水芹对畜禽养殖废水中9种元素的累积能力及其生物修复潜力

赵慧君，姚东瑞，孙林鹤，崔 键，常雅军，*，曹建军

(1.西北师范大学 地理与环境科学学院，甘肃 兰州 730070； 2.江苏省中国科学院植物研究所，江苏 南京 210014； 3.江苏省水生植物资源与水环境修复工程研究中心，江苏 南京 210014)

我国是全球最大的畜禽生产国，畜禽养殖业是我国农业经济的重要支柱产业[1-2]。畜禽养殖废水是畜禽养殖场产生的尿液、全部粪便或残余粪便，及饲料残渣、冲洗水和工人生活生产过程中产生的废水的总称[3]。在我国，畜禽养殖废水排放具有“排量大、污染负荷高、达标水平低”的特点，其治理面临着处理质量、处理效率与运营成本相互制约的瓶颈。畜禽养殖废水若得不到有效治理，既制约我国畜禽养殖业的可持续发展，又会引起养殖区附近水域水体富营养化[4-5]。但从资源循环利用的视角来看，畜禽养殖废水可为水生经济植物的生长提供多种必需元素，其中，碳是植物生理生化过程的底物与能量来源，氮、磷是植物体内蛋白质和遗传物质的重要组成元素，钾、钙、钠、镁等对植物生长代谢具有重要的调节作用[6-7]。

人工湿地作为污水处理领域的绿色技术，因具有缓冲容量大、成本低和环境友好的特点而备受青睐[8-9]。湿地植物是人工湿地中最明显的生物特征，但其在人工湿地中的应用效果通常会受到生长季节、生物量、吸收净化能力，以及资源化利用等问题的限制[10-13]；因此，湿地植物的筛选与科学应用，作为确保湿地系统稳定运行的前提条件，近年来已成为生态环境研究的热点之一[14]。

植物的生态化学计量比(C∶N、C∶P和N∶P)是研究植物适应特定环境的有效手段[15]。一方面，植物体内的C∶N与C∶P，既能反映植物对氮、磷的利用效率，又能表征植物有机体的生长速率，而N∶P则是判断限制植物生长的主要因子之一[16]；另一方面，植物在不同生长阶段对同一营养元素的吸收累积能力不同，导致其在不同生长阶段的生态化学计量特征具有差异，这也是植物调整生长速率与环境适应性的一种策略[17]。近年来，植物化学计量学特征研究大都集中在陆地生态系统的植物上面[18-20]，虽然也有研究者对水体中浮游植物与沉水植物的化学计量学特征做了研究[21-23]，但针对水生经济作物的相关研究仍相对较少。

水芹[Oenanthejavanica(Bl.) DC.]是伞形科水芹属多年水生宿根草本植物[24]。作者课题组在前期研究中筛选出了一种适宜对畜禽养殖废水进行生物修复的四季常绿水芹(该水芹具有四季常绿、抗寒、耐热、抗病虫能力强、生物量大的特点)，并开发出一套高效低耗的无基质漂浮湿地处理技术[25]。然而，该水芹对畜禽养殖废水的净化能力和机制尚不明确。为此，本研究以生长于畜禽养殖废水中漂浮湿地上的水芹为研究对象，对其不同生长阶段各器官9种元素(C、N、P、K、Ca、Na、Mg、Fe、Zn)的质量分数及其化学计量特征进行研究，分析其对上述元素的转运与累积能力和化学计量学特征差异，旨在为该水芹的环境修复和湿地应用提供基础试验数据，从而更好地实现畜禽养殖废水的资源化利用，以保障我国畜禽养殖业的可持续发展。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试水芹(金陵1号水芹)来源于江苏省宿迁经济技术开发区渔櫵种植专业合作基地，其适宜生长温度为5～30 ℃，可在-15～40 ℃存活。供试水芹的茎节间距相对较长，可一次种植多次收割，在江苏省一年可收割4～5茬。

1.2 试验设置与方法

1.2.1 水芹种植

水芹种植塘深度80 cm，面积100 m2，四周利用HDPE(密度聚乙烯)防渗膜做防渗处理。采用无性繁殖法，以浮床为载体，将长度18～22 cm、具有2～3个节点的老壮秆茎或匍匐茎作为水芹繁殖体，均匀摆放在1 m×1 m的浮床上，摆放密度以茎端繁殖体平铺摆满为宜，繁殖茎不宜伸到浮床外。

1.2.2 浮床构建

以直径3～4 cm的PVC管为构建框体，以网眼为1.5～2 cm的尼龙网或2 cm的网格塑料片为床体，竹竿十字交叉固定构建载体，制成规格为1 m×1 m的生态浮床。

1.2.3 生长水体

以化学需氧量(COD)206.33 mg·L-1、总氮(TN)77.86 mg·L-1、氨氮25.73 mg·L-1、总磷(TP)10 mg·L-1的畜禽养殖废水为生长水体。

1.2.4 试验设计

于2019年9—10月，在渔櫵种植专业合作基地，对生长于畜禽养殖废水中漂浮湿地上的幼苗期(10 d)、成长期(30 d)、成熟期(50 d)水芹进行采样。以长势良好、分布均匀的水芹种植区为采样点，随机选取3个样地，采集生长健壮的水芹整株带回实验室。挑选完整健康的植株，将根、茎、叶分开，105 ℃杀青1 h，于65 ℃烘至恒重，后用研磨仪(泰斯特FW100高速万能粉碎机，天津市泰斯特仪器有限公司)粉碎，研磨后的样品用自封袋包装并标记。共取得分处于3个发育阶段的根、茎、叶样本27份。

1.3 测试方法

将上述处理好的植物样品，在测定前再次置入烘箱65 ℃烘8 h，冷却后称样。植物有机碳(表征C)、氮、磷质量分数测定：采用重铬酸钾容量法测定有机碳质量分数；采用H2SO4-K2SO4-CuSO4-Se催化法消煮，用K9840-海能自动凯氏定氮仪(海能未来技术集团股份有限公司)测定N质量分数；用H2O2-H2SO4法消煮，钼锑抗比色法测定P质量分数。K、Ca、Na、Mg、Fe、Zn的质量分数用火焰原子吸收分光光度法(华洋AA2610型原子吸收分光光度计，佛山市华洋仪器有限公司)测定。

1.4 计算公式

用生物积累因子(BF)，即植物地下部(根)中某元素的质量分数与同一位点水体中该元素的质量分数的比，来反映植物从水体中积累养分的效率；用转运因子(TF)，即植物地上部(茎、叶)中某元素的质量分数与地下部(根)中某元素质量分数的比，来描述植物将该元素从地下部转运到地上部的能力；用元素积累指数(EAI)来评价植物养分积累的总体表现[26]，其计算公式为

(1)

式(1)中：N表示分析的元素种类，本文中为9；Ij代表元素j的子指标，以该元素质量分数的平均值与其标准差的比表示。

1.5 数据分析

采用Excel 2010和SPSS 26.0统计软件对水芹中各元素的质量分数数据进行处理与分析。对不同发育阶段水芹根、茎、叶的元素质量分数与生态化学计量比进行单因素方差分析，对有显著(P<0.05)差异的，采用最小显著性差异法(LSD)进行多重比较。用皮尔逊(Pearson)相关系数(r)反映所测指标间的相关关系。采用Origin 9.0软件做图。

2 结果与分析

2.1 水芹不同发育阶段9种元素的质量分数特征

以不同发育阶段采集的水芹样本的C、N、P质量分数的平均值表征水芹的C(542.46 g·kg-1)、N(41.35 g·kg-1)、P(7.03 g·kg-1)质量分数，其值均高于我国内陆水域水生植物C(369.70 g·kg-1)、N(25.89 g·kg-1)、P(3.28 g·kg-1)的平均质量分数[27]，亦高于南京湖泊中常见的6种水生植物叶片的C(520.31 g·kg-1)、N(21.01 g·kg-1)、P(3.05 g·kg-1)质量分数[28]，说明供试水芹有着较强的光合作用同化能力和碳储存能力，并对畜禽养殖废水中的N、P具有较强的固持能力。与富营养化水体修复中应用较多的凤眼莲[Eichhorniacrassipes(Mart.) Solms]相比，供试水芹的N、P累积量分别为165.90 g·m-2和119.70 g·m-2(表1)，高于凤眼莲修复水体时的氮、磷累积范围(N:11.04～144.90 g·m-2；P:0.93～36.10 g·m-2)[29-31]，尤其是其P累积量，较凤眼莲高出2.3倍以上，体现出供试水芹对P的高效利用与吸收潜力。

表1 水芹与凤眼莲对畜禽养殖废水氮磷的累积量对比Table 1 Comparison of N and P accumulation of water dropwort (Oenanthe javanica) and water hyacinth(Eichhornia crassipes)

供试水芹根、茎、叶中C、N、P的质量分数在不同发育阶段的变化趋势各异(图1)。根、茎中的C质量分数在幼苗期时最高，后随植物生长而显著(P<0.05)降低，但叶片中的C质量分数在幼苗期和成长期无显著差别，直到成熟期时才显著(P<0.05)下降。水芹根中的N、P质量分数随植物生长而显著(P<0.05)增加，而茎、叶中的N、P质量分数在幼苗期和成长期无显著变化，至成熟期时显著(P<0.05)升高。在各发育阶段，叶片中N的质量分数均高于同期根、茎中N的质量分数。

对不同发育阶段采集的水芹样本中其他6种元素的质量分数取平均值，从高到低依次为K(61.31 g·kg-1)>Na(6.11 g·kg-1)>Mg(5.12 g·kg-1)>Ca(2.59 g·kg-1)>Fe(0.08 g·kg-1)>Zn(39.86 mg·kg-1)。在不同发育阶段，供试水芹各器官中的K质量分数均表现为茎>叶>根(图2)，且茎、叶中的K质量分数均随水芹的发育而显著(P<0.05)增加，而根中却是先升后降，且各阶段差异显著(P<0.05)。在水芹生长的幼苗期，根中Ca质量分数最高(10.18 g·kg-1)，不仅显著(P<0.05)高于同期茎、叶中的Ca质量分数，且显著(P<0.05)高于其他发育阶段根中的Ca质量分数；各发育阶段，水芹茎、叶中的Ca质量分数始终无显著差异。随时间推进，水芹各器官的Na质量分数总体均呈先升后降趋势，至成长期时最高，且各器官中的Na含量始终以根中最高。供试水芹根中的Mg质量分数在幼苗期和成长期时无显著差别，至成熟期时显著(P<0.05)升高，茎、叶中的Mg质量分数随水芹发育呈先降后升的趋势，根、茎、叶中的Mg质量分数均至成熟期时达最大值，分别为7.44、6.04、6.43 g·kg-1。

同一器官各柱上无相同字母的表示不同发育阶段样本间差异显著(P<0.05)。下同。Bars marked without the same letters for the same organ indicated significant difference at P<0.05 within samples collected at different development stages. The same as below.图1 不同发育阶段水芹的C、N、P质量分数Fig.1 Mass fraction of C， N and P in water dropwort at different growth stages

图2 不同发育阶段水芹K、Ca、Na、Mg、Fe、Zn质量分数Fig.2 Mass fraction of mineral nutrition elements in water dropwort at different growth stages

相对于茎、叶来说，供试水芹根中的Fe质量分数在成熟期时显著(P<0.05)大幅增加，达到13.04 g·kg-1。与茎、叶相比，幼苗期时水芹根中的Zn质量分数最低，但至成熟期时，根中Zn质量分数显著(P<0.05)增加至75.69 mg·kg-1，约是茎、叶中Zn质量分数的2倍。

2.2 水芹对9种元素的生物累积与转运因子

BF可定量描述养分从水体/土壤向植物体内转移的情况，TF可体现养分从根部转移到茎、叶的能力。本研究中，通过对成熟期水芹的BF、TF值进行计算发现，供试水芹对N(3.27)、P(1.04)、K(1.26)、Fe(10.35)的BF值均大于1(表2)，表明供试水芹能够有效地将湿地水体中的氮、磷、钾、铁转移到自身组织中，但Ca、Na、Mg、Zn的BF值均小于1。对于不同元素来说，供试水芹将其从根部转运到茎、叶的能力有差异：P、K从根部转运至茎与叶的TF值(分别用TF-S和TF-L表示)均大于1，说明供试水芹将储存于根部的磷与钾转运至茎与叶的能力均较强。对比其他元素的TF-S和TF-L值可知：供试水芹将N、Ca、Fe从根部转运至叶片的能力要强于转运至茎的能力；而从根部向茎、叶转运Na、Mg、Zn的能力相近，且其TF值均小于1。

表2 水芹成熟期各元素的生物积累因子与转运因子Table 2 Bioaccumulation factor (BF) and translocation factor (TF) of elements at mature stage of water dropwort

从成熟期各器官的EAI来看，叶片对养分元素的综合积累效应显著(P<0.05)高于茎和根(图3)，但茎和根的差异不显著，说明供试水芹叶片对环境水体中多种营养元素的综合积累能力强于根和茎。

图3 水芹成熟期的元素积累指数(EAI)Fig.3 Element accumulation index (EAI) of water dropwort at mature stage

2.3 水芹不同发育阶段各器官化学计量学特征及其与相应元素的相关性

供试水芹在整个发育过程中，根、茎中的C∶N、C∶P、N∶P逐渐降低(图4)，在幼苗期时最高，与成熟期时差异显著(P<0.05)；而叶片中的C∶P、N∶P始终无显著差异，C∶N在幼苗期和成长期无显著差异，至成熟期时显著(P<0.05)降低。

图4 不同发育阶段水芹各器官的化学计量学特征Fig.4 Stoichiometric characteristics ofwater dropwort at different development stages

对不同发育阶段水芹C、N、P的质量分数均值与其化学计量学特征进行相关性分析(表3)：各发育阶段供试水芹的C∶N与C质量分数均无显著相关性。幼苗期时，C∶N与N质量分数呈极显著(P<0.01)负相关；成长期时，C∶N与N质量分数呈显著(P<0.05)负相关；成熟期时，C∶N与N质量分数无显著相关性。在成长期与成熟期时，供试水芹的C质量分数与C∶P均呈极显著(P<0.01)正相关。在幼苗期，供试水芹的N∶P与N质量分数无显著相关性；但在成长期和成熟期，两者均呈现极显著(P<0.01)正相关。在幼苗期，供试水芹的P质量分数与C∶P、N∶P均呈极显著(P<0.01)负相关；在成熟期，供试水芹的P质量分数与N∶P呈显著(P<0.05)负相关。不考虑发育阶段影响，分析不同器官中各元素质量分数的相关性(图5)，发现根中的C与N、P、Zn，Ca与K，Fe与Na间呈极显著(P<0.01)负相关，N与P、Mg、Zn，P与Mg、Zn，Fe与Mg间呈极显著(P<0.01)正相关。茎中仅有N与Mg呈极显著(P<0.01)正相关，而C与P、K，N与Ca、Na，Ca与Zn，Na与Mg间均呈极显著(P<0.01)负相关。叶片中N与P、Fe、Zn，Fe与Mg、Zn，P与Fe、Mg、Zn间呈极显著(P<0.01)正相关，而Ca与N、Fe间呈极显著(P<0.01)负相关。

表3 不同发育阶段水芹整株C、N、P含量与化学计量比的相关性Table 3 Correlation analysis of C， N， P content and stoichiometric ratio of water dropwort at different growth stages

3 讨论

漂浮湿地作为污水处理的绿色技术，兼顾生物、生态和自然法的特点，并因成本低和环境友好等优点而备受青睐。植物是湿地系统中最明显的生物特征，植物的筛选与应用是生态修复型湿地系统稳定、连续和高效运行的先决条件。本研究选用的水芹，是筛选出的适宜对畜禽养殖废水进行生物修复的四季常绿水芹。明确该水芹的生态化学计量学特征变化规律，及其对水体中N、P的吸收转运能力和修复潜力，对推进我国畜禽养殖废水的生物修复和资源化利用具有现实意义。

本研究表明，以畜禽养殖废水为生长基质的水芹，其体内C、N、P质量分数分别是我国内陆水域水生植物体内C、N、P质量分数的1.5倍、1.6倍和2.1倍，分别是西北干旱区水生植物C(396.85 g·kg-1)、N(23.21 g·kg-1)、P(1.46 g·

黑色表示负相关，颜色越接近黑色表示相关性越接近-1；灰色表示正相关，颜色越接近灰色表示相关性越接近1，由黑色到灰色表示r值从-1～1，白色表示无显著相关性。“R”代表根，“S”代表茎，“L”代表叶。Black means negative correlation， the closer the color is， the closer the correlation is to-1.Gray means positive correlation， the closer the color is， the closer the correlation is to 1.From black to gray means r value from-1 to 1， and white means no significant correlation.“R” stands for root， “S” stands for stem， and “L” stands for leaves.图5 水芹不同器官各元素质量分数的相关性Fig.5 Correlation of various elements in different organs of water dropwort

kg-1)质量分数的1.4倍、1.8倍和4.8倍[27，32]。与全球植物叶片C、N、P的平均质量分数相比[33]，水芹叶片的C、N、P质量分数都明显偏高。对比其他水生植物，水芹叶片的C、N、P质量分数均高于南京湖泊中常见的6种水生植物[28]。一方面，这是由于本研究中水芹以畜禽养殖废水为生长基质，水体中的有机质与N、P等元素质量分数较高；另一方面，供试水芹对N、P的BF均大于1，具有高效吸收水体中N、P的能力。此外，供试水芹从根部向地上部转运N、P的能力也较强。这可能是导致水芹体内N、P质量分数较高的主要原因，同时也说明水芹具有良好的吸收与净化畜禽养殖废水中N、P的能力。值得一提的是，与凤眼莲的对比研究也发现，水芹收获时的最终N、P累积量均高于凤眼莲的累积范围，尤其是对P的累积量是凤眼莲的3.3倍以上，再次证实了水芹对N、P的高吸收与转运能力。

本研究显示，湿地水芹根、茎中C质量分数在幼苗期时最高，后随植物生长而显著(P<0.05)降低，而叶片C质量分数在幼苗期和成长期无显著差异，直到成熟期才显著下降。这可能是由于在水芹的营养生长阶段，水芹根、茎部的有机碳多向代谢旺盛的叶片转移[34-35]，以满足植物快速生长与整株构建的需求，从而导致水芹根、茎中C质量分数下降。同时，水芹根、茎、叶中的N、P质量分数均在植物成熟期时最高。一方面，这是因为植物体内N质量分数的增加有助于提升叶片内部参与光合作用的酶的数量，从而提高叶片光合速率以满足水芹快速生长(50 d一茬)的需求[36]；另一方面，水芹对N、P的吸收利用能力与其发达的根系密切相关，植株根系越发达，能够扩展吸收与净化富营养化水体的空间就越大，其净化能力就越强[37]。就同一器官而言，C、N、P质量分数在不同生长阶段存在差异，说明同一器官在水芹的不同生长阶段对C、N、P的固持能力不同。此外，相关性分析发现，幼苗期水芹的C、N、P质量分数间无相关关系，成长期时C、N质量分数有显著正相关关系，成熟期时C、N含量呈极显著正相关。这说明，成长期后供试水芹对C、N的同化利用具有同步效应[35]。然而，在整个试验期间，供试水芹的N、P质量分数始终无显著相关性，这与许雪赟等[38]、张小芳等[39]的研究结果不同，可能是因为在富含N、P的畜禽养殖废水环境中，水芹体内的N、P出现解耦现象。

除C、N、P外，K、Ca、Mg、Fe等元素也会影响植物的生长发育[40]。本研究发现，除C、N、P外，供试水芹各器官中其他6种元素质量分数的平均值为从高到低依次为K>Na>Mg>Ca>Fe>Zn，远高于水生植物刺苦草根茎中K(3.07 g·kg-1)、Ca(0.39 g·kg-1)、Na(2.40 g·kg-1)、Mg(0.33 g·kg-1)、Zn(0.25 mg·kg-1)的质量分数[41]和莲藕中K(2.43 g·kg-1)、Ca(0.39 g·kg-1)、Na(0.44 g·kg-1)、Mg(0.19 g·kg-1)、Fe(0.01 g·kg-1)、Zn(0.02 mg·kg-1)的质量分数[42]。就供试水芹而言，不同器官中上述元素的质量分数存在明显差异。可以看出，各器官中上述元素元素质量分数的差异与其结构和功能均有一定的关系。根中的Ca、Na、Mg、Fe、Zn质量分数均高于茎、叶，这是因为根是植物吸收营养元素的主要器官[43]。当供试水芹生长至成熟期时，K、Mg、Fe、Zn质量分数达到最高值，与N、P质量分数的变化一致。这可能是由植物对元素吸收利用的协同效应与植物体内的动态平衡所致[44]。不考虑发育阶段的影响，分析不同器官中各元素质量分数间的相关性，发现供试水芹根中的C与N、P、K，Ca与K，Fe与Na之间呈极显著负相关，P与Mg、Zn，Fe与Mg之间呈极显著正相关；茎中仅有N与Mg呈极显著正相关，C与P、K，N与Ca、Na，Ca与Zn，Na与Mg之间均呈极显著负相关；叶片中N与P，Fe与N、P、Mg、Zn，P与Mg，Zn与N、P之间呈极显著正相关，而Ca与N、Fe之间呈极显著负相关。这说明，水芹各器官对不同元素的需求规律存在差异，其中，N、P、Ca、Mg、Zn与其他元素的相关性更强，说明这几种元素可能在水芹生长发育中对不同元素的吸收转运起到了一定的调控作用[43]。采用元素积累指数(EAI)来判断供试水芹对9种元素的积累情况，发现其值均远高于已报道的甘蓝(41.6)、芦苇(30.6)、绿桤木(26.9)等[26]，说明水芹有着较高的元素积累能力，在富营养化水体的应用中既可高效吸收水体中的元素达到修复效果，又可生长出富含营养的绿色蔬菜。

植物的C∶N和C∶P可反映出植物吸收同化C的能力，一定程度上可以反映植物对营养的利用效率[39]。本研究发现，在不同发育阶段，水芹C∶N的范围为9.42～18.55，平均值为13.51，低于洱海4种沉水植物C∶N的平均值(16.22)[45]，也低于上海金泽水库典型挺水植物的C∶N(9.58～92.45)[46]。随发育阶段的推进，供试水芹根与茎的C∶N都呈现降低趋势，幼苗期时最高，成熟期时最低，说明水芹幼苗期时根、茎吸收和同化C的能力最强[46]。本研究中，供试水芹C∶P的范围为48.82～194.72，低于全球平均水平的232[47]，这可能是由水芹生长的畜禽养殖废水中所含的P浓度过高所致。Sterner等[48]的研究表明：生长率高的植物具有较低的C∶P，这与本研究中水芹快速生长的特点一致。此外，本研究还发现，供试水芹体内C质量分数与C∶P的相关性随水芹生长而增强。这可能是因为，水芹生境中P较多，促进了水芹有机质的合成与积累，从而导致体内有机碳的同步积累。然而，水芹体内N质量分数与C∶N、P质量分数与C∶P的相关性却随水芹生长而逐渐减弱，说明在水芹幼苗期，其体内的化学计量学特征和内稳性主要受N和P主导，但在生长30 d后，水芹体内的元素内稳性增强，N和P元素的影响下降[46]。N和P是生态系统中生产力的主要限制因素[28]，尤其是N∶P，常用于判断植物生长受限因子。Koerselman等[49]认为，当植物体内N∶P<14时，其生长受N限制，而当N∶P>16时，其生长受P限制。本研究中，水芹在不同发育阶段的N∶P在3.59～10.56，其平均值为6.49，远低于14，这与辛在军[24]对水芹进行化学计量研究的结果一致，同时也明显低于唐玥等[46]报道的上海金泽水库典型挺水植物的N∶P(29.9)。这可能是因为，本研究中水芹生长的漂浮湿地种植塘底质中累积的P较多，水芹生长过程中底质不断向水体释放P，致使水芹吸收的P较多，各器官的磷含量相较于其他植物均较高，从而导致水芹N∶P下降。该结果也在水芹P含量与N∶P的相关性分析中得到了印证，在水芹生长的成熟期时，两者呈显著负相关关系。该结果也说明，尽管本研究中水芹生长在富含N、P等营养元素的畜禽养殖废水中，但由于水体中内源释放P的增多，N的供应相对不足。同时，这也体现了供试水芹对N、P的高需求量，说明水芹对畜禽养殖废水的N、P均具有良好的吸收与累积、储存能力，是修复重度富营养化水体的优良绿色材料。