基于氮、磷收支的人工湿地-池塘循环水养殖系统净化效果评价*

陶 冶，朱 健,**，李 冰,，侯诒然，封功成

(1. 南京农业大学无锡渔业学院，江苏 无锡 214081；2. 中国水产科学研究院淡水渔业研究中心，农业农村部淡水渔业与种质资源利用重点实验室，江苏 无锡 214081)

氮、磷是养殖系统中限制初级生产力的主要营养元素和衡量自身污染程度的重要指标，其在养殖系统中的含量和流向对浮游生物、养殖生物、养殖水体、底泥沉积物都有很大的影响[1]。氮、磷收支可反映养殖系统中氮磷的来源与去向，一定程度上揭示氮、磷在系统内各组成要素之间的循环过程以及交流程度，是评价养殖系统中氮、磷重要性、转化效率及污染程度的有效手段[2]。

据《中国生态环境状况公报》[3]与《2018年中国海洋生态环境状况公报》[4]显示：与2017年相比，湖泊(水库)等重要渔业水域总氮、总磷超标范围有所增加；海洋渔业水域无机氮、活性磷酸盐含量超标的水域占总监测水域的75.4%和44.0%。目前渔业水环境污染形势严峻，急需治理，人工湿地作为一种生态处理技术，可以实现对污水中氮、磷营养物质的高效净化，并且凭借建设成本低、管理维护简便、观赏价值高等特点，目前已被广泛应用到各种污水的处理上[5-6]。

1 材料与方法

1.1 试验设计与运行管理

本试验的人工湿地-池塘循环水养殖系统位于中国水产科学研究院淡水渔业研究中心宜兴大浦科研实验基地。复合垂直潜流人工湿地由沉淀池、调节池、上下行湿地、预警池和清水池五部分构成。上下行湿地铺设的基质分为两层，上层为直径2～4 cm的生物陶粒，下层为直径6～10 cm的鹅卵石，其选定的湿地植物为再力花(Thaliadealbata)和梭鱼草(Pontederiacordata)。人工湿地-池塘循环水养殖系统具体示意图见图1。人工湿地整体面积为450 m2，湿地主体面积约360 m2，基质孔隙度55%，污水设计流量为100 m3/d，水力负荷为0.28 m/d，水力停留时间为1.25 d。湿地采用管道布水的方式，沉淀池与上行垂直潜流湿地之间依靠水位落差进行溢流进水。为保证均匀布水，在上行垂直潜流湿地底部铺设开有小孔的4根纵向的分流PVC水管进水，通过墙体间管道溢流进入下行垂直潜流湿地中。下行垂直潜流人工湿地的基质表层10 cm下铺设朝下开有小孔的4根平行的管道，经湿地处理后，由单元底部的集水管道收集，进入清水池。湿地进出水及各单元间流量主要由阀门进行控制。养殖池塘占地面积0.333 hm2，池深1.5 m，放养鳙鱼100条，草鱼300条，鲫鱼200条。

人工湿地的运行从7月初开始，11月结束，每天运行8 h，定期进行过饱和基质的更换。养殖池塘日投喂量约为鱼体重的2%～3%，根据天气、水温及时调整投喂量，试验期间不换水。

图1 人工湿地-池塘循环水养殖系统

1.2 样品的采集与测定

1.2.1 水样与间隙水 在试验期间，约25 d采集一次养殖池塘与人工湿地各池内的水样，取养殖池塘表层10 cm深度泥样，以4 000 r/min离心30 min得到间隙水，在采样后24 h内检测。总磷(Total phosphorus,TP)浓度使用钼锑抗分光光度法测定，总氮(Total nitrogen)浓度用紫外分光光度法测定，氨氮(Ammonia nitrogen)浓度用纳氏试剂比色法测定[19]。

1.2.2 沉积物、基质、植物、养殖生物和饲料 在试验开始和结束之前，采集鱼体样本和养殖池塘沉积物样本，柱状采泥器采集沉积物，采样深度为5 cm，在上行湿地和下行湿地采集、挖取基质样品与梭鱼草、再力花的全株样品。鱼体样本、饲料和基质样本于60 ℃烘干；植物样本分为根系部分与茎叶部分，于105 ℃条件下杀青20 min，随后于65 ℃烘干；沉积物于-50 ℃冷冻干燥，干燥完毕后将所有样品研磨、过筛、混匀之后装瓶保存。

鱼体、饲料、基质、沉积物的总氮含量使用元素分析仪测定，植物总氮、总磷的测定参照《土壤农化分析》[20]，鱼体、饲料总磷的测定参照董佳等[21]的过硫酸钾消解法，基质的测定参照吴海明等[22]的方法，沉积物总磷的测定参照《沉积物总氮、总磷联合测定分析方法》[23]。

1.2.3 其他样品 根据间隙水中的TN、TP浓度来计算养殖池塘N、P的渗漏。用带刻度的烧杯接自然降雨，对试验期间降雨量进行估算，用测定水体TN、TP浓度的方法来测定雨水TN、TP浓度。

1.3 氮、磷收支计算

氮、磷收支公式如下:

PWin+Fin+PF+Pin+R=PWout+

Fout+Pout+FA+SA+L+O,

FA=C′e·We-Ce·We,

SA=C′i·Wi-Ci·Wi。

式中：PWin为初始水体，含人工湿地各池水体与养殖池塘水体；Fin为投放鱼种；PF为投入的颗粒饲料；Pin为试验初人工湿地植物；R为降雨；PWout为终末水体，含人工湿地与养殖池塘水体；Fout为收获鱼种；Pout为试验末人工湿地植物；FA为人工湿地基质蓄积量；SA为养殖池塘沉积物蓄积量；L为养殖池塘渗漏；O是其他项，为未测出的氮、磷，包括沉淀池中沉积物蓄积、微生物同化吸收的氮、磷以及脱氮作用释放的N2、N2O、NO与NH3的挥发等路径输出的氮；Ce、C′e分别表示试验初期和末期湿地基质中的氮、磷含量；We表示湿地中基质质量；Ci、C′i分表表示试验初期和末期池塘沉积物的氮、磷含量；Wi表示沉积物质量。

1.4 统计分析

本研究中数据以平均值±标准差(Mean±SD)表示，对养殖生物的单位体重与氮、磷含量做T检验；对植物各部位的干重做T检验；对各项氮、磷收支采用单因素方差分析，并进行Duncan检验；对水体营养盐浓度采用双因素方差分析；对水体污染物的去除率采用单因素方差分析，并进行Duncan检验，整理统计和图表绘制采用SPSS 25和MicrosoftExcel 2010软件进行。

2 结果与分析

2.1 养殖生物、湿地植物的生物量与氮、磷含量

养殖生物的单位体重和氮、磷含量见表1。在试验末期，草鱼、鲫鱼与鳙鱼的体重较试验初期有显著增加，氮、磷含量则无显著差异。人工湿地植物茎叶与根系的质量与氮、磷含量见表2。在试验末期，再力花与梭鱼草的根系与茎叶的干重较试验初期显著增加。

2.2 人工湿地-养殖池塘循环水养殖系统的氮、磷收入

循环水养殖系统中氮、磷收入见表3和图2。氮、磷收入总量为水体、养殖生物、植物、降水、饲料各项氮、磷输入量的总和，其中对氮的贡献顺序依次为饲料>水体>降水>养殖生物>植物，对磷的贡献顺序依次为饲料>水体>养殖生物>降水>植物。饲料投入是循环水养殖系统氮、磷收入最主要的途径，其氮、磷输入量显著高于其他各项，占氮收入总量的65.61%，占磷收入总量的81.44%；其次为水体输入，分别占氮、磷含量收入总量的19.42%、7.57%。在试验初期，养殖生物、植物贡献的氮、磷含量较低，植物所含氮、磷不足总量的2%。

东昌府区葫芦文化具有深厚的文化内涵，具备鲜明的地域特色，拥有丰富的文化载体，即各类葫芦文化资源，涉及生态文化、生产文化和生活文化三个方面[5]，如表1所示。

表1 放养和收获时养殖生物的体重及氮磷含量

表2 人工湿地植物的氮磷积累量

2.3 人工湿地-养殖池塘循环水养殖系统的氮、磷支出

循环水养殖系统中氮、磷支出见表3、图2。氮、磷支出总量为水体、养殖生物、沉积物蓄积、植物收获、基质蓄积、渗漏与其他的总和，“其他”为收入与支出总氮、总磷之差。其中对氮支出的贡献顺序依次为沉积物蓄积>养殖生物>水体>其他>基质蓄积>植物收获>渗漏，对磷支出的贡献顺序为沉积物蓄积>养殖生物>基质蓄积>水体>植物收获>其他>渗漏。沉积物蓄积是氮、磷支出的最主要途径，养殖生物为次要途经，人工湿地基质和植物的蓄积共占氮、磷支出总量的15.81%和16.11%。在试验后期，养殖生物和植物所占氮、磷总量的百分比显著提升。

表3 人工湿地-池塘循环水养殖系统氮、磷收支

2.4 不同时期人工湿地污水净化效果

试验从7月运行至11月，跟踪监测了人工湿地的去污效果。整个试验期间水温在12.4～32.4 ℃之间，7—9月水温较高，11月水温最低。不同时期下人工湿地进出水口总磷、氨氮和总氮浓度见图3～5。经双因素方差分析，人工湿地对尾水的处理与季节水温的变化都对水体营养盐浓度有显著影响，其交互作用对总磷浓度有显著影响，对氨氮、总氮浓度无显著影响。在同一时期下，人工湿地进水口总磷、氨氮和总氮浓度都显著高于出水口浓度。经单因素方差分析，不同时期下的水温对总氮、氨氮的去除率影响显著，对总磷的去除率无显著影响。

不同时期下人工湿地总磷去除率见图3。在人工湿地运行的前中期，总磷的去除率逐步升高，去除率在9月达到了最高，最高去除率为57.32%，而在人工湿地运行后期，去除率呈现下降趋势，在7月与11月取得最低去除率，分别为44.69%和45.12%，显著低于最高时期。从去除率整体水平来看，平均去除率为50.01%的水平下，最低去除率仍有44.69%，去除率的变化波动较小。

图2 各项在氮、磷支出中所占比例

(不同字母表示在不同时期的水温下去除率差异显著(P<0.05)，相同字母表示差异不显著(P>0.05)。下图同。Different letters indicate significant difference in removal rate between different water temperatures (P<0.05),while the same letter indicate no significant difference(P>0.05).The following figuresare the same.)

不同时期下人工湿地氨氮、总氮去除率见图4和5。不同时期湿地系统的氮元素都到一定程度的去除，氨氮、总氮的平均去除率为51.42%、56.96%，且去除率都在9月达到最高，总氮的最大去除率为72.40%，氨氮的最大去除率为66.32%，都显著高于最低时期。从去除率整体水平来看，氨氮、总氮去除率的变化波动较大，整体呈现先上升后下降的趋势。

图4 不同时期进、出水口氨氮浓度和去除率

图5 不同时期进、出水口总氮浓度和去除率

2.5 污水净化效果与人工湿地的蓄积状况

复合垂直潜流人工湿地对池塘养殖尾水的净化效果与蓄积状况可见表4。人工湿地进水口处总磷平均浓度为0.43 mg/L，出水口平均浓度为0.21 mg/L，满足《淡水养殖尾水排放要求》一级标准(TP<0.5 mg/L)；进水口总氮的平均浓度为2.85 mg/L，出水口平均浓度为1.27 mg/L，满足《淡水养殖尾水排放要求》一级标准(TN<3.0 mg/L)。试验期间，复合垂直潜流人工湿地植物的氮、磷蓄积量占到总支出的5.64%和4.54%，基质的氮磷蓄积量占总支出的8.82%和10.16%。

表4 水体净化效果与人工湿地蓄积状况

3 讨论

3.1 人工湿地-养殖池塘的氮磷收支评价

在传统池塘养殖中，氮、磷的收入主要包括投饵、施肥、养殖生物、降水、换水和生物固氮作用等，在本试验中，试验期间未施肥、未换水，水体中具有固氮作用的蓝藻数量很少，因此不计入氮、磷收入中。据以往研究表明，饵料和肥料是对虾和鱼类等养殖系统氮、磷输入的最主要来源，水体的氮、磷输入为次要来源，降水、生物固氮作用等输入的氮、磷占收入总量的比例较小，一般都在10%以内[24]。常杰等[25]在对虾、青蛤和江蓠的三元混养实验中，饵料占总收入氮、磷的54.7%～75.5%和81.6%～93.6%，水体占比为16.1%～17.7%；陈东兴等[26]对青虾等三种虾塘的氮、磷收支研究结果表明，饵料占总收入氮、磷的68.32%～94.24%和73.09%～91.12%，水体分别为5.76%～26.75%、8.88%～24.17%。在本试验中，饲料投入的氮、磷占收入总量的65.61%和81.44%，水体输入分别占收入总量的19.42%、7.57%，与上述研究结果相比差异较小。

在传统池塘养殖模式下，沉积物蓄积是氮、磷支出的最主要路径，通常占总支出量的50%以上，其次是养殖生物、水体、渗漏等输出路径[24]。残饵、粪便的沉积使底泥营养盐富集，增加底部耗氧，并且作为池塘内源性污染，可通过交换作用向水体释放营养盐，其含量过多可能会导致水质富营养化，威胁用水安全[27-28]。董佳等[29]的三疣梭子蟹混养试验中，沉积物蓄积的氮、磷占比为40.29%～65.89%和76.11%～86.54%；高杉等[30]在牙鲆、贝类的混养试验结果表明，沉积物蓄积的氮、磷占比为69.6%～73.4%和86.7%～93.5%。上述研究中不同养殖模式下进入池塘的氮、磷营养盐都只有少数被养殖生物吸收利用，大部分营养盐沉降在底泥中，其中磷在底泥中的支出多于氮的原因主要与其循环形式有关，磷元素为沉积性循环，大部分磷与矿质离子形成沉淀，沉积在底泥中[21]。本试验养殖生物的氮、磷含量占输出总量的26.05%和30.77%，沉积物蓄积的氮、磷占比为28.60%和42.23%，通过人工湿地基质和植物蓄积去除的氮、磷共占总量的15.81%和16.11%。与上述研究相比，本试验中被养殖生物吸收的氮、磷含量没有减少，人工湿地的基质、植物和微生物去除了部分未被有效利用的氮、磷，减少了其在沉积物中的蓄积。高毛林等[31]的研究表明，复合循环水养殖塘通过湿地种植的水稻和陶粒去除的氮、磷占支出总量26.18%与26.97%，其底泥氮、磷累积量(21.08%、42.04%)低于对照塘，这与本试验的研究结果是一致的。试验表明与人工湿地结合构建的循环水养殖系统能有效减少沉积物氮、磷沉积，降低池塘内源性污染爆发的可能性。

在本试验中，“其他”项的氮、磷收支量为令“收入=支出”后用差减法计算后得到的差值，其主要为通过氨的挥发、微生物的脱氮作用释放的N2、N2O、NO气体输出的氮与微生物同化吸收、人工湿地沉淀池中沉积物蓄积等路径流失的氮、磷[22]。沉淀池中沉积物的来源为人工湿地进水过程中底泥的沉降，这一部分的底泥占沉积物的总量很少，因此未将其计入氮、磷支出的计算。在养殖池塘中，氨的挥发作用与微生物的脱氮作用十分微弱，在氮的支出中占有的比例极少[32]，可将因氨的挥发作用与养殖池塘微生物的脱氮作用流出的氮不计入氮的支出项目[21,29]。且大量研究表明，人工湿地微生物的生物脱氮过程是湿地除氮的主要途径[33-35]，因此在本试验中，“其他”项输出的氮、磷主要为通过复合垂直潜流人工湿地微生物的脱氮作用释放的N2、N2O、NO与微生物同化吸收去除的氮、磷。

3.2 基于氮、磷收支的人工湿地污水净化效果评价

不同的人工湿地由于各组成要素的不同，其净化效果通常有所差异。于君宝等[6]的美人蕉湿地单元对总氮、氨氮和总磷的净化效率可达到90%以上；周旭丹等[36]的垂直流人工湿地对总氮、氨氮、总磷的去除率为43.5%～82.3%、21.7%～42.3%和38.7%～73.5%。在本试验中，人工湿地对池塘尾水的总磷、总氮、氨氮的去除率分别为44.69%～57.32%、36.35%～72.40%、33.72%～66.32%，具有显著地净化效果。

人工湿地脱氮除磷主要依靠植物、基质和微生物三者之间的协同作用来完成，而这三者在人工湿地对污水净化过程中贡献程度的大小可以通过其占氮、磷总支出的比例反映出来。因此可基于氮、磷收支，对人工湿地污水去除率的季节性变化的原因进行讨论、分析。在本试验中，人工湿地对池塘尾水总磷的平均去除率为50.01%，最低去除率为44.69%，最高去除率为57.32%，不同的运行时期去除效果相对稳定，并呈现先上升后下降的趋势。基于本试验中氮磷支出的研究结果分析，其主要影响因素为基质与温度。基质蓄积是人工湿地除磷的主要路径，占支出总量的10.16%，通过植物与微生物同化吸收去除的磷较少，为次要途经。由于基质吸附磷的能力主要与自身物理化学性质有关，如粒径、孔隙率、表面电性等[37]，受温度影响较小，因此不同时期下人工湿地除磷效果相对稳定。在谢涛等[38]与陈永华等[39]的研究中，人工湿地对磷的平均去除率分别为96%和80.8%，在冬季总磷的去除率仍高达92%和74.5%。但植物与微生物其同化、吸收能力受温度影响较大[40]。温度适宜，植物、微生物生长繁殖迅速，对磷的同化吸收能力较强，去除率上升；气温降低，植物生长速度减缓，部分植物枯萎、凋落，微生物活性降低，磷的去除效果逐渐下降，因此去除率呈现先上升后下降的趋势。

在本试验期间，人工湿地对氨氮的最高去除率为66.32%，最低去除率为33.72%，总氮的最高去除率为72.40%，最低去除率为36.35%，不同的运行时期波动较大，并呈现先上升后下降的趋势。基于本试验中氮磷支出的研究结果分析，这主要受温度因素的影响。人工湿地主要的脱氮途径为微生物的氨化、硝化与反硝化作用，植物同化吸收和基质的吸附、截留[24]。在本试验中，“其他”项输出的氮主要为通过微生物的脱氮作用释放的N2、N2O、NO等形式流失的氮，这部分的氮约占输出总量的9.81%，基质蓄积占输出总量的8.82%，为次要途经，植物的同化吸收作用占输出总量的6.99%，三者对人工湿地除氮贡献程度相近。

在试验前期温度适宜，微生物结构逐渐趋于稳定，氨化、硝化、反硝化作用强，且植物快速生长繁殖、基质吸附未达到饱和，因此系统对氮元素去除率逐步升高而在试验后期气温降低，微生物的生长繁殖活动受到减弱，植物根系泌氧作用降低，影响了微生物的硝化作用，人工湿地脱氮能力降低[33]，氮元素的去除率逐步下降，达到最低点，与最高去除率之间有显著差异。吴海明[22]、周旭丹[36]等的研究结果表明：在微生物菌落数目和酶活性最高的秋季，植物的氮磷积累量达到最大值，显著差异于其他季节，并在此时氮元素的去除率达最高值。这与本试验的研究结果是相一致的。

4 结论

(1)人工湿地-池塘循环水养殖模式与传统池塘养殖模式相比，相对减少了氮、磷营养盐在池塘底泥中的蓄积量，降低了池塘内源性污染爆发的可能，并可通过湿地植物地上部分的收割、过饱和基质的更换等方式移除池塘内部分未被有效利用的氮、磷。

(2)人工湿地对总磷、氨氮、总氮的平均去除率分别为50.01%、51.42%、56.96%，对池塘尾水具有一定的净化效果。从氮、磷收支的研究结果分析，由于氮、磷去除路径的差异，氨氮和总氮的去除率受温度影响较大，总磷去除率受温度影响较小，总磷、氨氮、总氮的去除率都在试验期间内呈现先上升后下降的趋势。