滨湖生态湿地养殖池塘利用竹叶草浮床修复水质效果研究

吴广州,王妹,孟娟,侯高峰,董龙涛,任耀军,简康

(1.济宁市渔业发展和资源养护中心,山东 济宁 272000;2.济宁市任城区渔业发展和资源养护中心,山东 济宁 272000)

济宁市淡水总面积约20万hm2,占山东省淡水面积一半以上,是山东省乃至中国北方地区淡水渔业第一大市。位于济宁市境内由微山湖、昭阳湖、独山湖和南阳湖串联在一起的湖泊组成的南四湖(116°34′～117°21′E,34°27′～35°20′N)湖面面积1 266 km2,是山东省最大的淡水湖泊,也是中国第六大淡水湖泊,湖面南北长约120 km,东西宽5～25 km[1-3]。南四湖是南水北调东线工程主要调蓄枢纽之一,是中国北方地区最大的淡水湖泊湿地,在提供原材料、保障食物和水资源、保护生物多样性、防洪抗旱以及旅游休闲等方面都发挥着重要作用[4-7];在维护经济发展和区域生态平衡方面具有重要的战略意义[8-11]。

近年来,随着中国经济的快速发展和人口快速增长,渔业资源面临着自然因素和人为因素的双重影响,渔业发展面临着前所未有的困境。因此,在渔业资源与生态环境之间矛盾日趋恶化的新形势下,如何实现南四湖生态环保与渔业经济协调发展成为摆在水产科技工作者面前的重要科学问题。从渔业经济学的角度出发,渔业绿色健康养殖滨湖生态湿地尾水治理技术是以可持续发展理论、渔业生态学和生态经济学原理为指导,坚持社会效益、经济效益和生态效益相协调的原则,以生态经济为主导,生态环境为条件,实现渔业发展与南四湖生态环境保护相协调的可持续发展之路[12-13]。

滨湖生态湿地是以保护生物多样性为宗旨的大面积水域资源。滨湖生态湿地养殖水体污染和富营养化仍是该水环境面临的主要问题。为确保实现当前国家环保的要求,从滨湖生态湿地优势和发展基础出发,将社会经济活动和生态环境保护有机融为一体,力求做到渔业开发与生态环境保护协同发展,在充分、合理利用自然资源的基础上加快渔业产业的优化升级[14]。本研究通过在济宁鑫惠生水产养殖专业合作社滨湖生态湿地精养池塘中设置不同覆盖率的竹叶草浮床,分析不同覆盖率浮床净化滨湖生态湿地精养池塘水质效果,从而为改善生态湿地水域环境提供参考和数据支撑。

1 材料与方法

1.1 实验设计

本研究选取济宁鑫惠生水产养殖专业合作社滨湖生态湿地改造的基地池塘,共选取4个池塘(1～4号池塘),单个池塘面积约600 m2,水深2～3 m。其中,1～3号池塘设有覆盖率分别为10%、20%、30%的竹叶草原位净化带,4号池塘为对照池塘。

表1 池塘鱼类放养情况Tab.1 Fish stocking in pond

1.2 水质采样方法、监测项目和分析方法

1.3 数据分析

本研究采用ANOVA(Excel)双因素方差进行数据分析;采用最小显著性差异法(Least—significant difference,LSD)和Duncan’s法通过SPSS进行数据的多重比较。参照宋超等[17]的方法计算去除率：

V=(P1-P0)/P0×100%

式中：V：试验组N、P的去除率;P1：试验组N、P的浓度;P0：对照组N、P的浓度。

2 结果与分析

2.1 不同覆盖率竹叶草浮床对滨湖生态湿地精养池塘中氮含量的影响

从图1中可以看出,1～4号池塘水体中氮含量差距均显著。图1显示1～4号池塘氨氮的变化趋势比较一致,1～4号池塘之间的氨氮随着时间变化的差异均非常显著(P<0.01);根据数据多重比较的结果显示,1～4号池塘的氨氮含量排序为：4号池塘>1号池塘(P<0.01)>2号池塘(P<0.01)>3号池塘(P<0.01)。从图2中可以看出,1号、2号和3号池塘的氨氮去除率均较为平稳、稍有升高,1～3号池塘的氨氮最大去除率分别为19.1%、25.1%和42.0%。说明竹叶草覆盖率为30%的3号精养池塘氨氮去除效果最好。

图1 精养池塘中氨氮含量随时间的变化Fig.1 Change of removal rate with time in intensive culture pond

图2 精养池塘中氨氮去除率随时间的变化Fig.2 Change of content with time in intensive culture pond

图3显示,1～4号池塘的亚硝酸氮含量变化有明显差异,4号池塘的亚硝酸氮随着时间变化持续升高,1号、2号和3号3个池塘的亚硝酸氮则随着时间变化持续下降,1～4号池塘的亚硝酸氮之间的差异极显著(P<0.01);根据数据多重比较的结果显示,1～4号池塘的亚硝酸氮含量排序为：4号池塘>1号池塘(P<0.01)>2号池塘(P<0.05)>3号池塘(P<0.05)。从图4可以看出,1～3号池塘的亚硝酸氮去除率均呈逐步升高趋势,其中3号池塘的去除率最高,最大值为83.5%,1号和2号池塘的最大去除率分别为59.1%和71.0%。实验结果表明：竹叶草覆盖率为30%的3号精养池塘亚硝酸氮去除效果最好,亚硝酸氮同氨氮的去除效果一致。

图3 精养池塘中亚硝酸氮含量随时间的变化Fig.3 Change of NO2-N removal rate with time in intensive culture pond

图4 精养池塘中亚硝酸氮去除率随时间的变化Fig.4 Change of NO2-N content with time in intensive culture pond

图5和图6显示硝酸氮与亚硝酸氮的变化趋势基本一致,同样是4号池塘的硝酸氮随着时间变化持续升高,1～3号池塘的硝酸氮则随着时间变化持续下降,1～4号池塘的硝酸氮之间的差异极显著(P<0.01)。从图5可以看出,1号池塘和4号池塘的硝酸氮数值差异不大,均高于2号、3号池塘,3号池塘的硝酸氮含量最低。从数据的多重比较结果看,1号池塘、4号池塘的硝酸氮之间的差异不显著,1号和4号池塘的硝酸氮含量都极显著高于2号池塘(P<0.01),2号池塘的硝酸氮含量则极显著高于3号池塘(P<0.01)。从图6可以看出,1～3号池塘的硝酸氮去除率均呈逐步升高趋势,3号池塘的硝酸氮去除率最高,最大值为38.00%,1号、2号池塘的最大去除率分别为8.05%和17.01%,实验结果表明竹叶草覆盖率为30%时硝酸氮的去除效果最好。

图5 精养池塘中硝酸氮含量随时间的变化Fig.5 Change of NO3-N removal rate with time in intensive culture pond

图6 精养池塘中硝酸氮去除率随时间的变化Fig.6 Change of NO3-N content with time in intensive culture pond

图7可以看出,1～4号池塘总氮变化趋势一致,均呈现随着时间变化而缓慢升高的趋势,4号池塘的总氮升高趋势比1～3号池塘明显,1～3号池塘的总氮变化趋势均较平稳,1～4号池塘的总氮随时间的变化的差异均极为显著(P<0.01);根据数据多重比较结果显示,1～4号池塘的总氮含量排序为：4号池塘>1号池塘(P<0.01)>2号池塘(P<0.01)>3号池塘(P<0.01)。从图8可以看出,1～3号池塘的总氮去除率均呈现波动缓慢升高趋势,3号池塘的总氮去除率最高,最大去除率为52.0%;1号、2号池塘总氮最大去除率分别为21.1%、30.5%。实验结果表明竹叶草覆盖率为30%时总氮的去除效果最好。

图7 精养池塘中总氮含量随时间的变化Fig.7 Change of TN removal rate with time in intensive culture pond

图8 精养池塘中总氮去除率随时间的变化Fig.8 Change of TN content with time in intensive culture pond

2.2 不同覆盖率竹叶草浮床对滨湖生态湿地精养池塘中总磷的影响

图9显示1～4号池塘的总磷变化趋势均呈现随时间变化而缓慢升高趋势,4号池塘总磷升高趋势明显高于1～3号池塘,1～3号池塘的总磷变化趋势均较平稳,1～4号池塘的总磷随时间的变化差异都极为显著(P<0.01);根据多重比较结果表明：4号池塘总磷含量极显著的高于1号、2号池塘(P<0.01),1号、2号池塘总磷含量之间差异不显著(P>0.05),2号池塘总磷含量明显高于3号池塘(P<0.05)。从图10可以看出,1～4号池塘的总磷去除率变化趋势与总氮基本一致,1～3号池塘的总磷去除率均呈现缓慢波动升高趋势,3号池塘的总磷去除率最高,最大去除率为76.0%;1号、2号池塘的总磷最大去除率分别40.1%和55.2%。实验结果表明竹叶草覆盖率为30%时总磷的去除效果最好。

图9 精养池塘中总磷含量随时间的变化Fig.9 Change of TP removal rate with time in intensive culture pond

图10 精养池塘中总磷去除率随时间的变化Fig.10 Change of TP content with time in intensive culture pond

2.3 不同覆盖率竹叶草浮床对滨湖生态湿地精养池塘中化学需氧量的影响

从图11可以看出,1～4号池塘的化学需氧量变化均呈现略微升高趋势,1～4号池塘的化学需氧量随着时间变化的差异极显著(P<0.01);根据数据多重比较结果显示,1～4号池塘的化学需氧量排序为：4号池塘>1号池塘(P<0.01)>2号池塘(P<0.01)>3号池塘(P<0.01)。从图12中可以看出,1～4号池塘的化学需氧量去除率的变化趋势与总氮、总磷的变化趋势基本一致,1～3号池塘的化学需氧量去除率均呈现缓慢上升趋势,3号池塘的化学需氧量去除率最高,最大去除率为37.0%;1号、2号池塘化学需氧量最大去除率分别为21.1%、30.1%。实验结果表明竹叶草覆盖率为30%时,化学需氧量去除效果最好。

图11 精养池塘中化学需氧量含量随时间的变化Fig.11 Change of COD removal rate with time in intensive culture pond

图12 精养池塘中化学需氧量去除率随时间的变化Fig.12 Change of COD content with time in intensive culture pond

2.4 不同覆盖率竹叶草浮床对滨湖生态湿地精养池塘中溶解氧的影响

从图13可以看出,1～4号池塘的溶解氧值随时间变化的差异不显著,数值变化比较无序,数值之间差异极显著(P<0.01)。其中,3号池塘的溶解氧值最高,1号、2号、4号池塘的溶解氧值差距不明显,根据多重比较结果显示,3号池塘的溶解氧值极显著的高于1号、2号和4号池塘(P<0.01)。

图13 精养池塘中溶解氧含量随时间的变化Fig.13 Change of DO content with culture time in intensive culture pond

3 结论

近年来,通过种植于池塘中的水生植物浮床技术,利用植物之间吸附作用、物种竞争作用,将水域中的污染物转变成水生植物需要的能量储存于水生植物体内以改善水域环境而受到广泛关注[18]。本研究选取常见蔬菜竹叶草作为实验对象,因其可一次栽种多次收割,能够净化水质、不产生二次污染。研究结果表明在放置竹叶草浮床的1～3号精养池塘中总氮、总磷含量均低于4号对照组池塘;1～3号池塘中,竹叶草浮床覆盖率越大,总氮、总磷含量越低,去除率越高,氨氮、亚硝酸氮、硝酸氮均呈现相似趋势;3号池塘的各类营养盐的最大去除率均最大。氨氮、亚硝酸氮、硝酸氮、总氮、总磷的最大去除率分别达到了42.0%、83.5%、38.0%、52.0%和76.0%。说明在实验设定的情况下,竹叶草浮床-鱼混养模式对水质净化作用较为明显。适当提高水生植物覆盖率能够净化水质,这与栗明等[19]的研究结果一致。但是当水生植物覆盖率达到一定程度时,由于存在“水呼吸作用”,水生植物和鱼类会竞争水体中的溶解氧,因此健康养殖并非无限制地提高水生植物的覆盖率。

理化指标中,化学需氧量的变化趋势非常明显,溶解氧的变化趋势较明显。化学需氧量的变化趋势和氮、磷的变化趋势基本一致,均是放置竹叶草浮床的1～3号池塘化学需氧量明显低于4号对照组池塘,并且竹叶草浮床覆盖率越大,化学需氧量越低;溶解氧则与之相反,放置竹叶草浮床的1～3号池塘溶解氧高于4号对照组池塘,依据本实验竹叶草浮床设定比例,竹叶草浮床放置面积越大,溶解氧越高。说明在本实验设定条件下,精养池塘中放置30%的竹叶草浮床并没有引起不可抑制的“水呼吸作用”,30%的竹叶草浮床具有较好实用价值。本研究采用竹叶草浮床-鱼类混养模式,能有效的去除水体中的氮、磷等营养物质,提高水体溶解氧含量,在经济效益、社会效益和环境效益上具有突出优势和良好的应用前景。