3种植物对池塘养殖水体的净化效果研究

董贯仓 孙鲁峰 杜兴华 师吉华 王亚楠

( 山东省淡水渔业研究院，250013，济南 )

淡水池塘养殖是我国传统的养殖模式和目前主要的渔业生产方式[1]，但过度追求高产往往造成水体氮、磷等营养物质积累，进而引起水体富营养化乃至水质恶化和病害的发生，并且尾水的排出还可能加剧周边区域的水体富营养化[2,3].因而，采取必要措施控制养殖污染并对水环境进行修复，是实现渔业健康发展和水资源可持续利用的重要保障.目前，池塘养殖水体净化处理主要有物理、化学和生物净化方法，生物净化作为最“绿色环保”的养殖尾水处理技术，具有成本低、效果好及不会造成二次污染等优点，被广泛关注并应用于水环境修复[4，5].而在水环境的生物净化处理技术途径中，大型水生植物在生长和营养繁殖过程中，能依靠根系从池塘水体中吸收营养物质，从而降低水体中营养物质的浓度[6，7]，且通过其收割可将营养物质带出水体以达到修复水体系统的目的[8].其中，适宜的水生植物是影响净化效果的关键因素，已有研究中因凤眼莲(Eichhorniacrassipes)对养殖尾水的净化效果显著[9，10]及空心菜(Ipomoeaaquatica)同时还具有一定的经济价值[6, 11，12]而得到较多应用.但是，诸如凤眼莲因是外来种且具有爆炸式的繁殖速度，许多生态学者在应用过程中存在颇多顾虑.而水鳖(Hydrocharisdubia)作为本研究区的土著水生植物，同时也是一种分布广泛的水生植物，其对环境的适应能力强，但国内未见水鳖对养殖水体净化效果的研究报道.故而，本研究拟通过水鳖与凤眼莲和空心菜对养殖水体净化效果的对比分析，以期为优化淡水养殖池塘生态浮床设置技术和促进渔业健康发展提供技术支撑.

1 材料与方法

1.1试验材料试验于山东省济宁市任城区1处约0.67 hm2的草鱼养殖池塘中进行，主养草鱼(Ctenopharyngodonidellus)并套养少量鲤鱼(Cyprinuscarpio)、鲢鱼(Hypophthalmichthysmolitrix)和鳙鱼(Aristichthysnobilis).试验共设置10个4×4×2.5 m的双面涂塑高密度聚乙烯编织布围隔，间距为2.0 m.试验期间平均水深1.5～1.7 m.试验用凤眼莲以市场采购并经越冬保种后扩繁、空心菜购自市场、水鳖采自附近水体，试验前1周先以带网浮床暂养于试验池塘.

1.2试验设计试验自2018年9月15日开始至10月9日结束，共历时24 d.试验共设置凤眼莲(FL)、低密度水鳖(SBI)、高密度水鳖(SBII)、空心菜(KC)和对照(RT)共5个处理，每处理设置2个重复.水生植物密布在1×1 m带双层网的PVC管浮床中并设置于试验围隔内，具体设置情况见表1.

表1 不同试验处理植物浮床的设置情况

1.3样品采集与测定试验期间，于植物浮床放置后即采集初始水样，随后于2、4、8、16和24 d采集每试验围隔的表层水样进行水质分析.水质监测指标中，水温(water temperature，WT)、溶解氧(dissolved oxygen，DO)、pH采用YSI-MP556型水质仪现场测定，其它指标如氨氮(NH4+-N)、亚硝氮(NO2--N)、硝氮(NO3--N)、总氮(TN)、活性磷酸盐(PO43--P)、总磷(TP)和高锰酸盐指数(CODMn)主要参照《水环境监测规范》(SL219-2013)中的方法分析测定.同时，参照《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)对水质状况进行分析与评价.

1.4数据处理与分析数据分析使用Office Excel 2010软件，单因素方差分析(one-way ANOVA)及Duncan事后多重比较采用SPSS 21.0软件，并以P<0.05作为差异显著性水平.

2 结果与分析

2.1试验水体理化状况试验期间，养殖水体水温介于18.1～24.9 ℃,并随时间推移逐渐下降(P<0.05)，各处理间无显著差异(P>0.05)；水体DO和pH则分别于6.43～9.54 mg/L和8.33～9.34间波动，相互间基本无显著差异(P>0.05).

2.2水体营养物质去除效果植物浮床设置后，不同植物处理组水体较对照组水体中营养物质去除效果均较显著(图1，P<0.05)，其中：试验期间，对照组水体氨氮含量逐渐下降，8 d后显著降低,且8、16和24 d显著低于0 d(P<0.05)，24 d最低为(1.55±0.07)mg/L,并较0 d降低29.07%，但仍属地表水V类水质并超III类标准55%；不同植物处理组水体氨氮均随时间推移显著下降(P<0.05)而后稍上升，于16 d降至最低且FL、SBI、SBII和KC对氨氮最大去除率分别为63.74%、56.27%、59.68%和64.31%(平均61.00%)，均达到地表水III类水质但相互间无显著差异(P>0.05)，之后氨氮有所升高且除FL外再次超出地表水III类标准；不同处理间，各浮床处理组水体氨氮含量自8 d后均显著低于对照组(P<0.05).

图1 不同处理水体中营养物质含量变化不同字母表示同一时间不同处理间在P<0.05水平上差异显著(下同).

试验期间，对照组水体亚硝氮先显著上升后逐步下降，至16 d和24 d显著低于0 d(P<0.05)，24 d最低为(0.21±0.01)mg/L,且较0 d降低20.59%；不同植物处理组水体亚硝氮亦先显著上升后逐步下降并于24 d有所上升，均于16 d降至最低,且FL、SBI、SBII和KC对亚硝氮最大去除率分别为74.06%、58.92%、63.25%和42.55%(平均59.69%)，并且FL显著优于KC(P<0.05)；不同处理间，SBII于4 d、FL和SBI于8 d及KC于16 d后亚硝氮含量均显著低于对照组(P<0.05).

试验期间，对照组水体TN含量整体呈下降趋势，且24 d显著低于0 d和2 d(P<0.05)，24 d最低为(5.38±0.33)mg/L较0 d降低13.60%，但仍属地表水劣V类水质并超III类标准438%；不同植物处理组水体TN均先显著下降(P<0.05)而后稍上升，于16 d降至最低且FL、SBI、SBII和KC对TN最大去除率分别为57.72%、51.68%、52.53%和53.77%(平均53.93%)，但也属地表水劣V类水质且相互间无显著差异(P>0.05)；不同处理间，各浮床处理组水体TN含量自4 d后均显著低于对照组(P<0.05).

试验期间，养殖水体TP含量均属地表水III类水质；对照组水体TP先下降后上升但相互无显著差异(P>0.05)，8 d含量最低为(0.13±0.00)mg/L较0 d降低8.12%；不同植物处理组水体TP先显著下降(P<0.05)而后稍上升，FL与SBII于8 d和SBI与KC于16 d降至最低且FL、SBI、SBII和KC对TP最大去除率分别为32.37%、21.67%、27.35%和24.79%(平均26.54%)，除8 d外相互间无显著差异(P>0.05)；不同处理间，FL与SBII于8 d和SBI与KC于16 d后TP含量均显著低于对照组(P<0.05).

2.3水体CODMn去除效果试验期间，对照组水体CODMn含量整体呈下降趋势，24 d较0 d最高显著降低20.23%达到(6.76±0.36)mg/L(P<0.05)，属地表水IV类水质并超III类标准12.63%；不同植物处理组水体CODMn显著下降(P<0.05)而后稍上升，于16 d降至最低且FL、SBI、SBII和KC最大去除率分别为51.67%、46.00%、46.88%和49.04%(平均48.40%)，均达到地表水III类水质但相互间无显著差异(P>0.05)，之后有所升高且SBI、KC显著升高(P<0.05)；不同处理间，各浮床处理组水体CODMn含量自8 d后均显著低于对照组(P<0.05).

3 讨 论

池塘养殖水体中，过高的氨氮和亚硝酸盐对养殖鱼类具有较强的毒害作用，还可能引起免疫力下降进而导致病毒入侵[13,14].因而，控制养殖水体的氨氮和亚硝酸盐含量是池塘养殖的重要管理环节.本研究中，养殖水体初始氨氮属地表水劣V类，对照组虽经自身净化降低29.07%，但仍属V类水质，而亚硝氮经自身净化降至0.21 mg/L亦处于较高水平；在不同植物处理组，16 d氨氮和亚硝氮均降至最低分别为0.87 mg/L和0.11 mg/L，最大去除率达61.00%和59.69 %，氨氮属地表水III类水质且亚硝氮处于相对安全的水平(图1).杨玲等[9]研究发现，凤眼莲可去除东平湖鲤池塘养殖水体中81.4%的氨氮和70.8%的亚硝氮.李姣等[10]研究则发现，水葫芦对加州鲈养殖池塘水体中氨氮最大去除率为60.9%，池塘中某些因子影响了水葫芦对亚硝酸盐的降解效果.张志山等[11]研究则表明，空心菜可去除东平湖鲤池塘养殖水体中80.4%～82.2%的氨氮和81.5%～88.0%的亚硝氮.与之相比，本研究中不同植物对养殖水体氨氮的最大去除率与加州鲈池塘相当而稍低于东平湖鲤养殖水体，对亚硝氮存在明显的净化效果但最大去除率较东平湖鲤养殖水体亦较低，一方面可能是由于本研究实施季节稍晚影响了植物生长，另一方面则可能与本研究中养殖水体中营养物质本底值太高有关.

同时，池塘养殖过程中由于饵料残渣和养殖动物排泄物的存在，池塘水体多富含氮磷等营养物质.生物浮床运用水上栽培技术，通过植物的直接吸收及根系的吸附等功能，将水体中氮磷等营养物质转化为植物体从而实现对养殖水体的净化调控[6,7].本研究中，养殖水体初始TN(6.14 mg/L)属地表水劣V类，至试验末对照组TN虽显著降低但仍属地表水劣V类，而TP一直属III类水质；不同植物处理对养殖水体TN、TP的净化效果均显著(P<0.05)，其中凤眼莲、水鳖和空心菜处理水体TN均于16 d降至最低，其对TN最大去除率分别为57.72%、52.11%和53.77%及对TP的最大去除率分别为32.37%、24.51%和24.79%(图1).与李姣等[10]研究水葫芦去除了加州鲈养殖水体59%的TN及对TP影响不大、杨玲等[9]研究凤眼莲去除东平湖鲤养殖水体中59.4%的TN和73.6%的TP及张志山等[11]研究空心菜去除东平湖鲤养殖水体中54.7%～56.9%的TN和91.4%～92.6%的TP相比，本研究对TN的去除效果与上述研究相当，而对TP的去除效果优于加州鲈池塘而显著低于东平湖鲤池塘.本试验中植物浮床对TP去除率偏低，一方面可能是由于本研究水体长期处于磷限制状态，并且水体TP含量稍低于杨玲等研究水体并大大低于张志山等研究水体；另一方面，研究池塘为淤泥质底质，底泥中的腐殖质能向水中提供营养物质从而实现对水体的施肥影响[15]，可能也在一定程度上掩盖了植物对水体中TP的降解效果.

另外，CODMn作为衡量水体中有机物质多少的指标，直接影响着养殖鱼类的生长.本研究中，养殖水体初始CODMn属地表水IV类水质且超III类标准36.83%，对照组经自净至24 d显著降低20.23%，但仍超III类标准12.63%；在不同植物处理下，水体CODMn均于16 d降至最低并达到地表水III类水质，其中凤眼莲、水鳖和空心菜对CODMn的最大去除效率分别为51.67%、46.44%和49.04%.徐芳等[16]对几种禾草对水体的净化效果研究表明，处理20 d供试植物对COD的去除率达到59%以上.王春雪等[17]研究发现沟塘系统对稻田退水的COD 净化率为28.91%～51.77%.与之相比，本试验不同植物对养殖水体CODMn的最大去除率介于两者之间.徐芳等[16]试验水体COD属地表水劣V类水质，本试验CODMn则由IV类逐步降到III类，而王春雪等[17]研究沟渠水体COD则为II-III类，该差异可能与试验水体中有机质含量的本底值有关.周玥等[18]研究即发现,湿地植物对高浓度污水中COD的净化效果优于低浓度污水.

此外，研究中生态浮床种植水鳖对养殖水体的主要营养物质均具有良好的净化效果，并且本研究中与目前较多使用的凤眼莲[9,10]和空心菜[11]对养殖水体的净化效果基本无显著差异(图1、图2)，可见本地种水鳖可以选为养殖净水用浮床植物；而在本研究中，两种覆盖面积的水鳖处理间对水体营养物质的最大去除率却无显著差异，可能较高的覆盖率影响了水下光照，并通过影响水体生态系统构成从而影响了水体的自净能力.同时，试验中对照组水体营养物质含量多以24 d最低，而不同植物处理组水体多数营养物质则在16 d最低且于24 d显著升高(图1、图2).试验末植物处理水体TN、TP等营养物质含量的上升，一方面试验过程中水温存在逐步下降的趋势，可能随水温降低植物净化功能减弱；另一方面秋季植物枯枝烂叶因腐烂或微生物作用进入水体[19]，该结果也与生态湿地净化功能的季节变化相符[20].本试验实施末，植物浮床中植物生物量较大且存在枯黄衰败现象，水体中营养物质含量的上升可能与试验实施时间较晚及水生植物快速生长后未进行及时收割处理有关.由此可见，本地植物水鳖对池塘养殖水体亦具有较好的净化效果，而植物浮床技术不会造成二次污染的优点是建立在对植物体适时移除的基础之上，渔业生产中在浮床的使用操作中当注意对植物体的适时收获或收割.

图2 不同处理水体中CODMn含量变化

从总体看，科学利用生态浮床可有效减轻养殖水体的富营养化问题，本研究表明了本地植物水鳖可作为净水用生态浮床的备选植物；同时，对植物体适时的移除是实现浮床技术不造成二次污染优点的基础，特别在秋末更应加强对浮床植物的收获管理.但是，养殖池塘中植物生态浮床与净化水体的量化配比、培植植物收割时机的选择与养殖水体水质的关系及其管理技术，还有待于实践中进一步的验证和改进.