基于鳳眼蓮(Eichhirnia crassipes)原位修復(fù)的養(yǎng)殖水體水質(zhì)變化特征及氮磷平衡估算

張迎穎，劉麗珠，宋 偉，王 巖，張君倩，劉海琴，嚴(yán)少華，郭俊堯，張志勇

(江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，江蘇 南京 210014)

池塘養(yǎng)殖是利用人工開挖或天然坑塘進(jìn)行魚類等養(yǎng)殖的一種生產(chǎn)方式，目前是我國飼養(yǎng)食用魚的主要方式。池塘養(yǎng)殖大都采用半封閉式凈水養(yǎng)殖方式，即池塘只有蓄水養(yǎng)魚功能，缺乏有效的水體凈化功能，大量的飼料投入和魚類代謝物積累，導(dǎo)致池塘內(nèi)有機(jī)污染物越來越多，池塘內(nèi)源性污染加重，養(yǎng)殖水環(huán)境惡化[1]。常用的流水養(yǎng)魚模式為了保持水質(zhì)，池塘里的水需不斷流動與交換，既浪費(fèi)寶貴的水資源，又容易造成區(qū)域水環(huán)境污染。研發(fā)高效經(jīng)濟(jì)的養(yǎng)殖廢水凈化技術(shù)，實現(xiàn)養(yǎng)殖廢水的有效凈化與循環(huán)利用，協(xié)調(diào)好水產(chǎn)養(yǎng)殖效益與水體環(huán)境保護(hù)兩者之間的關(guān)系，已成為農(nóng)業(yè)科研工作者關(guān)注的重點問題之一。

與傳統(tǒng)的物理化學(xué)處理方法相比，水生植物原位修復(fù)技術(shù)具有應(yīng)用范圍廣、處理成本低、操作簡單及安全性高等優(yōu)點[2]。水生植物的生長過程可大量吸收水中的氮、磷等污染物，并同化成自身的結(jié)構(gòu)組織物質(zhì)，如蛋白質(zhì)和核酸等；還可與藻類形成競爭關(guān)系，抑制其過度繁殖；通過光合作用向水體中釋放氧氣，加快有機(jī)物分解，使水體的各項理化指標(biāo)趨于穩(wěn)定。近年來，漂浮植物鳳眼蓮因生長速率高，生物累積量高、氮磷富集能力強(qiáng)、便于打撈等特點，廣泛地應(yīng)用于富營養(yǎng)化河湖、畜禽養(yǎng)殖污水以及農(nóng)業(yè)地表徑流污染等治理工作中[3-5]。李姣等[3]的研究顯示在模擬加州鱸養(yǎng)殖池塘的室外混凝土池中，鳳眼蓮(Eichhirniacrasslpes)能夠有效降低水體總氮與氨氮濃度、底泥有機(jī)物與全磷含量及藍(lán)藻、綠藻生物量。許國晶等[4]的研究表明采用底部放置生物陶粒基質(zhì)的方法構(gòu)建鳳眼蓮強(qiáng)化生態(tài)浮床，凈化后的養(yǎng)殖水體總氮、總磷濃度達(dá)到SC/T 9101—2007《淡水池塘養(yǎng)殖排放水排放要求》的一級標(biāo)準(zhǔn)。陳琴等[5]利用灰色關(guān)聯(lián)性分析了鳳眼蓮和水花生浮床對于養(yǎng)殖水體浮游動物多樣性的影響，結(jié)果顯示鳳眼蓮浮床塘的浮游動物豐度和多樣性水平均高于水花生浮床塘?，F(xiàn)有文獻(xiàn)較多采用模擬水池試驗方式分析水生植物對于養(yǎng)殖池塘水質(zhì)及浮游生物的影響，而在大型養(yǎng)殖池塘中關(guān)于鳳眼蓮浮床原位修復(fù)水質(zhì)效果及養(yǎng)殖水體氮磷平衡的研究較少。筆者在蘇州西山農(nóng)業(yè)園養(yǎng)殖魚塘內(nèi)構(gòu)建原位修復(fù)工程，探討鳳眼蓮對養(yǎng)殖水體的凈化效能，分析鳳眼蓮生長對水產(chǎn)魚類產(chǎn)量的影響，估算基于鳳眼蓮原位凈化的養(yǎng)殖水體氮磷平衡，以期為養(yǎng)殖水體原位修復(fù)技術(shù)提供實例參考與數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗植物的種養(yǎng)方法

試驗地點設(shè)在蘇州市金庭鎮(zhèn)大成現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園的養(yǎng)殖區(qū)(31°07′068″～31°07′364″ N， 120°19′402″～120°19′721″ E)，選擇3個約75 m×72 m(0.54 hm2)的魚塘，平均水深1.5 m，開展鳳眼蓮原位修復(fù)養(yǎng)殖水體試驗。試驗植物鳳眼蓮從福建運(yùn)來，在大成農(nóng)業(yè)園空水塘里馴養(yǎng)1個月，于5月初進(jìn)行種苗投放。由于鳳眼蓮生長速率高，因此利用毛竹、浮球和漁網(wǎng)構(gòu)建圍欄進(jìn)行控制性種養(yǎng)，圍欄下方采用孔徑1 cm的漁網(wǎng)進(jìn)行全封閉，以免魚類噬咬植物根系，圍欄內(nèi)鳳眼蓮初始放養(yǎng)量為5 kg·m-2。由于鳳眼蓮在水面占據(jù)面積過大會占用魚類生長空間，按照池塘面積占比設(shè)置試驗處理為：鳳眼蓮覆蓋度0(對照)、5%、10%。試驗過程中對生物量達(dá)到一定范圍的鳳眼蓮及時采收上岸。采收后的鳳眼蓮與畜禽糞便、作物秸稈堆制有機(jī)肥，部分替代化肥施用于農(nóng)業(yè)園的設(shè)施果蔬。

1.2 試驗魚類的飼養(yǎng)管理

每個魚塘內(nèi)魚苗初始投放量白魚約9 000尾，白鰱600尾、花鰱400尾，購自太湖西山地區(qū)水產(chǎn)養(yǎng)殖戶。魚種投放時間為4月5日，白魚的初始質(zhì)量為(25.27±1.65) g，白鰱的初始質(zhì)量為(56.62±2.82) g，花鰱的初始質(zhì)量為(50.92±2.56) g。每個魚塘均設(shè)置投料機(jī)投喂飼料，每天投喂2次，每次投喂45 min。根據(jù)天氣情況及魚類生長狀況及時調(diào)整投喂量，試驗期間雨量較大時未進(jìn)行投喂，日投喂量如表1所示。每個池塘均設(shè)置葉輪式增氧機(jī)1臺，在6—9月魚類生長季節(jié)晴天午間開增氧機(jī)2 h，陰雨天夜間開增氧機(jī)以防魚類缺氧。試驗期間未施肥。

表1 試驗期間飼料投喂量Table 1 Feed input during the experiment

飼料為太湖地區(qū)市售產(chǎn)品，試驗期間單個魚塘的飼料投喂總量為(7 650±50) kg。采集9個飼料樣品檢測取平均值，粗蛋白含量采用GB/T 6432—1994《飼料中粗蛋白的測定 凱式定氮法》測定，磷含量采用GB/T 6437—2002《飼料中總磷的測定 分光光度法》測定，數(shù)據(jù)結(jié)果顯示該商品飼料中粗蛋白含量約為35.56%±0.43%；磷含量約為0.83%±0.02%。

1.3 水樣的采集與測定

如圖1所示，每個池塘均設(shè)置6個水樣采集點，其中種養(yǎng)鳳眼蓮的池塘3個采樣點位于鳳眼蓮種養(yǎng)區(qū)，3個采樣點位于空白水域。利用真空泵、乳膠管與采樣瓶連接形成水樣采集裝置[6]，分別抽取表層(水深20 cm)、中層(水深60 cm)、下層(水深100 cm)的水樣各500 mL，混合均勻，加入0.5 mL三氯甲烷，帶回實驗室檢測水體總氮(TN)、氨氮(NH4+-N)、硝態(tài)氮(NO3--N)、總磷(TP)、懸浮物(SS)濃度。水體TN、NH4+-N、NO3--N、TP濃度采用AutoAnalyzer3 Applications流動分析儀(荷蘭SKALAR公司)測定，SS濃度采用GB 11901—89《水質(zhì) 懸浮物的測定 重量法》測定。池塘水質(zhì)數(shù)據(jù)取各采樣點的平均值。水樣監(jiān)測周期為2012年4—11月，每月采集水樣1次。

1.4 植物樣品和沉積物的采集與測定

每月采集水樣的同時監(jiān)測鳳眼蓮植株生物量，并采集植株樣品測定植株含水率及干物質(zhì)全氮、全磷含量。測植株生物量時將其從水中撈起放在周轉(zhuǎn)框內(nèi)，直至無滴水時稱重而得。植物樣品采用H2SO4-H2O2消煮后，采用凱式定氮法測定全氮含量，采用鉬銻抗比色法測定全磷含量。根據(jù)課題組前期對于鳳眼蓮放養(yǎng)與采收方式的研究可知，采用多次部分采收的方式可獲取更多的植株生物量及更大的氮磷富集量[7]。試驗期間共采收鳳眼蓮2次，分別是7月12日和11月2日。

將高50 cm、內(nèi)徑12 cm的有機(jī)玻璃采集柱固定在池塘底泥中，在柱體15 cm處設(shè)底，上部約35 cm用于收集沉積物，柱體插入底泥約15 cm。每個池塘均設(shè)置6個采集柱。試驗結(jié)束時降低池塘水位，將有機(jī)玻璃柱從底泥中取出，盡量降低水體擾動的影響，收集沉積物測定鮮質(zhì)量、含水率及干物質(zhì)全氮、全磷含量，測定方法同植物樣品。

利用以下公式計算鳳眼蓮植株和沉積物的干質(zhì)量和氮、磷含量。

Qd=Qf×(1-Cw)×10，

(1)

AN=Qd×CN× 10-2，

(2)

AP=Qd×Cp× 10-2。

(3)

式(1)～(3)中，Qd為單位面積上鳳眼蓮植株/沉積物的干質(zhì)量，g·m-2；Qf為單位面積上鳳眼蓮植株/沉積物的鮮質(zhì)量，kg·m-2；Cw為鳳眼蓮植株/沉積物鮮質(zhì)量的含水率，%；AN和AP分別為單位面積上鳳眼蓮植株/沉積物的氮、磷含量，g·m-2；CN和CP分別為鳳眼蓮植株/沉積物干物質(zhì)中全氮、全磷含量，%。

1.5 魚類生長指標(biāo)和氮、磷利用率的測定

取白魚、白鰱、花鰱魚種及成魚各10條，在65 ℃下烘2周左右，經(jīng)3次稱量至恒重，計算含水率，之后研磨成魚粉，-20 ℃條件下保存，分別測定粗蛋白和磷含量。魚類樣品的粗蛋白含量采用GB/T 5009.5—2010《凱式定氮法》測定；魚類樣品的磷含量采用GB/T 5009.87—2016《分光光度法測定》。于11月上旬對養(yǎng)殖魚塘進(jìn)行集中捕撈，對起獲魚進(jìn)行分揀，記錄各池塘魚類尾數(shù)、尾均質(zhì)量與總質(zhì)量，利用下式計算各池塘的成活率、飼料系數(shù)、氮和磷的利用率[8]。

RS=Af/Ai×100%，

(4)

RFC=Fw/(Wt-W0)，

(5)

UN=(Nt-N0)/Nf×100%，

(6)

UP=(Pt-P0)/Pf×100%。

(7)

式(4)～(7)中，RS為魚類成活率，%；Af為各池塘收獲魚類尾數(shù)；Ai為初始投放魚類尾數(shù)；RFC為總飼料系數(shù)；Fw為飼料投喂量，kg；Wt為起獲魚類總質(zhì)量，kg；W0為放養(yǎng)魚類總質(zhì)量，kg；UN為氮的利用率，%；Nt為起獲魚類的氮總量，kg；N0為放養(yǎng)魚類的氮總量，kg；Nf為投喂飼料的氮總量，kg；Up為磷的利用率，%；Pt為起獲魚類的磷總量，kg；P0為放養(yǎng)魚類的磷總量，kg；Pf為投喂飼料的磷總量，kg。

1.6 數(shù)據(jù)分析與計算

采用SPSS 13.0軟件中一般線性模型的雙因素?zé)o重復(fù)方差分析(univariate)考察采樣時間和不同覆蓋度對池塘水質(zhì)的影響，采用多元方差分析(multivariate)考察同一采樣時間下不同覆蓋度池塘水質(zhì)數(shù)據(jù)之間的差異，采用均值比較的獨(dú)立樣本t檢驗對鳳眼蓮種養(yǎng)圍欄內(nèi)外水質(zhì)指標(biāo)以及不同處理鳳眼蓮生長狀況指標(biāo)進(jìn)行差異對比。采用均值比較的one-way ANOVA進(jìn)行單因素方差分析,對比不同處理之間的差異。

根據(jù)《江蘇統(tǒng)計年鑒 2012》，蘇州地區(qū)4—11月降雨量為858.40 mm。降雨的氮、磷含量取雨水ρ(TN)為0.48 mg·L-1，ρ(TP)為0.03 mg·L-1[9]。試驗期間內(nèi)蒸發(fā)量約為883.85 mm[10]，減去降雨量，則池塘補(bǔ)水量約25.45 mm，補(bǔ)水體積約為137.43 m3，補(bǔ)充水分來自農(nóng)業(yè)園內(nèi)河，河水水質(zhì)取Ⅴ類水ρ(TN)為2.00 mg·L-1，ρ(TP)為0.4 mg·L-1。池塘養(yǎng)殖水體中的氮磷輸入主要包括試驗初期投放魚苗、鳳眼蓮種苗、水體、降雨及補(bǔ)水等氮磷量；氮磷輸出主要包括試驗結(jié)束時捕撈成魚、鳳眼蓮植株、水體存留及沉積物等氮磷量，估算池塘養(yǎng)殖水體中的氮、磷平衡。

Wi+Fi+Si+Pi+R=We+Fe+Se+Pe+U。

(8)

式(8)中，Wi、Fi、Si、Pi、R分別為初始水體、投放魚苗、投喂飼料、投放鳳眼蓮種苗、降雨及補(bǔ)水中的氮、磷含量，kg；We、Fe、Se、Pe分別為試驗結(jié)束水體、捕撈成魚、收集的沉積物、采收鳳眼蓮植株中的氮、磷含量，kg；U為未測出的氮、磷含量，kg，主要包括投喂處的飼料沉積、氣體揮發(fā)、排水及滲漏等。

2 結(jié)果與分析

2.1 池塘水體水質(zhì)指標(biāo)的變化

2.1.1試驗期間氮的變化

時間與不同覆蓋度處理因素對池塘水體TN、NH4+-N、NO3--N濃度的影響均為極顯著(P<0.01，圖2)。隨著試驗進(jìn)行，對照、5%覆蓋度與10%覆蓋度處理的TN濃度逐漸升高，在9月中旬達(dá)到最高值，分別為(4.52±0.19)、(4.13±0.10)、(3.86±0.18) mg·L-1。10月下旬，可能由于氣溫降低、飼料投喂量降低以及魚類生理活動減弱等因素，3個處理的TN濃度極顯著降低(P<0.01)。試驗結(jié)束時，與最高值相比，3個處理的TN濃度分別降低了53.10%、61.50%、64.73%，可能是因為一方面魚類捕撈后飼料停用減少了氮投入；另一方面鳳眼蓮采收將根系上吸附的顆粒態(tài)氮移出水體。試驗過程中NH4+-N濃度隨著時間逐漸升高，在7—9月達(dá)到較高值，8月13日達(dá)到最高值，對照、5%覆蓋度與10%覆蓋度處理依次為(1.62±0.09)、(1.49±0.10)、(1.41±0.18)mg·L-1。與最高值相比，9月各處理的NH4+-N濃度極顯著降低(P<0.01)。NO3--N濃度也隨著時間逐漸升高，在8—10月達(dá)到較高值。與NH4+-N達(dá)到最高值的時間不同，9月12日NO3--N濃度最高，3個處理依次為(1.91±0.05)、(1.67±0.18)、(1.62±0.11) mg·L-1。從10月開始，NO3--N濃度逐漸降低，與最高值相比，11月各處理的NO3--N濃度均表現(xiàn)為極顯著降低(P<0.01)，與TN、NH4+-N濃度變化趨勢保持一致。

多元方差分析顯示，試驗初期3個處理之間TN、NH4+-N和NO3--N濃度無顯著差異。從8月開始，植物處理的TN濃度極顯著低于對照處理(P<0.01)，這表示鳳眼蓮的種養(yǎng)對于維持池塘水體TN濃度在較低水平具有積極的意義。試驗過程中，除了7月5%覆蓋度處理的NH4+-N濃度略高以外，7—9月植物處理的NH4+-N濃度均略低于對照處理，10—11月植物處理的NH4+-N濃度極顯著低于對照處理(P<0.01)。從8月開始，植物處理的NO3--N濃度均顯著低于對照處理(P<0.05)，這可能與植物根系附著的微生物反硝化作用有直接關(guān)系[11]。試驗數(shù)據(jù)顯示。6—9月在種養(yǎng)鳳眼蓮的池塘內(nèi)植物圍欄內(nèi)的TN、NH4+-N濃度略低于圍欄外，估計與旺盛生長期鳳眼蓮對氮的吸收作用有關(guān)；植物圍欄內(nèi)的NO3--N濃度有時略高于圍欄外，有時略低于圍欄外，這可能與鳳眼蓮根際微生物的硝化反硝化過程有關(guān)。

2.1.2試驗期間磷素與懸浮物的變化

對于池塘水體TP、SS濃度而言，時間與不同覆蓋度處理均具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.01，圖3)。在試驗過程中，池塘水體TP濃度逐步上升，在9月達(dá)到最高值，對照、5%與10%覆蓋度處理的TP濃度依次為(0.58±0.06)、(0.53±0.06)、(0.51±0.03) mg·L-1。10月對照處理的TP濃度有所降低，植物處理的TP濃度顯著降低(P<0.05)。與最高值相比，試驗結(jié)束時3個處理的TP濃度分別降低51.78%、59.03%、61.86%。隨著試驗持續(xù)，池塘水體SS濃度穩(wěn)步上升，5%與10%覆蓋度處理在7月達(dá)到最高值，分別為(88.57±4.59)和(85.36±4.51) mg·L-1， 8—10月有所降低并維持在一定的水平上，這可能與鳳眼蓮根系能夠吸附截留水體顆粒物有關(guān)；而對照處理的SS濃度繼續(xù)升高，在9月份達(dá)到最高值，為(98.16±3.11)mg·L-1。3個處理的SS濃度均在11月份極顯著降低(P<0.01)，與最高值相比分別降低了45.62%、51.50%、54.99%。試驗結(jié)束時，池塘水體TP、SS濃度顯著降低，可能和魚類捕撈之后飼料停喂使得外源性的顆粒磷輸入減少、植物采收將根系附著的懸浮物移出水體、以及增氧機(jī)停轉(zhuǎn)后懸浮顆粒向池塘底部沉積等因素有關(guān)。

試驗初期，3個處理之間水體TP、SS濃度無顯著差異。8月植物處理的TP濃度顯著低于對照(P<0.05)，可能是與7月的植物初次采收帶走了部分磷有關(guān)；9—10月3個處理的TP濃度仍然維持在較高的水平上，可能與池塘中持續(xù)投喂飼料有關(guān)。8—9月植物處理的SS濃度極顯著低于對照(P<0.01)，可能是植物采收將其根系吸附的顆粒物帶出水體所致。在種養(yǎng)鳳眼蓮的池塘內(nèi)，6—9月植物圍欄內(nèi)的TP濃度略低于圍欄外，SS濃度略高于圍欄內(nèi)，這可能與鳳眼蓮在旺盛生長期對磷的吸收作用及植物根系對顆粒物的截留作用相關(guān)。

2.2 鳳眼蓮生物量及氮磷富集量

如表2所示，5月初鳳眼蓮初始投放量約為5 kg·m-2。7月12日對鳳眼蓮進(jìn)行了第1次采收，采收后保留種苗量為5 kg·m-2，至11月2日將圍欄內(nèi)的鳳眼蓮全部采收。據(jù)計算，5%覆蓋度池塘采收的鳳眼蓮總生物量為15.04 t，從水體移除氮、磷總量分別為34.24與3.95 kg；10%覆蓋度池塘采收的鳳眼蓮總生物量為29.35 t，從水體移除氮、磷總量分別為63.69和6.68 kg。雖然通過鳳眼蓮的采收可從水體帶走較多的氮磷污染物，但與投放的飼料量及水體、底泥自身含有的氮磷量相比，僅占了較小的比例。

表2 鳳眼蓮植株生物量及氮磷富集量Table 2 Biomass of water hyacinth, nitrogen and phosphorus absorbed by the macrophyte

表3給出了試驗期間鳳眼蓮的生長狀況。5—9月5%覆蓋度的鳳眼蓮單位面積生物量略低于10%覆蓋度處理，10—12月略高于10%覆蓋度處理，但兩者之間差異不顯著。5—7月5%覆蓋度的植物株高略低于10%覆蓋度處理；8—9月5%覆蓋度的植物株高顯著高于10%覆蓋度處理；10—11月2者之間差異不顯著。5—6月2個處理之間植物根長差異不顯著，從7月開始10%覆蓋度的植物根長顯著高于5%覆蓋度處理，這可能由于10%覆蓋度處理池塘中鳳眼蓮種群生物量大，根系增長可增加與水體環(huán)境的接觸面積，從而吸收更多的營養(yǎng)物質(zhì)。5%覆蓋度的葉片葉綠素均值略高于10%覆蓋度處理，但兩者之間差異不顯著。

表3 試驗期間鳳眼蓮的生長狀況Table 3 Growth statusof water hyacinth during the experiment

2.3 池塘養(yǎng)殖魚類產(chǎn)量及氮磷利用率

在7個月的飼料投喂之后，不同處理池塘內(nèi)3種魚類產(chǎn)量如表4所示。池塘內(nèi)養(yǎng)殖魚類以白魚為主，對照池塘的白魚成活率最高，約為87.56%；5%覆蓋度池塘的白魚成活率次之，約為86.22%；10%覆蓋度池塘的白魚成活率最低，約為85.11%。起捕時5%覆蓋度池塘的白魚平均質(zhì)量最高，約為683.59 g；10%覆蓋度池塘的白魚平均值次之，約為681.39 g；對照池塘的白魚平均質(zhì)量最低，約為652.27 g。經(jīng)計算可知，5%覆蓋度池塘的總飼料系數(shù)最低，為1.29%，氮磷利用率最高，分別為30.96%和55.39%；對照池塘的總飼料系數(shù)最高，為1.36%，氮磷利用率最低，分別為29.38%和52.61%；10%覆蓋度池塘的總飼料系數(shù)與氮磷利用率均居中。鳳眼蓮的種養(yǎng)在一定程度上有利于白魚等對于飼料的利用，并未對魚類生長及產(chǎn)量造成負(fù)面影響。

表4 魚類產(chǎn)量及氮磷利用率Table 4 Fish production and utilization ratio of nitrogen and phosphorus

2.4 沉積物收集量及氮磷含量

如表5所示，試驗結(jié)束時，3個處理的沉積物收集量及干基質(zhì)量存在顯著差異(P<0.05)，對照池塘最高，10%覆蓋度池塘最低。3個處理沉積物的含水率無顯著差異；干基中磷含量無顯著差異，對照氮含量顯著高于10%覆蓋度處理。種養(yǎng)鳳眼蓮的池塘沉積物收集量較低，可能是由于植物根系具有吸附截留顆粒物的作用，且隨著植物的初次采收也有部分顆粒物隨著植物根系被帶出水體。種養(yǎng)鳳眼蓮的池塘沉積物干物質(zhì)中氮、磷含量也較低，原因在于收集的沉積物中含有植物根系脫落物，其氮、磷含量遠(yuǎn)低于飼料及魚類排泄物。

表5 魚塘沉積物收集量及氮磷含量Table 5 The nitrogen and phosphorus content of sediment in three ponds

2.5 池塘養(yǎng)殖水體氮磷平衡估算

由表6可知，飼料是魚塘水體中氮營養(yǎng)鹽的主要來源，約占養(yǎng)殖水體總輸入的94.12%～94.25%；其次是初始水體氮含量，約占總輸入的2.38%～3.71%；投放魚苗的氮含量與降雨及補(bǔ)水所引起的氮輸入所占比例較低。在養(yǎng)殖水體的氮輸出方面，沉積物和成魚捕撈所占比例較高，分別為25.90%～32.47%、30.35%～31.90%，以其他方式(投喂飼料的沉積、氣體揮發(fā)、排水及滲漏等)帶出水體的氮總量所占比例也較高，約為26.74%～33.46%。5%覆蓋度池塘水體以成魚方式的氮輸出量最高，10%覆蓋度池塘居中，對照池塘最低。在2個植物處理中，以鳳眼蓮植株形式的氮輸出量分別為34.24和63.69 kg，約占總輸出的7.41%和13.78%。已知去除途徑的氮輸出總量與氮輸入總量的比值為66.54%～73.26%，這說明還有部分氮以硝化反硝化脫氮作用、氨揮發(fā)或者滲漏水流失等途徑離開試驗水體。鳳眼蓮生長能夠明顯促進(jìn)水體硝化反硝化脫氮作用[11]，推測種養(yǎng)鳳眼蓮的池塘有一部分的氮以氣體形態(tài)從水中移除。

由表6可知，飼料也是魚塘水體中磷營養(yǎng)鹽的主要來源，約占養(yǎng)殖水體總輸入的94.21%～94.37%；其次是初始水體磷含量，約占總輸入的4.10%～4.24%；投放魚體的磷含量所占比例較低，約為總輸入的1.25%～1.26%；降雨及補(bǔ)水所引起的磷輸入約為0.28%，所占比例極低。在養(yǎng)殖水體的磷輸出方面，5%覆蓋度池塘以成魚方式的輸出量最高，約占總輸出的55.39%；對照池塘以成魚方式的輸出量最低，約占總輸出的53.29%；10%覆蓋度池塘以成魚方式的磷輸出量居中。在種養(yǎng)鳳眼蓮的2個池塘水體中，以植株方式的磷輸出量分別為3.95和6.68 kg，約占總輸出的5.81%和9.87%；很大一部分的磷以沉積物的形式沉降到底泥中，約占總輸出的33.37%～42.16%。通過計算可知，養(yǎng)殖水體磷輸出總量與輸入總量的比值為98.83%～100.89%，這說明魚塘泥水界面上磷發(fā)生了交換作用，底泥中有少量磷釋放到水體，參與了池塘養(yǎng)殖水體中的磷分配。

表6 試驗池塘養(yǎng)殖水體的氮、磷平衡估算Table 6 Equilibrium estimation of nitrogen and phosphorus in aquaculture water of the experiment ponds

3 討論

3.1 養(yǎng)殖池塘水質(zhì)變化特征

在種養(yǎng)鳳眼蓮的養(yǎng)殖池塘中，由于植物自身的吸收富集作用，以及植物根系微生物硝化反硝化脫氮作用，使得7—10月2個植物處理的水體TN、NH4+-N和NO3--N濃度均顯著低于對照處理。研究表明，氨氮對于魚類具有較強(qiáng)的毒性，可引起其抽搐、昏迷和死亡[12]；而鳳眼蓮在生長過程中能夠優(yōu)先吸收水體NH4+-N[13]，其種養(yǎng)對于魚類生長具有積極的意義。池塘水體TN濃度顯著高于NH4+-N與NO3--N濃度之和，表明水中存在一部分有機(jī)氮，主要由飼料分解及魚類排泄物所產(chǎn)生的。養(yǎng)殖水體中可溶性無機(jī)氮的主要成分是NH4+-N與NO3--N，在一定條件下可以相互轉(zhuǎn)化。在自然水體中，無機(jī)氮主要以NO3--N的形式存在，但在養(yǎng)殖水體中，由于飼料投喂的積累，水中殘餌和魚類糞便等有機(jī)氮在氨化細(xì)菌的作用下大量轉(zhuǎn)化為NH4+-N，天氣炎熱時魚類生理活動頻繁，水中溶解氧含量較低，硝化作用會減弱，無機(jī)氮主要以NH4+-N形式存在，此時為池塘水體NH4+-N濃度相對較高的時段；9—10月份氣溫逐漸降低，水中溶氧有所回升，水中NH4+-N則轉(zhuǎn)化為NO3--N，此時為池塘水體NO3--N濃度較高的時段。即養(yǎng)殖水體中NH4+-N與NO3--N 濃度呈現(xiàn)此消彼長的變化特征，這與陳明海等[14]的研究結(jié)論一致。

4—7月，隨著飼料投喂和魚類生長，3個池塘水體的TP濃度與SS濃度均呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢。7月12日完成了鳳眼蓮的初次采收，分別采收植株鮮質(zhì)量約5.56與11.50 t，使得8月份的2個植物處理水體TP與SS濃度顯著降低。鳳眼蓮具有異常發(fā)達(dá)的根系，能夠有效吸附截留水中的顆粒物，隨著植物的采收，其根系上附著的大量顆粒物也相應(yīng)地從水體移除，具體表現(xiàn)為水中顆粒磷與懸浮物明顯減少。試驗中后期(除9月外)植物處理水體的TP濃度均顯著低于對照處理，主要在于鳳眼蓮自身對可溶性磷的吸收同化作用[15]，另外植物根系對水體顆粒態(tài)磷具有吸附截留作用[16]。試驗中養(yǎng)殖水體ρ(SS)變化范圍為38.42～98.16 mg·L-1，最高值略高于前人的試驗結(jié)果[8]，這可能是與放養(yǎng)品種及水體其他理化因子有關(guān)，試驗中投放的鰱魚較少，對浮游生物的采食量較低，使得水中懸浮物濃度略高。

在富營養(yǎng)化水域種養(yǎng)鳳眼蓮能夠高效富集水體氮磷[17]。研究顯示，在集約化養(yǎng)殖池塘(30 m2)養(yǎng)殖鯉魚、鰱魚和鳙魚，利用鳳眼蓮與EM菌液構(gòu)建的水生植物-微生物協(xié)同凈化體系能夠有效去除水中氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)，且鳳眼蓮覆蓋面積為20%的處理組更具有生態(tài)效益[18]。利用鳳眼蓮凈化黃顙魚養(yǎng)殖水體(2.5 m3)，當(dāng)生物量達(dá)到1 080 g·m-3時水體總氮、總磷、氨氮去除率分別為53%、78%和76%，且具有一定的穩(wěn)定性[19]。試驗結(jié)束時，對照水體的TN濃度高于GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；2個植物處理的TN濃度略低于Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，但仍高于DB32/T 1705—2011《太湖流域池塘水排放標(biāo)準(zhǔn)》的1級標(biāo)準(zhǔn)[20]。3個處理的TP濃度均低于Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)，但是對照與5%覆蓋度處理的TP濃度高于DB32/T 1705—2011的1級標(biāo)準(zhǔn)，10%覆蓋度處理的TP濃度低于該1級標(biāo)準(zhǔn)[20]。由此可見，利用低覆蓋度的鳳眼蓮原位修復(fù)養(yǎng)殖池塘水體雖可控制水體氮、磷等污染物濃度在較低水平，但若將養(yǎng)殖水體直接排放仍然存在污染自然水體的風(fēng)險，因此，有必要對養(yǎng)殖池塘排水作進(jìn)一步深度凈化，可采取多介質(zhì)土壤濾層系統(tǒng)、潛流式人工濕地等方式。另外課題組開展了鳳眼蓮凈化塘與茭草濕地深度凈化養(yǎng)殖水體的工程性試驗，對水體TN、TP及SS均取得了較好的凈化效果，經(jīng)深度凈化的養(yǎng)殖水體可實現(xiàn)循環(huán)利用。

3.2 養(yǎng)殖池塘魚類氮磷利用率

大多數(shù)的池塘養(yǎng)殖均以直接投喂外源性食物為主，雖然池塘魚類對于投喂飼料的利用率存在差異，但總體上說養(yǎng)殖生物對于氮、磷營養(yǎng)鹽的利用率仍然較低。研究顯示，養(yǎng)魚池塘中對投喂飼料的氮利用率為18.0%～21.0%，磷利用率為16.0%～28.9%[21]；養(yǎng)蝦池塘中以成蝦形式產(chǎn)出的氮、磷分別占總投入的27%～35%、13%～24%[22]。3個池塘對氮的利用率為29.38%～30.96%，高于前人的試驗結(jié)果，可能是由于試驗池塘中放養(yǎng)的鰱魚主要攝食水中的浮游動物及懸浮顆粒，對白魚以代謝物形式排入水體的氮進(jìn)行了二次利用；而磷的利用率為52.61%～55.39%，遠(yuǎn)高于上述研究結(jié)果，這主要與筆者試驗所選用的飼料中磷含量(0.89%)較低有關(guān)。

試驗結(jié)果還顯示種植鳳眼蓮的池塘氮、磷利用率略高于對照池塘，主要原因在于種養(yǎng)鳳眼蓮的池塘魚類單體質(zhì)量及總產(chǎn)量均高于對照。鳳眼蓮的生長可調(diào)節(jié)水體pH值，使之趨向于中性[23]；鳳眼蓮的通氣組織可將大氣中的氧氣傳輸至根部，并將其中的30%～40%釋放至根區(qū)以供微生物代謝[24]。這些特性在一定程度上改善了池塘水質(zhì)，有利于魚類的生理活動。另外，鳳眼蓮具有異常發(fā)達(dá)的根系，為水中的浮游生物及懸浮顆粒提供了附著地，間接地為白鰱和花鰱提供了食物，促進(jìn)了魚類生長發(fā)育，實現(xiàn)了養(yǎng)殖池塘的增產(chǎn)。

3.3 養(yǎng)殖池塘水體氮磷平衡分析

氮、磷營養(yǎng)鹽是構(gòu)成池塘養(yǎng)殖生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，是浮游生物生長的限制性營養(yǎng)元素，氮、磷收支平衡研究可解釋池塘水體氮、磷來源與歸趨，對于水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有積極的意義?？傮w說來，養(yǎng)殖池塘水體的主要營養(yǎng)來源是投喂飼料，分別約占氮、磷輸入總量的80%和90%以上[12]；而放養(yǎng)的魚蝦、降雨及池塘原水對于氮、磷輸入量的貢獻(xiàn)均較少[25-26]。筆者試驗中飼料輸入的氮、磷量占總量的94%以上，這可能與池塘水體初始氮、磷濃度較低有關(guān)。試驗池塘水體氮、磷的主要支出方式之一是魚類產(chǎn)出，約占氮、磷總輸出量的30%和53%以上。另一個主要支出方式是底泥沉積，其他研究均通過對比試驗前后底質(zhì)中氮、磷含量的變化以間接評估氮、磷沉積量[14,27]，而通過收集單位面積上的沉積物來估算其對于氮磷支出的貢獻(xiàn)率顯示:沉積作用占池塘水體中氮支出的25.90%～32.47%，磷支出的33.37%～42.16%，與前人的研究結(jié)果接近[27-28]。以鳳眼蓮植株形式的氮、磷輸出量占比較低，約占總輸出的7.41%～13.78%和5.81%～9.87%。反硝化脫氮作用是養(yǎng)殖水體氮損失的重要途徑之一，試驗中存在26.74%～33.46%的氮支出去向不明，這可能與反硝化作用產(chǎn)生氮?dú)饧八w氨揮發(fā)相關(guān)。另外，種養(yǎng)鳳眼蓮的2個池塘水體中磷支出總量略高于輸入量，這可能與底泥-水界面上的溶解態(tài)營養(yǎng)鹽相互交換有關(guān)[29]，即底泥間隙水中的少量可溶性磷向上覆水體釋放。

4 結(jié)論

(1)鳳眼蓮能夠有效降低池塘水體氮、磷及懸浮物濃度；通過植物的采收能夠?qū)⒅参镂盏牡着c植物根系附著的顆粒態(tài)磷及顆粒物帶出水體。

(2)種植鳳眼蓮的池塘魚類單體質(zhì)量、總產(chǎn)量及氮、磷利用率略高于對照池塘，表明利用鳳眼蓮修復(fù)養(yǎng)殖水體對魚類生長無負(fù)面影響。

(3)飼料輸入是養(yǎng)殖池塘水體氮磷的主要輸入方式；在養(yǎng)殖池塘水體氮輸出方面，魚類產(chǎn)出與沉積作用所占比例較高；磷輸出方面，魚類產(chǎn)出與沉積作用為主要支出方式；以鳳眼蓮植株形式的氮、磷輸出量所占比例較低。

(4)利用低覆蓋度的鳳眼蓮原位修復(fù)養(yǎng)殖池塘水體雖可控制水體氮、磷等污染物濃度在較低水平，但若將修復(fù)后的養(yǎng)殖水體直接排放，仍然存在污染自然水體的風(fēng)險，因此有必要對養(yǎng)殖排水作進(jìn)一步深度凈化。

致謝：感謝蘇州金庭大成農(nóng)業(yè)園相關(guān)負(fù)責(zé)人胡偉雄、馬瑞芬、程皓等在研究工作中給予的幫助。