水生蔬菜浮床對污染水體的修復機制及應用

宣雄智+馬國勝+于淼

摘 要：我國水生蔬菜種類繁多，利用蔬菜浮床對水環境進行原位修復的機制主要是激發水生蔬菜體內相關酶活性，促進其對水體營養物質的吸收；為根際微生物創造適宜條件，促進其對營養物質的分解；利用浮床自身對污染物的攔截、過濾、沉淀等。蔬菜浮床凈水效果受蔬菜種類，水體富營養化程度，浮床覆蓋面積，氣候變化等因素影響。今后應著力從蔬菜組合、浮床改進等方面探索生態浮床的構建和管理技術，實現經濟效益和生態功能的有機結合。

關鍵詞：水生蔬菜；浮床；水體修復

中圖分類號 S63 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2017）10-0062-03

Abstract：The main mechanism of utilization of vegetable floating bed for in situ remediation of water environment is to stimulate enzyme activities of aquatic vegetables to promote the absorption of nutrients in the water，to create suitable conditions for microorganisms in the rhizosphere of vegetables to promote the decomposition of nutrients，using the floating bed on the pollutant interception， filter precipitation， etc. The effect of vegetable floating bed was affected by the types of vegetables， the degree of eutrophication， the coverage area of floating bed and the climate change. In the future， it is necessary to explore the construction and management technology of ecological floating bed from vegetable combination and floating bed improvement， to realize the organic combination of economic benefit and ecological function.

Key words：Aquatic vegetables；Floating bed；Water restoration

我國水生蔬菜品種繁多，大量研究表明水生蔬菜具有吸收水體中的營養物質，降低其富營養化程度的特性。水生蔬菜浮床應用于景觀污染水體時，可提高水體透明度，增加生物多樣性[1]；應用于養殖池塘時，可減少因為底棲魚類活動所引起沉積物重懸浮，還能穩定底泥、抑藻抑菌，從而改善養殖水質[2]。浮床栽培水生蔬菜不僅修復富營養化水體行之有效，而且還具有較好的經濟回報。這種生態模式非常值得推廣。

1 水生蔬菜浮床凈化水體的機制

氮、磷等營養元素是水生蔬菜生長所需的重要物質。氮在水體中的主要形式有離子態的氨氮、硝態氮、亞硝態氮及有機物氮和部分氣態氮（NH3，N2和NO2），氣態氮在富營養化水體中比重很少。蔬菜浮床去除氨氮的主要途徑有植物吸收、硝化反應和氨揮發（水體pH>8）等[3]。蔬菜體內的硝酸還原酶可以加速無機氮的轉化，提高蔬菜對氮元素的吸收能力[4]，如硝態氮先由硝酸還原酶將其還原成亞硝酸鹽，再經亞硝酸還原酶催化還原為銨鹽，最后用于合成氨基酸。有機氮主要靠微生物分解轉化，一部分轉化為離子態氮，一部分被微生物自身所利用[5]。

磷元素生物活性強，正常水體中大部分磷是以有機磷或被生物細胞組織吸附的無機磷形式存在的，其中溶解無機磷主要以正磷酸鹽離子H2PO4一或HPO42一的形式存在；顆粒態無機磷在水體中處于溶解釋放和吸附的動態過程；有機磷會被微生物降解，水體中磷的實際存在形式和去除途徑都比較復雜，除磷機制主要包括吸附、絡合及沉淀、植物萃取和生物同化等若干過程。水生蔬菜體內堿性磷酸酶等的酶活會隨著磷吸收而增強[4]，同時其根部環境可為嗜磷菌提供良好的有氧環境以有效降解去除污水中的磷[6]。

水生蔬菜的根系網絡可吸收水體中的可溶性富營養物質，植物吸收達上限時，整個系統對有機物的去除作用中就會減弱，此后主要依賴微生物降解[7]。根系的巨大表面積可以為水中懸浮物和各種微生物提供良好附著載體，從而大面積地過濾和吸附顆粒污染物，蔬菜根系的分泌物不但能改變根系周圍的理化環境[8]，如根系的生長代謝向水體釋放的氧氣，在植物根區形成氧化態的微環境，這種兼具好氧區、兼氧區、厭氧區的環境也為根區的各種微生物提供了適宜的生長繁殖場所，促進硝化、反硝化反應和微生物對磷的過量積累作用[9]，而且還能為根系微生物提供營養和能源物質。

不溶性有機物通過沉淀過濾作用，可以很快被截留為微生物所利用，而可溶性有機物則可通過蔬菜根系生物膜的吸附，經吸收及生物代謝降解過程被分解去除。

2 不同品種水生蔬菜的凈水效果

2.1 雍菜 水雍菜抗病力強，生長快，產量高，適應性強，但不耐寒。適宜夏季浮床栽培。水雍菜在浮床上健康生長時，通過莖葉大量吸收并同化富營養水體中的N、P 等養分后，浮床系統的硝化反應加快，靜態條件下空心菜對入湖河水全N、水溶性P的去除率高達90%以上，動態條件下則達50%左右[10]。同化吸收作用是水雍菜去除氮、磷的主要途徑[1]。除此之外，水雍菜浮床還可穩定稻蝦鱔共作稻田水體pH值，提高養殖水體溶氧量[11]，水體氨氮和亞硝酸氮水平可分別控制在1.00mg/L和0.03mg/L以下。不同程度富營養水體中，水雍菜均有明顯的凈水效果[12]。需要注意的是，在鹽堿性較高的水體中水雍菜難以正常生長[13]，

2.2 水芹 水芹在冬季低溫條件下也能維持生長良好，對水體TN、TP的去除率超過50%[14]，且可抑制藻類過度繁殖。水芹浮床在室內短周期（3d）富營養水體凈化中也表現出較高的TN、TP的吸收率 [15]。室內周期性動態換水條件下，水芹對TN、TP的凈去除率為26.64%和48.36%[16]。

2.3 豆瓣菜 豆瓣菜對不同富營養化水體的總氮（TN）和總磷的凈去除率可達60%和65%左右，去除率與水體初始濃度呈正相關。隨著水體的逐漸凈化，污染物的去除速率會逐漸減慢[17]。豆瓣菜對不同富營養程度水體的凈化效果要均優于芹菜和蔥[12]。

2.4 青菜 周小平等選用耐低溫的青菜品種“矮腳黃”和“蘇州青”凈化天然富營養化水體，實驗周期為116d，2個品種對水體總氮/總磷的凈去除率分別達16.86%/16.21%，17.63%/15.72%，但靠青菜自身積累所去除的氮磷所占比例并不高[1]。

2.5 大蒜 大蒜耐寒，可作為冬季浮床備選植物，其對開放水體TN和TP的凈去除率也能達33.3%和33.9%[15]，但在實驗后期植株發黃，綜合考慮景觀效應和凈水能力，不宜選用大蒜浮床來凈化水體。也有研究表明在大蒜生長的適溫范圍內，大蒜對人工配置的富營養水體TN、TP的凈去除率可達52.05%和23.39%，溫度不適時，其凈水能力一般[16]。

2.6 其他蔬菜 莜麥菜也都有一定的去污能力，適于春秋季節栽培用于凈化中低富營養化水體[13]；韭菜、茼蒿、菜作為耐寒蔬菜，經過水培馴化，也有較強的凈水能力[4、16]。慈姑雖在富營養水體中生長情況良好，但凈水能力較差[18]。青芹浮床對人工配置富營養水體的TN、TP的凈去除率達66.67%和21.36%[16]。莧菜對污染水體總氮總磷的去除率可達70%以上[4]。胡綿好研究表明韭菜和蔥浮床處理污水，水中辛味加重，且凈水效果并不理想，不宜在養殖池塘中使用[12]。香芹和菠菜耐污染能力較差，不適于浮床栽培[13]。

3 影響浮床處理效果的因素

3.1 水體富營養化程度 一般而言，在水生蔬菜生長耐受范圍內，其對富營養化程度高的水體有更好的凈化效果。主要由于當水體氮、磷等營養元素充足時，可通過蒸騰作用以較快的速率被植物吸收利用；當氮、磷等營養元素缺乏時，蒸騰作用主導的對營養元素的吸收效率大大降低，水生蔬菜需通過主動運輸來維持營養元素的攝入，吸收速率下降[18]，這也從側面反映出利用水生植物處理低濃度、非點源富營養化水體的難度較大。

3.2 覆蓋面積 宋超等[19]認為養殖池塘浮床覆蓋的適宜面積需參照水生植物對養殖尾水中污染物的吸收能力和養殖魚類的產排污系數，再結合淡水池塘養殖過程中水質管理的一般規律，經過科學計算才能確定。一般而言，水體溶氧量與浮床覆蓋率成正比[11]。但當蔬菜浮床覆蓋率過高時，不利于水體的大氣復氧，且由于植物自身“水呼吸”，與養殖動物競爭水體溶解氧[20]。綜合考慮凈水效果和經濟成本，蔬菜浮床的覆蓋率以10%～15%為佳。

3.3 處理時間 處理時間長短的不同，植物對水體中營養物質的去除率以及自身生物量的增長速度也不一樣。一般而言，浮床處理富營養水體初期，污染物的去除率呈逐步上升趨勢，隨著時間的推移，去除率趨于穩定或逐步下降。隨著處理時間的增加，水體污染物去除效果越明顯，但凈去除率會有較明顯下降，這是對照組水體的自凈效果顯現與處理組污染物去除率下降疊加所致[12]。

3.4 氣候變化 林東教漂浮栽水雍菜，實驗期間，水溫隨天氣而變，呈下降趨勢，28d換水1次，每次換水為一階段，連續的3個階段內，水雍菜對污水總氮的去除率為94.47%、60，19%、31.88%，對總磷去除率為28.57%、33.9%。14.39%，由此可見，氣候影響水溫和植物長勢，進而影響其對水體污染物的去除率[21]。

4 研究展望

蔬菜組合凈化污染水環境是浮床發展的一個方向。不少研究表明不同植物種間的兩兩配置在多數情況下比其單種植物對氮、磷的去除率要高；某種植物在單種種植時凈化率可能很低，但與其他植物配合種植后凈化率則會顯著提高。

傳統蔬菜浮床僅由簡單的浮床和水生植物組成，以后的生態立體浮床系統應與接觸氧化系統、曝氣系統、水生動物、復合微生物、新型填料、生物凈化槽等組合而成，充分利用立體空間、延長浮床系統食物鏈以及強化浮床系統微生物代謝能力，從而提高凈化效果。

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（責編：徐煥斗）