辛味加重，且净水效果并不理想，不宜在养殖池塘中使用[12]。香芹和菠菜耐污染能力较差，不适于浮床栽培[13]。

3 影响浮床处理效果的因素

3.1 水体富营养化程度一般而言，在水生蔬菜生长耐受范围内，其对富营养化程度高的水体有更好的净化效果。主要由于当水体氮、磷等营养元素充足时，可通过蒸腾作用以较快的速率被植物吸收利用；当氮、磷等营养元素缺乏时，蒸腾作用主导的对营养元素的吸收效率大大降低，水生蔬菜需通过主动运输来维持营养元素的摄入，吸收速率下降[18]，这也从侧面反映出利用水生植物处理低浓度、非点源富营养化水体的难度较大。

3.2 覆盖面积宋超等[19]认为养殖池塘浮床覆盖的适宜面积需参照水生植物对养殖尾水中污染物的吸收能力和养殖鱼类的产排污系数，再结合淡水池塘养殖过程中水质管理的一般规律，经过科学计算才能确定。一般而言，水体溶氧量与浮床覆盖率成正比[11]。但当蔬菜浮床覆盖率过高时，不利于水体的大气复氧，且由于植物自身“水呼吸”，与养殖动物竞争水体溶解氧[20]。综合考虑净水效果和经济成本，蔬菜浮床的覆盖率以10%～15%为佳。

3.3 处理时间处理时间长短的不同，植物对水体中营养物质的去除率以及自身生物量的增长速度也不一样。一般而言，浮床处理富营养水体初期，污染物的去除率呈逐步上升趋势，随着时间的推移，去除率趋于稳定或逐步下降。随着处理时间的增加，水体污染物去除效果越明显，但净去除率会有较明显下降，这是对照组水体的自净效果显现与处理组污染物去除率下降叠加所致[12]。

3.4 气候变化林东教漂浮栽水雍菜，实验期间，水温随天气而变，呈下降趋势，28d换水1次，每次换水为一阶段，连续的3个阶段内，水雍菜对污水总氮的去除率为94.47%、60，19%、31.88%，对总磷去除率为28.57%、33.9%。14.39%，由此可见，气候影响水温和植物长势，进而影响其对水体污染物的去除率[21]。

4 研究展望

蔬菜组合净化污染水环境是浮床发展的一个方向。不少研究表明不同植物种间的两两配置在多数情况下比其单种植物对氮、磷的去除率要高；某种植物在单种种植时净化率可能很低，但与其他植物配合种植后净化率则会显著提高。

传统蔬菜浮床仅由简单的浮床和水生植物组成，以后的生态立体浮床系统应与接触氧化系统、曝气系统、水生动物、复合微生物、新型填料、生物净化槽等组合而成，充分利用立体空间、延长浮床系统食物链以及强化浮床系统微生物代谢能力，从而提高净化效果。

参考文献

[1]周小平，王建国，薛利红，等.浮床植物系统对富营养化水体中氮、磷净化特征的初步研究[J].应用生态学报，2005，16（11）：2199-2203.

[2]衣十妹.北方常见挺水植物对富营养化水体净化效果研究[D].吉林：吉林农业大学，2011.

[3]何成达.循环水流-浮床种植法处理生活污水的试验研究[J].环境科学与技术，2004，27（6）：12-13.

[4]张村侠.浮床栽培绿叶蔬菜对富营养化水体的净化效果研究[D].合肥：安徽農业大学，2007.

[5]方云英.不同水生植物吸收去除水体氮效果及机理研究[D].杭州：浙江大学，2006.

[6]祝宇慧，赵国智，李灵香玉，等.湿地植物对模拟污水的净化能力研究[J].农业环境科学学报，2009，28（l）：166-171.

[7]张金凤，汪德灌，戴星.岸坡植物对受污染的城市降雨径流的净化作用[J].水力发电学报，2010，29（3）：143-148.

[8]孙文全.水耕蔬菜型人工湿地的应用研究[D].南京：东南大学，2004.