水稻對富營養(yǎng)化水體生態(tài)修復(fù)效應(yīng)及其研究進展

孫志萍 秦琳 劉耀斌 李鳳博 馮金飛 吳殿星 方福平,

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水稻對富營養(yǎng)化水體生態(tài)修復(fù)效應(yīng)及其研究進展

孫志萍1,2,#秦琳3,#劉耀斌2李鳳博2馮金飛2吳殿星1,*方福平2,*

(1浙江大學(xué) 農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院，杭州 310029；2中國水稻研究所，杭州 310006；3四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 分析測試中心；#共同第一作者；*通訊聯(lián)系人，E-mail: dxwu@zju.edu.cn, fangfuping@caas.cn)

水體富營養(yǎng)化是制約我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素。水稻具有顯著的水質(zhì)凈化能力，利用水稻對富營養(yǎng)化水體進行生態(tài)修復(fù)成為植物修復(fù)的一個重要的研究方向。通過文獻(xiàn)調(diào)研，總結(jié)了水稻對不同富營養(yǎng)化水體(湖泊、水庫、污水河道、養(yǎng)殖尾水、農(nóng)田退水和生活污水)修復(fù)效率，綜合分析了不同修復(fù)模式(浮床種稻、稻田濕地和稻魚共作)的技術(shù)特點、適用范圍和影響因素，歸納總結(jié)了水稻對富營養(yǎng)化水體修復(fù)的主要作用機制，并對下一步的研究提出了相關(guān)建議。

水稻；富營養(yǎng)化水體；生態(tài)修復(fù)；技術(shù)模式；作用機理

水資源是人類及其他一切生物賴以生存的重要物質(zhì)。然而，由于人為活動的影響，目前我國大量湖泊、河流、水庫等地表水體都發(fā)生了嚴(yán)重的富營養(yǎng)化污染問題[1]。形成水體富營養(yǎng)化的污染物主要來源于農(nóng)業(yè)面源污染、生活污水、工業(yè)廢水以及水產(chǎn)養(yǎng)殖排放的尾水等途徑。水體富營養(yǎng)化不僅惡化水源水質(zhì)，增加水處理負(fù)擔(dān)和成本，而且嚴(yán)重影響水體生態(tài)平衡[2-4]。因此，有效控制與治理富營養(yǎng)化水體，提高地表水質(zhì)量，對于保護地表水體生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定，保障人類健康生活，促進社會經(jīng)濟生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展都具有非常重要的意義。

目前，富營養(yǎng)化水體的修復(fù)技術(shù)主要有化學(xué)修復(fù)、物理修復(fù)和植物修復(fù)等，其中植物修復(fù)技術(shù)具有修復(fù)成本低、效果好、對環(huán)境干擾小等優(yōu)點而被廣泛關(guān)注和應(yīng)用[5]。植物修復(fù)的技術(shù)模式主要有原位和異位修復(fù)兩種。原位修復(fù)就是將修復(fù)植物直接種植或浮床種植于污染水體；異位修復(fù)是將富營養(yǎng)化水體排到人工濕地或生態(tài)溝渠，經(jīng)凈化后再利用。在這些模式中，修復(fù)植物的選擇是影響凈化效果和應(yīng)用潛力的關(guān)鍵因素。目前全球已發(fā)現(xiàn)的高等水生植物多達(dá)6700余種，但被利用且產(chǎn)生效果的只有幾十種，且主要是香蒲、蘆葦?shù)茸匀凰参颷6]。由于自然水生植物收獲后二次利用存在較大問題，探索適宜水生的糧食或經(jīng)濟作物對水體凈化的應(yīng)用潛力，成為當(dāng)前植物修復(fù)研究的重要方向[7]。

水稻不僅是我國重要的糧食作物，而且對水體氮磷養(yǎng)分具有較強的吸收同化能力。研究顯示[8]，水稻對水體養(yǎng)分的吸收能力僅次于蘆葦和萩，明顯高于牛筋草、香蒲、美人蕉等水生植物，而且水稻是唯一的可以淹水種植的糧食作物，在修復(fù)富營養(yǎng)化水體中具有先天優(yōu)勢。此外，隨著我國城鎮(zhèn)化的不斷發(fā)展，耕地面積日益減少，水稻面積擴增日益艱難。因此，采用水稻作為修復(fù)植物對于增加水稻種植面積，提高水稻產(chǎn)量具有重要作用。自20世紀(jì)90年代以來，國內(nèi)外許多學(xué)者對采用水稻進行富營養(yǎng)化水體的生態(tài)修復(fù)進行了大量探索。結(jié)果顯示，水稻對湖泊、水庫、污水河道、養(yǎng)殖廢水、農(nóng)田退水、生活污水等不同富營養(yǎng)化水體的均顯示出顯著的修復(fù)能力，具有巨大的應(yīng)用潛力。本文對以往研究中水稻對不同類型水體的凈化效率進行了綜合比較，對不同修復(fù)模式技術(shù)特點和修復(fù)機制進行了綜合分析。

1 水稻對不同類型水體養(yǎng)分凈化效率

1.1 水稻對湖泊、水庫水體富營養(yǎng)化的修復(fù)

湖泊富營養(yǎng)化是湖泊水體在自然環(huán)境因素和人為活動雙重影響下，由于大量營養(yǎng)鹽輸入而使得湖泊水體逐步從生產(chǎn)力水平低的貧營養(yǎng)狀態(tài)向生產(chǎn)力水平高的富營養(yǎng)狀態(tài)轉(zhuǎn)化的一種現(xiàn)象[9]。氮和磷是其主要污染指標(biāo)。在以往研究中，水稻對湖泊水體的凈化主要有兩種方式：1)以人工浮床為載體種植到水面；2)通過在湖濱無耕作種植水稻來凈化水質(zhì)。鄧志強[10]采用生態(tài)浮床對小興凱湖進行了7個周期(每10 d為一周期)的水體凈化研究，結(jié)果表明水稻在前3個周期凈化能力逐漸上升，此后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；7個周期內(nèi)對水體總氮和總磷的平均去除率達(dá)到84.0%和85.9%(分別從9.63±0.85、1.02±0.14 mg/L降至1.56、0.158 mg/L)；水稻吸收的氮磷主要集中在地上莖葉部。鄭立國等[11]采用生態(tài)浮床對天鵝湖水質(zhì)進行了為期4個月的凈化。研究結(jié)果顯示，通過修復(fù)，該湖水體總氮、氨態(tài)氮和總磷含量分別降低了61.9%、63.1%和80%(分別從3.86、2.33、0.23 mg/L降低到1.47、0.86和0.046 mg/L)。水稻單株氮磷吸收量分別為17.0 g和1.4 g，莖葉吸收量高于根系。郭艷英等[12]在滇池湖濱免耕種植水稻，將湖水灌入稻田，經(jīng)稻田凈化后再返回滇池。試驗表明，水稻在生長過程中對滇池水體中TP、TN去除率分別達(dá)到40.4%~80.7%、43.9%~88.0%。除對水體氮、磷的消減外，水稻濕地還可調(diào)節(jié)浮游植物的總量和多樣性。實驗結(jié)果顯示，浮游植物數(shù)量和微囊藻數(shù)量在水稻分蘗、孕穗和灌漿期分別減少95.6%~96.2%和95.8%~97.3%，浮游植物種類從5~6種增加到10~11種，微囊藻的優(yōu)勢度降低了74.2%~96.8%。邱立莉[13]利用生態(tài)島技術(shù)水面無土種植水稻修復(fù)三峽庫區(qū)富營養(yǎng)化水體，發(fā)現(xiàn)水稻在5－6月對總氮和總磷的凈化率分別為74.7%~87.2%和83.0%~91.0%，期間水稻在中度富營養(yǎng)化水體的凈化效果優(yōu)于輕度和重度污染水體。在6－7月，水稻對輕度和中度污染水體總氮的凈化率有所降低，分別為67.5%和63.6%，對重度污染水體的總氮凈化率則增加到98.5%，對水體總磷的凈化率均呈增加趨勢，達(dá)到97%~99%。去除率的變化可能與水體氮磷含量比及水稻生長階段對養(yǎng)分的吸收能力有關(guān)。有研究顯示[14]，水稻對不同N/P比水體的氮磷去除率不同，在中N/P比(25∶1)的水體中，浮床水稻對總氮的凈去除率最高。此外，輕度和中度污染水體可能養(yǎng)分不足，限制水稻生長，從而影響水體養(yǎng)分凈化率。

1.2 水稻對江河水體富營養(yǎng)化的修復(fù)

由于工農(nóng)業(yè)的發(fā)展和人口增長，越來越多的河流水體被城市生活污水、地表水徑流和農(nóng)業(yè)面源污染而呈現(xiàn)重度營養(yǎng)化狀態(tài)。陳繼順等[15]在兩條滇池入湖河道開展了漂浮種稻試驗，結(jié)果表明，兩年內(nèi)，漂浮稻可吸收、降解氮115.1~324.6g/m2(折合成尿素)，磷27.7~138.2 g/m2(折合成普鈣)和鉀(折合成鉀肥)15.8~107.5 g/m2。此外，漂浮種稻對水體重金屬也有較強的富集能力，對Pb、Cd、Cr、Hg和As的富集能力分別為44.4~230.1 mg/m2、1.53~13.58 mg/m2、65.3~174.8 mg/m2、0.106~1.39 mg/m2和2.10~29.2 mg/m2。富集的重金屬主要集中在水稻根系和莖稈，水稻籽粒中重金屬含量并沒有超過國家限量標(biāo)準(zhǔn)。Zhou等[16]選用飼料稻品種，在日本Sannogawa河旁構(gòu)建了稻田濕地以修復(fù)富營養(yǎng)化河水。研究結(jié)果顯示，稻田濕地對河水有機氮、氨態(tài)氮、硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮的去除量分別為43、10、129和4 mg/(m2·d)。在整個水稻生長季節(jié)，水體中氮的去除總量可達(dá)30.6g/m2。由此可見，水稻植株是水體去除氮素的儲存庫。然而，氮收支結(jié)果顯示，稻田濕地模式中，水稻從土壤中也吸收了大量氮素，可能減弱了其對水體氮的凈化效果。還有研究認(rèn)為，在稻田濕地中，土壤會吸附和固持水中氮磷養(yǎng)分，從而增加對水體養(yǎng)分的凈化效果[17]。

1.3 水稻對水產(chǎn)養(yǎng)殖水體富營養(yǎng)化的修復(fù)

淡水水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水中含有水生動物的排泄物和餌料殘渣，富含N、P等營養(yǎng)物質(zhì)且重金屬含量低，可以用來灌溉多數(shù)的植物[18]。我國也早有將養(yǎng)殖池塘和人工濕地相結(jié)合的實踐。通過池塘種稻、浮床栽培水稻和養(yǎng)殖尾水灌溉稻田等方式，可使養(yǎng)殖尾水中富余的營養(yǎng)物質(zhì)被水稻植株吸收利用，減少養(yǎng)殖尾水中營養(yǎng)物質(zhì)的積累，從而有效降低養(yǎng)殖水體的富營養(yǎng)化程度。李鳳博等[19]在養(yǎng)殖池塘原位種植池塘專用水稻來吸收池塘富余養(yǎng)分，結(jié)果表明水稻收獲時，種稻魚塘水體總氮含量為0.49 mg/L，比不種稻池塘低96.0%；種稻魚塘水體中總磷含量為0.08 mg/L，比不種稻魚塘低84.5%。水稻可能是通過同化吸收、促進水體中含氮顆粒物質(zhì)沉降和反硝化作用等來降低水中總氮含量，而水體中總磷的去除則主要受沉積、微生物的同化吸收、沉積物-水界面的磷吸附等間接作用影響。池塘浮床栽培水稻研究表明，水稻生育期內(nèi)對氮磷的吸收量分別為118.7 g/m2和11.1 g/m2，表現(xiàn)出較強的氮磷去除能力[8]。吳啟俠等[20]研究了不同水管理模式灌溉稻田對養(yǎng)殖尾水的凈化效果，結(jié)果表明間歇灌溉排水和間歇灌溉連續(xù)排水方式下，稻田濕地系統(tǒng)對污水中氮、磷養(yǎng)分的去除率要高于平衡灌溉方式，且滲徑達(dá)到50 cm時，凈化效果明顯優(yōu)于30 cm。也有研究將養(yǎng)殖池塘周邊充裕的土地充當(dāng)?shù)咎餄竦?，利用養(yǎng)殖尾水進行水稻灌溉，結(jié)果表明對池塘養(yǎng)殖尾水中的TN、TP、NO3－-N和NH4+-N的去除率高于人工濕地[21]。

1.4 水稻對農(nóng)田退水和生活污水的修復(fù)

農(nóng)田退水是農(nóng)田中流經(jīng)地表和地下進入農(nóng)田排水溝且最終流向河流的水，其直接排放是河流水體富營養(yǎng)化的重要來源。由于農(nóng)田退水水量極大，且排放時間和地方分散不集中，一直以來缺乏切實可行的治理方法?，F(xiàn)有的治理方法主要有浮床栽培植物修復(fù)、人工濕地修復(fù)和退水再利用等[22]。馬克星等[23]采用浮床栽培水稻對寧夏靈武農(nóng)場農(nóng)田退水進行了凈化，試驗結(jié)果表明，浮床種稻對農(nóng)田退水氮含量有顯著的消減作用?？偟?、氨態(tài)氮、硝態(tài)氮和可溶性磷的去除率分別為90.3%、100.0%、12.1%和82.2%，整個水稻季水稻植株吸收總氮量達(dá)到111.5 kg/hm2。然而，受養(yǎng)分和生長條件限制，浮床種稻產(chǎn)量僅為當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)稻田水稻產(chǎn)量50%，浮床種稻有效穗數(shù)較少是限制產(chǎn)量的最主要因素。Feng等[24]和Takeda等[25]分別在日本Kokai河和Hii 河旁進行農(nóng)田退水循環(huán)灌溉稻田的連續(xù)水質(zhì)監(jiān)測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)稻田每年最高可減少灌溉水體中的氮、磷達(dá)5.46和2.87 kg/hm2。通過農(nóng)田退水灌入稻田靜置停留可很大程度上沉積氮磷養(yǎng)分，有效減緩灌溉排水對水源的污染。

城鎮(zhèn)和農(nóng)村生活污水的排放加劇了地表水環(huán)境的惡化，生活污水富含氮磷養(yǎng)分，成為水體富營養(yǎng)化的重要來源。利用稻田濕地修復(fù)生活污水，可有效緩解水體富營養(yǎng)化問題，改善水體，且具有成本低、修復(fù)效果理想和無二次污染等優(yōu)點[26,27]。李松[28]在余杭農(nóng)業(yè)研究站以農(nóng)村生活污水灌溉稻田濕地，可滿足水稻正常生長需要，在保證產(chǎn)量的同時也可有效減少氮素流失。Sun等[29]用人工濕地和稻田濕地組合系統(tǒng)處理農(nóng)村非點源污染廢水，發(fā)現(xiàn)每年對總氮、總磷的平均去除量相當(dāng)于295 kg/hm2和25 kg/hm2，分別比人工濕地單獨處理高40％和25％。由此可見，農(nóng)村生活污水中的N、P更容易被稻田濕地去除，若用其取代肥料使用還可有效減少水體中磷素流失和入湖污水中的氮磷含量，最終達(dá)到保護水源的目的。

2 水稻對水體修復(fù)的生態(tài)技術(shù)模式

技術(shù)模式是影響植物修復(fù)經(jīng)濟成本、修復(fù)效率和適用性的關(guān)鍵因素。目前，水稻對富營養(yǎng)化水體的修復(fù)主要是通過生態(tài)浮床種稻、稻田濕地和稻魚共生這三種技術(shù)模式。現(xiàn)將這三種模式的技術(shù)特點、適用范圍和尚待改進之處總結(jié)如下。

2.1 生態(tài)浮床種稻

生態(tài)浮床種稻就是運用無土栽培的原理，借助于發(fā)泡苯乙烯、合成樹脂、合成纖維等材料制作的漂浮床體，將水稻移栽到水面的一種水體污染修復(fù)技術(shù)[36]。目前，一般認(rèn)為浮床種稻主要通過三方面的作用凈化水體養(yǎng)分：1）水稻直接吸收；2）改善微環(huán)境；3）根系和浮床基質(zhì)吸附。生態(tài)浮床種稻技術(shù)具有修復(fù)成本低、效果好、易管理，且有利于重建和恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)等優(yōu)點，適用于水體較深、不能直接種植水稻的大型水域，如湖泊、河流和大型養(yǎng)殖池塘等。

生態(tài)浮床種稻對富營養(yǎng)化水體的修復(fù)受到水稻生長階段、供試水體中氮磷濃度、浮床覆蓋率、浮床基質(zhì)等因素影響。一般而言，水稻處于生長旺盛期和成熟期時，對氮、磷的吸收速率高于衰老期；污水中氮磷濃度較高時，水稻生長較好，反之，生長會受到抑制；浮床覆蓋率越高，根系輸氧能力越強，對氮、磷的去除效果也會越好。在實際應(yīng)用中，水稻成熟后應(yīng)及時將浮床和水稻植株搬離水體，防止植株衰老腐爛引起二次污染[37-38]。隨著污水中氮磷養(yǎng)分含量的增加，采用浮床系統(tǒng)對氮磷養(yǎng)分的去除量增加，但去除率有所下降；浮床覆蓋率太大會增加成本，降低水稻單株的去除量。生態(tài)浮床種稻在應(yīng)用中依然存在需改進之處，如改造生態(tài)浮床[10-11,13]和挑選優(yōu)勢水稻品種[7]，以進一步提高生態(tài)浮床種稻對富營養(yǎng)化水體的凈化能力。比起單一的生態(tài)浮床，組合型生態(tài)浮床在普通生態(tài)浮床基礎(chǔ)上，增加水循環(huán)增氧系統(tǒng)、浮法控制器等，可大大提高生態(tài)修復(fù)的效率[11]；在浮床下掛設(shè)填料和強化活性微生物等，可人為地增加微生物量，有效提高浮床凈化能力[10]。

2.2 稻田濕地

稻田濕地模式是通過灌溉系統(tǒng)將納污水體轉(zhuǎn)入人工構(gòu)建的稻田濕地，利用土壤-微生物-水稻這個復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的物理、生物和化學(xué)的協(xié)調(diào)作用，通過水稻生長的吸收利用、土壤的吸附和土壤微生物的降解除去污水中氮、磷養(yǎng)分的一種水體污染修復(fù)技術(shù)。在實際應(yīng)用中，往往借助于合理的布水灌溉方式和適當(dāng)?shù)氖┓侍幚恚沟盟w凈化效果和水稻生長狀況達(dá)到最佳。稻田濕地對水體養(yǎng)分的修復(fù)效率受到灌水方式、養(yǎng)分管理、土壤性質(zhì)、污水類型等因素的影響。研究表明，間歇灌溉排水和間歇灌溉連續(xù)排水方式下，稻田濕地系統(tǒng)對污水中氮、磷養(yǎng)分的去除率要高于平衡灌溉方式。對于人工構(gòu)建的稻田濕地，土壤滲徑會影響水質(zhì)凈化效率；土壤滲徑達(dá)到50 cm時，凈化效果明顯優(yōu)于30 cm[20]。Kwun等[39]研究發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)整待修復(fù)污水的氮含量，可以增加水稻株高、分蘗數(shù)、生物量和產(chǎn)量，促進污水的凈化和循環(huán)利用。陳柏湘[32]嘗試采用稻田濕地凈化養(yǎng)殖尾水，發(fā)現(xiàn)在稻田濕地中增施氮磷鉀肥對養(yǎng)殖廢水的凈化效率與不施肥處理相比并沒有顯著差異，但是水稻產(chǎn)量卻顯著增加。這些結(jié)果表明，在稻田濕地修復(fù)中，根據(jù)水稻生長需求，適當(dāng)增施氮磷鉀肥可以增加水稻產(chǎn)量，且不降低對水體的凈化效率。稻田濕地對不同類型污水的凈化能力也存在較大差異。Li等[40]對三種生活污水的凈化結(jié)果顯示，稻田濕地對污水中總磷的去除率依次為灰水>生活污水>黑水。稻田濕地對生活污水中磷的去除效率(60.3%~71.4%)要高于化肥磷(26.8%~ 36.7%)。除了外源污水之外，稻田濕地還可通過循環(huán)灌排系統(tǒng)對自身排水進行凈化。Hama等[41]研究表明，通過采用循環(huán)灌排系統(tǒng)，稻田尾水磷排放量僅為 0.27~0.63 kg/hm2, 遠(yuǎn)低于常規(guī)管理排放量(2.62~3.13 kg/hm2)。

表1 水稻對不同富營養(yǎng)化水體養(yǎng)分凈化效果

TN－總氮；NH4+-N－銨態(tài)氮；NO3--N－硝態(tài)氮；NO2--N－亞硝態(tài)氮；TP－總磷；PO43-－可溶性磷；TSS－總懸浮物；COD－化學(xué)需氧量；BOD－生物需氧量；生態(tài)浮床種稻和盆栽模擬種稻模式下，單株去除量單位為μg/(L·d)；稻田濕地模式下，養(yǎng)殖尾水和富營養(yǎng)化河水的去除量單位為mg/(m2·d)；農(nóng)田退水的去除量單位為mg/L。

TN, Total nitrogen; NH4+-N, Ammonia-N; NO3?-N, Nitrate-N; NO2?-N, Nitrite-N; TP, Total phosphorus; PO43-, Orthophosphate; TSS, Total suspended solid; COD, Chemical oxygen demand; BOD, Biochemical Oxygen demand. For ecological floating bed for rice planting and potted rice, the unit for remove quantity is μg/(L·d); in paddy wetlands, the unit for fertile water and river irrigation is mg/(m2·d); for Kokai River irrigation, mg/m2; others, mg/L.

表2 水稻對水體修復(fù)模式及修復(fù)機理

我國稻田面積大，且分布廣闊，在富營養(yǎng)水體修復(fù)中存在巨大潛力。與常規(guī)人工濕地相比，稻田濕地直接利用現(xiàn)有稻田資源，可大大地降低濕地建設(shè)成本，且修復(fù)工藝流程簡單、運行管理方便，特別是作為世界上最大的濕地，稻田在補充地下水、蓄滯洪水、保護環(huán)境、凈化空氣、維護生態(tài)平衡方面都發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[42]。然而，稻田濕地對富營養(yǎng)水體的修復(fù)存在一定二次污染風(fēng)險。施肥或耕作措施不當(dāng)可能會使得稻田濕地中氮、磷養(yǎng)分淋失損失重新進入水源造成二次污染[20]，對稻田濕地管理需要精細(xì)化，施肥、耕作合理化，減少徑流損失，保證稻田濕地對污水的凈化效果。

2.3 稻魚共生

稻魚共生是改變單一稻作和水產(chǎn)養(yǎng)殖方式，將稻作系統(tǒng)和水產(chǎn)養(yǎng)殖進行生態(tài)耦合，充分發(fā)揮稻魚生態(tài)互惠共作的優(yōu)勢，減少養(yǎng)殖餌料、稻田肥料等投入，從而減少池塘養(yǎng)殖、水稻種植帶來的氮、磷養(yǎng)分物質(zhì)冗余和流失，最終達(dá)到凈化水質(zhì)的目的[43]。在稻魚共生系統(tǒng)中，魚會攝食稻田雜草、害蟲和浮游生物等，在促進水稻生長的同時，可以減少餌料投入，有效避免餌料冗余帶給養(yǎng)殖水體的污染；養(yǎng)殖過程中，殘留在池塘的剩余餌料、魚類的排泄物等降解的氮、磷養(yǎng)分物質(zhì)也會被水稻吸收，從而減少了肥料投入，也避免了養(yǎng)分流失[44]。稻魚共生主要是針對水產(chǎn)養(yǎng)殖和稻田尾水的凈化。目前稻田共生主要有兩種技術(shù)模式：稻田養(yǎng)魚和池塘種稻。稻田養(yǎng)魚在我國已有2000多年歷史，2016年在我國應(yīng)用推廣面積已達(dá)到150.16萬/hm2。池塘種稻是一種基于養(yǎng)殖池塘的新型稻魚共生技術(shù)模式。它采用適宜于池塘種植的高稈水稻，直接種植于池塘底泥中，實現(xiàn)稻魚共作。

稻魚共生可以顯著提高養(yǎng)分利用效率，降低水產(chǎn)養(yǎng)殖和稻田尾水污染。研究表明，在相同養(yǎng)殖密度和稻田管理均一致的情況下，稻魚共作水體中NH4+-N、TP分別低于魚單作系統(tǒng)24.5%和32.6%[20]，且水稻N利用效率和N儲量均高于水稻單作系統(tǒng)[45]。對于稻魚共生系統(tǒng)，養(yǎng)分利用和流失受到水稻和水產(chǎn)動物的生物配置以及養(yǎng)分管理等多方面因素的影響。Hu等[46]研究發(fā)現(xiàn)通過調(diào)整稻魚系統(tǒng)中化肥氮和飼料氮的比例可以增加魚產(chǎn)量和氮素利用率，減少氮素流失。Yaro等[47]比較了三種肥料管理方式下(施無機化肥、有機肥和不施肥)稻魚共生系統(tǒng)的水質(zhì)和產(chǎn)量，結(jié)果顯示，三種施肥方式下，水體可溶性氮磷含量并沒有顯著差異，但是無機肥的施用顯著增加了水稻和魚產(chǎn)量。Mohanty等[48]研究發(fā)現(xiàn)，通過選擇性的捕獲調(diào)整水產(chǎn)動物密度，可以提高水產(chǎn)品產(chǎn)量，提高養(yǎng)分效率，減少養(yǎng)分流失。Rothuis等[49]對水稻種植密度的研究表明，增加水稻種植密度會降低水體光照，限制浮游生物的數(shù)量，降低水體溶氧和水產(chǎn)品產(chǎn)量。除了稻田養(yǎng)魚模式外，也有研究監(jiān)測了池塘種稻這種新型模式對水體養(yǎng)分的凈化效率，與傳統(tǒng)精養(yǎng)池塘相比，池塘種稻模式可以顯著降低水體氮磷量[19]。

我國稻田養(yǎng)魚模式發(fā)展歷史悠久，養(yǎng)殖種類已由普通魚類擴展到蝦、蟹、鱉等特種水產(chǎn)，養(yǎng)殖面積和水產(chǎn)品產(chǎn)量不斷增加，是一種重要的環(huán)境友好型生態(tài)農(nóng)作模式。尤其是近年來小龍蝦市場消費需求大，養(yǎng)殖效益高，稻田養(yǎng)小龍蝦模式在湖北、江蘇等地有較大規(guī)模發(fā)展，并且形成了養(yǎng)殖、加工、餐飲等產(chǎn)業(yè)化集群模式。為稻魚共作模式的推廣應(yīng)用起到了較好的市場化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的示范作用。近年來，隨著人們對生態(tài)水產(chǎn)品需求的日益增長，以及對集約化養(yǎng)殖環(huán)保要求的日益嚴(yán)格，在精養(yǎng)池塘形成的一種稻魚共作新模式——池塘種稻近年來在我國南方地區(qū)也得到較好發(fā)展。該模式采用特別培育的適合養(yǎng)殖池塘種植的高桿水稻，將水稻直接種植于池塘底泥中，實現(xiàn)稻魚共作。目前已成功實現(xiàn)了不同養(yǎng)殖塘體(包括青蝦、黃顙魚、黑魚、對蝦、甲魚、小龍蝦等)稻魚共作技術(shù)模式，特別是小龍蝦養(yǎng)殖塘體尤其適宜，在江蘇、湖北、安徽等省具有廣泛的應(yīng)用前景。

3 水稻對富營養(yǎng)化水體養(yǎng)分的修復(fù)機理

水稻在生長過程中，需要吸收和利用大量的氮、磷，同化為自身的結(jié)構(gòu)組成物質(zhì)，而富營養(yǎng)化水中大量的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)足以達(dá)到水稻的正常生長發(fā)育的需要。水體中的無機氮是構(gòu)成水稻等植物體內(nèi)許多重要有機化合物的組分，可以合成蛋白質(zhì)、核酸、葉綠素、維生素和生物堿等，并最終轉(zhuǎn)化為生物量的不可或缺的物質(zhì)[50]；無機磷是水稻經(jīng)同化吸收轉(zhuǎn)化為ATP、DNA等有機成分的必需營養(yǎng)物質(zhì)[51]。當(dāng)水稻被收割運出水生系統(tǒng)，大量的營養(yǎng)鹽也會隨之輸出，從而達(dá)到去除氮磷，凈化水體的效果。水稻對氮、磷的吸收和利用能力取決于自身的生長速率和氮磷含量及供試水體氮磷濃度，且不同水稻品種、不同器官吸收能力和積累量均不同，并隨著生長期的變化而變化。利用水稻修復(fù)污染水體時，水稻可通過根部吸收沉積物中的氮磷[52]，發(fā)達(dá)的根系能夠提供更多的微生物附著點，借助于微生物的生化反應(yīng)捕獲更多的懸浮顆粒物和氮磷營養(yǎng)鹽供植株生長[10]。水稻在濕地系統(tǒng)中處理污水的效果和浮床系統(tǒng)存在差異，在人工濕地系統(tǒng)用養(yǎng)殖尾水進行灌溉，水稻通過土壤獲取充足的營養(yǎng)物質(zhì)，因而對不同氮磷負(fù)荷的水體吸收量差異不大，吸收率也就偏?。欢谌斯じ〈蚕到y(tǒng)中，水稻不能直接從底泥中吸收營養(yǎng)鹽，因而水體中氮、磷濃度影響其生長狀況，在高負(fù)荷污水中水稻生長旺盛[10]。

除了直接吸收之外，水稻生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的間接作用也在水體養(yǎng)分去除中起著重要作用。例如，水稻可以促進懸浮營養(yǎng)鹽的沉降。水稻對水體中懸浮營養(yǎng)鹽的沉降作用主要是通過物理吸附、過濾和生物化學(xué)作用來實現(xiàn)的。將水稻種植于不同水體或稻田濕地進行污水修復(fù)時，水稻茂密的植株可使風(fēng)速在水面或近土壤處大大降低，有利于抑制風(fēng)浪，減緩水流，促進水體中的懸浮營養(yǎng)鹽沉積，降低沉積物質(zhì)再懸浮的發(fā)生率，增加水稻植株和靜態(tài)水體的接觸時間[53]，最終有利于水稻對營養(yǎng)鹽的吸收；水稻的存在也會削減光線到達(dá)水體的強度，從而阻礙了水體中藻類的繁殖，有效保護了基質(zhì)[54]。此外，水稻生長過程中，根系會向土壤和水體中分泌出大量有機酸(如酒石酸等)[55]，因而浮床栽培水稻時，附著分泌物的水稻根系與水體接觸面能夠形成一道過濾層，有水流經(jīng)時，根系表面分泌物中的一系列功能團(羥基、羧基、酚羥基等)會對污水中的懸浮物進行過濾和截留，會粘附或吸附不溶性膠體使其沉降，凝集的菌膠團也會使懸浮的有機物和新陳代謝產(chǎn)物沉降下來，最終改善周圍水體[56,57]。

水稻和微生物對污水中的營養(yǎng)鹽和有機物有顯著的協(xié)同降解作用。水稻的根系不僅為微生物和微型水生動物提供了可附著的基質(zhì)、棲息的場所，且其根系分泌的氧和有機物也為微生物生長提供了營養(yǎng)物質(zhì)來源[58-60]。同時，水稻根際微生物的活動可促進水稻植株生長；大量微生物在水稻根系表面富集形成灰色生物膜，可有效增加微生物的分解代謝面積和數(shù)量，使得根部吸附的污染物被微生物分解利用或經(jīng)代謝作用去除[61]。水稻生長時，植株能夠?qū)Ⅲw內(nèi)光合作用產(chǎn)生的氧氣運輸至根部，同時滿足了水稻缺氧環(huán)境的呼吸和根部氧化區(qū)好氧微生物的活動[62]；根部氧化區(qū)和根區(qū)附近缺氧區(qū)域共存形成根際好氧、兼氧和厭氧區(qū)域，并為不同類型的微生物提供生存環(huán)境，使其發(fā)揮各自的作用[63]。根際好氧的微環(huán)境能夠加強根際微生物的生長和繁殖，促進好氧微生物對有機物質(zhì)的分解，且有助于硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌的生長；根系以外的厭氧區(qū)域有利于厭氧微生物的生長，也有助于促進反硝化進程從而最大限度除去水體中的硝態(tài)氮。

除了供氧之外，水稻根際分泌的有機碳也對養(yǎng)分轉(zhuǎn)化起著重要作用。水體和底泥中的有機氮經(jīng)微生物降解生成NH4＋-N(氨化或礦化作用)；NH4＋-N經(jīng)硝化細(xì)菌作用被氧化為NO2－-N和NO3－-N(硝化作用)；NO3－-N可在缺氧條件下還原為N2(反硝化作用)或者被還原為NH4+-N(NO3?-N氨化)。已有研究表明，微生物的硝化和反硝化作用對總氮的去除量貢獻(xiàn)率達(dá)45%以上[64]。其中，反硝化通常是水體和底泥中除氮的關(guān)鍵性步驟，除了必需的缺氧環(huán)境之外，反硝化進程也與水體中碳氮質(zhì)量濃度比顯著相關(guān)，因而水體中充足的碳源是有效除氮的關(guān)鍵。已有研究表明，水體中C/N低于5∶1時，碳的供給不足是反硝化作用的限制性因素[65]。水稻種植后，根系能夠分泌有機碳，能夠為反硝化細(xì)菌提供充足的碳源，有利于氮的反硝化反應(yīng)，最終將水體中的氮鹽以氮氣的形式去除。此外，水稻根系微生物可將環(huán)境中難溶解的磷形態(tài)及溶解態(tài)的難利用的有機磷活化為無機、可溶態(tài)的磷酸鹽供水稻植株吸收利用。

4 研究展望

自20世紀(jì)90年代以來，諸多研究初步顯示，水稻是一種重要的水體富營養(yǎng)化污染修復(fù)作物。在我國富營養(yǎng)化水體的修復(fù)和養(yǎng)分循環(huán)利用中具有巨大的應(yīng)用潛力。然而，目前除了稻田養(yǎng)魚這一技術(shù)模式已有大規(guī)模應(yīng)用之外，其他技術(shù)模式目前都尚處于試驗示范階段。因此，急需在修復(fù)技術(shù)、基礎(chǔ)理論、生態(tài)補償?shù)确矫孢M一步深入開展相關(guān)研究工作：1）加強水體修復(fù)專用水稻品種的選育。不同水稻品種對水體養(yǎng)分的富集能力存在較大差異，但以往研究中大多采用稻田種植的常規(guī)水稻品種。今后應(yīng)根據(jù)水體修復(fù)的需要，培育具有根系發(fā)達(dá)、生物量大、養(yǎng)分富集量大、抗性強等特征的專用水稻品種。例如，浮床種稻技術(shù)尤其需要根系發(fā)達(dá)，養(yǎng)分富集能力強的品種。2）加強輕簡化修復(fù)技術(shù)模式的研發(fā)。目前，經(jīng)濟投入和勞動力成本高是影響水稻修復(fù)技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用一個重要限制因素。例如，浮床種稻材料成本高，浮床上插秧需要人工多；稻田濕地修復(fù)需要構(gòu)建專門的污水灌排系統(tǒng)等。因此，今后要著重研發(fā)技術(shù)工藝簡單、經(jīng)濟成本低、便于機械化操作的修復(fù)技術(shù)模式。3）進一步加強水稻對水體養(yǎng)分修復(fù)機制的研究。水稻對水體養(yǎng)分的消減除了直接吸收途徑之外，還存在促進懸浮營養(yǎng)鹽沉積、促進氮素氣態(tài)散失等諸多間接途徑。然而，對這些途徑的作用機制還缺乏深入研究。4）完善水稻修復(fù)技術(shù)的生態(tài)補償和政策激勵機制。采用水稻修復(fù)富營養(yǎng)化水體，不僅能夠增加水稻產(chǎn)量，保障糧食安全，還能凈化水質(zhì)，促進養(yǎng)分循環(huán)利用。這一修復(fù)技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用，可以帶來巨大的生態(tài)和社會效益。因此，政府部分應(yīng)該建立相應(yīng)的生態(tài)補償和政策扶持機制，以激勵對水稻修復(fù)技術(shù)的進一步推廣應(yīng)用。

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Advances in Restoration Effects of Rice Growing on Eutrophic Water

SUN Zhiping1,2,#, QIN Lin3,#, LIU Yaobin2, LI Fengbo2, FENG Jinfei2, WU Dianxing1,*, FANG Fuping2,*

(1,,;2,,;3,;#;*,:,)

Eutrophication is an important factor limiting sustainable development of agriculture in China. Rice has significant capacity to purify eutrophic water. Withandremediation technologies, rice planting has great potential in restoration of eutrophic water in lakes, large reservoir, sewage river, fertile water from aquaculture pond, the irrigation return flow and domestic wastewater. With a summary of previous studies, We comprehensively compared the effects of rice planting on the restoration of eutrophic water and the removal efficiency of nutrients, and analyzed the technical characteristic and disadvantages in the application of three modes(floating-bed rice planting, paddy wetland and rice-fish co-culture).

rice; eutrophic water; remediation technology; technical mode; mechanism

S181.6; S511.047

A

1001-7216(2018)05-0509-10

10.16819/j.1001-7216.2018.8005

2018-01-19；

2018-03-28。

國家自然科學(xué)基金資助項目(31400379)；浙江省自然科學(xué)基金資助項目(LY15C030002)。