農(nóng)村坑塘溝渠三種優(yōu)勢植物生態(tài)效益比較研究

劉海榮 張春鋒 史滟滪 孫毓蔓 齊立海 劉培輝

摘??? 要：隨著面源污染的加重及鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的提出，人們更加重視農(nóng)村的生態(tài)環(huán)境建設(shè)。植物是環(huán)境生態(tài)效益發(fā)揮的主要影響因素，在農(nóng)村生態(tài)環(huán)境建設(shè)過程中，植物種類應(yīng)用的選擇顯得尤為重要。本研究以農(nóng)村坑塘溝渠常見的3種優(yōu)勢適生植物香蒲（Typha orientalis）、蘆葦（Phragmites australis）、水蓼（Polygonum hydropiper）為研究對象，通過3種植物總氮、總磷富集能力的比較研究，為坑塘溝渠綠化植物選擇提供參考。試驗結(jié)果表明：單位土地面積內(nèi)3種植物富集總磷的能力為香蒲>水蓼>蘆葦，富集總磷的量分別為2.90，2.31，0.52 g·m-2;單位土地面積內(nèi)3種植物富集總氮的能力為香蒲>水蓼>蘆葦，富集總氮的量分別為11.82，8.13，4.17 g·m-2。在開展農(nóng)村生態(tài)環(huán)境建設(shè)改造時，可根據(jù)該研究結(jié)果和坑塘溝渠現(xiàn)狀特點，選擇合適的植物。若想降低坑塘溝渠土壤總磷和總氮含量，可優(yōu)先選用香蒲作為主要綠化植物。

關(guān)鍵詞：坑塘溝渠;優(yōu)勢植物;生態(tài)效益

中圖分類號：S633.4???????? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A????????? DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2021.12.013

Comparative Study on Ecological Benefits of Three Dominant Plants in Rural Pits， Ponds and Ditches

LIU Hairong1， ZHANG Chunfeng2， SHI Yanyu1， SUN Yuman1， QI Lihai2， LIU Peihui3

（1. College of Horticulture and Landscape Architecture，Tianjin Architectur College， Tianjin 300392，China; 2. Tianjin Customs District P.R.CHINA，Tianjin 300341，China; 3. Tianjin Garden Construction Engineering Supervision Co.Ltd， Tianjin 300384，China; 4. Tianjin Huicheng Landscaping Engineering Co. Ltd， Tianjin 300384，China）

Abstract： With the aggravation of non-point source pollution and the proposal of Rural Revitalization Strategy， people pay more attention to the construction of rural ecological environment. Plants are the main influencing factors of environmental and ecological benefits. In the process of rural ecological environment construction， the selection of plant species is particularly important. In this study， three dominant suitable plants， Typha orientalis， Phragmites australis and Polygonum hydropiper， which were common in rural pits， ponds and canals， were taken as the research objects. Through the comparative study of the enrichment capacity of total nitrogen and total phosphorus of the three plants， it provided a reference for the selection of greening plants in pits， ponds and canals. The results showed that the enrichment capacity of total phosphorus of the three plants in unit land area was Typha orientalis>Polygonum hydropiper>Phragmites australis， and the enrichment amounts of total phosphorus were 2.90， 2.31 and 0.52 g·m-2 respectively. The total nitrogen enrichment capacity of the three plants in unit land area was Typha orientalis>Polygonum hydropiper>Phragmites australis. The total nitrogen enrichment amounts were Typhao rientalis 11.82， 8.13， 4.17 g·m-2 respectively. When carrying out the construction and transformation of rural ecological environment， appropriate plants can be selected according to the research results and the current characteristics of pits， ponds and ditches. If you want to reduce the content of total phosphorus and total nitrogen in pit， pond and ditch soil， Typha orientalis can be preferred as the main greening plant.

Key words： ponds and ditches; dominant plants; ecological benefits

收稿日期：2021-06-27

基金項目：天津農(nóng)學(xué)院科學(xué)研究發(fā)展基金計劃項目（20190102）;天津市科技計劃項目（20YDTPJC01910）;天津市科技計劃項目（20YDTPJC00590）

作者簡介：劉海榮（1982—），女，黑龍江齊齊哈爾人，講師，主要從事園林植物應(yīng)用方面研究。

農(nóng)田周圍的坑塘溝渠是農(nóng)田重要的灌排水設(shè)施，其作為河流入水與農(nóng)田排水的“源與庫”，是聯(lián)系農(nóng)田和河湖的紐帶[1]。坑塘溝渠及其植物分布廣、面積大，在涵養(yǎng)水源、固碳釋氧降溫增濕、凈化大氣環(huán)境、消除農(nóng)業(yè)面源污染等方面具有顯著的生態(tài)價值[2-4]，是農(nóng)業(yè)環(huán)境污染治理常用的生態(tài)技術(shù)措施之一[5]。近年來，學(xué)者對植物去除土壤及水中氮磷能力進(jìn)行了大量研究：劉俊紅[6]比較了3種類型人工濕地對富營養(yǎng)化水體的凈化效果;肖廣敏[7]以菖蒲、鳶尾、蘆葦、香蒲等4種植物為試材，比較了4種植物在不同時期對污水中NH4 + -N和全磷（total phosphorus，TP）的凈化效果;劉明文等[8]以苦草、菖蒲和鳳眼蓮為研究對象，對3種水生植物及其組合吸收去除水中氮磷進(jìn)行比較。已有研究成果針對濕地植物去除氮磷效果的研究較多，而這類研究多數(shù)采用實驗室模擬野外生境方式進(jìn)行研究，研究結(jié)果缺少自然環(huán)境因素的綜合影響。總體來說，采用野外實地環(huán)境對農(nóng)村坑塘溝渠優(yōu)勢適生植物生態(tài)效益進(jìn)行研究的較少。

本研究選擇天津市西青區(qū)大柳灘村周邊的坑塘溝渠為試驗地點，以3種常見的優(yōu)勢適生植物香蒲（Typha orientalis）、蘆葦（Phragmites australis）、水蓼（Polygonum hydropiper）為研究對象，對3種植物富集總氮和總磷能力進(jìn)行比較研究，期望以此研究結(jié)果指導(dǎo)農(nóng)村坑塘溝渠綠化植物選擇，為充分發(fā)揮植物在改善和保護(hù)生態(tài)環(huán)境中的作用，提高環(huán)境治理水平提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

大柳灘村天津市西青區(qū)楊柳青鎮(zhèn)北部（39°15′N，116°95′E），與北辰、武清、河北霸州接壤;屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)性氣候，四季氣候分明，春季多風(fēng)，干旱少雨;夏季高溫，降雨量多;秋季涼爽，冷暖適中;冬季寒冷，干燥少雪;土壤構(gòu)型復(fù)雜，沉積層次明顯，土壤剖面有明顯的銹紋銹斑，地下水位高，形成鹽化潮土;大柳灘村周邊坑塘溝渠眾多，植物豐富。本試驗在7—8月進(jìn)行，此時間段為天津的雨季，坑塘溝渠有一定水量。將坑塘溝渠內(nèi)的水帶回實驗室進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)試驗地坑塘溝渠內(nèi)水的總磷含量為1.83 mg·L-1，總氮為2.64 mg·L-1，總磷>0.4 mg·L-1，總氮>2 mg·L-1，地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB 3838-2002）Ⅴ類水基本項目標(biāo)準(zhǔn)限制，總磷≤0.4 mg·L-1，氨氮≤2 mg·L-1，所以試驗地點的水質(zhì)為劣Ⅴ類水。對溝渠內(nèi)的表層土壤總磷總氮、含量進(jìn)行測定，分別為15.53，8.24 mg·g-1，溝渠內(nèi)土壤營養(yǎng)豐富。

1.2 試驗材料

在前期對天津市西青區(qū)大柳灘村周圍坑塘溝渠現(xiàn)有植物種類和生長狀況進(jìn)行調(diào)查研究的基礎(chǔ)上開展植物現(xiàn)狀分析，根據(jù)植物出現(xiàn)的頻率和重要值等綜合特征，該研究選取了3種優(yōu)勢適生植物香蒲（Typha orientalis）、蘆葦（Phragmites australis）、水蓼（Polygonum hydropiper）作為試驗材料，供試植物均為未經(jīng)人工培育的野生植物。

1.3 試驗設(shè)計

2020年8月中旬，在植物旺盛生長季，在大柳灘周邊的坑塘溝渠分別選擇每種植物長勢較好、蓋度較高、密度較大、高度均勻一致、種群較為單一、面積大于1 m2的植物斑塊作為研究對象，取1 m×1 m作為一個標(biāo)準(zhǔn)樣方，每種植物取5個樣方，對地上部分全部進(jìn)行收割，剔除其他雜草，5個樣方均勻混合后，稱取鮮質(zhì)量取平均值，作為該植物一個樣方的鮮質(zhì)量。然后將植物帶回實驗室，于105 ℃殺青0.5 h，80 ℃烘干至恒質(zhì)量，稱取烘干后的植物質(zhì)量，并計算該植物單位土地面積的生物量，單位“g”。另外選取5個樣方，摘取樣方內(nèi)植物的全部葉片，帶回實驗室，稱取植物葉片的鮮質(zhì)量，并采取前述方法進(jìn)行烘干處理，稱取烘干后的葉片重量，并計算單位土地面積內(nèi)植物葉片的生物量，單位“g”。

將所有烘干后的植物全株及葉片分別進(jìn)行粉碎過0.15 mm篩，采用鉬酸銨分光光度法（GB11893-89）測定其總磷含量，單位“mg·g-1”;采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法（GB11894-89）測定總氮含量，單位“mg·g-1”。結(jié)合單位土地面積的全株生物及葉片生物量計算種植單位土地面積該植物可以攜出的總磷和總氮的量，單位“g·m-2”。

1.4 數(shù)據(jù)計算及統(tǒng)計分析

單位土地面積植物去除總磷的量（g·m-2）=生物量（g）×全株總磷含量（mg·g-1）/1 000

單位土地面積植物去除總氮的量（g·m-2）=生物量（g）×全株總氮含量（mg·g-1）/1 000

試驗數(shù)據(jù)采用SPSS 2018軟件進(jìn)行整理分析。2 結(jié)果與分析

2.1 3種植物生物量比較研究

植物地上生物量作為生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的主要組成部分，是研究生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)、能量流動的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是評價生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的重要參數(shù)[10]。本研究中，香蒲單位土地面積地上部分的生物量為765.23 g·m-2，蘆葦為238.09 g·m-2，水蓼為309.83 g·m-2。香蒲單位土地面積地上部分的生物量顯著高于蘆葦和水蓼（P<0.01），香蒲是蘆葦?shù)?.21倍，蘆葦和水蓼差異不顯著。同一植物在不同地區(qū)或不同植物在同一地區(qū)，由于生長環(huán)境的不同或群落植物的相互影響，生物量差異明顯[11]。

2.2 3種植物富集總磷能力比較研究

葉片總磷含量最大的是水蓼為5.69 mg·g-1，其次為香蒲3.92 mg·g-1，最小的是蘆葦為3.45 mg·g-1，水蓼葉片總磷含量顯著高于香蒲和蘆葦（P<0.05），香蒲和蘆葦差異不顯著（P<0.05）。全株總磷含量最大的是水蓼為7.45 mg·g-1，其次是香蒲為3.79 mg·g-1，最小的是蘆葦為2.17 mg·g-1，水蓼全株總氮含量顯著大于香蒲和蘆葦，水蓼是蘆葦?shù)?.43倍，香蒲與蘆葦差異不顯著。水蓼全株總磷含量高于葉片總磷含量，說明水蓼莖中總磷的含量大于葉片。蘆葦整株總磷的含量小于葉片總磷的含量，說明蘆葦葉片生長需要大量的磷，香蒲整株總磷含量和葉片總磷含量相差不大，這與黃曉藝等的研究結(jié)果：蘆葦和香蒲總磷在莖中的儲存量大于在葉片中的儲存量不同[9]，這可能與調(diào)查時間不同有關(guān)。為達(dá)到最好的總磷攜出效果，蘆葦和香蒲應(yīng)該在葉片枯萎前進(jìn)行收割。

結(jié)合全株總磷含量及單位土地面積地上部分的生物量，可計算出單位土地面積內(nèi)3種植物可以富集的總磷的量。其中香蒲可富集總磷2.90 g·m-2，蘆葦可富集0.52 g·m-2，水蓼可富集2.31 g·m-2，香蒲是蘆葦?shù)?.6倍，二者差異顯著（P<0.01），香蒲和水蓼差異不顯著（P>0.05），富集總磷的能力為香蒲>水蓼>蘆葦。水蓼雖然葉片及整株總磷含量在3種植物中含量是最大的，但是因其生物量較小，單位土地面積富集總磷的量并不大，說明在進(jìn)行坑塘溝渠綠化植物選擇時，植物地上部分的生物量是我們不能忽視的重要指標(biāo)。

2.3 3種植物富集總氮能力比較研究

3種植物葉片的總氮含量水蓼最高為74.02 mg·g-1，其次是蘆葦為50.40 mg·g-1，香蒲為30.86 mg·g-1，水蓼葉片總氮含量顯著高于香蒲，水蓼葉片總氮含量是香蒲的2.4倍，3種植物葉片總氮含量差異顯著（P<0.01）。全株總氮含量水蓼最高為26.24 mg·g-1，其次是蘆葦為17.50 mg·g-1，最低的是香蒲為15.45 mg·g-1，3種植物全株總氮含量差異顯著（P<0.01）。3種植物葉片的總氮含量均高于全株總氮含量（P<0.01），說明3種植物總氮主要在葉片中進(jìn)行富集。

利用3種植物全株總氮含量，結(jié)合3種植物單位土地面積地上部分的生物量獲得3種植物在單位土地面積內(nèi)富集總氮的量。其中香蒲為11.82 g·m-2，蘆葦為4.17 g·m-2，水蓼為8.13 g·m-2，香蒲富集的總氮是蘆葦?shù)?.83倍，3種植物單位土地面積內(nèi)富集的總氮量差異顯著（P<0.01），富集總氮的能力為香蒲>水蓼>蘆葦。

相關(guān)分析表明，單位土地面積內(nèi)植物富集總氮總磷的量與全株植物總氮總磷的含量及生物量呈顯著正相關(guān)（P<0.01），因此在進(jìn)行植物選擇時，可選擇生物量大且全株總氮總磷含量較高的植物作為去除氮磷的先鋒植物。余紅兵等[12]對水生植物的氮磷吸收能力及收割管理進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)多次收割總氮、總磷去除量均是單次收割的幾倍，其變化范圍為3.62～6.72倍。因此，為達(dá)到最好的總氮總磷去除效果，均需在3種植物落葉前對其地上部分進(jìn)行收割，或在旺盛生長季進(jìn)行多次收割。

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

本研究利用收割法研究三種植物富集環(huán)境中總氮總磷能力，得出以下結(jié)論：

（1）單位土地面積地上部分的生物量香蒲為765.23 g·m-2，蘆葦為238.09 g·m-2，水蓼為309.83 g·m-2。香蒲的生物量顯著高于蘆葦和水蓼（P<0.05），且香蒲是蘆葦?shù)?.21倍，蘆葦和水蓼差異不顯著。

（2）單位土地面積上富集總磷香蒲為2.90 g·m-2，蘆葦為0.52 g·m-2，水蓼為2.31 g·m-2，富集總磷的能力為香蒲>水蓼>蘆葦。

（3）單位土地面積上富集總氮香蒲為11.82 g·m-2，蘆葦為4.17 g·m-2，水蓼為8.13 g·m-2，香蒲富集總氮能力是蘆葦?shù)?.83倍，單位土地面積3種植物富集總氮能力為香蒲>水蓼>蘆葦，且差異顯著（P<0.05）。

3.2 建議

一些植物通過自身生長吸收、或通過微生物與環(huán)境共同作用來固定截留或通過加速氮磷交換等方式可以去除土壤及水體中的氮磷，發(fā)揮出生態(tài)修復(fù)的作用。由于不同植物生理特性不一樣，所以植物的固碳釋氧、降溫增濕的能力、去除氮磷的能力也不一致。

（1）香蒲作為鄉(xiāng)土植物具有生長速度快、適應(yīng)性強、繁殖容易等特點，是生態(tài)修復(fù)的先鋒植物，在消除土壤及水體中氮磷等污染物上具有很大的潛力，在以改善坑塘溝渠氮磷總體環(huán)境為目的植物選擇時，可優(yōu)先選擇該植物。

（2）栽培管理技術(shù)直接影響生態(tài)修復(fù)效果?？犹翜锨苓叺南闫选⑻J葦、水蓼等植物可大量吸收富集環(huán)境中的總氮和總磷，通過收割這些植株可有效去除土壤及水體中的磷氮污染。同時，要注意在落葉前對其進(jìn)行收割，避免植株地上部分或者地下根系腐爛造成土壤及水體的二次污染。

參考文獻(xiàn)：

[1] 羅國平， 張杰， 李忠潤， 等. 生態(tài)溝渠綜合治理研究綜述[J]. 湖南水利水電， 2020（6）： 56-59.

[2] 田志強， 霍軼珍， 韓翠蓮， 等. 河套灌區(qū)總排干溝氮污染負(fù)荷分割與估算[J]. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2019， 40（3）： 75-79.

[3] 劉海榮， 楊靜慧， 李冰冰， 等. 2種地被植物對徑流污染的生理響應(yīng)[J]. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2018， 39（6）： 20-25.

[4] 康愛紅， 李濤， 丁澤民， 等. 我國道路雨水徑流污染特性及控制措施進(jìn)展[J]. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2013， 34（6）： 188-192.

[5] 鐘珍梅， 黃毅斌， 李艷春， 等. 我國農(nóng)業(yè)面源污染現(xiàn)狀及草類植物在污染治理中的應(yīng)用[J]. 草業(yè)科學(xué)， 2017， 34（2）： 428-435.

[6] 劉俊紅. 三種類型人工濕地對富營養(yǎng)化水體的凈化效果比較[J]. 北方園藝， 2018（19）： 116-124.

[7] 肖廣敏， 張成軍， 李鵬， 等. 不同植物對污水凈化效果研究[J]. 北方園藝， 2015（16）： 63-66.

[8] 劉明文， 孫昕， 李鵬飛， 等. 3種水生植物及其組合吸收去除水中氮磷的比較[J]. 環(huán)境工程學(xué)報， 2021， 15（4）： 1289-1298.

[9] 黃曉藝， 胡湛波， 葉春， 等. 太湖出入湖河口水質(zhì)和水生植物中氮、磷含量及其相關(guān)性分析[J]. 環(huán)境工程， 2019， 37（9）： 74-80， 102.

[10] 李楨. 降水改變對植被地下生物量的影響及其機制[D]. 上海： 華東師范大學(xué)， 2020.

[11] 邵學(xué)新， 李文華， 吳明， 等. 杭州灣潮灘濕地3種優(yōu)勢植物碳氮磷儲量特征研究[J]. 環(huán)境科學(xué)， 2013， 34（9）： 3451-3457.

[12] 余紅兵， 楊知建， 肖潤林， 等. 水生植物的氮磷吸收能力及收割管理研究[J]. 草業(yè)學(xué)報， 2013， 22（1）： 294-299.