蕹菜對富營養(yǎng)化水體的凈化及濕地工程示范研究

李璇，馮慧云，徐衡，余增亮，李偉，杜海明，周澳

(1.中國科學院離子束生物工程學重點實驗室國家林業(yè)局能源林研究中心中國科學院合肥物質科學研究院，安徽合肥230031；

2.安慶師范大學化學化工學院，安徽安慶246011；3.安徽雷克環(huán)境科技有限公司，安徽合肥230031)

蕹菜對富營養(yǎng)化水體的凈化及濕地工程示范研究

李璇1,2，馮慧云*1，徐衡2，余增亮1，李偉3，杜海明3，周澳3

(1.中國科學院離子束生物工程學重點實驗室國家林業(yè)局能源林研究中心中國科學院合肥物質科學研究院，安徽合肥230031；

2.安慶師范大學化學化工學院，安徽安慶246011；3.安徽雷克環(huán)境科技有限公司，安徽合肥230031)

為探討浮床培植水蕹菜在大面積富營養(yǎng)化水體中的生長習性、對水體營養(yǎng)鹽的移除效果及工程化應用前景，比較了旱地種植和富營養(yǎng)化水體水培蕹菜植株的生物量和根、莖、葉各部位的氮磷含量，并在安徽省池州百荷公園進行了工程示范。結果顯示，經(jīng)過相同生長期，富營養(yǎng)化水培蕹菜單株平均生物量可達1.6 kg，長度達5m，且水培蕹菜的根系尤其發(fā)達，鮮重可占單株總鮮重的35%。旱植蕹菜各部位總氮含量高，水培蕹菜總磷含量高，水培蕹菜根、莖、葉各部位磷/氮比分別為旱植蕹菜對應部位的3.26，3.65和1.51倍。濕地示范工程浮床培植蕹菜一畝水面的生物量達9.3 t，1.08畝蕹菜共移除水中氮93.34 kg、磷7.34 kg；水體總氮含量由工程實施前的3.624mg·L-1下降至2.181mg·L-1，總磷由0.187mg· L-1下降至0.144mg·L-1。研究為利用水生蔬菜進行富營養(yǎng)化水體的生態(tài)修復提供了工程化應用的成功案例。對富營養(yǎng)化水體生態(tài)修復聯(lián)產(chǎn)蔬菜的水污染治理策略和今后研究中的關鍵問題進行了討論。

富營養(yǎng)化水體治理；水蕹菜；浮床培植；總氮總磷

濕地乃“地球之腎”、“淡水之源”，在調節(jié)徑流、凈化水質和維護區(qū)域生態(tài)平衡等方面有其他系統(tǒng)所不能替代的作用[1]。隨著城市化進程的推進，天然濕地逐漸減少和萎縮，而水體污染又不斷加劇，恢復和重建天然濕地以及建設人工濕地已成為水污染防治與水環(huán)境綜合整治的重要環(huán)節(jié)[2-4]。濕地氮、磷等營養(yǎng)鹽循環(huán)主要通過植物吸收、各組織器官的分配和積累儲存起來，1公頃濕地每年可儲存1 000多千克氮和130多千克磷[4]。在外源污染持續(xù)不斷進入濕地的情況下，濕地生物儲存的氮、磷等污染物只有通過人工轉移（如收割、捕魚等）等途徑，才能永久的脫離濕地，參與更大范圍的循環(huán)[5]。反之，生物的排泄物及衰亡的殘體經(jīng)微生物分解，氮、磷等營養(yǎng)鹽又會回到水環(huán)境中。因此，在構建濕地時，植物的篩選和配置就顯得十分重要，不僅要關注其凈化功能和觀賞價值，還應重視其經(jīng)濟性、降低維護成本或產(chǎn)生效益補償運行投入。

水蕹菜（Ipomoea aquatica）屬旋花科牽牛屬蕹菜種，為蔓性草本植物，又名藤蕹、蕹菜、空心菜、竹葉菜，營養(yǎng)價值高，是我國居民夏季的主要蔬菜品種之一。水蕹菜適應能力強，既可旱地種植，又適于水面栽培，且生長速度快，生物量高，耐污性強[6-8]。Li研究發(fā)現(xiàn)，對水蕹菜干種子進行適當劑量的離子束輻照處理，可有效提高其植株對富營養(yǎng)化水中氮磷的吸收效率[9-10]。為探討利用蕹菜凈化富營養(yǎng)化水體同時聯(lián)產(chǎn)蔬菜的可行性和規(guī)?；瘧们熬埃疚谋容^了土壤種植和水培蕹菜的生長習性、對氮磷的吸收差異，并在安徽池州百荷公園進行了浮床水培蕹菜的示范工程。

1 實驗材料與方法

1.1 陸地土壤種植和浮床水培蕹菜比較實驗

離子束輻照：取干燥的蕹菜種子，單層平鋪于直徑為9 cm的玻璃平皿中，在離子束生物工程裝置的小靶室中接受N離子束輻照，劑量為3×1019~5×1019N+/cm2。

蕹菜旱植和水培：在本單位地上和地下實驗水泥池中進行。地上池面積10m2，高90 cm，底部墊50 cm厚的沙子，上覆35 cm厚的南淝河底泥做基肥。地下池深100 cm，用于蕹菜水培的單個池面積6m2，池底墊5 cm厚的沙子、上覆10 cm厚的南淝河底泥，加自來水沉淀一周后使用。南淝河底泥含總氮9.91 g·kg-1、總磷3.78 g·kg-1。

經(jīng)N離子束輻照的水蕹菜種子3月中旬播種在地上水泥池中，澆水保濕，薄膜覆蓋保溫。4月中旬苗高達10 cm時，取部分幼苗移栽到浮床上，剩余幼苗按常規(guī)水肥管理。浮床長2m、寬1 m，以木條制作邊框固定上下2層的尼龍網(wǎng)，蕹菜幼苗扦插入尼龍網(wǎng)眼中，單個浮床共移植70棵。

1.2 池州百荷公園浮床水培蕹菜示范工程

池州百荷公園位于池州市主城區(qū)中心地帶，水域面積7.06 hm2，平均水深約1.5m。公園屬封閉性水體，流動性差、溶氧低，有生活污水直排入口，主要從清溪河（劣V類水質）補水維持水位。公園水體長期處于劣V類，春夏秋時節(jié)湖面均有藍藻漂浮，湖水渾濁，能見度低，沉水植物逐漸消亡。

2012年5月，在池州市政府支持下，作者單位合作開展的百荷公園水體污染治理項目啟動，浮床水培蕹菜作為項目的主要內容，在公園面積較大的北湖水域先行實施（圖1）。單個浮床面積2.0×4.0m2，以毛竹制作邊框，上下兩面覆蓋漁網(wǎng)。水蕹菜春季在地里育苗，待苗高10~15 cm時，留8~10 cm的茬口，按行間距15 cm插入浮床。90個浮床在北湖組成兩個圓形環(huán)帶圖案（圖1），總面積約1.08畝。浮床由木樁固定，內外圈掛漁網(wǎng)，防止魚類啃噬蕹菜幼根影響其生長。

圖1 池州百荷公園北湖浮床養(yǎng)植蕹菜示范工程示意圖，其中1，2，3為水質檢測的取樣點

1.3 樣品總氮、總磷含量檢測

水樣總氮（TN)、總磷（TP）含量測定分別采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法（HJ636-2012）和鉬酸銨分光光度法（GB11893-89）；植物TN含量測定采用濃硫酸-過氧化氫消解-堿性過硫酸鉀吸光光度法[11]，TP含量測定采用濃硫酸-過氧化氫消解-鉬銻鈧比色法[12]。

每個環(huán)境下生長的蕹菜，各隨機取5株清洗干凈，根、莖、葉分別烘干研磨，各取等量混合均勻后用于各部位氮磷含量檢測。

水質檢測根據(jù)水面大小不同，實驗水池、荷花塘和清溪河補水每次各取2個樣，北湖取3或13個樣。

2 結果與分析

2.1 旱植與水培蕹菜生物量

比較實驗中，地上水泥池種植的蕹菜按需澆水除草，精心管理，長勢良好。浮床水培蕹菜除適時添加自來水維持水深60 cm外，未采取任何管理措施?，F(xiàn)場比較生長情況，旱植的植株長勢與常規(guī)菜園種植蕹菜無明顯差異，但水培植株生長則非常迅速，3個月后幾乎鋪滿整個水池的水面，水面蔓延的莖桿節(jié)間都生有氣生根。抬起浮床觀察，水下根系非常發(fā)達，外觀白嫩，主根粗如豆芽，側根（包括節(jié)間氣生根）密密麻麻，而同期的旱植植株根系則遠不如水培根系發(fā)達。8月8日隨機取水培植株5株檢測，平均單株總質量達1.6 kg，水下部分（主根、側根和氣生根）質量500 g以上（表1），水培蕹菜莖桿比旱植的粗且長，水培的莖桿平均伸長5m，中間部位（2.5m處）的莖桿直徑1.8 cm。到8月下旬，水培植株莖桿越過水池隔墻延伸到鄰近水池，有的伸到岸上繼續(xù)生長。按表1推算，截止8月8日，70株水蕹菜生物量約112 kg（鮮重），折合每畝水面生物量約12.4 t。而旱植蕹菜盡管也有南淝河底泥做基肥且管理良好，同一天稱量的生物量折合每畝只有5.2 t。旱植蕹菜長勢弱于水培，其中一個原因可能與降雨或澆水時底肥中的養(yǎng)分迅速向下淋失、遠離了根系可吸收利用的范圍有關。

表1 實驗水池浮床水培4個月單株蕹菜平均生物量(n=5)

2.2 旱植與水培蕹菜磷/氮比

在把水蕹菜作為濕地植物應用時，最受關注的是其能從水中吸納多少氮和磷。植物吸收營養(yǎng)元素，大部分作為自身的結構物質，部分參與酶促反應、能量代謝和各種生理調節(jié)作用，其中氮磷是細胞中蛋白質、核酸等生物大分子的主要成分。檢測植物體內氮、磷組分，可以幫助分析植物從環(huán)境中吸收氮、磷的效率。表2列出本實驗旱植與水培蕹菜的總氮（TN）、總磷（TP）含量。可以看出，旱地蕹菜地下（根）和地上部分（莖、葉）的TN含量都比水培蕹菜高，而TP含量相反。從磷/氮比值看，水培蕹菜根、莖、葉各組織分別為旱植蕹菜對應部分的3.26、3.65和1.51倍，即水培植株對磷的利用更為有效。這一方面可能是由于富營養(yǎng)化水體中的磷含量高，與土壤環(huán)境相比有效磷供應更加充分，滿足了蕹菜生長的需求，另一方面可能是由于蕹菜對于水中的磷的吸納和利用效率更高的緣故。

表2 旱地種植和浮床水培蕹菜根、莖、葉各部位總磷和總氮含量，單位：g·kg-1（干重）

研究表明，在野外條件下，無論湖沼水體總氮含量是高還是低，總磷濃度都是限制浮游藻類生長的最重要因素。因此有研究者建議富營養(yǎng)化治理適當放寬控氮、集中控磷[13-14]。據(jù)統(tǒng)計洱海天然濕地44種植物的磷、氮比在0.104到0.455之間，其中濕生和浮葉、漂浮植物的磷、氮比顯著高于沉水植物[15]。本實驗中水培蕹菜植株綜合磷、氮比為0.389，高于洱海濕地所調查的大部分植物的磷、氮比，顯示在磷供應充分的水環(huán)境中，蕹菜具備高吸納磷的特征。

2.3 對實驗水體的水質凈化作用

蕹菜水培池的水位維持主要依靠自然降雨，必要時補充自來水。水池墻的邊沿高于地面20 cm，可以阻擋下雨時徑流攜帶的營養(yǎng)鹽進入水池。大氣干濕沉降可向水中補充少量的氮磷，但與池底鋪墊的南淝河底泥所含氮磷相比可以忽略。因此，可認為水池中氮、磷削減量約等于被水蕹菜所吸收的量。

表3給出蕹菜移植前、生長中池中水質的變化情況。隨著生物量的增加，水蕹菜吸納的氮、磷增多，水中的氮、磷含量相應減少。8月初至9月底是浮床蕹菜生長最旺盛的時期，水中總氮和總磷含量下降幅度也最大。至9月底，一季水培蕹菜使水池的水質從劣V類提高到優(yōu)于III類水標準。

表3 浮床栽培水蕹菜對水質的凈化效果

從表1、表2可以算出，浮床水蕹菜到8月8日鮮重112 kg，含總氮372 g、總磷145 g，而這段時間水體總氮和總磷減少只有9.15 g和0.93 g（按水深50 cm,水量3 000 L計算）。水蕹菜所含的氮、磷（近似等于從水中吸納的氮、磷）比水體氮、磷減少量大得多，這是可以理解的。實際上，富營養(yǎng)化水體底泥氮、磷的釋放是水體營養(yǎng)鹽的主要來源[16]。試驗池底鋪有0.6m3南淝河底泥，按比重1.5 t·m-3計算，底泥含TN 8 919 g，TP 3 402 g。底泥釋放速率與水溫相關，蕹菜生長正值高溫季節(jié)，底泥釋放的營養(yǎng)鹽滿足了其生長需求。雖然地上試驗池也覆有南淝河底泥，但是旱植蕹菜長勢卻不如水培的，其中一個原因可能與降雨或澆水時營養(yǎng)鹽迅速向下淋失、遠離了根系可吸收利用的范圍有關。

2.4 濕地公園示范結果

2.4.1 蕹菜生物量和氮磷含量

百荷公園的浮床水蕹菜長勢良好，至8月中旬已從浮床向圈內外側方向伸展1~3m，至10月中旬共收采10080 kg（鮮重），每畝水面產(chǎn)量達9.3 t。

收獲的蕹菜隨機取5株，清洗干凈后將根、莖、葉各部位分別干燥、稱重、研磨后檢測各部位氮磷含量，計算得出全株的平均TN含量為66.15 g·kg-1（干重）、TP含量為6.43 g·kg-1（干重）。按86%的植株含水率計，一季蕹菜從百荷湖中移出了93.34 kg氮、7.34 kg磷。

與實驗水體相比，百荷湖的蕹菜植株TN含量更高，而TP含量約為實驗水池植株的70%。雖然兩個水體都是劣V類的富營養(yǎng)化水體，但它們的面積、容量、接受外部污染的情況等都不盡相同，浮床培植的蕹菜氮磷含量有差異是可以理解的。

2.4.2 示范工程前后百荷湖的水質比較

浮床蕹菜轉移的氮、磷對百荷湖水質的改善作用可從表4來分析，表中3點平均對應圖1中的3個取樣點，13點平均是除了圖1中的3個點外，另增加了湖中間、蕹菜浮床圈內外側多個取樣點。位于北湖東南角的荷花塘與北湖主體相對隔離，多年來一直滿栽荷花、冬枯夏繁。從表4可以看出，清溪河補水水質變化大，氮磷含量不穩(wěn)定，但總體都屬于嚴重污染，這對湖水水質改善是一個相當不利的因素。與工程開展前2012年2月2日的數(shù)據(jù)比較，到7月9日蕹菜生長1個多月后，水中氮含量有明顯下降，而磷含量略有增加，到9月21日氮有少量增加，而磷的增加則較為顯著，這可能是由于進入春夏季，氣溫上升引起底泥中的氮磷向水中釋放增加的緣故。同期荷花塘的氮磷含量也顯示出相似的變化規(guī)律，即盡管荷花開始大量生長吸收利用了大量的氮磷，但塘中水的氮含量基本未變化，而磷含量卻增加了3倍多。進入秋季，隨著氣溫下降，氮磷含量又開始降低。到12月7日蕹菜采收后約1個半月，氣溫略高于2月2日，但這時北湖水的氮磷含量已比2月2日分別降低了39.8%和23%，而同期荷花塘荷花植株未經(jīng)采收，塘中水的氮含量進一步下降，磷含量雖然也有顯著降低，但仍高于2月2日。進入12月份，由于補水水質嚴重惡化，北湖氮磷含量快速增加。

表4 示范工程前（2012.2.2）、中（2012.7.9、9.21）、后（2012.11.1、12.7、2013.1.24）水質比較

盡管天然水體氮、磷含量變化受多種因素影響，有限的幾個時間點的數(shù)據(jù)不能反映其水質變化的全過程，但2月2日與12月7日這兩個時間點前后幾天的氣溫比較接近，可減少底泥氮、磷釋放因溫度差異而導致的誤差，因此該結果可以說部分反映了示范工程對北湖水質的改善作用。

3 討論

要提升濕地的經(jīng)濟性，濕地構建多聯(lián)產(chǎn)技術可能是一種解決方案，其中以聯(lián)產(chǎn)蔬菜最容易實現(xiàn)。假設一個較大的濕地以1 000畝水面浮床培植蔬菜，夏秋季蕹菜可食部分畝產(chǎn)5 t，單價2元·kg-1；冬春季水芹菜畝產(chǎn)1 t，單價4元·kg-1，兩項一年的收益可達1 400萬元。如果只把浮床以下20 cm的根系保護起來，20 cm以外部分供養(yǎng)食草魚類，可進一步增加收益。濕地聯(lián)產(chǎn)蔬菜在經(jīng)濟上可補充濕地管理費用，更重要的是，收采上岸的蔬菜減輕了后處理難題，降低了二次污染。針對這一思路，本文利用水蕹菜進行了水陸栽培的比較實驗及大面積水體工程化應用嘗試，充分證實了其可行性和應用價值。

植物對營養(yǎng)元素的吸收和分配受基因型控制，也與植物生長的環(huán)境有緊密關系[17-18]。同一種植物，栽培環(huán)境不同，水分和營養(yǎng)元素的供給不同，植株生長速率和生物量也會產(chǎn)生很大差異[19-20]。旱植和水培蕹菜生物量的比較結果顯示蕹菜從水中吸收養(yǎng)分特別是磷的潛力相當高，富營養(yǎng)化水體營養(yǎng)豐富，恰好滿足了其對養(yǎng)分的需求，旱地種植要達到或接近同樣的生長勢則可能需要大量施肥，因此旱植蕹菜的經(jīng)濟性遠不如利用富營養(yǎng)化的水體培植。磷是一種有限資源，然而作物對于土壤中的當季磷利用效率往往不超過20%[21]，施入的大量磷素通過徑流、農業(yè)排水等途徑進入水體，培植蕹菜等水生蔬菜充分吸收水中的過量磷不僅可有效緩解富營養(yǎng)化，更是對寶貴的磷資源的有效利用[22]。

富營養(yǎng)化水體生態(tài)修復聯(lián)產(chǎn)蔬菜還應關注其食用安全性問題。一方面，作者不贊成“談污色變”、籠統(tǒng)地斷定富營養(yǎng)化水體培植的蔬菜就是不安全的。研究顯示巢湖的重金屬多在其表層沉積物中被檢出但它們的生物有效性并不高，除個別污染嚴重的入湖河口外，上覆水中的主要重金屬含量低于地表水I類限值[23-24]。本研究對百荷湖水體的檢測也顯示其水中主要重金屬含量皆低于地表I類限值。對于其他小型水體，如農村坑塘等的有害元素污染狀況應根據(jù)其地域特征、是否毗鄰工業(yè)區(qū)等情況作檢測評估后定論。另一方面，除了應考察水體（即植物生長的環(huán)境）本身的污染源外，還應考察植物對水體中各類元素的吸納特征。已有大量研究顯示，不同植物、同類植物（作物）的不同品種，由于基因型的差異，對土壤中有害元素的吸收及有害元素在植株各部位的富集情況差異顯著，因此人們可以篩選和培育對一種或幾種元素超富集或不富集的作物和蔬菜品種以適應不同環(huán)境的栽培需求[25-26]。

綜上所述，聯(lián)產(chǎn)蔬菜既可滿足濕地凈化水質的功能需求，又極大地提升了其經(jīng)濟性。應加強濕地適生蔬菜育種研究，篩選和培育生物量大、抗逆性好、可食部位有害元素低富集的品種，同時還應發(fā)展?jié)竦厥卟烁咝嘀布夹g。

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Restoration of EutrophicWater by Ipomoea Aquatic and Demonstration Study in Wetland

LIXuan1,2，F(xiàn)ENG Hui-yun1，XU Heng2，YU Zeng-liang1，LIWei3，DU Hai-ming3，ZHOU Ao3
(1.Key Laboratory of Ion Beam Bioengineering&Energy Forestry Research Center of the State Forestry Administration of China，Hefei Institutes of Physical Science，Chinese Academy of Sciences，Hefei，Anhui230031，China;
2.College of Chemistry and Chemical Engineering，Anqing Normal University，Anqing，Anhui 246011，China;
3.Anhui Lake Environment Technology Ld.Corporation，Hefei，Anhui230031，China)

To investigate the growth of habitus,ability of nutrient removal,and prospect for large-scale application of planting water spinach(ipomoea aquatic)by floating beds in large acreage water body,the study compares the biomass,total nitrogen(TN)and total phosphorus(TP)contentofwater spinach,grown in soil and eutrophic water body,and further enlarges the demonstration in Baihe wetland park at Chichou,Anhui.It is found that during the same growing period,the biomass of water spinach grown in eutrophic water could reach on average 1.6 kg per plantwith a length of 5 m,in great contrast to the plants grown in soil.The great growing potential of water spinach in eutrophic water is in agreement to its particularly prosperous root system,which takes 35%of the fresh weight of a single plant.TN and TP are separatelymeasured for root,stem and leaf parts,and the ratios of TP/TN in each part for plants grown in eutrophic water are 3.26,3.65 and 1.51 times of plants grown in soil.High biomass and phosphorus absorption potential are important features for its application in restoration of eutrophic water.Demonstration field study in Baihe wetland park showes a yield of 9.3 t per 667 m2,and TN of the water body is decreased from 3.624 mg·L-1to 2.181 mg·L-1,TP from 0.187 mg·L-1to 0.144 mg·L-1.The work provids a successful example of using water vegetables,at large-scale,for restoration of water nitrification.The strategy of producing edible vegetables along with bio-restoration of eutrophic water body and important aspects for future research are discussed.

restoration of eutrophicated water body；construction of wetland along with vegetable production；Ipomoea aquatic；floating beds；TN and TP

X52

A

1007-4260(2016)04-0116-05

時間：2017-1-3 17:19

http://www.cnki.net/kcms/detail/34.1150.N.20170103.1719.029.html

2016-04-13

安徽省科技攻關項目（12010402102）和國家自然科學基金（11575234）。

李璇，女，內蒙古鄂爾多斯市鄂托克前旗人，安慶師范大學碩士研究生，研究方向為水污染治理與生態(tài)修復。

E-mail:1104158705@qq.com

馮慧云，女，安徽蕪湖人，博士，中科院合肥物質科學研究院副研究員，研究方向為水污染治理與生態(tài)修復。

E-mail:huiyunf@ipp.ac.cn

10.13757/j.cnki.cn34-1150/n.2016.04.029