水葫芦育苗基质及其重金属含量分析

崔 烨，张泰劼，田兴山，郭文磊，冯 莉，吴丹丹

（广东省农业科学院植物保护研究所/广东省植物保护新技术重点实验室，广东 广州 510640）

【研究意义】水葫芦〔Eichhornia crassipes(Mart.) Solms.〕又名水浮莲、凤眼莲、凤眼蓝、葫芦苗，是雨久花科凤眼蓝属浮水草本植物，原产于南美洲，是当今世界上危害最重的10种杂草之一。1901年，水葫芦被作为观赏植物引进中国，20世纪五六十年代被作为猪饲料推广，之后开始成为恶性杂草［1］，已广泛分布于华北、华东、华中、华南和西南19个省、市、区，尤以广东、福建、台湾为甚［2］。据估计，若不加控制，水葫芦在珠三角地区淡水水域中一个月即可繁殖上千万吨。自1975年起，珠江水域水葫芦每10年就增长10倍，1975年平均每天只捞到0.5 t水葫芦，1985年为5 t，1995年为50 t，而2008年时平均每天接近500 t［3］。2015年，项目组联合广州市城市管理和综合执法局调查统计，广州市有3个水葫芦打捞点，仅广州市白云区太阳岛一处的打捞点，夏季每天打捞的水葫芦经初步挤压可装满12辆以上城市垃圾运输车，全市每年打捞、运输、处理水葫芦的费用超3 000万元［4］。尽管水葫芦生物量巨大，但目前国内多数城市仍采取垃圾场填埋的方式处理打捞水葫芦，被填埋的水葫芦腐烂后会渗出带有臭味的黑液，这种处理方式既占用宝贵的垃圾填埋空间又产生二次污染。因而，开展城市打捞水葫芦资源化利用研究具有重要的经济和现实意义。【前人研究进展】杜静等［5］研究表明，水葫芦有机碳含量为40.35%，乘以Van Bemmelen因数换算为有机质高达69.56%、全氮2.27%、全磷0.48%、全钾6.47%，其钾含量超过许多普通植物。水葫芦繁殖能力强、现存生物量大、续存能力强，因此其潜在资源化利用价值很大［6-7］，已被用来制作有机肥［8-11］，利用微生物发酵产生物乙醇、氢气或沼气［12-18］，用作饲料［19］，栽培食用菌［20］，造纸［21］，修复富营养化水体［22-25］等。【本研究切入点】尽管水葫芦资源化利用的研究很多，但应用于生产实践的极少。国内太湖和滇池为代表利用水葫芦治理富营养化水体，打捞后开展了用于制沼气及有机肥的资源化利用［24-25］，其余开展水葫芦资源化利用的城市或企业均面临打捞成本高、经济效益低，难以商业化运作问题。【拟解决的关键问题】水葫芦资源化利用水平低，几乎没有成功的商业化运作，最关键的问题是水葫芦资源化利用成本高、经济效益低。针对水葫芦资源化利用产品经济效益低的问题，本研究以广州市太阳岛打捞的水葫芦为研究对象，将其分拣、粉碎、晾晒、发酵，分析其发酵产物的养分及重金属含量以确保其营养价值和安全性，通过将其与珍珠岩、蛭石合理配比生产适合茄科蔬菜的育苗基质，以提高水葫芦资源化利用的经济价值及效益，从而提供一种具有潜力的替代垃圾填埋方式以外的打捞水葫芦商业化处理途径。

1 材料与方法

1.1 试验材料

水葫芦采自广州市白云区太阳岛打捞点，采集时间为2017年12月26日，采集量为24 t。

1.2 试验方法

水葫芦破碎选用市售的普通青储铡草机，型号为93QS-12.0C（河南凯星机械设备有限公司），破碎规格为3～8 mm×20～50 mm。破碎处理在广东广州国家农业科技园区开展。

破碎水葫芦自然风干至含水量80%左右，添加其2%总重的腐秆剂（广东省佛山金葵子科技有限公司）、堆积发酵50 d，每隔10 d翻堆1次。水葫芦发酵处理在广东广州国家农业科技园区开展。

将水葫芦发酵产物（fermented water hyacinth,FW）再粉碎至粒径0～8 mm，购买的普通草炭土（ordinary peat soil，OPS，肇庆市恒发农业科技有限公司）与优质泥炭土（high quality peat soil,HPS，荷兰Jiffy 集团）的粒径与其一致。将上述3种栽培土分别与珍珠岩（P）、蛭石（V）按照3∶1∶1的体积比混合均匀，HPS+P+V，OPS+P+V及FW+P+V 3种基质分别称为基质A、基质B和基质C。

1.3 测定指标及方法

风干水葫芦及其发酵产物中养分氮、磷、钾及重金属含量由农业部蔬菜水果质量监督检验测试中心（广州）参照国家或行业标准进行测定。

基质A、B、C的pH、容重由本团队参照蔬菜育苗基质行业标准（NY/T 2118-2012）测定，电导率（EC）采用DELTA-T W.E.T水分温度电导率速测仪（英国DELTA-T仪器公司）测定。

基质的育苗效果采用金冠一号番茄、粤研辣椒和农夫长茄3种茄科蔬菜作物育苗50 d测定。育苗穴盘为50孔方孔盘，穴孔规格为上口径5.0 cm×5.0 cm，下口径2.5 cm×2.5 cm，深度5.0 cm。每个品种设置3个重复，每个重复播种100粒，在控制环境中进行育苗试验，水肥管理条件相同，光周期为12 h，光强为10 000 lx，昼温25 ℃，夜温15 ℃。出苗率采用普查法测定，株高、鲜重、干重为每个重复随机抽查10棵测量。蔬菜种子由广东省农业科学院蔬菜研究所提供，育苗地点为广东省农业科学院植物保护研究所。

数据采用Excel 2016统计分析。

2 结果与分析

2.1 水葫芦发酵物的养分及重金属含量

水葫芦养分及重金属含量测定值（表1）表明，总氮、全磷和全钾的含量分别为2.54（±0.17）%、1.16（±0.03）%和9.36（±0.75）%，汞、铅、砷、镉、铬5种重金属元素含量分别为0.025（±0.001）mg/kg、（±0.40）mg/kg、1.29（±0.09）mg/kg、0.30（±0.04）mg/kg 和（7.02±0.16）mg/kg。 可见，水葫芦中养分含量高，尤其是钾含量远超一般植物，且重金属含量较低，适合用于制作有机肥或植物培养基质。鲜水葫芦经105 ℃恒温烘干至恒重，测得其含水量为93.58%～96.14%。经分拣、破碎、自然风干，添加腐秆剂后发酵50 d，水葫芦发酵物的含水量为34%。进一步检测发现，发酵物中TN、TP和TK含量分别为1.75（±0.08）%、0.74（±0.09）%和7.87（±0.40）%，与发酵前相比各养分流失15.85%～36.10%，但N、P、K三者含量之和仍高达10.36%，为有机肥料国家农业行业标准（NY 525-2012）要求（N、P、K含量之和≥5.0%）低值的207.2%。与N、P、K养分含量降低相反，发酵物中汞、铅、砷、镉和铬5种重金属含量与发酵前相比增加23.09%～38.52%，但各重金属含量仅为有机肥料国家农业行业标准（NY 525-2012）最高限量的1.25%～13.33%。

2.2 水葫芦育苗基质基本参数测定结果

从表2可以看出，A、B、C 3种基质的pH为 5.97～6.80，EC 值为 1.16～2.15 mS/cm，容重为0.20～0.39 g/cm3，均符合国家农业行业标准《蔬菜育苗基质》NY/T2118-2012要求，初步判断可用于蔬菜育苗。

表1 水葫芦发酵物养分和重金属含量Table1 Content of nutrient elements and heavy metals in water hyacinth fermentation

表2 不同育苗基质基本参数Table2 Basic parameters of different seedling-raising substrates

2.3 茄科蔬菜在水葫芦育苗基质上的育苗结果

番茄、辣椒和茄子3种茄科蔬菜在基质A、B、C中育苗50 d后，其出苗率（表3、图1～图3）表明，番茄、辣椒在基质A的出苗率分别为90.33（±1.15）%、95.00（±1.73）%，与在基质C的出苗率基本一致，差异不显著，但显著高于基质B。基质A与C的一致性也体现在茄子的出苗率上，二者分别为95.67（±1.53）%和96.00（±1.00）%，两者差异不显著，但显著低于其在基质B上的出苗率97.33（±1.15）%。

采用基质A、B、C繁育番茄、辣椒和茄子3种茄科蔬菜幼苗50 d后，同种基质的幼苗株高、鲜重和干重具有一致性，而不同基质间具有极显著差异，株高、鲜重和干重在3种不同基质上的顺序依次均为基质C＞基质A＞基质B（表3、表4）。

从图4～图6可以看出，番茄、辣椒和茄子3种茄科蔬菜在基质A、B、C上育苗50 d后，3种幼苗在基质C上根系发达，基质包被完整，根系密度不亚于其在基质A上的生长情况，但显著优于基质B（仅观测）。

表3 3种茄科蔬菜种子在不同基质中育苗50 d的出苗率及株高Table3 Seedling emergence rate and plant height of three solanaceous seeds after 50 days of seedling raising in different substrates

表4 3种茄科蔬菜在不同基质中育苗50 d后的鲜重及干重（g）Table4 Fresh weight and dry weight of three solanaceous vegetables after 50 days of seedling raising in different substrates (g)

图1 番茄在不同基质上育苗生长情况（50 d）Fig.1 Growth of tomato seedling in different substrates (50 d)

图2 辣椒在不同基质上育苗生长情况（50 d）Fig.2 Growth of pepper seedling in different substrates (50 d)

图3 茄子在不同基质上育苗生长情况（50 d）Fig.3 Growth of eggplant seedling in different substrates (50d)

图4 茄子在不同基质上育苗根系生长情况（50 d）Fig.4 Root growth of eggplant seedlings in different substrates (50 d)

图5 番茄在不同基质上育苗根系生长情况（50 d）Fig.5 Root growth of tomato seedlings in different substrates (50 d)

3 讨论

由于水葫芦具有强大的繁殖能力、环境耐受能力及竞争力等生物学特性，加上失去天敌限制等原因，尽管经过多年治理，珠三角区域乃至全国仍存在大量水葫芦。其资源化利用的报道很多，然而由于鲜水葫芦含水量大，城市打捞的水葫芦含有一定量的玻璃瓶、塑料瓶、泡沫等垃圾，导致其前处理成本高。加上水葫芦资源化利用产品价值不高，商业化开展水葫芦资源化利用难以为继，因而还没有打捞水葫芦资源化利用成功的商业化案例。

图6 辣椒在不同基质上育苗根系生长情况（50 d）Fig.6 Root growth of pepper seedlings in different substrates (50 d)

本研究结果表明，发酵前风干水葫芦N、P、K总含量为13.06%，发酵后为10.36%，总养分流失约20%。这一结果与唐薇等［26］关于秸秆腐熟前后氮磷钾养分变化的研究类似，尽管如此，水葫芦发酵物中N、P、K养分之和仍超过有机肥料国家农业行业标准NY 525-2012最低要求的2倍，且含钾量平均高达7.87（±0.40）%，有机质含量达55.60（±1.26）%。发酵后，铅、砷、铬、镉和汞等5种重金属含量则均有升高，升高范围为23.09%～38.52%，但各重金属元素含量并未超标，为NY 525-2012标准最高限量的1.25%～13.33%。黄东风等［27］利用干水葫芦与干稻草按31.75∶5的比例配制发酵原料，通过添加纤维素分解菌或不添加微生物的自然发酵制得的有机肥N、P、K含量总和为11.22%～11.42%，其中钾含量为6.89%～6.98%、有机质含量为48.25%～49.88%。若以有机肥料国家农业行业标准NY 525-2012评价本研究中的水葫芦发酵物，可以发现本研究获得的水葫芦发酵物与黄东风等［27］利用水葫芦和稻草混合自然发酵物相比，N、P、K养分之和较其低8.48%，但有机质含量比其高出15%，钾含量较其高12.75%。这反映出水葫芦是一种高有机质含量、高养分含量尤其是高钾含量的有机肥原料。然而，由于市场上利用动物排泄物为主要原料生产的有机肥价格为700～1 200元/t，水葫芦从打捞到制成有机肥需经过打捞、运输、分拣、粉碎、晾晒、发酵等步骤，以广州所在的珠三角为例，其成本至少1 400元/t以上。例如，根据本研究测得的水葫芦含水量93.58%～96.14%，可计算出即使打捞水葫芦不含玻璃瓶、废旧塑料等垃圾，每运输1 t水葫芦干物质至少需要15.58 t鲜水葫芦，按广州市垃圾车专业承运价格32～35元/t计，则仅运输1 t干物质至发酵地点的运费就498元。因而，尽管打捞水葫芦可以制作优质有机肥，但利用打捞水葫芦生产有机肥成本高，没有市场竞争力，所以作为优质有机肥生产原料的打捞水葫芦的普遍采用垃圾填埋的处理方式，而非利用其生产有机肥。为此，本研究继续探索了提高水葫芦资源化利用价值的途径。

采用番茄、辣椒和茄子3种茄科蔬菜作物在3种试验基质上育苗50 d，3种茄科蔬菜种子在基质C与基质A上的出苗率具有较高一致性，差异不显著，而番茄和辣椒在基质B上的出苗率显著低于基质A和基质C，茄子在基质B上的出苗率则显著高于基质A和基质C；3种茄科蔬菜种子在基质A与基质C上根系生长均良好、基质包被完整，从外观看，辣椒和茄子根系在基质C上的生长情况略好于其在基质A上的情况，并明显好于基质B；幼苗株高、鲜重及干重方面，3种茄科蔬菜在同种基质上具有很高的一致性，不同基质上则有极显著差异，其大小顺序依次均为基质C＞基质A＞基质B。上述结果表明水葫芦发酵物可以替代优质泥炭土用来制作番茄、辣椒和茄子的优质育苗基质。

目前，市场上优质的蔬菜育苗基质价格为0.5～0.8元/L，若将利用水葫芦生产的含水量为30%的优质有机肥加工成上述基质，则有机肥市场价格为1 750～2 800元/t，超过普通有机肥价格的2倍。

4 结论

打捞水葫芦可以作为高有机质、高养分含量尤其是高钾有机肥制作原料，利用该原料发酵生产的有机肥有机质含量达55.60（±1.26）%，N、P、K养分含量之和达10.36（±0.29）%，其中钾含量可达7.87（±0.40）%，铅、砷、铬、镉、汞5种重金属含量均符合有机肥行业标准限量要求，但在无补贴条件下，利用打捞水葫芦生产的有机肥成本高出市场售价，无法商业化运作。以打捞水葫芦发酵物与珍珠岩、蛭石按3∶1∶1比例混合制成的育苗基质养分高、无重金属污染，育番茄、辣椒和茄子苗效果好，与优质泥炭土源基质的育苗效果一致甚至更好。利用打捞水葫芦可以生产出优质茄科蔬菜作物育苗基质，该类育苗基质的市场价格一般高出普通有机肥市场价格1倍以上，且生产成本与利用水葫芦制作有机肥几乎相同，因而可大幅提高打捞水葫芦资源化利用价值，同时可减少垃圾填埋量和对不可再生资源泥炭土的掠夺性开采。