浮床栽培空心菜生物量和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的累積特性

李海燕，鄧少鴻，鄧日檢，鄧文新，王 卓，杜 虹

（汕頭大學(xué)理學(xué)院，廣東 汕頭 515063）

浮床栽培空心菜生物量和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的累積特性

李海燕，鄧少鴻，鄧日檢，鄧文新，王 卓，杜 虹*

（汕頭大學(xué)理學(xué)院，廣東 汕頭 515063）

在蝦池搭建框架式浮床水培空心菜（Ipomoea aquatica），以土培空心菜作為對(duì)照，比較了人工浮床水培空心菜和土培空心菜的生長(zhǎng)特點(diǎn)，并研究了不同組織中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)（C、N、P）的含量和積累量的變化特點(diǎn).結(jié)果表明，4周試驗(yàn)期間，水培空心菜生長(zhǎng)好于土培空心菜，水培空心菜地上、地下和總生物量分別是土培空心菜的1.31倍、4.5倍和2倍.水培空心菜和土培空心菜不同組織中的TOC、TN、TP積累量隨生物量的增加而增加，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)水培空心菜組織中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的積累量均高于土培空心菜.收割后水培空心菜從水體中移除的TN和TP的量分別是11.90 g·m-2和1.11 g·m-2.

浮床；空心菜；生物量；營(yíng)養(yǎng)積累

魚(yú)菜共生是結(jié)合了水產(chǎn)養(yǎng)殖和水培蔬菜的綜合養(yǎng)殖系統(tǒng)[1].通過(guò)將植物種植在沙石、多聚乙烯、多空滲透材料等制作的浮床中，使植物能漂浮生長(zhǎng)在水面上[2-3]，養(yǎng)殖水體經(jīng)過(guò)植物根系的截留、吸收和吸附作用下，水體中對(duì)養(yǎng)殖生物有害的富營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)被有效去除[4]，從而成為養(yǎng)殖生物天然的過(guò)濾器.在魚(yú)菜共生創(chuàng)建的小型生態(tài)系統(tǒng)中，植物和魚(yú)可同時(shí)在立體的空間中生長(zhǎng)、收獲，總產(chǎn)量相比起傳統(tǒng)的水產(chǎn)養(yǎng)殖和種植蔬菜有了進(jìn)一步提高，收獲的水生蔬菜還能從水體中移除一定的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì).水培蔬菜吸收、分配和積累營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的過(guò)程不僅能夠反映出環(huán)境中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的變化情況，還能反映植物光合作用和初級(jí)生產(chǎn)的過(guò)程[5].本研究通過(guò)在蝦池搭建框架式浮床水培空心菜（Ipomoea aquatica），以土培空心菜作為對(duì)照，比較不同栽種條件下空心菜生物量、總有機(jī)碳（TOC）、總氮（TN）和總磷（TP）含量和積累量的差異，分析浮床水培空心菜對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)積累的特點(diǎn)，為進(jìn)一步探究水生蔬菜植物在魚(yú)菜共生系統(tǒng)中的作用提供依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)池塘

試驗(yàn)在汕頭市牛田洋西面某養(yǎng)殖池塘內(nèi)進(jìn)行，受試池塘面積為11 000 m2（1.1 hm2），水深1 m左右，設(shè)有機(jī)械增氧系統(tǒng)，池壁鋪設(shè)地膜.養(yǎng)殖水體為半咸水，鹽度常年控制在2‰左右，池塘內(nèi)以養(yǎng)殖南美白對(duì)蝦為主.養(yǎng)殖池塘每日均進(jìn)行人工投餌，試驗(yàn)后期隨著對(duì)蝦收獲量的減少，投餌量和次數(shù)均逐漸減少.

1.2 浮床的構(gòu)建

浮床主要參照魚(yú)菜共生浮排進(jìn)行改進(jìn)[6-7]，試驗(yàn)所用浮床為框架式浮床.每個(gè)單元浮床由浸塑網(wǎng)片（孔徑60 mm，規(guī)格1 m×1 m）和PVC管（管徑50 mm，長(zhǎng)度4 m）拼接成1 m×4 m的矩形框架，將經(jīng)過(guò)處理的塑料瓶插入浸塑網(wǎng)片網(wǎng)孔中，瓶間距為20 cm.空心菜去頂留茬10 cm左右，均取3～5株植入塑料瓶中，種植工作于岸上完成，再依次放入水中.用扎帶將7個(gè)浮床單元連接成一排（1 m×28 m），用竹竿將浮床固定于池塘中，每排浮床之間預(yù)留2 m～3 m的水道，供采樣小船經(jīng)過(guò)（圖1）.空心菜種植面積（包括水道）為868 m2，覆蓋率為7.9%，浮床布設(shè)見(jiàn)圖2.

圖1 池塘中的浮床

圖2 浮床和布設(shè)圖

1.3 樣品采集與測(cè)定

采樣：于2013年09月29日至2013年10月27日對(duì)牛田洋養(yǎng)殖池塘浮床種植的空心菜進(jìn)行連續(xù)調(diào)查.同時(shí)以土培空心菜作為對(duì)照，每周采樣一次，隨機(jī)取樣.

測(cè)定：（1）生物量：用水洗凈植株，將植株莖葉分為地上部分，根分為地下部分，吸干水分后分別稱量鮮重，再將植物樣品置于105℃下殺青30 min后，在65℃恒溫下烘干至恒重，冷卻后在精度為0.000 1 g的天平上稱量干重.最后將烘干后的樣品粉碎，過(guò)100目篩，封存，標(biāo)記，待測(cè)；（2）植物體中碳和氮含量采用元素分析儀（Vario EL cube型號(hào)，elementar公司，德國(guó)）測(cè)定；（3）植物體中磷含量采用微波消解ICP-MS法測(cè)定[8-9].

1.4 元素含量計(jì)算

植物地上、地下部分碳氮磷元素積累量T的計(jì)算公式為[10]：

W為地上、地下部分的生物量（g·m-2）；C為地上、地下部分的碳氮磷元素含量（mg·g-1）；T為地上、地下部分的碳氮磷積累量（g·m-2）.

1.5 數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計(jì)

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 18.0簡(jiǎn)體中文版進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，圖表處理分別采用Origin V8.0 和Excel 2003.

2 結(jié)果

2.1 生物量的變化

將購(gòu)買來(lái)的空心菜分別栽種在花盆中（栽種地點(diǎn)在汕頭大學(xué)遺傳實(shí)驗(yàn)室外走廊）和浮床中，在預(yù)培養(yǎng)1周后開(kāi)始采樣檢測(cè).移栽2周后，分別調(diào)查栽種植物的成活率，浮床水培空心菜成活率在85%以上，土培空心菜成活率為100%.

土培和水培空心菜的地上部分和地下部分生物量隨時(shí)間變化的趨勢(shì)如圖3所示.試驗(yàn)期間，不同栽種條件下的地上部分和地下部分生物量均顯著增加（p＜0.05）.試驗(yàn)結(jié)束，水培空心菜地上部分生物量平均值為503.89 g·m-2，是對(duì)照的1.31倍；水培空心菜地下部分生物量極顯著（p＜0.01）大于土培空心菜地下部分的生物量，水培空心菜地下部分生物量平均值達(dá)481.82 g·m-2，是土培的4.5倍.

分別計(jì)算不同栽培條件下的空心菜地上部分生物量和地下部分生物量與總生物量的平均比率，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1.結(jié)果顯示，試驗(yàn)初期土培空心菜和水培空心菜的總生物量主要由地上部分生物量組成，其與總生物量比率分別為83.75%和68.32%；隨著栽培時(shí)間的延長(zhǎng)，土培空心菜和水培空心菜總生物量的組成發(fā)生不同變化，土培空心菜地下部分生物量在總生物量的比率不斷增加，但總生物量仍然由地上部分生物量組成，收割時(shí)地上部分生物量與總生物量的比率為78.04%；水培空心菜地下部分生物量與總生物量的比率總體上增加，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，地下部分生物量與總生物量的比率增加至48.88%，接近地上部分生物量與總生物量的比率（51.12%）.

圖3 空心菜地上和地下生物量的變化

表1 空心菜地上部分生物量和地下部分生物量與總生物量的平均比率 W/%

2.2 碳元素含量和積累量的特點(diǎn)

不同栽培條件空心菜地上部分和地下部分總有機(jī)碳（TOC）含量和積累量隨時(shí)間的變化如圖4所示.試驗(yàn)期間，不同栽培條件下空心菜地上部分和地下部分組織中的TOC含量無(wú)顯著差異（p＞0.05），TOC變化總體呈增加的趨勢(shì)（圖4A），隨后含量在390.75 mg·g-1上下浮動(dòng)變化，最后各部分組織中TOC含量為（392.53±8.00）mg·g-1.

根據(jù)單位面積不同組織中的生物量和碳含量計(jì)算得到土培和水培空心菜TOC積累量（圖4B）.試驗(yàn)期間，不同栽培條件下空心菜地上部分和地下部分組織中的TOC積累量不斷增加，變化趨勢(shì)與其相對(duì)應(yīng)的生物量一致.試驗(yàn)結(jié)束，水培空心菜不同組織中TOC的積累量均高于土培空心菜，其中地下部分組織中TOC的積累量含量是土培空心菜的4.45倍.

圖4 空心菜總有機(jī)碳含量和積累量的變化

2.3 氮元素含量和積累量的特點(diǎn)

植物體不同組織中總氮（TN）含量和積累量變化如圖5所示.土培空心菜地上部分和地下部分TN含量隨時(shí)間的延長(zhǎng)而持續(xù)下降，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)均下降至最低值；然而，水培空心菜地上部分和地下部分TN含量隨時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，試驗(yàn)結(jié)束，地上部分TN含量（23.60 mg·g-1）略高于土培空心菜地上部分TN含量（21.50 mg·g-1），地下部分TN含量（21.20 mg·g-1）是土培空心菜地下部分的2倍（圖5A）.

土培空心菜地上部分和地下部分TN積累量呈先增加再減少的變化趨勢(shì)，最終，地上部分和地下部分TN的積累量分別為8.26 g·m-2和1.24 g·m-2；水培空心菜地上部分和地下部分TN的積累量隨著時(shí)間的延長(zhǎng)呈持續(xù)增加的變化趨勢(shì)，試驗(yàn)結(jié)束，N元素在地上部分和地下部分的積累量分別為11.90 g·m-2和10.21 g·m-2，分別是與之對(duì)應(yīng)的土培空心菜組織中積累量的1.44和8.23倍（圖5B）.

圖5 空心菜總氮含量和積累量的變化

2.4 磷元素含量和積累量的特點(diǎn)

植物體不同組織中總磷（TP）含量和積累量變化如圖6所示.試驗(yàn)期間，土培空心菜地上部分和地下部分TP含量隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而持續(xù)減少，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)均下降至最低值；水培空心菜各部分TP含量在試驗(yàn)期間相對(duì)穩(wěn)定，試驗(yàn)期間均值為2.32 mg·g-1，試驗(yàn)結(jié)束與土培的含量基本一致（圖6A）.

土培空心菜地上部分和地下部分TP積累量變化趨勢(shì)與其TN積累量相似，為先增加再減少，最終，地上部分和地下部分TP的積累量分別為0.80 g·m-2和0.27 g·m-2；水培空心菜地上部分和地下部分TP的積累量隨著時(shí)間的延長(zhǎng)呈持續(xù)增加的變化趨勢(shì)，試驗(yàn)結(jié)束，P元素在地上部分和地下部分的積累量分別為1.12 g·m-2和1.29 g·m-2，分別是土培空心菜對(duì)應(yīng)組織的1.40倍和4.78倍（圖6B）.

圖6 空心菜總磷含量和積累量的變化

3 討論

魚(yú)菜共生系統(tǒng)是利用養(yǎng)殖肥水來(lái)培育蔬菜，不僅能夠通過(guò)蔬菜根系從水體中直接吸收氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素，使養(yǎng)殖水體自然凈化，保持水質(zhì)穩(wěn)定，降低水質(zhì)凈化成本，還能夠通過(guò)養(yǎng)殖空間的合理利用，最大限度地提高水產(chǎn)品和蔬菜的產(chǎn)量，從而越來(lái)越受到人們的廣泛關(guān)注.

本試驗(yàn)研究了2種不同栽培條件的空心菜的生長(zhǎng)特點(diǎn)，在相同的生長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，與土培空心菜相比，浮床栽培的空心菜有更好的生長(zhǎng)狀況.通過(guò)比較不同栽培條件下空心菜地上部分和地下部分生物量的增長(zhǎng)情況可以看出，水培空心菜的地上部分和地下部分的生物量均大于土培空心菜，說(shuō)明浮床水培空心菜比土培空心菜生長(zhǎng)更好，產(chǎn)量更高，這與文獻(xiàn)[11]的研究相似.對(duì)比分析不同栽培條件下的空心菜地上部分生物量和地下部分生物量與總生物量的平均比率（表1），可知浮床水培空心菜地下部分與總生物量的比率一直高于土培空心菜地下部分的比率，最高可達(dá)48.88%，說(shuō)明水培空心菜擁有比土培空心菜更發(fā)達(dá)的根系.根系作為吸收養(yǎng)分和水分的器官，其生長(zhǎng)狀況直接影響到地上部分的性狀和產(chǎn)量[12].水培空心菜從陸地被移植到水中，水體中含氧量減少（不足空氣中的1/20），為了尋找和保證空氣的供應(yīng)，植物發(fā)生形態(tài)上的改變[13].發(fā)達(dá)的根系不僅有助于吸收水體中的氧氣，同時(shí)也有利于吸收水中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，這是對(duì)環(huán)境適應(yīng)的一種表現(xiàn).

試驗(yàn)還測(cè)定了空心菜碳、氮、磷的含量，推算出不同栽培條件下空心菜組織中各元素的累積量.結(jié)果顯示：不同栽培下空心菜體內(nèi)C含量沒(méi)有明顯差異（p＞0.05）和變化，N、P的含量在試驗(yàn)初期存在顯著差異（p＜0.05），隨著試驗(yàn)的進(jìn)行含量趨向一致，這可能是植物體主要通過(guò)根部從外界吸收N、P元素，所以外界環(huán)境營(yíng)養(yǎng)元素的含量影響此吸收過(guò)程，而C元素的固定主要地上部分葉片進(jìn)行吸收，所以C元素的固定不受種植基質(zhì)中C含量的影響.通過(guò)分析空心菜生物量與元素積累量的關(guān)系，結(jié)果顯示（表2）無(wú)論是土培還是水培的空心菜，體內(nèi)的C、N、P元素的積累基本上均與生物量相關(guān).說(shuō)明產(chǎn)量越高，元素的積累量越大，水培的空心菜生長(zhǎng)旺盛，更有益于元素的積累.

吳春篤等[10]研究表明，植物成熟期后會(huì)迅速釋放組織中的N、P，所以適時(shí)的對(duì)植物進(jìn)行收割，可以將N、P移除.浮床水培空心菜可實(shí)現(xiàn)一次栽培多次收獲，通過(guò)收割移除水體中的營(yíng)養(yǎng)鹽，且不會(huì)造成水體的二次污染[14].本試驗(yàn)結(jié)束，對(duì)浮床水培空心菜地上部分進(jìn)行收割，分別從水體中移除11.90 g·m-2的氮和1.11 g·m-2的磷，收割的空心菜還可以增加一定的經(jīng)濟(jì)收入.

表2 土培空心菜生物量與元素積累量的相關(guān)性分析

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Characteristics of Ipomoea Aquatica Biomass and Nutrient Accumulation in the Floating-beds

LI Haiyan,DENG Shaohong,DENG Rijian,DENG Wenxin,WANG Zhuo,DU Hong*
（College of Science,Shantou University,Shantou 515063,Guangdong,China）

Variations of the above-and below ground biomass and nutrient characteristics（nitrogen, carbon,and phosphorus）of Ipomoea aquatica was investigated in floating-beds planting and soil planting by the outdoor experiment in a brackish water aquaculture.The results show that the Ipomoea aquatica planted on floating-beds grewbetter than those planted in soil during the 4 weeks experiment period,demonstrating a 1.31 times above ground biomass and 4.5 times below ground biomass and 2 times total biomass when compared with the latter.The total organic carbon,nitrogen and phosphorus accumulations ofthe above-and belowground plant parts increased with the increase of biomass,and the results showed that the hydroponic culture plants have higher nutrients（C,N,P）accumulation than soil planting plants.In treatments of hydroponics cultivation,11.90 g·m-2of TN and 1.11 g·m-2ofTP were removed with the harvest of Ipomoea aquatica.

floating-beds;Ipomoea aquatica;biomass;nutrient accumulations

Q945

A

2017-04-10

李海燕（1988—），女，哈尼族.碩士，E-mail：lihyan0709@163.com

杜 虹（1976—），女，博士，教授.E-mail：hdu@stu.edu.cn

廣東省海洋漁業(yè)科技與產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項(xiàng)項(xiàng)目（A201405B06）；福建省海洋生物增養(yǎng)殖與高值化利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題（2016fjscq02）

1001-4217（2017）02-0003-07