农村坑塘沟渠三种优势植物生态效益比较研究

刘海荣 张春锋 史滟滪 孙毓蔓 齐立海 刘培辉

摘    要：隨着面源污染的加重及乡村振兴战略的提出，人们更加重视农村的生态环境建设。植物是环境生态效益发挥的主要影响因素，在农村生态环境建设过程中，植物种类应用的选择显得尤为重要。本研究以农村坑塘沟渠常见的3种优势适生植物香蒲（Typha orientalis）、芦苇（Phragmites australis）、水蓼（Polygonum hydropiper）为研究对象，通过3种植物总氮、总磷富集能力的比较研究，为坑塘沟渠绿化植物选择提供参考。试验结果表明：单位土地面积内3种植物富集总磷的能力为香蒲>水蓼>芦苇，富集总磷的量分别为2.90，2.31，0.52 g·m-2;单位土地面积内3种植物富集总氮的能力为香蒲>水蓼>芦苇，富集总氮的量分别为11.82，8.13，4.17 g·m-2。在开展农村生态环境建设改造时，可根据该研究结果和坑塘沟渠现状特点，选择合适的植物。若想降低坑塘沟渠土壤总磷和总氮含量，可优先选用香蒲作为主要绿化植物。

关键词：坑塘沟渠;优势植物;生态效益

中图分类号：S633.4         文献标识码：A          DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2021.12.013

Comparative Study on Ecological Benefits of Three Dominant Plants in Rural Pits， Ponds and Ditches

LIU Hairong1， ZHANG Chunfeng2， SHI Yanyu1， SUN Yuman1， QI Lihai2， LIU Peihui3

（1. College of Horticulture and Landscape Architecture，Tianjin Architectur College， Tianjin 300392，China; 2. Tianjin Customs District P.R.CHINA，Tianjin 300341，China; 3. Tianjin Garden Construction Engineering Supervision Co.Ltd， Tianjin 300384，China; 4. Tianjin Huicheng Landscaping Engineering Co. Ltd， Tianjin 300384，China）

Abstract： With the aggravation of non-point source pollution and the proposal of Rural Revitalization Strategy， people pay more attention to the construction of rural ecological environment. Plants are the main influencing factors of environmental and ecological benefits. In the process of rural ecological environment construction， the selection of plant species is particularly important. In this study， three dominant suitable plants， Typha orientalis， Phragmites australis and Polygonum hydropiper， which were common in rural pits， ponds and canals， were taken as the research objects. Through the comparative study of the enrichment capacity of total nitrogen and total phosphorus of the three plants， it provided a reference for the selection of greening plants in pits， ponds and canals. The results showed that the enrichment capacity of total phosphorus of the three plants in unit land area was Typha orientalis>Polygonum hydropiper>Phragmites australis， and the enrichment amounts of total phosphorus were 2.90， 2.31 and 0.52 g·m-2 respectively. The total nitrogen enrichment capacity of the three plants in unit land area was Typha orientalis>Polygonum hydropiper>Phragmites australis. The total nitrogen enrichment amounts were Typhao rientalis 11.82， 8.13， 4.17 g·m-2 respectively. When carrying out the construction and transformation of rural ecological environment， appropriate plants can be selected according to the research results and the current characteristics of pits， ponds and ditches. If you want to reduce the content of total phosphorus and total nitrogen in pit， pond and ditch soil， Typha orientalis can be preferred as the main greening plant.

Key words： ponds and ditches; dominant plants; ecological benefits

收稿日期：2021-06-27

基金项目：天津农学院科学研究发展基金计划项目（20190102）;天津市科技计划项目（20YDTPJC01910）;天津市科技计划项目（20YDTPJC00590）

作者简介：刘海荣（1982—），女，黑龙江齐齐哈尔人，讲师，主要从事园林植物应用方面研究。

农田周围的坑塘沟渠是农田重要的灌排水设施，其作为河流入水与农田排水的“源与库”，是联系农田和河湖的纽带[1]。坑塘沟渠及其植物分布广、面积大，在涵养水源、固碳释氧降温增湿、净化大气环境、消除农业面源污染等方面具有显著的生态价值[2-4]，是农业环境污染治理常用的生态技术措施之一[5]。近年来，学者对植物去除土壤及水中氮磷能力进行了大量研究：刘俊红[6]比较了3种类型人工湿地对富营养化水体的净化效果;肖广敏[7]以菖蒲、鸢尾、芦苇、香蒲等4种植物为试材，比较了4种植物在不同时期对污水中NH4 + -N和全磷（total phosphorus，TP）的净化效果;刘明文等[8]以苦草、菖蒲和凤眼莲为研究对象，对3种水生植物及其组合吸收去除水中氮磷进行比较。已有研究成果针对湿地植物去除氮磷效果的研究较多，而这类研究多数采用实验室模拟野外生境方式进行研究，研究结果缺少自然环境因素的综合影响。总体来说，采用野外实地环境对农村坑塘沟渠优势适生植物生态效益进行研究的较少。

本研究选择天津市西青区大柳滩村周边的坑塘沟渠为试验地点，以3种常见的优势适生植物香蒲（Typha orientalis）、芦苇（Phragmites australis）、水蓼（Polygonum hydropiper）为研究对象，对3种植物富集总氮和总磷能力进行比较研究，期望以此研究结果指导农村坑塘沟渠绿化植物选择，为充分发挥植物在改善和保护生态环境中的作用，提高环境治理水平提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

大柳滩村天津市西青区杨柳青镇北部（39°15′N，116°95′E），与北辰、武清、河北霸州接壤;属暖温带半湿润季风性气候，四季气候分明，春季多风，干旱少雨;夏季高温，降雨量多;秋季凉爽，冷暖适中;冬季寒冷，干燥少雪;土壤构型复杂，沉积层次明显，土壤剖面有明显的锈纹锈斑，地下水位高，形成盐化潮土;大柳滩村周边坑塘沟渠众多，植物丰富。本试验在7—8月进行，此时间段为天津的雨季，坑塘沟渠有一定水量。将坑塘沟渠内的水带回实验室进行检测，发现试验地坑塘沟渠内水的总磷含量为1.83 mg·L-1，总氮为2.64 mg·L-1，总磷>0.4 mg·L-1，总氮>2 mg·L-1，地表水环境质量标准（GB 3838-2002）Ⅴ类水基本项目标准限制，总磷≤0.4 mg·L-1，氨氮≤2 mg·L-1，所以试验地点的水质为劣Ⅴ类水。对沟渠内的表层土壤总磷总氮、含量进行测定，分别为15.53，8.24 mg·g-1，沟渠内土壤营养丰富。

1.2 试验材料

在前期对天津市西青区大柳滩村周围坑塘沟渠现有植物种类和生长状况进行调查研究的基础上开展植物现状分析，根据植物出现的频率和重要值等综合特征，该研究选取了3种优势适生植物香蒲（Typha orientalis）、芦苇（Phragmites australis）、水蓼（Polygonum hydropiper）作为试验材料，供试植物均为未经人工培育的野生植物。

1.3 试验设计

2020年8月中旬，在植物旺盛生長季，在大柳滩周边的坑塘沟渠分别选择每种植物长势较好、盖度较高、密度较大、高度均匀一致、种群较为单一、面积大于1 m2的植物斑块作为研究对象，取1 m×1 m作为一个标准样方，每种植物取5个样方，对地上部分全部进行收割，剔除其他杂草，5个样方均匀混合后，称取鲜质量取平均值，作为该植物一个样方的鲜质量。然后将植物带回实验室，于105 ℃杀青0.5 h，80 ℃烘干至恒质量，称取烘干后的植物质量，并计算该植物单位土地面积的生物量，单位“g”。另外选取5个样方，摘取样方内植物的全部叶片，带回实验室，称取植物叶片的鲜质量，并采取前述方法进行烘干处理，称取烘干后的叶片重量，并计算单位土地面积内植物叶片的生物量，单位“g”。

将所有烘干后的植物全株及叶片分别进行粉碎过0.15 mm筛，采用钼酸铵分光光度法（GB11893-89）测定其总磷含量，单位“mg·g-1”;采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法（GB11894-89）测定总氮含量，单位“mg·g-1”。结合单位土地面积的全株生物及叶片生物量计算种植单位土地面积该植物可以携出的总磷和总氮的量，单位“g·m-2”。

1.4 数据计算及统计分析

单位土地面积植物去除总磷的量（g·m-2）=生物量（g）×全株总磷含量（mg·g-1）/1 000

单位土地面积植物去除总氮的量（g·m-2）=生物量（g）×全株总氮含量（mg·g-1）/1 000

试验数据采用SPSS 2018软件进行整理分析。2 结果与分析

2.1 3种植物生物量比较研究

植物地上生物量作为生态系统生产力的主要组成部分，是研究生态系统物质循环、能量流动的物质基础，也是评价生态系统结构与功能的重要参数[10]。本研究中，香蒲单位土地面积地上部分的生物量为765.23 g·m-2，芦苇为238.09 g·m-2，水蓼为309.83 g·m-2。香蒲单位土地面积地上部分的生物量显著高于芦苇和水蓼（P<0.01），香蒲是芦苇的3.21倍，芦苇和水蓼差异不显著。同一植物在不同地区或不同植物在同一地区，由于生长环境的不同或群落植物的相互影响，生物量差异明显[11]。

2.2 3种植物富集总磷能力比较研究

叶片总磷含量最大的是水蓼为5.69 mg·g-1，其次为香蒲3.92 mg·g-1，最小的是芦苇为3.45 mg·g-1，水蓼叶片总磷含量显著高于香蒲和芦苇（P<0.05），香蒲和芦苇差异不显著（P<0.05）。全株总磷含量最大的是水蓼为7.45 mg·g-1，其次是香蒲为3.79 mg·g-1，最小的是芦苇为2.17 mg·g-1，水蓼全株总氮含量显著大于香蒲和芦苇，水蓼是芦苇的3.43倍，香蒲与芦苇差异不显著。水蓼全株总磷含量高于叶片总磷含量，说明水蓼茎中总磷的含量大于叶片。芦苇整株总磷的含量小于叶片总磷的含量，说明芦苇叶片生长需要大量的磷，香蒲整株总磷含量和叶片总磷含量相差不大，这与黄晓艺等的研究结果：芦苇和香蒲总磷在茎中的储存量大于在叶片中的储存量不同[9]，这可能与调查时间不同有关。为达到最好的总磷携出效果，芦苇和香蒲应该在叶片枯萎前进行收割。

结合全株总磷含量及单位土地面积地上部分的生物量，可计算出单位土地面积内3种植物可以富集的总磷的量。其中香蒲可富集总磷2.90 g·m-2，芦苇可富集0.52 g·m-2，水蓼可富集2.31 g·m-2，香蒲是芦苇的5.6倍，二者差异显著（P<0.01），香蒲和水蓼差异不显著（P>0.05），富集总磷的能力为香蒲>水蓼>芦苇。水蓼虽然叶片及整株总磷含量在3种植物中含量是最大的，但是因其生物量较小，单位土地面积富集总磷的量并不大，说明在进行坑塘沟渠绿化植物选择时，植物地上部分的生物量是我们不能忽视的重要指标。

2.3 3种植物富集总氮能力比较研究

3种植物叶片的总氮含量水蓼最高为74.02 mg·g-1，其次是芦苇为50.40 mg·g-1，香蒲为30.86 mg·g-1，水蓼叶片总氮含量显著高于香蒲，水蓼叶片总氮含量是香蒲的2.4倍，3种植物叶片总氮含量差异显著（P<0.01）。全株总氮含量水蓼最高为26.24 mg·g-1，其次是芦苇为17.50 mg·g-1，最低的是香蒲为15.45 mg·g-1，3种植物全株总氮含量差异显著（P<0.01）。3种植物叶片的总氮含量均高于全株总氮含量（P<0.01），说明3种植物总氮主要在叶片中进行富集。

利用3种植物全株总氮含量，结合3种植物单位土地面积地上部分的生物量获得3种植物在单位土地面积内富集总氮的量。其中香蒲为11.82 g·m-2，芦苇为4.17 g·m-2，水蓼为8.13 g·m-2，香蒲富集的总氮是芦苇的2.83倍，3种植物单位土地面积内富集的总氮量差异显著（P<0.01），富集总氮的能力为香蒲>水蓼>芦苇。

相关分析表明，单位土地面积内植物富集总氮总磷的量与全株植物总氮总磷的含量及生物量呈显著正相关（P<0.01），因此在进行植物选择时，可选择生物量大且全株总氮总磷含量较高的植物作为去除氮磷的先锋植物。余红兵等[12]对水生植物的氮磷吸收能力及收割管理进行研究，发现多次收割总氮、总磷去除量均是单次收割的几倍，其变化范围为3.62～6.72倍。因此，为达到最好的总氮总磷去除效果，均需在3种植物落叶前对其地上部分进行收割，或在旺盛生长季进行多次收割。

3 结论与建议

3.1 结论

本研究利用收割法研究三种植物富集环境中总氮总磷能力，得出以下结论：

（1）单位土地面积地上部分的生物量香蒲为765.23 g·m-2，芦苇为238.09 g·m-2，水蓼为309.83 g·m-2。香蒲的生物量显著高于芦苇和水蓼（P<0.05），且香蒲是芦苇的3.21倍，芦苇和水蓼差异不显著。

（2）单位土地面积上富集总磷香蒲为2.90 g·m-2，芦苇为0.52 g·m-2，水蓼为2.31 g·m-2，富集总磷的能力为香蒲>水蓼>芦苇。

（3）单位土地面积上富集总氮香蒲为11.82 g·m-2，芦苇为4.17 g·m-2，水蓼为8.13 g·m-2，香蒲富集总氮能力是芦苇的2.83倍，单位土地面积3种植物富集总氮能力为香蒲>水蓼>芦苇，且差异显著（P<0.05）。

3.2 建议

一些植物通过自身生长吸收、或通过微生物与环境共同作用来固定截留或通过加速氮磷交换等方式可以去除土壤及水体中的氮磷，发挥出生态修复的作用。由于不同植物生理特性不一样，所以植物的固碳释氧、降温增湿的能力、去除氮磷的能力也不一致。

（1）香蒲作为乡土植物具有生长速度快、适应性强、繁殖容易等特点，是生态修复的先锋植物，在消除土壤及水体中氮磷等污染物上具有很大的潜力，在以改善坑塘沟渠氮磷总体环境为目的植物选择时，可优先选择该植物。

（2）栽培管理技术直接影响生态修复效果。坑塘沟渠周边的香蒲、芦苇、水蓼等植物可大量吸收富集环境中的总氮和总磷，通过收割这些植株可有效去除土壤及水体中的磷氮污染。同时，要注意在落叶前对其进行收割，避免植株地上部分或者地下根系腐烂造成土壤及水体的二次污染。

参考文献：

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